Minimalisierung des gesamtwirtschaftlichen Schadens

Folgekosten und Wirtschaftlichkeit von Brandschutzplatten beim Einsatz in Tunnelbauwerken

bauplaner 11/2020
Brandschutz

Die Studiengesellschaft für Tunnel und Verkehrsanlagen e. V. (Stuva) führte eine Wirtschaftlichkeits- und Folgekostenuntersuchung zum Einsatz von Brandschutzplatten bei Tunnelbauwerken durch. In der Studie geht es nicht nur um die Investitions- und Montagekosten für die primäre brandschutztechnische Ausrüstung von Tunnelbauwerken, sondern vielmehr auch um Folge- bzw. Sanierungskosten nach einem Brandereignis.

In Tunneln kommt es immer wieder zu Bränden, die oft zu größeren Schäden am Bauwerk mit hohen Instandsetzungskosten führen, wie die folgenden Beispiele zeigen: Im österreichischen Gleinalmtunnel brannte es gleich zweimal relativ kurz hintereinander. 2016 ging ein Kleinbus in Flammen auf, 2018 geriet ein etwa 80 Tonnen schwerer Autokran in Brand. In beiden Fällen kam es infolge der hohen Temperaturen zu massiven großflächigen Betonabplatzungen an der Tunneldecke. Für die Sanierung der Betonschäden musste der Tunnel im ersten Fall einen Monat, im zweiten Fall zwei Monate vollständig gesperrt werden. Die Sanierungskosten beliefen sich im ersten Fall auf 0,5 Millionen Euro, beim zweiten Brand auf 2,7 bis 3 Millionen Euro. Deutlich höher allerdings war der Schaden durch entfallene Mautgebühren: Beim ersten Brand stand einem Schaden von einer halben Millionen Euro ein Mautverlust von 3,5 Millionen Euro gegenüber, bei dem späteren Brandereignis betrug der Ausfall der Mautgebühren bei etwa doppelter Tunnelsperrzeit rund 7 Millionen Euro, der Schaden belief sich auf 3 Millionen Euro.
Der Tunnel Königshainer Berge in Sachsen musste für die Instandsetzung der Tunnelinnenschale nach einem Brand für fünf Monate komplett in beide Richtungen gesperrt werden. Die Kosten für die Instandsetzung beliefen sich auf 2,2 Millionen Euro. Hinzu kamen 6 Millionen Euro für die Behebung von Schäden auf der eingerichteten Umleitungsstrecke.
Anders war die Situation im Elbtunnel bei Hamburg. Dort brannte ein mit Propanflaschen beladenes Wartungsfahrzeug vollständig aus. Da der Tunnel mit Brandschutzplatten ausgerüstet war, konnten die beschädigten Platten einfach ausgetauscht werden. Dauer des Austauschs: 1,5 Tage. Anschließend konnte der Tunnel wieder direkt befahren werden.
Die Liste der Beispiele ließe sich beliebig fortsetzen. „Brände in Tunneln können nicht gänzlich ausgeschlossen werden“, sagt Prof. Dr.-Ing. Roland Leucker, Geschäftsführer der STUVA und STUVAtec, bei der Präsentation der Ergebnisse der Wirtschaftlichkeits- und Folgekostenuntersuchung zum Einsatz von Brandschutzplatten bei Tunnelbauwerken. Dr. Leucker verweist dabei auf eine Tunnelbrandstatistik der ASFINAG (Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft). Demnach kommt es in österreichischen Autobahn- und Schnellstraßentunneln zu 6,5 Bränden von Fahrzeugen (Pkw/Lkw) auf eine Milliarde zurückgelegte Tunnelkilometer. Betrachtet man den Lkw-Verkehr gesondert, ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Lkw in Brand gerät, höher als der Brand eines Pkw. Bei einer Lkw-Kilometerleistung von einer Milliarde Tunnelkilometer kommt es demnach laut ASFINAG Statistik zu 25 Lkw-Bränden. Das bedeutet, dass es statistisch gesehen alle 40 Millionen Kilometer, die ein Lkw in einem Tunnel zurücklegt, zu einem Brand kommt. Oft mit fatalen Auswirkungen nicht nur hinsichtlich der Schäden, sondern auch in Bezug auf die Instandsetzungs- und Folgekosten.
Die Gefahr bei Bränden in Tunneln, die leicht Temperaturen von 1000 °C und mehr erreichen können, sind Betonabplatzungen infolge der hohen Temperaturen, die schließlich die Tragfähigkeit der Konstruktion wegen der reduzierten Dicke der Tunnelinnenschale verringern. Bereits bei Temperaturen von 300 °C nimmt die Festigkeit des Betons, insbesondere des Betonstahls, ab.

Brandschutzplatten schützen die Betonkonstruktion und Bewehrung vor hohen Temperaturen

Die Montage von Spezialbrandschutzplatten zum Schutz der Innenschale von Tunneln sind eine Möglichkeit, um die gesamte Konstruktion im Brandfall vor zu hohen Temperaturen zu schützen und für eine Begrenzung der Maximaltemperatur sowohl an der Betonoberfläche als auch an der Stahlbewehrung zu sorgen. Aestuver Brandschutzplatten des Herstellers James Hardie zum Beispiel können in unterirdischen Verkehrsanlagen als nachträglich montierte (Aestuver Tx) oder direkt anbetonierte Bekleidung (Aestuver T) eingesetzt werden. Die zementgebundenen, glasfaserbewehrten Leichtbetonplatten der Baustoffklasse A1 nach DIN EN 13501-1 kombinieren Frost-, Tausalz- und Wasserbeständigkeit mit hoher Belastbarkeit sowie Verarbeitungs- und Montagefreundlichkeit. Die Platten machen außerdem die beschädigungsfreie Revision und Inspektion der Betonkonstruktion des Tunnels sowie der Bauteilfugen möglich, denn sie können einzeln demontiert und später wieder montiert werden. Über die allgemeinen Produkteigenschaften hinaus bieten Brandschutzplatten Vorteile, wenn es um die Behebung von Schäden infolge eines Brandereignisses geht. Statt einer aufwendigen und kostenintensiven Instandsetzung der betroffenen Bereiche müssen lediglich die beschädigten Platten ausgetauscht werden. Ihre Oberflächen lassen sich von Ruß und anderen Brandrückständen reinigen. Die Arbeiten können während des laufenden Verkehrs durchgeführt werden. Im Gegensatz zu Arbeiten etwa mit Brandschutzspritzbeton ist die Sperrung eines Tunnels dafür nicht notwendig, der Verkehr kann einspurig an der Baustelle vorbeigeleitet werden.

Berechnungsgrundlage

Was aber kostet es tatsächlich, einen Tunnel mit Brandschutzplatten zu schützen? Und lassen sich dabei Kosten sparen? „Diese Fragen haben wir versucht, in Zahlen zu fassen“, so Dr. Leucker. „Ziel unserer Untersuchung war, auch und vor allem die Folgekosten und die Wirtschaftlichkeit von Brandschutzplatten beim Einsatz in Tunnelbauwerken zu ermitteln und dafür alle essenziellen Parameter in der Berechnung zu berücksichtigen.“ Für die Studie wurden anhand eines von der STUVA speziell entwickelten Berechnungsmodells die Gesamtkosten eines Beispieltunnels in den Varianten mit und ohne Brandschutzplatten mit nachvollziehbaren Parametern berechnet. Dabei wurden neben den Initialkosten für Herstellung und Installation sowie den Folgekosten für Betrieb, Instandhaltung und Instandsetzung auch jene Kosten einbezogen, die der Volkswirtschaft durch die temporäre Sperrung eines Tunnels entstehen. „Diese Kosten haben einen großen Einfluss auf das Gesamtergebnis, bleiben im Entscheidungsprozess, ob Brandschutzplatten installiert werden sollen oder nicht, aber meist unberücksichtigt“, betont Dr. Leucker. Dabei wurde angenommen, dass es während der Nutzungsdauer des Tunnels zu mindestens einem größeren Brand kommt, der beim Tunnel ohne Brandschutzplatten einen Schaden an der Betonkonstruktion zur Folge hat.
Der Beispieltunnel ist ein Gegenverkehrstunnel mit einem Umfang von 16,5 m und einer Länge von 1000 m. Die mit Brandschutzplatten ausgekleidete Fläche beträgt entsprechend 16.500 m². Für die Ermittlung der Lebenszykluskosten setzt das Berechnungsmodell eine Nutzungsdauer der Brandschutzplatten von 30 Jahren an und berücksichtigt dabei die Kosten für Beschaffung, Entsorgung und Installation der Platten mit 142 €/m². Der Wartungsmehraufwand für die alle sechs Jahre stattfindende Tunnelhauptprüfung, bei der die Platten zur Prüfung der Tunnelinnenschale stichprobenartig entfernt werden müssen, wird mit 1,5 €/m² veranschlagt. Beim Bauwerk selbst wurde eine Nutzungsdauer von 100 Jahren zugrunde gelegt. Berücksichtigt wurde außerdem ein Zinssatz von 1,7 %. Unberücksichtigt blieb dagegen eine Inflation, sodass die Untersuchung vom Ist-Wert ausgeht. Insgesamt betragen die Initial- und Folgekosten, also die Lebenszykluskosten, für den mit Brandschutzplatten beplankten Tunnel bei einer Nutzungsdauer von 100 Jahren rund 5,0 Millionen Euro.

Schadensumfang und Instandsetzungskosten

Die Studie geht von einem Brandschaden im Beispieltunnel aus, bei dem über eine Länge von 80 m an 70 % der Oberfläche der Stahlbetoninnenschale ein Schaden der Kategorie 4 entstanden ist. Für die Instandsetzung des geschädigten Betons ohne Brandschutzplatten müssen Fixkosten in Höhe von 70.000 Euro sowie 230 €/m² flächenabhängige Kosten 1) veranschlagt werden. Die Gesamtkosten belaufen sich entsprechend auf 282.400 Euro. Dem stehen bei einem Tunnel mit Brandschutzplatten Fixkosten von 5.000 Euro sowie flächenabhängige Kosten von 142 €/m² (72 €/m² Materialkosten und 70 €/m² Installationskosten) 1) also Gesamtkosten in Höhe von 136.200 Euro gegenüber. Die deutlich geringeren Kosten sind darauf zurückzuführen, dass die Demontage und die Montage der Brandschutzplatten mit wenigen und einfachen Arbeitsgeräten ausgeführt werden können, für eine Betonsanierung dagegen wesentlich kostenintensiveres Gerät benötigt wird.
Da es sich bei dem Tunnelbeispiel um einen Gegenverkehrstunnel handelt, muss dieser für die Dauer der Instandsetzungsarbeiten voll gesperrt werden. Dafür müssen 103.000 Euro Fixkosten 1) für die Bereitstellung der Verkehrssicherung und rund 6.500 Euro monatliche Kosten 1) für deren Unterhalt berücksichtigt werden. Da beim Tunnel ohne Brandschutzplatten von einer Sperrzeit von etwa 7,3 Monaten 1) ausgegangen werden muss, fallen so Verkehrssicherungskosten von etwa 150.700 Euro an. Beim Tunnel mit Brandschutzplatten beträgt die Sperrzeit nur 1,5 Monate 1). Entsprechend fallen die Kosten für die Verkehrssicherung mit 112.800 Euro deutlich niedriger aus.
Ein ähnliches Bild ergibt sich bei den Umleitungskosten. Für den Tunnel ohne Brandschutzplatten entstehen aufgrund der längeren Dauer der Sperrung Kosten von etwa 91,9 Millionen Euro. Dagegen liegen die Kosten für den Tunnel mit Brandschutzplatten bei 18,8 Millionen Euro und sind damit 73,1 Millionen Euro niedriger.
Für den Beispieltunnel wurde eine Sondermaut von 9 Euro pro Kfz angenommen. Dabei wurden, um auch Jahreskartenbesitzer ausreichend zu berücksichtigen, 50 % der entgangenen Maut abgezogen. Damit ergeben sich für die Dauer der Sperrung beim Tunnel ohne Brandschutzplatten ein Verlust durch entgangene Maut von 24,6 Millionen Euro, für den Tunnel mit Brandschutzplatten beträgt die Verlustsumme nur etwa 5,0 Millionen Euro.

Fazit

Die Summe aus den Lebenszykluskosten der Bandschutzplatten, den Instandsetzungs-, Verkehrssicherungs- und Umleitungskosten sowie den Kosten für die entgangene Maut bei derTunnelvariante mit Brandschutzplatten belief sich auf 29 Millionen Euro. Bei der Variante ohne Brandschutzplatten lagen die Kosten bei rund 117 Millionen Euro. Unter dem Strich sind damit die Kosten für die Tunnelvariante ohne Brandschutzplatten rund viermal so hochwie bei der Tunnelvariante mit Brandschutzplatten. Dabei machen die Umleitungskosten und der Verlust durch die entgangenen Mautgebühren den Großteil der Mehrkosten beim Tunnel ohne Brandschutzplatten gegenüber einem Tunnel mit Brandschutzplatten aus. Allein durch die Differenz bei den entgangenen Mautkosten (19,6 Millionen Euro) amortisieren sich die deutlich höheren Lebenszykluskosten beim Tunnel mit Brandschutzplatten (5 Millionen Euro) durch die schnellere Wiederöffnung des Tunnels. „Auch wenn das Ergebnis nicht uneingeschränkt auf alle Tunnelbauwerke übertragbar ist“, betont Dr. Leucker, „ist davon auszugehen, dass die Kosten durch die Installation von Brandschutzplatten im Laufe der Nutzungsdauer wieder eingespart werden, wenn es zu mindestens einem größeren Brand in dieser Zeit kommt.“ Zwar ließe es sich nicht vorhersagen, ob es in einem Tunnel tatsächlich zu einem Brand kommt. „Die zu diesem Zweck ausgewertete Tunnelbrandstatistik lässt dies jedoch sehr wahrscheinlich erscheinen“, so Dr. Leucker.

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