Luftströmungsmessung in Strassentunneln

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: ASTRA2010/025_OBF
• Projekttitel Englisch: Airflow measurement in road tunnel

Schlüsselwörter (Deutsch)

Luftströmungsmessung, Strassentunnel, Messtechniken, Installationsorte, Messwertverarbeitung

Schlüsselwörter (Englisch)

Airflow measurement, Road tunnel, measurement technology, installation condition, measurement reporting

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das FOP gliedert sich in drei Schwerpunkte:

• die vergleichende Untersuchung der Sensoren im Fahrraum,
• die Messwertbildung und
• die praktische Umsetzung.

Die verschiedenen Messprinzipien werden dargestellt. Die Prinzipien der Staudruckmessung und der Ultraschallmessung werden eingehend verglichen. Bei der Ultraschallmessung werden die zwei Installationsanordnungen Punktmessung und Querschnittmessung untersucht. Zur Untersuchung gehört die sensorinterne Rohdatenauswertung.

Die Daten aus den Messwertgebern müssen in brauchbare Messwerte für die Steueralgorithmen gewandelt werden. Beurteilt wird in diesem Zusammenhang:

• die Kalibrierungen im Labor und im Tunnel,
• der Einfluss von Störgrössen, wie ...
• die Mittelwertbildung bei Punktmessungen und Querschnittmessungen sowie
• die Hochrechnung auf eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit über den ganzen Fahrraumquerschnitt zur Bestimmung des Volumenstroms, zudem
• die optimale Integrationszeit der Messwerte,
• die Integrationsmethode im Messgerät oder Auswerteeinheit sowie
• die Messwertglättung auf Leitebene.

Praktische Untersuchungen werden in Tunneln mit Hufeisenprofil und Rechteckprofil mit Zwischendecke durchgeführt. Betrachtet werden Gegenverkehr und Richtungsverkehr. Parallel zu den Messungen in den Tunneln werden CFD-Berechnungen für die interessierenden Tunnelabschnitte durchgeführt. Die Ergebnisse werden mit den konsolidierten Messdaten zur Anpassung und Abstimmung des Berechnungsmodells abgestimmt.

Meilensteine sind:

·         Detaillierung des Projekts, Ziele und Programm zur Umsetzung;

·         Messkampagne von jeweils 15 Tagen in den gewählten Strassentunneln (geplant im Herbst/Winter 2010)

·         CFD-Berechnungen für ausgewählte Tunnelabschnitte;

·         Bildung der Strömungswerte mit vergleichenden CFD-Simulationen;

·         Erstellen von Anforderungskatalogen an die Hersteller der Messgeräte,

·         Erarbeiten von Grundlagen für Merkblättern zur Luftströmungsmessung

Nutzniesser der Resultate des FOP sind:

• das ASTRA
• die Planer der lüftungstechnischen und leittechnischen Anlagen,
• die Unterhaltsdienste der Tunnelanlagen sowie

die Hersteller der Messgeräte.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The FOP articulates over three main points:

• comparative study of the sensors in the tunnel,
• the measurement generation and 
• its actual implementation.

The different measurement principles are presented. The principles of dynamic pressure and the ultrasonic measurement are carefully compared. Regarding the ultrasonic measurement, the point measurement and cross-section measurement are investigated. The research also includes the internal raw data processing. Data measured by the sensors must be converted to applicable measurement values for the control algorithm. The following aspects are evaluated:

• calibrations in laboratory and in tunnel,
• impact of disturbance factors,
• average routines for point and cross-section measurement,
• extrapolation of the mean airflow over the entire tunnel section for volume  flow calculation,
• optimal integration time of the measured values,
• integration routines of the measuring device or the sensor controller,
• measurement filtering at process level.

Tests will be made inside tunnels with horseshoe and rectangular section. Bi-directional and unidirectional traffic tunnels are taken into account. CFD calculations are also performed for the specific tunnel sections. The results will be tuned with the consolidated measurements for the adaptation and adjustment of the calculation model.

Milestones are:

• Project detail specifications, objectives and implementation agenda;
• Measurement sessions in the chosen road tunnels, each lasting 15 days (scheduled during autumn/winter 2010);
• CFD-calculation for selected tunnel sections;
• Calculation of the flow values with CFD simulations comparison;
• Redaction of the requirements catalogues for the devices manufacturers;
• Formulation of the basic principles for the airflow measurement technical documentation;

Beneficiary of the FOP results are:

• Swiss Federal Roads Office,
• Engineers and designers of tunnel ventilation systems,
• Measuring devices manufacturers.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Das FOP gliedert sich in drei Themenbereiche:

• Messtechnik: die vergleichende Untersuchung der Sensoren im Fahrraum,
• die Untersuchung der Messwertbildung und
• die praktischen Untersuchungen in Tunneln.

 

Messtechnik

Die verschiedenen Messprinzipien werden dargestellt und verglichen.

Zwei prinzipiell unterschiedliche Messprinzipien werden im Detail untersucht:

·         die Staudruckrohre und

·         die Ultraschallmessgeräte.

Zudem werden bei den Ultraschallgeräten zwei Installationsanordnungen untersucht:

·         die Punktmessung und

·         die Querschnittmessung.

 

Messwertbildung

Die Rohwerte der Messsonden müssen in stabile und zuverlässige Messwerte als Input für die Steueralgorithmen gewandelt werden. Untersucht werden:

·         die Kalibrierung der örtlichen Messung im Labor und im Tunnel;

·         der Einfluss von Störgrössen wie Temperatur, Feuchtigkeit etc.;

·         die Mittelwertbildung bei Punktmessungen;

·         Hochrechnung der Messwerte auf eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit über den ganzen Fahrraumquerschnitt unter Berücksichtigung der Lage der Messsonden im Tunnelprofil und der massgebenden Verkehrszustände (ohne Verkehr, fliessender Verkehr, stehender Verkehr);

·         Optimale Integrationszeit der Messwerte und Integrationsmethode im Messgerät oder in der Auswerteeinheit;

·         Erkennen und Ausscheiden von Messwertfehlern (Plausibilisierung der Einzelresultate und Vergleich mit weiteren Messungen, Luftmengenbilanz, z.B. mit Volumenstrommessung an den Abluftventilatoren);

·         Messwertglättung und Glättungsmethode auf Leitebene nach den spezifischen Bedürfnissen;

·         Nutzen und Notwendigkeit der Parametrierbarkeit ab Leitebene bei der Inbetriebnahme und Abgleichung an das Tunnelprofil;

·         Methodik zur Inbetriebsetzung einer neuen Anlage zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit ohne aufwendige Netzmessung;

·         Langzeitverhalten der Anlage, Nachkontrolle der Plausibilität der Windmessung, allgemeine und besondere Wartungserfordernisse (z.B. zusätzliche Reinigung bei Streusalzeinfluss).

 

Praktische Umsetzung

Es sind Untersuchungen in zwei typischen Tunnelprofilen vorgesehen. Hufeisenprofil ohne Zwischendecke und Rechteckprofil in Tunnel mit Zwischendecke oder in Tagbautunneln. Betrachtet werden sowohl Gegenverkehr wie Richtungsverkehr. Projektbezogene Messungen sehen wir vor in den Tunneln:

·         Gotthard-Strassentunnel, Rechteckprofil und Gegenverkehr mit einer vorhandenen, neuen Windmessung mit punktuellen Staudruckrohren;

·         Kirchenwaldtunnel, Rechteckprofil und Richtungsverkehr mit einer vorhandenen, neuen Windmessung mit punktuellen Ultraschallmessungen;

·         Bareggtunnel, Hufeisenprofil und Richtungsverkehr mit einer vorhandenen, neuen Windmessung mit neuen Ultraschall Querschnittsmessungen;
Alternative Tunnel A13, Hufeisenprofil und Gegenverkehr.

 

Die Rohwerte werden mit Datenloggern aufgezeichnet und danach mit unterschiedlichen Methoden integriert, gemittelt und geglättet. Es ist vorgesehen in den betrachteten Tunneln für die Untersuchungen die beiden Messsysteme Staurohr und Ultraschall (punktweise oder Querschnitt) zu installieren.

 

Parallel wird mit CFD-Berechnungen der erforderliche Tunnelabschnitt modelliert und die Resultate mit den konsolidierten Messdaten verglichen. Anpassung und Abstimmung des Berechnungsmodells folgen. Dabei werden die lokalen Effekte von folgenden Verkehrszuständen betrachtet:

·         fliessender Verkehr

·         stehendes Fahrzeug (PW, LW)

leerer Tunnel (wie bei Abnahmemessung)

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Erkenntnisse zur Bildung des Messwertes der Luftströmung in Strassentunnel mit unterschiedlichen Messtechniken und Messinstrumenten auf Grund von fundierten und wissenschaftlich belegten Messungen und Simulationen;

Anforderungskatalog an die Hersteller zur Vereinheitlichung und Standardisierung der Messgeräte und Messsysteme für die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in Strassentunneln;

Nutzniesser der Resultate des FOP sind:

• das ASTRA
• die Planer der lüftungstechnischen und leittechnischen Anlagen,

die Unterhaltsdienste der Tunnelanlagen sowie die Hersteller der Messgeräte.

Methoden (Deutsch)

Folgendes Vorgehen ist in der Umsetzung vorgesehen:

·         Beschaffung der Unterlagen der vorgesehenen Messgeräte, welche unter Umständen speziell hergerichtet werden müssen (z.B. Signalausgang für die Rohwerte und die Messwerte);

·         Beschaffung der geometrischen Unterlagen der zur Messung vorgesehenen Strassentunnel;

·         Beschaffung der Unterlagen der bestehenden Windmessinstallationen und Aufzeichnung deren Messwerte;

·         Beschaffung der Unterlagen der Aufzeichnung des Verkehrs, dessen Zusammensetzung und Möglichkeit der Auswertung zur Erkennung der Störgrössen und Einflüsse auf die Windmessung;

·         Beschaffung der Unterlagen der Videoaufzeichnung und Bildspeichersystem zur Erkennung von Störgrössen und Einflüsse auf die Windmessung

·         Definition der Installationsorte der temporären Messinstallationen;

·         Messkampagne von jeweils 15 Tagen in den drei vorgesehene Strassentunnel;

·         Modellierung der Tunnelabschnitte mit den temporären Messinstallationen und Abstimmung mit den Messwerten der temporären Messinstallationen;

·         Bildung der Messwerte mit unterschiedlichen Methoden der Integration der Rohwerte, der Mittelwertbildung und der Messwertglättung;

Bestimmung der Korrekturfaktoren zur Bildung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Tunnel zwischen der Lage der Messinstrumente und den Messwerten der Geräte.

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Nachfolgende Installationen sind vorgesehen, welche sequentiell in den drei vorgesehen Strassentunneln eingesetzt werden:

·         1 Messprofil aus 2 Staudruckrohre und Auswerteeinheit,

·         2 Ultraschall Querschnittsmessgeräte,

·         1 meteorologische Messstation für UR, Barometerdruck und Temperatur ab Staudruckrohr erfasst,

·         1 Datenlogger, Aufzeichnung und Messwertübertragung.

Messschrank mit allen Einrichtungen eingebaut

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Im Jahre 2002 wurden durch die Tiefbauämter der Kantone Tessin, Uri, Graubünden und Zürich, vergleichende Luftgeschwindigkeitsmessungen im Fahrraum des Gotthard-Strassentunnel durchgeführt. Die Messwerte von sechs Messgeräten und unterschiedlichen Messprinzipien wurden verglichen. Dabei wurden keine detaillierten funktionellen Untersuchungen der einzelnen Geräte, deren Messwertbildung und Vergleiche mit CFD-Berechnungen durchgeführt.

FOP Leckagenmessungen. In den Jahren 2007-2009 wurden in verschiedenen Strassentunnels in der Schweiz Messungen durchgeführt, welche ähnlich der im Jahre 2002 im Gotthard Strassentunnel unter der Leitung der Lombardi AG durchgeführten aerodynamischen Messungen entsprechen (in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich und HTA Luzern).

Projektziele (Deutsch)

Die Strassentunnel in der Schweiz werden mit Fahrraumlüftungen auf der Grundlage von Richtlinien und Technischen Merkblättern des ASTRA ausgerüstet. Im Ereignisfall müssen Strömungszustände in einem engen Toleranzband eingestellt werden können. Dies erfordert einen Regelkreis mit Sensoren im Tunnelfahrraum und mit Ventilatoren als Aktoren.

Die praktische Erfahrung zeigt, dass die zuverlässige Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit und deren Einbindung in die Steuerung heute erhebliche Schwierigkeiten und Unsicherheiten bieten. Im beantragten Forschungsprojekt werden die Erfassung der Strömungsmessung, die Datenübertragung zur Steuerung und die Messwertverarbeitung analysiert und bewertet. Mit dem Ziel eines zuverlässigen und robusten Betriebs werden Vorschläge für eine einheitliche Festlegung der Anforderungen der entsprechenden Komponenten erarbeitet.

Projektziele (Englisch)

Swiss road tunnels are equipped with tunnel ventilation according to the guidelines and technical documents of the Federal Roads Office (FEDRO). In case of an event, the airflow conditions must be adjusted within narrow tolerances. This implies a closed-loop regulation between the tunnel sensors and the ventilations system.

Experience shows that a reliable airflow measurement, and its integration in the control loop, faces significant difficulties and uncertainties. The requested research project will analyze and evaluate the airflow measurement, the data transmission to the sensor controller and the measurements processing. With a reliable and robust operation as target, proposals are developed for a uniform definition of the requirements of the relevant components.

Forschungsplan (Deutsch)

Folgende Meilensteine sind im Projektablauf vorgesehen:

·         Detaillierung des Forschungsplans einschliesslich der praktischen Umsetzung (3 Monate, Aufwand Juni – September 2010: 90 Mannstunden),

·         Messkampagne von jeweils 15 Tagen in den drei vorgesehenen Strassentunneln (3 Monate, Aufwand Oktober – Dezember 2010: 192 Mannstunden),

·         Modellierte und abgestimmte CFD-Berechnungen der Tunnelabschnitte mit den Messinstallationen (5 Monate, Aufwand Januar – Mai 2011: 40 Mannstunden sowie Aufwand ZHAW),

·         Bildung der Messwerte mit vergleichenden CFD-Simulationen (Aufwand 40 Mannstunden sowie Aufwand ZHAW),

·         Zwischenbericht (Termin: Juni 2011, Aufwand 30 Mannstunden)

·         Erarbeiten von Grundlagen für Merkblätter zur Luftströmungsmessung in Strassentunneln (Aufwand 20 Mannstunden.

·         Erarbeiten von Anforderungskatalogen/Empfehlungen an die Hersteller der Messgeräte (Aufwand 20 Mannstunden),

Schlussbericht, Dokumentation (Termin: September 2011, Aufwand 30 Mannstunden)

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Erkenntnisse bilden eine Grundlage für Merkblätter des ASTRA für konkrete Vorgaben zur Luftströmungsmessung in Strassentunneln.

Zudem werden Anforderungskataloge an die Hersteller der Messgeräte und Messsysteme für die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in Strassentunneln erstellt.

Berichtsnummer (Deutsch)

1426

Berichtsnummer (Englisch)

1426

Literatur (Deutsch)

Im Jahre 2002 wurden im Gotthard Strassentunnel in Zusammenarbeit mit der ETHZ Institut für Fluiddynamik und der HTA Luzern vergleichende Luftgeschwindigkeitsmessungen in den Lüftungskanäle durchgeführt. Netzmessung mit Scanivalve Technik, Tracergasmessung und Ultraschallmessungen.

Im Jahre 2002, im Zusammenhang mit dem Tunnelbrand vom 24.10.2001, wurden von der EPFL (Dr. A. Haertig) ausführliche aerodynamische Untersuchungen mit Simulationen im Strömungslabor sowie mit CFD Berechnungen durchgeführt.

Nach der Installation der Staudruckrohre im Gotthard Strassentunnel wurden durch das Ingenieurbüro Lombardi AG, im Jahre 2009 detaillierte Messwertaufzeichnungen und Auswertungen durchgeführt.

Vergleichende Luftströmungsmessungen im Roppner Tunnel in Österreich im Jahre 2009 (Staudruckrohr SMAG und Durag Ultraschallmessung). Bericht der Schiltknecht Messtechnik AG.