Dr. Balázs L. György, Dr. Sólyom Sándor, Kardos Gábor, Pető László, Dubrovszky Gábor: Szénszál erősítésű feszített U-keresztmetszetű tartó fejlesztése a Ferrobeton Zrt.-nél
Olyan feszített tartók fejlesztését tűzték ki célul a 2018-1.3.1- VKE-2018-00003 azonosítójú „Korszerű betonelemek anyagtudományi fejlesztése” című kutatási projekt keretén belül a konzorciumi tagok – Uvaterv Zrt., BME Építőanyagok és Magasépítés Tanszék és Ferrobeton Zrt. –, amelyek önsúlya és tartóssága (pl. korrózióval szembeni ellenálló képessége) a napjainkban használatos, szokványos tartókhoz képest előnyösebb.
A 2021 júniusában megjelent cikkünkben bemutattuk a T-keresztmetszetű, FPT-45-s tartók – 8,80 m hosszú, 450 mm magas –, gyártását amelyek az elektrolitikus korróziónak ellenálló szénszál erősítésű feszítőpászmák (CFCC® – Carbon Fiber Composite Cable, Tokyo Rope International Inc.) felhasználásával készültek. Jelen cikkünkben azonos pászmákkal feszített U-keresztmetszetű tartó fejlesztésének, gyártásának és hajlítóvizsgálatának rövid bemutatására fókuszálunk.
Szénszál erősítésű feszítőpászmák
Szakirodalomkutatás és a gyártóval folytatott megbeszélések alapján a 15,2 mm névleges átmérőjű héteres CFCC pászmák felhasználása mellett döntött a konzorcium. A pászma jellemző tulajdonságait – gyártói adatközlés alapján – az 1. táblázatban foglaljuk össze. A CFCC pászmát az 1. ábrán mutatjuk be.
1. táblázat Szénszál erősítésű feszítőpászma jellemzői (CFCC – Carbon Fiber Composite Cable)
A CFCC pászmák legfontosabb előnyös tulajdonságai az elektrolitikus korrózióval szembeni ellenállás, azonban számos kitűnő jellemzővel rendelkeznek, mint például: a nagy szakító- és fáradási szilárdság, a kis testsűrűség, valamint a nem mágnesezhetőség stb.
A CFCC pászmák 2 550 N/mm² szakítószilárdsága megközelítőleg 35%-kal nagyobb, mint a szokásosan használt acél feszítőpászmák szilárdsága, azonban a rugalmassági modulusa (155 000 N/mm²) megközelítően 80%-a az acélpászmákénak (195 000 N/mm2 ). Ezen tulajdonságok általánosságban úgy értékelhetők, hogy a szénszál erősítésű pászmákkal feszített szerkezeti elemek esetén várhatóan nagyobb teherbírás érhető el, kissé megnövekedett alakváltozások mellett.
1. ábra Szénszál erősítésű feszítőpászma (CFCC)
A tartó geometriai jellemzői, gyártása
Azért döntöttünk U-keresztmetszetű tartó fejlesztése mellett, mert – szintén a projekten belül kidolgozott – íves szövet és/vagy szálerősítésű beton héjelemekkel kitűnően alkalmazható akár tetőhéjalási rendszerként, vagy hídgerendák esetén bennmaradó zsaluzatként.
A kifejlesztett tartó 24,80 m hosszúságú, a keresztmetszet magassága 900 mm, az alsó öv szélessége 600 mm, míg a felsőé 1 240 mm (2. ábra).
A tartó gyártása során készült fényképfelvételeket mutatunk be a 3. ábrán. Az alsó övben 16 CFCC pászmát helyeztünk el, a felső övben pedig 4 acélpászmát (FP 139/1860), azonos névleges átmérővel (15,2 mm). A kengyelek és egyéb nem feszített vasalás hagyományos acélbetétekből készültek. Az alkalmazott beton tervezett nyomószilárdsági osztálya: C50/60.
2. ábra A tartóvég vázlata (mértékegység: mm) és fényképfelvétele
Az előző cikkben bemutatott speciális technológiai aspektusoknak (pl. a lehorgonyzó elemek megfelelő eltolással való kiosztására, a CFCC pászmák átvezetése a véglapokon a felületen elhelyezkedő szálak sérülése nélkül) ez esetben is különös figyelmet szenteltünk.
Az Uvaterv Zrt. statikai számításai alapján meghatároztuk a feszítőerőket, amik feszítőelemenként 162 kN erőnek felelnek meg, mind az acélpászmák, mind pedig a CFCC pászmák esetén.
Az előkészítési folyamatok után 2022 januárjában történt a tartó sikeres gyártása, hajlítóvizsgálata pedig márciusban. A szerzők ismeretei szerint az itt bemutatott prototípus tartó gyártása – ebben a méretrendben – nemzetközi vonatkozásban is első alkalmazásnak tekinthető U-keresztmetszet esetében.
A tartó vizsgálata
A tartó viselkedésének megismerése érdekében hajlítóvizsgálatot végeztünk, így az elvárt (számított) viselkedést (pl. lehajlások) összevethettük a kísérleti eredményekkel. A gerenda terhelése a Ferrobeton Zrt. dunaújvárosi üzemében történt. A terhelést a Ferrobeton Zrt. kollégái végezték a BME Építőanyagok és Magasépítés Tanszéke segítségével. A gerendát az Uvaterv Zrt. tervezte.
A 2. ábra képi részén látható, hogy a próbaterhelés végrehajthatósága érdekében olyan vasbeton fogazott alátámasztó gerenda készült, melyben alátét műszaki gumilemezre helyezték el a terhelendő tartót oldalsó fa rétegelt lemez hézagkitöltések mellett. Ez a szerkezeti kialakítás biztosította, hogy a terhelt elem tartóvége a próbaterhelés során ne tudjon kifordulni a támaszokból.
A gerenda geometriai méretei miatt, továbbá biztoságtechnikai megfontolásokból a gerendát nem terheltük tönkremenetelig, azonban a használhatósági határállapotban bekövetkező viselkedést megfigyelhettük, így lehetőség marad arra, hogy e nagy értékű prototípus gerendát bemutató jelleggel felhasználhassuk (pl. kísérleti gyaloghíd).
A tartót útpályaelemek segítségével terheltük (4. ábra). A mezőközépre – szimmetrikusan – négy sorban és négy oszlopban helyeztünk el összesen 16 darab 3,0×1,45×0,2 m (h×sz×m) terhelőelemet. Az egyes útpályaelemek tömegét mértük, ami alapján megközelítőleg 24,12 kN/m egyenletesen megoszló terhelés adódik a fesztáv középső 12 m hosszúságú részére. Az útpályaelemek elhelyezését soronként végeztük. Mértük a tartó lehajlását a szabad nyílás (23,80 m) felénél és negyedénél. Ezen lehajlási értékeket a támaszsüllyedésekkel korrigáltuk.
4. ábra Hajlítóvizsgálat
A mért maximális lehajlás mezőközépen 50 mm volt, amit a kezdeti 10,4 mm felhajlással korrigálva 39,6 mm értéket kapunk. Megfigyeltük, hogy a kísérleti úton meghatározott lehajlási értékek lényegesen alacsonyabbak voltak, mint a számított értékek.
A tehermentesítés után a tartó mért maradó alakváltozása megközelítőleg 7,9 mm volt, így a kezdeti felhajlást figyelembe véve a tartó terhelés és tehermentesítés utáni felhajlása 2,5 mm. A vizsgálat befejeztével 3 hónapon keresztül követtük a felhajlás változását, amely – növekedő tendenciát mutatva – 8,0 mm volt a vizsgált periódus végén.
A prototípus tartó fejlesztése, gyártása és próbaterhelése jelentős tudományos szakmai teljesítményként értékelhető. A jelenleg a piacon elérhető műgyantába ágyazott szénszálas pászma magasabb anyagköltsége és komplexebb feszítési technológiája késlelteti a tartó nagymértékű elterjedését. Ilyen szerkezeti elemek alkalmazása – napjainkban – olyan környezeti körülmények között a legindokoltabb, ahol jelentős kémiai terhelésnek kell ellenállni nagy használati élettartamot figyelembe véve, vagy a CFCC pászma egyéb előnyös tulajdonságai (pl. nem mágnesezhető) kiemelkedő fontosságúak.
A technológiában jelentős előrelépést jelenthetne egy gyorsabb, akár csoportos feszítést megvalósító módszer. Egy lehetséges megoldás kidolgozása a kutató-fejlesztő konzorcium mérnökeiben is megfogalmazódott, a kezdeti fejlesztési lépéseket elvégezték, azonban a módszer ipari körülmények közötti validálása a cikk megjelenéséig nem fejeződött be.
Anyag oldali megközelítésben a konzorciumi tagok egy újabb kutatás-fejlesztési projekt kapcsán folytatják a nem acélanyagú betétek alkalmazhatóságának kutatás-fejlesztését, és várható olyan eredmény, ahol rövid időn belül piacképes szénszál erősítésű betétekkel megvalósított szerkezet jöhet létre. Az agyagköltséget nagymértékben csökkenti, hogy az armatúrák hazánkban – egy bejegyzett szabadalom alapján – készülnek, jórészt hazai alapanyagok (beleértve a szénszálakat is) felhasználásával.
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
A cikk szerzői köszönetet mondanak a 2018-1.3.1-VKE-2018-00003 azonosítójú „Korszerű betonelemek anyagtudományi fejlesztése” című projekt keretén belül biztosított kutatási támogatásért.
(fotók, ábra: Ferrobeton Zrt.)
