Optimierung des baulichen Brandschutzes einer überbauten U-Bahnstation mittels Brandsimulation

Dem baulichen Brandschutz von unterirdischen Verkehrsbauwerken ist nach BOStrab [1] in innerstädtischen Gebieten eine besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Ein Verlust der Standsicherheit bei einem Brand­ereignis könnte zur Gefährdung der Nutzer und Rettungskräfte sowie der angrenzendenn Bebauung führen. Um die Standsicherheit der neuen Stadtbahnlinie U81 zum Düsseldorfer Flughafen – die später überbaut werden soll – auch nach einem Brandfall zu gewährleisten, wurde bereits zur Entwurfsplanung eine vertiefende Untersuchung des Brandschutzes mittels einer Brandsimulation durchgeführt. Im Zuge der Untersuchung wurde eine konstruktive Ausbildung der tragenden Bauteile bestimmt, die über der Mindestanforderung der Tunnelrichtlinie [2] mit einer Feuerwiderstandsklasse von F90-A liegt und den erforderlichen Brandschutz erfüllt.

1 Einführung und Zielsetzung

Im Flughafenbereich Düsseldorf verläuft die zukünftige U81 in einem unterirdischen Abschnitt mit Streckentunnel und dem abschließenden U-Bahnhof „Flughafen-Terminal“ (Bild 1). Wegen einer möglichen späteren Überbauung des U-Bahnhofes mit noch unbekannten und daher auf der sicheren Seite festgelegten Lasten für Einzelstützen sowie einer lichten und offenen Gestaltung des Haltestellenbauwerks, u. a. durch Ausbildung einer Flachdecke mit großen Stützweiten und schmalen Mittelstützen, wurde die brandschutztechnische Ausbildung der tragenden Bauteile bereits während des Entwurfs vertiefter untersucht, um das Schutzziel „Standsicherheit im Brandfall“ nachzuweisen.

Grundlage der Untersuchung mit Hilfe einer Brandsimulation bildete dabei die Tatsache, dass mögliche Brandbelastungen durch Fahrzeuge typenspezifisch sind und sich daher im Laufe der Zeit ändern. Entsprechend wurde eine Herangehensweise gewählt, die unabhängig vom Fahrzeugtyp das Schutzziel der Standsicherheit berücksichtigt. So konnte schließlich mittels des Bemessungsbrandes eine Temperatur-Zeit-Verlaufskurve erstellt werden, die für die Tragwerksplanung verwendet wurde.

In einem mehrstufigen Untersuchungsprozess wurden zunächst die Randbedingungen für eine Brandsimulation festgelegt. Als maßgebliche Brandverlaufskurve wurde der Vollbrand eines Schienenfahrzeuges nach der TRStrab Brandschutz [3] gewählt. Aus den durchgeführten Brandsimulationen wurden die Oberflächentemperaturen der tragenden Bauteile bestimmt.

Aus tragwerksplanerischer Sicht sind insbesondere die Brandbeanspruchungen der hochbelasteten Mittelstützen mit den Stützenköpfen, der Deckenmitte sowie der Außenwand von Bedeutung. Für diese Bauteile wurden die Temperaturmesspunkte 1 bis 5 für das Modell der Brandsimulation vorgegeben (Bild 2).

2 Ermittlung der Oberflächentemperaturen
2.1 Modellbildung

Simulationsprogramme bieten vermehrt die Möglichkeit, von den Vorgaben bzw. Anforderungen der technischen Baubestimmungen abzuweichen und durch einen individuellen Nachweis eine schutzzielorientierte Beurteilung vorzunehmen. Trotz komplexer Schnittstellen und nicht ausreichender technischer Festlegungen können somit die hier anstehenden Fragestellungen technisch richtig und zugleich wirtschaftlich gelöst werden. Bei dieser Untersuchung wurde mithilfe ingenieurmäßiger Verfahren die Temperaturentwicklung an den Oberflächen der maßgeblichen Bauteile mittels einer Naturbrandkurve ermittelt. Die Oberflächentemperaturen bilden die Grundlage für die anschließende thermische Analyse bzw. konstruktive Bewertung.

Für die Untersuchung der Oberflächentemperaturen wurde das validierte Simulationsprogramm Fire Dynamics Simulator (FDS) verwendet. FDS ist eine international weit verbreitete CFD-Software zur Simulation von Brandereignissen.

Im Rahmen von Vorüberlegungen wurde als maßgebliches Schadensereignis der Brand eines Schienenfahrzeuges festgelegt und mit den Planungsbeteiligten abgestimmt. Als Brandverlaufskurve wurde der konservative Fahrzeugbrand nach den Technischen Regeln Straßenbahnen (TRStrab) für ein 30 m langes Fahrzeug herangezogen. Die Brandverlaufskurve kann aus Bild 3 entnommen werden.

Zudem wurden die spezifischen Materialkennwerte der einzelnen Bauteile des maßgeblich verkehrenden Schienenfahrzeuges B80-C in das Simulationsmodell implementiert. So können lokale bauteilabhängige Temperatureffekte abgebildet und temperatur- bzw. materialabhängige Versagenskriterien hinterlegt werden.

2.2 Eingangsparameter der Simulation

Im Rahmen von Voruntersuchungen wurden zunächst allgemeine Rahmenbedingungen festgelegt. Neben der Modellierung des Bauwerks wurde das Schienenfahrzeug realitätsnah (inklusive der verwendeten Materialien und deren spezifischer Kennwerte) innerhalb des gewählten Zellgitterrasters im Rechenmodell abgebildet. Besonderes Augenmerk lag dabei auf den Versagenszeitpunkten der Fensterflächen, da durch die entstehenden Fensteröffnungen ein maßgeblicher Teil der Wärmenergie austritt. Bei den Voruntersuchungen wurde dabei ein konservativer Ansatz nach Kunkelmann [9] verfolgt, der bei Erreichen einer Grenztemperatur ein Versagen der Scheibenflächen mitberücksichtigt. Als Ergebnis zeigte sich, dass bei Versagen der Fensterflächen die Flammen aus dem Fahrzeug herausschlugen und in unmittelbarer Nähe zu den Tunnelwänden örtlich begrenzte Temperaturspitzen auftraten.

Zur Gewährleistung einer ausreichenden Sicherheit bei der Übergabe der Berechnungsergebnisse in ein Simulationsprogramm wurde zur Bestimmung des Wärmetransportes in die maßgeblichen Bauteile die adiabate Oberflächentemperatur abgegriffen. Bei diesem Wert wird der Wärmetransport in das Bauteil vernachlässigt, so dass mit dieser Kenngröße die vollständig auf die Oberfläche einwirkende Wärmeenergie nahezu verlustfrei dargestellt wird. Somit werden rechnerisch höhere Temperaturen an der Oberfläche erzeugt.

2.3 Ergebnisse Oberflächentemperaturen

Innerhalb der gesamten Analyse zur Ermittlung der Bauteiltemperaturen wurde eine Vielzahl von Messstellen im Modell ausgewertet. Bild 4 zeigt einen beispielhaften Auswertungszeitpunkt mit Darstellung der adiabaten Oberflächentemperaturen innerhalb eines Tunnelabschnitts. Erkennbar ist, dass bereits mehrere Fensterflächen versagt haben.

Anhand der rechtsseitig abgebildeten Skala (20 °C bis 800 °C) ist eine visuelle Analyse der vorhandenen Oberflächentemperaturen möglich (schwarz dargestellt ist dabei eine Oberflächentemperatur von etwa 500 °C). Es zeigt sich, dass durch das Versagen der Fensterflächen im unmittelbaren Nahbereich des Zuges an den Wandflächen die höchsten Temperaturen von bis zu ca. 1100 °C vorliegen.

Es konnte eine hohe Differenz zwischen den Oberflächentemperaturen an den Stützen im Vergleich zu den Deckenelementen festgestellt werden. Im direkten Vergleich der Messeinrichtungen an den jeweiligen Stützen zeigt sich, dass die Fahrzeugkonstruktion und deren bauteilabhängige Materialbeschaffenheit erheblichen Einfluss auf die auftretenden Oberflächentemperaturen haben. Beispielhaft hat sich an den unterschiedlichen Stützen entlang des Schienenfahrzeugs eine Temperaturdifferenz von bis zu ca. 25 % im Maximum eingestellt.

Aufgrund der genannten Varianz an den unterschiedlichen Messstellen empfiehlt sich allgemein die Verwendung der Maximalwerte an den jeweiligen Bauteilen, so dass lokale Strömungs- und Temperatureffekte mit einer ausreichenden Zuverlässigkeit berücksichtigt werden können. In Bild 5 werden ermittelte Temperaturzeitkurven für den Haltestellenbereich (vgl. Bild 2) normierten Verlaufskurven exemplarisch gegenübergestellt. Hieraus lässt sich erkennen, dass die gemessenen Oberflächentemperaturen die ISO-Kurve (DIN 4102-1; Johannes Horvath [10]), auch Einheitstemperaturkurve ETK genannt, deutlich im zeitlichen Verlauf übersteigen.

Somit konnte nachgewiesen werden, dass durch den angesetzten Bemessungsbrand kurzzeitig höhere Temperaturen (vgl. Bild 5, Zeitraum Sekunde 1200 bis etwa Sekunde 2000) als bei der normierten Brandverlaufskurve ETK entstehen. Bezogen auf den gesamten Untersuchungszeitraum fällt die thermische Belastung jedoch niedriger aus.

3 Bauteilbezogene Auswertung der Simulationsergebnisse
3.1 Thermische Bauteilanalyse

Zur thermischen Analyse nach DIN EN 1992-1-2 der Bauteile aus Bild 2 wurden die übergebenen adiabaten Temperaturkurven aufbereitet und die Temperaturentwicklung in den jeweiligen Bauteilen mit dem Programm Infocad und dem Zusatzmodul zur „Tragwerksanalyse für den Brandfall“ bestimmt.

Anhand des Temperaturverlaufs über die Zeit lässt sich das Bewertungsverfahren nach DIN EN 1992-1-2 [6] festlegen. Für Erwärmungsgeschwindigkeiten oder -raten zwischen 2 K/min und 50 K/min können die Materialmodelle für höhere Temperaturen gem. DIN EN 1992-1-2 verwendet werden.

Es zeigte sich, dass vom Brandort entfernter liegende Bauteile (Mittelstützen und Decke) Erwärmungsgeschwindigkeiten im Normbereich erfahren im Gegensatz zu der unmittelbar neben dem Fahrzeug befindlichen Außenwand. Letztere weist einen sehr schnellen Temperaturanstieg an der Oberfläche von max. 206 K/min auf (Bild 6). Allerdings liegen die Erwärmungsgeschwindigkeiten bereits in 2 cm Bauteiltiefe im Bereich der Materialmodelle der DIN EN 1992-1-2.

Die Temperaturprofile machen deutlich, dass zwar auf den Oberflächen der Bauteile die kurzzeitig anstehenden hohen Temperaturen der adiabaten Temperaturkurven erreicht werden. Allerdings erreichen die maximalen Temperaturen in 2 cm Bauteiltiefe nur noch 400 °C und in 6 cm Tiefe nur noch maximal 155 °C, die somit deutlich unterhalb der kritischen Stahltemperatur von 300 °C gemäß ZTV-ING [8] liegen.

Bei Einbau der tragenden Bewehrung mit 6 cm Betondeckung entsprechend ZTV-ING ist in keinem Bauteil eine kritische Tragfähigkeitsminderung im Brandfall zu erwarten. Diese Vorgabe der Bauteile erfüllt somit die Anforderungen der DIN EN 1992-1-2 (tabellierte Verfahren) und der BOStrab-Tunnelrichtlinie.

3.2 Vergleich der Ergebnisse des Brandmodells mit ETK-90

Bewertungsgrundlage des baulichen Brandschutzes für Bauteile nach dem Regelwerk stellt die nominelle Einheitstemperaturkurve dar, die einen künstlichen Brandverlauf beschreibt mit über die Zeit degressiv zunehmender Energiefreisetzung (Bild 5). Der Widerstand von Bauteilen gegenüber einer Brandeinwirkung wird durch die zeitliche Beanspruchungsdauer entsprechend der ETK bewertet. So steht R90 für den Widerstand eines Bauteils gegenüber dem ETK-Ausschnitt von 0 bis 90 Minuten (hier ETK-90).

Die thermische Analyse der ETK-90 Brandkurve ergibt deutlich höhere Temperaturen im Bauteil als die für dieses Projekt ermittelte Brandkurve. Die Bewehrung in 6 cm Tiefe würde sich nach 90 Minuten auf etwa 300 °C erwärmen (Bild 7), was deutlich über der Temperatur aus der Brandsimulation liegt. Die ETK-90 Beanspruchung stellt also für die Bauteile eine wesentlich ungünstigere Beanspruchung dar und liegt für übliche Tunnelbauwerke nach BOStrab auf der sicheren Seite.

4 Schlussfolgerungen für den baulichen Brandschutz

Auf Grund der geführten Untersuchungen konnten folgende konstruktive Festlegungen für das Projekt getroffen werden:

Die Betondeckung in allen tragenden Bauteilen wird abweichend zur DIN 4102-4 [7] entsprechend der ZTV-ING mit 6 cm gewählt.
Auf die Einbringung von Oberflächenbewehrung nach DIN EN 1992-1-2 oder N-94-Matten bzw. PP-Fasern nach alter bzw. aktueller ZTV-ING in den Decken wird verzichtet, da großflächige Abplatzungen (Maximaltemperatur etwa 200 °C in 4 cm Bauteiltiefe) in Folge einer geringen Bauteilfeuchte nach [6] unwahrscheinlich sind. Zudem beschreiben die untersuchten Oberflächentemperaturen nur lokal auftretende Maximalwerte.
Zur Berücksichtigung innerer, temperaturabhängiger Spannungszwänge in den Bauteilen aus dem Brandlastfall eignet sich der vereinfachte Nachweis nach ZTV-ING. Dieser kann auf die tatsächlich beanspruchten Flächen der Bauteile angesetzt werden.
Auf die Durchführung von Heißbemessungen im Zuge der Ausführungsplanung kann aus Sicht der durchgeführten Voruntersuchung verzichtet werden.

Die zusätzlichen Untersuchungen führten zu einer belastbaren und angemessenen Planung des baulichen Brandschutzes im Einvernehmen aller Beteiligten. Die getroffenen konstruktiven Maßnahmen führen zu einem wirtschaftlichen Bauwerksentwurf mit nachgewiesener Standsicherheit im Brandfall.

Wünschenswert bei der Fortschreibung der Tunnelrichtlinie wären Hinweise, unter welchen üblichen Randbedingungen (z. B. Verwendung üblicher Fahrzeugkonzepte, keine außergewöhnlichen Brandlasten infolge besonderer Nutzungen etc.) die Mindestanforderung bzgl. des Brandschutzes (F90-A) für tragende Bauteile ausreichend sind. Bei Vorliegen besonderer Randbedingungen, wie z. B. einer Überbauung, wäre die Vorgabe einer allgemeingültigen Brandkurve oder der Verweis auf die Brandkurven der TRStrab Brandschutz für vertiefte Untersuchungen mittels einer Brandsimulation hilfreich.

References/Literatur
[1] BMVI: Verordnung über den Bau und Betrieb von Straßenbahnen (Straßenbahn Bau- und Betriebsordnung – BOStrab), 16.12.2016.
[2] BMVI: Richtlinie für den Bau von Tunneln nach der Verordnung über den Bau und Betrieb der Straßenbahnen (BOStrab-Tunnelbau-RL), Verkehrsblatt B3066; 1991.
[3] BMVI: Technische Regeln von Straßenbahnen – Brandschutz in unterirdischen Betriebsanlagen (TRStrab Brandschutz), Verkehrsblatt, 24.06.2014.
[4] DIN EN 1990: Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung (inkl. NA), 2010-12.
[5] DIN EN 1991-1-2: Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke: Teil 1-2: Allgemeine Einwirkungen – Brandeinwirkungen auf Tragwerke (inkl. Berichtigung und NA), 2010-12.
[6] DIN EN 1992-1-2: Eurocode 2: Einwirkungen auf Tragwerke, Teil 1-2: Allgemeine Regeln – Tragwerksbemessung für den Brandfall (inkl. Berichtigung und NA), 2010-12.
[7] DIN 4102 (Reihe): Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen, Teile 1 bis 4.
[8] ZTV-ING: Zusätzliche technische Vertragsbedingungen – Ingenieurbau, BAST, Stand 04/2019.
[9] Kunkelmann, Jürgen: Feuerwehreinsatztaktische Problemstellungen bei der Brandbekämpfung in Gebäuden moderner Bauweise, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe, 2013.
[10] Horvath, Johannes; Schneider, Ulrich: Brandschutz-Praxis in Tunnelbauten. Brandverhalten. Brandschutzmaßnahmen. Sanierung. Mit Projektbeispielen, Beuth Verlag, 2006
1           Formerly Vössing Ingenieurgesellschaft mbH, sub-project manager „U81/1st construction phase (underground structures)“, Düsseldorf, Germany
Ehemals Vössing Ingenieurgesellschaft mbH, Teilprojektleiter „U81/1. Bauabschnitt (unterirdische Bauwerke)“, Düsseldorf, Deutschland
 
 
2           Formerly Vössing Ingenieurgesellschaft mbH, Head of Tunneling Department, Düsseldorf, Germany

Ehemals Vössing Ingenieurgesellschaft mbH, Abteilungsleiter Tunnelbau, Düsseldorf, Deutschland
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