In diesem Artikel wird der Brandschutz in Tunneln anhand der aus brandschutztechnischer Sicht relevanten Normen und Richtlinien im Tunnelbau sowie dafür eingesetzte Verfahren und Materialien beschrieben.
Der Tunnelbau ist ein Teilbereich des Tiefbaus. Nach der Einordnung in der DIN 1076 zählen Tunnel neben Brücken und Stützbauwerken zu den Ingenieurbauwerken. Die gleiche Norm zählt auch die für Bau und Betrieb erforderlichen Nebenanlagen, soweit sie baulich nicht getrennte Bestandteile des Bauwerkes sind, zum Tunnel dazu. Um die Anforderungen zu erfüllen, die an diese Bauwerke gestellt werden, bedarf es der besonderen Sorgfaltspflicht durch die Fachingenieure (Geologie, Verkehrsplanung, Baubetrieb, Maschinenbau, Elektrotechnik usw.) bei der statischen, aber auch konstruktiven Planung und Umsetzung. Der Brandschutz im Tunnel ist bei der Planung, im Bau und im Betrieb ein elementares Thema zum Schutz der Nutzer und des Bauwerks.
Baulicher Brandschutz Um den baulichen Brandschutz des Tunnelbauwerkes zu gewährleisten, gibt es drei Möglichkeiten: Außen aufgebrachte Bekleidungen Aufgesprühten Brandschutz Neuartige Betonrezepturen mit Kunststofffaseranteilen
Auswirkungen eines Brandereignisses auf Beton Beton, Fels oder die im Beton liegende Stahlbewehrung gelten nach DIN 4102-1 als nicht brennbar. Stahlbeton weist allerdings bei Temperaturen über 500 °C sehr hohe Verluste der Festigkeit auf. Nach Europäischer Norm EN 13501-2 kann die Ermittlung des Feuerwiderstands eines Bauteils anhand von drei Hauptkriterien „R“, „E“ und „I“ erfolgen. Die Tragfähigkeit R ist die Fähigkeit des Bauteils, unter festgelegten mechanischen Einwirkungen einer Brandbeanspruchung ohne Verlust der Standsicherheit für eine bestimmte Zeitdauer zu widerstehen. In Deutschland spiegeln sich diese Kriterien in der nationalen Klassifizierung „F“ nach DIN 4102-2 wider. Grundlage für die europäischen Klassifizierungen „R“, „E“ und „I“ sowie national „F“, resultierend aus den beiden benannten Prüfnormen, ist für Brandprüfungen die ISO- oder ETK-Kurve (im Diagramm unten „Grau“ dargestellt).Tunnelbrandkurven und damit die thermischen Einwirkungen auf den Beton und die tragende Bewehrung gehen weit darüber hinaus (siehe ebenfalls Diagramm unten).
Infolge des Verlustes der Tragfähigkeit eines Bauteils aus Stahlbeton sind deshalb, in Abhängigkeit zu ihrer Klassifizierung und entgegen den Anforderungen nach ZTV-ING, Teil 7, bleibende Verformungen des Bauwerks zu erwarten. Das Feuersetzen, bei dem man sich im Bergbau die Schädigung des Gesteins durch Temperatureinwirkung vor allem beim Abbau von sehr festem Gesteinen zunutze gemacht hat, ist im Prinzip die technische Anwendung dessen, was bei einem Brand im Tunnel als schädigende Einwirkung auftritt. Diese Schädigungen können auch bei Bränden unter Autobahnbrücken oder im Bereich von Stützwänden, also im Bereich neuralgischer Verkehrsknotenpunkte, auftreten, obwohl es sich dann um einen Außenbereich mit vermeintlich kühlender Außenluft handelt.
Ursachen für Festigkeitsverluste beim Beton sind dessen physikalische oder chemische Veränderungen im Innern. Physikalische Veränderungen sind hier Volumenvergrößerungen bzw. temperaturbedingte Eigen- und Zwängungsspannungen sowie Rissbildungen im und am Betonquerschnitt. Bei den chemischen Veränderungen wird infolge der Erhitzung des Betons mit einer 1700fachen Ausdehnung das kapillar gebundene Wasser im Beton freigesetzt, das dann plötzlich entweichen muss. Auf diese Weise entstehen explosionsartig tiefe Abplatzungen, die Bewehrung wird großflächig freigesprengt und beflammt, der Beton selbst wird brüchig bzw. mürbe. Die Literatur gibt hier für die Feuchtigkeit einen Wert von > rd. 2 M.-% an. In einem solchen Szenario sollen jedoch die in der RABT geforderte Selbst- und Fremdrettung von Personen sowie die Hilfeleistung und Brandbekämpfung der Rettungsdienste funktionieren.
Bekleidungsarten Als verlorene Schalung anbetoniert Nachträglich direkt verdübelt Nachträglich montiert auf Plattenstreifen oder Montageschienen als Unterkonstruktion
Bei allen drei Bekleidungsarten sind das Material der Bekleidung und die Montagemittel nach ZTV-ING, Teil 7, Abschnitt 4, als Einheit zu betrachten und somit gemeinsam für die Zustände bei und nach Brandbeanspruchung nachzuweisen.
Bekleidungssysteme Brandschutzplatten aus Beton Es handelt sich hier um Brandschutzbauplatten aus Glasfaserleichtbeton mit Zement als Bindemittel, bauaufsichtlich zugelassener Glasfaser zur Bewehrung und geschlossenzelligem Glasschaumgranulat als Zuschlagsstoff. Als Zuschlagstoff wird anstelle des Glasschaumgranulats seit einiger Zeit Perlit eingesetzt.
Trotz eines relativ niedrigen Schmelzpunktes der Glasfaser- und Glasschaumgranulatanteile erfüllt diese Platte bis 1200 °C den Brandschutz nach der ZTV-ING mit 30 Minuten Branddauer zuzüglich Abkühlphase. Infolge des Einsatzes von Perlit als Leichtzuschlag werden inzwischen auch höhere Temperaturbeanspruchungen erfüllt. Die Bekleidung kann nachträglich mit oder ohne Hinterlegungsstreifen oder als verlorene Schalung montiert werden. Die für Tunnel vorgesehenen Platten erfüllen auch alle weiteren Anforderungen an die Eigenschaften eines Baustoffes für Tunnelbauwerke.
Lochbleche Bei korrosionsgeschützten Lochblechen mit Dämmschichtbildner und farblich variierbarer Deckbeschichtung muss der Korrosionsschutz bei einer Einordnung nach ZTV-ING, Teil 7, Abschnitt 4, für die Anforderungsklasse II bzw. die Widerstandsklasse IV sichergestellt sein, bei dann kostenträchtiger Verwendung der genannten Edelstahlgüten. Lochbleche erfüllen als Bekleidung brandschutztechnisch die Anforderungen der ZTV-ING bis 30 Minuten Branddauer zuzüglich Abkühlphase.
Im direkten Vergleich sind sie die dünnste Bekleidungsform. In Verbindung mit 30 mm Distanzhülsen und Ausgleichblechen beträgt der Gesamtaufbau allerdings ca. 35 mm.
Silikat-Brandschutzbauplatten Silikat-Brandschutzbauplatten werden auf der Basis einer Zement-/Betontechnologie mit hochtemperaturbeständigen Materialien hergestellt. Die Aushärtung erfolgt teilweise spannungsfrei im Autoklaven (Dampferhärter). Neben den Brandschutzeigenschaften werden auch alle weiteren statisch und atmosphärisch relevanten Eigenschaften für den Einsatz in Tunnelbauwerken erfüllt. Auf Grund der Herstellungsverfahren sind Silikat-Brandschutzbauplatten als Tunnelbauplatten nachweislich für sehr hohe Temperaturen von 1350 °C bis 1400 °C sowie zur Erreichung sehr hoher Feuerwiderstandszeiten geeignet.
Silikat-Brandschutzbauplatten erfüllen die Anforderungen nach ZTV-ING mit 30, 60 (EBA-Kurve), 90 und 115 Minuten Branddauer zuzüglich Abkühlphase. Ferner sind die 120-minütige RWS-Kurve, eine auf 180 Minuten verlängerte RWS-Kurve, die HCM-Kurve sowie Langzeit-Untersuchungen über 7 Stunden unter Einhaltung der Kriterien nachgewiesen. Alle mit Silikat-Brandschutzbauplatten durchgeführten Untersuchungen sind von der STUVA bzw. STUVAtec in Köln beurteilt und die Ergebnisse in zwei umfassenden Berichten beschrieben worden.
Danach wurden sowohl die Bewehrung als auch die Betonoberfläche in den oben genannten Zeiträumen der unterschiedlichen Tunnelbrandkurven nur mäßig belastet. Die erreichten Maximaltemperaturen lagen teilweise mehr als 50 % unter den zulässigen Grenzwerten nach ZTV-ING, EBA oder RWS.
Spritzputzsysteme Diese Form des Brandschutzes wird als poröser Trockenmörtel angespritzt. Spritzputzsysteme erhalten größtenteils eine Stahlmattenbewehrung als Unterkonstruktion in der Stahlsorte V5A, um Haftungsproblemen in der Tunnelatmosphäre dauerhaft vorzubeugen. Die Verankerung der Bewehrung erfolgt über geeignete Dübel. Spritzputzsysteme können zum Beispiel keramische Fasern, Perlite oder Vermiculite enthalten.
Brandschutztechnisch werden die Anforderungen der ZTV-ING, mit 90 Minuten Branddauer zuzüglich Abkühlphase mit 25 mm Schichtdicke (Untersuchung aus 2018) sowie der RWS-Kurve erfüllt. Die fertige Oberfläche der ansonsten eher ca. 30 mm bis 75 mm dicken Brandschutzbeschichtungen ist sehr rau, im Bereich von Bauwerksfugen oder Verbindungspunkten von Tübbingen sind zusätzliche Maßnahmen notwendig.
Kunststofffaserbeton In jüngerer Zeit ist man auch bei hochfesten Betonen dazu übergegangen, dem Beton durch Zugabe von Kunststofffasern, z. B. Polypropylen (PP) mit ca. 3 kg/m³ Beton, ein Porensystem zu geben, um Abplatzungen zu minimieren. Bei Temperatureinwirkung schmelzen die Kunststofffasern und geben dem entstehenden Wasserdampf Raum. Auf diese Weise sollen Dampfspannungen im Innern und damit mögliche Betonabplatzungen abgebaut werden. Inzwischen sind mit solchen Systemen Untersuchungen nach ZTV-ING, bei unterschiedlichen Branddauern zuzüglich Abkühlphase, sowie der RWS-Tunnelbrandkurve vorgenommen worden. Die Betonabplatzungen ließen sich nachgewiesen bis auf maximal 10 mm unterhalb der ursprünglichen Oberfläche des untersuchten Bauteils reduzieren. Ganz verhindern wird man, im Gegensatz zu außen aufgebrachten Brandschutzbekleidungen, die Betonabplatzungen durch PP-Beimischungen jedoch nicht können.
Verbrauchte, als „Opferschicht“ außen am Beton angebrachte Brandschutzmaterialien sind dann relativ einfach und damit kostengünstig zu ersetzen. Bei einem unbekleideten, mit Kunststofffasern durchsetzten Beton übernimmt dieser jedoch auch die Funktion der „Opferschicht“. Das heißt, die für den Brandschutz verbrauchten PP-Fasern und die Festigkeitsverluste werden sich, über das reduzierte Abplatzungsmaß hinaus, bis in tiefe Bauteilebenen erstrecken und es notwendig machen, den Beton zu weitaus höheren Kosten zu sanieren.
Anlagentechnischer Brandschutz Unter dem Begriff anlagentechnischer Brandschutz werden alle technischen Anlagen und Einrichtungen, welche dem Brandschutz dienen, zusammengefasst. Folgende Anlagen kommen in Tunneln zum Einsatz: Brandmeldesystem BMS Brandbekämpfungssystem Entrauchungseinrichtungen Einrichtungen des BOS-Funks zur Verbesserung der Kommunikation für Lösch und Rettungstrupps Drahtgebundene Kommunikationseinrichtungen Elektromechanisch betriebene Rauch- oder Feuerschutztore zur Sektionsbildung
Außerdem gibt es auch Anforderungen für technische Einrichtungen in der Nähe von den Tunnelportalen, wie beispielsweise die in der EBA 2008-07 beschriebenen Anordnung von Löschwasserentnahmestellen.
Großbranduntersuchungen Im September 2003 ist im Runehamar-Tunnel bei Åndalsnes, Norwegen, der erste von vier „full- or large-scale tunnel fire tests“ im Rahmen eines Forschungsprojektes unter realen Bedingungen durchgeführt worden. Dieses ist Teil des UPTUN-Programms (Upgrading methods for fire safety in existing TUNnels), unter Federführung der Prüfanstalten SP (Schweden), SINTEF (Norwegen) und TNO (Niederlande).
Gegenüber dem etwa 19 Jahre zurückliegenden Eureka-Projekt EU 499 Firetun (1990 bis 1992) im Repparfjord Tunnel, Norwegen, hatten die diesmal durchgeführten Brandversuche größere Dimensionen. Zum Schutz des stillgelegten Felsentunnels wurde im Bereich der Branduntersuchungen eine selbsttragende Stahlrohrkonstruktion eingebaut. Die daran montierte Auskleidung mit Silikat-Brandschutzbauplatten betrug für die Seitenwände 25 mm, einlagig, und für die Deckenfläche 25 + 20 mm, zweilagig. Sie musste einer wiederholten Brandbeanspruchung durch vier Großbrände standhalten und tat dies auch.
Mit dem ersten Brandversuch am 18. September 2003 erzielte man einen 203-MW-Brand, der innerhalb von 35 Minuten, dem Verlauf der RWS-Kurve folgend, 1365 °C erreichte. Danach schloss sich eine Abkühlphase an. Diese hohe Brandintensität und Temperatur entsprach einem einzigen simulierten Lkw, dessen Ladung von etwa 10 t sich aus ca. 80 % Holzpaletten und ca. 20 % Kunststoffpaletten zusammensetzte. Drei weitere große Brandversuche (158 MW, 125 MW für Schränke und Sofas sowie 70 MW) mit derselben Schutzauskleidung des Tunnels folgten.
Reale Brandereignisse und Großbranduntersuchungen versus Anforderungen