ÚJ, HAZAI FEJLESZTÉSŰ VASBETON SZÁDFAL BEMUTATÁSA Lődör Kristóf 1 PhD hallgató; Dr. Szendefy János 2, Adjunktus 1,2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Geotechnika és Mérnökgeológia Tsz. KULCSSZAVAK szádfal, partvédelem, előregyártott vb elem, 1. BEVEZETÉS Az elkövetkező években intenzív felújítási és átépítési munkák várhatóak hazánk élővizeinél. A Velence-tavi partfalak rehabilitációjának munkálatai már az idei évben megkezdődnek, de több balatoni kikötő építése vagy átépítése is várható. Ezeknél a beruházásoknál műszaki igény merült fel az előregyártott vasbeton szádfalak iránt, amelyek elérhetősége hazánkban limitált. A lehetőséget felismerve, a hazai piac előregyárott vízépítési vasbetonelemek gyártásának jelentős szereplője, a CSOMIÉP KFT vasbeton szádfal fejlesztését határozta el. Az új termékcsalád fejlesztése során elsődleges szempont volt a műszakilag hatékony kialakítású, de akár városi környezetben is esztétikus megjelenést biztosító szádfalelem megalkotása. A CSOMIÉP KFT különböző szakterületeken jártas mérnököket és cégeket kért fel a fejlesztésben való részvételre, aminek köszönhetően a kifejlesztett termék optimalizálásra került geotechnikai, statikai, betontechnológiai és kivitelezési szempontok alapján. Nagy megtiszteltetés volt számunkra, hogy meghívást kaptunk a fejlesztők csapatába és megismerkedhettünk, illetve együtt dolgozhattunk sok kiváló szakemberrel. Cikkünk röviden a fejlesztés geotechnikai szempontjait és eredményeit foglalja össze. 2. FORMAI KIALAKÍTÁS A formai kialakítás során fontos szempont volt, hogy olyan szádfalelem készüljön ami esztétikus megjelenést biztosít egy városi vagy frekventált turisztikai területen is, formavilágában nem az ipari felhasználást sugalló acél szádfalelemre hasonlít. Azonban a végső formavilág mégsem egy design fogásból, hanem statikai megfontolásból alakult ki. A szerkezettervezői munkálatokat Kovács Olivér (EFERTE KFT) csapata végezte, akik a szádfal elem inerciájának optimalizálása és a bevasalhatóság vizsgálata alapján jutottak el a hátulsó erősített bordával rendelkező viszonylag vékony homlokelem formához.
Az elem ekkor még teljes hosszában azonos keresztmetszettel rendelkezett. A cölöpszerűen vagy Berlini-dúcolathoz hasonlóan túlnyúló borda már geotechnikai megfontolások miatt került kifejlesztésre, bevonva az erőjátékba az esetlegesen mélyebben található jobb kondíciójú talajokat. A meghosszabított borda nem csak betonfelhasználás miatt hatékony, hanem előnyös a szádfal elem kivitelezése során alkalmazott verés vagy vibrálás során is. A megtervezett, viszonylag sík felület jó lehetőséget nyújt a különböző felületű textúrák, nyomatok létrehozására. Az elemek egymás mellé helyezésével pedig a vízfelszínhez hasonlító, kissé hullámzó felületet kapunk, aminek az esztétikai megfontoláson túl statikai szerepe is van. 3. Geotechnikai numerikus vizsgálat geotechnikai környezete A szerkezeti elemek és a rendszer állékonyságának és a deformációinak az elemzésére Plaxis 3D geotechnikai végeselemes szoftvert alkalmaztunk a változatos keresztmetszeti formák és raszter kiosztások miatt. 1. ábra: Háromdimenziós modellgeometria A Velencei-tavi geotechnikai viszonyokat a Talajvizsgálati jelentés alapján értékeltük. A numerikus analízisek során használt talajrétegződés és talajfizikai paraméterek a kritikusabb zónákra jellemzőek, így feltételezhető, hogyha ezeken a területeken vizsgált szerkezetek
elmozdulása és állékonysága kielégítő, vagy közel kielégítőnek minősül, akkor az a környező, geotechnikai szempontból kedvezőbb helyeken is alkalmazható, illetve egyedi tervezéssel optimalizálható. A heterogén talajkörnyezet definiálása során mesterséges feltöltés, puha, összenyomódásra érzékeny, szerves talajrétegek is szerepeltek. Az 1. ábrán egy a modellezés során vizsgált talajrétegződés látható. A talajokat HS Small talajmodellel modelleztük, míg a szádfal elemek térfogatelemként kerültek definiálásra. A talajvíz szintjét a mederben lévő víz szintjével megegyezőnek feltételeztük, melynek helyzete a meteorológiai viszonyoktól függően folyamatosan változik. Számításokat végeztünk arra az esetre, ha a talajvízszint a terepszinten van, illetve alatt 0,50m és 1,00m mélyen, illetve egy estleges visszaduzzasztás bekövetkezése miatt vizsgáltunk olyan eseteket is, melyeknél a tó vízszintje a talajvíznél mégiscsak mélyebben helyezkedik el. 4. SZERKEZETI ELEMEK MODELLEZÉSE A fejlesztés során a szádfal elemek vizsgálata oly módon történt, hogy a geotechnikai modellek a szerkezettervezők által meghatározott paraméterek alapján lettek definiálva. Ezt követő geotechnikai futtatások után a statikus kollégák az AXIS végeselemes szerkezettervezői programban a beállításokkal a geotechnikai modellezés során kapott hatásokat és elmozdulásokat követték le. Néhány iterációs körrel, vagyis néhányszáz modellezési órával a szerkezet optimalizálása elvégezhető volt. Az előregyártott vasbeton szerkezeti elemeket a numerikus vizsgálatok során térfogatelemként definiáltuk, lineárisan rugalmas, vízzáró anyagmodellel. Az elemek keresztmetszeti kialakításának aprólékossága miatt valós geometriát hálógenerálási problémák miatt nem tudtunk létrehozni a modelltérben, így egy idealizált keresztmetszetet definiáltunk, melynek inercia nyomatéka és keresztmetszeti területe azonos a valós keresztmetszettel, így szerkezeti viselkedése megfelelően modellezhető és értékelhető. Számos variációs lehetőség áll rendelkezésre a vasbeton szádcölöp elemcsalád katalógusából, melyeket kombinálva, optimalizálva gazdaságos és biztonságos partfal megtámasztás alakítható ki. Lehetőség van a szádcölöp elemeket folyamatosan egymás mellé helyezve zártsorú szádcölöp falat kialakítani, ritkított raszterben leverni azokat, illetve a szádcölöpök elemek közé betételemeként vasbeton pallókat helyezni (Berlíni-dúcolathoz hasonlóan csak minden második szádfal elem kerülne leverésre). Minden lehetséges kialakítás vizsgálata
céljából készültek modellek a geotechnikai végeselem szoftverrel, illetve azok eredményeihez illesztett AXIS modellek a vasbeton szerkezet számításainak érdekében. a.) b.) 2. ábra: Szádcölöp elem AXIS modell (a.); Plaxis 3D modell (b.) 5. GEOTECHNIKAI SZÁMÍTÁSOK A számítások során megvizsgáltuk a különböző geometriájú szádcölöp elemek alkalmazása során kialakuló deformációkat és állékonysággal szembeni biztonságát eltérő, ám jellegzetesnek tekinthető talajkörnyezet, valamint kritikus, alacsony nyírószilárdsággal rendelkező, összenyomódásra érzékeny talajrétegződések mellett is. Megvizsgálásra került például a tavak és folyók partjánál rézsűsen kifutó mederfenék
megtámasztást segítő hatás is. Ennek figyelembevételére a mederfenék és a szerkezeti elemek csatlakozásánál korábbi tapasztalatink alapján 1,0m, illetve 2,0m magas ék jelenlétét definiáltuk. a.) b.) 3. ábra: Rézsűs mederfenék modellezése - 1,0 m magas megtámasztó földék (a.); 2,0 m magas megtámasztó földék (b.) A tervezett szádfalelem esetében lehetőség van a szádcölöp elemek georáccsal történő hátrahorgonyzására is, melynek kedvező hatását az elmozdulásokkal és globális állékonysággal szemben térbeli véges elemes modellezések segítségével igazolni tudtunk. 6. GEOTECHNIKAI NUMERIKUS MODELLEZÉS EREDMÉNYEINEK ÉRTÉKELÉSE Az alábbiakban néhány modellezett szerkezeti és mederkialakításnak az eredményeit mutatjuk be, melyeknél egyértelműen láthatóvá válik a megtámasztó rendszer működése és az elmozdulásokat, állékonyságot leginkább befolyásoló hatások. A 4. ábrán a 7 méteres szádcölöp elem elmozdulásainak diagramja látható, mely elemnek a palást és gerenda méreteinek arányát (4,5 m-es palást, 2,5 m-es gerenda, illetve 3,5 m-es palást és 3,5 m-es gerenda) eltérően definiáltuk a számítások során. Az ábrán látható, hogy amennyiben szükséges úgy a megnövelt palástmérettel növelhető a passzív oldali földellenállás, amellyel egyben az elmozdulások is csökkenthetőek.
Mélység [m] Elmozdulás [cm] 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 7 m 4,5+2,5 7 m 3,5+3,5 4. ábra: 7 m-es szádcölöp elmozdulásai a palást és gerenda hosszának megváltoztatásának hatására 5. ábra: Szerkezeti elemek elmozdulási és deformálódott ábrája A 6. és 7. ábrán a rézsűsen kifutó mederfenék elmozdulásokra és globális állékonyságra gyakorolt hatása látható. Megfigyelhető, hogy 1 méter magas kiékeléssel már 20%-os csökkenés tapasztalható a deformációkban, míg 2 méter magas kiékeléssel ez a szám már 60%-ra
ΣMsf [-] Mélység [m] emelkedik. Nem csak a maximális elmozdulásokban van jelentős eltérés, hanem a szerkezeti elemek görbületében, ezáltal az igénybevételeiben is. Hasonló tendencia tapasztalható a globális állékonysági biztonság alakulásában is a megtámasztó rézsű/földtömeg magasságának gyarapodásával, ugyanis nő a passzív oldali földellenállás, ami stabilizáló erő a rendszer erőjátékán belül. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a modellezések során ennek a természetes megtámasztó hatásnak a figyelmen kívül hagyásával jelentősen nagyobb deformációkat kaphatunk, ami a szerkezeti elemek túlméretezéséhez és kihasználatlanságához vezethet. 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 Elmozdulás [cm] 0 1 2 3 4 5 6 Nincs kiékelés 1 m-es kiékelés 6. ábra: Rézsűs mederfenék megtámasztó hatása az elmozdulásokra 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,4 0,5 0,5 0,6 0,6 u [m] Nincs kiékelés 1 m-es kiékelés 2 m-es kiékelés 7. ábra: Rézsűs mederfenék megtámasztó hatása az állékonyságra
7. ÖSSZEFOGLALÁS Manapság egyre nagyobb társadalmi igény van az élővizek védelmére, azok életterünkbe való aktívabb bevonásra. Ennek egyik fő eleme a partvédelem, amelynek segítségével megakadályozhatjuk az eróziót, valamint sporttevékenységhez (pl.: vitorlás kikötő) és vízközeli kikapcsolódáshoz (pl.: lidos parti sétány) hozhatunk létre partszakaszokat. A múlt év során kifejlesztett előregyártott vasbeton szádfal elem ezeket a célokat kívánja kiszolgálni. Az elemcsalád fejlesztése során a geotechnikai, statikai, betontechnológiai és kivitelezési szempontok egyaránt figyelembe vételre kerültek, amelynek eredményeként műszakilag hatékony, de esztétikailag mégis megfelelő termék jöhetett létre. A termékcsalád kifejlesztésekor a geotechnikai viszonyoknál az élővizek partjainál általában előforduló kedvezőtlen, szerves, puha talajok jelenlétével is számoltunk, azonban a borda rész megnyújtásával a mélyebben található, kedvezőbb rétegek is sikerült az erőjátékba bevonni. A geotechnikában is egyre szélesebb körben elterjedő 3D végeselemes szoftverek segítségével a speciális alakú szerkezetre ható föld- és víznyomások, valamint várható elmozdulások is jól modellezhetővé váltak. Ennek köszönhetően a szerkezettervezés 3D modellezése során a valóságot jobban közelítő peremfeltételekkel lehetett számolni, ami a szerkezet optimalizálását tette lehetővé. A termékfejlesztés műszaki újdonságát és sikerét mutatja, hogy a szádcölöp elnevezésű előregyártott vasbeton szádfalelem család ipar jogvédelem alatt álló termék lett, amely idei évben a Magyar Termék Nagydíj elismerést is megkapta.