I.
Eurocodebasierter Leitfaden für rechnerische Brandschutznachweise für Tunnel in offener Bauweise

In den zusätzlichen technischen Vertragsbedingungen für Ingenieurbauwerke (ZTV-ING) [1], dem geltenden Regelwerk für Straßentunnel im Zuge von Bundesfernstraßen, ist das derzeitige rechnerische Nachweisverfahren zum baulichen Brandschutz für Rechteckrahmenquerschnitte im Teil 5 Abschnitt 2 über ein vereinfachtes Nachweisverfahren mit Ansatz eines Temperaturgradienten von 50 K in Wand und Decke geregelt. Alternativ kann nach ZTV-ING ein genauerer rechnerischer Nachweis durchgeführt werden, der jedoch in der Praxis kaum angewendet wird, da hierzu bisher keine eindeutigen Regelungen zur Durchführung vorliegen.

Mit dem Forschungsvorhaben "Rechnerischer Nachweis des baulichen Brandschutzes für Tunnel in offener Bauweise" [2] wurden "genauere rechnerische Nachweise" für typische Rechteckrahmenquerschnitte von Straßentunneln auf Basis des "Allgemeinen Rechenverfahrens" nach DIN EN 1992-1-2 (Eurocode 2) [3] durchgeführt. Als ein Ergebnis dieses Forschungsvorhabens wurde festgehalten, dass das Berechnungsverfahren für den genaueren rechnerischen Nachweis in der Praxis noch nicht ausreichend erprobt ist.

Zur Verifizierung des genaueren rechnerischen Nachweises des baulichen Brandschutzes für Tunnel in offener Bauweise wurde in dem gegenständlichen Forschungsvorhaben eine Erprobung des Nachweisverfahrens an einem aktuellen Ausführungsbeispiel durchgeführt. Weiter ist der in dem Forschungsvorhaben erstellte Leitfaden mit Musterstatik auf die zum 01.05.2013 vollzogene Einführung der Normengeneration des Eurocodes aktualisiert worden.

Auf der Grundlage der Berechnungsergebnisse des genaueren rechnerischen Nachweisverfahrens wurde zudem ein vereinfachtes Berechnungsverfahren für den Brandfall mit Vorgabe eines von der Bauteildicke abhängigen linearen äquivalenten Ersatztemperaturgradienten entwickelt.

Euro Code-Based Guidelines for structural fire protection on open cut tunnels

In the ZTV-ING Part 5, Section 2 the current calculation method for structural fire protection for road tunnels (open cut method) is based on a simplified calculation method with the approach of a temperature gradient of 50 K. Under certain circumstances, an advanced calculation method has to be carried out. This method is not often used in practice, because there are no clear regulations on the procedure, yet.

In the research project "calculation method for structural fire protection for road tunnels (open cut method)" (BASt Book B94) [2] an "advanced calculation method" has been applied for common rectangular cross sections of frames by applying DIN EN 1992-1-2 (eurocode 2) [3]. As a result of the project it was detected, that those more accurate calculation methods are not sufficiently tested in practice.

Therefore for the verification of the "advanced calculation method" for constructional fire protection for road tunnels (open cut method), the calculation method was used and tested at a current design project. Furthermore the guide line of the research project, including sample static, had to be updated to the new released standards of the euro code.

An independent comparative calculation was used to check, respectively to validate the results of the sample calculation (since 01/05/2013).

Based on the results of the advanced calculation method a simplified calculation method with a linear equivalent temperature gradient, dependent on the thickness of the lining was developed.

1 Einleitung

In den Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING) [1], dem Regelwerk für Bundesfernstraßentunnel, ist das rechnerische Nachweisverfahren zum baulichen Brandschutz für Rechteckrahmenquerschnitte geregelt. Demnach darf unter bestimmten Voraussetzungen - diese werden von den üblichen Rechteckrahmenquerschnitten i. d. R. erfüllt - der Nachweis des baulichen Brandschutzes vereinfacht über den Ansatz eines Temperaturgradienten von 50 K in Wand und Decke geführt werden.

Falls die Voraussetzungen nicht erfüllt werden bzw. falls aus dem vereinfachten Nachweis eine deutlich erhöhte Bewehrung gegenüber der Kaltbemessung resultiert, ist nach ZTV-ING ein genauerer rechnerischer Nachweis zu führen. Weitere Angaben zum genaueren rechnerischen Nachweis sind in den ZTV-ING nicht enthalten.

In der Praxis führt dies bisher dazu, dass in den Standsicherheitsnachweisen von Rechteckrahmenquerschnitten überwiegend der vereinfachte Brandschutznachweis nach ZTV-ING mit Ansatz eines Temperaturgradienten von 50 K angewendet wird. Der vereinfachte Brandschutznachweis kann bemessungsrelevant werden und bestimmt dann den erforderlichen Bewehrungsgehalt. Dies kann teilweise unwirtschaftliche Bewehrungsgehalte, insbesondere bei größeren Bauteildicken, zur Folge haben.

Mit dem Forschungsvorhaben FE 15.0502/2010/FRB, Rechnerischer Nachweis des baulichen Brandschutzes für Tunnel in offener Bauweise [2], wurden genauere rechnerische Nachweise für typische Rechteckrahmenquerschnitte von Straßentunneln durchgeführt. Die Nachweise basieren auf dem allgemeinen Rechenverfahren nach DIN EN 1992-1-2 [3]. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine Musterstatik als Leitfaden für die Anwendung des genaueren rechnerischen Nachweises erstellt. Weiter wurde der vereinfachte Nachweis weiterentwickelt, indem eine Abhängigkeit des Temperaturgradienten von der Bauteildicke definiert wurde.

Als ein Ergebnis des Forschungsvorhabens wurde festgehalten, dass das Berechnungsverfahren für den genaueren rechnerischen Nachweis in der Praxis noch nicht ausreichend erprobt ist und in Abhängigkeit der Berechnungsrandbedingungen und -algorithmen eine relativ große Streuung der Berechnungsergebnisse resultieren kann.

Zur Erprobung und Verifizierung des genaueren rechnerischen Nachweises des baulichen Brandschutzes für Tunnel in offener Bauweise auf Basis des allgemeinen Rechenverfahrens nach DIN EN 1992-1-2 [3] wurde das Forschungsvorhaben FE 15.0582/2013/FRB [4] durchgeführt. Der Leitfaden mit Musterstatik ist auf die zum 01.05.2013 vollzogene Einführung der Normengeneration des Eurocodes aktualisiert worden. Vergleichend sind rechnerische Brandschutznachweise mit dem vereinfachten Ansatz des Temperaturgradienten von 50 K und dem weiterentwickelten, vereinfachten Ansatz mit bauteildickenabhängigen Temperaturgradienten durchgeführt worden. Weiter wurde eine Erprobung des Nachweisverfahrens an einem aktuellen Ausführungsbeispiel durchgeführt.

2 Rechnerische Brandschutznachweise

Für die rechnerischen Brandschutznachweise für Tunnel in offener Bauweise (Rechteckrahmen) wurden im Forschungsvorhaben [4] drei verschiedene Verfahren angewendet.

Vereinfachter rechnerischer Brandschutznachweis nach ZTV-ING [1]

Für ein- und zweizellige Rahmen mit Bauteildicken von 0,8 bis 1,6 m und Stützweiten bis 16 m kann ein vereinfachter rechnerischer Nachweis des Brandschutzes in der außergewöhnlichen Bemessungssituation über den Ansatz eines Temperaturgradienten von 50 K in Wand und Decke bei Ansatz der vollen Steifigkeit des Betonquerschnitts (Zustand I) geführt werden. Hinsichtlich der Anwendung des vereinfachten Verfahrens ist in den ZTV-ING folgende Einschränkung enthalten: "Resultiert aus dem vereinfachten Nachweis ein "wesentlich höherer" Bewehrungsgrad und/oder liegen Abweichungen der Systemvoraussetzungen (d.h. Querschnittsdicken >1,6 bzw. <0,8 m und Stützweiten >16 m) vor, ist ein genauerer rechnerischer Nachweis durchzuführen." Die ZTV-ING enthalten im Weiteren aber keine eindeutigen bzw. standardisierten Vorgaben für genauere rechnerische Nachweise. Weiterhin ist keine quantitative Definition für einen wesentlich höheren Bewehrungsgrad vorhanden.

Genauerer rechnerischer Brandschutznachweis nach DIN EN 1992-1-2 [3]

Die DIN EN 1992-1-2 enthält drei verschiedene Nachweisverfahren für den baulichen Brandschutz:

• -  Stufe 1: Tabellarisches Nachweisverfahren,
• -  Stufe 2: Vereinfachtes Rechenverfahren,
• -  Stufe 3: Allgemeines Rechenverfahren.

Das allgemeine Rechenverfahren (Stufe 3) stellt das detaillierteste der drei Nachweisverfahren dar. Für Tunnelbauwerke ist aufgrund der von der Einheitstemperaturkurve abweichenden Brandeinwirkung, der statischen Unbestimmtheit mit entsprechender Ausbildung von Zwängungen sowie dem nichtlinearen Trag- und Systemverhalten infolge der Bauwerk-Boden-Interaktion das allgemeine Rechenverfahren der zielführende rechnerische Brandschutznachweis.

Beim allgemeinen Rechenverfahren wird vorab im Rahmen einer thermischen Analyse die Temperaturverteilung im Bauteil aufgrund der maßgebenden Brandkurven berechnet. In den ZTV-ING Teil 5 Abschnitt 1 Nr. 10 [1] ist die Brandkurve für das Nachweisverfahren angegeben. Die verlängerte Brandkurve ist bei Bauwerken mit höheren Anforderungen an den baulichen Brandschutz, z. B. bei Tunneln unter Gewässern anzuwenden. Die beiden Brandkurven sind in Bild 1 dargestellt.

Bild 1....