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Organisationseinheit der BAM
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Die Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel stand bei ihrer Eröffnung im Jahr 1969 für die höchste Ingenieurskunst der damaligen Zeit und für einen in die Zukunft gerichteten Blick. Sie trug den Namen "Brücke des 20. Jahrestag", denn am 20. Jahrestag der DDR wurde die Brücke für den Verkehr freigegeben. Sie verbindet die westlichen Stadtbezirke mit dem Zentrum der Stadt Brandenburg an der Havel und wurde so von vielen Einwohner:innen genutzt. Zu Fuß, mit dem Rad, dem Auto oder mit der Straßenbahn.
50 Jahre später, im Dezember 2019, wurde bei einer Bauwerksprüfung eine starke Schadenszunahme festgestellt. Eine sofortige Sperrung für den Verkehr war unumgänglich. Das hatte es im Land Brandenburg bislang nicht gegeben und stellt einen einzigartigen Sonderfall bei der Bewertung von Bauwerken dar. Die Sperrung führte zu starken Einschränkungen für den Verkehr, für den Landesbetrieb Straßenwesen aber hatte die Sicherheit oberste Priorität.
Um die Belastung für die Stadt so gering wie möglich zu halten, hat der Landesbetrieb Straßenwesen sofort mit der Planung für Abriss und Neubau der Brücke begonnen. So gelang es innerhalb von kurzer Zeit den Rückbau umzusetzen und die Pläne für den Ersatzneubau vorzustellen.
Gleichzeitig bot sich die einmalige Gelegenheit, kurz vor dem Rückbau noch umfangreiche Untersuchungen zur Verifizierung des Schadensbilds durchzuführen und verschiedene Monitoringverfahren zum Einsatz zu bringen. Damit wurden wertvolle Erfahrungen gesammelt, die der Landesbetrieb Straßenwesen anderen Baulastträgern zur Verfügung stellen möchte. Sie ermöglichen es, bei baugleichen Bauwerken zielgerichteter handeln zu können. Die Fülle der untersuchten Aspekte ist in diesem Bericht dokumentiert.
Diese umfangreichen Untersuchungen wurden vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur finanziert. Dafür möchten wir uns herzlich bedanken. Mit großem Engagement digitabeteiligt haben sich auch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, die Technische Universität Dresden, die Hochschule für Wirtschaft und Technik Dresden sowie das Unternehmen Bilfinger Noell und die Ingenieursozietät Zech, Ruth, Blasius. Auch bei Ihnen bedankt sich der Landesbetrieb Straßenwesen.
Beton, als aktuell am meisten verwendeter Baustoff ist nicht brennbar und weist zudem eine sehr geringe Temperaturleitfähigkeit auf. Er eignet sich somit gut für den baulichen Brandschutz. Jedoch neigt Beton im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen, die zu einer Reduzierung des tragfähigen Querschnitts und sogar zum Versagen des Bauteils führen können. Derzeit werden thermomechanische und thermohydraulische Schädigungsprozesse als die zwei maßgeblichen Ursachen für explosionsartige Abplatzungen angesehen. Diese Schädigungsprozesse sind unter anderem abhängig von der Prüfkörpergröße, dem Wasser-Zement-Wert, der Porosität, der Permeabilität und dem Bewehrungsgrad des Bauteils.
Im Rahmen des Vortrags werden die Forschungsarbeiten zum Maßstabseffekt des Abplatzverhaltens von Betonen bei Brandbeanspruchung präsentiert. Zu diesem Zweck wurden Betonprüfkörper aus sechs verschiedenen Betonmischungen in jeweils drei Prüfkörpergrößen einseitig, ohne Behinderung der thermischen Ausdehnung und ohne externe Last im Tunnelbrandprüfstand der BAM untersucht. Dieser unikale Prüfstand ermöglicht die Brandprüfung unterschiedlicher Prüfkörpergrößen unter vergleichbaren Brandbedingungen sowie die simultane Prüfung mehrerer kleinformatiger Betonprüfkörper. Das präsentierte, laufende Promotionsvorhaben basiert auf einem von der DFG geförderten Forschungsvorhaben und darauf aufbauenden Folgeuntersuchungen.
Die Ergebnisse des DFG-Vorhabens zeigen einen deutlichen Maßstabseffekt mit einer starken Verringerung der Abplatztiefen bei einer Reduzierung der Prüfkörpergröße. Des Weiteren ist das Abplatzverhalten stark von der Betonmischung abhängig. Vor dem Hintergrund der Ressourcenschonung und Kostenreduzierung verfolgen die auf dem DFG-Vorhaben aufbauenden Untersuchungen das Ziel, das Abplatzverhalten großformatiger Betonprüfkörper durch kleinformatige Betonprüfkörper mit angepassten Randbedingungen nachzustellen. Hierfür wurden zwei Betonmischungen des DFG-Vorhabens verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch eine Anpassung der Versuchsrandbedingungen dem Maßstabseffekt entgegengewirkt werden kann.
Beton, als aktuell am meisten verwendeter Baustoff ist nicht brennbar und weist zudem eine sehr geringe Temperaturleitfähigkeit auf. Er eignet sich somit gut für den baulichen Brandschutz. Jedoch neigt Beton im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen, die zu einer Reduzierung des tragfähigen Querschnitts und sogar zum Versagen des Bauteils führen können. Derzeit werden thermomechanische und thermohydraulische Schädigungsprozesse als die zwei maßgeblichen Ursachen für explosionsartige Abplatzungen angesehen. Diese Schädigungsprozesse sind unter anderem abhängig von der Prüfkörpergröße, dem Wasser-Zement-Wert, der Porosität, der Permeabilität und dem Bewehrungsgrad des Bauteils.
Im Rahmen des Vortrags werden die Forschungsarbeiten zum Maßstabseffekt des Abplatzverhaltens von Betonen bei Brandbeanspruchung präsentiert. Zu diesem Zweck wurden Betonprüfkörper aus sechs verschiedenen Betonmischungen in jeweils drei Prüfkörpergrößen einseitig, ohne Behinderung der thermischen Ausdehnung und ohne externe Last im Tunnelbrandprüfstand der BAM untersucht. Dieser unikale Prüfstand ermöglicht die Brandprüfung unterschiedlicher Prüfkörpergrößen unter vergleichbaren Brandbedingungen sowie die simultane Prüfung mehrerer kleinformatiger Betonprüfkörper. Das präsentierte, laufende Promotionsvorhaben basiert auf einem von der DFG geförderten Forschungsvorhaben und darauf aufbauenden Folgeuntersuchungen.
Die Ergebnisse des DFG-Vorhabens zeigen einen deutlichen Maßstabseffekt mit einer starken Verringerung der Abplatztiefen bei einer Reduzierung der Prüfkörpergröße. Des Weiteren ist das Abplatzverhalten stark von der Betonmischung abhängig. Vor dem Hintergrund der Ressourcenschonung und Kostenreduzierung verfolgen die auf dem DFG-Vorhaben aufbauenden Untersuchungen das Ziel, das Abplatzverhalten großformatiger Betonprüfkörper durch kleinformatige Betonprüfkörper mit angepassten Randbedingungen nachzustellen. Hierfür wurden zwei Betonmischungen des DFG-Vorhabens verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch eine Anpassung der Versuchsrandbedingungen dem Maßstabseffekt entgegengewirkt werden kann.
Der Anteil der mechanischen Zündungen an allen Unfällen bei Staub/Luft-Gemischen wird gemäß BIA-Report 11/97 mit rund 33 % beziffert. Auch am Beispiel von Ex-Ventilatoren wurden viele Unfälle mit zum Teil erheblichen Zerstörungen an den strömungstechnischen Anlagen in einer Publikation von H.Witt, Witt&Sohn IGW Ventilatoren aufgezeichnet, deren nachgewiesene oder vermutete Ursache mechanische Zündquellen mit etwa ähnlich hohem Anteil wie bei den Stäuben waren.
Hersteller von Geräten für den bestimmungsgemäßen Gebrauch in explosionsfähigen Bereichen müssen, wenn sie unter die Richtlinie 2014/34/EU fallen, für das Inverkehrbringen in EU-Mitgliedsstaaten eine Konformitätsbewertung durchführen. Dazu gehört eine Zündgefahrenbewertung, bei der auch nichtelektrische Zündquellen betrachtet werden müssen, zu denen die mechanischen Schlagvorgänge gehören. Bei dieser Zündquellenart kommt es infolge des Schlages eines Bauteils auf ein anderes zu einer Energieumwandlung. Dadurch kommt es zu einer Temperaturerhöhung an der Kontaktstelle sowie unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel. Sowohl die heißen Reibflächen als auch die abgetrennten Partikel stellen potentielle Zündquellen explosionsfähiger Atmosphären dar.
Für Werkzeuge wird üblicherweise hochlegierter Edelstahl, im Ex-Bereich wird sogenanntes „funkenarmes Werkzeug aus schwer oxidierbaren NE-Metallen verwendet.
Bisherige Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass von Schlagvorgängen zwischen Bauteilen aus unlegiertem Baustahl eine erhebliche Zündgefahr von explosionsfähigen Gasgemischen ausgehen kann (Grunewald et al., 2010). Dabei ging diese Gefahr insbesondere von oxidierten Partikeln aus, die während des Schlagvorgangs abgetrennt wurden. In industriellen Anwendungen wird jedoch häufig Edelstahl statt unlegiertem Baustahl verwendet. Die geringere Oxidationsfähigkeit des Edelstahls könnte möglicherweise zu einer geringeren Zündfähigkeit von Schlagvorgängen mit Edelstahl im Vergleich zu Schlagvorgängen mit unlegiertem Baustahl führen
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes „NAMES 2104“ zeigen, dass Schlagvorgänge mit Edelstählen bei bestimmten Parameterkombinationen eine erhebliche Zündgefahr von explosionsfähigen Brenngasgemischen darstellen können. Dabei bestehen jedoch mitunter deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Brenngasgemischen. Besonders hohe Zündwahrscheinlichkeiten konnten bei Brenngasgemischen mit Brenngasen der IEC-Explosionsgruppe IIC beobachtet werden, die Acetylen bzw. Wasserstoff als Brenngas enthielten. Schläge im Wasserstoff/Luft-Gemisch waren dabei jedoch bedeutend zündwirksamer.
Prüfungen mit NE-Metallen für funkenarme Werkzeuge haben gezeigt, dass bei Schlagvorgängen gegen Baustahl oder Beton- bzw. Estrichbetonböden je nach Parameterkombination bereits bei wenig energiereichen Schlagvorgängen Funken und Explosionen erzeugen.
Ausgangspunkt für weitere, aktuelle Untersuchungen zum Einfluss von unbeschichteten Betonoberflächen waren bei den Prüfungen gemachte Beobachtungen, dass von den Herstellern funkenarmer Werkzeuge als Schlagpartner „typischer Industrieanlagen-Betonboden“ unterschiedliche Beton- bzw. Estrichbeton-Qualitäten angegeben wurden.
Um die Schlagfunkenversuche von NE-Metallen gegen Estrich-Beton auf eine reproduzierbare Basis zu stellen, hat die BAM in ihrem zertifizierten Beton-Labor den wichtigsten, genau zugebbare Beton-Bestandteile „Zement“ untersucht mit dem Ziel herauszufinden, welche Menge Zement noch die Definition eines Betons erfüllt und ob der Zementanteil Auswirkungen auf die Zündwahrscheinlichkeit bei mechanisch erzeugten Schlagfunken hat.