Szintetikus makroszál-erősítésű aknák
Bevezetés
Hazánkban jellemzően monolittechnológiával készítik a vasúti pálya mellett telepített távközlési beton megszakító létesítményeket (továbbiakban akna). Az aknák gyakran kerülnek a nyomvonal terhelési zónájába, így a szerkezetnek a dinamikus és ciklikus vasúti terhek felvételére is alkalmasnak kell lennie. A hazai vasúti előírások alapján ezeknek az aknáknak megfelelő teherbírás mellett az előírt duktilitást is ki kell elégíteniük, így jellemzően vasbeton szerkezetként tervezik őket (1. ábra).
A talajjal érintkező, talajban levő vasbeton szerkezetek esetében a betonacélok korróziója szinte elkerülhetetlen, a betontakarás megnövelése sem garancia erre. A megnövelt betontakarással a vasak a semleges tengely irányába tolódnak, statikailag kedvezőtlenebb pozícióba. Az aknafalak vastagsága miatt a minimális vasmennyiség értéke jóval magasabb, mint az egyébként a teherbíráshoz szükséges lenne, így a vasmennyiség sok esetben túlzó. Ezenfelül a vasak méretre szabása, hajlítása, szerelése, pozicionálása jelentősen lassítja a kivitelezési folyamatot.
Felmerült a szintetikus makroszálak alkalmazása a vasbetétek helyett, ami a fenti problémákra megoldást kínálhat. A szintetikus makroszálak jellemzően poliolefinanyagúak (polietilén, polipropilén, illetve ezek keveréke), a korróziós veszély minimális, a legtöbb savas közeggel szemben jó ellenállást tanúsítanak. Jelen cikkben a hagyományosan vasalt aknák szintetikus makroszál-erősítésű betonra történő áttervezési folyamatát mutatjuk be, a szabványi hátterét, a kivitelezővel és üzemeltetővel történt egyeztetéseket és valós tesztelési eljárások eredményeit. Végül ismertetjük a fenntarthatósági elemzésünk eredményeit.
Vasbeton a megoldás
A tartószerkezetek méretezésének európai szabványa a tíz szabványból álló Eurocode szabványgyűjtemény. A vasbeton akna méretezése során a hatáskombinációk az EN 1990:2011, a terhek és hatások az EN 1991-1-1:2005 szabvány alapján került felvételre, míg a beton- és vasbeton szerkezetek mechanikai ellenállása, tartóssági és használhatósági méretezési módszerei és előírásai az EN 1992-1-1:2010 szabvány alapján került alkalmazásra. A szerkezetre jutó további, vasúti terhelésből származó terheket az e-VASÚT 02.10.20 előírás definiálja.
A vasbeton szerkezetek tervezésének fontos része a beton környezeti osztályának megállapítása. Jelen esetben az EN 206:2013 alapján XC2 és XF2, míg az MSZ 4798:2016 alapján pedig a XV0(H) környezeti osztály lett megállapítva. A környezeti osztályok feltételei alapján a beton szilárdsági osztálya legalább C25/30 legyen, víz-cement tényezője legfeljebb 0,55, míg a minimális cementtartalom legalább 300 kg/m3. CEM III/A cement esetén az EN 206:2013 alapján egy k=0,6 tényezővel szükséges módosítani az értékeket, így a maximális víz-cement tényezőt 0,47-ra, míg a minimális cementmennyiséget 349 kg/m3 értékre kellett változtatni. A pontos keveréktervet az 1. táblázatban adjuk meg.
A betonacél szilárdsági osztálya B500, az EN 1992-1-1 szerint.
Az akna elhelyezkedése függvényében az akna falára ható vasúti teherből keletkező talajterheléseket a 2. ábrán mutatjuk be. Az aknára ható további terhek: talaj önsúlyából és talajvízből keletkező nyomás, illetve talajfelszíni terhek: pályaszerkezet önsúlya és járműterhelés.
Egy tipikus vasbeton akna terve a 3. ábrán látható. A munkagödör elkészítése után a földfalakat geotextillel burkolják, amely megakadályozza a talaj visszahullását. Az elkészített szerelőbetonra kerül az alaplemez vasalása, majd kibetonozásra kerül. A kiálló U vasakkal folytonosítják a falak vasalását, majd egy belső zsalu elhelyezése után a falak is kiöntésre kerülnek. Végül a falak tetejére L60.60.6 szögacél keretet építenek, amely a fogadóeleme lesz az aknafedőnek.
Makro szintetikus betonerősítő szálak
A beton szálerősítésének gondolata majdnem egyidős a vasbetonéval. Az első vasbeton szerkezetnek Joseph Louis Lambot mérnök 1848-ban készített csónakját tartják, míg a szálerősítésű beton szabadalma Achille Bérard amerikai mérnök nevéhez fűződik 1874-ből. Ez a szabadalom a beton szabálytalan alakú vashulladékkal történő megerősítéséről szól. Az 1900-as években jelent meg az azbeszt szálerősítésű cementhabarcs, amelynek használatát azonban egészségkárosító hatása miatt hamarosan betiltották. Kiváltására 1968-tól alkalmaznak mikroüveg szálakat, és ugyanebben az évben jelent meg az acél szálerősítésű beton egyik legelső tudományos publikációja is Romualdi és Batson kutatóktól. A polipropilénszálakat 1954-től gyártják, 1965-től beton szálerősítéseként is használják. Az egyik legelső gyártó az amerikai Propex cég volt, amely 1982-től forgalmazta Fibermesh nevű szintetikus mikroszálukat. A mikroszálak (monofilament és fibrillált) a kezdeti zsugorodás okozta repedések gátlására, illetve a beton tűzállóságának a növelésére alkalmasak leginkább, de alacsony maradó szilárdsága miatt tartószerkezeti tervezésnél nem lehet figyelembe venni. Az első, már jelentős maradó szilárdsággal rendelkező makroszálak megjelenése az 1990-es évekre tehető. Legelső komoly kutatásban részt vevő ilyen szálat a 3M cég gyártotta. A 2000-es évektől már számos cég vett részt ebben az iparágban, de a szintetikus makroszálak igazán csak az acél árának jelentős emelkedése után lettek egyre népszerűbbek és elfogadottabbak.
A szintetikus makroszálak legnagyobb előnye az acéllal szemben a teljes korrózióállóságuk, amely talajjal érintkező betonszerkezetek esetén nagy jelentőséggel bír. Alkalmazásukat tekintve adagolásuk, keverésük jelentősen egyszerűbb, az acélszálakra jellemző csomósodásra kevésbé hajlamosak.
Hátrányukként említik az alapanyag kúszási hajlamát, illetve az alacsony olvadáspontját, amely bizonyos szerkezetek esetén valóban hátrányos lehet. Ezeket a tulajdonságokat vizsgálni kell, hatásukat pedig mérnökileg mérlegelni szükséges az adott szerkezet esetén.
Szálerősítésű beton
Jelenleg szabványszinten nincs szabályozva a szálerősítésű beton méretezése, az Eurocode nem tartalmaz erre vonatkozó eljárásokat. Ugyanakkor a jövőben megjelenő Eurocode L melléklete már tartalmazni fog méretezési módszereket, amiket a fib Model Code 2010 nevű irányelvből vesznek át. A fib Model Code-ot előszabványnak is hívhatjuk, amelyet számos nemzeti irányelv tapasztalatai alapján alkottak meg.
A méretezés során mindenképp szabványos méretezési módszerre akartunk támaszkodni, így az üzemeltetővel és kivitelezővel a következő megoldást választottuk. A szerkezetet teherbírási (ULS), használhatósági (SLS) és fáradási (FAT) határállapotokban vasalásmentes betonszerkezetként méreteztük, míg a duktilitási vizsgálatnál a fib Model Code alapján készítettük el a számításokat. Vasalásmentes betonszerkezetek esetében az Eurocode egy módosító tényezőt használ, amellyel figyelembe veszi az anyag alacsony duktilitásából adódó alacsonyabb biztonságot.
A beton berepedése után a szálak elkezdenek dolgozni, amelynek során a repedést áthidalják, így a repedési síkon további feszültséget képesek felvenni. Ezt a feszültséget hívjuk maradó feszültségnek, amelyet szabványos gerendateszt-vizsgálattal (EN 14651) lehet meghatározni (4. ábra).
A vizsgálat során kapott FR,j (j=1,2,3,4) értékekből (4. b ábra) származtathatjuk a szálerősítésű beton fR,j anyagparamétereit, amelyeket a számításban használunk fel.
Egy tipikus szintetikus makroszál-erősítésű betonszerkezetű akna megoldását az 5. ábrán mutatjuk be. Eltérően a vasbeton szerkezetű aknáktól, itt először a falakat építik meg külső földzsalu és belső acélzsalu segítségével, majd tüskés vagy fogas kapcsolattal készítik el az alsó lemezt.
Végeselemes méretezések
A szálerősítésű beton pontos méretezésére leginkább fejlett végeselemes programok alkalmasak. Az általunk használt szoftver az ATENA, amelyet a Cervenka Consulting cseh cég fejleszt. Az ATENA a világ egyik vezető beton- és vasbeton szerkezetekre specializálódott szoftvere, amelyben a szálerősítésű beton anyagmodell dr. Juhász Károly Péter doktori munkája alapján készült a FibreLAB projekt keretein belül (fibrelab.eu).
A szoftver segítségével különböző terhelési állapotokban meghatározható a szerkezet alakváltozása, a keletkező feszültségek és a repedések megjelenésével azok iránya és tágassága. Az egyik vizsgált akna repedezett állapota a 6. ábrán látható.
A méretezések elvégzése után megállapítható volt, hogy a legtöbb akna esetében a 4 kg/m3-es adagolású szálerősítésű beton alkalmas volt a terhek viselésére. A száltípus kiválasztásánál a japán fejlesztésű és gyártású BarChip 48 típusú makroszálra esett a választás, ami már bizonyított más vasúti projekteknél is (Nagy, Juhász).
Karbonlábnyom-számítások
Globális fejlődésünknek fontos részét képezi a fenntarthatóság. Általánosságban egy szerkezet előállítása során négy jelentős munkafázisról beszélhetünk, amely hatalmas környezeti terhelést jelent: tervezés, nyersanyaggyártás, anyagszállítás és helyszíni kivitelezés. A tervezés kevesebb mint 1%-át adja, a nyersanyag előállítása 90%-át teszi ki a projekt teljes CO2-lábnyomának, míg az anyagszállítás és a helyszíni kivitelezés rendre 3 és 6%-ot jelentenek. Ezen adatok projektenként eltérhetnek, értékük nagyban függ a tervezéstől és a felhasznált alapanyagoktól.
Szignifikáns CO2-csökkentés érhető el optimalizált tervezéssel, illetve a felhasználandó anyagok gondos kiválasztásával, hiszen a végtermék jelentős környezeti terhelését az alapanyagok teszik ki. Tervezésünk során kiváltottuk a hagyományos vasalást szintetikus makroszálakkal, aminek következtében nagy mennyiségű, magas CO2-lábnyomú acélt takarítottunk meg. A szintetikus makroszálas technológiának köszönhetően a végtermék nemcsak fenntarthatóbb, hanem egyszerű használatuk miatt a munkafolyamat gyorsabb és gazdaságosabb lesz.
Az üvegházhatású gázok (ÜHG) kibocsátásának általános mértékegysége a CO2-egyenérték (CO2e), amely a különböző üvegházhatású gázok eltérő globális felmelegedési potenciálját tükrözi. A karbonlábnyom-számítás során a közvetetten és közvetlenül levegőbe kerülő ÜHG-kibocsátás mértékét számoljuk, azaz az adott gáz kibocsátását szorozzuk a 100 év alatti globális felmelegedést okozó potenciáljával (global warmin potential – GWP). Az általunk készített egyszerűsített számításban csak a legjelentősebb, a felhasznált anyagok előállítása során keletkező CO2e-értékeket vesszük figyelembe, a szállításból és kivitelezésből adódó értékektől eltekintünk. Minden anyag gyártójának kötelessége az úgynevezett EPD-ben (environmental product declaration, környezetvédelmi terméknyilatkozat) közzétenni az 1 tonna mennyiség előállítása során keletkező CO2e tömegét. A felhasznált anyagok és mennyiségük ismeretében az anyagok előállítása során keletkező CO2e-értékeket meghatároztuk, amely a vizsgált geometriájú, hagyományos vasbeton akna esetében 387 kg CO2e, illetve a szálerősítésű beton esetében 265 kg CO2e volt. Látható, hogy az aknánál csak az erősítés típusát változtattuk meg (betonacélról szintetikus makroszálra), mégis jelentős karbonlábnyom-megtakarítást értünk el, nagyságrendileg 30%-ot. Az aknafal vastagságának vagy a beton összetételének optimalizálásával további jelentős megtakarítás érhető el.
Helyszíni vizsgálatok
A méretezési módszer verifikációjának igénye, illetve az újfajta betonerősítési módszer indokolttá tette valós méretű helyszíni terhelési vizsgálatok elvégzését.
Az első terhelési vizsgálatnál egy üres, félig megrakodott, illetve teljesen megrakodott teherautót állítottunk az akna mellé, és az akna közepén mértük az aknafalak elmozdulását (7. ábra). Az elmozdulás mértéke igen csekély volt, az akna még nagy terhekre is csak kismértékű elmozdulást szenvedett, repedés nem keletkezett. Numerikus számításokkal modelleztük a valós terhelést, ennek eredményei alapján jóval nagyobb felszíni tehernél kaptunk volna jelentős elmozdulást, azonban ilyen teherszintnél a talaj tönkremenetele is bekövetkezett volna.
Az első vizsgálat után felmerült az igény az akna globális teherbírásának meghatározására, így tönkremenetelig történő terhelést kellett elvégezni. Ennek érdekében két, egyforma geometriájú aknát építettünk, az első esetben erősítés nélküli betonból (plain concrete – PC), míg a második esetben a tervezett szálerősítésű betonból (fiber reinforced concrete – FRC). Az aknák geometriai mérete az 5. ábra szerinti volt, egymástól nagyjából 50 m-re helyezkedtek el.
A numerikus vizsgálatok eredményeinél azt láttuk, hogy a tönkremenetelhez az akna felső oldalán, a fal közepén és szélein megjelenő repedések vezetnek. A felső oldalon a megtámasztás hiánya miatt a kialakult repedés tovább növekszik, majd a teherbírás elérése után az akna fala befele jelentősen elmozdul. A helyszíni próbaterhelés során egy olyan terhelési megoldást választottunk ki, amely ehhez a tönkremenetelhez hasonló alakváltozást idéz elő, a terhelőerő és elmozdulás pontosan mérhető, és a terhelőerő fokozatosan növelhető egészen a tönkremenetelig. A 8. ábrán felvázolt terhelési elrendezéssel az akna felső oldalán az aknafalon átvezetett menetes rudat feszítettünk egy hidraulikus feszítővel, a keletkező erőt és a terhelt falak elmozdulásait folyamatosan mértük.
A terhelés elvégzése után egy numerikus modellel ugyanezt a terhelési módszert megvizsgáltuk és a numerikus erő-elmozdulás diagramokat is megkaptuk. A helyszíni, illetve a numerikus vizsgálatok erő-elmozdulás diagramjait a 9. ábrán mutatjuk be.
A beton esetében a berepedés nagyjából egybeesett a maximális erő elérésével, ez után az erő hirtelen visszaesett, némi duktilitás maradt a szerkezetben. A szálerősítésű betonakna esetében a berepedést követően a szerkezet további erőt volt képes felvenni, míg el nem értük a 20 mm átmérőjű feszítőrúd húzási kapacitását. Ez után a szerkezetről az erőt levettük, majd újra terheltük, végül jelentős elmozdulás után a vizsgálatot befejeztük. Míg a betonakna esetében további terhek felvételére nem volt képes, addig a szálerősítésű betonakna esetében az aknafalak jelentős méretű repedések után is egyben maradtak, további terhek felvételére is képesek voltak. A helyszíni terhelés során a maximális terhelés ~450 kN volt, amikor elértük a terhelőrúd névleges kapacitását, a numerikus számításokkal 567 kN értéket határoztunk meg.
Ekvivalens nyomatékok segítségével meghatározható a pontszerű teher azon értéke, amelynél rugalmas alapon számolva ugyanakkora nyomaték ébred a szerkezetben, mint a felületi terhek üzemi értékéből. Ezekből meghatározható a szerkezet biztonsági tartaléka, amely a betonakna esetében γPC = 7,1, míg a szálerősítésű akna esetében γRC = 13,5. Duktilitásokat tekintve beton és szálerősítés esetén rendre DPC = 5,96 és DFRC = 21,51. Mind a teherbírás, mind a duktilitás esetében jóval meghaladja a szálerősítésű akna az elvárt követelményeket. A helyszíni vizsgálatok továbbá verifikálták a numerikus számítások eredményeit.
Összefoglalás
Vasúti pályák felújítása és új nyomvonalak telepítése során a jelen cikkben vizsgált aknákból számos darab készül, így mind a költségek, mind pedig a környezeti terhelés optimalizálása kiemelkedően fontos.
A fent bemutatott megoldás mind a számítási módszer, mind pedig a szerkezeti konstrukció tekintetében egyedülálló és jövőbe mutató, a bemutatott CO2-számítás pedig validálja szükségességét. A számítások és helyszíni próbaterheléses vizsgálatok eredményei meggyőzően bizonyítják az akna megfelelőségét, és igazolják a végeselemes modellezés pontosságát. A bemutatott optimalizálási eljárás remekül szemlélteti egy tradicionális szerkezet újragondolását fejlett végeselemes méretezési módszerrel és innovatív betonerősítő anyaggal, amely a gyorsabb kivitelezés és kedvezőbb költségek mellett szem előtt tartja a fenntarthatóságot is.
A szintetikus makroszál-erősítést sikeresen alkalmaztuk előre gyártott, illetve helyszíni vasúti pályalemezeknél, csatornáknál, peronelemeknél.
Köszönetnyilvánítás
Minden merőben új tervezési megoldás innovatív, nyitott gondolkodású partnereket kíván. Köszönjük a tervezési folyamat során tanúsított folyamatos támogatást az üzemeltető részéről: Szilágyi Lajos, Szebényi Gergő, Tóth Axel Roland (MÁV Zrt.), illetve a kivitelező részéről: Molnár András (Strabag Vasútépítő Kft.), Varga András, Virág Tamás (V-Híd Zrt.), Kósa Tamás (Kontúr Csoport Kft.) és Molnár Béla (Föl’d Pörgető Kft.) kollégáknak.