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Brandversuche in Tunneln - Untersuchungen zum Austritt brennbarer Flüssigkeiten

Dehn, Frank / Kotthof, Ingolf / Neumann, Nick / Hegemann, Kerstin / Heide, Uwe / Schmidt, Jörg

In diesem Forschungsbericht sind Untersuchungen zur Auswirkung eines Brandfalls infolge des Austritts einer brennbaren Flüssigkeit in einem Tunnel zusammengefasst. Zum besseren Verständnis wurden die Mechanismen der Wärmeübertragung sowohl allgemein als auch für den Brandfall erläutert. Es werden Modelle zur Bestimmung der zu erwartenden Wärmefreisetzungsrate und darauf aufbauend Modelle zur Ermittlung der thermischen Belastung der Tunnelbauteile vorgestellt, miteinander verglichen und Anwendungsgrenzen genannt. Anschließend erfolgte eine ausführliche Beschreibung des Versuchsaufbaus der durchgeführten experimentellen Untersuchungen. Der Versuchsablauf wird mittels Beobachtungsnotizen und Bildnachweisen beschrieben und anhand der Brandgastemperatur, O₂- CO- sowie CO₂-Konzentrationen, Massenströme und der Wärmefreisetzungsrate quantifiziert. Die Bestimmung der Wärmefreisetzungsrate im Zuge der Auswertung des Brandversuchs erfolgte mit verschiedenen Ansätzen, die diskutiert und deren Ergebnisse bewertet wurden. Trotz der festzustellenden Unterschiede haben alle gemein, dass die gemessene maximale Wärmefreisetzungsrate deutlich höher war als anhand in der Literatur dokumentierter Werte vorhergesagt werden konnte. Die Schadensaufnahme der im Rahmen der experimentellen Untersuchungen getesteten Platten aus verschiedenen Werkstoffen bzw. Betonen sowie die Analyse der Temperaturentwicklung an und in den Bauteilen wiesen einen außerordentlich schnellen Temperaturanstieg zu Beginn des Brandversuchs und ein sehr unterschiedliches Schadensbild auf. Während PP-Fasermodifizierte Betone nahezu keine Abplatzungen aufwiesen, kam es bei zwei Platten zur Selbstentzündung mit deutlichen Schädigungen. Die Temperaturbeanspruchung wurde anhand der adiabaten Oberflächentemperatur und der daraus ermittelten äquivalenten Branddauer bewertet.

In this test report investigations about the effects of a fire due to leaking inflammable liquid in a tunnel are summarized. For a better understanding, the mechanisms of heat transfer are explained both in general and for the case of fire. Models are introduced to determine the expected heat release rate and - based on this - models in order to determine thermal stresses of tunnel components; they are compared with each other and application limits are indicated. Then, the test setup used in an experimental study is described in detail. The test procedure is described by means of observation notes and pictures and quantified by means of the fire gas temperature, O₂, CO, as well as the CO₂ concentrations, mass flows and heat release rate. The heat release rate was determined during the evaluation of the fire test using several approaches which are discussed and their results evaluated. Despite the differences to be determined, all have in common that the measured maximum heat release rate was clearly higher than predicted by the values documented in the literature. The survey of damage of panels of different materials and concretes, resp., which have been tested experimentally as well as the analysis of temperature development at and in the components indicate an extremely rapid temperature rise at the beginning of the fire test and a very different failure mode. While PP-fiber modified concretes did show nearly no spalling, two slabs, however, showed selfignition with significant damages. Temperature stresses are evaluated on the basis of the adiabatic surface temperature and the equivalent fire period determined from it.