Silikat-Brandschutz- Bekleidung für Tunnel Silicate Fire Protection

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Silikat-Brandschutz-Bekleidung für Tunnel
Tunnel 8/2005
Silikat-BrandschutzBekleidung für Tunnel
Silicate Fire Protection
Lining for Tunnels
Dipl.-Ing. (FH) A. Schlüter
Dipl.-Ing. (FH) A. Schlüter
Silikatbekleidungen sind wasserfest und
widerstandsfähig gegen die physikalischen,
statischen und dynamischen Beanspruchungen
im Tunnel. Vor allem schützen sie jedoch
Tunnelbauwerke im Brandfall. Die im folgenden
Fachbeitrag vorgestellten Untersuchungen
zeigen dies deutlich auf.
Silicate linings are waterproof and resistant to
physical, static and dynamic stresses in
tunnels. First and foremost though, they protect
tunnels in the event of fire. The investigations
described in the following article clearly
demonstrate these facts.
1 Einleitung
Seit dem Beitrag „Baulicher
Brandschutz für Tunnelbauwerke: Richtlinien, Vorgaben,
die Realität und geeignete Maßnahmen“ in Tunnel 7/04 hat es
wieder in einem Tunnel gebrannt.
Im Tunnel Fréjus ist erneut
enormer wirtschaftlicher Schaden entstanden: zum einen
durch die laut Medienangaben
[6.22] im beanspruchten, unbekleideten Bereich zerstörte
und teilweise kollabierte Tunneldecke, zum anderen durch
die Ausfallzeit während der über
Monate anstehenden, notwendigen Sanierung des Tunnels
und der damit verbundenen
Schließung (siehe News-Meldung in TUNNEL 7/2005, Seite 14).
In Zahlen sind das weit über
21 Mio. 7 für jeden Monat, in
dem der Tunnel geschlossen
blieb – Verluste, die in keinem
Verhältnis zu den geringen
Einsparungen durch den Verzicht auf eine Tunnelbekleidung stehen. Dazu lässt sich
die EU-Directive 2004/54/EC
[6.9] für Straßentunnel im
Dipl.-Ing. (FH) Andreas Schlüter,
Abteilung Anwendungstechnik,
Promat GmbH, Ratingen/D
Trans-European Road Network (TEN) vom 29. April
2004 wie folgt 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.“
In Tunnel 7/2004 wurde daher ein umfassender Überblick
über gültige Richtlinien und
Vorgaben zum baulichen Brandschutz in Tunnelbauwerken
[6.1 bis 6.8] gegeben. Den
entsprechenden Anforderungen wurden reale Brandereignisse und Erkenntnisse aktueller Großbrand-Untersuchungen
im Zuge des UPTUN-Programms
[6.10 und 6.11] gegenübergestellt. Zusätzlich wurden
Maßnahmen aufgezeigt, die
den gestellten Anforderungen
genügen und damit den baulichen Brandschutz gewährleisten.
Die Gegenüberstellung der
Bilder 1 und 2 zeigt in diesem
1 Introduction
Since the article “Passive Fire
Protection for Tunnels: Guidelines, Parameters, Reality and
suitable Measures” in Tunnel
7/04 there has been a fire in another tunnel.
Economic damage was sustained in the Fréjus Tunnel; firstly, on account of the affected,
unlined zone of the tunnel ceiling that partly collapsed according to media reports [6.22]
and secondly,owing to the period of inaction during the retrofitting of the tunnel that went
on for months on end in conjunction with the tunnel’s closure (please see News item in
TUNNEL 7/2005, p. 14).
Expressed in figures this
amounts to more than 7 21 mill.
for each month during which
the tunnel remained closed –
losses, which stand in no relation to the minimal savings that
accrued by doing without a
tunnel lining. Towards this end,
the EU Directive 2004/54/EC
[6.9] for Road Tunnels in the
Trans-European Road Network
(TEN) from April 29th, 2004,
states:
“A sufficient degree of fire
resistance must be provided
for the structure of every tunnel, for which a local collapse
of the construction can have
catastrophic effects.”
and
“The degree of fire resistance should take technical
possibilities into account and
assure the ability to function in
the event of fire.”
Consequently, a comprehensive survey of valid guidelines and parameters for passive
fire resistance in tunnels was
presented in Tunnel 7/2004 [6.1
to 6.8]. The corresponding demands were compared with actual fire incidents and recognitions derived from topical major
fire investigations within the
scope of the UPTUN programme [6.10 and 6.11].In addition, measures were listed,
which fulfil the required demands and in turn, assure passive fire protection.
Any comparison of Figs.1 + 2
in this respect reveals yet again
how closely the UPTUN programme simulates a fire incident.
The following article provides an insight into developments pertaining to a new generation of silicate passive fire
Dipl.-Ing. (FH) Andreas Schlüter,
Department for Application
Technology, Promat GmbH,
Ratingen/D
Tunnel 8/2005
Zusammenhang noch einmal,
wie realitätsnah das UPTUNProgramm ein Brandereignis
simuliert.
Der folgende Beitrag gibt
nun Einblicke in die Entwicklung einer neuen Generation
von Silikat-Brandschutzbauplatten, die ohne weitere Behandlung alle Anforderungen
für Tunnelbauwerke erfüllt.
Als Teil eines Gesamtsicherungskonzeptes im Sinne der
RABT [6.1] könnten Sie neben
der Schadensverhütung dies
auch hinsichtlich bestehender
Anforderungen zur Selbst- und
Fremdrettung von Personen
tun.
Diese neue Platten-Generation hatte während der Untersuchungen im RunehamarTunnel im Zuge des UPTUNProgramms [6.10 und 6.11]
einen ersten Praxistest. Dort
hielt die Auskleidung, als
Schutz des stillgelegten Felstunnels montiert, vier Untersuchungen mit Temperaturen
bis zu 1365 °C stand (siehe
Bild 4).
Der Felstunnel selbst wies,
in Richtung der erzeugten
Luftströmung, am Ende der
Schutzkonstruktion erhebliche
Schäden durch die einwirkende Hitzestrahlung auf (Bild 3).
Abplatzungen durch Hitzeeinwirkung treten bei einem ungeschützten, hochverdichteten Beton in gleichem oder sogar größerem Maß auf.
Bis zur endgültigen Einsatzfähigkeit wurden anschließend unter allen brandschutztechnischen, statisch-dynamischen und physikalischen Aspekten zusätzliche Nachweise
geführt.
1 Erster großer Brandversuch während des UPTUN-Programms im Runehamar-Tunnel, Norwegen [6.12]
1 First major fire test during the UPTUN programme in the Runehamar
Tunnel in Norway [6.12]
gesetzten Befestigungsmittel
erfolgte nach den Vorgaben
der ZTV-ING, Teil 5 [6.2 bis
6.6]: Es wurden ausschließlich
Schrauben, Dübel, Profilschienen etc. in entsprechender
Edelstahlgüte eingesetzt. Da
die realen Brandereignisse der
letzten Jahre jedoch stets eine
sehr viel längere Branddauer
aufwiesen, sind auch Langzeituntersuchungen durchgeführt
worden.
Alle Branduntersuchungen
zum Schutz von Betonbauteilen wurden mit nur 40 mm Betondeckung durchgeführt. Die
Bekleidung wurde sowohl direkt als auch auf Stahlprofile
als Unterkonstruktion montiert (Bilder 5 und 6). Die be-
protection boards, which fulfil
all demands for tunnels without
any further treatment.
As part of an overall safety
concept in accordance with the
RABT [6.1], these could also fulfil
existing requirements for self
and third-party rescue of persons in addition to preventing
damage.
This new generation of
boards underwent a first practical test during the investigations in the Runehamar Tunnel
within the scope of the UPTUN
programme [6.10 and 6.11].The
lining that was installed there to
protect the abandoned rock
tunnel resisted 4 tests with temperatures of up to 1,365° C
(please see Fig. 4).
2 Branduntersuchungen
Die durchgeführten Branduntersuchungen lehnen sich
an die Anforderungen der gängigen Richtlinien für Tunnelbauwerke an. Die Wahl der ein-
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Silicate Fire Protection Lining for Tunnels
2 Zum Vergleich der Brand im Gotthard-Straßentunnel 2001
2 The Gotthard road tunnel fire in 2001 in comparison
The rock tunnel itself registered substantial damage in the
direction of the air current that
was produced – at the end of
the protective construction as a
result of heat radiation (Fig. 3).
Spalling takes place as a result of
the effect of heat to the same or
an event greater extent in the
case of an unprotected, highly
compacted concrete.
Until final applicability, additional verifications were subsequently obtained pertaining to
all fire protection technical, static/dynamic and physical aspects.
2 Fire Investigations
The fire investigations that
were undertaken are geared to
the demands contained in valid
guidelines for tunnels. The
choice of the selected means of
attachment was carried out in
accordance with the specifications contained in the ZTV-ING,
Part 5 [6.2 to 6.6]: Only screws,
plugs, mounting rails etc. in corresponding stainless steel quality were applied. However, as actual fire incidents of recent years
entail a considerably longer fire
duration period, long-term investigations were also executed.
All fire investigations devised to protect concrete parts
were carried out with only a
40 mm concrete covering. The
lining was assembled both directly as well as on steel rails as
sub-construction (Figs. 5 + 6).
The flamed total area in each
case enabled assembly methods that included board joints
to be carried out to simulate reality.
Compared with the 60 mm
concrete covering, which is
called for in ZTV-ING Part 5, Sections 1 and 2 [6.2 and 6.3], including additional N 94 matting
reinforcement, there is an enormous thermal and economic
potential concealed in the reinforcement covered with only
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flammte Gesamtfläche ließ jeweils realitätsnahe Montageweisen einschließlich Plattenfugen zu.
Gegenüber den in ZTV-ING,
Teil 5, Abschnitt 1 und 2 [6.2
und 6.3] geforderten 60 mm
Betonüberdeckung, inklusive
zusätzlicher N94-Mattenbewehrung, steckt in den erzielten
Temperaturwerten an der nur
40 mm überdeckten Bewehrung, kombiniert mit bekleideter Betonoberfläche, ein enormes thermisches und wirtschaftliches Potenzial. Mit geringsten Betondeckungen, Bekleidungsdicken und ohne Zusatzbewehrung wird größtmögliche Schutzwirkung erzielt. Dies hat besondere Bedeutung bei Sanierungsmaßnahmen an bestehenden Tunnelbauwerken.
Bei allen Untersuchungen
traten an den verwendeten Betonbauteilen keine Abplatzungen oder tiefer gehenden Zermürbungen auf. Die Oberfläche widerstand der Stoßbeanspruchung mit einer schweren
Brechstange genauso gut wie
unbeflammter Beton. Instandsetzungen, wie in [7.17] als
notwendig beschrieben für infolge Temperatureinwirkung
brandgeschädigte Bauwerke,
können entfallen. Stahlbauteile zur Simulation von Stahl-/
Gusstübbings blieben unverformt. Gummidichtungen zur
Simulation von Bauteildichtungen blieben ohne Schädigung
voll funktionstüchtig und flexibel.
Eine Zwischendecke widerstand einer beidseitigen Beanspruchung nach RABT/ZTV-ING,
Teil 5, mit 30 Minuten 1200 °C
plus 110 Minuten Abkühlphase, wie sie im Entrauchungsfall
im Bereich der Entrauchungsklappen auftritt.
Der Funktionserhalt von
Kabelkanälen wurde mit einer
Beflammung nach der RWSKurve, nach RABT/ZTV-ING,
Teil 5, mit 90 Minuten Beflammung bei 1200 °C plus 110 Mi-
Silikat-Brandschutz-Bekleidung für Tunnel
nuten Abkühlphase und mit
90 Minuten bei 1200 °C erfolgreich nachgewiesen. Die
Kabelkanäle wurden dafür als
Decken- bzw. Bodenkanal in
den Versuchsofen installiert.
Die Tragfähigkeit der konstruktiven Aufbauten blieb bei
allen Untersuchungen erhalten,
die Silikat-Brandschutzbauplatten lösten sich nicht von den
Befestigungselementen.
Der Deckel des Bodenkanals war zur Simulierung einer
„Mannlast“ zusätzlich mit 1,0 kN/
m belastet und blieb über die
90 Minuten Branddauer bei
1200 °C tragfähig und damit
als Fluchtweg nutzbar.
Im Tunnel Fréjus soll es
laut Medienangaben [6.22] ca.
6 Stunden gebrannt haben.
Deswegen ist teilweise in
den Untersuchungen die Branddauer auf bis zu 7 Stunden verlängert worden. Damit wurden
Langzeitschadensereignisse der
letzten Jahre simuliert und die
Dämmwirkung und damit Gebrauchstauglichkeit der Silikat-Brandschutzbauplatten bei
extremen Beanspruchungen
demonstriert.
Inzwischen liegen eine Vielzahl weiterer Untersuchungen
nach RWS-Kurve, RABT/ZTV-
3 Ungeschützter Bereich des Runehamar-Tunnels nach der ersten
großen Branduntersuchung [6.13]
3 Unprotected part of the Runehamar Tunnel after the first major
fire test [6.13]
40 mm, combined with a lined
concrete surface. The greatest
possible protective effect is attained with very thin concrete
coverings, lining thicknesses
and without additional reinforcement. This is of enormous
significance for redevelopment
measures for existing tunnels.
No spalling or attrition worthy of mention occurred during
the whole series of tests on the
concrete elements that were
used.The surface withstood the
impact load of a heavy crowbar
just as well as unflamed concrete. Maintenance jobs described in [7.17] as necessary for
fire-damaged buildings on account of the effect of temperature are not required. Steel ele-
4 Auskleidung mit Silikat-Brandschutzbauplatten nach dem ersten Brandversuch [6.12]
4 Lining with silicate fire protection plates after the first fire test [6.12]
Tunnel 8/2005
ments for simulating steel/cast
segments remain undeformed.
Rubber gaskets for simulating
seals for structural parts are
completely functional and flexible as they remain undamaged.
An intermediate ceiling
withstood load at both sides in
accordance with RABT/ZTVING, Part 5, with 30 min at 1,200°
C plus 110 min cooling phase,as
occurs at the smoke removal
flaps in the case of smoke extraction.
The functionality of cable
ducts was successfully verified
with the application of a flame
according to the RWS curve and
RABT/-ING, Part 5, with 90 min
long application at 1,200° C plus
a 110 min cooling phase. Towards this end, the cable ducts
were installed in the test furnace as ceiling or ground ducts.
The bearing capacity of the
superstructural parts was retained during all the investigations; the silicate fire protection
plates remained fixed to their
attaching elements.
An additional 1.0 kN/m was
imposed on the ground duct
cover to simulate “man load”
and its bearing capacity was retained throughout the 90 min
period at 1,200° C so that it
could have been used as an escapeway.
According to the media
[6.22], the fire in the Fréjus Tunnel lasted for some 6 h.
As a result, the fire duration
has been extended to 7 h for
some of the investigations. In
this way, long-term damage incidents of recent years were
simulated and the dampening
effect and in turn, the serviceability of the silicate fire protection boards given extreme
stresses demonstrated.
In the interim, a large number of further investigations according to the RWS curve,
RABT/ZTV-ING curve,EBA curve,
HC curve, HCM curve and the
ISO/ETK curve have become
available.
Tunnel 8/2005
The investigations according to the RABT/ZTV-ING curve
(shown in lilac in Fig. 9) were in
this connection executed in the
form of a risk assessment partially with a fire duration extension of 30 to 90 min, plus a 110
min cooling phase.
3 Static and dynamic
Stresses
5 Untersuchung nach RABT/ZTV-ING,Teil 5,jedoch mit 90 Minuten Branddauer plus 110 Minuten Abkühlphase,mit nur 20 mm Plattendicke (vor der
Beflammung)
5 Investigation in accordance with RABT/ZTV-ING, Part 5, but with 90 min
fire duration plus 110 min cooling phase – with only 20 mm thick boards
(prior to flaming)
ING-Kurve, EBA-Kurve [6.7],
HC-Kurve, HCM-Kurve und ISO-/
ETK-Kurve vor.
Die Untersuchungen nach
der RABT/ZTV-ING-Kurve (in
Bild 9 lilafarben dargestellt)
wurden in diesem Zusammenhang in Form einer Risikobewertung teilweise mit einer
Verlängerung der Branddauer
von 30 auf 90 Minuten, plus
110 Minuten Abkühlphase,
durchgeführt.
3 Statische und
dynamische
Beanspruchungen
In der ZTV-ING, Teil 5, Abschnitt 1 und 2 [6.2 und 6.3],
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 jeweili-
25
Silicate Fire Protection Lining for Tunnels
gen Fahrzeuges beeinflussen
die Höhe der Druckamplituden
entscheidend.
Setzt man als zusätzlichen
Parameter die Frequentierung
durch Fahrzeuge an, resultieren daraus Lastwechsel bzw.
eine Anzahl von Lastwechseln,
denen Brandschutzbekleidungen sowohl hinsichtlich des
eingesetzten Materials als auch
der Verbindungsmittel standhalten müssen.
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.
Zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der SilikatBrandschutzbauplatten und ihrer Befestigungsmittel wurden
Untersuchungen mit DruckSog-Wechselbeanspruchungen
durchgeführt. Ihre Druckamplituden waren stark erhöht,
um ausreichende Sicherheiten
zu erzielen. Um einen Druckausgleich zwischen Vorder- und
In the ZTV-ING, Part 5, Sections 1 and 2 [6.2 and 6.3], varyingly high load values are provided for pressure and suction
effects on linings depending on
the cross-section area of the
tunnel concerned. It indicates
that pressure and suction
should be dimensioned at
0.5 kN/m2 for larger cross-sections in excess of 50 m2 and at
0.8 kN/m2 for cross-sections less
than 43 m2.
The load values are increased for commuter or highspeed rail traffic. The size and
speed of the rolling stock, the
tunnel length and the ratio value between the tunnel crosssection and frontal cross-section of the vehicle in question
decisively influence the extent
of the pressure amplitudes.
If the vehicle frequency is applied as an additional parameter,
the outcome is a load alternation
or a number of load alternations,
which fire protection linings
have to withstand both with respect to the applied material as
well as the bonding agent.
The passive fire protection
system comprising silicate fire
protection boards is basically
assembled with plugs and/or
jiffy screws in corresponding
stainless steel quality or in the
form of an abandoned formwork. In order to establish the
necessary number of plugs
and/or screws, the pull-out and
pull-through resistances in conjunction with the silicate fire
protection boards have to be
analysed statically and taken
into consideration.
Investigations with pressure/
suction alternating stresses were
undertaken to examine the functionality of the silicate fire protection boards and their attachment agents.Their pressure amplitudes were greatly increased
in order to attain a sufficient degree of certainty.In order to preclude pressure equalisation between the front and rear sides of
the boards and in turn, a lower
stress, the joints were partially
sealed for the investigation.
Generally speaking the board
joints are not sealed in practice.
6 Untersuchung nach RABT/ZTV-ING,Teil 5,jedoch mit 90 Minuten Branddauer plus 110 Minuten Abkühlphase, mit nur 20 mm Plattendicke (nach
der Beflammung)
6 Investigation in accordance with RABT/ZTV-ING, Part 5, but with 90 min
fire duration plus 110 min cooling phase – with only 20 mm thick boards
(after flaming)
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Silikat-Brandschutz-Bekleidung für Tunnel
Rückseite der Platten und damit eine geringere Beanspruchung auszuschließen, wurden für die Untersuchung die
Fugen teilweise zusätzlich versiegelt. Real eingebaut ist diese
Versiegelung der Plattenfugen
in der Regel nicht vorhanden.
Nach Ende der Untersuchungen wurde keine Ermüdung des
Plattenmaterials festgestellt.
zur nachträglichen Befestigung
von Lasten müssen die Auszieh- und Durchziehwiderstände von Befestigungsmitteln,
bezogen auf das Plattenmaterial, bekannt sein. Diese Vorgaben wurden sowohl mit trockenen als auch mit durchfeuchteten bzw. wassergesättigten Platten der neuen Generation ermittelt.
3.1 Druck-Sog-Wechselbeanspruchungen
Zum Nachweis der dynamischen Belastbarkeit unter DruckSog-Wechselbeanspruchungen
wurden Platten mit einer Gesamtfläche von 1900 mm x
1800 mm in einen Prüfrahmen
eingebaut. Die größten Einzelflächen betrugen 1200 mm x
1100 mm und 1200 mm x
700 mm.
Bei Druck-Sog-Beanspruchungen von Platten, die lediglich stumpf gestoßen montiert
sind, findet durch die offenen
Fugen ein Luftaustausch zwischen Vorder- und Rückseite
statt – die Beanspruchungswerte werden erheblich abgemindert. Deshalb wurde die
größere Einzelfläche zur Darstellung dieses Unterschiedes
offen verlegt, bei der kleineren
Einzelfläche wurden die Fugen
ringsherum versiegelt.
Insgesamt wurden dann
150 445 Lastspiele gefahren,
aufgeteilt in 50 445 Lastspiele
mit ±3000 Pa und 100 000 Lastspiele mit ±5000 Pa. Dabei traten 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 führten an beiden Flächen zu keinerlei Beschädigung wie etwa
einer irreversiblen Deformation,
Ermüdung oder einem Bruch.
4 Physikalische
Beanspruchungen
3.2 Auszieh- und
Durchziehwiderstände
Zur Montage der Brandschutzbekleidung, aber auch
4.1 Untersuchungen auf
Wasserfestigkeit
Durch äußere oder innere
Einflüsse wie Undichtigkeiten
des Bauwerkes oder Feuchtbeaufschlagung 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 Feuchtbeanspruchungen 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
wurde sowohl im Hinblick auf
mögliche Verluste bei der Biegefestigkeit im wassergesättigten Zustand als auch im Hinblick auf ihr Verhalten allgemein unter fließendem Wasser
und bei langer Wasserlagerung
nachgewiesen.
Darüber hinaus sind die
Silikat-Brandschutzbauplatten
wasserundurchlässig nach DIN
EN 12467 [6.18] und DIN EN
492 [6.19].
4.2 Untersuchungen auf
Frost-Tau- und
Frost-Tausalz-Beständigkeit
Neben der reinen Feuchtbeanspruchung kommt im Win-
Tunnel 8/2005
7 Untersuchung nach RABT/ZTV-ING,Teil 5,jedoch mit 90 Minuten Branddauer plus 110 Minuten Abkühlphase. Sowohl die Betonoberfläche als
auch die Befestigungsmittel waren nach dem Entfernen der lediglich 20
mm dicken Bekleidung vollständig intakt
7 Investigation in accordance with RABT/ZTV-ING, Part 5, but with 90 min
fire duration plus 110 min cooling phase.Both the concrete surface as well
as the attachment agents was fully intact after the removal of the only 20
mm thick boards
Once the investigations were
concluded, no fatigue of the
board material was determined.
3.1 Pressure/Suction
alternating Stresses
In order to verify the dynamic loadability when subject to
pressure/suction
alternating
stresses, boards with an overall
area of 1,900 x 1,800 mm were
installed in a test frame. The
largest individual areas amounted to 1,200 x 1,100 mm and
1,200 x 700 mm.
In the case of pressure/ suction stresses affecting boards,
which are only pre-assembled,
there is an exchange of air between the front and rear sides
through the open joints so that
the stress values are substantially
diminished. As a consequence,
the larger individual area was
laid open to demonstrate this
difference, whereas the joints
were sealed all-round in the case
of the smaller individual area.
Altogether, 150,445 cycles
were recorded divided up into
50,445 at ±3,000 Pa and 100,000
at ±5,00 Pa.In the process,maximum flexures of +0.40/–0.29
mm occurred at the unsealed
individual area and +2.29/–2.62
mm at the sealed one. The
stresses did not affect either surface adversely. In other words,
there was no irreversible deformation, fatigue or a break.
3.2 Pull-out and
Pull-through Resistances
The pull-out and pullthrough resistances of attachment agents – related to the
board material – must be defined for assembling the fire
protection lining as well as to
subsequently attach loads.
These specifications were established both with dry as well
as moist or water-saturated
boards belonging to the new
generation.
4 Physical Stresses
4.1 Investigations to
determine Watertightness
Fire protection linings must
be examined in terms of technical and static stresses but in
addition, in conjunction with
external or internal influences
such as structural leakages
or the presence of moisture
resulting from incoming vehicles especially in the portal
zones.
Tunnel 8/2005
ter 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 FrostTau-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 der ÖNorm B 3303
[6.14] – „Betonprüfung“, Ausgabe 1983 (in Verbindung mit
ÖNorm B 4200, Teil 10, „Beton – Herstellung, Verwendung
und Gütenachweis“, Ausgabe
1996), oder im „Vorläufigen
Merkblatt Überprüfung von
Betonerzeugnissen aus Beton
mit dichtem Gefüge für den
Straßenbau auf Frost-TausalzWiderstandsfähigkeit“, Bundesverband der deutschen Betonund Fertigteilindustrie e.V., Bonn,
Ausgabe Januar 1979 [6.15],
enthalten sind.
Beide Regelwerke beschreiben für Beton- und Fertigbetonbauteile wie sie beispielsweise im Fahrbahnbereich vorkommen die Beaufschlagung
dieser horizontal angeordneten Bauteile mit 50 Frost-TauWechseln. Während dieser Zyklen steht auf den Untersuchungsproben eine 4–5 mm
hohe, dreiprozentige Kochsalzlösung, die nach jedem fünften
Zyklus abgeschüttet wird, um
die abgewitterten Teile zu messen. Nach 50 Zyklen darf die
Abwitterungstiefe an den untersuchten Betonbauteilen maximal 1 mm betragen. Die Abwitterung im Mittel aller zwischen dem 25. und 50. Zyklus
abgeschütteten Proben darf
mehr als 10 g/m3 nicht überschreiten.
Silicate Fire Protection Lining for Tunnels
27
permeable according to DIN EN
12467 [6.18] and DIN EN 492
[6.19].
8 Kabelbelegung eines 3-seitig beflammten Deckenkanals nach der Beanspruchung gemäß RWS-Kurve
8 Cables in a 3-sided ceiling duct after being subjected to flaming according
to the RWS curve
Diese Untersuchung ist
sinnvoll bei horizontal angeordneten Bauteilen wie Fahrbahnen, die dann durch aufstehende Tausalzeinwirkungen
beansprucht werden können.
Für Brandschutzbekleidungen
ist sie dagegen sehr unrealistisch.
Seitlich oder im Kalottenbereich montierte Brandschutzbekleidungen werden lediglich
durch Spritzwasser oder Nebel
und darin enthaltene Tausalze
beansprucht werden.
Die mit Silikat-Brandschutzbauplatten durchgeführten Untersuchungen berücksichtigen
diese Umstände.
Under practical circumstances,
moisture stresses are usually
caused by splash water or foglike impacts so that the examinations that are carried out simulate the extreme case of a leakage affecting the tunnel.
The watertightness of the silica fire protection boards was
verified both with respect to
possible losses of their flexural
capacity in water-saturated
state as well as regarding their
behaviour in general when subjected to flowing water and in
the case of prolonged storage
in water.
In addition, the silicate fire
protection boards are water-im-
9 Temperatur-Zeit-Kurven für Tunnelbauwerke
9 Temperature time curves for tunnels
4.2 Investigations to
establish Resistance to
Freeze Thaw and Thawing
Salt
Apart from moisture stress
as such, there are possibly moist
boards in winter especially in
the portal zones of tunnels affected by frost action. Furthermore, road carriageways are
kept free of snow and ice so that
incoming vehicles spread thawing salts well into the tunnel
along with the moisture fog.
There are no specifications
provided in the RABT, ZTV-ING
and EBA codes of practice for investigating resistance again
pure freeze-thaw change or in
conjunction with the effects of
thawing salt.
As a result, it is necessary to
resort to directives as contained
in the ÖNorm B 3303 [6.14] –
“Concrete Testing”, Edition 1983
(in conjunction with ÖNorm
B4200, Part 10 “Concrete Production, Application and Quality Verification”, Edition 1996), or
in “Preliminary Specifications on
Examining Concrete Products
with dense Texture for Road
Construction to determine
Frost Thawing Salt Resistance”,
Federal Association of the German Concrete and precast Parts
Industry Inc.,Bonn,Edition January 1979 [6.15].
Both codes of practice relate
to concrete and precast concrete parts as are, for instance,
used for roadways and how
these horizontally arranged
parts are subjected to 50 freezethaw cycles.During these cycles
a 4–5 mm high, 3-% saline solution is placed on the samples,
which is removed after every
fifth cycle in order to measure
the weathered parts. After
50 cycles, the weathering depth
on the examined concrete parts
should amount to 1 mm at the
most. Weathering for all the
28
Silikat-Brandschutz-Bekleidung für Tunnel
Natürlich widerstehen SilikatBrandschutzbauplatten aber
auch den in der ÖNorm B 3303
und im Vorläufigen Merkblatt
des Bundesverbandes der deutschen Beton- und Fertigteilindustrie e.V. beschriebenen ursprünglichen Untersuchungsmethoden mit einer aufstehenden Salzlake. Auch diese Beanspruchung wurde nachgewiesen.
4.3 Mechanische Oberflächenbeanspruchungen
Durch die bereits angesprochenen Faktoren wie Feuchtigkeit und Tausalze, aber auch
bedingt durch Fahrzeugabgase, Bremsrückstände und 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 nicht nur Waschflüssigkeiten aufgesprüht, sondern die Oberflächen auch mit
rotierenden Bürsten gereinigt.
Die Silikat-Brandschutzbauplatten sind auch diesen Beanspruchungen unterzogen worden und haben die Untersuchungen erfolgreich bestanden.
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 diesem widerstehen und
dürfen nicht brechen oder feine, kaum sichtbare Haarrisse
bekommen. Gerade Letztere
bilden bei beschichteten Bekleidungen Angriffspunkte für
Unterläufigkeit und nachfolgende Abplatzungen.
Solche stoßartigen Beanspruchungen werden gut durch
Tunnel 8/2005
Parts Industry Inc.This stress was
also verified.
10 Beanspruchte Oberfläche nach der Fließwasser-Untersuchung
10 Surface subjected to flowing water after the test
die vorgenommene KugelfallUntersuchung simuliert.
5 Biegefähigkeit
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.
Die Silikat-Brandschutzbauplatte für Tunnelbauwerke hingegen lässt sich in Abhängigkeit
von Tunneldurchmesser und
Plattendicke in den jeweiligen
Querschnitt hineinbiegen.
6 Chlorid- und
Korrosionsschutzwirkung
Zusätzlich zu den bereits
angeführten brandschutztechnischen, statisch-dynamischen
und physikalischen Aspekten
spielte für die Nachweisführung zu einer neuen Generation von Silikat-Brandschutzbauplatten auch die Frage eine
Rolle, ob durch die aufmontierten Platten nicht auch eine
Schutz- bzw. Filterfunktion gegen einwirkende Chloride erreicht wird.
Gerade bei Straßentunneln
kann die Dauerhaftigkeit einer
Stahlbetonkonstruktion durch
eindringende Chloride wie in
Wasser gelöste Tausalze durch
samples from which the
solution was removed on average between the 25th and
50th cycle must not exceed
10 g/m3.
This examination makes
sense for horizontally arranged
structural parts such as carriageways, which can be subjected to the effects of thawing
salt lying upon them. However,
it is extremely unrealistic for fire
protection linings.
Fire protection linings installed at the sides or overhead
are merely affected by splash
water or fog and the thawing
salts they contain.
The investigations undertaken with silicate fire protection
boards take these circumstances into consideration.
It also applies that silicate fire
protection boards resist the
original examination methods
involving a saline solution contained in the ÖNorm B 3303 and
in the Preliminary Specifications
of the Federal Association of the
German Concrete and precast
4.3 Mechanical Surface
Stresses
Tunnel walls and installations in road tunnels accumulate a great deal of dirt as a result
of factors already mentioned such
as moisture and thawing salts
but also caused through vehicle
fumes, brake residues and tyre
wear. Cleaning sessions are carried out at regular intervals in
order to avoid resultant losses in
brightness and reductions in
contrast – in other words, possible obstacles to visibility.
Special vehicles are employed to spray on washing liquids and surfaces cleaned by
means of rotating brushes.
The silicate fire protection
boards have also been subjected to these procedures and
came through them with flying
colours.
A further stress on surfaces
that must not be underestimated is caused by impacts, for instance,as a result of stones flung
through the air by passing vehicles. Linings around the driving
zone must be capable of withstanding such impacts and
should not break or even be affected by scarcely visible hairline cracks. The latter in particular provide points of attack in
the case of coated linings so
that water can find a way
through and subsequent spalling.
Such impact-type strains are
well simulated by the falling ball
method that was undertaken.
5 Flexural Strength
11 Beanspruchte Oberfläche nach
der Frost-Tau-Untersuchung
11 Surface subjected to freezethaw cycles after the test
Retrofitted fire protection
linings previously had to be laid
to adjust to the given tunnel diameter either in pre-stressed or
polygonal form as a complicated process at the factory for
tunnels with circular cross-sections.
On the other hand, the silicate fire protection boards for
Tunnel 8/2005
vorzeitige Carbonatisierung 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.
7 Fazit
Die geprüften und amtlich
nachgewiesenen Silikatbekleidungen schützen mit geringsten Aufbaudicken Tunnelbauwerke bei Bränden 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
durchgeführt und von ihr begleitet. Die neutral bewerteten
Untersuchungsergebnisse finden sich in einem von der
STUVA ausgestellten ausführlichen Abschlussbericht.
Literaturverzeichnis
7.1 RABT – Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln
Ausgabe 2003, herausgegeben von
der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e.V., Köln.
7.2 ZTV-ING, Teil 5 „Tunnelbau“,
Abschnitt 1 (Geschlossene Bauweise)
Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Ausgabe 1/2003, herausgegeben von der Bundesanstalt
für Straßenwesen (bast) beim Verkehrsblatt-Verlag.
7.3 ZTV-ING, Teil 5 „Tunnelbau“,
Abschnitt 2 (Offene Bauweise)
Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Ausgabe 1/2003, herausgegeben von der Bundesanstalt
für Straßenwesen (bast) beim Verkehrsblatt-Verlag.
7.4 ZTV-ING, Teil 5 „Tunnelbau“,
Abschnitt 3 (Maschinelle Vortriebsverfahren)
Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, mit Stand 1/2003, noch
29
Silicate Fire Protection Lining for Tunnels
in der Bearbeitung, Herausgeber:
Bundesanstalt für Straßenwesen
(bast) beim Verkehrsblatt-Verlag.
7.5 ZTV-ING, Teil 5 „Tunnelbau“,
Abschnitt 4 (Ausstattung)
Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Ausgabe 1/2003, herausgegeben von der Bundesanstalt für
Straßenwesen (bast) beim Verkehrsblatt-Verlag, verweist auf die RABT.
7.6 ZTV-ING, Teil 5 „Tunnelbau“,
Abschnitt 4 (Betriebstechnische
Ausstattung von Straßentunneln)
Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen für Ingenieurbauwerke
(StrTun-BTA), Ausgabe 2002, herausgegeben von der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e.V., Köln.
7.7 EBA-Richtlinie
Anforderungen des Brand- und Katastrophenschutzes an den Bau und
Betrieb von Eisenbahntunneln, Ausgabe 1/1997, herausgegeben vom Eisenbahn-Bundesamt, Bonn.
7.8 Richtlinienreihe 853 der DB
Netz AG
„Eisenbahntunnel planen, bauen und
in Stand halten“, Stand 1. 8. 2003,
herausgegeben von der DB Netz AG,
Frankfurt
7.9 EU Directive 2004/54/EC for
Road Tunnels in the Trans-European Road Network (TEN) of the
European Parliament and of the
Council of 29 April 2004
7.10 UPTUN-Programm,
veranlasst und gefördert von der Europäischen Union (EU)
Upgrading methods for fire safety in
existing TUNnels – Project description
and planning of large-scale tests in
Runehamar-Tunnel, Norway, August
2003 by Haukur Ingason, SP Swedish
National Testing and Research Institute and Anders Lönnermark, SP, veröffentlicht auf der Homepage von SP
unter www.sp.se
7.11 Tagungsband
„Proceedings of the International
Symposium on Catastrophic Tunnel
Fires“, Ausgabe 05/2004, herausgegeben durch SP – Swedish National
Testing and Research Institute, Boras,
Schweden.
7.12 Videofilm
„Runehamar-Tunnel test demo“, Ausgabe 11/2003, herausgegeben auf CD
zum „International Symposium on
Catastrophic Tunnel Fires (CTF)“, 20.
bis 21. November 2003 in Boras,
Schweden durch SP – Swedish National Testing and Research Institute,
Boras, Schweden.
7.13 Videofilm
„Runehamar Large Scale Fire Tests
(10 minutes)“, aus „Summary of
Large Scale Fire Tests in the Runehamar Tunnel in Norway, conducted in
association with the UPTUN Research
Program“, herausgegeben von UPTUN, TNO, Promat.
7.14 ÖNorm B 3303 – „Betonprüfung“, Ausgabe 1983,
in Verbindung mit ÖNorm B 4200,
Teil 10, „Beton – Herstellung, Verwendung und Gütenachweis“, Ausgabe 1996.
7.15 Vorläufiges Merkblatt FrostTausalz-Widerstandsfähigkeit
„Überprüfung von Betonerzeugnissen
aus Beton mit dichtem Gefüge für den
Straßenbau auf Frost-Tausalz-Widerstandsfähigkeit“, Bundesverband der
deutschen Beton- und Fertigteilindustrie e.V., Bonn, Ausgabe Januar 1979
7.16 Allgemeine bauaufsichtliche
Zulassung Z-30.3-6
Erzeugnisse, Verbindungsmittel und
Bauteile aus nicht rostenden Stählen,
Ausgabe 5. 12. 2003, herausgegeben
als Sonderdruck 862 von der Informationsstelle Edelstahl Rostfrei, Düsseldorf.
7.17 Beton-Brandschutzhandbuch,
2. Auflage
K. Kordina, C. Meyer-Ottens unter
Mitarbeit von E. Richter, erschienen
1999 im VBT-Verlag Bau + Technik
7.18 DIN EN 12467
Faserzement-Tafeln, Produktspezifikation und Prüfverfahren, Ausgabe
2000-09, Deutsche Fassung EN
12467:2000.
7.19 DIN EN 492
Faserzement-Dachplatten und dazugehörige Formteile für Dächer, Produktspezifikation und Prüfverfahren,
Ausgabe Juli 1999, DIN – Deutsches
Institut für Normung e.V. bzw. BeuthVerlag, Berlin.
7.20 „Taber“-Abrieb-Test
nach
ASTM C 501-80
7.21 Scheuertests mit dem Erichsen-Gerät in Anlehnung an DIN
53778 T2, Ausgabe 1983
7.22 www.heute.de
Internetseite der ZDF-Heute-Nachrichten.
tunnels can be flexed to fit the
given cross-section depending
on the tunnel diameter and the
board thickness.
6 Chloride and
Corrosion Protection
Effect
In addition to the fire protection technical, static/dynamic
and physical aspects that have
already been dealt with, the
question of whether a protective or filter function against the
effects of chloride can additionally be attained as part of the
process of verifying a new generation of silicate fire protection
boards.
The durability of a reinforced
concrete structure can be greatly impaired by premature carbonisation and in turn, reinforcement corrosion particularly in the case of road tunnels.
The investigation that were
undertaken show that by installing silicate fire protection
boards, the concentration of
surface chloride can be reduced
in such a way that there is no risk
of corrosion.
7 Summary
Silicate passive fire protection boards protect tunnels in
the event of fires of varying intensities even given slight lining
thicknesses.
They fulfil the demands for
application in tunnels as they
are waterproof and resistant to
all physical, static and dynamic
stresses.
Many of the described investigations were executed in
conjunction with the STUVA.
The neutrally assessed test results are to be found in an exhaustive final report compiled
by STUVA.
Bibliography:
See German original