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Untersuchungen zum Brandüberschlag in Straßentunneln

Die Tragstruktur eines Tunnels wird so ausgeführt, dass sie auch durch einen Brand nicht wesentlich beeinträchtigt werden kann. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) untersuchte, ob die bestehenden Vorgaben auch dann noch ausreichen, wenn ein externer Brand in einem Tunnel auf andere Fahrzeuge übergreift. Durch Simulationen und einen originalmaßstäblichen Großbrandversuch konnten neue Erkenntnisse zur Temperaturentwicklung sowie zu Auswirkungen auf die Konstruktion gewonnen werden. Die aktuellen Anforderungen an den Brandschutz lassen sich so verifizieren.

Das Foto zeigt einen Lkw mit Ladung der in Flammen steht und daneben einen Pkw der sich entzündet hatAus dem Versuchsablauf: Lkw mit Ladung steht in Flammen – der Pkw daneben entzündet sich (Bild: MFPA Leipzig)

Aufgabenstellung

Bereits bei der Bemessung eines Tunnels müssen die Einwirkungen möglicher Brandereignisse auf die Tragstruktur berücksichtigt werden. Dabei stellt sich die Frage, ob ein Brandüberschlag auf weitere im Tunnel befindliche Fahrzeuge zu so hohen Temperaturen oder schnellen Temperaturanstiegen führen könnte, dass die Tragfähigkeit gefährdet ist. Im Auftrag der BASt untersuchte die Gesellschaft für Materialforschung und Prüfungsanstalt für das Bauwesen in Leipzig die Auswirkungen von Bränden auf das Verhalten der Tunneltragstruktur im Brandfall und auf die Instandsetzung nach dem Brandereignis.

Untersuchungsmethode

Im Rahmen von Simulationen wurden Tunnel sowohl für den Fall eines zweistreifigen Richtungsverkehrs als auch für den zweistreifigen Gegenverkehr mit Rechteck- und Gewölbeprofil untersucht. Betrachtet wurden 1.200 Meter lange Tunnel mit konstanter Längsneigung von drei Prozent sowie ein Tunnel mit muldenförmigem Längsprofil. Es wurde von einem 15-prozentigen Lkw-Anteil (jedes siebte Fahrzeug) ausgegangen. Ermittelt werden sollte die orts- und zeitabhängigen Auswirkung von Temperaturen und Gasen auf die Struktur von Wänden und Decken.

In einem originalmaßstäblichen Großbrandversuch wurde darüber hinaus ein Unfall in einem Richtungsverkehrstunnel zwischen einem mit etwa 3,7 Tonnen Holzpaletten beladenen Lkw und einem nebenstehenden Pkw nachgebildet. Jeweils unmittelbar hinter den unfallbeteiligten Fahrzeugen kam ein weiterer Pkw im Abstand von einem Meter zum Stehen. Aus dem Tank des Lkw liefen rund 300 Liter Diesel brennend aus, welche durch etwa 400 Liter Isopropanol abgebildet wurden.

Ergebnisse

Der Austritt brennbarer Flüssigkeiten kann einen Brandüberschlag auf eine große Anzahl weiterer im Tunnel befindlicher Fahrzeuge nach sich ziehen. Im Vergleich zu reinen Flüssigkeitslachenbränden muss infolge der zusätzlichen Brandlast hier beispielsweise durch den mit Holzpaletten beladenen Lkw und gegebenenfalls weitere im Tunnel befindliche Fahrzeuge von einer größeren Branddauer ausgegangen werden. Die Temperaturbeanspruchung der Tunneltragstruktur ist in diesem Falle signifikant erhöht. Nach bisherigen Erfahrungen wird das Abplatzverhalten des Betons nicht erkennbar stärker sein als bei dem Vergleichsbrand entsprechend der ZTV-ING-Temperatur-Zeit-Kurve. Die Ergebnisse sind aufgrund der gewählten Randbedingungen auf Tunnel mit ähnlichem Querschnitt direkt übertragbar. Für Tunnel mit signifikant anderen Querschnitten etwa bei dreistreifigen Straßen wird eine experimentelle Verifizierung ausdrücklich empfohlen. Gerade bei größeren Tunnelquerschnitten könnte die bessere Sauerstoffversorgung höhere Energiefreisetzungsraten, geringere Strömungsgeschwindigkeiten und demzufolge höhere Temperaturen bedingen. Die größten Gefahren für den Menschen gehen von den Flüssigkeitsbränden aus, da sie sehr schnell zu Verpuffungen, Sauerstoffmangel und geringen Sichtweiten führen können. Die Beanspruchung für das Bauwerk ist hingegen bei den Szenarien mit lang andauerndem Brand am größten, wobei der Ort der höchsten Temperaturbeanspruchung sich im Bereich der Lache respektive des mit Holzpaletten beladenen Lkw befindet.

Folgerungen

Die durchgeführten Untersuchungen ergaben neue Erkenntnisse in Bezug auf Temperaturentwicklung sowie Auswirkungen auf die Konstruktion. Es konnte gezeigt werden, dass die Vorgaben der Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING) selbst extreme Brände erfassen. Schäden an der Konstruktion können bei diesen Bränden jedoch nur vermieden werden, wenn Tunnel mit Betonen mit Zugabe von Polypropylenfasern erstellt werden oder andere Brandschutzmaßnahmen ergriffen werden.

Studies on fire spread in road tunnels

Tunnels are designed with the aim of minimising any significant damage to their support structure in the event of a fire. The Federal Highway Research Institute (BASt) has conducted a study examining whether existing specifications still suffice in cases when an external fire in a tunnel spreads to other vehicles. By using simulations and a full-scale fire test, it was possible to gain new insights into temperature development in tunnels and the effect fire has on their construction. It was also possible to verify the existing requirements for fire safety. It was possible to show that even the most extreme fires are covered by the requirements set out in the Additional Technical Terms of Contract and Guidelines for Civil Engineering Works (ZTV-ING). However, it is only possible to prevent damage being inflicted on the tunnel construction in these types of fire if the tunnel is constructed from polypropylene fibre reinforced concrete or when other fire prevention measures are in place.

Forschung kompakt als Download: 02/2016 (PDF, 274KB)

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Zusatzinformationen

Forschung kompakt 02/16
Bericht
Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Heft B 119, 2015

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