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Tunnelbau

Brandversuche zum Abplatz- und Strukturverhalten von Tunnel mit Rechtecksquerschnitt

DI Matthias Zeiml

ZeimlBei der Bemessung von kritischen Infrastrukturbauten für den Brandfall ist auf eine ausreichende Realitätsnähe der gewählten Simulationsmethode zu achten. Das Hauptziel des KIRAS-Forschungsprojekts "Sicherheit von Hohlraumbauten unter Feuerlast" (2008–2012) war die Entwicklung realitätsnaher Analysemethoden zur Simulation des Strukturverhaltens unter Brandbelastung.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden Brandversuche an Klein- und Großbrandversuchskörpern (Maßstab 1:2) durchgeführt. Diese sollten das Verhalten eines rechteckigen Tunnelquerschnitts mit 12 m Stützweite wiedergeben. Es wurden vier Versuchskörper aus zwei unterschiedlichen Betonzusammensetzungen (ohne bzw. mit Polypropylenfasern) mechanisch mit etwa 39 to belastet und danach einer definierten Brandkurve (Maximaltemperatur 1200°C, Versuchsdauer 3h) ausgesetzt. Während der Versuchsdurchführung wurde eine Vielzahl von Messdaten gesammelt (Temperaturen, Verformungen, Abplatzverhalten usw.).

Die gewonnenen experimentellen Daten wurden zur Entwicklung bzw. Verifikation der erwähnten, realitätsnahen Analysemethoden herangezogen. Das entwickelte Simulationstool wurde in handelsüblichen Strukturprogrammen implementiert und ermöglicht damit in der Ingenieurpraxis die realitätsnahe Prognose des Strukturverhaltens unter Feuerlast.

Der veröffentlichte Bericht enthält Informationen über den Versuchsaufbau sowie Daten sämtlicher Messungen und Aufzeichnungen der durchgeführten Klein- bzw. Großbrandversuche. Auf einer interaktiven Daten-DVD sind ergänzende Informationen (Fotodokumentation, Videos usw.) enthalten.

Den Abschlussbericht können Sie unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! gegen Kostenersatz bestellen.

Ursachenanalyse der Griffigkeitsmängel auf Tunnelstrecken in Waschbetonbauweise

DI Martin Peyerl

Für die Sicherheit im Straßenverkehr sind die Griffigkeit und damit die Oberflächenstruktur der Fahrbahnoberfläche wesentlich. Durch Einsatz der in Österreich entwickelten Waschbetonoberfläche für Betonstraßen können die Anforderungen hinsichtlich der hohen Griffigkeit eingehalten werden.

Aus wiederholten Messungen der Griffigkeit zeigt sich, dass die günstigen Fahrbahneigenschaften der Waschbetonoberflächen auf Freistrecken über verhältnismäßig lange Zeiträume weitgehend konstant erhalten bleiben, während aus den gleichen Messungen eine Veränderung der Griffigkeit bzw. unterschiedliche Griffigkeit in Tunnelstrecken (auch unter Grünbrücken) zu beobachten ist. Dies gilt sowohl für Neubautunnelstrecken als auch für Tunnelstrecken, die bereits mehrere Jahre in Betrieb sind. Dabei ist in der Regel ein abrupter Griffigkeitsabfall beim Tunnelportal zu beobachten.

Im Rahmen dieses Projektes sind topografische und chemische Analysen an Fahrbahnproben geplant, die weiterführend mit Griffigkeitsuntersuchungen verknüpft werden. Dadurch erfolgt eine Eingrenzung bestehender Hypothesen und maßgeblicher Einflüsse auf die Fahrbahngriffigkeit (z. B. Nachbehandlungsmittel, Verschmutzung, Tunnelfarbe, natürliche Verwitterung usw.). Das Ziel der Untersuchungen besteht darin, einerseits das Griffigkeitsniveau von Neubau-Tunnelstrecken zu steigern und andererseits das Griffigkeitsniveau von Tunnelstrecken im Betrieb länger aufrecht zu erhalten.

Die Problematik stellt sich sehr komplex dar, Neubau und Betrieb werden getrennt beleuchtet. Die Untersuchung der ausgewählten Tunnelstrecken erfolgt hinsichtlich:

  • Auswirkung unterschiedlicher Nachbehandlungsmittel im Tunnel und auf Freistrecken und deren Abbau durch unterschiedliche Abwitterung (UV-Strahlung), aber auch unterschiedliche Feuchte- bzw. Verdunstungsverhältnisse im Tunnel
  • Bautechnischer Parameter bei der Herstellung wie Ausbürstzeitpunkt, Art und Anwendung der Nachbehandlungsmittel bzw. Betonzusätze
  • Verschmutzungsphänomene bei Neubauten z. B. durch Arbeiten an der Tunnelinnenschale (Verkleidungen, Anstriche usw.) und Wiederverschmutzung nach erfolgter Reinigung durch Rußpartikel im Nanobereich von Dieselfahrzeugen, den Abrieb von Reifen sowie die regelmäßige Reinigung der Tunnelinnenschale
  • Temperaturverwitterung aufgrund jahreszeitlich bedingter Temperaturschwankungen mit dem Wechsel der Sonneneinstrahlung, Frosteinwirkung, chemischen Verwitterung durch sauren Niederschlag bzw. den Wegfall der natürlichen Bewitterung im Tunnel
     
Probenahme für Detailuntersuchung

Probenahme für Detailuntersuchung

Selbstverdichtender Beton mit erhöhter Brandbeständigkeit und Helligkeit
Schäden an Tunnelanstrichen fordern neuartige Sanierungskonzepte
Probebetonierungen untermauern Sanierungsvorschläge

Häufige Tunnelsanierungen wegen Verschmutzungen und Schäden bei den hellen Anstrichen führen zu hohen Kosten. So entstand aus der Überlegung, die strengen Ansprüche an die Oberfläche einer Tunnelinnenschale dauerhaft durch selbstverdichtenden Beton (SCC) mit erhöhter Brandbeständigkeit und Helligkeit ohne Verwendung von Tunnelanstrichsystemen zu erfüllen, ein interessantes Forschungsvorhaben. Die Finanzierung der Arbeiten wurde dabei vom Österreichischen Verkehrssicherheitsfonds und der ASFINAG sichergestellt. Im Blickpunkt stand nicht nur der Tunnelneubau, sondern auch die Sanierung bestehender Tunnel.

Im Zuge von Laboruntersuchungen und einer Probebetonierung konnte die betontechnologische Eignung von SCC für den Tunnelbau nachgewiesen werden, bei einer gegebenen Expositionsklasse XF4. Adäquate Hellbezugswerte, eine dauerhaft möglichst glatte und helle Oberfläche, die Verarbeitbarkeit als Transportbeton und im Sanierungsfall die rasche Wiederherstellung der ursprünglichen Qualität durch Überschleifen sind wesentliche Vorteile dieses Verfahrens.

 

 

  

pdf Selbstverdichtender Beton mit erhöhter Brandbeständigkeit und Helligkeit68.55 KB

 

 
Mehr Licht und Brandsicherheit für Tunnel mit SCC Beton

Mehr Sicherheit für Tunnel verbunden mit niedrigeren Erhaltungskosten wird mit selbstverdichtendem Beton, bekannt unter SCC - Self Compacting Concrete, ermöglicht. Das bestätigen die Ergebnisse eines aktuellen Forschungsprojektes des Forschungsinstitutes  der österreichischen Zementindustrie (VÖZfi). Untersucht wurden – speziell für den Tunnelbau – die für die Sicherheit relevanten Aspekte Brandschutz und Helligkeit sowie der Wartungsaufwand. Die entwickelte Betonrezeptur mit Weißpigmenten führt zu einer hellen Oberfläche, die das Sichtfeld der Autofahrer verbessert und damit die Unfallgefahr verringert. Mit der Beimischung von Polypropylen-Fasern wird höchste Brandbeständigkeit erreicht, das "Abplatzen" der Tunneloberfläche im Brandfall verhindert und so die Sicherheit von Einsatzteams im Notfall verbessert.

Selbstverdichtender Beton ist eine der wichtigsten Innovationen der letzten Jahre und dazu Spitzenreiter in Hinblick auf die ökologischen Vorteile und niedrigeren Gesamtkosten über den Lebenszyklus. Das Forschungsinstitut der Österreichischen Zementindustrie (VÖZfi) stellte den SCC im Rahmen des Forschungsprojektes "Selbstverdichtender Beton mit erhöhter Brandbeständigkeit und Helligkeit" auf den Prüfstand. Beauftragt und unterstützt wurde dieses Vorhaben vom Österreichischen Verkehrssicherheitsfonds im Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie sowie der Asfinag. DI Dr. Johannes Steigenberger, Leiter des Forschungsinstituts der Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie (VÖZfi): "Wir wollten den wissenschaftlichen Beweis, dass SCC die hohen Ansprüche an die Oberfläche einer Tunnelinnenschale, mit erhöhter Brandbeständigkeit und Helligkeit ohne Anstrich, erfüllt. Jetzt haben wir eine wesentliche Entscheidungsgrundlage für den Einsatz von SCC im Tunnelbau."

Helligkeit im Tunnel verringert Unfallgefahr

"Helle Flächen im Tunnel verbessern das Sichtfeld für den Autofahrer und verringern so das Unfallrisiko. Das Wesentliche unserer Neuentwicklung ist jedoch die damit verbundene Wirtschaftlichkeit", sagt Mag. (FH) DI Dr. Stefan Krispel, Abteilungsleiter Beton und seit 2003 im VÖZfi tätig. Um eine ausreichende Helligkeit zu erreichen wurden bisher Tunnelanstrich- oder  Beschichtungssysteme verwendet. Die Oberfläche aus SCC braucht, um die Helligkeit zu erreichen, keinen Farbanstrich - dies wird allein durch die Beimischung von Weißpigmenten erreicht. Diese Entwicklung verlängert die Sanierungsintervalle wesentlich, Behinderungen durch Instandsetzungsarbeiten und die damit verbundene Unfallgefahr verringern sich. Bei den herkömmlichen Tunnel mit Anstrichen oder Beschichtungen kann bei Sanierungen auch keine nachträgliche Erhöhung der Brandbeständigkeit durchgeführt werden.

Erhöhung des Brandschutzes mit Polypropylenfasern  für neue und bestehende Tunnel

Tunnel werden unter größtmöglichen Sicherheitsaspekten geplant und gebaut. Im Brandfall wirken besonders hohe Temperaturen auf das Bauwerk ein. Durch den entstehenden Dampfdruck im Beton platzen Randschichten der betonierten Tunnelröhre explosionsartig ab, die hohen Temperaturen können dadurch schneller die Bewehrung des Bauwerks erreichen und zum Einsturz führen. Das gefährdet vor allem Rettungsmannschaften, die sich in den Bereich des Brandes begeben. Höchste Brandbeständigkeit von Beton wird mit der Beimischung von Polypropylen-Fasern erreicht.  Diese verhindern das sogenannte "Abplatzen" der Oberfläche an der Tunnelinnenschale. Bei Sanierungsfällen mit Anstrich- bzw. Beschichtungssystemen konnte die Brandbeständigkeit bisher nicht erhöht werden. Die Forschungsergebnisse zeigen nun erstmalig Möglichkeiten auf, auch bei Sanierungen von Tunnel die Brandbeständigkeit zu erhöhen. Krispel: "Wenn das Licht-Raumprofil ausreichend Platz bietet, kann im Tunnel nachträglich eine Vorsatzschale aus SCC mit Polypropylen-Fasern eingebaut werden." Der wesentliche Unterschied zwischen nachträglicher, brandschutztechnischer Ertüchtigung mit einer Vorsatzschale und dem Neubau mit Tunnelinnenschale ist die Bauteildicke. Eine Berechnung des Temperaturanstiegs bei der Erhärtung des Betons für die entwickelte Betonzusammensetzung, bei einer angenommenen Bauteildicke von 30 Zentimetern, zeigte ein Temperaturmaximum von 28 °C in der Bauteilmitte. Krispel: "Die Forschungsergebnisse lassen den Schluss zu, dass auch der Neubau von Tunnelinnenschalen mit Mindestdicken von 40 Zentimetern unter Einhaltung der derzeit relevanten gültigen Vorgaben mit SCC möglich ist. Die Anforderung an die maximale Bauteiltemperatur kann eingehalten werden."

Besonders wirtschaftliche Herstellung und Erhaltung

Herkömmliche Anstrichsysteme zeigen, je nach vorherrschenden Rahmenbedingungen, nach etwa drei bis fünf Jahren erste Beständigkeitsprobleme (Ablöseerscheinungen). Der gesamte Anstrich muss nach etwa zehn Jahren erneuert werden. Das bedeutet ein komplettes Abtragen des Anstrichs, von Teilen des Betonuntergrundes und ein neuerliches Auftragen dieser Schichten. Der Zeitaufwand dieser Sanierung ist groß, es entstehen hohe Instandsetzungskosten. Insgesamt, so ein Fazit des Forschungsprojekts, liegen die Erhaltungskosten eines Tunnels in konventioneller Bauweise deutlich höher als bei einem Tunnel, der mit SCC errichtet wurde. Aufgrund der durchgeführten Untersuchungen ist nachgewiesen, dass die Herstellung eines SCC für Innenschalen in einem Transportbetonwerk möglich ist. Durch die benötigte Transportzeit kommt es zu keiner Qualitätsverminderung. Ein Betonwerk auf der Baustelle ist dadurch nicht zwingend notwendig. Für Krispel sind die Forschungsprojektergebnisse eine Bestätigung für den Einsatz von SCC im Tunnelbau und zugleich ein Auftrag, dem gesamten Verkehrswegenetz in Österreich die bestmögliche Sicherheitsausstattung bieten zu können. Die Forschungsarbeit "Selbstverdichtender Beton mit erhöhter Brandbeständigkeit und Helligkeit" belegt Vorteile durch Einsatz von SCC im Tunnelbau:

  • optimale Nutzung regionaler Ressourcen (Gesteinskörnung, Zement)
  • nachhaltige Bauweise, weitgehend ohne den Einsatz von ablösegefährdeten, kunstharzgebundenen Anstrichsystemen
  • geringere Erhaltungskosten, Reduktion der Life-Cycle Costs
  • Beständigkeit und Langlebigkeit, selbst bei starker Verschmutzung und intensiver Reinigung
  • kaum Sanierungsarbeiten, weniger Tunnelkomplettsperren
  • Brandbeständigkeit
  • Helle Oberflächen verbessern das Sichtfeld der Autofahrer
  • geringere Bauzeit
  • Reduktion des Unfallrisikos bzw. der Unfallhäufigkeit
  • Reduktion von Instandsetzungskosten nach Brandereignissen
  • Gewährleistung einer dauerhaften Helligkeit
  • Recyclefähigkeit der gesamten Tunnelinnenschale/Tunnelwand
 
ende