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Research unit
FEDRO RBT
Project number
FGU2008/003_OBF
Project title
Fire protection in tunnels: Protection goals and fire design

Texts for this project

 GermanFrenchItalianEnglish
Key words
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Short description
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Project description
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Expected findings/ usefulness, beneficiaries
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Methods
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Special tools and infrastructure
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Overview of research activities
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Project aims
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Research agenda
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Transfer and application
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Berichtsnummer
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Literature
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Inserted texts


CategoryText
Key words
(German)
Brandeinwirkung, Brand, Bemessung, Tunnelbauwerke, Feuerwiderstand, Brandschutzmassnahmen, Brandlast
Key words
(English)
Fire action, fire, design, Tunnel, Fire resistance, fire protection measures, fire load
Short description
(German)

Im Rahmen des Forschungsauftrages wird evaluiert, wie mit der Einwirkung ‚Brand’ bei Tunnelbauwerken umgegangen werden soll. Es ist bekannt (z.B. durch entsprechende Forschungsvorhaben in der EU), dass in diversen europäischen Ländern zum Thema ‚Bemessung von Tunnelbauteilen auf Brand’ Vorgaben unterschiedlichster Art bestehen: Empfehlungen, Richtlinien oder gar Normvorschriften.

Es ist vorgesehen, das Thema in 2 Phasen zu erarbeiten. Phase 1 wird im Rahmen dieses Forschungsvorhabens erarbeitet. Für Phase 2 wird hier lediglich ein Ausblick auf die anstehenden Arbeiten gegeben.

1. Phase
Literaturstudium, Regeln in anderen Ländern, Stand der Technik, Differenzierung der Anforderungen, Vorgaben für die Dimensionierung, Aufzeigen von Lücken und Optimierungspotential, Identifizierung von Prinzipien der Bemessung

2. Phase (Ausblick)
Auf Grundlage der Phase 1 werden Forschungsvorhaben identifiziert. Diese Phase beleuchtet die einzelnen Bauten oder Bauteile und gibt eine Empfehlung ab, ob überhaupt eine Bemessung erfolgen soll und wenn ja, wie diese erfolgen soll. Ziel ist die Erstellung von Bemessungsprinzipien für den Erhalt der Tragsicherheit und Standsicherheit, welche in eine Richtlinie oder in einer SIA-Empfehlung münden.

Die Erstellung einer Empfehlung oder einer Richtlinie bildet den Abschluss der Phase 2 und der gesamten Arbeiten.
Short description
(English)

Within the research, an evaluation is made on how to deal with the fire impact on tunnel structures. It is known (e.g. through corresponding research projects in the European Union), that in various European countries many different specifications deal with the subject of ‘Design of fire protection for tunnels’. These are presented in the form of recommendations, guidelines or even standard regulations.

It is intended to divide the work into two phases with the following sub-items:

Phase 1:

Study of the existing literature, regulations in other countries, state of the art, differentiation of the requirements, specifications for the dimensioning, identification of loop holes and optimisation potential, identification of design principles

Phase 2: (forecast)

The implementation focuses on the individual tunnel structures or construction units and delivers a recommendation on whether a specific design is necessary at all. If the specific design is necessary, the manner in which this design should be carried out is decided. The objective is to evaluate design principles in order to maintain the structural safety, which lead to a recommendation or guideline.

The preparation of a recommendation or guideline concludes phase 2 and the entire work.
Project description
(German)

Die SIA gibt lediglich Hinweise, wie mit der Einwirkung Brand umgegangen werden soll, ist aber in den meisten Fällen nur wenig konkret oder verweist auf weiterführende Literatur, die wieder auf andere Referenzen verweist. Die Gefahr besteht darin, sich im Literaturstudium zu verlieren. Dies bestätigt auch die Literaturrecherche der Grundlagen und Regeln in den anderen Ländern. Um das Tragverhalten der Tunnelkonstruktion im und nach einem Brandfall beurteilen zu können, muss zwischen den verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten der Tragkonstruktion unterschieden werden. Die Verformungen und Schnittgrössen der Tunnelkonstruktion während eines Brandes hängen vor allem von den Faktoren Bettung, Wandstärke und Betonart ab. Die Verformungen im Brandfall lassen sich anhand von vorgegebenen Temperatur-Zeit-Kurven mithilfe von nichtlinearen, temperaturabhängigen Materialgesetzen berechnen. Diese sind aber abhängig von definierten Brandschutzzielen und Brandschutzkonzepten, welche durch den Bauherrn teilweise vorgegeben werden müssen. Hier fehlen jedoch Hilfestellungen und Randbedingungen.

In der Literatur gibt es schon einige Temperatur-Zeit-Kurven, deren Anwendbarkeit es jeweils zu überprüfen gilt. Hier fehlen auch konkrete Angaben, auf welcher Grundlage diese beruhen (z. B. Brandsimulationen).

Die Tragwerksanalyse für die Bemessungssituation Brand hat unter Verwendung geeigneter Modelle zu erfolgen, wobei thermische und mechanische Einwirkungen sowie das Tragwerksverhalten bei erhöhten Temperaturen zu berücksichtigen sind. Der Tragsicherheitsnachweis kann wahlweise auf folgende Arten erfolgen (SIA 261):

  • im Zeitbereich anhand der Feuerwiderstandsdauer
  • im Festigkeitsbereich anhand des Tragwiderstands
  • im Temperaturbereich anhand der kritischen Temperatur

Hierzu werden weder weitere Details noch konkrete Berechnungsmodelle vorgegeben. Diese sollen anhand der bestehenden Grundlagen definiert werden. Eigentliche Bemessungsverfahren können dann auf diesen Grundlagen aufbauen und werden bezüglich ihrer Anwendung spezifiziert.

Es gibt folgende Berechnungsverfahren: allgemeine oder vereinfachte Nachweise sowie Nachweise mit Tabellen. Das allgemeine Berechnungsverfahren ist sehr aufwändig, vereinfachte Verfahren sind bisher sehr umstritten und der Nachweis nach Tabellen ist eigentlich nur für eine Normbrandkurve aus dem Hochbau gültig. Bis auf das vereinfachte Verfahren wurden keine weiteren analytischen Bemessungsverfahren in der Literatur gefunden. Bemessungskriterien in Abhängigkeit des Tragwerks fehlen völlig.

In der SIA 262 sind das allgemeine Berechnungsverfahren und der Nachweis des Feuerwiderstandes mit Tabellen aufgeführt. Die Untersuchung von Tragwerken unter Brandeinwirkung durch das allgemeine Berechnungsverfahren soll eine verlässliche Annäherung an das erwartete Verhalten der Bauteile liefern. Für die Ermittlung der thermischen Einwirkung, der Temperaturverteilung im Bauteil und des Tragverhaltens des Bauteils dürfen gesonderte Berechnungsverfahren eingesetzt werden. Die Temperaturverteilung im Bauteil ist auf der Grundlage der Theorie der Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvektion zu ermitteln. Die Temperaturabhängigkeit der Baustoffeigenschaften ist zu beachten. Wird der geforderte Feuerwiderstand durch wärmedämmende Schutzschichten erreicht, dürfen für den Nachweis nur Kennwerte der Eigenschaften verwendet werden, die mit geeigneten Prüfverfahren ermittelt wurden. Die Prüfverfahren sollen die Schutzschicht für alle zu erwartenden Temperaturen untersuchen und dem Einfluss von Rissen und Ablösungen Rechnung tragen.

Die Nachweise für das allgemeine Verfahren erfolgen auf Grundlage der Berücksichtigung reduzierter Baustoffeigenschaften. Beanspruchungen infolge ungleichmässiger Temperaturverteilung im Bauteil und Schwächungen infolge von Abplatzungen und Rissen sind zu berücksichtigen.

Der Nachweis des Feuerwiderstands mit Tabellen darf für nicht vorgespannte Bauteile mit vorwiegender Biege- und Normalkraftbeanspruchung für eine Normbrandeinwirkung geführt werden. In SIA 262 Tabelle 15 werden minimale Bauteilabmessungen und Bewehrungsüberdeckungen in Abhängigkeit der Feuerwiderstandsklasse definiert. Durch dieses Nachweisverfahren nicht abgedeckte Versagensarten wie Abplatzen des Überdeckungsbetons, Verbundversagen oder Ausknicken der Druckbewehrung sind mit konstruktiven Massnahmen zu verhindern.

Bis auf das vereinfachte Verfahren wurden keine weiteren analytischen Bemessungsverfahren in der Literatur gefunden. Bemessungskriterien in Abhängigkeit des Tragwerks fehlen völlig.

In der Literatur wird bezüglich der Bemessung zwischen Alt- und Neubauten nicht explizit unterschieden, kann aber relativ einfach durch angepasste Materialeigenschaften berücksichtigt werden.

Als eine Konsequenz aus den verheerenden Brandunfällen der letzten Jahre hat die Europäische Kommission im Rahmen des 5. Forschungsrahmenprogramms eine Reihe wichtiger Forschungsprojekte auf den Weg gebracht, die sich mit dem Thema Brandschutz in Tunneln auseinandersetzen. Diese beschäftigen sich alle mit Sicherheitsaspekten und betrieblichen Massnahmen in Tunneln. Es ist uns kein aktuelles Forschungsvorhaben bekannt, dass sich direkt mit Bemessungsvorgaben befasst.

Eine eigentliche Vorgabe zur Bemessung von Tunneltragwerken auf ‚Brand’ existiert in der SIA nicht, obwohl in der Norm die Forderung nach einer solchen Bemessung erhoben wird. Im Rahmen des Forschungsauftrages wird evaluiert, auf welche Art die Normforderung umzusetzen ist. Auf Basis der Grundlagenermittlung werden weitergehende Forschungsvorhaben identifiziert.

Die Resultate dieser Forschungsvorhaben soll in der Form einer Empfehlung, eventuell gar als Anwendungs-Richtlinie vorliegen im Sinne einer Anleitung, wie man die Problematik angehen soll.

Aus den genannten Gründen erscheint uns ein Forschungsantrag sinnvoll. Ziel sollte sein, in Abhängigkeit der Brandschutzziele und des Brandschutzkonzeptes Brandkurven bzw. deren Anwendung zu definieren und Bemessungskriterien in Abhängigkeit des Tragwerks vorzugeben. Es soll insbesondere die Vorgehensweise definiert werden, welche Modelle und Verfahren zur Bemessung des Tragwerks respektive der einzelnen Bauteile herangezogen werden sollen und wie der Nachweis im Detail geführt werden kann.
Expected findings/ usefulness, beneficiaries
(German)

„State of the Art“ zur Brandbemessung von Tunneln als Vorgabe für den Projektierenden und als Beurteilungsgrundlage für Bauherrn (ASTRA, BAV) und Sachverständige

Identifizierung von Bemessungsprinzipien, Identifikation von weitergehenden Forschungsvorhaben
Methods
(German)

Literaturrecherche, Modellierung, theoretische Untersuchung

Special tools and infrastructure
(German)
Keine.
Overview of research activities
(German)

EU-Forschungsprojekte:

DARTS (Durable and reliable Tunnel Structures): 2001 - 2004

FIT (Fire in Tunnels): 2001 - 2005

UPTUN (Cost-effective, sustainable and innovative Upgrading Methods for Fire Safety in existing Tunnels): 2002 - 2006

Safe Tunnel (Innovative Systems and Frameworks for Enhancing of Traffic Safety in Road Tunnels):
2001 - 2004

Virtual Fires (Virtual real Time Emergency Simulator): 2001 - 2004

Safe-T (Safety in Tunnels): 2003 - 2006

SIRTAKI (Safety Improvement in Road&rail Tunnels using Advances Information Technologies and Knowledge Intensive Decision Support Models): 2001 - 2004

L-Surf (Design Study for a Large-Scale Underground Research Facility on Safety and Security): 2005

EuroTAP (European Tunnel Assessment Programme): 2005 - 2008
Project aims
(German)
Die SIA Normen geben lediglich Hinweise darauf, wie mit der Einwirkung ‚Brand’ bei Tunnelbauwerken umgegangen werden soll. Konkrete Angaben zur Bemessung gegen Brandeinwirkungen fehlen. Eine eigentliche Vorgabe zur Bemessung von Tunneltragwerken auf ‚Brand’ existiert nicht, obwohl in der Norm die Forderung nach einer solchen Bemessung erhoben wird. Im Rahmen des Forschungsauftrages wird evaluiert, auf welche Art die Normforderung umzusetzen ist. Das Resultat der Forschungsarbeit soll in der Form einer Empfehlung, eventuell gar als Anwendungs-Richtlinie vorliegen. Zunächst wird der „State of the ART“ bestimmt und weitergehende Forschungsvorhaben evaluiert.
Project aims
(English)
The SIA standards provide reference to the impact of fire in tunnels and how to deal with this impact, only. There is a lack of defining data for fire protection design. There is not an actual specification for the dimensioning of a tunnel structure. However, the standard calls for such a specification to be established. The scope of the research includes an evaluation of how such a standard shall be put into practice. The result of the research, shall then be presented as a recommendation, possibly even as an application guideline. In the first instance the “State of the Art” will be ascertained and advanced research projects evaluated.
Research agenda
(German)
Siehe Unten Datei: Arbeitsprogramm.pdf
Related documents
Transfer and application
(German)
Grundlage zur Identifikation weiterer Forschungsvorhaben mit dem Ziel der Erarbeitung einer Empfehlung bzw. Anwendungs-Richtlinie zur Brandbemessung von Tunneln
Berichtsnummer
(German)
1397
Literature
(German)

SIA Normen

Richtlinien des Astra

EC 1 Teil 1.2, EC 2 Teil 1-2

Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes“, hrsg. vfdb, Mai 2006 über http://www.ibmb.tu-braunschweig.de/

ITA guidelines for structural fire resistance of road tunnels, 2004 über http://publications.piarc.org/ressources/publications_files/4/1763,RR324-072.pdf

Betonkalender 2005, Ernst & Sohn