A BUDAPESTRE TERVEZETT TORONYHÁZAK ALAPOZÁSI LEHETŐSÉGEI Kanizsár Szilárd PORR Építési Kft. Széchenyi István Egyetem ÖSSZEFOGLALÁS A dolgozatban a közeljövőben várhatóan Budapesten is napirendre kerülő 120 m magas toronyházak alapozási kérdéseit vizsgálom. Bemutatom a szóba jövő telepítési helyeket, az alapozástervezési alapelveket, kiemelten a kombinált cölöp+alaplemez-szerkezet kérdéskörét. Külföldi magasépületeknél alkalmazott alapozási szerkezeteket konkrét példákkal ismertetve rendszerezem a lehetséges megoldásokat. A geológiai adottságokat elemezve felvázolom a budapesti lehetőségeket és szempontokat. KULCSSZAVAK toronyház, alapozás, szerkezet 1. BEVEZETŐ, A TÉMA AKTUALITÁSA A toronyházak építése az elmúlt évtizedekben, de különösen az utóbbi néhány évben viták kereszttüzébe került a budapesti városvezetés és városépítészek, az ingatlanfejlesztők, valamint a közvélemény körében. A modernizációt, az új városépítészeti trendeket követő nyugat-európai városokban számos toronyház épült az utóbbi évtizedekben, de a kevésbé fejlett, kelet-európai nagyvárosokban is (pl. Pozsony, Prága, Varsó, Bukarest) sorra jelennek meg az európai viszonylatban magasnak számító épületek. Bécs, mely Budapest építészeti arculatával oly sok rokonságot mutat, egy ideje szintén feladta toronyházakkal szembeni ellenállását, és ma már ott is megtalálhatóak a 200 métert meghaladó magasságú épületek. E trenddel szemben Budapest mostanáig megőrizte az égbetörő épületektől mentes városképét. A Fővárosi Közgyűlés az 5/2015.(II.16.) sz. rendeletével elfogadta Budapest Főváros Rendezési Szabályzatát (továbbiakban BFRSZ), amely szakított a korábbi konzervatív hozzáállásával, és egyes területekre 120 méterre emelte a korábbi 55 méteres magassági korlátot (1. ábra). Talán nem túlzás e paradigmaváltást úgy tekinteni, hogy az az ingatlanfejlesz-
tők kezébe nagyszerű lehetőséget ad, a mérnökök számára pedig új kihívásokat indukál, amikre a szakmának időben fel kell készülnie. A Budapest városképét jellemző épületek magassági mérettartománya a szerkezet- és alapozástervezésben elméleti és gyakorlati szempontból is jól ismert, megszokott, és a mérnökök által biztosan kézben tartott tervezési kategóriát jelent. Nincs ez azonban így a toronyházakkal, az eddigieket jelentősen meghaladó magasságú épületek új kérdéseket vetnek fel, és azok még meg sem fogalmazódtak. Míg a szokványos épületek esetében a geotechnikai és szerkezettervezési, illetve építési eljárások és körülmények többé-kevésbé rutinszerűen kezelhetők, a toronyházak esetében e feladatok speciális megközelítést igényelnek. A jelen cikk ehhez kíván hozzájárulni. 1. ábra Egyes területek beépítési magassága és magasépítmények számára kijelölt területek BFRSZ (Forrás: Budapest Térinformatikai Portál) Külföldön (pl. Ausztria, Németország, Spanyolország) megépült ~100-200 m magassági tartományba eső épületek összegyűjtött adatainak elemzése alapján megállapítható, hogy melyek az e mérettartományba eső épületek esetén leginkább alkalmazott megoldások, amelyek kialakulása mögött több évtizedes tapasztalat áll. Ezek ismerete hasznos segítséget jelenthet a hazai projektekhez, de természetesen minden esetben mérlegelni szükséges, hogy egy műszaki megoldás miként adaptálható.
2. ALAPOZÁSI ALAPELVEK 2.1. Tiszta alapozási rendszerek A megépült európai toronyházak alapozási szerkezeteit tanulmányozva megállapítható, hogy bár akad példa síkalapozásra is, jellemző módon mélyalapozással hárítják az épület terheit az altalajra. A Madridban épült Torre Espacio (223 m) 53 x 43 méter alapterületű, 4,0 m vastag feszített vasbeton lemezalapon nyugszik, mely sem cölöpökkel, sem réspillérekkel nem lett alátámasztva. A különösen jó teherbírású homok ( Miga sand ) alatti merev agyagtalajra ( Tosco clay ) 1100 kpa legnagyobb értékkel 700 kpa átlagos feszültséget engedtek meg az alaplemez alsó síkján [6]. Hagyományos cölöpalapozással épült a frankfurti Commerzbank Tower (2. ábra), mert bár a cölöpök tetején egy viszonylag vastag vb. lemez is van, az épület terhét gyakorlatilag teljes mértékben a frankfurti agyag alatti mészkőre állított cölöpök hordják. A közvetlen szomszédságban álló banképületekre tekintettel, a süllyedések visszaszorítása volt a fő cél. Ezért 111 db nagyátmérőjű, teleszkópikus cölöpöt (felső rész átmérője = 1,80 m, alsó rész átmérője = 1,50 m) fúrtak ~50 méteres mélységig, befogva azokat a frankfurti mészkőbe (3. ábra). 2. ábra Commerzbank Tower (259 m), Frankfurt 3. ábra Commerzbank Tower cölöpalapozása
A köpenyellenállásnak a béléscső használatából eredő csökkenését kompenzálandó utólagos köpeny menti injektálást végeztek. A cölöptalp ellenállását 20 bar-os utóinjektálással fokozták. Az alkalmazott alapozási módszernek köszönhetően, mely egyébként igen költséges volt (átszámítva ~5 Mrd HUF 1995-ben!), a süllyedések valóban alacsony szinten maradtak (s max =~2,1 cm) [9]. A két megoldás szélsőséges példa a tisztán alkalmazott sík- illetve mélyalapozásra. Az esetek túlnyomó részében azonban a különböző funkciók és igények miatt a sík és mélyalapozás hagyományos elemei egy komplex alapozási szerkezetben egyesülnek, amelyek egyszerre elégítik ki a teherbírási követelményeket, süllyedési, illetve alakváltozási kritériumokat, és felelnek meg az esetleges vízzárósági követelményeknek. 2.2. Kombinált alapozás A külföldi példák azt mutatják, hogy a kombinált alapozási mód legelterjedtebb képviselője a CPRF (combined pile raft foundation) szerkezet, melyet a magyar gyakorlat cölöppel kombinált lemezalapozásként ismer. Bár a CPRF és a magyar elnevezés is egy kissé kisajátítja a névhasználatot a cölöpök számára, azonban e kombinált alapozási mód mélyalapozási elemei a cölöpökön kívül lehetnek természetesen mások is, elsősorban réspillérek. A szakirodalom az ilyen jellegű kombinált alapozásokat egyazon gyűjtő elnevezéssel CPRF-ként tárgyalja. A frankfurti agyagban a 70-es, 80-as években síkalapozással épített első generációs magasépületek (pl. Deutsche Bank Twin Towers (155 m), Dresdner Bank Tower (166 m)) süllyedési problémái miatt fogalmazódott meg az igény a süllyedéseket hatékony módon csökkentő, gazdaságos alapozási módszerre. A 2-4 méter vastag lemezalapokra állított toronyépületek 20-34 cm-t süllyedtek, melyek következtében a felszerkezetet dőlések, billenések terhelték, s ezek kompenzálása az építés alatt és után nehéz feladat volt. A kompenzálásra használt különféle technológiák és eszközök alkalmazásának a CPRF-rendszer vetett véget [9]. A kombinált alapozási szerkezetek egyeduralkodása a toronyszerű épületek esetében azzal magyarázható, hogy a viszonylag nagy terhelések miatt síkalapozás csak a legritkább esetben, kivételesen kedvező felszín közeli talajok esetében jöhet szóba (sok esetben süllyedési és nem teherbírási probléma az ok), az általában többszintes munkatér alsó oldali vízzárásához viszont szükséges egy vasbeton vízzáró alaplemez. Ha tehát lemezalapot és mélyalapozási szerkezeteket is indokolt építeni, akkor a kettőt kombinálva egymással kihasználható mindkét szerkezet előnye [17]: a cölöpökkel csökkenthetők a lemezalap abszolút és relatív süllye-
dései, vagy másik oldalról nézve a dolgot a lemezalap jelentős teherviselése miatt a cölöpökre az egyedi cölöpök teherbírásához képest nagyobb erők háríthatók (4. ábra). Azt, hogy a cölöpökre csupán a süllyedések és süllyedéskülönbségek csökkentése érdekében van-e szükség, vagy alkalmazásuk nélkül, tisztán síkalapozással esetleg meg sem oldható a feladat, természetesen már az előtervezés során látni kell. 4. ábra Alapozási koncepciók (Forrás: Y.C. Tan, C.M. Chow, 2004) A hazai szabványok nem térnek ki a kombinált alapozásra, ám a külföldi tervezési gyakorlatban bizonyos esetekben megengedett, hogy az egyedi cölöp teherbírás tervezési értékéhez képest nagyobb terhek is működjenek. Ha ugyanis a cölöpteherbírás kimerül, a kombinált szerkezet kontrolálható süllyedések mellett képes többletterhek viselésére. Ezen ok miatt a várható süllyedések előzetes, minél pontosabb meghatározása kiemelt jelentőségű. A tervezőnek értenie s modelleznie kell a kombinált szerkezet viselkedését, tisztáznia s értékelnie kell, hogy az elemei miként működnek külön-külön és együtt, milyen részt vállalnak a teherviselésből és milyen interakciók működnek a talaj és az alapozási szerkezetek között. 2.3. A CPRF problematikája A cölöppel kombinált lemezalap viselkedését befolyásolják a cölöpök, a lemez, valamint a talaj között fellépő kölcsönhatások: a cölöp-talaj-cölöp (PSP) interakció és cölöp-talaj-alaplemez (PSR) kölcsönhatás, ahogy azok
az 5. ábrán is láthatóak. A PSP interakció egy cölöp esetében a szomszédos cölöp által okozott járulékos süllyedésként definiálható, a PSR kölcsönhatás pedig egy a lemezt alátámasztó cölöp által okozott, szuperponált elmozdulás értékek tartományán értelmezhető. Míg az utóbbi megértése a kombinált lemezalap analíziséhez szükséges, addig az előbbi ezen kívül a cölöpcsoport számításának szempontjából is fontos [11]. Mivel a komplex rendszer megfelelőségét egy határállapot vizsgálatra vonatkozó egyenlőtlenség felírásával nem lehet definiálni, felmerül a kérdés, hogy milyen biztonsági szint határozható meg az egyes terhelési és alakváltozási értékpárokhoz, s azok melyikét fogadjuk el az alapfeladat megoldásaként. 1 PSP 2 PSR 5. ábra CPRF-rendszer interakciói (Forrás: D. D. C. Nguyen, S.-B. Jo, D. S. Kim, 2012) E problémákat megoldandó Poulos és Davis [13], Burland [5] és Randolph [14] egyszerűsített módszereket javasolt számos közelítő és egyszerűsítő feltételezéssel élve a talajkörnyezetre és az alapozási szerkezetre vonatkozóan. A módszerek egy második csoportja a Poulos [10] valamint Clancy és Randolph [7] által javasolt közelítő eljárások, melyek olyan rugókkal alátámasztott lemezt vagy lemezsávot alkalmaznak, ahol a vasbeton alaplemezt a lemez, lemezsáv a cölöpöket pedig a rugók reprezentálják. Egyéb, kifinomultabb számítástechnikai hátteret és eljárásokat igénylő numerikus módszerek is léteznek, amelyek a cölöpökre alkalmazható rúdszerkezeti és az alaplemezre alkalmazható végeselemes számítási módszerek kombinálásával szolgáltatják a pontosabb megoldást (pl. FLAC, AMPS, Plaxis 3D Foundation). A témával kapcsolatos hazai kutatások is főleg az ilyen irányú modellezési lehetőségeket célozták
[2, 10, 15]. Az egyszerűsített módszerek hátránya a kevésbé pontos megoldás, ami est alá-, vagy túlbecsüli a tervezett szerkezetet, a módszerek másik csoportja viszont a mindennapi mérnöki gyakorlat számára nehezebben alkalmazható, és a hozzáférési lehetőség elsősorban anyagi okok miatt korlátozott. A szokványos épületeknél alkalmazott hazai tervezési gyakorlat szerint sok esetben a tervező jó érzékkel becsült arányszám alapján a terhek egy részét ráosztja a cölöpökre, másik részét a lemezre, azokat teherbírási határállapotban méretezi (a lemezt lineárisan rugalmas alátámasztással), s ha az elmozdulás értékekre is hihető számok jönnek ki, akkor a feladatot megoldottnak tekinti. Ez a talán kissé leegyszerűsítve megfogalmazott megközelítésmód legfeljebb az előtervezésben fogadható el, a szerkezet és alapozás optimalizált tervezésére azonban még a szokványos magasházak esetében sem. Az igényesebb tervezők a cölöpöket és a lemezek alatti altalajt szimuláló rugók paramétereinek meghatározásához végeznek egyszerűbb geotechnikai számításokat, s vizsgálják, hogy a két szerkezeti elem teherviselési arányát ezek mennyiben befolyásolják. Ám nyilvánvaló, a toronyházak esetében ez sem elegendő, mert így is csak nagyon leegyszerűsítve követhetnénk a CPRF filozófiáját. 3. ALAPOZÁSI KONCEPCIÓK ÉS MEGOLDÁSOK A következőkben CPRF-szerkezetek különböző módon történő alkalmazására mutatok be néhány lehetőséget, melyeket külföldön megépült toronyházak alapozásánál alkalmaztak. 3.1. CPRF egyenletes cölöpkiosztással A linzi Blumau Tower (6. ábra) szolid magasságából fakadó viszonylag kis terhelése lehetővé tette az egyenletes kiosztású cölöpkép alkalmazását. A 90 cm átmérőjű, 17-21 m hosszú, fúrt cölöpöket egymástól jellemzően ~2,5 D távolságra helyezték el, függetlenül a teherintenzitás nagyságától (7. ábra). Az alaplemez vastagsága 1,60 2,00 m között változott, ami az alaprajzi méreteit tekintve (~26 x 26 m átlagos oldalhosszúságú négyszög) merev lemezszerkezetet eredményezett. Abban az esetben, mint itt is, ha a cölöpök távolságához képest a lemez vastag, a lemez felső síkján ható erők gyakorlatilag közvetlenül a cölöpökbe jutnak, a vastag lemez kvázi egy merev, teherelosztó fejtömbként funkcionál, kiegyenlítve, és ráosztva a terheket a teherintenzitástól függetlenül, egyenletesen kiosztott cölöpökre. A kombinált alapozási szerkezet ebben az esetben számottevően redukálja a relatív süllyedések mértékét.
6. ábra Blumau Tower (78 m), Linz 7. ábra CPRF alaprajz Blumau Tower Nagyobb terhek esetén előszeretettel alkalmazzák a dobozos cölöp- és réspilléralapozást (box-shaped pile and diaphragm wall foundation). Így épült a bécsi DC Tower 1 is (8. ábra): 171 db 3,60 x 0,60 m méretű, 20-25-30 m mélységű réspillér készült a 4,0 m vastag vasbeton alaplemez alá, ortogonális elrendezésben cellákat alkotva (9. és 10. ábra). Az egy cellát alkotó, azonos irányú réspillérek nem kerültek közelebb egymáshoz 4,0, és nem voltak távolabb 7,0 m-nél. A réspillérek egymáshoz nem csatlakoztak, köztük a kapcsolatot a vasbeton alaplemez hozta létre [1]. 8. ábra DC Tower I (220 m ), Bécs 9. ábra Elkészült CPRF - DC Tower 1 (Forrás: D. Adam, R. Markiewicz, J.D. Deix, 2013)
Ennek az alapozási rendszernek nagy előnye, hogy a réspillérek által körbezárt mag gátolt keresztirányú elmozdulásának köszönhetően (11. ábra) a talajra nagyobb függőleges teher hárítható, a réspillér és a talaj integrált teherviselő szerkezeti egységet képezve kvázi-monolitikus szerkezetként kedvezőbb süllyedési jellemzőkkel rendelkezik és a földrengésből származó terhekkel szembeni ellenállása is nagyobb a konvencionális cölöpcsoportokéhoz képest [4]. Ha a réselés valamilyen oknál fogva nehézségekbe ütközik, akkor inkább cölöpsorokból képezik a dobozokat. 10. ábra Alaplemez alatti réspillér kiosztás - DC Tower 1 11. ábra A dobozalapozás teherátadási mechanizmusa (Forrás: Brandl, 2010) A CPRF kialakítható az alaplemeztől szerkezetileg független cölöpökkel is (NCPRF/DCPRF = non-connected/disconnected CPRF), mely a cölöpöket tisztán csak a lemezalap alatti talaj merevségének növelésére használja, így redukálva a lemezalap süllyedéseit. A lemez és a cölöpök között egy megfelelő vastagságú ágyazat biztosítja a lemezen ható terhek továbbítását a cölöpökre. Eslami et all [8] többek között egy Jakartába (Indonézia) tervezett 39 szintes iker toronyházat ismertetve (12. ábra) bemutatja, hogy a közepes/kemény agyagban kialakult süllyedésekben szignifikáns különbség nem mutatkozott a CPRF és a NCPRF között, s mindkét megoldás tetemesen csökkentette a lemez nyomatékait (13. áb-
ra). A NCPRF előnye még a cölöp+lemez közti szigetelési problémák elkerülése. 12. ábra A vizsgált CPRF és NCPRF-koncepció (Forrás: A. Eslami, M. Veiskarami, M. M. Eslami, 2012.) 13. ábra CPRF NCPRF - RF süllyedéseinek és nyomatékainak összehasonlítása (Forrás: A. Eslami, M. Veiskarami, M. M. Eslami, 2012.) 3.2. CPRF a terheléshez igazodó cölöpkiosztással
A klasszikus felfogás szerinti réspillérkiosztást valósítottak meg a bukaresti 37 szintes Sky Tower (14. ábra) kombinált alapozásánál, az íves alaprajzú vázszerkezet geometriájához ragaszkodva a réspilléreket közvetlenül a terhelt falak, illetve pillérek alá pozícionálták (15., 16. ábra) [16]. A 0,60-0,80 m vastag, 15-30 m hosszú réspillérek egy 2,6 m vastag alaplemezhez csatlakoztak. A réspillérek alaprajzi értelemben egymástól függetlenek lettek, szerkezeti kapcsolat közöttük csak az alaplemezen keresztül volt [18]. 14. ábra Sky Tower (137 m), Bukarest 15. ábra Alaprajz - Sky Tower 16. ábra Réspillérek kiosztása és 3D végeselemes modellje (Forrás: Schweiger, 2010)
Hasonló elvek alapján alapozták a bécsi Orbi Tower (17., 18. ábra) toronyépületet, melynek 1,50 m vastag alaplemezét 15-26 m hosszúságú, 0,90 m átmérőjű fúrt cölöpök támasztják alá, a terhelésnek megfelelő alaprajzi kiosztásban (19.ábra). 17. ábra Orbi Tower (115 m), Bécs A Linzben épült Lux Tower (20. ábra) vegyes CPRF-megoldást mutat a tekintetben, hogy az egyenletesen kiosztott és a terheléshez igazodó cölöpképet egyesíti. A D=0,60 m átmérőjű egyenletesen (~1,5 x 1,5 m) kiosztott, fúrt cölöpök mellett lokálisan, a nagyobb terhek körül (pl. pillérek alatt) a cölöpöket besűrítették (21. ábra). Az elv általában is alkalmazható, ha maga az alaposztás távolsága nem áll közel a minimális cölöptávolsághoz. Ha e feltétel nem teljesül mint láthatóan ennél az épületnél sem akkor a módszer nem tűnik túlzottan gazdaságosnak, hiszen a cölö- 18. ábra Alaprajz - Orbi Tower 19. ábra CPRF alaprajz Orbi Tower
pök közötti 2,5D minimális távolságot megfelezve a besűrített részen az eredeti cölöpteherbírásokat redukálni szükséges. A 14 méter hosszú cölöpök 1,40 m vastag lemezalap alá kerültek, melyek együtt alkották a kombinált alapozási szerkezetet. 20. ábra LUX Tower (81 m), Linz 21. ábra CPRF alaprajz - LUX Tower 3.3. CPRF süllyedéskiegyenlítést célzó cölöpkiosztással Egymáshoz közel épülő magasházak egymásra hatásából származó többletsüllyedések elkerülése végett általában aszimmetrikus cölöpkép kell, amely megakadályozza a tornyok egymás felé billenését. Jó példa erre a bécsi DC Tower két épülete (23. ábra), melyek közül eddig csak a magasabb épült meg (22. ábra), az alacsonyabbra még várni kell. 22. ábra DC Tower 1 (220 m), Bécs 23. ábra DC Tower 1 és a tervezett 2-es torony (168 m)
A megépült torony alapozását úgy alakították ki, hogy a saját terhek viselésére elégséges réspillérek 20 m-es hosszát a majdani szomszéd irányában, két lépcsőben 30 m-re növelték (24. ábra). Így az épületet alkalmassá tettét a majdani, DC Tower 2 járulékos hatásainak viselésére [1]. 24. ábra CPRF 3D nézete alulról rés-pillérek lépcsőzése (Forrás: D. Adam, R. Markiewicz, J.D. Deix, 2013) A 25. ábrán láthatók az 1-es torony építése után végzett süllyedésmérések eredményei. Megfigyelhető, hogy a lépcsősen növelt réspillérhosszaknak köszönhetően az épületnek a 2-es torony felöli oldalán a süllyedések kisebb távolságon belül csökkennek le, mint az átellenes oldalon, a süllyedési horpa tehát aszimmetrikus. A megépült torony minimális süllyedést okozott a majdani torony helyén (s=3 mm). Ennél kisebb (gyakorlatilag elhanyagolható) többletsüllyedésre lehet számítani az 1-es torony alatt, mikor megépül a 2-es, minthogy annak terhei jóval kisebbek lesznek.
25. ábra DC Tower 1 mért süllyedése (Forrás: D. Adam, R. Markiewicz, J.D. Deix, 2013) Ugyanez volt az elv a Kuala Lumpur-i Petronas-ikertornyok (26. ábra) esetében is. A szomszédos torony felé mélyítették a cölöptalpakat, amivel egyben az alapkőzet változó felszínét is követték, hogy a köztük levő kompresszibilis réteg vastagsága nagyjából azonos legyen. A két elv így szerencsésen egybeesve adta ki a cölöpök hosszát (27. ábra). 26. ábra Petronas ikertornyok (452 m), Kuala Lumpur 27. ábra CPRF - Petronas Twin Towers A bécsi Millennium Tower-nél (28. ábra) a süllyedéskülönbségek csökkentésére két új módszert is bevetettek. A 2,20 m-es alaplemez alá 151 db 13-16 m-es CFA-cölöpöt terveztek. Az előzetes próbaterhelések nagy eltéréseket mutattak az első terhelés karakterisztikáiban.
28. ábra Millennium Tower 29. ábra Ciklikusan terhelt cölöpök erőelmozdulás ábrája (Forrás: Brandl, 2005.) 30. ábra Ciklikus előterhelés berendezése (Forrás: Brandl, 2005.) (202 m), Bécs Ezért mindegyik cölöp ciklikus előterhelését tervezték be, amihez a cölöpfejek és az alaplemez közé 600 tonnás sajtókat lehetett behelyezni (30. ábra). A cölöpöket a tervezési értékek 1,2-szeresének megfelelő erővel ciklikusan addig terhelték, míg az újraterhelési görbék meg nem egyeztek (29. ábra). 2-3 hiszterézis hurok általában elegendőnek bizonyult. Az előterhelést a második térszín alatti szint beépítése után kezdték el, mert ekkor már megvolt a szükséges ellentartás. Az alaplemez és a cölöpök közötti kapcsolatot csak azután alakították ki, miután az előterheléseket befejezték. A módszer szükségességét és hasznosságát érzékelhetjük a 31. ábrán, a 151 cölöp süllyedése az első terheléskor eléggé különbözött.
31. ábra Cölöpfejek süllyedése első terhelés hatására - gyakorisági hisztogram (Forrás: Brandl, 2005.) (Q w,calc = SLS terhelés; n=cölöpök száma; =cölöpfejek süllyedésének várható értéke; s x = cölöpfejek süllyedéseinek szórása) A másik, az ilyen szerkezetek világában szintén újszerű megoldás a talajjavítás volt. A hagyományos felfogás szerint, ha a felszínközeli rétegek alapozásra alkalmatlanok, az épület teljes terhét a cölöpökön keresztül, a mélyebben levő teherbíró talajrétegekre hárítják. Bár a körülmények ilyenek voltak a Millennium Towernél, mégsem ezt az elvet követték. Ehelyett az alaplemez alatti, néhol nagyon laza szemcsés réteg előzetes javítását tervezték be. Nehéz verőszondával feltérképezték a gyenge zónákat (32. ábra), és ~2,5 x 2,5 m-es raszterben vibroflotációval javították azokat. Ezzel elérték, hogy a lemezalap részt vállaljon a CPRF teherviseléséből. 32. ábra Szondaellenállások az alaplemez alatt (Forrás: Brandl, 2005)
A CPRF-t e két eljárással (előterheléssel és talajjavítással) kiegészítve elérték, hogy az épület teljes süllyedése az építés befejezte után 3 évvel 38 mm-ben maximalizálódott, míg a süllyedéskülönbség legnagyobb értéke 23 mm lett (33. ábra) [3]. 4. A BUDAPESTI TORONYHÁZAK ALAPOZÁSI KÉRDÉSEI 4.1. A geotechnikai adottságok A vonatkozó hazai műszaki előírásokat, az építészeti funkcionalitást és az európai példákat tekintve joggal feltételezhető, hogy a jövőbeni budapesti toronyházak sem nélkülözhetik majd a többszintes, térszín alatti mélygarázsokat, amelyek kialakítása a szerkezetek alapozása szempontjából is kulcsfontosságú. A már korábban említett, megépült toronyházak legfontosabb műszaki paramétereit tartalmazó adatbázisban szereplő épületek mindegyike alá kivétel nélkül többszintes mélygarázs épült, így az alapozás síkja a terepszinthez viszonyítva mélyebben, általában a (-3) (-6) szintek alatt helyezkedett el. Budapesten ilyen szempontból kedvezőnek mondható a helyzet, hiszen a hazai mérnökök mára már elegendő számú megépült, többszintes mélygarázs tervezési és kivitelezési tapasztalataival rendelkeznek, ezért egy esetlegesen elinduló toronyház projekt során várhatóan nem a talajvizes környezetben épülő térszín 33. ábra A Millennium Tower süllyedéseinek alakulása (Forrás: Brandl, 2005.)
alatti szerkezetek megvalósítása jelenti majd a legnagyobb műszaki kihívást. Budapest azon részein, ahol egyáltalán városépítészetileg szóba jöhetnek a legfeljebb 120 m magas épületek (34. ábra), a geotechnikai környezet viszonylag kedvező a többszintes, száraz munkaterek kialakíthatósága szempontjából. 34. ábra Toronyházak számára kijelölt területek BFRSZ (Forrás: Budapest Térinformatikai Portál) A toronyházak számára kijelölt területek geológiája jobbára egységesnek mondható. A harmadidőszakban keletkezett oligocén korú kiscelli agyagra, mint alapkőzetre 10-12 m vastagságban negyedidőszaki pleisztocén korú fluviális, illetve fluvioeolikus szemcsés üledék települt, miután a miocén korú tengeri üledékes rétegek részben, vagy teljes egészében eróziós folyamatok miatt lepusztultak. A szemcsés rétegek felett néhány méter vastag feltöltés található. A talajvíz a pleisztocén rétegekben tárolódik, illetve áramlik. Az oligocén korú alapkőzetnek (továbbiakban kiscelli agyag) a toronyházak alapozása és a térszín alatti szerkezetek építéséhez szükséges vízzáró munkagödör kialakítása szempontjából kulcsszerepe lesz. A toronyház terhei várhatóan és jellemzően ebben a talajrétegben fognak átadódni a talajkörnyezetre, valamint ideiglenes állapotban a kiscelli agyag tudja biztosítani - a gyakorlatban jól bevált módon a munkagödör alsó oldali vízzárását az agyagrétegbe szükséges mértékben befogott munkatér határoló szerkezetek segítségével.
4.2. Alapozási szerkezetek megválasztása Nem állapítható meg egyértelműen, hogy a bemutatott koncepciók közül melyik lehet Budapesten optimális. A kiscelli agyag kedvező mechanikai jellemzőinek köszönhetően a síkalapozás is szóba jöhet. A cölöpök nélküli megoldás, amely a frankfurti agyagban nem működött, a merevebb kiscelli agyagban talán megoldás lehet. A kedvezőbb talaj mellett az is segíthet, hogy a Budapestre tervezett magasságokkal a terhelés sokkal kisebb lenne. Mindezek alapján nyilvánvaló, hogy a cölöpözés nélküli síkalapozást eleve kizárni nem kell, szofisztikált süllyedésszámításokon alapuló megvalósíthatósági tanulmányban érdemes a kérdést vizsgálni. A CPRF-rendszerek természetesen működőképes alternatívákat jelentenek, azonban a kivitelezési nehézségek megakadályozhatják például az alaplemez alatti réspillérek alkalmazását. Ha ugyanis több tíz méter mély réspillérek kialakítása válna szükségessé az oligocén alapkőzetbe, abban az esetben az alapkőzet mélységgel együtt növekvő fejtési nehézsége a hagyományos, kanalas réselőgépek számára még előfúrás alkalmazása esetén is meghiúsíthatja a kivitelezést. Marótárcsás réselőgép alkalmas lenne ugyan több tíz méteres réspillérek kialakítására is (pl. M4 metró Gellért téri állomás, Fővám téri állomás), azonban a technológia felvonultatása egy-egy épület esetében bizonyosan nem tudna versenyképes megoldást jelenteni egy cölöpözött szerkezettel szemben. Ez utóbbi megoldás gazdaságos, és műszakilag megfelelő szerkezet lehet akár az alaplemezzel szerkezetileg összekapcsolt módon, de akár NCPRF alkalmazásával is, ahol a cölöpök és az alaplemez között szerkezeti kapcsolat nincs kialakítva. 5. ÖSSZEFOGLALÁS Miután a BFRSZ jogilag megteremtette a 120 m magas toronyházak építésének lehetőségét, aktuálissá vált a toronyházak tervezésének kérdése. A bevezetőben hangsúlyt kap, hogy az említett épületek tervezésénél nem követhetők a rutinszerűen alkalmazott tervezési elvek és műszaki megoldások. A dolgozat áttekintette a toronyházak tervezésében és építésében sok évtizednyi tapasztalattal bíró országokban alkalmazott alapozási elveket és megoldásokat. Megállapítást nyert, hogy a kombinált cölöp-lemezalap (CPRF) jelenti általában az optimális megoldást, melynek kulcseleme a cölöpök, a talaj és a lemezalap kölcsönhatásának adekvát modellezése. Főleg német és osztrák példákat elemeztünk a következő csoportosításban: a cölöpkiosztás egyenletes,
a cölöpkiosztása a terhelésváltozásokat követi, a cölöpkiosztás a süllyedések kiegyenlítését szolgálja. Ezen alapmegoldásán belül még bemutattunk olyan kiegészítő koncepciókat, mint a szerkezetileg függetlenített cölöpök és lemezek (NCPRF), a cölöpök előterhelése és a talajjavítás a lemezalapok teherviselésének fokozására. Ma még nem tudható, hogy Budapesten belátható időben hány 120 m magas építmény valósul majd meg. Ha ez a szám esetleg nem is lesz túl nagy, és csak magasház (H<65 m) besorolású épületek létesülnek majd jelentősebb számban, a témakör művelése a tudományos és műszaki életre pozitív hatást gyakorolhat. A külföldön használt tervezési elvek, gyakorlati megoldások elsajátítása és az ezeket megalapozó tudományos kutatások eredményeinek megismerése a szakma fejlődését vonhatja maga után, s az így nyert tudás hasznosulhat a magasházak és más hasonló szerkezetek tervezésében is. HIVATKOZÁSOK [1] Adam, D., Markiewicz, R., Deix, J.D. Donau City Tower 1 Deep foundation, excavation and dewatering scheme for the 220 m tall high-rise building in Vienna 2013, Bratislava, Proceedings of the 11 th Slovak Geotechnical Conference [2] Bak E., Koch E., Palotás B., Szepesházi R. Kombinált (cölöp és lemez) alapozás modellezése, Közlekedésépítési Szemle, 2010., 60. évfolyam, 3. szám [3] Brandl, H. Cyclic preloading of piles to minimize (differential) settlements of high-rise buildings Slovak Journal of Civil Engineering, 2005/3., 1-12. o. [4] Brandl, H. Cyclic preloading of piles and box-shaped deep foundations, 2010, Moscow, Proceedings of the International Geotechnical Conference, Russia, 2010., 15-28. o. [5] Burland, JB. Piles as settlement reducers. Keynote address 18th Italian congresson soil mechanics. Italy: Pavia; 1995. [6] Calzón, J.M., Navarro, M.G. Torre Espacio. Building Structure. Hormigón y Acero, Vol. 59, n 249, pp. 19-43., 2008. [7] Clancy, P., Randolph, MF. An approximate analysis procedure for piled raft foundations. Int J Numer Anal Meth Geomech 1993; 17:849 69. [8] Eslami, A., Veiskarami, M., Eslami, M.M. Study on optimized piledraft foundations (PRF) performance with connected and nonconnected piles- three case histories International Journal of Civil Engineering, 2012., Vol. 10, No. 2., 100-111. [9] Katzenbach, R., Bachmann, G., Boled-Mekasha, G., Ramm, H. Combined pile raft foundations (CPRF): an appropriate solution for
the foundations of high-rise buildings Slovak Journal of Civil Engineering, 2005/3., 19-29. o. [10] Lődör K., Dr. Móczár B., Dr. Mahler A. Cölöpökkel merevített talajra épített cukorsiló 3D numerikus modelljének érzékenységvizsgálata, konferencia kiadvány, XX. Nemzetközi Építéstudományi Konferencia, 2016., pp.157-160. [11] Nguyen, D.D.C., Jo, S.-B., Kim, D. S. Design method of piled-raft foundations under vertical load considering interaction effects Computers and Geotechnics 2012., 47 (2013), 16-27. [12] Poulos, HG. An approximate numerical analysis of pile raft interaction. Int J Numer Anal Method Geomech 1994; 18:73 92. [13] Poulos, HG., Davis, EH. Pile foundation analysis and design. New York: Wiley; 1980. [14] Randolph, MF., Design methods for pile groups and piled rafts. S.O.A report, 13 ICSMFE, New Delhi, vol. 5; 1994. p. 61 82. [15] Ray, R., Scharle P., Szepesházi R. Numerikus modellezés a geotechnikai tervezési gyakorlatban Geotechnika 2009. ISSMGE- MMK, Ráckeve konferencia kiadvány, 2010. [16] Schweiger, H.F. Finite element analysis of deep foundations and tunnels practical applications Alert Workshop 2010 Session Engineering Geostructures, Aussois, 2010. [17] Tan, Y.C., Chow, C.M. Design of piled raft foundation on soft ground GSM-IEM Forum: The roles of Engineering geology & geotechnical engineering in construction works, Department of Geology, University of Malaya, Kuala Lumpur, 21st October 2004. [18] Tschuchnigg, F. Optimization of a deep foundation with diaphragm wall panels employing 3D FE analysis, Proceedings 21st EYGEC Rotterdam, 2011. pp. 47-53.