Wirklichkeitsnahe Brandeinwirkungen für die Planung und Nachrechnung von Tunnelschalen

Die verfügbaren numerischen Systeme zur Abbildung von Strömungsprozessen haben mittlerweile einen Entwicklungsstand erreicht, der es erlaubt, auch komplexe Vorgänge, wie z. B. Tunnelbrände, mit einigermaßen vertretbarem Rechenaufwand bereits sehr realistisch abzubilden. Damit besteht einerseits die Möglichkeit, die für den allgemeinen Fall entwickelten Temperatur-Zeit-Verläufe der Regelwerke unter tunnelspezifischen individuellen Randbedingungen kritisch zu hinterfragen. Andererseits lassen sich die im Brandfall zu erwartende Temperatur- und Rauchentwicklung sowie die Beanspruchung und Schädigung der Tunnelschale ohne die Erfordernis aufwendiger Großbrandversuche relativ wirklichkeitsnah beurteilen. Neben den bei Gewölbetunneln allgemein bestehenden Möglichkeiten einer nichtlinearen Berechnung (Nutzung von Umlagerungsmöglichkeiten) [1] bietet die simulationsgestützte Ermittlung von Brandeinwirkungen insbesondere bei der Nachrechnung bestehender Tunnel in vielen Fällen ein großes Potenzial - vor allem dann, wenn die Berechnung mit Regelbrandkurven umfangreiche Ertüchtigungsmaßnahmen nach sich ziehen würde, obwohl aufgrund der vorliegenden Randbedingungen deutlich geringere Bauteiltemperaturen zu erwarten sind. Im vorliegenden Beitrag werden zunächst Brandereignisse in Tunneln und wesentliche Grundlagen der Herleitung von Temperatur-Zeit-Verläufen für die heiße Bemessung von Tunnelschalen diskutiert. Es werden dann die Möglichkeiten, Hintergründe und Grenzen einer Simulation von Brandszenarien mit numerischen CFD-Modellen erläutert und schließlich über Parameterstudien aufgezeigt, welchen Einfluss die projektspezifischen Randbedingungen (insbesondere die Größe des Tunnelquerschnitts) auf die sich einstellenden Oberflächentemperaturen besitzen können.

Realistic fire loads for design and re-analysis of tunnel linings
Meanwhile, the development of numerical systems for the simulation of flow phenomena has reached a level, which even allows the analysis of complex scenarios such as tunnel fires, within acceptable time-periods. On the one hand, this provides the possibility to critically question fire-curves from standards (derived and calibrated for the general case) against the background of tunnel-specific temperature fields. On the other hand, both temperature and smoke development as well as expected structural impairment may be assessed on a relatively realistic basis without large-scale conflagration tests being necessary. In addition to general options of non-linear structural analyses (i.e. utilisation of load re-distribution and activation of additional bedding reactions) [1] the simulation-based evaluation of fire loads particularly provides a valuable potential for the re-analysis of existing tunnel linings. This especially applies in such cases where the calculation with conventional fire-curves requires extensive strengthening and retrofit, whereas more favourable loading conditions may be expected by taking into account the tunnel-specific boundary conditions. In the present paper, firstly tunnel fire accidents and the derivation of fire-curves are generally discussed. Then, the possibilities, the theoretical background and limits of CFD modelling of fire scenarios are presented and finally, major influence factors on the thermal loading (in particular the cross-sectional size of the tunnel) are investigated by sensitivity studies.