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Tragverhalten von Verkehrstunneln im Brandfall mit einer Innenschale aus PP-Faserbeton

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[Quelle: http://d-nb.info]

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. 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 Polypropylenfasern (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. In der Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung der thermomechanischen 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. Ein weiteres Ergebnis der experimentellen Untersuchungen war, dass die Höhe des mechanischen Belastungsgrades, die Betongüte und die Abkühlphase 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 vernachlässigbaren Betonabplatzungen der rechnerische Nachweis des Brandfalls bei den untersuchten Tunnelquerschnitten nicht bemessungsrelevant gegenüber den rechnerischen Nachweisen der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit nach DIN EN 1992-1-1 (Kaltbemessung) wird.

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Das Taschenbuch für den Tunnelbau ist seit vielen Jahren ein praxisorientierter Ratgeber für Auftraggeber, Planer und Bauausführende. Es greift aktuelle Entwicklungen und Problemstellungen auf, präsentiert innovative Lösungen und dokumentiert dabei den jeweils erreichten Stand der Technik. Die Beiträge in der Ausgabe 2020 behandeln die Themenbereiche Geotechnische Untersuchungen, Konventioneller bergmännischer Tunnelbau, Digitalisierung im Tunnelbau, Maschinen und Geräte, Forschung und Entwicklung, Vertragswesen und betriebswirtschaftliche Aspekte sowie Praxisbeispiele.

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Der Tunnelbau ist eine der interessantesten, aber auch schwierigsten Ingenieurdisziplinen. Er vereinigt Theorie und Praxis zu einer eigenen interdisziplinären Ingenieurbaukunst. Das Buch zeigt die fortlaufende Entwicklung der Vortriebsmethoden und der dazu benötigten Geräte seit Mitte des 19. Jahrhunderts auf und geht dabei auch auf die aus dem Bergbau übernommenen Erkenntnisse ein. Tunnelprojekte faszinieren die Menschheit seit jeher. Die gefahrvolle Arbeit der Mineure wird respektvoll anerkannt und die eingesetzte Maschinentechnik bewundert. Der Tunnelbau wird auch immer wieder in der darstellenden Kunst behandelt. Das Buch befasst sich daher nicht nur mit der Technik, sondern bereitet auch die Themenbereiche Religion, Kunst, Film, Literatur und Kultur im und für den Tunnelbau auf.

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Taschenbuch für den Tunnelbau 2018
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Das Taschenbuch für den Tunnelbau ist seit vielen Jahren ein praxisorientierter Ratgeber für Auftraggeber, Planer und Bauausführende. Es greift aktuelle Entwicklungen und Problemstellungen auf, präsentiert innovative Lösungen und dokumentiert dabei den jeweils erreichten Stand der Technik. Die Beiträge in der Ausgabe 2018 behandeln die Themenbereiche Konventioneller bergmännischer Tunnelbau, maschineller Tunnelbau, Maschinen und Geräte, Baustoffe und Bauteile, Instandsetzung und Nachrüstung, Forschung und Entwicklung sowie Vertragswesen, Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz. Ein Einkaufsführer zum Thema Tunnelbaubedarf rundet das Buch ab. Konventioneller bergmännischer Tunnelbau: I Tunnel nach Bad Cannstatt des Groß-Projekts Stuttgart-Ulm - Senkungen und Setzungen im Stadtgebiet von Stuttgart, Prognosen und Messergebnisse. Maschinen und Geräte: I Supersize TBM - Designaspekte bei sehr großen Tunnelbohrmaschinen: II Tunnelbohrmaschinen (TBM) unter hohen Wasserdrücken im Fels. Baustoffe und Bauteile: I Praxisrelevante Korrelationen der Ausgangsstoffe und der Zusammensetzung auf die Eigenschaften von einkomponentigen Ringspaltmörteln. II Berechnungsvarianten für Tübbingtunnel im Bau- und Endzustand. Instandsetzung und Nachrüstung: I Tunnel Pfaffenstein, neue Konzepte für einen alten Tunnel. II A 96 Lindau-München, Tunnel Eching und Etterschlag - Erhaltungsmaßnahmen und Konzept zur Betoninstandsetzung im Zuge der Tunnelnachrüstungen nach den Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT). Forschung und Entwicklung: I BIM Einsatz am Albvorlandtunnel - Erfahrungen und Umgang mit digitalen Prozessen bei Planung und Bau Vertragswesen, Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz: I Leitfaden für die Behandlung von Zeitgebundenen Kosten (ZGK) im Tunnelbau. II Innerstädtischer Tunnelbau im hydrogeologischen und gesellschaftlichen Kontext

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Martin Ziegler
Beiträge zum Forum Tunnelbau mit Ausstellung "Historische Alpendurchstiche" anlässlich der Eröffnung des Gotthard-Basist
Schriftenreihe Geotechnik im Bauwesen, RWTH Aachen, Band 20
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Siebzehn Jahre nach dem ersten Spatenstich wurde am 1. Juni 2016 der Gotthard-Basistunnel feierlich eröffnet; der fahrplanmäßige Betrieb begann am 11. Dezember - Grund genug, dieses Zeugnis moderner Baukunst mit einem speziellen Tunnelbau-Forum an der RWTH Aachen University zu würdigen. Neben dem Gotthard-Basistunnel standen oder stehen mit dem Crossrail-Projekt, der Bahnstrecke Stuttgart-Ulm, dem Brenner Basistunnel, der U-Bahn in Katar und mehreren Tunneln in Skandinavien weitere beeindruckende Großprojekte zur Realisierung in Europa und dem Nahen Osten an. Bauvorhaben dieser Größenordnung sind mit erheblichen technischen, vertraglichen und finanziellen Risiken verbunden. Namhafte Fachleute berichteten, wie bei den verschiedenen Projekten in den jeweiligen Ländern mit diesen Risiken umgegangen wurde und wird und welche Lehren für die Zukunft man daraus gezogen hat bzw. noch ziehen kann. Gleichzeitig sollte mit einer Ausstellung an die nicht weniger bewundernswerten Pionierleistungen bei den historischen Alpendurchstichen vor weit über 100 Jahren erinnert werden.

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Forschungsberichte

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M. L. Ruiz Ripoll, A. Stolz
Verbundprojekt "Schutz kritischer Brücken und Tunnel" (SKRIBT Plus) - Teilvorhaben: Bewertung terroristischer Bedrohungen. Abschlussbericht
Bauforschung Fraunhofer EMI, Band 4
2015, 51 S., Abb., Tab., Softcover
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Im Rahmen des Projekts SKRIBTPlus wurden Brücken und Tunnel im Zuge von Straßen mit einem "all-hazard"-Ansatz bewertet. Aufgabe des Fraunhofer EMI war es, terroristische Bedrohungen zu bewerten. Im Rahmen der Untersuchungen konnte vom Fraunhofer EMI der Einfluss der statischen Vorlast auf die Schädigung infolge einer Explosion für Nah- und Fernfeldereignisse ausgearbeitet werden. Zudem wurde für Tunnel ein Bewertungsmodell hergeleitet, welches es erlaubt, die Auswirkungen auf die Tunnelstruktur unter Berücksichtigung der Bodenbettung zu erfassen. Diese Information stellen essentielle Eingangsparameter zur Durchführung einer weitergehenden Risikoanalyse dar.

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Oliver Millon, Frank Schäfer, Alexander Stolz, Caroline Kranzer, Christian Brenneis, W. Riedel
Automatisierte Informationsgewinnung und Schutz kritischer Infrastruktur im Katastrophenfall (AISIS). Abschlussbericht
Bauforschung Fraunhofer EMI, Band 2
2013, 71 S., 50 Abb., 5 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Sicherheit unserer Verkehrswege ist für unsere Gesellschaft von existenzieller Bedeutung. Deshalb beschäftigt sich die noch junge Disziplin der "Sicherheitsforschung" mit unserer Verkehrsinfrastruktur. Bereits in der Planungsphase identifiziert sie potenzielle Gefährdungen und entwickelt Konzepte, wie Bauwerke von kritischen Infrastrukturen bestmöglich geschützt werden können. Im Forschungsprojekt "Automatisiere Informationsgewinnung und Schutz kritischer Infrastrukturen im Katastrophenfall" geht es um die Entwicklung solcher Schutzkonzepte. Das Projekt wurde vom BMBF gefördert und ist Teil der Initiative "Forschung für die zivile Sicherheit" der Bundesregierung. Am Beispiel innerstädtischer Tunnelbauwerke wird ein Lösungsansatz beschrieben, wie der Schutz vor Gefahren durch Naturkatastrophen, Unfälle, Sabotage oder terroristische Anschläge mit Sprengstoffen verbessert werden kann: Ein in die Tunnelelemente integriertes, energieautarkes Funksensornetzwerk meldet bei einem Ereignis sofort an ein Sicherheitsleitsystem, wie stark und an welcher Stelle im Tunnel eine Schädigung eingetreten ist. Die Information über die Intensität der Belastung lässt Rückschlüsse auf das Schadensausmaß zu. Rettungskräfte wissen so, wo im Tunnel sie sichere Rettungsmaßnahmen durchführen können. Eine weitere Schutzmöglichkeit ist die Verbesserung des Baumaterials: Ein faserbewehrter Ultra-Hochleistungsbeton mit hoher Duktilität und verbessertem Hochtemperaturverhalten wurde entwickelt, der auch bei großen Belastungsereignissen mehr Sicherheit bietet. Darüber hinaus ist ein neuartiges Kopplungssystem für Tunnelelemente entwickelt und unter hoher dynamischer Druckeinwirkung getestet worden. Dieses verbindet die Tunnelelemente und verhindert bei Druckstoßbeanspruchungen im Tunnel ein radiales Auseinanderdriften der Elemente. Die Untersuchungen im Rahmen des Projekts gingen bis zur Betrachtung der Wechselwirkung zwischen der Bauwerksstruktur und dem umgebenden Erdreich. Hier wird untersucht, wie sich die Bettung unter dynamischer Belas

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B. Maidl, A. Nitschke, M. Ortu
Bemessung von Stahlfaserbeton im Tunnelbau. Schlussbericht
1999, 172 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Es wurde das Tragverhalten von Stahlfaserbeton anhand eines umfangreichen Versuchsprogrammes untersucht. Dieses Versuchsprogramm umfaßte Prüfungen unter zentrischem Druck, Kombinationen aus Biegung und Druck sowie reiner Biegung. Den Schwerpunkt bildeten hierbei die Versuche mit einer kombinierten Momenten- und Normalkraftbeanspruchung. Insgesamt wurden drei unterschiedliche Fasertypen mit jeweils zwei Fasergehalten und sonst identischer Betonrezeptur untersucht. Als Ergebnis des Forschungsvorhabens wird ein geschlossenes Konzept zur Bemessung von Stahlfaserbeton im Tunnelbau vorgestellt. Diese Konzept umfaßt die Auswertung von Versuchen, die eindeutige Festlegung des Berechnungsmodells, die Definition von rechnerischen Grenzzuständen und die Bereitstellung einfacher Bemessungsdiagramme. Das modifizierte Konzept stellt gegenüber dem Konzept des Merkblatts des Deutschen Betonvereins eine Verbesserung hinsichtlich einer wirklichkeitsnäheren Erfassung und Abbildung des Tragverhaltens von Stahlfaserbeton und einer einfacheren Handhabung dar. Nach Meinung der Verfasser ist das modifizierte Konzept als Grundlage und Bestandteil für eine weitgehende Normung von Stahlfaserbeton geeignet.

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Stefan Kielbassa
Spannungsumlagerungen an der Ortsbrust und Beanspruchung des Tunnelbaus
1989, 214 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Arbeit untersucht die Spannungs- und Verformungszustände von Ortsbrust und Tunnelausbau während des Auffahrens beim bergmännischen Tunnelvortrieb. Zur rechnerischen Erfassung der Spannungsumlagerungen im Gebirge wurde ein Berechnungsmodell auf der Grundlage der Methode der Finiten Elemente entwickelt, das das komplexe dreidimensionale Geschehen im Bereich der Ortsbrust bei beliebiger Geometrie des Vortriebs erfassen kann. Das Ausmaß der Gebirgsentspannung läßt sich durch eine Aufteilung primären Gebirgbsdrucks in einen vorentspannenden, d.h. den Gebirgstragring in Anspruch nehmenden, und einen wirksamen, d.h. den Tunnelausbau beanspruchenden Anteil beschreiben. Für die Anwendung in der Praxis werden Diagramme zur Verfügung gestellt, die die Zusammenhänge derart aufbereitet darstellen, daß die Vorentspannung des Gebirges in einem ebenen Berechnungsmodell berücksichtigt werden kann. Die Handhabung der Diagramme wird an einem Beispiel aufgezeigt. Spannungen und Verformungen beim bergmännischen Tunnelvortrieb lassen sich damit realitätsnäher als mit herkömmlichen Scheibenmodellen berechnen. Die Beanspruchungen des Ausbaus werden bei gleichzeitigem Anwachsen der Verformungen erheblich kleiner, was durch dreidimensionale Berechnungsmodelle und Bauwerksmessungen bestätigt wird. (-y-)

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R. Springenschmid, R. Breitenbuecher
Forschungsvorhaben Tunnelbeton
Bauforschung, Band T 2000
1986, 36 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die in verformungsbehinderten Bauteilen im jungen Alter zur Rissbildung fuehrenden Zwangsspannungen koennen durch betontechnologische Massnahmen wesentlich beeinflusst werden. In umfangreichen Untersuchungen wurden am Baustoffinstitut der TU Muenchen die hydratationswaermebedingten Zwangsspannungen und die Reissneigung verschiedener Betone fuer rd. 40 cm dicke Bauteile ermittelt. Als Beurteilungskriterium fuer die Reissneigung wurde die Risstemperatur verwendet. Die Risstemperatur gibt jedoch nur die Tendenz der Reissneigung an. Eine Uebertragung der absoluten Risstemperatur in die Praxis ist nicht moeglich, u.a. weil dort meist mehrere Einfluesse auftreten (z.B. Abfliessen der Hydratationswaerme, Rueckgang der Lufttemperaturen, Schwinden, anderer Abmessungen des Bauteils). Durch die Auswahl entsprechend guenstiger Ausgangsstoffe und durch eine Optimierung der Betonzusammensetzung kann die Gefahr der Rissbildung in Betonbauteilen mittlerer Dicke deutlich vermindert werden. Dies hat sich auch in der Praxis bei Tunnelinnenschalen im Suedabschnitt der DB-Neubaustrecke Hannover-Wuerzburg bestaetigt. Stehen guenstige Ausgangsstoffe (z.B. Zuschlaege) aus wirtschaftlichen Gruenden nicht zur Verfuegung, ist beim Betoneinbau besonders auf eine niedrige Frischebetontemperatur zu achten. (-y-)

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Zeitschriftenartikel

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Brys, Henryk; Preweda, Edward
Innovatives Modular-Trilaterations-Tunnelnetzwerk ohne Refraktionseinflüsse
VDVmagazin, 2019

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Seitz, Peter
Durch den Berg, unter der Natur, zwischen den Orten. Zwischen Siders und Visp
Tec 21, 2019

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Baum, Nikolas; Boxheimer, Sascha; Krause, Daniel; Renz, Florian; Hoffmann, Björn; Wächter, Jörg; Klingeberg, Thorsten
Sprengvortrieb und Spezialtiefbau in Göteborg
Bautechnik, 2019

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Der Schwabtunnel in Stuttgart (kostenlos)
Denkmalstiftung Baden-Württemberg, 2019

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Seitz, Peter
Autobahnausfahrt Saas/Zermatt. Umfahrung Visp
Tec 21, 2019

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