Lapszámok

BEVEZETÉS

Az elkövetkező években intenzív felújítási és átépítési munkák várhatók hazánk élővizeinél. A munkálatok során nagy hangsúlyt fektetnek a korábbi, mostanra már tönkrement partfalak rehabilitációjára, illetve az erózió roncsolta partszakaszok védelmére. A Velencei-tavi partfalak rehabilitációjának munkálatai már az idei évben megkezdődnek. Várhatóan folytatódik az új balatoni kikötők építése vagy a meglévők bővítése és korszerűsítése. Ezeknél a beruházásoknál műszaki igény merült fel az előregyártott vasbeton szádfalak iránt, amelyek elérhetősége hazánkban limitált. A lehetőséget felismerve a hazai piac előregyártott vízépítési vasbetonelemek gyártásának jelentős szereplője, a CSOMIÉP Kft. vasbeton szádfal fejlesztését határozta el.

1. ábra Vasbeton szádfalelem, előregyárott konzolos vasbeton közlekedési elemmel

Az új termékcsalád fejlesztése során elsődleges szempont volt a műszakilag hatékony kialakítású, de akár városi környezetben is esztétikus megjelenést biztosító szádfalelem megalkotása, amely további előregyártott vasbeton kiegészítő elemekkel a partfalvédelem mellett a parti sétányok kialakítását is lehetővé teszi. A vállalkozás különböző szakterületeken jártas mérnököket és cégeket kért fel a fejlesztésben való részvételre, aminek köszönhetően a kifejlesztett terméket optimalizálták geotechnikai, statikai, betontechnológiai és kivitelezési szempontok alapján.

Nagy megtiszteltetés volt számunkra, hogy meghívást kaptunk a fejlesztők csapatába és megismerkedhettünk, illetve együtt dolgozhattunk sok kiváló szakemberrel. Cikkünk röviden a fejlesztés vasbeton tervezési szempontjait és eredményeit foglalja össze.

2. ábra Az optimalizáció során kiválasztott keresztmetszet sematikus rajza és végleges formája

FORMAI KIALAKÍTÁS

A szádfal a vízpart erózióvédelme mellett a partfal megtámasztását is ellátja, így általában robusztus szerkezetként jelenik meg kikötőkben, vízi létesítményeknél. Azonban a hazai tervek jelentős része turisztikai helyeket és funkciókat betöltő helyszíneket érint. Ebből kiindulva a formai kialakítás során fontos szempont volt, hogy olyan szádfalelem készüljön, ami esztétikus megjelenést biztosít egy városi vagy frekventált turisztikai területen is, formavilágában nem az ipari felhasználást sugalló acél szádfalelemre hasonlít. Érdekesség, hogy a végső formavilág mégsem egy designfogásból, hanem statikai megfontolásból alakult ki.

A szádfalelem megtervezése nem modellezéssel kezdődött, hanem a megfelelő alapok lerakása érdekében egy keresztmetszeti hatékonysági vizsgálattal a végállapotra vonatkozóan. A vizsgálat során 8-10 alakot elemeztünk, főleg az adott formákra jellemző inercia-felület arány mentén oly módon, hogy melyik alakkal lehetséges hatékonyabban megtámasztani a legszélesebb partsávot. Mindez természetesen csak az egyik tényező, hiszen figyelemmel kell lenni a gyárthatóságra és szállíthatóságra is. Mindezek miatt a keresztmetszeti formák szelektálását már a gyártóval közösen végeztük el, így a végeredményben kiválasztott forma nemcsak hatékony működési feltételeket biztosít, de könnyen gyártható és jól illeszkedik a szállítógépjárművek geometriájához is.

Az elem ekkor még teljes hosszában azonos keresztmetszettel rendelkezett, tehát az íves kialakítású homlokfalrészből és a hátsó oldalon lévő megvastagított bordarészből. A cölöpszerűen vagy Berlini-dúcolathoz hasonlóan túlnyúló borda már geotechnikai megfontolások miatt került kifejlesztésre, bevonva az erőjátékba az esetlegesen mélyebben található, jobb kondíciójú talajokat. A jobb kondíciójú talajok nagyobb ellenállása mellett azonban azt is számba vettük, hogy a Berlini-dúcolatoknál a földbe vert tartóoszlopok passzív földellenállásának felületi kiterjedése a mélységgel arányosan nő, aminek felső korlátja a teljes fal, tehát a két tartó közötti felület passzív földellenállása. Ez tehát azt jelenti, hogy bizonyos mélységtől a két tartóoszlopra felvehető passzív földmegtámasztás megegyezik a „tömör” faléval. Mindezek mellett a meghosszabbított borda nemcsak a betonfelhasználás miatt hatékony, hanem előnyös a szádfalelem kivitelezése során alkalmazott verés vagy vibrálás során is, ahol a cölöpszerűen kinyúló rész segít az elem vezetésében is.

ANYAGVÁLASZTÁS

A formai kialakítás mellett a számítások szintén rendkívül fontos paramétere az anyagminőség. A vasbeton elem betonacélminőségének meghatározása jelen piaci körülmények között nem ad nagyon választási lehetőséget, de az egyszerű B500 lágyvasalás mellett azért alternatívák is merülnek fel, mint például a feszítés vagy szálerősítés, amelyeket külön modelleken vizsgáltunk. A vasbeton másik fontos alkotóeleme a beton, amelynek szilárdsági érték kiválasztása a hatályos betonszabvány alapján már nem olyan egyszerű, mint korábban, hiszen az nemcsak szilárdságtani kérdés, hanem nagyban meghatározzák azt az elem életútja során fellépő környezeti hatások is.

A környezeti hatások meghatározását befolyásolja a geotechnikai környezet és az elem abban történő elhelyezkedése is. Egy partvédelemként felhasznált elem esetében például teljesen természetesnek adódik, hogy az elem alsó része az acélbetét-korrózió karbonátosodás tekintetében XC1 környezeti osztályba sorolandó, míg az összefogó gerenda miatt esőtől védett felső sáv akár XC3 osztályba is sorolható lenne. Azonban a vízfelszín közelében biztosan szükséges az XC4 osztály által támasztott követelmények alkalmazása, így a minimális beton nyomószilárdsági osztály ezekből adódóan a C30/37. Ezektől eltérő körülmény lehet, amikor az elemet például munkatér határolásra alkalmazzuk, mert ekkor esetleg az XC2 környezeti hatásnak történő megfeleltetés is elégséges lehet az ehhez tartozó minimális C25/30 betonszilárdsági osztály alkalmazásával. Mindezek mellett természetesen kivételt képez az az eset, amikor a szerkezet kémiailag korrozív talajjal vagy talajvízzel érintkezik, mert akkor akár az XA3 környezeti osztálynak megfelelő C35/45 betonszilárdsági osztály alkalmazása is szükségessé válhat a maga speciális cementtípusaival együtt.

Ezeken a példákon túl hasonlóan boncolgatni lehet a kloridok hatására kialakuló acélbetét-korrózió XD, és fagyási/olvadási ciklusok hatását figyelembe vevő XF besorolási kategóriák meghatározási rendszerét is az elemre. Mindezek mellett az elem betonjához felhasznált cement mennyiségére és így a végső szilárdságra is szintén nagy hatással van a gyártás folyamata, ahol azt is figyelembe kell venni, hogy ez az elem nagyon sokféle hosszban és különböző vastagságokkal kerülhet alkalmazásra az adott feladathoz és geotechnikai körülményekhez igazítottan, ami miatt az elem zsaluzatának is kellő állíthatóságot kell biztosítani. Továbbá a zsaluzattal szemben legalapvetőbb elvárás a pontosság és a tartósság, ezért a zsaluzat ára arányosan viszonylag magas lehet. Ezt figyelembe véve a zsaluzat gyors forgatása költségoptimumhoz vezet, szembeállítva a gyors kötést, illetve szilárdulást okozó nagy cementmennyiség költségével. Ennek következményeként a különböző környezeti kategóriák által meghatározott minimális betonszilárdságot végeredményben a gyártáshoz szükséges feltételek biztosítják, tehát a számításokban nyugodt szívvel alkalmazhatunk C45/55 vagy akár C50/60 betonszilárdsági osztályt is.

TERHEK ÉS HATÁSOK

A megfelelő keresztmetszeti forma és anyag kiválasztása során az alapvető terheket és hatásokat vettük figyelembe, amelyek mellé folyamatosan további, az elemet érő hatások sokasága adódott. Az elsődleges szempont természetesen az volt, hogy az elem a végállapotban ki tudja elégíteni a partmegtámasztási funkciót, amelyhez a hatásokat a geotechnikai modellekkel történő iterációs folyamat során lehetett meghatározni. A tervezés során a prototípusok számításainak elvégzéséhez a Velencei-tavi geotechnikai viszonyokat vettük alapul. A talajrétegződést és a talajfizikai jellemzőket a Talajvizsgálati jelentés alapján vettük fel. A numerikus analízisek során használt talajrétegződés és talajfizikai paraméterek a kritikusabb zónákra jellemzők, így feltételezhető, hogyha ezeken a területeken vizsgált szerkezetek elmozdulása és állékonysága kielégítőnek vagy közel kielégítőnek minősül, akkor az a környező, geotechnikai szempontból kedvezőbb helyeken is alkalmazható, illetve egyedi tervezéssel optimalizálható. A heterogén talajkörnyezet definiálása során mesterséges feltöltés, puha, összenyomódásra érzékeny, szerves talajrétegek is szerepeltek.

3. ábra: Háromdimenziós modellgeometria

A 3. ábrán az egyik ilyen kritikusnak vélt talajrétegződés modellezés során használt összetétele látható. A talajokat a mozgások realisztikus értékeinek megközelítése érdekében HS Small talajmodellel modelleztük, míg a szádfalelemek térfogatelemként kerültek definiálásra. A talajvíz szintjét a mederben lévő víz szintjével megegyezőnek feltételeztük, amelynek helyzete a meteorológiai viszonyoktól függően folyamatosan változik. Számításokat végeztünk arra az esetre, ha a talajvízszint a terepszinten van, illetve az alatt 0,50 m és 1,00 m mélyen, illetve egy esetleges visszaduzzasztás bekövetkezése miatt vizsgáltunk olyan eseteket is, amelyeknél a tó vízszintje a talajvíznél mégiscsak mélyebben helyezkedik el. A geotechnikai környezet nagyszámú variációja mellett a terhek és a hatások számát tovább növeli az elem életútja alatt fellépő hatások sokasága.

4. ábra: Kiemelési állapot statikai váza és terhelése

E tekintetben az elemet nem kell sokkal kevesebb helyzetremegfeleltetni, mint egy ősember kőbaltáját, mert a gyártást követően ki kell emelni a zsaluzatból, fel kell rakni egy szállítójárműre, majd azzal elszállítani, a leemelést követően pedig felállítani és leverni vagy levibrálni a szükséges pozícióba. Már az igekötők darabszámából is kitűnik, hogy az elem méretezése sok modellt és számítást igényel, mielőtt egy végleges vasalási terv alapján a megfelelő zsaluzatban kiöntésre kerülhet. Röviden vegyük is végig ezen hatások leegyszerűsített modelljeit.

Az öntést követően az elemet érő első hatás a zsaluzatból való kiemelés művelete, amikor az elemünk kéttámaszú tartóként működik a saját önsúlya okozta teher hatása mellett. Ebben a fázisban a beton szilárdsága még nem vehető figyelembe a végleges szilárdsági osztálynak megfelelően, tekintettel arra, hogy az öntés óta még csak legfeljebb 1-2 nap telt el. Ezért az ekkor számításba vehető beton nyomószilárdsági osztály még csak C12/15 és C20/25 közötti. Hasonló statikai váz és tehermodell alakul ki, természetesen már magasabb betonszilárdsággal, a szállítást követő függőlegesbe állítás folyamán is.

5. ábra: Felállítás egyes lehetőségeinek statikai váza és terhelése

A szállítást és felállítást követő művelet a leverés vagy levibrálás, amely során szélsőséges hatások érik az elem egészét, valamint az egyes részeit egyaránt. Felemelés közben az elem húzottá is válik, mert a verő vagy vibráló szerkezet befogó pofája az elem tetejét megfogva mozgatja a lehajtási pontra.

Ezt követően az elemet leállítják a talajfelszínre, amikor is alul egy csuklós, függőleges irányú támasz mellett a lehajtó gépezet elkezdi az erőkifejtést az elem tetején. Ekkor a szádelem egy pillérként viselkedik v=1,0 kihajlási hossz szorzóérték mellett.

6. ábra: Pontra emelés és a lehajtás első pillanatai

A megtámasztási viszonyok a lehajtás során folyamatosan változnak annak függvényében, hogy az elem mekkora része került már befogásra a talajban, így a v kihajlási szorzótényező is folyamatos változáson megy keresztül. A befogási viszonyok változása mellett a lehajtáshoz szükséges teher mértéke is folyamatosan változik a köpenysúrlódás hatásának következtében. A lehajtási fázisban a statikai modell ismét nagy átrendeződésen megy keresztül abban a pillanatban, amikor a szárnyak alsó éle is eléri a talajt, hiszen ekkor egy új külpontos támaszt kap az elem. Ettől a pillanattól az elemünknek egy új igénybevétellel is meg kell ismerkednie, mivel a karcsú szárnyak alsó élén kialakuló reakcióerő a szárnyakat le akarja nyírni a törzsről.

7. ábra: Lehajtás közbeni fázisok

A leverés vagy vibrálás során a „pillér” statikai vázának pontos leírását az is nehezíti, hogy a teher- és a támaszviszonyok is külpontosak. A külpontosság mértéke pedig attól függ, illetve aszerint változik, hogy az elem már milyen mélységben helyezkedik el a talajban.

Végállapotban a geotechnikai számításokból adódó terhek és megtámasztási viszonyok az említett iterációs folyamatokat követően viszonylag jól meghatározhatók egy adott geotechnikai környezetben, de a beépítési módok, a környezet és a fellépő erők változatossága nagyon sok variáció átgondolását és kidolgozását igényli. Ilyen példákként említhetők a hátrahorgonyzás és a jégteher hatásai. A variációs szintet nagyban növeli a teljes szádfalrendszer rugalmasságát és költségoptimalizálási lehetőségét biztosító betételemek beépítésének lehetősége is, amely két szádelem közé kerülhet, ezáltal csökkentve a kivitelezési gép munkaidő-mennyiségét.

8. ábra: Lehajtás során az erő és támasz hatásvonalainak külpontossága

Az elem tervezése során a gyártóval közös munka lehetőségének köszönhetően, a rengeteg variáció okozta munkamennyiség eredményeként egy innovatív és hatékony elem jöhetett létre, amely akár kisebb átalakításokkal az igények nagy skáláján bevethető. A

számítógépes modellezési fázison túlérve a szádfalelemek először 1:20 modellméretben készültek el mikrobetonból, valamint 3D nyomtatóval műanyag elemenként is, majd ezt követően állították elő az első életnagyságú elemeket a CSOMIÉP telephelyén. A prototípusokkal a múlt év őszén megtörténtek az első próbaverések is, aminek tapasztalatai alapján elvégeztük a terveken a pontosításokat és legyártották az újabb elemeket is

9. ábra: a) általános támasz- és teherviszonyok az elemben b) kihorgonyzás hatása az elemre c) jégteher hatása d) közbenső betételemek alkalmazása esetén fellépő teher

ÖSSZEFOGLALÁS

Bízunk benne, hogy a fejlesztésre szánt idő, energia és mérnöki szaktudás, amelylyel az előzőekben felvetett problémákra és kérdésekre kerestük a válaszokat, illetve a megoldásokat, valódi sikereket és megvalósult építményeket fog szolgálni még hosszú éveken keresztül. Reméljük, hogy ez a hazai fejlesztésű vasbeton szádfalelem megfelelően és hatékonyan fogja tudni kiszolgálni a manapság egyre nagyobb társadalmi igényként jelentkező élővizek védelmét, azok életterünkbe való aktívabb bevonását. Ezek fő eleme lesz a partvédelem, amelynek segítségével megakadályozhatjuk az eróziót, valamint sporttevékenységhez (pl.: vitorláskikötő) és vízközeli kikapcsolódáshoz (pl.: lidos parti sétány) hozhatunk létre partszakaszokat. Az elemcsalád fejlesztése során a geotechnikai, statikai, betontechnológiai és kivitelezési szempontokat egyaránt figyelembe vettük, amelynek eredményeként műszakilag hatékony, de esztétikailag mégis impozáns termék jöhetett létre.

A termékcsalád kifejlesztésekor a geotechnikai viszonyokat érintő, általában az élővizek partjainál előforduló kedvezőtlen, szerves, puha talajok jelenlétével is számoltunk, azonban a bordarész megnyújtásával a mélyebben található kedvezőbb rétegeket is sikerült az erőjátékba bevonni. Ám ezen alapvető hatások mellett a szerkezet tervezése során számtalan más hatást is figyelembe kell venni. Szerencsénkre manapság már nagy segítséget nyújtanak e problémák modellezésére és számítására a 3D végeselemes tervezői programok, ahol a geotechnikai és tartószerkezeti számítások az iterációs lépéseken keresztül valósághűen tudják visszaadni a tervezéshez szükséges igénybevételeket és mozgásokat.

A termékfejlesztés műszaki újdonságát és sikerét mutatja, hogy a szádcölöp elnevezésű előregyártott vasbeton szádfalelemcsalád iparjogvédelem alatt álló termék lett, amely idén a Magyar Termék Nagydíj elismerést is megkapta.