Zerstörungsfreie Prüfungen bei Tunnelbrand

Bricht in einem Tunnel ­Feuer aus, hat die Hitze kaum eine Möglichkeit zu entweichen. Innerhalb kürzester Zeit steigt die Temperatur auf über 1.000 ⁰C, wodurch sich Wasserdampf im Inneren des Betons bildet. Der Druck entweicht zunächst in Hohlräume des Materials. Wird dieser Druck jedoch zu groß, platzen kleine Stücke des Betons ab, was dazu führt, dass die Dicke des Betons und damit seine Tragfähigkeit abnehmen.

Hohlräume durch aufgeschmolzene Fasern

Seit 2012 ist für neu zu bauende Straßentunnel ein Brandschutz-Nachweis vorgeschrieben. Eine Möglichkeit, den Brandschutz zu gewährleisten, ist die Zumischung von Polypropylen (PP)-Fasern in den Beton. „Wenn die Temperatur über 110 Grad Celsius erreicht, werden die Fasern im Beton aufgeschmolzen“, erklärt Prof. Christian Große vom Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) der TUM. Es bilden sich neue Hohlräume im Beton, in die der Druck entweichen kann. Wie genau die Kunstfasern das Verhalten des Betons bei einem Feuer beeinflussen, war bisher unklar.

Bei aktuellen Versuchen an der TUM legten die Forscher Betonplatten auf den nach oben offenen Prüfofen. Auf der Oberseite der Platten installierten sie Schallemissions-Sensoren. Der Beton wurde von unten befeuert und auf bis zu 1.300 ⁰C erhitzt. „Bei der Schädigung im Beton entsteht eine Art Knackgeräusch“, erklärt Ronald Richter, Doktorand am ZfP. Die akustische Welle wird im Material übertragen und kann außen gemessen werden. Da mehrere Sensoren auf dem Beton angebracht sind, ist es möglich, den genauen Ursprung der Geräuschquelle zu bestimmen, ganz ähnlich wie bei der Beobachtung von Erdbeben durch Seismometer.

Zum ersten Mal konnten die Ingenieure den zeitlichen Verlauf der Schädigung während eines simulierten Tunnelbrandes messtechnisch verfolgen. So wurden bei den Betonplatten ohne PP-Fasern über zehnmal so viele Schallemissions-Ereignisse gemessen wie bei den Platten, die PP-Fasern enthielten.

AiF-Projekt vom Bundesministerium gefördert

Die Wissenschaftler wollen ihre Messmethode weiter verfeinern und validieren. Das Verfahren könnte dabei helfen, verschiedene Betonmischungen in Bezug auf ihr Verhalten im Brandfall miteinander zu vergleichen und zu optimieren.

Die Forschungsarbeiten erfolgten im Rahmen des DFG-Forschungsprojekts „Explosive Abplatzungen von Beton unter Brandeinwirkung“ gemeinsam mit dem Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart sowie in einem AiF-Projekt, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie in Zusammenarbeit mit der MFPA Leipzig GmbH.