Entwicklung einer Brandschutzbauplatte für Tunnelbauwerke

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Einleitung[Bearbeiten]

Der Beitrag Baulicher Brandschutz in Tunnelbauwerken, gibt einen umfassenden Überblick über gültige Richtlinien und Vorgaben zum baulichen Brandschutz in Tunnelbauwerken. Den entsprechenden Anforderungen werden reale Brandereignisse und Erkenntnisse von Großbrand-Untersuchungen gegenübergestellt. Zusätzlich werden Maßnahmen aufgezeigt, die den gestellten Anforderungen genügen und damit den baulichen Brandschutz gewährleisten.

Denn kommt es zu einem Brand in einem Tunnel und damit vielleicht sogar einem (Teil-)Kollaps des nicht ausreichend oder gar ungeschützten Bauwerks, können schnell enorme wirtschaftliche Schäden entstehen. Langfristige Schließungen zur Sanierung, verbunden mit vielleicht Ausfallzeiten bei den Einnahmen stehen dann in keinem Verhältnis zu den geringen Einsparungen durch den Verzicht auf eine Tunnelbekleidung.

Um hier die EU Directive 2004/54/EC für Straßentunnel im Trans-European Road Network (TEN) vom 29. April 2004 zu zitieren:

„Für die Bauwerkskonstruktion eines jeden Tunnels, bei dem ein lokaler Kollaps dieser Konstruktion katastrophale Auswirkungen haben kann, ist ein ausreichendes Maß an Feuerwiderstand sicherzustellen.“

und

„Das Maß des Feuerwiderstandes soll technische Möglichkeiten berücksichtigen und die Funktionstüchtigkeit in einem Brandfall gewährleisten.“

Der folgende Beitrag gibt Einblicke in die Entwicklung einer Silikat-Brandschutzbauplatte, die ohne weitere Behandlung alle Anforderungen für Tunnelbauwerke erfüllt.

Bis zur endgültigen Einsatzfähigkeit werden unter allen brandschutztechnischen, statisch/dynamischen und physikalischen Aspekten Nachweise geführt.

Branduntersuchungen[Bearbeiten]

Die Branduntersuchungen lehnen sich an die Anforderungen der gängigen Richtlinien für Tunnelbauwerke an. Die Wahl der eingesetzten Befestigungsmittel erfolgt nach den Vorgaben der RABT/ZTV-ING, Teil 5, Abschnitt 4: Es werden ausschließlich Schrauben, Dübel, Profilschienen etc. in entsprechenden Edelstahlgüten eingesetzt. Da die realen Brandereignisse der letzten Jahre sehr lange Branddauern aufwiesen, werden auch Langzeituntersuchungen durchgeführt.

Alle Branduntersuchungen zum Schutz von Betonbauteilen weisen lediglich 40 mm Betondeckung auf. Die Bekleidung wird für die Branduntersuchungen sowohl direkt aufgedübelt als auch auf Stahlprofile als Unterkonstruktion montiert. Plattenstreifen können als Unterkonstruktion zwar ebenfalls verwendet werden, sind brandschutztechnisch als reine Stoßfugenhinterlegung aber nicht notwendig. Die beflammte Gesamtfläche beträgt jeweils 1900 mm × 1400 mm und lässt dadurch realitätsnahe Montageweisen einschließlich Plattenfugen zu. Die Brandschutzbekleidung hängt frei zwischen der Dämmung des Ofens, liegt also nirgendwo auf, um keine verfälschten Untersuchungsergebnisse zu erhalten.

Mit geringsten Betondeckungen und Bekleidungsdicken wird größtmögliche Schutzwirkung erzielt.

Bei allen Untersuchungen treten an den verwendeten Betonbauteilen keine Abplatzungen oder tiefergehende Zermürbungen auf. Die Oberfläche des Betons widersteht nach der Entfernung der Brandschutzbekleidung der Stoßbeanspruchung mit einer schweren Brechstange genauso gut wie unbeflammter Beton. Instandsetzungen infolge Temperatureinwirkung brandgeschädigter Bauwerke können entfallen. Stahlbauteile zur Simulation von Stahl-/Gusstübbings bleiben unverformt. Gummidichtungen zur Simulation von Bauteildichtungen bleiben ohne Schädigung voll funktionstüchtig und flexibel. Die Tragfähigkeit der konstruktiven Aufbauten bleibt erhalten, die Silikat-Brandschutzbauplatten lösen sich nicht von den Befestigungselementen.

Es liegt eine Vielzahl an Untersuchungen nach RWS-Kurve (auch verlängert bis 180 Minuten), RABT/ZTV-ING-Kurve, EBA-Kurve, HC-Kurve, HCM-Kurve und ISO-/ETK-Kurve vor. Teilweise ist die Branddauer auf bis zu 7 Stunden verlängert, um Langzeitschadensereignisse der letzten Jahre zu simulieren und die Dämmwirkung und damit Gebrauchstauglichkeit der Silikat-Brandschutzbauplatten bei extremen Beanspruchungen zu demonstrieren. Selbst wassergesättigte Platten halten diesen Tunnelbrandkurven nachgewiesenermaßen stand und schützen ungerührt weiter den Bauwerksbeton.

Die Untersuchungen nach der RABT/ZTV-ING-Kurve werden in diesem Zusammenhang, in Form einer Risikobewertung, teilweise mit einer Verlängerung der Branddauer von 30 auf 90 Minuten, plus 110 Minuten Abkühlphase, durchgeführt und gehen damit über die nach RABT/ZTV-ING, Teil 5, mögliche Risikobewertung mit einer Beflammung bis zur 60. Minute zuzüglich der 110 Minuten Abkühlphase hinaus.

Auch Kabelkanäle werden über die Anforderungen E 90 nach nationaler DIN 4102-T12 – zum Beispiel in der EBA-Richtlinie mit einer Brandkurve aber für das Bauwerk, vergleichbar der unter Risikoaspekten verlängerten RABT/ZTV-ING, Teil 5, gefordert – hinausgehend untersucht. Mit Materialdicken, die denen im Hochbau entsprechen, ist der Funktionserhalt bei Beanspruchung nach der RWS-Kurve sowie mit 90 Minuten bei 1200 °C zuzüglich der 110 Minuten Abkühlphase nach RABT/ZTV-ING-Kurve nachgewiesen.

Unter allen Aspekten, ein Mehrwert an Sicherheit, ohne Kompromisse.

Statische und dynamische Beanspruchungen[Bearbeiten]

In der RABT/ZTV-ING, Teil 5, Abschnitt 1 und 2, werden für Druck- und Sogeinwirkungen auf Bekleidungen, je nach Querschnittsgröße des Tunnelbauwerkes, unterschiedlich hohe Belastungswerte angegeben. Danach ist für größere Querschnitte ab 50 m² Druck und Sog mit 0,5 kN/m² zu bemessen, für Querschnitte kleiner als 43 m² mit 0,8 kN/m².

Bei Tunnelbauwerken für den Schienennah- oder Hochgeschwindigkeitsverkehr erhöhen sich die Belastungswerte. Die Fahrzeuggeschwindigkeit und -größe, die Tunnellänge und der Verhältniswert zwischen Tunnelquerschnitt und Frontquerschnitt des jeweiligen Fahrzeuges beeinflussen die Höhe der Druckamplituden entscheidend.

Setzt man als zusätzlichen Parameter die Frequentierung durch Fahrzeuge an, resultieren daraus Lastwechsel bzw. Anzahlen von Lastwechseln, denen Brandschutzbekleidungen sowohl hinsichtlich des eingesetzten Materials als auch der Verbindungsmittel standhalten müssen.

Zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der Silikat-Brandschutzbauplatten und ihrer Befestigungsmittel werden Untersuchungen mit Druck-/Sogwechselbeanspruchungen durchgeführt. Ihre Druckamplituden werden stark erhöht, um ausreichende Sicherheiten zu erzielen. Um einen Druckausgleich zwischen Vorder- und Rückseite der Platten und damit eine geringere Beanspruchung auszuschließen, werden für die Untersuchungen die Fugen teilweise zusätzlich versiegelt. Real eingebaut ist diese Versiegelung der Plattenfugen in der Regel nicht vorhanden.

Nach Ende der Untersuchungen wird keine Ermüdung des Plattenmaterials festgestellt.

Das Brandschutzsystem aus Silikat-Brandschutzbauplatten wird grundsätzlich mit Dübeln und/oder Schnellbauschrauben in entsprechender Edelstahlgüte nachträglich oder in Form einer verlorenen Schalung montiert. Zur Ermittlung der notwendigen Dübel- und/oder Schraubenstückzahlen, sind ihre Auszieh- und Durchziehwiderstände in Verbindung mit den Silikat-Brandschutzbauplatten statisch zu prüfen und zu berücksichtigen.

Druck-/Sogwechselbeanspruchungen[Bearbeiten]

Zum Nachweis der dynamischen Belastbarkeit unter Druck-/Sogwechselbeanspruchungen werden Platten mit einer Gesamtfläche von 1900 mm × 1800 mm in einen Prüfrahmen eingebaut. Die größten Einzelflächen betragen 1200 mm × 1100 mm und 1200 mm × 700 mm.

Bei Druck-/Sogbeanspruchungen von Platten, die lediglich stumpf gestoßen montiert sind, findet durch die offenen Fugen ein Luftaustausch zwischen Vorder- und Rückseite statt und die Beanspruchungswerte werden erheblich abgemindert. Deshalb wird die größere Einzelfläche zur Darstellung dieses Unterschiedes offen verlegt, bei der kleineren Einzelfläche werden die Fugen ringsherum versiegelt.

Insgesamt werden 150445 Lastspiele gefahren, aufgeteilt in 50445 Lastspiele mit + 3000 Pa und 100000 Lastspiele mit + 5000 Pa sowie mit einem anderen Plattentyp bei anderen Plattendicken auch noch andere Lastspiele mit teils noch höheren dynamischen Beanspruchungen. Dabei treten an der unversiegelten Einzelfläche maximale Durchbiegungen von + 0,40 mm / - 0,29 mm und an der versiegelten Einzelfläche von + 2,29 mm / - 2,62 mm auf. Die Beanspruchungen führen an beiden Flächen zu keinerlei Beschädigung wie einer irreversiblen Deformation, Ermüdung oder zu einem Bruch.

Auszieh- und Durchziehwiderstände[Bearbeiten]

Zur Montage der Brandschutzbekleidung, aber auch zur nachträglichen Befestigung von Lasten müssen die Auszieh- und Durchziehwiderstände von Befestigungsmitteln, bezogen auf das Plattenmaterial, bekannt sein. Diese werden sowohl mit trockenen als auch durchfeuchteten bzw. wassergesättigten Platten ermittelt.

Physikalische Beanspruchungen[Bearbeiten]

Untersuchungen auf Wasserfestigkeit[Bearbeiten]

Durch äußere oder innere Einflüsse, wie Undichtigkeiten des Bauwerkes oder Feuchtebeaufschlagung durch einfahrende Fahrzeuge gerade in Portalbereichen, sind Brandschutzbekleidungen, neben den brandschutztechnischen und statischen Beanspruchungen, auch unter diesen Gesichtspunkten zu untersuchen.

Unter realen Nutzungsbedingungen wird man bei Feuchtebeanspruchungen eher von Spritzwasser oder nebelartigen Beaufschlagungen ausgehen müssen, sodass die vorgenommenen Untersuchungen jeweils den Extremfall einer Undichtigkeit des Bauwerkes simulieren.

Die Wasserfestigkeit der Silikat-Brandschutzbauplatten wird sowohl im Hinblick auf mögliche Verluste bei der Biegefestigkeit im wassergesättigten Zustand, als auch im Hinblick auf ihr Verhalten allgemein unter 6 Wochen fließendem Wasser und bei langer Wasserlagerung nachgewiesen. Oberflächenveränderungen oder Auswaschungen finden nicht statt.

Darüber hinaus sind die Silikat-Brandschutzbauplatten wasserundurchlässig nach DIN EN 12467 und DIN EN 492.

Untersuchungen auf Frost-Tau- und Frost-Tausalz-Beständigkeit[Bearbeiten]

Neben der reinen Feuchtebeanspruchung kommt im Winter gerade in den Portalbereichen der Tunnelbauwerke die Frostbeanspruchung eventuell feuchter Platten hinzu. Darüber hinaus wird bei Straßen die Fahrbahn schnee- und eisfrei gehalten, sodass durch einfahrende Fahrzeuge mit dem Feuchtigkeitsnebel auch Tausalze weit in den Tunnel gelangen.

Für Untersuchungen der Beständigkeit gegen reine Frost-Tau-Wechsel oder in Verbindung mit Tausalzeinwirkungen, finden sich in den Regelwerken RABT, ZTV-ING und EBA keine Vorgaben.

Man greift auf Untersuchungsanordnungen zurück, wie sie in Regelwerken für Beton- und Fertigbetonbauteile, beispielsweise im Fahrbahnbereich enthalten sind. Die beschriebenen Beanspruchungszyklen dieser horizontal angeordneten Bauteile – wie Fahrbahnen – mit aufstehenden Tausalzeinwirkungen sind für Brandschutzbekleidungen der Tunneldecken und/oder in der Regel oberen Wandbereiche bei Rechteckquerschnitten aber sehr unrealistisch.

Seitlich oder im Kalottenbereich montierte Brandschutzbekleidungen können lediglich durch Spritzwasser oder Nebel und darin enthaltene Tausalze beansprucht werden.

Die Untersuchungen der Silikat-Brandschutzbauplatten berücksichtigen daher diese Umstände.

Natürlich widerstehen Silikat-Brandschutzbauplatten aber auch den beschriebenen ursprünglichen Untersuchungsmethoden der Regelwerke mit einer aufstehenden Salzlake.

Oberflächenbeanspruchungen[Bearbeiten]

Durch die bereits angesprochenen Faktoren wie Feuchtigkeit und Tausalze, aber auch bedingt durch Fahrzeugabgase, Bremsrückstände sowie Reifenabrieb, verschmutzen Tunnelwände und -einrichtungen bei Straßentunneln in starkem Maße. Um die damit einhergehenden Helligkeitsverluste und Kontrastreduzierungen, also mögliche Sichtbehinderungen, zu vermeiden, werden in regelmäßigen Abständen Reinigungen durchgeführt.

Mit speziellen Fahrzeugen werden Waschflüssigkeiten aufgesprüht, um die Oberflächen mit rotierenden Bürsten zu reinigen.

Silikat-Brandschutzbauplatten werden auch diesen Beanspruchungen unterzogen und bestehen die Untersuchungen erfolgreich.

Eine weitere, nicht zu unterschätzende, stoßartige Beanspruchung der Oberflächen ist zum Beispiel der Steinschlag, der durch vorbeifahrende Fahrzeuge hervorgerufen werden kann. Bekleidungen im Fahrbahnbereich müssen dieser widerstehen und dürfen nicht brechen oder feine, kaum sichtbare Haarrisse bekommen. Gerade letztere bilden bei beschichteten Bekleidungen Angriffspunkte für Unterläufigkeit und nachfolgende Abplatzungen der Beschichtungen.

Solche stoßartigen Beanspruchungen lassen sich gut durch eine vorgenommene Kugelfall-Untersuchung simulieren.

Biegefähigkeit[Bearbeiten]

Nachträglich montierte Brandschutzbekleidungen mussten bei Tunneln mit Kreisquerschnitten, also in TBM-Bauweise, bisher aufwändig im Werk auf den jeweiligen Tunneldurchmesser hin vorgekrümmt oder polygonal verlegt werden.

Eine Silikat-Brandschutzbauplatte für Tunnelbauwerke hingegen lässt sich je nach Typ in Abhängigkeit vom Tunneldurchmesser und der Plattendicke in den jeweiligen Querschnitt hineinbiegen.

Chlorid- und Korrosionsschutzwirkung[Bearbeiten]

Zusätzlich zu den brandschutztechnischen, statisch/dynamischen und physikalischen Aspekten spielt für die Nachweisführung zu Silikat-Brandschutzbauplatten auch die Frage eine Rolle, ob durch die aufmontierten Platten nicht zusätzlich eine Schutz- quasi Filterfunktion gegen einwirkende Chloride erreicht wird.

Gerade bei Straßentunneln kann die Dauerhaftigkeit einer Stahlbetonkonstruktion durch eindringende Chloride, wie in Wasser gelösten Tausalzen, durch vorzeitige Karbonatisierung und damit verbundene Bewehrungskorrosion stark beeinträchtigt werden.

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass durch die Montage von Silikat-Brandschutzbauplatten die Chloridoberflächenkonzentration am Bauwerk so reduziert werden kann, dass kein Korrosionsrisiko besteht.

Fazit[Bearbeiten]

Die geprüften und amtlich nachgewiesenen Silikat-Bekleidungen schützen mit geringsten Aufbaudicken Tunnelbauwerke bei einem möglichen Brand unterschiedlichster Intensität.

Wasserfest und widerstandsfähig gegen alle physikalischen, statischen und dynamischen Beanspruchungen, erfüllen sie die Anforderungen für den Einsatz in Tunnelbauwerken. Viele der beschriebenen Untersuchungen wurden in Abstimmung mit der STUVA in Köln durchgeführt und von ihr begleitet. Die neutral bewerteten Untersuchungsergebnisse finden sich folgerichtig in entsprechenden Abschlussberichten der STUVA.

Silikat-Brandschutzbauplatten sind je nach Typ zudem biegbar und bieten damit insgesamt größtmögliche Effizienz.

Literaturverzeichnis[Bearbeiten]

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ZTV-ING, Teil 5 "Tunnelbau", Abschnitt 2 (Offene Bauweise), Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Stand 01/2018, herausgegeben durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (bast) beim Verkehrsblatt-Verlag
ZTV-ING, Teil 5 "Tunnelbau", Abschnitt 3 (Maschinelle Vortriebsverfahren), Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Stand 01/2018, herausgegeben durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (bast) beim Verkehrsblatt-Verlag
ZTV-ING, Teil 5 "Tunnelbau", Abschnitt 4 (Betriebstechnische Ausstattung), Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Stand 07/2012, herausgegeben durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (bast) beim Verkehrsblatt-Verlag
ZTV-ING, Teil 5 "Tunnelbau", Abschnitt 5 (Abdichtung), Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Stand 01/2018, herausgegeben durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (bast) beim Verkehrsblatt-Verlag
ZTV-K – Kunstbauten, Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen für Kunstbauten, Ausgabe 1996, herausgegeben durch das Bundesministerium für Verkehr beim Verkehrsblatt-Verlag
EBA-Richtlinie, Anforderungen des Brand- und Katastrophenschutzes an den Bau und Betrieb von Eisenbahntunneln, Stand: 7. Dezember 2012, herausgegeben durch das Eisenbahn-Bundesamt, Bonn
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Vortrag "UPTUN-project", von Jan Brekelmans/Mirjam Nelisse, TNO Building and Construction Research, Centre for Fire Research, Delft, The Netherlands, während des “International Symposium on Catastrophic Tunnel Fires (CTF)”, 20. – 21. November 2003 in Boras, Schweden
Tagungsband, "Proceedings of the International Symposium on Catastrophic Tunnel Fires", Ausgabe 05/2004, herausgegeben durch SP – Swedish National Testing and Research Institute, Boras, Schweden
Videofilm, "Runehamar-tunnel test demo", Ausgabe 11/2003, herausgegeben auf CD zum "International Symposium on Catastrophic Tunnel Fires (CTF)", 20.–21. November 2003 in Boras, Schweden durch SP – Swedish National Testing and Research Institute, Boras, Schweden
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