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Brandschutz im Tunnel
Brandschutz im Tunnel: Bei Betonplatten ohne PP-Fasern wurden zehn Mal so viele Schallemissions-Ereignisse gemessen wie bei den Platten mit PP-Fasern. (Quelle: TU München)

Brandschutz im Tunnel: Beimischung von Polypropylen-Fasern zum Beton

Seit 2012 ist für neu zu bauende Straßentunnel ein Nachweis des Brandschutzes vorgeschrieben. Forscher der TU München untersuchen hierzu die Wirkung von im Beton beigemischten Polypropylen-Fasern.

Brandschutz-Test: Ronald Richter, Mitarbeiter an der TU München, vor einer Betonplatte, die im Ofen befeuert wurde. (Quelle: TU München)

Bricht in einem Tunnel Feuer aus, steigt innerhalb kürzester Zeit die Temperatur auf über 1.000 Grad Celsius. Durch die Hitze entsteht Wasserdampf im Inneren des Betons. Der Druck entweicht zunächst in Hohlräume des Materials. Wird der Druck aber zu groß, kann dies zu explosiven Abplatzungen des Betons führen und die Stabilität des Bauwerks schwächen. Das führt dazu, dass die Dicke des Betons und damit seine Tragfähigkeit abnehmen. Der Tunnel könnte einstürzen.

Verhindern lässt sich dies durch die Zumischung von Polypropylen-Fasern. Wie dies die Eigenschaften des Betons positiv verändert, haben Ingenieure der Technischen Universität München (TUM) herausgefunden.

Polypropylen-Fasern erhöhen Brandschutz

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 so 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. Die Wissenschaftler der TUM entwickelten in Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart und der MFPA Leipzig GmbH eine Methode, um ins Innere des Betons zu schauen.

Die Forscher legten dabei die Betonplatten sozusagen wie einen Deckel 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 Grad erhitzt.

"Bei der Schädigung im Beton entsteht eine Art Knack-Geräusch", 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.

Brandschutz im Tunnel: Erstmalig Schädigung messtechnisch verfolgbar

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 zehn Mal so viele Schallemissions-Ereignisse gemessen wie bei den Platten, die PP-Fasern enthielten. 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 so zu optimieren.

Die Forschungsarbeiten erfolgten im Rahmen des DFG-Forschungsprojekts "Explosive Abplatzungen von Beton unter Brandeinwirkung" (Projektpartner: 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. (gra)

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