Editorial

Editorial

Die Sicherheit von Bauwerken und ihren NutzerInnen gegen Naturgefahren und gegen vom Menschen bzw. der Technik ausgehende Gefahren ist eine zentrale Aufgabe des Ingenieurwesens. Eine Vielzahl von Präventions-, Schutz- und Rettungsmassnahmen sind mit dem Ziel der grösstmöglichen Sicherheit im Lauf der Technikgeschichte entwickelt und in die Praxis umgesetzt worden. Auch in TEC21 und seinen Vorgängern wurde vielfach über ein breites Spektrum von Gefahren und Schutzmassnahmen berichtet. Seltener, für die Fachwelt aber von grossem Interesse war die Berichterstattung über Schadenfälle und das Versagen von Schutzmassnahmen. Das vorliegende Heft greift, glücklicherweise ohne ein aktuelles Schadenereignis als Anlass, aus dem Spannungsfeld Risiko und Sicherheit den Aspekt der Brandsicherheit von Bauwerken auf.

Unter den von Mensch und Technik verursachten Gefahren spielt das Feuer, die Zerstörung oder Schädigung von Bauwerken durch Brandeinwirkung, von alters her eine Hauptrolle. Ebenso alt wie die Nutzung des Feuers und die davon ausgehenden Gefahren sind die Versuche, die Sicherheit von Menschen und Sachwerten durch Brandschutzmassnahmen zu gewährleisten. Das Ergebnis dieser Entwicklung sind einerseits höherbeständige Baustoffe und ein breites Spektrum von feuerfesten oder wärmedämmenden Oberflächenschutzprodukten und anderseits ein umfangreiches Regelwerk, das den Brandschutz in Planung und Nutzung von Bauwerken verankert. Vielfach wird die strenge Normierung des Brandschutzes aber als restriktiv und zu teuer empfunden. Deshalb können realitätsnähere und flexiblere Ansätze zur Beurteilung und Gewährleistung der Brandsicherheit eine Verbesserung, nicht zuletzt bezüglich der Kosten, ermöglichen.

Der erste Beitrag zeigt auf, wie die Bemessungsgrundlagen für Brandschutzmassnahmen von Stahltragwerken optimiert werden können, wenn anstelle von Normwerten die effektiv am Bauwerk wirksamen Brandlasten berücksichtigt werden. An einem praktischen Anwendungsfall im Industriebau wird deutlich, dass neben den Projektierungs- und Baukosten von Brandschutzmassnahmen auch die Nutzungsbedingungen bzw. -beschränkungen in die Gesamtkosten für Brandschutzmassnahmen einbezogen werden müssen.

Brände in Tunnels gehören zweifellos zu den gefährlichsten, aber nicht zu den unwahrscheinlichsten Katastrophenszenarien, die bei Planung und Betrieb der Verkehrsinfrastruktur zu berücksichtigen sind. Wie die Brandereignisse der letzten Jahre gezeigt haben, können die Schäden an Tunnels und Einrichtungen und insbesondere die für ihre Instandsetzung erforderlichen, teilweise mehrmonatigen Sperrungen gravierende Folgen für die Verkehrsabläufe und die Wirtschaft im grösseren Umkreis haben.

Der zweite Fachartikel geht auf die spezifischen Brandbedingungen in Tunnels ein und beschreibt aus materialtechnologischer Sicht die Schädigungsmechanismen von Tunnelwerkstoffen durch Brandeinwirkungen. Die daraus abgeleiteten Massnahmen zur Erhöhung der Brandbeständigkeit der Baustoffe werden hoffentlich, wie auch die Erkenntnisse aus dem ersten Beitrag, dazu beitragen, dass die Fachzeitschriften in Zukunft noch seltener über schwere Brandschäden an Bauwerken berichten müssen. Aldo Rota

Inhalt

Wettbewerbe
Neue Ausschreibungen | Bern Brünnen: Baufeld 11 | Kohlendreieck Zürich: zwischen den Geleisen | Münsingen: um das Herrschaftshaus

Magazin
Wasserbau nach natürlichem Vorbild | Natur geniessen und schützen | FH Westschweiz: Holzbau Pflichtfach | Beruf: Industriearchitekt | Belastend: Arbeit auf dem Bau

«Naturbrand»
Mario Fontana, Roland Bärtschi, Walter Borgogno, Beat Schaffner
Gebäude werden baulich oder organisatorisch vor Brand geschützt. Die Beurteilung eines Tragwerks nach Naturbrand kann die Planung und die Sanierung von Stahltragwerken vereinfachen.

Sind Tunnel feuerfest?
Volker Wetzig
Brandereignisse in Tunnelanlagen erfolgen unter speziellen Randbedingungen. Um Schutzsysteme auswählen und dimensionieren zu können, müssen Schadensmechanismen und Schutzziele bekannt sein.

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«Naturbrand»

Um bestehende Bauwerke vor Brand zu schützen, bieten sich verschiedene Konzepte an. Zum einen kann ein baulicher Brandschutz ausgeführt werden, zum anderen kommen aktive und organisatorische Konzepte zum Einsatz. Die Beurteilung eines Tragwerks nach Naturbrand kann die Planung und die Sanierung von Stahltragwerken vereinfachen.

Die Forschungen zur Brandsicherheit von Gebäuden, insbesondere zu Naturbränden und zum Brandverhalten der Tragwerke, haben zu grundlegenden Erkenntnissen geführt. Diese lassen sich in der Praxis der planenden Architekten und Ingenieure umsetzen, was zu wirtschaftlichen und sicheren Tragwerken führt. Während bei einem Brand Gase und Rauch hauptsächlich Brandverletzungen verursachen und Brandopfer fordern, ist die entstehende Wärme der Hauptgrund für Schäden an der Gebäudestruktur. Der Temperaturverlauf ist somit eine wichtige Grundlage für die Analyse des Tragwerksverhaltens. Die Brandschutzvorschriften der Vereinigung kantonaler Feuerversicherungen (VKF) aus dem Jahr 2003 lassen den Nachweis des Feuerwiderstandes unter Naturbrand mit Zustimmung der Brandschutzbehörde zu. Das Stahlbau Zentrum Schweiz hat eine technische Dokumentation1 veröffentlicht, die neben geeigneten Tragwerksystemen und Schutzmassnahmen auch Bemessungshilfen und Hinweise zum Nachweis des Feuerwiderstands von Stahltragwerken liefert.

Normbrand- und Naturbrandkurven

Um den Feuerwiderstand eines Tragwerks nachzuweisen, muss gezeigt werden, dass bei Brand der Tragwiderstand während einer geforderten Zeitdauer erhalten bleibt (Ed,fi < Rd,fi).2 Die thermischen Einwirkungen und das Verhalten des Tragwerks müssen dazu möglichst wirklichkeitsnah modelliert werden. Die einfachsten Brandmodelle sind nominelle Zeit-Temperatur-Verläufe wie die ISO-Normbrandkurve. Nominelle Zeit-Temperatur-Verläufe stellen einen einfachen Zusammenhang her zwischen der Temperatur der heissen Gase im Brandraum und der Zeit (Bild 1 und Gleichung A). Die Normbrandkurve zum Beispiel steigt nach einem heftigen Temperaturanstieg in den ersten Minuten an, vernachlässigt dann aber die Abkühlphase und die Entwicklungszeit des Brandes.

Genauere Brandmodelle sind die so genannten Naturbrandkurven, welche die wichtigsten Parameter für die Temperaturentwicklung in einem Raum berücksichtigen (Bild 2). Dazu gehören die Art und die Menge des brennbaren Materials, die Ventilationsverhältnisse im Raum, die thermi­schen Eigenschaften der Umfassungsbauteile und die Löschmassnahmen. Ein wichtiges Kriterium für die Modellierung der Energiefreisetzung ist der Unterschied zwischen brandlastgesteuerten Bränden (genügend Sauerstoff vorhanden) und ventilationsgesteuerten Bränden (durch Sauerstoffmangel begrenzte Energiefreisetzung).3 Die einfachsten Naturbrandkurven sind die parametrischen Zeit-Temperatur-Verläufe, die für eingeschränkte geometrische und thermische Randbedingungen und Ventilationsverhältnisse aus wenigen Parametern berechnet werden können. Solche parametrischen Brandkurven finden sich zum Beispiel im Eurocode 1 für ventilations­gesteuerte Brände.[4] Detailliertere Modelle berechnen den Verlauf der Temperaturen in einem Brandraum anhand von Energie- und Massenbilanzen in kurzen Zeitschritten. Die Analysen werden mittels Computerbrandsimulationen auf der Basis von Ein- und Mehrzonenmodellen oder mittels Computational-Fluid-Dynamics(CFD)-Programmen durchgeführt.

Modellbildung für das Tragwerksverhalten

Die wichtigste Normbrandkurve ist die Einheitstemperatur-Zeit-Kurve (ISO-Normbrandkurve), die durch folgende Gleichung definiert wird, wobei Θg die Temperatur im Brandraum in °C ist:

Θg = 20+345 × log (8×t+1)


Die EN 1991-1-2 gibt neben der ISO-Normbrandkurve auch die Hydrokarbon-Brandkurve (mit einem raschen Temperaturanstieg bei Bränden von flüssigen Brennstoffen) an. Ebenso ist die Aussenbrandkurve für aussen liegende Bauteile dargestellt, bei der infolge der zuströmenden kalten Aussenluft die Maximaltemperatur reduziert ist. Nominelle Temperatur-Zeit-Kurven werden insbesondere für die Feuerwiderstandsprüfung von Bauteilen verwendet und bilden auch Grundlage für die Anforderungen in den Brandschutzvorschriften. Die Temperatur in der nominellen Verlaufskurve steigt mit zunehmender Zeit an. Ob ein Tragwerk einen bestimmten Bemessungsbrand mit seiner Abkühlphase überstehen wird, kann somit auf diesem Weg nicht berechnet werden. Genauso wenig kann beurteilt werden, ob ein konkretes Schutzziel – zum Beispiel « kein Einsturz bei Brand » – erfüllt wird.
Der Verlauf der Gastemperatur im Brandraum lässt sich für einfache geometrische Randbedingungen mit parametrisierten Naturbrandkurven näherungsweise berechnen. Der parametrisierte Naturbrand nach Anhang A der EN 1991-1-2 darf beispielsweise für ventilationsgesteuerte Brände in Brandabschnitten ohne Dachöffnungen mit einer Grundfläche bis zu 500 m² und einer maximalen Höhe von 4 m verwendet werden (siehe Berechnungsbeispiel Seite 23). Berücksichtigt werden die Brandlast, das Abbrandverhalten (in Brandlastdichte und Abbrandrate ), die thermi­schen Eigenschaften der Umfassungsbauteile des Brandraumes (als Wärmeisolations- und -speichervermögen b), die Ventilationsverhältnisse (Öffnungsfaktor O) sowie der Zeitfaktor  5. Die dänische Norm DS4106 gibt für die Beschreibung eines voll entwickelten Brandes im Brandraum eine dem Eurocode ähnliche Gleichung wie folgt an:

Θg = 20+ 345 × log (8×t×Γ+1) / 1+0.04 × (t/td)3.5

Der Zeitpunkt, bei dem die maximale Temperatur im Brandraum max erreicht wird, hängt im Wesentlichen von der Brandlast und den Ventilationsverhältnissen ab. Der Bemessungswert für die Brandlastdichte qf,d bezogen auf die Grundfläche Af kann nach Anhang E der EN 1991-1-2 ermittelt werden. Für Wohnhäuser und Büros liegt die Brandlast meist in einem Bereich von etwa 600 bis 1000 MJ / m2. Dies entspricht einer Brandlast von etwa 150 bis 200 MJ / m2 bezogen auf die Gesamtfläche des Brandraums. Das Wärmespeichervermögen der Raumhülle (b) wird durch die thermischen Eigenschaften der Umfassungsbauteile bestimmt. Bestehen die Umfassungsbauteile ausschliesslich aus Beton, ergibt sich ein hohes Wärmespeichervermögen. Auf der anderen Seite ist für Umfassungsbauteile aus Holz das Wärmespeichervermögen deutlich geringer, dafür sind die Isolationseigenschaften besser.

Der Feuerwiderstand kann entweder am Einzelbauteil oder am Gesamttragwerk nachgewiesen werden. Bei einzelnen Bauteilen, zum Beispiel einem Träger oder einer Stütze, werden diese aus dem Gesamttragwerk herausgeschnitten und die mechanischen Einwirkungen sowie die Lagerbedingungen während des Brands als konstant angenommen. Auf Grundlage des ISO-Normbrands wird der rechnerische Nachweis mit Hilfe des Euronomogramms7 geführt. Soll ein ­Gesamttragwerk berechnet werden, müssen auch mögliche Kraftumlagerungen im Brandfall berücksichtigt und die Zugfeldwirkung bei Verbunddecken einbezogen werden. Die Naturbrand­versuche an mehrgeschossigen Verbundtragwerken haben gezeigt, dass Gesamttragwerke im Brandfall oft ein wesentlich besseres Tragverhalten aufweisen als Einzelbauteile.[8]

Nachweisverfahren

Zur Erläuterung des Berechnungsablaufes dient das Beispiel einer Schaltzentrale, wobei die Temperaturen im Brandraum vereinfacht auf der Basis des parametrisierten Temperaturmodelles berechnet werden. Dieses ist an strenge Anwendungsgrenzen gebunden: Grundrissfläche A  500 m², Raumhöhe h   4.0 m, Öffnungsfaktor 0.02  O  0.20 m1/2 (keine Öffnungen im Dach und in der Decke). Ausserhalb dieser Grenzen ist eine Brandsimulation mit einem Zonen- oder CFD-Modell erforderlich. Es empfiehlt sich folgendes Vorgehen:

1. Die Randbedingungen müssen mit den Brandschutzbehörden festgelegt werden. (Darf Naturbrand angewandt werden? Welche Anforderungen an den Feuerwiderstand unter Naturbrand sind einzuhalten – z. B. kein Einsturz, Tragwiderstand während bestimmter Zeitdauer ?)
2. Die Brandlast wird aufgenommen und die Bemessungsbrandlast festgelegt. (Wird die Brandlast über die Nutzungsdauer verändert? Gibt es Unterschiede in der Lagerung zwischen Jahres­zeiten, Wochentagen oder Tageszeiten? Werden Art und Menge von Rohmaterial oder Fertigprodukten verändert?) Die Bemessung der Brandlast richtet sich nach dem Sicherheitskonzept. Üblich ist es, einen Wert einzusetzen, der während 80 % der Zeit nicht überschritten wird.
3. Die Raumdaten werden aufgenommen (Raumgeometrie, thermische Eigenschaften von Decke, Boden und Wänden, Ventilationsöffnungen wie Türen, Fenster und Oblichter – das Zerbrechen von Glas während eines Brandes kann die Lüftungsbedingungen verändern und ist entsprechend dem Glastyp zu beachten).
4. Der Temperaturverlauf im Brandraum wird aus den aufgenommenen Randbedingungen entsprechend den oben angegebenen Methoden berechnet.
5. Die Bauteiltemperaturen werden aus dem Temperaturverlauf im Brandraum und dem Wärme­übergang durch Strahlung und Konvektion bestimmt. Bei Stahlbauteilen spielen dabei die Massigkeit (ausgedrückt durch den Profilfaktor V / A7) und eine eventuell vorhandene Brandschutzverkleidung eine grosse Rolle.
6. Der Versagenszeitpunkt des Bauteils oder des Tragwerks wird berechnet. Dabei haben neben der Temperaturentwicklung im Bauteil insbesondere das Spannungsniveau (Ausnutzungsgrad), mögliche Lastumlagerungen und die Abtragung von Lasten über Membranwirkung eine grosse Bedeutung.
7. Der berechnete Feuerwiderstand wird mit den von den Behörden festgelegten Anforderungen verglichen.

Als Berechnungsbeispiel dient eine Schaltzentrale mit geringer Brandlast. Sie ist 1515 m gross und 4 m hoch. Die Decken und Wände bestehen aus 15 cm Beton. Es gibt eine grosse Wandöffnung von 3.75 m / 3.0 m. Die Decke ist eine Verbunddecke mit ungeschützten Trägern IPE 450 als einfache Balken gelagert und mit einem Ausnutzungsgrad von μfi,d=0.6. Die Brandbelastung ist gering und beträgt 200 MJ / m2. Anforderung ist, dass die Träger diesen Brand ohne Einsturz während 60 Minuten überstehen müssen. Als einfachste Methode für die Berechnung der Raumtemperatur bietet sich der Anhang A des Eurocode 1, Teil 1–2, an. Mit den Angaben des Anhangs C der Norm SIA 263 kann daraus in Zeitschritten von einigen Minuten die Stahltemperatur berechnet werden. Das erfordert bei einer Handrechnung einiges an Rechenzeit. Leicht lässt sich die Aufgabe aber mit dem Programm Difisek lösen, das für den Brandraum und den Träger die gegebenen Raum- und Stahltemperaturen liefert (Bild 3). Für den Nachweis der Tragfähigkeit wird zuerst die kritische Temperatur aus dem Lastausnutzungsgrad z. B. mit dem Euronomogramm bestimmt (Verbundträger mit Betondecke K = 0.7; Ausnutzungsgrad μ = 0.6 [aus Statik]; daraus folgt im Euro­nomogramm: cr = 620 °C). Der ungeschützte Stahlträger erreicht nach circa 39 Minuten eine maximale Temperatur von 533 °C. Diese Temperatur liegt unterhalb der kritischen Temperatur von 620 °C, der Träger wird den Brand überstehen. Die Anforderung «kein Einsturz während 60 Minuten» ist erfüllt, und der Träger kann ungeschützt bleiben.

Wäre die Brandlast nicht 200MJ / m2, sondern 500 MJ / m2, ergäben sich andere Temperaturen (Bild 4). Die maximale Temperatur im Träger beträgt 723 °C nach 66 Minuten. Der Träger würde 60 Minuten Branddauer nicht überstehen, sondern seine kritische Temperatur von 620 °C bereits nach rund 40 Minuten erreichen. Die Anforderungen wären somit für die höhere Brandlast von 500 MJ / m2 nicht erfüllt. Der Träger müsste z. B. mit einer Brandschutzisolation geschützt werden.

Brandschutzbemessung in der Sanierung

In einem bestehenden Industriegebäude in Baden aus den 1950er-Jahren musste im Zuge einer Sanierung und teilweisen Umnutzung auch der Brandschutz sichergestellt werden. Das Gebäude besteht aus einer 6-geschossigen Stahlrahmenstruktur mit Stahlbetondecken und einem Unter­geschoss in Stahlbeton. In den Obergeschossen wurden die Fabrikationsflächen sukzessive in Büroflächen umgenutzt. Im Erdgeschoss besteht ein operativer Produktionsbetrieb der Maschinenindustrie, der äusserst empfindlich gegen Störeinflüsse durch Bauarbeiten ist. Auch ein nur teilweises Stilllegen oder gar das Verlegen des Betriebs wäre nur mit äusserst hohem Aufwand möglich gewesen.

Im Brandfall führt die erhöhte Temperatur zu Abplatzungen an den Betondecken. Bei sehr hohen Temperaturen verliert der Stahl einen Teil seiner Festigkeit und seiner Steifigkeit. Im Rahmen des Brandschutznachweises muss deshalb insbesondere überprüft werden, ob die Stahlstruktur innerhalb einer gewissen Zeit nicht zu hohe Temperaturen erreicht. In den Obergeschossen konnte der Brandschutz durch partielles Verkleiden der Stahlstruktur sichergestellt werden. Im Erdgeschoss war der zusätzliche Planungsaufwand für Naturbrandberechnungen gerechtfertigt, da die Produktionsflächen eine sehr geringe Brandlast (Metallbauteile und zwischengelagerte Holzpaletten) aufweisen.

Der Naturbrand wurde mit einem Computermodell simuliert. Dabei stellte sich heraus, dass die tragenden Stahlbauteile in einem Brandfall grösstenteils nicht über die kritische festigkeitsmindernde Temperatur erwärmt werden. So konnte nicht nur gezeigt werden, dass die Stahlstruktur während der vorgeschriebenen Branddauer nicht versagt, sondern darüber hinaus auch, dass ein Einsturz im Brandfall bei vorhandener Nutzung ausgeschlossen werden kann.

Die Kosten für die Naturbrandberechnungen lagen zwar in etwa im Rahmen der Baukosten für eine Verkleidung der Stahlkonstruktion, allerdings konnten immense Folgekosten (Beeinträchtigung der Produktion) vermieden werden. In Zukunft muss der Bauherr sicherstellen, dass Brandlast und Belüftungsverhältnisse niemals ungünstiger werden als in der Naturbrandberechnung berücksichtigt. Insbesondere bei Nutzungsänderungen muss die Situation neu beurteilt werden. Im dargestellten Fall sind diese Auflagen für den Bauherrn im Vergleich zu den baulichen Massnahmen, die sonst erforderlich gewesenen wären, akzeptabel. Die Brandschutzbemessung mit Naturbrand erfordert zwar einen erhöhten Planungs- und Bemessungsaufwand, kann in Spezialfällen jedoch eine sichere und wirtschaftliche Lösung darstellen.

Rechtliche Grundlagen und Einschränkungen

Die Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen hat im Jahre 2003 Mustervorschriften9 erarbeitet. Diese wurden durch das zuständige Organ der Interkantonalen Vereinbarung zum Abbau technischer Handelshemmnisse (IVTH) verbindlich erklärt und auf den 1. Januar 2005 in Kraft gesetzt. Sie gelten nun in allen Kantonen. Die Brandschutzvorschriften 2003 der VKF enthalten Feuerwiderstandanforderungen auf ISO-Normbrandbasis. Sofern eine Sprinkleranlage vorhanden ist, gelten reduzierte Anforderungen an den Feuerwiderstand, was insbesondere bei Stahl- und Holzbauten zu grösserer Flexibilität in der Planung und zu Kosteneinsparungen führt. Die Brandschutzvorschriften der VKF erlauben darüber hinaus in Ziffer 6.2 der Richtlinie « Tragwerke » explizit den Nachweis des Feuerwiderstandes mit Hilfe von Naturbränden für Sonderfälle. Dabei wird der Feuerwiderstand nicht für den bekannten ISO-Normbrand, sondern für eine Naturbrandkurve beurteilt, welche die Randbedingungen im Brandraum möglichst realistisch abbildet. Dies kann insbesondere bei grossen Räumen mit geringer Brandlast erhebliche Vorteile für Stahlkonstruk-tionen bieten. Der Nachweis mit Naturbränden setzt die Zustimmung der Behörde voraus, mit der auch gemeinsam die Anforderungen und Parameter festgelegt werden müssen.

Ein wichtiger Parameter ist die Brandlast, also die Menge der in einem Raum vorhandenen brennbaren Güter. Die ETH Zürich hat im Auftrag der VKF eine umfangreiche Erhebung von Brandlasten in Industrie- und Gewerbebetrieben durchgeführt. Es zeigt sich, dass die Brandlasten sowohl je nach Nutzung als auch innerhalb einer Nutzung stark streuen können. Für einen möglichst realistischen Nachweis mit Naturbrand sollten daher die Brandlasten vor Ort direkt aufgenommen werden. Dies führt für den Betrieb zu einer Nutzungseinschränkung, da keine Erhöhung der Brandlast über die Bemessungsbrandlast hinaus toleriert werden kann. Nutzungsänderungen erfordern eine Überprüfung der Brandlast und die Zustimmung der Behörde.

[ Mario Fontana, Prof. Dr.sc.techn., dipl. Ing. ETH, Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH Zürich
Roland Bärtschi, Dr. sc. techn., dipl. Ing. ETH, Urech Bärtschi Maurer AG, Bauingenieure ETH/SIA/USIC, Zürich
Walter Borgogno, Dr. sc. techn., dipl. Ing. ETH, Borgogno Eggenberger Partner AG, St. Gallen
Beat Schaffner, eidg. dipl. Bauleiter, Spiegel Partner AG, Zürich ]

TEC21, Mo., 2007.04.16

Anmerkungen
[1] Stahlbau Zentrum Schweiz, SZS, steeldoc 02706, Technische Dokumentation.
[2] Norm SIA 260, Grundlagen der Projektierung von Tragwerken.
[3] Bryl S., Frangi T., Schneider U.: Simulation von Modellbränden in Räumen – Alternative Methoden zur Beurteilung von Brandschutzmassnahmen. SI+A, Schweizer Ingenieur und Architekt, 15/1987.
[4] EN 1991, 1–2, Eurocode 1: Grundlagen der Tragwerksbemessung und Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 1–2, CEN, Brüssel, 2003.
[5] Zeitfaktor Γ=(O / b)2/(0.04 / 1160)2
[6] DS: Danish Code of Practice for Concrete Constructions. DS411, Version 4.1. Danish Standardisation Organisation, 1999.
[7] Euronomogramm, Fire Resistance of Steel Structures, ECCS No 89, ECCS. Brussels, 1996.
[8] C. G. Bailey, D. B. Moor, J. T. Robinson: Fire Safe Design: A new Approach to Multi Storey Steel-Framed Buildings. SCI Publication P288, The Steel Construction Institute, Silwood Park, Ascot, 2000.
[9] BS-Vorschriften VKF, Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen, 26.3.2003, Bern.

Literatur
– DIFISEK CD Program EN 1991-1-2 Profil Arbed SA, Arcelor Group;
www.arcelor.com / sections / DIFISEK / DIFISEK_welcome.html
– J.B. Schleich et al.: Competitive steel buildings through Natural fire safety concept, NFSC. ECSC
research 7210-SA125, 1994 – 1998, Final Draft parts 1–5, July 2000.
– SECURE with Steel network: Netzwerk von Spezialisten für Structural Fire Safety Engineering;
www.securewithsteel.com, www.constructalia.com (fire engineering).

16. April 2007 Mario Fontana, Roland Bärtschi, Walter Borgogno, Beat Schaffner

Sind Tunnel feuerfest?

Brandereignisse in Tunnelanlagen erfolgen unter speziellen Randbedingungen. Die Auswirkungen können katastrophale Ausmasse annehmen. Die risikogerechte Auswahl und Dimensionierung der Schutzsysteme erfordert Kenntnis der möglichen Schadensmechanismen und eine Definition der Schutzziele.

Zum Brandschutz von Konstruktionen im Tunnelbau werden heute unterschiedliche Systeme angeboten. Für die dem Einsatzzweck angemessene Definition der Schutzmassnahmen ist ein Verständnis der auftretenden Schädigungsmechanismen, Schutzziele und speziellen Randbedingungen im Tunnelbau erforderlich. Die komplexen Wechselwirkungen der einzelnen Einflussfaktoren müssen vielfach mit entsprechenden Prüfungen bestätigt werden. Im Folgenden werden Überlegungen zur Definition der Schutzziele und, ausgehend von den Schädigungsmechanismen, unterschiedliche Schutzmechanismen vorgestellt.

(B)Randbedingungen

Brände in Tunnel entstehen und entwickeln sich in der Regel unter speziellen Randbedingungen. Der Raum ist geschlossen, und die entstehende Hitze kann nicht ungehindert entweichen. Die Tunnellüftung saugt die Brandgase vom Brandherd ab und führt im Gegenzug zu einem Zustrom frischer Luft mit entsprechendem Sauerstoff. Bei Fahrzeugbränden sind immer auch Kohlenwasserstoffe involviert, die zu einer schnellen Brandentwicklung und Temperaturerhöhung führen. Diese Randbedingungen finden ihren Niederschlag in den Temperatur-Zeit-Kurven, die für die Prüfung von Schutzmassnahmen herangezogen werden. In der Vergangenheit durchgeführte Grossversuche im Rahmen von europäischen Forschungsprojekten haben sowohl den schnellen Temperaturanstieg als auch die erreichbaren Maximaltemperaturen bestätigt. Auch wenn heute in praktisch allen Ländern eigene Temperatur-Zeit-Kurven für die Beurteilung herangezogen werden, ist diesen Kurven ein schneller Temperaturanstieg innerhalb von 5 Minuten auf mehr als 1000 ° C gemeinsam. Unterschiede bestehen bezüglich der Maximaltemperatur und der Dauer der Temperaturbelastung.

Ziele von Schutzmassnahmen

Die Personenrettung erfolgt im Brandfall im Tunnel primär über die Selbstrettung. Für die im Tunnel befindlichen Personen geht von den toxischen Rauchgasen die grössere Gefahr aus als von der Hitze des Brandes selbst oder von infolge der Wärmeeinwirkung einstürzenden Bauteilen. Die Personenselbstrettung ist primär durch die Schaffung von geeigneten Fluchtwegmöglichkeiten zu unterstützen. Indirekt können sich hieraus auch Anforderungen an den baulichen Brandschutz ergeben, wenn die Fluchtwege unmittelbar an den Fahrraum angrenzen.
Im Hinblick auf den Einsatz von Rettungskräften sind längere Standfestigkeiten der Bauteile zu gewährleisten, als dies für den Personenschutz erforderlich ist. Die diesbezüglichen Anforderungen sind in Absprache mit den Rettungsdiensten festzulegen.
Nach einem grösseren Brandereignis wird eine Tunnelanlage für die Sanierung ganz oder teilweise geschlossen. Die dadurch verursachten Ausfallkosten sind bei der Festlegung der Schutzmassnahmen für die betreffende Tunnelanlage zu berücksichtigen. Je umfassender und massiver der Brandschutz ausgeführt wird, umso höher sind einerseits die Erstellungskosten. Anderseits wird dadurch das Risiko für Ausfallkosten reduziert, und die Ausführung von Sanierungen kann besser geplant werden.
Als Folgekosten, die im Rahmen einer Sicherheitsbetrachtung in die Beurteilung einbezogen werden, sind die Kosten zu verstehen, die nicht den Bereich des Brandherdes selbst betreffen. So sind z. B. Tunnelbauwerke im grundwasserführenden Lockergestein bezüglich der Auswirkungen eines Brandereignisses anders zu beurteilen als ein gleichartiger Verkehrsweg im standfesten, nicht wasserführenden Gebirge. Bei einem Tagbautunnel mit Überbauungen sind andere Schutzmassnahmen angemessen als bei einem Tunnelabschnitt, der durch unbewohntes Gebiet führt.

Werkstoffe im Untertagebau

Der heute am häufigsten für statisch relevante Elemente eingesetzte Werkstoff im Untertagebau ist Beton. In alten Tunnelkonstruktionen finden sich teilweise Mauerungen aus Ziegeln oder Natursteinen. Bezüglich des Verhaltens im Brandfall gelten für diese Auskleidungen, sowie für den Fels selbst, analoge Betrachtungen wie für den Beton.
Als weiterer Werkstoff findet Stahl in verschiedenen Veredelungsformen Verwendung im Untertagebau. Wesentliche Einsatzbereiche sind Bewehrungen im Beton (z. B. Zwischendecken), als Befestigungselemente für Betriebseinrichtungen in den Untertageanlagen und als Teil von Querschlags- und Fluchtwegtüren. Neben dem reinen Materialverhalten spielt auch das Systemverhalten der Bauteile unter einseitiger Wärmebeanspruchung eine entscheidende Rolle für die Standsicherheit der Konstruktion im Brandfall.

Beton

Beton ist unbestritten ein nicht brennbarer Werkstoff. Trotzdem ist diesem für die Baukonstruk­tionen wesentlichen Werkstoff bezüglich des Brandschutzes besondere Beachtung zu schenken.
Beton besteht aus einem Konglomerat von Gesteinskörnungen unterschiedlicher mineralogischer Zusammensetzung und Grösse, Zementstein und einem Poren- und Kapillarsystem mit unterschiedlichsten Abmessungen und Feuchtegehalten.
Die statisch tragende Funktion und der Schutz der Bewehrung erfolgen durch den Beton, wenn das oben beschriebene System ungestört ist. Im Brandfall wird das System Beton durch die von aussen einwirkende Wärmequelle aufgeheizt. Erlischt die äussere Wärmequelle, erfolgt keine weitere Wärmeentwicklung aus dem Beton heraus. Die Auswirkungen der Erhitzung des Betons sind abhängig vom erreichten Temperaturniveau. Bild 1 zeigt die Auswirkungen verschiedener Temperaturniveaus auf die unterschiedlichen Bestandteile des Betons.
Bereits ab 100 ° C setzt die Umwandlung der Restfeuchte im Beton, die im Bereich von 3 bis 5 Massen-% liegt, zu Wasserdampf ein. Unter der Annahme konstanter Umgebungsdruckbedingungen führt die Verdampfung von Wasser zu einer Volumenzunahme um den Faktor 1100. Da ­diese Volumen in der Porenstruktur des Betons nicht zur Verfügung stehen, baut sich ein entsprechender Dampfdruck auf, der bei Überschreiten der Zugfestigkeit des Betons zu Abplatzungen führt. Dabei handelt es sich um ein dynamisches System, da die Wasserdampfbildung als Funktion der Zeit und des Energieeintrages in den Beton erfolgt. Andererseits wirkt das Entweichen eines Teiles des Wasserdampfes durch die Porenstruktur und die Risse aus dem Beton druck­reduzierend. Verschiedene Untersuchungen und Prüfungen bestätigen, dass mit zunehmendem Porenvolumen im Beton die Gefahr des Abplatzens abnimmt.
Durch die Zugabe von Polypropylenfasern in den Beton, die im Brandfall bei ca. 150 ° C verdampfen, können gezielt künstliche Entlastungshohlräume geschaffen werden, um so ein Abplatzen von Betonteilen vollständig zu verhindern. Die Abplatzrate des ungeschützten Betons unter Hitzeeinwirkung ist abhängig vom Energieeintrag, der Feuchte im Beton und der vorhandenen Porenstruktur. Bei Prüfungen von sehr dichten Betonstrukturen wurden Abplatzraten von über 40 cm / Std.
festgestellt.
Sind Massnahmen getroffen worden, um das Abplatzen des Betons zu verhindern, erfolgen ab 400 ° C weitere Schädigungen von Betonkomponenten. Diese Schädigungen beschränken sich in der Regel auf die Oberflächen des Betongefüges. Die Schädigungstiefe ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Betons. Ab 400 ° C kommt es zur Dehydrierung des Kalziumhydroxyds im Zementstein. Das chemisch gebundene Wasser wird abgespalten und in Form von Wasserdampf freigesetzt. Dabei zersetzt sich das Zementsteingefüge und verliert seine tragende Funktion.
Wenn Quarzminerale auf über 575 ° C erhitzt werden, erfolgt eine sprunghafte Gefügeumbildung, die mit einer Volumenzunahme verbunden ist. So wird das Betongefüge von innen her aufge­brochen und gelockert. Überschreiten die Temperaturen 800 ° C, setzt die Dekarbonisierung des ­Kalziumkarbonats ein, das gasförmiges CO2 abspaltet.
Die beschriebenen Zerstörungen der Betonstruktur können nur durch isolierende Schutzmassnahmen in Form von Brandschutzmörteln oder Brandschutzplatten verhindert werden. Mit diesen Systemen wird die Betonstruktur vollflächig vor den Wärmeeinwirkungen geschützt. Voraussetzung dafür ist ein ausreichender Haftverbund des Mörtels mit dem Untergrund oder die Fixierung von Platten mit geeigneten Systemen.

Stahl

Kommt es im Brandfall zu Abplatzungen des Betons, wird die in der Regel nur wenige Zentimeter überdeckte Bewehrung in kurzer Zeit freigelegt und damit direkt der Wärmequelle ausgesetzt
(Bild 2). Daneben sind allenfalls auch Befestigungselemente und z. B. Querschlags- und Fluchtwegtüren dem Brand ausgesetzt.
In Bild 3 ist die Abnahme der Streckgrenze für Baustahl als Funktion der Materialtemperatur dargestellt. Bis ca. 250 ° C sind hier keine signifikanten Veränderungen festzustellen. Oberhalb dieser Grenztemperatur nimmt die Streckgrenze rasch ab, bis der Baustahl bei 700 ° C kein Tragvermögen mehr aufweist. Bei einem Temperaturniveau über 400 ° C setzen bei Baustahl Kriechvorgänge ein.
Die genannten Temperaturwerte werden bei einem Brand schnell überschritten, sodass geeignete Massnahmen ergriffen werden müssen, um die statisch relevanten Stahlquerschnitte vor den Temperatureinflüssen zu schützen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Stahl ein guter Wärmeleiter ist und daher auch keine Stahlteile in die Brandzonen hineinragen dürfen. Für Befestigungen von Einrichtungen im Tunnelquerschnitt, z. B. Lüfter und Signalisation, sind Werkstoffe zu wählen, die bei den genannten Temperaturen keine oder nur unbedeutende Festigkeitseinbussen erleiden.

Systemverhalten

Im Brandfall erhitzt sich zunächst nur die dem Brand zugewandte Seite der Bauteile. Dies führt zu thermischer Längenänderung auf der Brandseite der Bauteile. So wird z. B. bei einer Zwischendecke eines Tunnels diese fahrraumseitig eine Ausdehnung erfahren, während die dem Lüftungskanal zugewandte Seite, selbst wenn die Brandgase über diesen abgesaugt werden, deutlich geringere Längenänderungen erfährt. Dadurch werden Deformationen und Spannungen in dem Bauteil hervorgerufen, die zu dessen Überlastung und damit Zerstörung führen können.
Auch wenn die Deformationen nicht unmittelbar zur Zerstörung der Struktur führen, werden sich Risse öffnen, über die die Hitze zur Bewehrung vordringen kann. Die Tragfähigkeit der Struktur wird dadurch weiter reduziert.
In Zukunft wird die risikogerechte Auslegung von Schutzsystemen an Bedeutung gewinnen, um nicht zuletzt auch die Aufwendungen für Schutzmassnahmen beherrschen zu können. Auf euro­päischer Ebene gibt es verschiedene Ansätze, Anforderungen und Beurteilungen zu harmonisieren. Das EU-Projekt L-surF (Large Scale Underground Research Facility for Safety and Security; www.
l-surf.org) ist ein Ansatzpunkt, mit dem die Forschungsaktivitäten in Europa einheitlich strukturiert werden sollen.

[ Volker Wetzig, dipl. Ing., Versuchsstollen Hagerbach AG ]

TEC21, Mo., 2007.04.16

16. April 2007 Volker Wetzig

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