Experimentelle Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten brandbeanspruchter Tunnelschalen

Ereignisse wie der Brand im Eurotunnel, bei dem über eine Länge von 500 m Betonabplatzungen von bis zu 30 cm Tiefe auftraten, resultierten in der Einführung unterschiedlicher Anforderungen, um das Abplatzen sowohl in Bezug auf die Abplatztiefe als auch die betroffene Fläche auf ein verträgliches Maß zu begrenzen. Im Vergleich zu Bränden im Hochbau ist bei Tunnelbränden mit hohen Aufheizraten der brandbeanspruchten Bauteile zu rechnen. Aus diesem Grund kommt bei der versuchstechnischen Bewertung von Tunnelbauteilen für Eisenbahntunnel in Deutschland die sogenannte EBA-Tunnelbrandkurve zum Einsatz, die anhand von Großversuchen an Eisenbahnwaggons abgeleitet wurde.
Das Tragverhalten von Tunnelbauteilen unter Brandbeanspruchung wurde in den vergangenen Jahren im Rahmen verschiedener Forschungsvorhaben untersucht. Die in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnisse basieren auf einem von der Deutschen Bahn beauftragten Vorhaben zur Untersuchung und Überprüfung von zwei Betonrezepturen sowie dem Nachweis der Standsicherheit der Tunnelinnenschale im Brandfall mithilfe von Großversuchen. Für diese Versuche wurden maßstabsgetreue Tunnelsegmente abgeleitet, die hinsichtlich ihrer Abmessungen, Konstruktion und Bewehrungsführung der maßgebenden Stelle eines real existierenden Eisenbahntunnels entsprachen.
Vor dem Start der Beflammung wurden die Probekörper mithilfe von horizontal und vertikal angeordneten hydraulischen Pressen belastet. Die Prüfkräfte wurden in Vorberechnungen bestimmt und berücksichtigen die gebettete Lagerung der Tunnelinnenschale, den Boden- und Wasserdruck, das Eigengewicht sowie die thermisch induzierten Zwangkräfte aufgrund Brandbeanspruchung. Um weitere Zwangkräfte während des Versuchs zu verhindern, wurde der Probekörper statisch bestimmt gelagert und die Versuchslasten kraftgesteuert eingeleitet.

Experimental study regarding the load and displacement behavior of fire exposed tunnel elements
Incidents like the fire in the Channel Tunnel, where concrete spalling with a depth of 30 cm over a length of 500 m was determined, have led to requirements in limiting the spalling depth and involved zone to local and compatible magnitudes. To account for the high heating rate of tunnel fires, the fire resistance of railway tunnel structures was investigated using the German EBA tunnel fire curve, which was derived from large scale fire tests on railway cars.
The behavior of structural tunnel elements exposed to fire and mechanical loads have been investigated in several research programs during the last years. In this paper, the results of an extensive research program investigating the fire behavior of two concrete mixtures four small- and two large-scale tests are presented. The small-scale tests prior to the main tests were conducted to determine an appropriate concrete mixture for the large-scale tests. For those tests, real-scale tunnel segments representing a design-relevant sector of an existing railway tunnel were used.
During the large-scale tests, the tunnel segment is loaded with horizontal and vertical loads derived from a calculation taking into account the ground pressure, water pressure and dead loads corresponding to the situation of the existing railway tunnel. Additionally, the resulting restraint forces were calculated using the soil stiffness and the EBA tunnel fire curve as fire scenario and induced via hydraulic jacks (force controlled). In order to avoid additional restraint forces during the experiment, thermal strains due to fire exposure were allowed by the statically determined boundary conditions.