(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建造部分の構造から既に生じており、自重、水負荷、地圧及び耐荷力のような負荷の標準的な例のための建造部分の設計に関する、有限要素法によって得られるデータに基づき、火災中の材料特性の及び火災後の残留強度の変化を計算することによって、火災負荷の下にある支持システムの安全性を証明する方法において、
温度の作用下における、建造部分に関する、計算するための入力値を、以下の如く、火災負荷の定義によって、任意の時点ｔを決めかつこの時点ｔですべての横断面に関する温度負荷を計算することによって、及び、温度作用下で及び火災の作用に基づいて材料特性を決めることによって、決めて、これらの時間間隔の各々における、建造部分の横断面の高さに関する、これらの決められたデータによって、横断面の各点での種々の非線形の材料特性を用いて、決められた限界伸び状態内での積分によって、この時点でのこの横断面に関する支持力曲線を、すなわち、曲げモーメントと垂直力とのインタアクションを支持力曲線により決めることによっての、横断面の支持力の算出と、温度負荷から生じる、内側の仮想の断面作用力の、等価の、外側の、温度負荷への換算と、観察された横断面に当て嵌まるシステム剛性、すなわち、曲げ剛性及び伸び剛性の決定と、を算出し、有限要素法による引張り力の計算によって生じる仮想の断面寸法を、変化された剛性及び加えられた仮想温度負荷を用いて、そのときに有効な支持力曲線に対して限定することを特徴とする方法。
【請求項２】
当該の支持システムの安全性が否定的に証明されるとき、決められる変化された材料特性による、請求項１に挙げた方法ステップを、所望の安全性が達成されるまで、繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
静的に負荷される構造物を立てるための設計計画を仕上げることに続いて、不測の火災の例に関するこの構造物の安全性を、建造部分の構造から既に生じており、自重、水負荷、地圧及び耐荷力のような負荷の標準的な例のための建造部分の設計に関する、有限要素法によって得られるデータに基づき、算出し、場合によっては、火災負荷の際の安全性及び／又は火災後の必要な残留強度が与えられているまでに、構造物特性を変えること、を特徴とする請求項１又は２に記載の方法の利用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建造部分の構造から既に生じており、自重、水負荷、地圧及び耐荷力のような負荷の標準的な例のための建造部分の設計に関する、有限要素法によって得られるデータに基づき、火災中の材料特性の及び火災後の残留強度の変化を計算することによって、火災負荷の下にある支持システムの安全性を証明する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静的に負荷される構造物の構造は、通常、これらの構造物が、火災の発生の際の、増大した温度負荷のような、環境への不慮の悪影響に、少なくとも暫らくの間耐えるように、設計されている。
【０００３】
この目的で、火災の際にトンネルの湾曲板の加熱を遅らせるために、例えば、トンネルの構成要素の表面には断熱用マットが被覆されている。
【０００４】
ここ数年のトンネル火災の損害図から、補強されていないコンクリート構造体及び鉄筋コンクリート支持物は火災作用に対し支持の余力(Tragreserven)を有することが発見された。盤圧及び他の負荷に関する証明と同じ原理に基づいている、このような支持の余力を証明するための適切な計算方法は、これまで知られていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、国立の役所が、認可手続きの際に、このような証明の提示を益々迫るので、本発明は、複雑な数字上の方法の利用なしに働き、火災中及び火災後に、静的に負荷されるコンクリート構造物の、安全性の証明を可能にする計算方法を開発するという課題を提示する。
【０００６】
従って、火災負荷の下のコンクリート構造物が倒壊する前に、このコンクリート構造物の安定性をどの位の時間保つかに関する情報を与える確実な情報源がもたらされねばならない。この情報は、危険に晒された人々を避難させるためには火災の発生からどの位の時間が使えるか、及び／又は何時から消防士の突入が最早得策ではないかを知るために、重要である。
【０００７】
このような問題は、基本的には、静的に負荷されるどの構造物にも当て嵌まる。しかし、ここでは、典型的には、トンネル内の火災の問題に立ち入る。都市領域でのトンネル設備に関する、このような安全性の証明が、特に重要であり、そこでは、トンネルの湾曲板の破損が、作られた表面まで崩落を引き起こすことがある。この問題は、トンネルの天井と地盤面との間の間隔がここでは数メートルのみ、例えば７乃至１５メートルであり得ることが知られるとき、一層明白になる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
火災負荷と、支持構造体への火災負荷の作用とを考慮することができるためには、分析の順番で、３つの重要な部分、すなわち、火災負荷の定義、建造部分における温度勾配の計算、構造物の安全性の証明を区別することができる。
【０００９】
火災負荷の定義のために、火災の予め定義された経過か、あるいは、特に各々の例のために計算された火災負荷曲線を引き合いに出すことができる。ここでは、交通の及び／又は運搬される貨物の種類が考慮される。これらの火災負荷曲線は時間に依存して温度推移を定める。
【００１０】
かくて予め設定された火災負荷により、微分方程式を解くことで、建造部分における温度勾配を、時間に依存して算出することができる。このためにも、熱伝導のこのような問題を解決するための計算プログラムが使用されることができる。
【００１１】
自重、水負荷、地圧及び耐荷力(Nutzlast)のような、負荷のいわゆる標準的な例に関する、トンネルの湾曲板の類似の計算は、通常、構造物の夫々の開発の始めに存する。これらの計算は、通常、線形の有限要素法によって行なわれる。温度負荷の証明は、同様にこのシステムに従ってなされる。
【００１２】
構造部材に関する、トンネルの場合には鉄筋コンクリートに関する、温度作用下における材料特性値を、まず、決めねばならない。このためには、コンクリート及び鋼鉄に関する火災中の特性及び火災後の残留強度を決める。このための前提は、内側の補強層が適切に保護されていることである。温度に晒されている、内側の補強層が、過熱に対しては保護されないとき、残留強度及びそれと共に支持力は保たれていない。補強部の保護は相応に大きな覆いによってのみ達成可能である。この場合、表皮の補強による又はポリプロピレン繊維の添加による、覆いの剥げ落ちの防止は、重要性を有する。
【００１３】
各々の時点ｔにおける温度勾配によって与えられている、横断面における温度Ｔに従って、横断面の各点に、種々の材料特性が生じる。かくて、横断面の各点に関して、有効な弾性係数（Ｅ係数）がＥｍ＝ｆ（Ｔ（ｆ（ｔ）））として生じる。但し、Ｅ係数は温度の関数であり、温度は時間の関数である。同じことは有効な夫々コンクリート剛性及び鋼剛性に当て嵌まる。ｓｉｇｍａ，ｍ＝ｆ（Ｔ（ｆ（ｔ）））。
【００１４】
横断面に亘って常に異なるこれらの材料特性は横断面の高さすなわちトンネル壁部からの距離に関して積分されて、この時点で支配的な温度負荷のときの横断面の全特性を生じさせる。
【００１５】
コンピュータプログラムによって、予め定義された限界伸び状態に関する個々の横断面特性を積分して、可能な支持力を達成する。このとき、縁部の伸びのバリエーションから形成される包絡線は、支持力曲線を生じさせる。
【００１６】
鉄筋コンクリートの支持力曲線にとって通常であるように、個々の横断面の支持力は限界伸びの定義に拠り、ここでは、取分け、許容し得る圧縮ひずみの増大は大きな影響を有する。限界伸びの定義は、取分け、横断面が温度により負荷されたときの影響を有する。
【００１７】
予想通りに、温度負荷は、一括すれば、横断面の支持力の減少及び同時に横断面の非対称的な支持性をもたらす。何故ならば、材料特性は、幾何学的に対称的な横断面に関してさえ、今や、非対称的だからである。決めることができたように、最大限に許容され得るコンクリートの圧縮ひずみの増大は横断面の支持力の著しい増大をもたらす。この理由は、縁部には高い有効なコンクリート応力が生起されることはできないが、横断面の、幾らか冷えた、内側の領域では、今や、今あるコンクリート圧縮ひずみがより高い場合、より大きな負荷の余力(Lastreserven)が働かされることができることにある。
【００１８】
横断面の支持力と同様に、温度負荷の増大と共に、横断面の剛性も低下する。これらの剛性は、一方では、温度に関連する弾性係数の低下に左右され、他方では、温度による過負荷に基づく、横断面の高さの絶え間ない減少によって低下される。何故ならば、すべての横断面部分が、結果として、７００℃よりも高い温度負荷を有するからである。
【００１９】
支持力の算出の場合と同様に、横断面の各点において、有効なＥ係数の定義に基づいて、全横断面の剛性に対する寄与(Anteil)を算出することができる。
【００２０】
既述の如く、線形の有限要素法を用いたこの方法で十分であるだろう。このことを保証するために、横断面の温度負荷を変えねばならない。
【００２１】
線形の有限要素法では、温度勾配の線形の推移のみが許容され得る。決めることができたように、実際の温度勾配は線形の推移とは大いに異なる。かくて、通常、縁部ゾーンは温度によって非常に負荷されており、更に内側に位置する横断面部分と、横断面の、火災から離隔する部分とは、通常、温度によってほとんどか又は全く負荷されていない。
【００２２】
同様に、減少された材料特性は、温度負荷が高められたゾーンにおいてのみ、重要である。元々の材料特性は依然として残りの横断面に当て嵌まる。
【００２３】
支持力の算出の場合と同様に、各々の温度負荷のために、内部の応力状態を定義することができる。この応力状態は、一方では、各点において、支配的な温度及びその際に生じる伸びによって定められている。他方では、各点に関して、材料特性を温度によって定義することができる。従って、全負荷は予め設定された温度勾配から計算される。
【００２４】
これらの、内側の、仮想の断面作用力を、夫々、続きのステップで、再度、正にこれらの、内側の、仮想の断面寸法を発生させるのであって、同様な応力状態を発生させるのではない、等価の、外側の温度負荷へ、換算することができる。
【００２５】
これらの等価な温度負荷に基づいて、今や、線形の有限要素法によって、仮想の断面寸法を算出することができる。曲げモーメントと垂直力からなる、仮想の断面寸法の結果は、支持力曲線に対し区切ることができる。
【００２６】
記述された計算ステップによって、今や、支持力の証明を行なうすべての前提が作り出されている。等価の温度負荷を、いずれにせよ作用する負荷に加えて、生起し、線形の有限要素法によって、仮想の断面寸法を算出する。これらの仮想の断面寸法同士のインタアクションを各々の横断面の支持力曲線に対し限定し、従って、安全性の証明を行なう。
【００２７】
証明されたシステムが、適切な整備措置が講じられるまで、火災後にも、予め設定された確実性をもって安定しているべきであるとき、火災後の安全性の証明も行なわれねばならない。
【００２８】
このことは、コンクリート及び鋼に関する、火災負荷によって適切に減少された材料特性に関して、行なわれなければならない。このことは、必要な補強を確定する際、まず、火災負荷を有しないが剛性の変化した状態を有する、構造物における仮想の断面寸法が、算出されねばならないように、考慮されねばならない。次に、寸法入れの証明は材料特性の減少をもってなされる。この場合、必要な安全率(Sicherheitsbeiwerte)は設定されねばならない。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述する。
【００３０】
以下の横仮想の断面寸法を有する、弾性をもって地盤に埋められた通常のトンネル横断面があるとしよう。
【００３１】
内側湾曲板の横断面＝４０ｃｍ２
補強 内部、外部＝５ｃｍ２／ｍ
コンクリートの種類 Ｂ３００
鋼の種類 ＳＴ５５
バラストの係数 １００，０００ｋＮ／ｍ２
内径 約６ｍ
表土＝１０ｍの緩い土壌
水面 アーチの上縁の下２ｍ
コンクリートの覆い 外側＝５ｃｍ
コンクリートの覆い 内側＝１０ｃｍ
保護補強部材 内側、ｄ＝３ｃｍ（温度の影響がある場合に剥げ落ちを制限するために用いられる）。
【００３２】
火災負荷は、常に、トンネル横断面の周囲に設定される。火災時間の増加と共に、温度負荷は横断面に益々深く入り込む。
【００３３】
図１には、例えばトンネル壁部のような建造部分における、温度の、経時の推移が示されている。水平軸には、剥き出しの表面からの距離がセンチメートルで示されている。垂直軸には温度が摂氏度で示されており、個々の曲線は、露出の開始後の夫々３分、６分、９分、３０分、６０分、１２０分及び１８０分後の温度の推移を示している。
【００３４】
自重、地圧及び水という負荷の例から、仮想の断面寸法(Schnittgroessen)が生じ、最小限の補強部材の組込みが前提となっている。図２は、時点ｔ＝０での、すなわち、火災によって引き起こされた負荷の開始前での、トンネルの輪郭における、仮想の断面作用力(Schnittkraft)の推移を示している。
【００３５】
図３には、火災開始から１８０分後の仮想の断面作用力が、図２に類似のダイヤフラムで示されている。今や、温度負荷による仮想の断面寸法が重ね合わされている。
【００３６】
種々の時点ｔの計算後に、システムにおける垂直力の常なる増加が計算に入れられねばならいが、この垂直力は火災時間の増加と共に平坦化し、バラストの剛性に左右されることが明らかとなる。
【００３７】
このこととは逆に、まず、横断面における瞬間負荷が大いに増大し、最大値後に、再度相応に非常に減少する。このことは、火災の開始の際に、内部の負荷が温度勾配によって極めて偏心的に作用し、しかし、所定の火災時間後には温度負荷が依然として増加するが、より少なく偏心的に作用する、という事実から明らかである。
【００３８】
安全性(Tragsicherheit)の証明は適切な支持力曲線によりなされる。挙げられた例では、横断面は１８０分の火災負荷の後にも依然として１より大きい安全性を有することが明らかである。
【００３９】
図４はダイヤフラムを示している。水平軸では垂直力はｋＮで示されており、垂直軸では曲げモーメントはｋＮｍで示されている。
【００４０】
かくて、横断面の安定性は追加の措置なしに火災中も１より大きい安全性をもって保証されていることが証明されることができる。
【００４１】
挙げられたステップに加えて、７００℃を越える温度負荷を有する横断面部分が、計算の最中に、除外されることに注意が向けられねばならない。このことは定義された材料特性に対応している。
【００４２】
本発明に係わる計算モデルは複雑な数字の式の使用を省き、基礎材料力学及び鉄筋コンクリート構造体に基づいて、線形の有限要素法(Stabstatik)によって、火災負荷下にある支持システムの安全性の証明を可能にする。
【００４３】
図５の流れ図には、本発明に係わるモデルの計算過程が示されている。ステップ１の火災負荷の定義から出発して、ステップ２では、横断面の温度負荷を計算し、ステップ３では時間間隔ｔｉの計算を実行する。その後、ステップ４では、すべての時間間隔を計算して、ステップ５で火災後の状態を定めることができる。このことから、ステップ６では、構造物への要求を導き出すことができる。
【００４４】
詳細には、ステップ３をサブプログラムとして捉えることができる。ここでは、１つのサイクルにおいて、まず、ステップ３１でシステム剛性を及びステップ３２で温度及び仮想負荷(Ersatzlast)を定める。このことから、ステップ３３では有限要素法による引張り力の計算(Stabzugberechnung)を行ない、ステップ３４では建造部分の寸法入れを行ない、ステップ３５では、支持力が証明されているか否かを問い合わせる。ゴーの場合に、プログラムは戻り、ノーの場合にステップ３１に戻る。
【００４５】
この計算モデルでは、支持力の計算の、通常は投射の際に欠如するステップを、いずれにせよ、僅かなコストで計算に入れて、影響があるか否か断熱のような措置及び他の構造上の措置を調べることができる。従って、このような措置を講じるための、経験に基づくだけの規定を省くことができる。実際また、マット及び漆喰又は保護コンクリートの形の断熱材についての原則的な規定に、鉄筋コンクリートの補強された支持枠の原理のみに拠る他の提案を差し出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】建造部分の横断面における温度推移を時間に依存して表わすダイヤフラムを示している。
【図２】火災の開始の際の、トンネルの横断面における、仮想の断面作用力の推移の略図を示している。
【図３】火災の開始後１８０分の、図２に対応するダイヤフラムを示している。
【図４】曲げモーメントが垂直力の上方に示されてなるダイヤフラムを示している。
【図５】本発明に係わる方法の進行を表わす流れ図を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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