Brandschutz in unterirdischen Verkehrsanlagen

Motivation

Durch die stetige Weiterentwicklung der Normen und Regelwerke ist die Frage nach einem L?sungsansatz f¨¹r komplizierte Sachverhalte, wie die Hei?bemessung von Ingenieurbauwerken in Hinsicht auf neu zu erstellende sowie bestehende Bauwerke, zu l?sen.
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Da es momentan f¨¹r die Bemessung von unterirdischen Verkehrsanlagen drei Methoden zur Bemessung f¨¹r ein Brandereignis gibt, wird hier die Nachweisstufe 3, welche f¨¹r individuelle Randbedingungen anwendbar ist, n?her betrachtet.
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Die Arbeit soll einen L?sungsansatz bieten sowie Fragen kl?ren, auf welche Weise ein Ingenieurbauwerk, wie bspw. ein Tunnelquerschnitt, in statisch-konstruktiver Hinsicht f¨¹r ein Brandereignis nachgewiesen werden kann.

Aufgabenstellung

Brandereignisse in unterirdischen Verkehrsanlagen k?nnen im Falle einer direkten ?berbauung mit setzungsempfindlichen Bauwerken (z. B. spurgebundene Verkehrswege oder Br¨¹cken) unverh?ltnism??ige Auswirkungen auf die Gebrauchs- und Tragf?higkeit dieser empfindlichen ?berbauungen haben.
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Die Bemessung von unterirdischen Verkehrsanlagen erfolgt prinzipiell ¨¹ber eine zeitschrittweise Berechnung. Hierbei werden auf der einen Seite ein zeitabh?ngiger Temperaturverlauf (Brandeinwirkung) und auf der anderen Seite die temperaturabh?ngigen Bauteileigenschaften (Materialeigenschaften, Abplatzungen) sowie die damit zusammenh?ngenden Steifigkeitsverteilungen ber¨¹cksichtigt.
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F¨¹r Stra?entunnel, die als ein- oder mehrzelliger Rahmen in offener Bauweise errichtet werden, erlaubt die ZTV-ING unter bestimmten Voraussetzungen eine vereinfachte Berechnung unter Ansatz eines linearen Ersatztemperaturgradienten (zwischen 55 K und 25 K) bei voller Steifigkeit des Betonquerschnittes. Auch das Regelwerk Ril 853 "Eisenbahntunnel planen, bauen und instandhalten" der DB sah bis 11/2014 f¨¹r Rahmenbauwerke eine vereinfachte Schnittgr??enbemessung f¨¹r den Brandfall vor. Dabei wurde analog zur ZTV-ING von einem Temperaturunterschied von 50 K bei voller Steifigkeit des Betonquerschnittes ausgegangen. Seit 11/2014 fordert die Ril 853 auch f¨¹r Rahmenbauwerke eine Berechnung unter Ber¨¹cksichtigung von brandbedingten Effekten, wie Abplatzungen, zeitlichen Temperaturentwicklungen und temperaturabh?ngigem Materialverhalten.
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Inhalt der Masterarbeit soll ein Vergleich der Berechnung unter Ansatz eines konstanten Temperaturgradienten von 50 K und der genaueren zeitschrittweisen Berechnung, bezogen auf die Tragf?higkeit und die Verformungen eines unterirdischen Bauwerkes, darstellen. Vor dem Hintergrund der besonderen Anforderungen an Bauwerke mit verformungsempfindlichen ?berbauungen soll hierbei besonderes Augenmerk auf die Berechnung von Verformungen an der Bauwerksoberseite gelegt werden.
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Weiterhin soll folgende Betrachtung zu einer Umnutzung von Bestandsbauwerken erfolgen: Falls ein Bestandsbauwerk urspr¨¹nglich nicht f¨¹r den Lastfall Brand bemessen worden ist, k?nnen sich bei einer Neuberechnung Tragf?higkeitsdefizite herausstellen. Als L?sungsansatz k?nnten auf Grundlage einer Rauchgassimulation g¨¹nstigere Temperatur-Zeit-Kurven f¨¹r Decke und W?nde definiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Variationsbetrachtung mit zwei weiteren, modifizierten Temperatur-Zeit-Kurven durchgef¨¹hrt werden, bei der die Auswirkungen auf die erforderlichen Bewehrungsgrade dargestellt und diskutiert werden.

Ergebnisse

In der Arbeit wurden unterschiedliche Ans?tze zur Nachweisf¨¹hrung f¨¹r den Lastfall Brand an einem Rechteckrahmen unter Ber¨¹cksichtigung unterschiedlicher Brandkurven gef¨¹hrt. Zum einen wurde ein Vergleich der Bemessungsergebnisse zwischen dem vereinfachten Nachweis gem. ZTV-ING, Teil 5 und dem genaueren Nachweis nach DIN EN 1992-1-2 durchgef¨¹hrt.
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Bei der Berechnung mittels genauerem Rechenverfahren wurde in einem ersten Schritt eine thermische Analyse zur Bestimmung der Temperaturverteilung in den jeweils betrachteten Bauteilen durchgef¨¹hrt. In einem zweiten Schritt wurde eine mechanische Analyse der betrachteten Querschnitte durchgef¨¹hrt. Hier wurde aus den resultierenden Zw?ngungen aus der Temperaturverteilung ein ?quivalenter Temperaturgradient abgeleitet. Dieser wurde dann in einem Lastfall mit den ma?gebenden Gebrauchslastf?llen ¨¹berlagert. Bei diesem Vorgehen wurden die temperaturabh?ngigen Materialeigenschaften mitber¨¹cksichtigt.
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Um einen Vergleich zu erhalten, welche Einfl¨¹sse die Ber¨¹cksichtigung der Steifigkeiten f¨¹r die Bemessung hat, wurde die Berechnung mit dem genaueren Berechnungsverfahren mittels ZTV-ING-Kurve und unter Ber¨¹cksichtigung der vollen sowie abgeminderten Steifigkeiten durchgef¨¹hrt.
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Da es bei den beschriebenen Ans?tzen bei einer Betrachtung von Bestandsbauwerken, welche nicht f¨¹r den Lastfall Brand ausgelegt wurden, zu Problemen bei der Nachweisf¨¹hrung kommen kann, wurden zwei m?gliche Ans?tze mittels reduzierten Brandkurven (Variante 1 mit max. T = 600¡ãC, Variante 2 mit max. T = 400¡ãC) durchgef¨¹hrt. Diese beiden Varianten ergaben, in Verbindung mit dem genaueren Berechnungsverfahren, eine merkliche Reduzierung der erforderlichen Bewehrungsmengen.
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Bei den untersuchten Punkten ergaben sich folgende wesentliche Erkenntnisse:

• Bei dem vereinfachten Nachweis des Lastfalls Brand kann gesagt werden, dass dieses auf der sicheren Seite liegt. Es werden aufgrund der vollen Steifigkeiten im Zustand I mehr Schnittgr??en in der jeweiligen Zelle, in der das Brandereignis stattfindet, angezogen als bei der Betrachtung mittels genaueren rechnerischen Nachweises.
• Der Ansatz der abgeminderten Steifigkeiten bei dem genaueren Nachweisverfahren ist zu verfolgen. Da hier die Schnittgr??en realistischer ausfallen als beim vereinfachten Nachweisverfahren.
• Die angesetzten Abplatzungen f¨¹r den Beton ohne PP-Fasern f¨¹hrten zu teilweisem Ausfall der luftseitigen Bewehrung.
• Bei den Untersuchungen mit reduzierten Brandkurven wurde ein deutliches Einsparpotenzial der Bewehrung festgestellt. Durch die Reduzierung der Temperatur entstanden geringere Zw?ngungen im Rechteckrahmensystem. Dies hatte zur Folge, dass zwar die Steifigkeiten nur geringf¨¹gig reduziert wurden, aber die ?quivalenten Temperaturgradienten deutlich geringer ausfielen, wie bei einer Bemessung mit der ZTV-ING-Brandkurve. F¨¹r Bestandsbauwerke ist dieser Ansatz mit reduzierten Brandkurven eine gute M?glichkeit, um Bestandsbauwerke, welche nicht regul?r f¨¹r eine Brandbeanspruchung ausgelegt wurden, in wirtschaftlicher sowie sicherheitstechnischer Hinsicht nachzuweisen.
• Bei den Untersuchungen der Verformungen beliefen sich diese auf ein Maximum bei dem vereinfachten Nachweisverfahren von u = 44,7 mm, bei dem genaueren Nachweis (T=1200¡ãC) auf u = 45,2 mm, bei der reduzierten Brandkurve von T=600¡ãC auf u = 46,3 mm und bei der reduzierten Brandkurve mit T=400¡ãC auf u = 46,8 mm. Die Stelle der maximalen Verformungen war bei allen Untersuchungen im Riegel in der brandgesch?digten Zelle.

Es hat sich herausgestellt, dass der genauere rechnerische Nachweis des Lastfalls Brand ein aufwendiges Berechnungsverfahren darstellt. In Abh?ngigkeit der unterschiedlichen Randbedingungen k?nnen daraus wesentlich differenziertere Berechnungsergebnisse folgen.