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ePaper created 2014-06-26, 16:38:25 | version 1.31.00
FORSCHUNG | RECHERCHE | 41 DE FORSCHUNGSBERICHT NR. 1451 Gasanalytik zur frühzeitigen Branddetektion in Tunneln Versuchsstollen Hagerbach AG MAXIMILIAN WIETEK, Dipl.-Ing. xirrus GmbH CHRISTIAN D. BERWEGER, Dr. combustion and flow solutions GmbH CHRISTIAN LÄMMLE, Dr. Forschungsauftrag FGU 2010/006 auf Antrag der Fachgruppe Untertagbau (FGU) Der vorliegende Bericht stellt eine Grundlagenstudie vor, die den Einsatz von Gasdetektoren als Brandfrühmel- dung im Strassentunnelbereich zum Ziel hat. Dazu gehört einerseits die Identifi- kation von geeigneten Brandgasen, an- dererseits sollten Bedingungen für eine zuverlässige Warnung geklärt werden. Validationsversuche im VSH sowie eine DE FORSCHUNGSBERICHT NR. 1462 Ermittlung der Versagensgrenze eines T2-Norm-Belages mit der mobilen Grossversuchsanlage MLS10 Empa, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt MARTIN ARRAIGADA, Dr., Dipl. Ing. ANDREAS TREUHOLZ, M.Sc. MANFRED N. PARTL, Prof. Dr., Dipl. Ing. ETH Forschungsprojekt ASTRA 2011/004 auf Antrag des Bundesamtes für Strassen (ASTRA) Dieser Bericht fasst die Resultate eines Tests zur Evaluation der Versagensgrenze eines schweizerischen Normbelags, typi- scherweise eingesetzt für tiefe Verkehrs- aufkommen, zusammen. Das Ziel bestand darin,dieGebrauchsdauerdiesesBelagsbei Belastung durch den MLS10 zu ermitteln, um die Resultate als Referenz in Bezug zu ähnlichen Belägen gleicher Steifigkeit zu verwenden. Aus diesem Grund wurde ein T2-S2-Oberbau, bestehend aus 35cm un- gebundenem Gemisch 0/45 und zwei As- phaltschichten zu 6,5cm und 3,5cm auf- gebaut und mit verschiedenen Sensoren bestückt, um die strukturelle Antwort auf die Belastung mit dem MLS10 zu messen. Zu diskreten Zeitpunkten wurde der Belag durch zerstörungsfreie Prüfungen unter- sucht. Ebenfalls wurden periodisch das Querprofil mit einem Profilometer und der seismische Modul der Schichten mit dem Portable Seismic Pavement Analyzer (PSPA) gemessen. Die Deflektionsmulde wurde am Anfang und am Ende des Tests mit dem ETH-Delta-Gerät und dem Falling WeightDeflectometer(FWD)bestimmt.Für Laboruntersuchungen wurden Bohrkerne und andere Probekörper entnommen. Der Belag wurde insgesamt mit mehr als 800 000 Überrollungen mit einer Halb- achslast von 65kN belastet. Die Datenanalyse hat ergeben, dass die erstellte Struktur etwa dreimal mehr Lastzyklen standgehalten hat, als in den sen Bedeutung der Logistik ist ausser- dem generell erforderlich, dass sich die Verkehrspolitik – unter Einbezug der Öf- fentlichkeit – in den kommenden Jahren verstärkt mit der Logistik und dem Güter- verkehr befasst, da diese eine unabding- bare Voraussetzung für die Erhaltung der wirtschaftlichen Stärke der Schweiz sind. Normen vorgegeben wird. Diese schät- zen die Lebensdauer eines T2-S2-Ober- baus (Belag plus Kieskoffer) auf etwa 80 000 Lastzyklen bei einer Last von 65kN. Anzeichen des Belagsversagens traten vor allem durch Spurrinnen- bildung auf, nach 260 000 Lastzyklen wurde eine permanente Deformation von 20 mm gemessen. Dehnungsmess- streifen und Beschleunigungssensoren lassen darauf schliessen, dass sich die Steifigkeit der gesamten Struktur zwi- schen 200000 und 300000 Überrollun- gen verändert hat. Die ersten Risse im Belag traten bei 120000 Lastzyklen an den Rändern der Fahrspur auf. FWD- Messungen registrierten einen dras- tischen Anstieg in der Steifigkeit des Untergrundes, was eine Konsequenz der Verdichtung des Untergrundes durch die Belastung mit dem MLS10 darstellt. Die Laboruntersuchungen zeigten, dass ein Durchstanzen der Belagsschichten in den Untergrund stattgefunden hatte. Ausserdem führte die Belastung zu einer Schichtentrennung im Belag. Dies wurde auch durch Messungen mit dem Light Weight Deflectometer (LWD) be- stätigt. Allerdings ist zu beachten, dass der langzeitliche Einfluss der Witterung sowie die laterale Verschiebung der Verkehrsspur nicht simuliert wurden. Marktanalyse zu möglichen Sensoren komplettieren die Studie. Die anfängliche Literaturstudie bestä- tigte, dass Gassensorik als Brandfrüh- erkennung prinzipiell taugt, zeigte aber auch, dass Brandquellen und Umfeld sehr verschieden sein können. Insbe- sondere förderte sie zutage, dass zu wesentlichen Fragen wie der Brandgas- zusammensetzung oder den Ursachen von Fahrzeugbränden nur bruchstück- hafte Erkenntnisse vorlagen. Das Bild wurde durch chemische Simu- lationen vervollständigt. Dazu wurde eine Vielzahl brennbarer Substanzen, die im Fahrzeugbau und der Ladung vorkommen, in der Computersimulation verbrannt und die dabei entstehenden Zwischenprodukte aufgezeichnet. Aus diesen Brandzwischenprodukte-Katalo- gen wurden Substanzen ermittelt, die in allen oder wenigstens den meisten Situationen vorkommen. So konnten fünf potenzielle Brandanzeiger ermittelt werden: Ethin (Acetylen), Propan, Cyclo- propan, Propadien und Wasserstoff. Mittels Strömungssimulationen (CFD) wurden in Szenarien die zu erwartenden Brandanzeiger-Konzentrationen im Tun- nel abgeschätzt und mit Erfahrungswer- ten verglichen. Parallel dazu wurden ge- eignete Sensoren gesucht. Es ergab sich, dass die innerhalb des Zeit- und Budget- rahmens verfügbaren Sensoren hart an der Nachweisgrenze arbeiten würden. Die Validationsversuche wurden daher redimensioniert und in einen kleineren Stollen ohne Luftströmung verlegt. In Vorversuchen konnte der durch die Brandgasquelle freigesetzte Wasserstoff detektiert werden. Die Hauptversuche zeigten dann ein durchzogenes Bild. Wäh- rend beim ersten Versuch kein Wasser- stoff detektiert werden konnte, zeigte ein zweiter mit verbesserter Probengaszufüh- rung kleine Konzentrationen an, die über der Nachweisgrenze des Sensors lagen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Wasserstoff als Brandanzeiger in Tunneln eignen könnte. Der experimen- tell zum Einsatz gekommene Sensor hat dazu aber eine zu wenig ausgeprägte Empfindlichkeit bzw. die Wasserstoff- konzentration wird im Auftrieb zu sehr verdünnt. Das Konzept des Brandanzei- gers zur Früherkennung von Tunnel- bränden mittels Gassensor konnte für Wasserstoff in einem einfachen Praxis- versuch bestätigt werden. VSS_SV_Mag_6_2014.pdf 41VSS_SV_Mag_6_2014.pdf 41 26.06.14 15:2626.06.14 15:26