Stabilität von Beton 26.02.2015, 09:13 Uhr

Einfluss von Kunstfasern: Forscher simulieren Tunnelbrand

Einem Forscherkonsortium um Ingenieure der TU München ist es erstmals gelungen, die Vorgänge in Betonplatten unter Feuereinfluss zu rekonstruieren – ohne den Baustoff dabei zu zerstören. Dazu nutzten sie Schallemissions-Sensoren und erkannten schnell den Vorteil von Polypropylen-Fasern im Beton. 

Der neue Jagdbergtunnel nahe Jena an der Autobahn 4. Im Oktober 2014 wurde der Tunnel in Richtung Frankfurt am Main nach sechs Jahren Bauzeit für den Verkehr frei gegeben. E

Der neue Jagdbergtunnel nahe Jena an der Autobahn 4. Im Oktober 2014 wurde der Tunnel in Richtung Frankfurt am Main nach sechs Jahren Bauzeit für den Verkehr frei gegeben. E

Foto: Martin Schutt/dpa

Durch einen Autobrand im Tunnel besteht Lebensgefahr in erster Linie aufgrund der hochkonzentrierten Rauchentwicklung. Das Feuer hingegen bedroht an lokaler Stelle vor allem die Stabilität des Bauwerks selbst. Bei anhaltend hohen Temperaturen entsteht innerhalb des Betons Wasserdampf, der Druck nimmt zu. Die Folge: Die Bausubstanz beginnt regelrecht zu explodieren, kleine Betonteile platzen nach und nach in hoher Geschwindigkeit ab.

TUM-Forscher Ronald Richter vor einer Betonplatte, die im Ofen befeuert wurde.

TUM-Forscher Ronald Richter vor einer Betonplatte, die im Ofen befeuert wurde.

Quelle: Ronald Richter/TUM

Zusätzliche Hohlkammern können dem zunehmenden Druck mehr Raum bieten und zögern die Betonexplosion so hinaus. Da eine Wand mit dem Querschnitt eines Schweizer Käses die Stabilität der Bausubstanz aber ebenfalls gefährden würde, bedienen sich Konstrukteure eines Tricks: Sie mischen dem Beton Fasern aus Polypropylen (PP) bei.

Mit PP-Fasern versetzter Beton bleibt im Brandfall länger stabil

Im Normalzustand stützen diese den Mörtel zusätzlich. Erhöht sich die Temperatur allerdings auf 110 Grad oder mehr, schmelzen die Fasern und geben den benötigten Ausweichraum für überschüssigen Druck frei. Dass mit PP-Fasern versetzter Beton im Brandfall tatsächlich länger stabil bleibt, konnten Ingenieure der TU München nun erstmals messtechnisch verfolgen. Dazu entwickelten sie ein Verfahren, um in die Betonplatten hinein zu schauen – oder besser: zu hören.

Ebenfalls beteiligt waren das Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Uni Stuttgart sowie die Gesellschaft für Materialforschung und Prüfungsanstalt für das Bauwesen.

Prüfofen befeuert Betonplatten von unten mit bis zu 1300 Grad Celsius

Um rekonstruieren zu können, wie die Kunstfasern das Verhalten des Betons im Brandfall beeinflussen, legten die Forscher die Betonplatten auf einen Prüfofen. Während die Platten von unten mit bis zu 1300 Grad Celsius befeuert wurden, horchten von der Oberseite mehrere Schallemissions-Sensoren in den Baustoff hinein. „Bei der Schädigung im Beton entsteht eine Art Knackgeräusch“, erklärt Ronald Richter vom Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) der TU München.

Jetzt können die Forscher den Beton flüstern hören: Dafür sorgen die angebrachten Schallemissions-Sensoren. 

Jetzt können die Forscher den Beton flüstern hören: Dafür sorgen die angebrachten Schallemissions-Sensoren. 

Quelle: Ronald Richter/TUM

Die Schallmessung von außen ermöglicht es letztendlich zu bestimmen, an welchen Stellen im Innern der Beton zu welchem Zeitpunkt beschädigt wird – ähnlich wie bei einem echten Tunnelbrand also.

Das Ergebnis: In jenen Platten, denen keine Fasern beigemischt wurden, knackte es über zehn Mal so häufig wie in den mit Polypropylen präparierten Pendants. Messen durch Horchen – mit dem Ziel, verschiedene Betonmischungen in Bezug auf ihre Reaktion im Feuerfall miteinander vergleichen zu können, haben die Forscher angekündigt, die Methode noch weiter zu verfeinern. 

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