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Zusammenfassung (Deutsch)

Ein rechnerischer Nachweis des baulichen Brandschutzes für Verkehrstunnel mit einer Innenschale aus Beton ist aufgrund der von der Einheitstemperaturkurve abweichenden Brandeinwirkung, der statischen Unbestimmtheit und des nichtlinearen Trag- und Systemverhaltens mit der höchsten Stufe des nach DIN EN 1992-1-2 zur Verfügung stehenden Nachweisverfahrens, dem „Allgemeinen Rechenverfahren“, zu führen. Es handelt sich dabei um ein komplexes Berechnungsverfahren, welches umfangreiches Grundlagenwissen voraussetzt. Die für die rechnerischen Nachweise zu verwendenden thermomechanischen Materialeigenschaften sind vorgegeben und gelten für Normalbeton und für Erwärmungsgeschwindigkeiten von 2 K/min bis 50 K/min. Mögliche Abplatzungen der Betonschale im Brandfall haben einen signifikanten Einfluss auf die rechnerischen Nachweise. Zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Betonabplatzungen werden daher als bauliche Brandschutzmaßnahme häufig Betone mit Polypropylen - Fasern (PP-Faserbetone) verwendet. PP-Faserbetone weisen gegenüber Normalbeton abweichende thermomechanische Materialeigenschaften auf. Eine weitere Abweichung zu den normativen Vorgaben stellen die nationalen Bemessungsbrandkurven für Tunnelbauwerke mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit bis 200 K/min und einer definierten Abkühlphase dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung der thermome-chanischen Materialeigenschaften von PP-Faserbeton durchgeführt. Durch die Zugabe von PP-Fasern zeigten sich Änderungen der thermischen Dehnungen und der Wärmeleitfähigkeit des Betons gegenüber der DIN EN 1992-1-2. Weiter war ein Ergebnis der experimentellen Untersu-chungen, dass die Höhe des mechanischen Belastungsgrades, die Betongüte und die Abkühl-phase einen Einfluss auf die temperaturabhängige Reduzierung der Druckfestigkeit und des E-Moduls haben. Für zwei repräsentative Gewölbequerschnitte von Verkehrstunneln mit einer Innenschale aus PP-Faserbeton wurde der Einfluss aus einer möglichen Bandbreite der thermomechanischen Materialeigenschaften und der Brandeinwirkung auf die rechnerischen Nachweise des Brandfalls untersucht. Das Ergebnis dieser Untersuchung ist, dass unter der Voraussetzung von ver-nachlässigbaren Betonabplatzungen der rechnerische Nachweis des Brandfalls bei den unter-suchten Tunnelquerschnitten nicht bemessungsrelevant gegenüber den rechnerischen Nach-weisen der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit nach DIN EN 1992-1-1 (Kaltbemessung) wird und daher der ausreichende bauliche Brandschutz über Vorgaben an die konstruktive Ausbildung der Innenschale sichergestellt werden kann.

Zusammenfassung (Englisch)

Due to the deviation of fire influence from the uniform temperature curve, the structural indeterminacy as well as the non-linear loadbearing and system behaviour, the computational verification of the structural fire protection for traffic tunnels with an in-situ concrete lining must be implemented with the highest possible level of the verification procedure according to DIN EN 1992 1-2. This verification procedure is called “General Computational Process” and contains a complex computational process, which requires a comprehensive fundamental knowledge. The thermal-mechanical material characteristics that have to be used for the computational verification are predetermined and apply only to standard concrete and to heating-up speed from 2 K/minute to 50 K/minute. The possible concrete spalling in case of fire has a significant effect on the computational verification. Therefore, generally, concrete with polypropylene fibres (PP-fibres) is utilised to comply with the constructional fire precautions for reducing or preventing concrete spalling. PP-fibre concrete has deviating thermal-mechanical material characteristics compared to standard concrete. A further deviation from the normative directives is displayed by the dimensional fire characteristic curves for tunnel constructions with heating-up speed up to 200 K/minute and a cooling down phase. Within the framework of this study, experimental examinations were carried out in order to detect the thermal-mechanical material characteristics of PP-fibre concrete. The addition of PP-fibres to concrete leads to alterations of the thermal expansion and the thermal conductivity of concrete compared to DIN EN 1992-1-2. Another result from the research study was that the level of the mechanical degree of loading, the concrete quality and the cooling down phase have an effect on the temperature-dependent reduction for the compressive strength and the elastic modulus. Two representative arched cross-sections of traffic tunnels with an in-situ concrete lining made from PP-fibre concrete were investigated in terms of effects of a possible spectrum for the thermal-mechanical material characteristics and the effects of fire on the computational verification. The result of this survey is that, provided the negligible concrete spalling, the computational verification for cases of fire is not dimensionally relevant compared to the computation verifications for the load-bearing capacity and serviceability according to DIN EN 1992-1-1 (cold Measuring). Hence, the sufficient constructional fire protection can be guaranteed via the specifications for the constructive design of in-situ concrete lining.

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