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Forschungsstelle
ASTRA SBT
Projektnummer
FGU2008/007_OBF
Projekttitel
Schadstoff- und Rauchkurzschlüsse bei Strassentunnel
Projekttitel Englisch
Emission and smoke recirculation in road tunnels

Texte zu diesem Projekt

 DeutschFranzösischItalienischEnglisch
Schlüsselwörter
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Kurzbeschreibung
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Projektbeschreibung
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Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser
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Methoden
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Spezielle Geräte und Installationen
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Allgemeiner Stand der Forschung
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Projektziele
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Forschungsplan
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Umsetzung und Anwendungen
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Berichtsnummer
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Literatur
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Erfasste Texte


KategorieText
Schlüsselwörter
(Deutsch)
Strassentunnel, Tunnellüftung, mechanische Rauchabsaugung, Rezirkulation, Strömungskurzschlüsse, CFD-Simulation, Lüftungsauslegung
Schlüsselwörter
(Englisch)
Road tunnels, Tunnel ventilation, Smoke extraction, Recirculation, CFD simulaton, Ventilation design
Kurzbeschreibung
(Deutsch)

Zur Beurteilung der Problematik von Strömungskurzschlüssen bei Strassentunnel fehlt heute eine fundierte Grundlage. Massnahmen zur Reduktion von Strömungskurzschlüsse werden heute anhand von rudimentären Vorgaben getroffen.

Die geplante Forschungsarbeit hat zum Ziel, die Problematik bezüglich Strömungskurzschlüssen in Strassentunneln umfassend zu untersuchen. Die Ergebnisse sollen in Zukunft als Grundlage für die Auslegung von neuen und bestehenden Lüftungsanlagen dienen.

Der Hauptteil der Forschungsarbeit betrifft die systematische Beurteilung der einzelnen Einflussfaktoren bezüglich Strömungskurzschlüsse (z.B. Ausblasgeschwindigkeit, Kaminhöhe, Portalsituation) mittels CFD- Simulationen. Die Simulationen werden anhand von Messungen an bestehenden Tunnelanlagen validiert. Anhand der Simulations- und Messergebnisse wird eine Methode zur Bewertung der Strömungskurzschlüsse entwickelt. Des Weiteren werden Vorgaben und Empfehlungen definiert. Die Forschungsarbeit wird umfassend dokumentiert und gegebenenfalls publiziert.
Projektbeschreibung
(Deutsch)

Gemäss der ASTRA Richtlinie „Lüftung der Strassentunnel“ sind Strömungskurzschlüsse von Rauch und Schadstoffen von einer Tunnelröhre in eine andere und zwischen Abluftbauwerken und Aussenluftfassungen bzw. Portalen durch geeignete Massnahmen zu vermeiden.

Diese Auflagen werden zum heutigen Zeitpunkt durch verschiedene aktive und passive Massnahmen berücksichtigt. Die gängigsten sind:

- Genügender horizontaler und vertikaler Abstand zwischen Kamin und Portal resp. Ansaugstellen (Sisto, HLKS, …).

- Bau von Trennwänden zwischen Ein- und Ausfahrtsportalen.

- Steuerungstechnische Massnahmen beim Betrieb der Fahrraumlüftung (z.B. gleiche Längsströmung in beiden Tunnelröhren oder Überdruck in der „gesunden“ Röhre).

- Verwendung von Rauchmelder.

Fundierte Grundlagen bezüglich dieser Massnahmen, wie auch konkrete Vorgaben der zu erreichenden Ziele fehlen heute weitgehend. Zudem sind Aspekte, die primär bei Erneuerungen von Lüftungsanlagen massgeblich sind (fixe Portal-, resp. Kaminposition) nicht behandelt. In aktuellen Projekten ergeben sich diesbezüglich laufend Fragen, die nicht hinreichend geklärt werden können:

- Wie gross muss der horizontale / vertikale Abstand zwischen Portal und Kamin sein?

- Kann ein zu geringer Abstand vom Kamin zum Portal (z.B. bei bestehenden Anlagen) mit alternativen Massnahmen kompensiert werden?

- Wie ist der Einfluss der Ausblasgeschwindigkeit und Mündungsform hinsichtlich Strömungskurzschlüsse zu beurteilen?

- Welchen Einfluss haben die meteorologischen und orographischen Gegebenheiten (Wind, Hanglage, etc)? Wann ist eine Portallage ungünstig?

- Wie ist der Zusammenhang zwischen Länge und Höhe der Trennwand? Kann bei einer zu kurzen Trennwand eine zusätzliche Erhöhung die Nachteile kompensieren?

- Wie ist die Situation bei nahe beieinander liegenden Tunnels oder Galerien zu beurteilen (z.B. Simplon Passstrasse)?

Massnahmen zur Reduktion von Strömungskurzschlüsse sind grösstenteils baulicher Natur und prägen nicht selten das Portalbauwert resp. das Landschaftsbild. Entsprechend sind sie schon in einer frühen Projektphase möglichst präzise zu spezifizieren. Für bestehende Anlagen sollten quantifizierbare Massnahmen bekannt sein, um trotz der bestehenden Infrastruktur, die höchstmögliche Sicherheit gegen Strömungskurzschlüsse zu gewährleisten. Vorgaben diesbezüglich wären dringend erforderlich.

Das geplante Forschungsprojekt hat zum Ziel, die Problematik von Strömungskurzschlüsse für neue und bestehende Tunnelanlagen umfassend zu untersuchen. Die Ergebnisse sollen in Zukunft als Grundlage für die Auslegung von Lüftungsanlagen, sowie für Sanierungsmassnahmen bestehender Anlagen dienen. Die Forschungsarbeit ist in fünf Teile gegliedert und umfasst folgende Aspekte:

Teil 1: Erarbeiten der Grundlagen / Gefahrenpotential

Der erste Teil beinhaltet einerseits eine Literaturrecherche andererseits eine theoretische und praktische Betrachtungen von Strömungskurzschlüssen an bestehenden Tunnelanlagen.

Mit der Literaturrecherche sollen bereits vorhanden Entwicklungs-/Forschungsarbeiten, verwendete Ansätze (z.B. Richtlinien) und gängige Praxis zusammengetragen, ausgewertet und beurteilt werden. Anhand theoretischer und praktischer Betrachtungen soll die Strömungskurzschlüsse und die damit verbundenen Aspekte (z.B. bauliche Massnahmen, Methoden) analysiert und beschreiben werden.

Das Gefahrenpotential für die Tunnelbenützer, das von Kurzschlüssen von Rauch oder Schadstoffen ausgeht, soll durch eine Risikoanalyse untersucht werden.

Teil 2: Einflussgrössen der Rezirkulation

Der zweite Teil umfasst primär die detaillierte Analyse der verschiedenen Einflussgrössen bezüglich der Rauch- und Schadstoffkurzschlüssen. Die verschiedenen Einflussgrössen (Kaminhöhe, Abstand Kamin – Portal, Ausblasgeschwindigkeit, Windverhältnisse, Portalsituation, etc) werden mittels detaillierter CFD-Simulationen systematisch beurteilt. Die Simulationen sollen relevante Faktoren aufzeigen, die bei der Auslegung von Tunnellüftungen berücksichtigt werden müssen. Neben den Einflussgrössen für neue Tunnelanlagen sollen anhand der Simulationen zusätzliche Möglichkeiten aufgezeigt werden, die ohne grosse baulichen Massnahmen die Sicherheitssituation bezüglich der Rezirkulation für die Tunnelbenützer in bestehenden Tunnelanlagen verbessern können. Dies kann zum Beispiel der Einbau von Blenden zur Erhöhung der Ausblasgeschwindigkeit oder eine geeignete Lüftungssteuerung sein.

Die CFD Simulationen liefern verschiedene Parameter, anhand derer die Rezirkulation von Rauch und Schadstoffen beeinflusst werden kann und deren Abhängigkeit voneinander. Die Faktoren werden anhand verschiedener Kriterien bewertet (neue Tunnelanlage – Sanierung bestehender Anlage, notwendige bauliche Anpassungen, nicht beeinflussbare Umwelteinflüsse, etc). Damit soll eine Vorgehensweise zur Vermeidung von Strömungskurzschlüsse erreicht werden.

Teil 3: Validation und Bewertung

Einige der durchgeführten CFD-Simulationen werden an bestehenden Tunnelanlagen sollen durch Messung der Strömungskurzschlüsse validiert werden. Die Messungen werden mittels bewährtem Tracergasverfahren durchgeführt.

Teil 4: Definition von Vorgaben / Empfehlungen

Die CFD-Simulationen und die Validierung durch Messungen sollen Richtwerte und eine Vorgehensweise für die Auslegung von neuen und bestehenden Tunneln liefern. Die beeinflussenden Parameter sollen definiert und anhand ihres Einflusses auf die Strömungskurzschlüsse klassifiziert werden.

Die Resultate der Studie sollen als Empfehlung für die Auslegung/Sanierung von Tunnelanlagen dienen.

Teil 5: Dokumentation

Alle Aspekte der Forschungsarbeit werden im Rahmen eines Schlussberichtes am Ende der Forschungsarbeit dokumentiert. Der Fortschritt der Arbeiten wird regelässig anhand von Zwischenberichten dokumentiert.

Projektbeschreibung
(Englisch)

To quantify emission and smoke recirculation in road tunnels very few established basis are available. Nowadays arrangements to reduce recirculation are decided upon rudimentarily specifications and knowledge.

The planned research work aims to extensively investigate recirculation in road tunnels. The results should be used in the future as a basis for the design of new and existing tunnel ventilation systems (Guideline).

The main part of the research covers a systematic analysis of the factors of influence regarding recirculation (e.g. jet velocity, height of the chimney, portal situation, wind) using CFD- Simulations. The simulations will be validated with in situ measurements on existing road tunnels. The measurements will be carried out using the well-proven tracer gas method by an accredited laboratory. On the basis of the simulation and measurement results a method to quantify will be developed. A further part is to define appropriate requirements and recommendations as well as documentation. It is planed to publish the research work.
Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser
(Deutsch)

Die Einflussgrössen der Rauch- und Schadstoffkurzschlüsse können definiert werden und sowohl für neue wie auch für bestehende Tunnelanlagen sind Massnahmen zur Vermeidung der Kurzschlüsse bekannt und eine allgemeine Vorgehensweise zur Auslegung der Lüftungsanlage liegen vor.

Primärer Nutzen der Forschungsarbeit sind a) Erhöhung der Tunnelsicherheit, b) Kosteneinsparungen und c) Termin- und Kostensicherheit in der Planungs- und Realisierungsphase.

Als Nutzniesser profitieren einerseits Benützer, Betreiber und Geldgeber der Tunnelanlagen, andererseits bringen klare Vorgaben bezüglich der Rezirkulation (Richtlinie) Vorteile für den Lüftungsplaner.
Methoden
(Deutsch)
Siehe Forschungsplan
Spezielle Geräte und Installationen
(Deutsch)
Geräte sind nur für die Tracergasmessungen erforderlich. Die Tracergasmessungen werden durch eine akkreditierte Prüfstelle durchgeführt, die schon im Rahmen eines anderen Forschungsprojekts (ASTRA 2007/004_OBF) einbezogen wurde.
Allgemeiner Stand der Forschung
(Deutsch)

Die Problematik bezüglich Rauch- und Schadstoffkurzschlüsse ist relativ neu und entsprechend ist der Stand der Forschung relativ schlecht. Durch die Installation von reinen Längslüftung- oder Abluft-Halbquerlüftungssystemen und dadurch resultierender Einströmung von Frischluft durch die Tunnelportale haben sich die Anforderungen an die Rezirkulation im Vergleich mit Querlüftungssystemen verschärft.

Dokumentationsmaterial aus einigen wenigen Brandereignissen in Tunneln hinsichtlich Strömungskurzschlüsse liegt vor. Studien bezüglich Strahlaufweitung und Schadstoffausbreitung sind vorhanden und können für die geplante Arbeit verwendet werden. Spezifische Forschungsarbeit wurde und wird zurzeit nach unserem Wissen nicht betrieben.
Projektziele
(Deutsch)

Hauptziel der Forschungsarbeit ist die Erarbeitung einer fundierten Grundlage zum besseren Verständnis und zur Beurteilung der Strömungskurzschlüsse (Rauch und Emission) bei Strassentunnel mit und ohne Lüftung. Dabei stehen folgende Aspekte im Vordergrund:

  • Beurteilung des Gefahrenpotential (à inwiefern ist die Rezirkulation ein Problem, welche Gefahren stellt sie dar?).
  • Erarbeiten einer Grundlage zum besseren Verständnis der Problematik.
  • Entwicklung einer einfachen Methode zur Bewertung von Strömungskurzschlüssen und Massnahmen für neue und bestehende Lüftungsanlagen. Unter Berücksichtigung aller massgebenden Aspekte kann ein konkreter Tunnel bezüglich der Gefahr von Strömungskurzschlüssen mit der Methode beurteilt werden.
  • Definition von Empfehlungen, klaren Vorgaben und Kompensationsmöglichkeiten (à Was sind die Anforderungen? Wie viel Rezirkulation ist zulässig? Was sind gegebenenfalls für Massnahmen in Abhängigkeit der vorliegenden Bedingungen zu treffen?).
  • Publikation der Ergebnisse im nationalen und internationalen Umfeld (Fachpresse, Konferenzen)
Das Forschungspaket zielt primär darauf ab, die unsicheren, ungenauen oder fehlenden Vorgaben bezüglich Strömungskurzschlüsse zu beheben. Diese Grundlage kann zu erheblichen Kosten- und Zeiteinsparungen während der Planungs- und Realisierungsphase führen.
Projektziele
(Englisch)

The principal objective of the research work is to create a comprehensive basis for a better understanding of emission and smoke recirculation in road tunnels with and without ventilation systems. The primary aim of the research would be:

  • Evaluation of the risk potential (in what way is recirculation a problem, what are the hazards?).
  • Creation of fundamental knowledge regarding emission and smoke recirculation.
  • Development of a method to evaluate emission and smoke recirculation and arrangements for new and existing road tunnels. The method considers all the relevant aspects, such as height of the chimney, jet velocity, etc.
  • Definition of recommendations, requirements and possibilities to compensate (What are the requirements? How much recirculation is allowed? What are the arrangements to achieve the requirements?)
  • Publication of the results on national or international environment (journals, conferences).
The research project aims primary to eliminate the uncertain, inaccurately or missing basis in the field of emission and smoke recirculation. That can result in considerable cost and time savings during the design and realisation.
Forschungsplan
(Deutsch)

Der terminliche Ablauf der Forschungsarbeit ist wie folgt geplant:

  • Startsitzung: Zeitnah mit der Genehmigung des Forschungsprojekts (2. Quartal 2009)
  • Erarbeiten der Grundlagen: 2. – 3. Quartal 2009 (wird wenn nötig laufend aktualisiert)
  • CFD- Simulationen: Mitte 2009 bis Mitte 2010
  • Messung, Validation: 4. Quartal 2009
  • Auswertung & Analyse: Ende 2009 - Ende 2010
  • Dokumentation: Zwischenberichte alle 6 Monate, Schlussbericht Mitte 2011
Die Zwischenberichte dienen gleichzeitig als Meilensteine.
Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)

Ziel ist, die Ergebnisse der Forschungsarbeit in der ASTRA Richtlinie "Lüftung der Strassentunnel" aufzunehmen um dadurch eine einheitliche und verbindliche Vorgabe zu schaffen.

Falls vom Auftraggeber bewilligt, würden die Ergebnisse an einer passenden internationalen Konferenz präsentiert.
Berichtsnummer
(Deutsch)
1435
Berichtsnummer
(Englisch)
1435
Literatur
(Deutsch)
  • ASTRA Richtlinie: “Lüftung der Strassentunnel”, Ausgabe 2008, V2.00
  • SIA 197/2: „Projektierung Tunnel, Strassentunnel“, Ausgabe 2004