Thermische blootstelling betonnen tunnels bij brand

Het is geen geheim dat het mogelijk afspatten van beton bij brand in onbeschermde tunneldelen (zoals destijds toegestaan in de landelijke richtlijn) nog steeds een bron van zorg is. Bepalend bij het brandwerend ontwerpen van tunnels is de vanuit wet- en regelgeving voorgeschreven RWS-brandkromme. Maar hoe representatief is deze brandkromme voor tunnels met onbeschermd beton? Vanuit het perspectief van fire safety engineering (FSE) is de thermische belasting door brand op betonnen tunnels nader onderzocht.

Wanneer een betonnen tunnel aan brand wordt blootgesteld, bepalen zowel convectie (warmtestroming) als warmtestraling de thermische belasting op de constructie. In brandsituaties is warmtestraling daarbij maatgevend, waardoor de constructie in een snel tempo wordt verhit en vrijwel onmiddellijk hoge temperaturen aan het betonoppervlak worden bereikt. De hoeveelheid warmte die door een constructie wordt opgenomen, wordt bepaald door de thermische geleiding van het materiaal. Bij tunnels is naast het beton met name van belang of hittewerende (isolerende) bekleding is aangebracht. Bekend is namelijk dat de thermische eigenschappen van de constructie een grote invloed kunnen hebben op de temperatuurontwikkeling.

In dit afstudeeronderzoek is eerst de achtergrond van de RWS-brandkromme bestudeerd. Deze kent zijn oorsprong in een brandproef uitgevoerd door TNO in de jaren tachtig. Destijds is in een relatief korte en smalle geïsoleerde testtunnel een twee uur durende plasbrand gesimuleerd middels het continu afbranden van benzine in een omgeving zonder beperkingen voor de zuurstoftoevoer. Uit de meetresultaten volgt dat de RWS-brandkromme en de maximumtemperatuur van 1350°C is afgeleid uit slechts twee temperatuurmetingen. De gemiddelde temperatuur van alle metingen bedroeg rond 1200°C en was daarmee beduidend lager.

Om de specifieke omstandigheden van de RWS-proef verder te onderzoeken, is in de studie met computational fluid dynamics (CFD) een model ontwikkeld dat de gemiddelde temperatuurresultaten in de beschermde testtunnel redelijk goed reproduceert, zeker gezien de vele onzekerheden die met een brandproef gepaard gaan. Aanvullende simulaties laten duidelijk zien dat voor een vaste tunnelgeometrie en brandgrootte, de thermische eigenschappen van de tunnel de temperatuurontwikkeling aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Indien de tunnel niet wordt voorzien van hittewerende bekleding (onbeschermd beton), worden lagere temperaturen berekend dan in de beschermde testtunnel.

Deze bevindingen roepen toch vragen op omtrent het gebruik van een generieke tunnelbrandkromme. Het opleggen van één identiek niveau van thermische belasting bij het ontwerp van zowel beschermde als onbeschermde betonnen tunnels, betekent feitelijk dat twee verschillende brandscenario’s worden voorgeschreven. De oorspronkelijke RWS-proef en de daaruit afgeleide brandkromme kunnen daarbij gezien worden als (conservatief) representatief voor de brandontwikkeling in beschermde tunnels. Voor onbeschermde tunnels is de RWS-brandkromme echter te conservatief en zou, op basis van de CFD-resultaten, het gebruik van de hydrocarbon-brandkromme (maximum van 1100°C) meer overeenkomen met de feitelijke brandbelasting.

Casestudie

Bij een daadwerkelijke tunnelbrand zijn talrijke tunnelspecifieke aspecten van invloed op de mogelijke brandontwikkeling. Daarbij worden de brandscenario’s bepaald door het soort verkeer dat van de tunnel gebruikmaakt en de kans op ongevallen met brand tot gevolg. De thermische belasting van de tunnelconstructie door bijvoorbeeld een vrachtwagenbrand of een plasbrand, wordt in grote mate beïnvloed door de tunnelgeometrie, het (langs)ventilatiesysteem en de thermische eigenschappen van de tunnelbekleding (beschermd of onbeschermd). Brandmodellering middels CFD biedt een krachtig middel om dergelijke aspecten op te nemen in een prestatiegerichte benadering. Hiermee kan de thermische belasting op een tunnelconstructie worden gesimuleerd met als doel het ontwerp te analyseren, bijvoorbeeld door koppeling met eindige-elementenanalyse, en eventueel te optimaliseren.

In een casestudy is een tweetal brandscenario’s in de Piet Heintunnel (Amsterdam) bestudeerd. De Piet Heintunnel is daarbij gemodelleerd als een onbeschermde tunnel voorzien van langsventilatie:

1. Brandscenario’s 200 MW plasbrand met tijdsduur 2 uur (basis voor de RWS-brandkromme) en 30 MW plasbrand met tijdsduur 1 uur (project-specifiek brandscenario): de resultaten laten de voordelen zien van een prestatiegerichte aanpak, die kunnen leiden tot een vermindering van de thermische belasting op de tunnelconstructie.
2. Langsventilatiesysteem voor een drietal luchtsnelheden (0 m/s, 3 m/s en 6 m/s): uit de berekeningen volgt dat ter plaatse van de brandhaard en in de directe omgeving door vlamcontact dan wel warmtestraling zeer hoge temperaturen kunnen optreden. De brandbelasting neemt echter met afstand tot de brandhaard af, met name bij hogere ventilatiesnelheden.

De volgende stap?

Het onderzoek heeft in beeld gebracht dat de feitelijke brandwerendheid en brandbelasting van tunnels afhangt van meerdere variabelen. Het gebruik van de voorgeschreven RWS-brandcurve biedt niet in alle situaties een juiste weerslag van de daadwerkelijke brandbelasting en kan leiden tot een (te) conservatieve benadering. Fire safety engineering biedt kansen in het ontwerp en optimalisatie van brandwerende maatregelen in tunnels.