1. Bevezetés

A műanyag-kompozitok kiváló egyedi tulajdonságai a járműipartól kezdve a gépiparon át az építőiparig számos területen előnyösen felhasználhatók. A szálerősített műanyag-kompozitok kedvező szilárdság-­tömeg aránya, a kialakítható tartókeresztmetszetek nagy változatossága, a kis térfogatsűrűségből származó egyszerűbb daruzhatóság, a korrózióállóság, az esztétikus megjelenés olyan kedvező lehetőségek, amelyeket gyaloghidak esetében kiválóan lehet kamatoztatni.
A szálerősített műanyag-kompozit ele­mek fejlesztése, gyártása területén az oroszországi APATEK cégcsoport jelentős eredményeket ért el. A cikkben közölt adatok, vizsgálati értékek az általuk készített termékekre vonatkoznak. Számos referenciájuk közül a 2004-ben épült gyaloghíd, amely 13,20 + 15,00 + 13,20 m nyílású, és 3,0 m széles, az 1. ábrán látható.

A Koszino vasútállomási gyaloghíd 2005-ben készült el 47 m-es teljes hosszúsággal és 5 m-es szélességgel (2. ábra).

Három vágány felett átívelő szálerősített műanyag-kompozit hidat mutat a 3., és a 4. ábra.

2. A szálerősített műanyag-kompozit szerkezeti elemek gyártása

A műanyag-kompozitok olyan összetett anyagok, amelyek két vagy több, anyagszerkezetükben és méreteikben különböző anyag társításából épülnek fel a hasznos tulajdonságok kiemelése és a káros tulajdonságok csökkentése céljából.
A szerkezeti elemek pultrúziós (áthúzásos) technológiával készülnek. A teljesen automatizált eljárás során az erősítő szálak folyamatosan feszítve, állandó pozícióban vannak. A kötegekké egyesített szálak (rovingok) folyamatosan tekerednek le az orsókról, megfelelő formákon áthaladva alakul ki a keresztmetszet, miközben egy eszköz meleg gyantát sajtol a szálak közé (5. ábra). A keresztmetszet középső részén a szálak a hossztengellyel párhuzamosak, míg a kerület mentén többirányú (0°, 90° és ±45°) szálakból álló fonat helyezkedik el. Kívül egy – szintén többirányú szálakból készült – fátyol akadályozza meg a szálak felszínre kerülését. Ez utóbbi rétegnek az is feladata, hogy védje a szelvényt a felszíni sérülésektől, valamint a nedvességgel, vegyi hatásokkal és UV sugárzással szemben nagyobb ellenállást biztosítson.

3. A szerkezeti elemek anyaga és annak vizsgálata

Az erősítő töltőanyag 2–25 μm átmérőjű, különböző vastagságú fonalból álló, folyamatos üvegszál. A kötőanyag hőre lágyuló gyanta (pl. vinilészter, epoxi-poliészter) a szükséges diszperziós töltőanyagok, pig­men­tek, katalizátorok és a kötőanyag edzési reakciója gyorsítójának hozzáadásával. A mechanikai igénybevételekkel, a környezeti hatásokkal szembeni ellenállóságot telített poliuretán bevonat biztosítja. 
Az APATEK cég SZPPSZ–240 és SZPPSZ–340 anyagtípusú termékeket gyárt. A jelölésben az egyes betűk, számok jelentése a következő:
SZ – üvegszál-erősítésű műanyag,
P – profilozott,
P – pultrúziós gyártási eljárás,
SZ – építési termék,
240, illetve 340 – húzószilárdság MPa-ban.
Az ezekre az anyagokra vonatkozó fizikai-mechanikai jellemzőket az 1. táblázat foglalja össze. A szálerősítés következtében a jellemzők értékei eltérőek a gyártási, illetve arra merőleges, keresztirányban. 

Szerződéses munka keretében módunk volt a kétféle anyagot laboratóriumi vizsgálatoknak alávetni. A próbatestek alakját, méreteit, a végrehajtás módját EN, illetve MSZ EN szabványok határozzák meg. A vizsgálatok során készült fényképek, diagramok jól mutatják a kétirányú viselkedés közötti különbséget.  
A hajlítószilárdság meghatározását az MSZ EN ISO 14125:1999 szabvány szerinti hárompontos terheléssel kell meg­állapítani. A terhelési elrendezést a 6. ábra mutatja.

A 6. ábrán látható méretek:
SZPPSZ–240 anyag, 4 mm vastag próbatestek L = 64 mm és ℓ = 80 mm,
SZPPSZ–240 anyag, 5 mm vastag próbatestek L = 80 mm és ℓ = 100 mm,
R1 = R2 = 5 mm.
Az SZPPSZ–340 anyagú, hossz-, illetve keresztirányban kimunkált próbatestek teher alatti keresztmetszetének tönkremenetele a 7. ábrán látható. A maximális erőértéknél klasszikus törés nem következik be. A hajlító-húzó feszültség – relatív megnyúlás diagramot a 8. ábra mutatja.

A húzószilárdsági vizsgálat (MSZ EN ISO 527-1:1999 szabvány) során készült 9. ábra jól mutatja, hogy a hosszirányban kimunkált próbatestek nem egy határozott keresztmetszetben szakadnak el. Tönkremenetelükkor, azaz akkor, amikor már nagyobb húzóerőt felvenni nem tudnak, a rétegek között következik be szakadás, amely azután a próbatestek kétoldali vállrészein fut ki az alsó vagy a felső felületre.
Keresztirányban kimunkált próbatestek esetében a szakadás mindig egy keresztmetszetben következik be, valahol az állandó méretű, csökkentett szélességű szakaszon belül. 
Az SZPPSZ–340 anyagú, hossz-, illetve keresztirányban kimunkált próbatestek húzási diagramjai a 10. ábrán láthatók.

A palástnyomási szilárdság vizsgálata az EN 13706-2:2002 szabvány által meghatározott méretű próbatestekkel (11. ábra), speciális befogóeszközzel (12. ábra) történik. Gyakorlatilag megadott átmérőjű tüskével a kiszakítás jelenségét kell előidézni.

A tönkremenetel a hosszirányban kimunkált próbatestek esetében úgy következett be, hogy a furatátmérő szélességének megfelelő sávot a terhelő tüske kiszakította. A keresztirányban kivágott próbatesteknél tönkremenetelkor a furat tengelyében történő átszakadás történt (13. ábra).

A 4×5 db próbatest vizsgálatával megállapított palástnyomási szilárdsági értékek:
SZPPSZ–240 anyag esetén:

• hosszirányban átlag 413 MPa, szórás 20 MPa,
• keresztirányban átlag 232 MPa, szórás 16,1 MPa,
• SZPPSZ–340 anyag esetén:
• hosszirányban átlag 435 MPa, szórás 19,5 MPa,
• keresztirányban átlag 318 MPa, szórás 12,5 MPa.

A rétegek közötti tengelyirányú nyíró­szilárdság vizsgálata az MSZ EN ISO 14130:1999 szabvány alapján történik. Tönkremeneteli állapotot mutat be a 14. ábra.

A 2×5 db próbatest vizsgálatával megállapított tengelyirányú palástnyomási szilárdsági értékek:

• SZPPSZ–240 anyag esetén átlag 38 MPa, szórás 1,2 MPa,
• SZPPSZ–340 anyag esetén átlag 33 MPa, szórás 1,5 MPa.

A teljes keresztmetszet hajlító vizsgálatát az EN 13706-2:2002 szabvány D fejezete alapján végeztük, SZPPSZ–240 anyagú, kalodákkal összefogott 2 db U–240 × 72 × 12-es gerendával. A terhelési elrendezést a 15. ábra mutatja.

A statikus felterhelés sebessége 120 kN/ min volt. Lehajlásmérés a támaszköz felében (a teher keresztmetszetében), az alsó övön, mindkét tartón történt. A lehajlásértékeket számítással is ellenőriztük. Az egyenes vonalú szerkezeti elemek deformációjának meghatározásakor figyelembe kell venni a hajlítási, valamint a nyírási alakváltozásokat is. A tartó hossza mentén bármely „z” pontban az alábbi kifejezéssel határozható meg a tartó lehajlása:


Az f(z) függvények maximumai kéttámaszú tartó és tartóközépen álló koncentrált teher esetében a következők:


A függvénymaximumokat a lehajlási képletbe helyettesítve:


ahol
F = terhelőerő (N),
L = támaszköz, esetünkben 1200 mm,
Eb = hajlítási rugalmassági modulus, az APATEK cégcsoport közlése alapján 10 mm-nél vastagabb falú idomra 28 000 MPa,
I = a 2 × U szelvény inerciája vízszintes tengelyre, esetünkben 66 076 000 mm⁴,
Gb = hajlítási rugalmassági modulus, az APATEK cégcsoport közlése alapján 3000 MPa,
A = keresztmetszeti terület, a vizsgált szelvényekre együtt 4363 mm².
A 3 db gerendapár hajlítása során mért értékeket a számított értékekkel a 16. áb­rán hasonlítottuk össze. A mérési eredmények egyforma teher alatti viselkedést bizonyítanak.

A gerendapárt fárasztó igénybevételnek is kitettük. A vizsgálati paraméterek az alábbiak voltak:
alsó erő: 5 kN,
felső erő: 80 kN,
frekvencia: 5 Hz,
ciklusok száma: 2 millió.

A fárasztást előre meghatározott ciklusszámok elérésekor megszakítottuk, és statikus terheléseket végeztünk a gerendapáron, hogy megállapítsuk, hogyan változik a maximális teher (160 kN) alatt a lehajlás a fárasztás hatására. A mért lehajlási értékek minden esetben 5,8–5,9 mm között voltak, tehát az elvégzett fárasztás a tartó lehajlási viselkedésében változást nem okozott. 
A Széchenyi Egyetem Elektrotechnika La­boratóriumában elvégzett villamos vizsgálatok alapján megállapítottuk, hogy a próbatestek és a velük azonos műszaki jellemzőjű anyagdarabok villamosan szigetelők, mivel átütési szilárdság értékeik meghaladják a 250 kV/cm értéket. Ugyanakkor az MSZ EN 61340 szabvány meghatározása szerint elektrosztatikailag nem vezetők, mert fajlagos térfogati ellenállásuk magasabb, mint 104 Ωm. Megfelelő kialakítással elektrosztatikailag földelhetők, mivel az MSZ EN 61340 szabvány által – a levezetési ellenállásra – meghatározott 106 Ω teljesíthető.

4. Az APATEK cég termékei

Az APATEK cég lapos és szögelemet, zártszelvényt, U tartót és I tartót, valamint csőszelvényű elemeket gyárt. Az I tartók méretválasztékát a 2., az U tartókét a 3. táblázatban foglaltuk össze. 

A tartószerkezeti profilelemeket az alábbi feltételek szerint lehet alkalmazni:
• hőmérséklet-intervallum: –60 °C… +80 °C,
• páratartalom: száraz, normál, nedves,
• a külső környezet agresszivitási fokozata: nem agresszív, enyhén agresszív,
• tűzvédelem: mérsékelten éghető anyag, mérsékelten tűzveszélyes anyag.
A pultrudált szelvények kapcsolatai lehetnek csavarozottak és ragasztottak is, de egy kapcsolaton belül csak azonos típusú kötések (vagy csavarozott, vagy ragasztott) lehetnek.

5. Általános tervezési irányelvek

Magyarországon szálerősített műanyag-kom­pozit anyagú szerkezetek tervezésére vonatkozó szabványok, előírások nincse­nek. Ez a probléma a legtöbb európai or­szágban fennáll, így az ilyen anyagú szer­kezetek kísérleti jelleggel, ideiglenes előírások, illetve ajánlások alapján készülnek. Az Egyesült Királyságban viszont már 2005 májusa óta érvényben van a BD 90/05 jelű ágazati tervezési útmutató, melynek 17. része foglalkozik szálerősített műanyag-kompozit anyagú hidak és autópálya-szerkezetek tervezésével.
A méretezés célja – mint általában, itt is – annak bizonyítása, hogy a tervezett szerkezet a szabványokban előírt terhek és hatások, illetve azok kombinációi esetén nem lépi túl a teherbírási és a használhatósági határállapotokat. A szálerősített műanyag-kompozit termékek anyagjellemzői azonban jelentősen különböznek a szokásos szerkezeti anyagok (acél és vasbeton) anyagjellemzőitől, ezért az ilyen anyagú szerkezetek tervezése sok tekintetben eltér a hagyományos anyagú tartószerkezetekétől.
A jelenleg használatos szálerősített műanyag-kompozit anyagok és szerkezeti elemek az acélhoz viszonyítva általában nagy szilárdsággal és kis merevséggel ren­del­keznek. Ezért a tervezés szempontjából inkább a lehajlások, mintsem a feszültségek, azaz inkább a használhatósági, mintsem a teherbírási határállapotok a mértékadóak.
A szálerősített műanyag-kompozit anya­­gok esetén a legnagyobb tervezési feszültség és szakítószilárdság aránya lényegesen kisebb, mint a szerkezeti acéloknál. Ennek egyik oka az, hogy ezek az anyagok törésig rugalmasan viselkednek (a törést nem előzi meg folyás), így képlékeny igénybevétel-átrendeződés nem léphet fel úgy, mint az acélszerkezetek esetében. További ok, hogy belső repedések miatt egyes szálak teherbírása csökken, illetve tartós terhelés esetén a gyantában lassú alakváltozás lép fel. Hídépítés területén a szálerősített műanyag-kompozit anyagokkal kapcsolatban viszonylag kevés tapasztalat gyűlt össze eddig, ezért a hosszú távú viselkedésüket illetően van még bizonytalanság. Az előbbiekből következik, hogy a számításokban lényegesen nagyobb parci­ális tényező alkalmazása szük­séges, mint a hagyományos szerkezeti anyagok esetén.
Tehát a szálerősített műanyag-kompozit anyagból készült szerkezetek tervezését befolyásolják a hagyományos szerkezeti anyagokétól lényegesen eltérő anyagjellemzők. Ezek hatással lehetnek a kész szerkezet viselkedésére és a szerkezet gyártására, szállítására és szerelésére is. A legfontosabb különbségek:

• Az igen kicsi önsúly különböző összeszerelési és szállítási módokat enged meg.
• A szálerősített műanyag-kompozit anyagok általában lineárisan rugalmasan viselkednek törésig, azaz nincs a szerkezeti acélokra általában jellemző képlékenységük, ezért a képlékenységet is figyelembe vevő számítási módszerek alkalmazása nem megengedett.
• A szálerősített műanyag-kompozit anyagok tulajdonságai a vizsgált iránytól is függenek, és függvényei a szálak szilárdságának és mennyiségének. Egyirányú szálak esetén a keresztirányú jellemzők nagyon alacsony értékűek.
• A lokális feszültségkoncentráció hatása a szálerősített műanyag-kompozit anyagok kis duktilitása miatt más, mint acél esetén lenne. Ezért a kapcsolatok, illesztések, lyukak stb. hatása is különböző. A tervezőnek az adott terheléssel összefüggésben vizsgálnia kell ezeket a hatásokat.
• A lokális feszültségkoncentráció korlátozása érdekében különös figyelmet kell fordítani a saruk és csuklók kialakítására, valamint a korlátok és egyéb szerelvények rögzítésének tervezésére.
• Különös figyelmet kell fordítani azokra a terhekre, amelyek nem a szálak főirányában hatnak.
• A szálerősített műanyag-kompozit anya­goknak az acélhoz viszonyítva lényegesen kisebb rugalmassági modulusa nagyobb elmozdulást és dinamikus hatást eredményez. A stabilitásvesztés is gyakoribb, mint az acélszerkezetek esetében.
• A használhatóságot inkább a lehajlások, mintsem a feszültségek korlátozzák. Az üzemi feszültségeknek a szilárdsághoz viszonyított aránya sokkal kisebb, mint az acélszerkezeteknél.
• Különböző tönkremeneteli módok lehetségesek. A mikroszkopikus méretekkel kezdődő károsodások a szerkezeten csak alig látható elváltozásokat okoznak.