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Organisationseinheit der BAM
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Within the TF-project SiVi the BAM occupies itself interdisciplinary with the safety of traffic infrastructures considering extremely severe damage events. Therefore, a scenario of fire inside a traffic tunnel induced by a gas cloud explosion is chosen as representative. Additionally, a dangerous goods transporter shall be involved in the scenario.
As further aspect which shall be investigated is the use of liquefied natural gas (LNG) as fuel support in transport vehicle like trucks in future. The main component of LNG is methane as a flammable gas. To transport a sufficient amount of fuel the methane is cooled down at -161°C, its boiling point. In liquid phase LNG is compressed 600 times more than in gas phase.
The issue of department 2.4 is to identify the hazards for people and the tunnel structure located in the surrounding whilst a potential release of LNG out of a leaking tank occurs. Therefore, the temporal and spatial distribution of the gas cloud within the tunnel structure shall be recorded.
Basis for this will be experiments in 1:1 at BAM test rig TTS as well as numerical analysis within ANSYS CFX. On top ignition tests of the distributed gas cloud in a down scaled model allow statements on the emerging maximum pressure and temperature.
Methodologies on fire risk analysis in road tunnels consider numerous factors affecting risks (risk indicators) and express the results by risk measures. But only few comprehensive studies on effects of risk indicators on risk measures are available. For this reason, this study quantifies the effects and highlights the most important risk indicators with the aim to Support further developments in risk analysis. Therefore, a system model of a road tunnel was developed to determine the risk measures.
The system model can be divided into three parts: the fire part connected to the fire model Fire Dynamics Simulator (FDS); the evacuation part connected to the evacuation model FDS+Evac; and the frequency part connected to a model to calculate the frequency of fires. This study shows that the parts of the system model (and their most important risk indicators) affect the risk measures in the following order: first, fire part (maximum heat release rate); second, evacuation part (maximum preevacuation time); and, third, frequency part (specific frequency of fire). The plausibility of These results is discussed with view to experiences from experimental studies and past fire incidents.
Conclusively, further research can focus on these most important risk indicators with the aim to optimise risk analysis.
A probabilistic finite elements analysis (FEA) of a tunnel lining subject to fire is presented. The probability distributions of the parameters related to the thermal analysis was considered in order to study the variability of the results and to carry out a reliability analysis. This assessment considered as random variables the thermo-mechanical properties of the concrete, the maximum heat release rate (HRR), the duration of the period of maximum HRR, the convective coefficient, the emissivity at the surface exposed to the fire, the air velocity within the tunnel, and the initial fire radius. The temperature-time curve was described by a correlation. An experimental design based on a Latin Hypercube Sampling algorithm was performed to define the input parameters to each analysis case. The definition of a limit state function based on the punctual strain status has permitted to carry out a reliability analysis.
Ziel des Projektes ist die Qualifizierung von Duplexstählen in Tunnelbauwerken um die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu den bislang gebräuchlichen rostfreien Edelstählen 1.4404 und 1.4571 zu eruieren. Da Duplexstähle im Vergleich zu austenitischen Stählen über eine doppelt so hohe Festigkeit verfügen, können Bauteile schlanker konstruiert werden, wodurch Material eingespart werden kann. Neben der Wirtschaftlichkeit muss die Dauerhaftigkeit untersucht werden. Dazu wurden speziell konzipierte Wand- und Deckenracks mit unterschiedlichen metallenen Werkstoffen und Oberflächen hergestellt und in den Tunnelbauwerken montiert. Nach bestimmten Auslagerungszeiten von bis zu drei Jahren werden die Proben demontiert und auf ihr Korrosionsverhalten untersucht. Ein weiteres Ziel neben der Qualifizierung der Werkstoffgruppe sind die Reduktion der Instandsetzungs- und Wartungsmaßnahmen der Tunnelbetreiber
Basierend auf Methan aus regenerativen Quellen, stellt LNG einen alternativen Kraftstoff für den schweren Fernverkehr da. Gegenüber seinen positiven Eigenschaften birgt der Kraftstoff aber auch Risiken, durch seine sehr niedrige Temperatur und seine Brennbarkeit, für die Personen- und Bauwerkssicherheit. Für die Erforschung der Risiken eignen sich CFD-Modelle, deren Erforschung unter anderem Ziel des TF-SiVi Projekts der BAM war.
Einen Einblick in die angewendete Methodik zur Erforschung von Unfallszenarien mit LNG gibt der Vortrag.
Ziel des Projektes ist die Qualifizierung von Duplexstählen in Tunnelbauwerken um die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu den bislang gebräuchlichen rostfreien Edelstählen 1.4404 und 1.4571 zu eruieren. Da Duplexstähle im Vergleich zu austenitischen Stählen über eine doppelt so hohe Festigkeit verfügen, können Bauteile schlanker konstruiert werden, wodurch Material eingespart werden kann. Neben der Wirtschaftlichkeit muss die Dauerhaftigkeit untersucht werden. Dazu wurden speziell konzipierte Wand- und Deckenracks mit unterschiedlichen metallenen Werkstoffen und Oberflächen hergestellt und in den Tunnelbauwerken montiert. Nach bestimmten Auslagerungszeiten von bis zu drei Jahren werden die Proben demontiert und auf ihr Korrosionsverhalten untersucht. Ein weiteres Ziel neben der Qualifizierung der Werkstoffgruppe sind die Reduktion der Instandsetzungs- und Wartungsmaßnahmen der Tunnelbetreiber.
Aufgrund der stark korrosiven Atmosphäre in Tunnelbauwerken kommt es aufgrund von Reinigungs- und Sanierungsmaßnahmen an Ein- und Anbauteilen aus nichtrostendem Stahl häufig zu wartungsbedingten Verkehrsbeeinflussungen und Tunnelsperrungen. Bislang ist nur eine kleine Gruppe rostfreier Edelstähle für die Verwendung in Tunnelbauwerken zugelassen. Im Sinne einer mittel- bis langfristigen Reduktion von Wartungsarbeiten besteht jedoch großes Interesse, die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu erhöhen.
Um dies zu ermöglichen, entwickelten die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), gemeinsam mit dem Landesbetrieb Straßenbau NRW, in Zusammenarbeit mit der Informationsstelle Edelstahl Rostfrei (ISER), mit Unterstützung des Edelstahlherstellers Outokumpu und der Wilhelm Modersohn GmbH & Co. KG ein Forschungsprojekt zur Auslagerung von nichtrostenden Duplexstählen in Straßentunnel. Im Oktober 2019 beteiligte sich der Landesbetrieb Straßen, Brücken und Gewässer in Hamburg und ermöglichte die Auslagerung im Elbtunnel auszuweiten.
Zur Erschütterungsausbreitung an oberirdischen Bahnlinien gibt es gute Übereinstimmungen zwischen Messungen und der Theorie geschichteter Böden. Bei der Interpretation der Ergebnisse spielt die Rayleigh-Welle eine große Rolle. Je nach Frequenz und Wellenlänge hat die Rayleigh-Welle eine bestimmte Eindringtiefe und erreicht damit mehr oder weniger steife Bodenschichten. Damit bekommt man eine frequenzabhängige Bodensteifigkeit für die Erschütterungsprognose. Für die Wellenausbreitung in der Tiefe statt an der Bodenoberfläche müssen eigene Gesetzmäßigkeiten gefunden werden. Es werden die Punktlastlösungen im Frequenz-Wellenzahlbereich und durch Integration über die Wellenzahlen berechnet. Man erhält die Wellenfelder, die Terzspektren für verschiedene Entfernungen und Frequenzen. Es wird die Tiefenlage und das Bodenmodell (homogen, geschichtet und kontinuierlich zunehmende Steifigkeit) variiert. Die Rayleigh-Welle verliert ihre Bedeutung und stattdessen kann die Vollraumlösung zur Interpretation und Prognose verwendet werden. Es werden die Halbraumlösung mit und ohne Rayleigh-Welle und die Vollraumlösung in der Tiefe diskutiert und verglichen. Neben der Wellenausbreitung (der Transmission) werden auch Effekte der Erschütterungsanregung (der Emission) und der Übertragung in Gebäude (der Immission) mit Hilfe der Finite-Element-Randelement-Methode berechnet. Die Verteilung der dynamischen Achslast durch die Tunnelsohle ergibt eine Minderung gegenüber der Punktlastanregung. Bei der Immission hat man keine Freifeldanregung wie an der Bodenoberfläche. Man muss entweder neben der Wellenamplitude (Verschiebung oder Schwinggeschwindigkeit) in der Tiefe auch die Spannung der ankommenden Welle berücksichtigen, oder man muss die Freifeldamplituden nach Bodenaushub berechnen. Die Rechenergebnisse deuten darauf hin, dass man als Freifeldanregung die zweifache Vollraumlösung ansetzen kann.
Dieser Vortrag stellt die technologischen und industriellen Meilensteine bei der Etablierung von Lean Duplex Stählen im Bereich des Bauwesens vor. Ein weiterer Blick geht auf die weiteren Entwicklungen an der BAM hinsichtlich der Ausweitung der Kapazitäten und Standorte atmosphärischer Bewitterungsstände der BAM.