Folgekosten und Wirtschaftlichkeit von Brandschutzplatten beim Einsatz in Tunneln

Die STUVA – Studiengesellschaft für Tunnel und Verkehrsanlagen e. V. hat im Auftrag und mit Unterstützung der James Hardie Europe GmbH die Studie „Wirtschaftlichkeitsuntersuchung zum Einsatz von Brandschutzplatten bei Tunnelbauwerken“ durchgeführt. Die Studie beschränkt sich nicht auf die Investitions- und Montagekosten für die primäre brandschutztechnische Ausrüstung, sondern berücksichtigt auch die Folge- bzw. Sanierungskosten nach einem Brandereignis. Dabei werden jene Kosten in die Betrachtung einbezogen, die den Betreibern durch Verkehrssicherungsmaßnahmen oder entgangene Mautgebühren bei lang andauernden Tunnelsperrungen entstehen sowie die volkswirtschaftlichen Kosten, die durch Umleitungen anfallen. Das Ergebnis: Die zunächst höheren Kosten für die Installation von Brandschutzplatten amortisieren sich, sobald es im Laufe der Nutzungsdauer eines Tunnels tatsächlich zu einem Brand kommt.

Brandschäden in Tunneln – Fallbeispiele

In Tunneln kommt es immer wieder zu Bränden, die oft zu größeren Schäden am Bauwerk mit hohen Instandsetzungskosten führen. Im österreichischen Gleinalmtunnel etwa brannte es gleich zweimal relativ kurz hintereinander: 2016 ging ein Kleinbus in Flammen auf, 2018 geriet ein ca. 80 t schwerer Autokran in Brand. In beiden Fällen kam es infolge der hohen Temperaturen zu großflächigen Betonabplatzungen an der Tunneldecke. Für die Sanierung der Betonschäden musste der Tunnel im ersten Fall einen Monat, im zweiten Fall zwei Monate vollständig gesperrt werden. Die Sanierungskosten beliefen sich beim ersten Brand auf 0,5 Millionen, beim zweiten Brand auf 2,7–3 Millionen Euro. Deutlich höher noch waren allerdings die finanziellen Einbußen durch entfallene Mautgebühren: Während sich der Mautverlust beim ersten Brand auf 3,5 Millionen Euro summierte, entgingen dem Betreiber aufgrund der doppelten Tunnelsperrzeit nach dem zweiten Brad rund 7 Millionen Euro.

Ein weiteres Beispiel: Der deutsche Straßentunnel Königshainer Berge musste 2013 für die Instandsetzung der Tunnelinnenschale nach einem Brand für fünf Monate komplett in beide Richtungen gesperrt werden. Die Kosten für die Instandsetzung beliefen sich auf 2,2 Millionen Euro; hinzu kamen 6 Millionen Euro für die Behebung von Schäden auf der eingerichteten Umleitungsstrecke.

Anders die Situation im Elbtunnel bei Hamburg. Dort brannte 2018 ein mit Propanflaschen beladenes Wartungsfahrzeug aus. Da der Tunnel mit Brandschutzplatten ausgerüstet war, konnten die beschädigten Platten innerhalb von 1,5 Tagen ausgetauscht werden. Direkt im Anschluss war der Tunnel wieder befahrbar.

„Brände in Tunneln können nicht gänzlich ausgeschlossen werden“

Die Liste der Beispiele ließe sich beliebig fortsetzen. „Brände in Tunneln“, sagt auch Prof. Dr.-Ing. Roland Leucker, Geschäftsführer der STUVA und STUVAtec, bei der Präsentation der Ergebnisse der Wirtschaftlichkeits- und Folgekostenuntersuchung, „können nicht gänzlich ausgeschlossen werden.“ Er verweist dabei auf eine Tunnelbrand-Statistik der österreichischen ASFINAG (Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft). Demnach kommt es in Österreichs Autobahn- und Schnellstraßentunneln zu 6,5 Bränden von Fahrzeugen (PKW/LKW) auf eine Milliarde zurückgelegte Tunnelkilometer. Betrachtet man den LKW-Verkehr gesondert, ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein LKW in Brand gerät, höher als der Brand eines PKW. Bei einer LKW-Kilometerleistung von einer Milliarde Tunnelkilometern kommt es laut ASFINAG-Statistik zu 25 LKW-Bränden. Diese haben oft fatale Auswirkungen, nicht nur hinsichtlich der Schäden, sondern auch in Bezug auf die Instandsetzungs- und Folgekosten.

Die Gefahr bei Bränden in Tunneln, die leicht Temperaturen von 1000 °C und mehr erreichen können, sind Betonabplatzungen die schließlich die Tragfähigkeit der Konstruktion auf Grund der reduzierten Dicke der Tunnelinnenschale verringern. Bereits bei Temperaturen von 300 °C nimmt die Festigkeit des Betons, insbesondere des Betonstahls ab.

Brandschutzplatten: Eigenschaften und Funktionsweise

Die Montage von Spezialbrandschutzplatten ist eine Möglichkeit, um die gesamte Konstruktion im Brandfall vor zu hohen Temperaturen zu schützen. Aestuver-Brandschutzplatten zum Beispiel können in unterirdischen Verkehrsanlagen als nachträglich montierte (Aestuver Tx) oder direkt anbetonierte Bekleidung (Aestuver T) eingesetzt werden. Die Plattenzusammensetzung ohne brennbare Bestandteile verhindert die Freisetzung von toxischen oder sichtmindernden Gasen im Brandfall. Die zementgebundenen, glasfaserbewehrten Leichtbetonplatten ermöglichen darüber hinaus die beschädigungsfreie Revision und Inspektion der Betonkonstruktion des Tunnels sowie der Bauteilfugen, denn sie können einzeln demontiert und später wieder montiert werden.

Behebung von Brandschäden

Brandschutzplatten bieten große Vorteile, wenn es um die Behebung von Schäden infolge eines Brandereignisses geht. Statt einer aufwendigen und kostenintensiven Instandsetzung der betroffenen Bereiche müssen lediglich die beschädigten Platten ausgetauscht werden. Ihre Oberflächen lassen sich einfach von Ruß und anderen Brandrückständen reinigen. Die Arbeiten können während des laufenden Verkehrs durchgeführt werden. Im Gegensatz zu Arbeiten etwa mit Brandschutzspritzbeton, ist die Sperrung eines Tunnels dafür nicht notwendig; der Verkehr kann einspurig an der Baustelle vorbeigeleitet werden.

Nutzungsdauer

Hinsichtlich der Nutzungsdauer von Brandschutzplatten gibt der europäische Verwendbarkeitsnachweis ETA-17/0170 auf Basis der Leitlinie für Brandschutzprodukte ETAG 018 beziehungsweise der EAD-Dokumente konkrete Hinweise. Die dort genannten Prüf- und Bewertungsergebnisse lassen für die Brandschutzplatte Aestuver Tx eine Nutzungsdauer von mindestens 25 Jahren erwarten. „Allerdings kann davon ausgegangen werden, dass, wie bei Leichtbeton üblich, wesentlich längere Nutzungsdauern wahrscheinlich sind“, sagt Prof. Leucker. Aus diesem Grund sei die vom Hersteller angegebene Lebensdauer von 30 Jahren durchaus realistisch.

Kostenbetrachtung

Trotz dieser Vorteile werde der Einsatz von Bandschutzplatten laut Prof. Leucker vielfach als zu teuer und daher unwirtschaftlich abgelehnt: „Bei der Wirtschaftlichkeitsbeurteilung von Brandschutzplatten werden bei konventionellen Rechnungen vor allem die Initial- und Folgekosten – also die Lebenszykluskosten – betrachtet, nicht aber die durch Brandschutzplatten vermeidbaren Ausfallzeiten und Kosten.“

Wirtschaftlichkeitsstudie anhand eines Beispieltunnels
Berechnungsgrundlage

Was aber kostet es tatsächlich, einen Tunnel mit Brandschutzplatten zu schützen? Und insbesondere: Lassen sich dabei Kosten sparen? „Diese Fragen“, so Prof. Leucker, „haben wir versucht, in Zahlen zu fassen. Ziel unserer Untersuchung war, auch und vor allem die Folgekosten und die Wirtschaftlichkeit von Brandschutzplatten beim Einsatz in Tunnelbauwerken zu ermitteln und dafür alle essenziellen Parameter in der Berechnung zu berücksichtigen.“

Für die Studie wurden anhand eines von der STUVA speziell entwickelten Berechnungsmodells die Gesamtkosten eines Beispieltunnels in den Varianten mit und ohne Brandschutzplatten mit nachvollziehbaren Parametern berechnet. Dabei wurden neben den Initialkosten für Herstellung und Installation sowie den Folgekosten für Betrieb, Instandhaltung und Instandsetzung auch jene Kosten einbezogen, die der Volkswirtschaft durch die temporäre Sperrung eines Tunnels entstehen. „Diese Kosten“, betont Prof. Leucker, „haben einen großen Einfluss auf das Gesamtergebnis, bleiben im Entscheidungsprozess, ob Brandschutzplatten installiert werden sollen oder nicht, aber meist unberücksichtigt.“ Dabei wurde angenommen, dass es während der Nutzungsdauer des Tunnels zu mindestens einem größeren Brand kommt, der beim Tunnel ohne Brandschutzplatten einen Schaden an der Betonkonstruktion zur Folge hat.

Installation und Wartung der Brandschutzplatten

Der Beispieltunnel ist ein Gegenverkehrstunnel mit einem Umfang von 16,5 m und einer Länge von 1000 m. Die mit Brandschutzplatten ausgekleidete Fläche beträgt entsprechend 16 500 m². Für die Ermittlung der Lebenszykluskosten setzt das Berechnungsmodell eine Nutzungsdauer der Brandschutzplatten von 30 Jahren an und berücksichtigt dabei die Kosten für Beschaffung, Entsorgung und Installation der Platten mit 142 €/m². Der Wartungs-Mehraufwand für die alle sechs Jahre stattfindende Tunnelhauptprüfung, bei der die Platten stichprobenartig entfernt werden müssen, um die Tunnelinnenschale zu prüfen, wird mit 1,5 €/m² veranschlagt. Beim Bauwerk selbst wurde eine Nutzungsdauer von 100 Jahren zugrunde gelegt. Berücksichtigt wurde außerdem ein Zinssatz von 1,7 Prozent. Unberücksichtigt blieb dagegen eine Inflation, so dass die Untersuchung vom Ist-Wert ausgeht. Insgesamt betragen die Initial- und Folgekosten, also die Lebenszykluskosten, für den mit Brandschutzplatten beplankten Tunnel bei einer Nutzungsdauer von 100 Jahren rund 5,0 Millionen €.

Schadensumfang und Instandsetzungskosten

Die Studie geht von einem Brandschaden im Beispieltunnel aus, bei dem über eine Länge von 80 m an 70 % der Oberfläche der Stahlbetoninnenschale ein Schaden der Kategorie 4 entstanden ist. Für die Instandsetzung des geschädigten Betons ohne Brandschutzplatten müssen Fixkosten in Höhe von 70 000 € sowie 230 €/m²* flächenabhängige Kosten veranschlagt werden. Die Gesamtkosten belaufen sich entsprechend auf 282 400 €.

Dem stehen bei einem Tunnel mit Brandschutzplatten Fixkosten von 5000 € sowie flächenabhängige Kosten von 142 €/m² (72 €/m² Material und 70 €/m² Installation) also Gesamtkosten in Höhe von 136 200 € gegenüber. Die deutlich geringeren Kosten sind darauf zurückzuführen, dass die Demontage und die Montage der Platten mit wenigen und einfachen Arbeitsgeräten ausgeführt werden kann, für eine Betonsanierung dagegen wesentlich kostenintensiveres Gerät benötigt wird.

Verkehrssicherungskosten

Da es sich bei dem Tunnelbeispiel um einen Gegenverkehrstunnel handelt, muss dieser für die Dauer der Instandsetzungsarbeiten voll gesperrt werden. Dafür müssen 103 000 € Fixkosten* für die Bereitstellung der Verkehrssicherung und rund 6500 €* für deren monatlichen Unterhalt berücksichtigt werden. Da beim Tunnel ohne Brandschutzplatten von einer Sperrzeit von etwa 7,3 Monaten* ausgegangen werden muss, fallen so Verkehrssicherungskosten von etwa 150 700 € an. Beim Tunnel mit Brandschutzplatten beträgt die Sperrzeit nur 1,5 Monate. Entsprechend fallen die Kosten für die Verkehrssicherung mit 112 800 € deutlich niedriger aus.

Umleitungskosten

Ein ähnliches Bild ergibt sich bei den Umleitungskosten. Für den Tunnel ohne Brandschutzplatten entstehen aufgrund der längeren Dauer der Sperrung Kosten von etwa 91,9 Millionen €. Dagegen liegen die Kosten für den Tunnel mit Brandschutzplatten bei 18,8 Millionen € und sind damit 73,1 Millionen € niedriger.

Entgangene Maut

Für den Beispieltunnel wurde eine Sondermaut von 9 € pro Kfz angenommen. Dabei wurden, um auch Jahreskartenbesitzer ausreichend zu berücksichtigen, 50 % der entgangenen Maut abgezogen. Damit ergeben sich für die Dauer der Sperrung beim Tunnel ohne Brandschutzplatten ein Verlust durch entgangene Maut von 24,6 Millionen €, für den Tunnel mit Brandschutzplatten beträgt die Verlustsumme nur etwa 5 Millionen €.


Fazit

Die Summe aus den Lebenszykluskosten der Bandschutzplatten, den Instandsetzungs-, Verkehrssicherungs- und Umleitungskosten sowie den Kosten für die entgangene Maut bei der Tunnelvariante mit Brandschutzplatten belief sich auf rund 29 Millionen €. Bei der Variante ohne Brandschutzplatten lagen die Kosten bei rund 117 Millionen €. Unter dem Strich sind damit die Kosten für die Variante ohne Brandschutzplatten rund viermal so hoch wie bei der Variante mit Brandschutzplatten. Dabei machen die Umleitungskosten und die entgangenen Mautgebühren den Großteil der Mehrkosten beim Tunnel ohne Brandschutzplatten aus. Allein durch die Differenz bei den entgangenen Mautkosten (19,6 Millionen €) amortisieren sich die deutlich höheren Lebenszykluskosten beim Tunnel mit Brandschutzplatten (5 Millionen €) durch die schnellere Wiederöffnung. „Auch wenn das Ergebnis nicht uneingeschränkt auf alle Tunnelbauwerke übertragbar ist,“ betont Prof. Leucker, „ist davon auszugehen, dass die Kosten durch die Installation von Brandschutzplatten im Laufe der Nutzungsdauer wieder eingespart werden, wenn es zu mindestens einem größeren Brand in dieser Zeit kommt.“ Zwar ließe es sich nicht vorhersagen, ob es in einem Tunnel tatsächlich zu einem Brand kommt. „Die zu diesem Zweck ausgewertete Tunnelbrandstatistik“, so Prof. Leucker, „lässt dies jedoch sehr wahrscheinlich erscheinen“.

* Die Zahlen basieren jeweils auf den Ergebnissen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsvorhaben SKRIBT (Schutz kritischer Brücken und Tunnel im Zuge von Straßen)
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