A cikk szerzője:

Dr. Kövesdi Balázs egyetemi docens
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Nagy szilárdságú acélok a hídépítésben

A nagy szilárdságú acélanyagok alkalmazása már széles körben elterjedt a járműiparban, mobildaru-szerkezeteknél, offshore szerkezetekben, illetve a hajóiparban. Építőmérnöki felhasználásuk ezeknek az új és nagy teljesítőképességű acélanyagoknak napjainkban még csekély, ám egyre növekszik. A felhasználás elterjedését jelenleg erősen korlátozza a hiányos méretezési háttér, ami kiegészítő kutatásokat tesz szükségessé. Ezek a kutatások, melyek a nagy szilárdságú acél felhasználásának elterjedését hivatottak szolgálni, számos nyugat-európai, amerikai és ázsiai egyetemen nagy ütemben zajlanak, továbbá a BME Hidak és Szerkezetek Tanszékén is. Ma a világon a nagy szilárdságú acélt építőmérnöki szerkezeteknél leggyakrabban nagy fesztávú hídszerkezetekben alkalmazzák súlycsökkentés és ezáltal igénybevétel-csökkentés céljából. Másik felhasználási terület a szintén nagy fesztávú térbeli felületszerkezetű rácsos tartók, esetleg rácsos gerendák.

Napjainkban a nagy szilárdságú acél jelenti az építőmérnöki gyakorlatban az egyik legújabb anyagszerkezeti újítást, melyet négy globális cél mozgat [1]:

  • gazdaságosság: a szilárdság növelésével a szerkezeti méretek csökkenthetők, ami megtakarítást jelenthet gyártási és kivitelezéssi oldalon;
  • építészeti megjelenés: a szerkezet mére­teinek csökkentésével karcsúbb, esztéti­kusabb, szabadabb formavilágú szerkezetek építhetők, melyek jobban illeszthetők az adott környezetbe;
  • környezettudatosság: a kisebb anyagfelhasználás kisebb károsanyag-kibocsátáshoz vezet a gyártásban, szállításban, szerelésben egyaránt;
  • biztonság: a modern, nagy szilárdságú acélanyagok nemcsak nagyobb szilárdsági jellemzőkkel rendelkeznek, hanem nagyobb a környezeti ellenálló képességük is, jobb a szívóssági tulajdonságuk, ennek eredményeként pedig nagyobb biztonsággal lehet felhasználni ezeket az anyagokat építőmérnöki szerkezetekben (modern offshore szerkezetek a legjobb példák ezen a téren a nagy szilárdságú acél felhasználására).

Korábban a nagy szilárdságú acéltermékek csak lemez formájában voltak kaphatók, mára azonban megjelentek a melegen hengerelt vagy hidegen alakított acélszerkezeti gyártmányok is (I szelvények, zárt szelvények) nagy szilárdságú acélanyagból. Elsősorban a zárt szelvények alkalmazása terjedt el az acél rácsos tartók körében, ahol a nagy szilárdságú acél számos előnyös tulajdonsága kihasználható. Egyrészt a nagyobb szilárdsági jellemzők keresztmetszeti méretcsökkentést tesznek lehetővé, ami súlycsökkenéshez, ezáltal igénybevétel-csökkenéshez vezet, és ez versenyképesebb szerkezetek előállítását teszi lehetővé. Ezenkívül a keresztmetszeti méretcsökkenés a festendő felület és a tűzvédelmi bevonat csökkenését is jelenti, ami tovább csökkenti az építési költséget. A kisebb keresztmetszeti méretek azonban karcsúbb, ezáltal stabilitásra érzékenyebb szerkezeti kialakításokhoz vezetnek, melyeknél a lokális horpadás és a kihajlás nagyobb hangsúlyt kap a tervezésben. Mindemellett ismert, hogy a nagy szilárdságú acélok gyártása, hengerlése, hegesztése a folyáshatárhoz képest kisebb sajátfeszültséget eredményez a normál szilárdságú acélokhoz képest, így lényegesen kedvezőbb lehet a nagy szilárdságú acélanyagból készült szerkezeti elemek stabilitási viselkedése. Ezenkívül a hagyományos méretezési eljárások alkalmazása miatt jelentősen alulbecsülhetik a tényleges teherbírást, ami rontja a gazdaságos felhasználást. Ennek érdekében a globális és lokális stabilitási jelenség és teherbírás meghatározása nagy szilárdságú acélból készült szerkezeti elemek esetén felülvizsgálatra szorul. Korábbi saját és nemzetközi szakirodalomban talált kutatási eredményeink azt igazolják, hogy a különösen nagy szilárdságú acélanyagok (S500–S960) stabilitási ellenállása lényegesen meghaladja a hagyományos (S235–S355) acélanyagból készült szerkezetek teherbírását.

1. ábra. A Tokyo Gate Bridge oldalnézete – BHS500 és BHS700 anyagból készült [1]
A nagy szilárdságú acél világviszonylatban legjelentősebb építőipari felhasználási területe a nagy fesztávú hídszerkezet (pl.: Tokyo Gate Bridge – 1. ábra). Napjainkig az építőmérnöki célból felhasznált nagy szilárdságú acélok számottevő részét hídszerkezetekben alkalmazták. A nagy fesztávolságú hídszerkezeteket a jelentős önsúly/hasznos teher arány jellemzi, ami azt jelenti, hogy önsúlycsökkentéssel nagymértékű maximális igénybevétel-csökkentést lehet elérni, ami további anyagfelhasználás-csökkenéshez vezethet. A keresztmetszeti méretek csökkentése azonban magával vonja a szerkezet merevségének, valamint a járműteherből származó feszültséglengések nagyságának növekedését. Az anyagfelhasználás további csökkentésének általában a használhatósági, valamint a fáradási határállapot szab korlátot, ami azt is jelenti, hogy a hídépítésben alkalmazott nagy szilárdságú acélszerkezetek esetén szinte mindig a használhatósági és/vagy fáradási határállapot a mértékadó. Mivel a fáradásvizsgálati eljárások és méretezési módszerek függetlenek az acélanyag szilárdsági tulajdonságától, ezért elengedhetetlen a nagy szilárdságú acél hídszerkezetek gazdaságos alkalmazásához, hogy tovább fejlesszük a tervezésükhöz alkalmazott méretezési eljárásokat. Korábbi szakirodalmi adatok egyértelműen alátámasztják, hogy a folyáshatár növelésével az alapanyag fáradási jellemzői is kedvezőbbek lesznek, ugyanez azonban már nem mutatható ki egyértelműen hegesztett szerkezeti részletek esetén.
Magyarországon jelenleg leginkább az S235–S355 (S420/S460) acélanyagok érhetők el. Ugyanakkor külföldön már szélesebb körben kaphatók az S500–S960 acélanyagból készült szerkezeti elemek is, így középtávon várható ezeknek az acélanyagoknak a hazai építőipari térnyerése is.

Nagy szilárdságú acélok anyag­jellemzői

A nagy szilárdságú acélok fejlesztése már az 1950-es években megindult. Az első nagy szilárdságú acéloknál ugyan a nagy (>500 MPa) szilárdságot sikerült elérni, de közben az acél más jellemzői nem voltak kedvezőek, mint például a hegeszthetősége, korrózióállósága vagy a duktilitása. Ugyanakkor a mai nagy szilárdságú acélok előállításánál sok hátrányos tulajdonságot sikerült felszámolni az anyagtudomány fejlődésének köszönhetően. Az úgynevezett nagy teljesítőképességű acéloknak már nemcsak a szilárdsága magasabb, hanem kedvezőbb a hegeszthetősége, valamint a korrózióállósága is. A továbbiakban bemutatjuk azokat a legfontosabb jellemzőket, amelyekben szignifikánsan eltér a nagy szilárdságú acélanyag viselkedése a normál szilárdságú acélokétól.

A cikk folytatódik, lapozás:12345Következő »

Irodalomjegyzék

  • [1] IABSE-AIPC-IVBH: Structural Engineering Documents. Use and application of High-Performance Steels for Steel Structures - 8, 2005.
  • [2] EN 1993-1-1. Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1.1: General rules and rules for buildings. CEN. 2009.
  • [3] EN 1993-1-12. Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-12: Additional rules for the extension of EN 1993 up to steel grades S700. CEN. 2007.
  • [4] K. Mela, M. Heinisuo: Weight and cost optimization of welded high strength steel beams. Engineering Structures, Vol. 79, 2014, pp. 354–364.
  • [5] J.O. Pedro, A.J. Reis: High strength steel (HSS) S690 in highway bridges. Comparative design, Proceedings of the 8th European Conference on Steel and Composite Structures (Eurosteel 2017), September 13-15, 2017, Copenhagen, Denmark.
  • [6] C.S. Shim, J.W. Whang, C.H. Chung, P.G. Lee: Design of double composite bridges using high strength steel. Procedia Engineering, Vol. 14, 2011, pp. 1825–1829.
  • [7] A. Hoobacher: Recommendations for fatigue design of welded joints and components. IIW document XIII-1965-03 / XV-1127-03, 2003.
  • [8] A. Gál: A hegesztési varratok fáradási szilárdságának növeléséről. MAGÉSZ Acélszerkezetek, Vol 4. 2014, pp. 50–57.
  • [9] P.J. Haagensen, S.J. Maddox:
  • IIW recommendations on post weld improvement of steel and aluminium structures. IIW-XIII-2200r7-07 Revised, July 2010.
  • [10] E. Gogou: Use of high strength steel grades for economical bridge design. MSc thesis study, TU Delft, 2012.
A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2018 / Különszámában.
Ha szeretne rendszeresen hozzájutni a legfrisebb számokhoz, fizessen elő a folyóiratra.
A hozzászólások megtekintéséhez vagy új hozzászólás írásához be kell jelentkeznie!
Sínek Világa A Magyar Államvasútak Zrt. pálya és hídszakmai folyóirata
http://www.sinekvilaga.hu | ©