Juhász Károly Péter, Schaul Péter, Nagy Lóránt: Ipari padlók méretezése 2. rész − irányelvek áttekintése, speciális méretezési kérdések
Folytatjuk a Beton újság 2017/3. számában megkezdett cikksorozatunkat az ipari padlók méretezéséről, meghatározva a főbb irányelveket, azok sajátosságait és alkalmazási lehetőségeit.
3. MÉRETEZÉSEK SPECIÁLIS KÉRDÉSEI
3.1. Biztonsági tényezők
Az ipari padlók méretezése mindenképp speciális statikai probléma, amely a terhek meghatározásától a méretezés módjáig más szemléletet követel, mint egy szokványos tartószerkezeti elem. Lohmeyer és Ebeling egyenesen ki is veszi a tartószerkezeti elemek köréből, mondván „a betonpadló meghibásodásakor semmi nem omlik össze, és nem veszélyezteti az építmény stabilitását”, így nem vonatkoznak rá az EUROCODE[5] biztonsági tényezői. Saját biztonsági tényezőket használ, amelyek sok tényezőtől függnek, kezdve a felhasználás módjától, az igényektől egészen a kivitelezés minőségéig.
Ilyen eltéréseket találhatunk több helyen a TR34-ben is, ahol például a polcláb terhek biztonsági tényezőinél az EUROCODE által adott γ=1,50-et 1,2-re csökkenti, mondván a polclábak terhei kontrollálva vannak. Vegyünk egy példát: van egy polcláb, amely maximálisan 50 kN-t tud elviselni, így felmerülhet a kérdés, hogy ha túl van terhelve, akkor a polc lába hamarabb megy tönkre, mint hogy nagyobb terhet tudjon átadni az ipari padlóra. Ez a gondolatmenet azonban hibás, hiszen egy polclábnál is figyelembe vették a biztonságot és valószínűleg az is képes nagyobb teher felvételére. Egy polcnál a túlterhelés figyelmen kívül hagyása véleményünk szerint hibás feltételezés (nem úgy, mint egy vízzel teli tartálynál, ahol a túlterhelés esetén a víz kifolyik a tartályból, így a nyomás fizikailag nem tud nagyobb lenni). A másik ilyen eltérés az EUROCODE alapelveitől az osztott biztonság elvénél van, ahol a felületi terhek figyelembe vételénél a TR34 kimondja, hogy a terhek biztonsági tényezőjét nem kell használni, hiszen a beton hajlító-húzó- szilárdságánál már figyelembe van véve. Az osztott biztonság elvének pont ez lenne a lényege, miszerint a terhek esetében is felveszünk egy biztonsági tényezőt, illetve az anyagoldalon is. Sőt, további biztonságok vannak a statikai modellek felvételénél is.
A biztonsági tényezők ekképp való módosítása logikusnak tűnhet, azonban az EUROCODE-ban nincs erre való utalás, engedmény. Korszerű, nagy igényeket támasztó ipari padlók esetén azonban ez a biztonságitényező-csökkentés ugyancsak megkérdőjelezhető, bár emberéletet nem veszélyeztet, ugyanakkor az anyagi kár igen jelentős is lehet. A fentiek alapján a tervezőnek egyénileg kell mérlegelnie a biztonsági tényezőket, amely során figyelembe kell venni többek között a megrendelő igényeit, a padló minőségi szintjét, vagy akár a kivitelezési körülményeket. A felvett biztonsági tényezőket rögzíteni kell a számításban és el kell fogadtatni a megrendelővel.
3.2. Terhek típusai és felvétele
Födémek méretezése során a födém felületén ébredő maximális hasznos terhet kell meghatározni, amelynek biztonsági tényezővel növelt értékére kell méretezni a szerkezetet teherbírási határállapotban, illetve várható értékére használhatósági állapotban. Ennek megfelelően a födémek teherbírása kN/m2 -es értékkel van megadva. Ipari padlók esetén is szeretik a megbízók ezt az értéket meghatározni, de ebben az esetben ez az érték keveset árul el a padló használata során ébredő terhekről. Sőt, a teljes felületén megtámasztott padlón, teljes felületén ébredő felületi teher alig okoz hajlító igénybevételt a padlóban (a padló megsüllyedhet, függőleges irányú normálfeszültség ébred benne, amely nagyságrenddel kisebb a beton nyomószilárdsá- gánál). A padlóban akkor keletkezik hajlító igénybevétel, ha ezek a terhek szakaszosan terhelik a padlót. Létezik egy olyan teherállás, amelynél a pozitív, illetve ahol a negatív nyomaték a maximum értékét veszi fel.
Azt azonban egyik irányelv sem taglalja, hogy ez a teherállás a valóságban létrejöhet-e, illetve hogy a dilatációk ezt hogyan módosítják. A padló terhelésének megadása során a felületi terhek definiálásánál további probléma szokott lenni a terhek értékének eltúlzása. A 100 kN/m2 -es terhelés a valóságban ritkán jöhet létre, nehéz elképzelni, hogy ekkora terheket a padló felületén fektetve tárolnak, jellemzőbb inkább a polcokon vagy konténerekben való tárolás. Ezeknek a tárolóknak pedig lábaik vannak, amelyek már pontszerű terheket adnak át az ipari padlóra. A méretezés során érdemes a várható terhelések megállapításánál a padlón elhelyezésre kerülő vagy tárolandó anyagokból (polcokon, konténerekben), a padlón működő gépekből és a padlón közlekedő járművekből (targonca, tehergépkocsi) kiindulni, mintsem felületi teherként megadott értékekből. Amennyiben még nem lehet tudni a padló funkcióját, a maximális értékeket lehet meghatározni, amelyekhez később igazodni kell.
3.3. Méretezés zsugorodásra, dilatációk távolsága
Betonszerkezetek zsugorodásra való méretezése rendkívül bonyolult feladat. Az egyik oldalról a betont egy időben változó anyagparaméterű anyagként kell modellezni, míg a rá ható terhek is folyamatosan változnak. A zsugorodás mértékét számos tényező szabja meg: a beton összetétele (víz/cement tényező, finomrész tartalma, cement típusa), időjárás a kivitelezés alatt (hőmérséklet, páratartalom), a kivitelezés módja és az utókezelés tartalma, minősége. Ezeket gyakorlatilag nem lehet figyelembe venni a számításban, bár a szabványokban nagyságrendi értékük kiszámítására van módszer. A méretezésük pedig fontos lenne, mivel az ipari padlók repedésének egyik fő okozója a beton zsugorodása. Ennek megfékezésére készülnek a vágott dilatációk, amelyeket még a beton fiatalkorában kell elkészíteni, irányítva ezzel a keletkező repedések megjelenését. A dilatációk távolságának méretezésére egyedül Lohmeyer-Ebeling ajánl módszert, ami azonban már a megszilárdult betont veszi számításba.
Az ipar ebben is előrébb jár, mint a szabványok, irányelvek, mivel a mostani fő irány a nagytáblás (vagy kis túlzással fugamentes) ipari padlók építése. Több irányzat is van, amely erre kínál megoldást. A legkézenfekvőbb a vasalással ellátott ipari padlók, esetenként kiegészítve szálerősítéssel. Magas acélszál adagolással ugyanezt az eredményt lehet elérni, erre a Dramix ad méretezési és kivitelezési módszereket.
A Dramix méretezési megoldásában kitér a betontechnológia, a megfelelő tömörítés és az utókezelés fontosságára. A méretezési eljárás lényege a feszültségeloszlás számítása a keresztmetszeten belül, ahol a fiatal beton és a teljesen megszilárdult beton anyagparamétereit is figyelembe veszi. A méretezést a repedéstágasság korlátozására végzi el, tehát a használhatósági határállapotnak (SLS) való megfelelés a követelmény, a teherbírási határállapotra (ULS) való méretezést külön kezeli. A méretezési eljárásban a szálerősítést hagyományos vasalással együtt alkalmazza, viszont a számítási módszer nem veszi figyelembe a dilatációk távolságát, mely kulcsfontosságú lenne a nagytáblás ipari padlók esetében. A Dramix külön hangsúlyt fektet a nagytáblás ipari padlóknál a kivitelezésre is. Kitér az altalaj és ágyazat kérdésére, melyek nem összekeverendő és nem azonos fogalmak. Az altalaj az eredeti talajréteget jelenti, melyet megfelelően tömöríteni kell, és megfelelő simaságúra kell kialakítani. Az ágyazat a tömörített altalajon készülő réteg, mely a Dramix útmutatója szerint cementkötésű réteg vagy terített kavicsréteg. A már korábban említett ágyazási tényezőt a betonozás megkezdése előtt ellenőrizni kell az ágyazati rétegen. A Dramix az ágyazattal egybeépített ipari padlót (tehát közvetlenül az ágyazatra öntött, elválasztó fólia nélküli padló) javasolja, amelynél nem a repedések kiküszöbölése a cél, hanem a repedések méretének a kontrollálása, azaz sok sűrűn elhelyezkedő, de szemmel nem látható repedés kialakulása. Minimális lemezvastagságként 140 mm-t ad meg.
Külön kitér a betontechnológia fontosságára, úgymint a cement és adalékanyag típusára, a víz/cement tényezőre, az alkalmazandó adalékszerekre, valamint a bedolgozhatóságra. A Dramix a nagytáblás padlók esetén magas száladagolást javasol, illetve a kritikus helyeken kiegészítő hagyományos vasalást. Különösen fontos a padló utókezelése, a részben megszilárdult betonon zsugorodást kompenzáló adalékszer alkalmazása, majd ennek megszilárdulása után a padló vízzel történő elárasztása és legalább 14 napon keresztül fóliával való lefedése. Az útmutató alapján a padló a végleges terhelését hat hét után kaphatja meg. A Dramix előírása szerint megfelelő betontechnológiával, tervezéssel, kivitelezéssel és utókezeléssel akár 45 méteres átmenő dilatációs távolság is elérhető. Amerikában elterjedt az utófeszített vasbeton ipari padlók alkalmazása is, bár nagytáblás ipari padlók méretezésére jelenleg nem létezik elfogadható irányelv.
3.4. Szálerősítésű betonok
Bár a szálerősítésű betonokat az iparban már régóta használják, kevés méretezési módszer áll rendelkezésre. Ipari padlók esetében ugyancsak a TR34 ezek közül a legkorszerűbb. Míg a 3. kiadás a szálerősí- tésű betonoknál az Re3 értékeket használja a szálerősítésű beton jellemzésére, addig a 4. kiadásban teljesen átálltak a pontosabb, meghatározott CMOD értékekhez tartozó, maradó hajlító-húzószilárdság értékek használatára. Az Re3 értékeket a japán JSCE[6] szabványban rögzített laboratóriumi vizsgálat alapján lehet megkapni, míg a meghatározott CMOD értékekhez tartozó, maradó hajlító-húzószilárdság értékeket a RILEM TC162[9] irányelvben rögzített vizsgálat alapján. A maradó hajlító-húzószilárdság értékek pontosabban jellemzik a szálerősítést, mint az Re3 érték. Az irányelv egyértelműen kijelenti, hogy a méretezés során csak az acél- vagy makro szintetikus szálak használhatók, mikroszálak (mono és fibrillált) nem vehetők figyelembe statikai szempontból. Mikroszálerősítésű beton mint betonszerkezet méretezhető lineáris módon. Ez alapján a „mikroszálakkal történő vasalás kiváltása” statikai szempontból nem értelmezhető.
Az ACI és a TR34 2003 a japán szabvány[6] alapján veszi fel a szálerősítésű beton adatait, a TR34 2013 a RILEM TC162, míg az osztrák irányelv a Richtlinie Faserbeton[7] alapján. Az acél- vagy makro szintetikus szálakkal erősített beton anyagparamétereit a gyártó szolgáltatja a saját vizsgálatai alapján, de nagyobb beruházásoknál érdemes a projektnél alkalmazni kívánt betonnal készített próbatestek laboratóriumi vizsgálataiból venni az eredményeket. Mivel a vizsgálatot a beton 28 napos korában kell elvégezni, így ipari padlók esetén ritka, hogy a projekt elkészítése előtt ez elkészül.
3.5. Lineáris és nemlineáris méretezés
Az ipari padló statikai szempontból teljes felületén lineáris vagy nemlineáris rugókkal rugalmasan alátámasztott lemez, melynek anyagmodellje a beton repedésmentes állapotáig lineáris anyagmodellel közelíthető, vasalt vagy szálerősített beton esetében pedig húzott oldalon a lineárisan rugalmas-tökéletesen képlékeny anyagmodell használható, bizonyos megkötések mellett. A fentiek alapján a beton vagy mikroszál (mono vagy fibrillált) erősítésű beton ipari padlókat lehet rugalmas anyagmodellel közelíteni, míg a vasalt vagy makroszál-erősítésű beton ipari padlókat rugalmas-képlékeny anyagmodellel.
A támasz figyelembe vételekor lehet lineáris rugóval számolni, amely az ipari padló felemelkedését nem tudja kezelni, illetve nemlineáris rugóval, amely húzás esetén nem működik, azaz a padló fel tud emelkedni. Így a nemlineáris méretezés elnevezés utalhat a támaszok vagy az anyagmodell nemlineáris voltára is. Míg az elsőt a legtöbb szoftver tudja kezelni, addig a másodikat csak komoly véges elem szoftverekkel lehet számolni. Lineáris anyagmodell esetén csak repedésmentes beton méretezhető, amelynek alapfeltétele, hogy a megépített ipari padló a beton szilárdulása alatt se repedjen meg. Ez a megfelelő betontechnológiával (kis zsugorodású beton, mikroszálak alkalmazása), illetve a megfelelő módú és ideig tartó utókezeléssel érhető el. Ennek elérése komoly kivitelezői szaktudást és tapasztalatot igényel, mérnöki szempontból pedig egy ilyen szerkezetben semmilyen tartalék nincs.
4. ÖSSZEFOGLALÁS
Ipari padlók méretezéséhez számos irányelv létezik, a maguk előnyeivel és hátrányaival. A hazai tervezési gyakorlatban azonban ezeket a mérnökök kevésbé használják, a méretezést és a felelősséget is a kivitelezőkre hárítják. Cikksorozatunk 1. és 2. részében a legfontosabb ipari padló irányelveket vettük sorra, elemezve előnyüket és hátrányukat, illetve az ipari padló méretezése során megismert speciális méretezési kérdéseket. Bár az ipari padlók az épületek összértékének csak kis részei, az egyre emelkedő igényszintek miatt egyre fontosabb szerepet kapnak, amelyek megkövetelik a mérnöki méretezést. Cikksorozatunk következő részében egy konkrét méretezési módszert mutatunk be.