2013. II. évfolyam 1. szám Épülethéjak fontossága Mit nevezünk könnyűszerkezetnek? Üveghomlokzatok transzparenciazavarai SCHÜCO, JANSEN újdonságok Alumínium profilú tűzgátló szerkezetek
FÉMSZERKEZETEK TERVEZÉS-GYÁRTÁS-ÉPÍTÉS MKE A MAGYAR KÖNNYŰSZERKEZETES EGYESÜLET ÉS AZ ALUTA ALUMÍNIUM ABLAK ÉS HOMLOKZAT EGYESÜLET KÖZÖS SZAKMAI HÍRLEVELE II. ÉVFOLYAM, 1. SZÁM 2013. TAVASZ A SZERKESZTŐBIZOTTSÁG ELNÖKE: FEGYVERNEKY SÁNDOR A SZERKESZTŐBIZOTTSÁG TAGJAI: DÖMÖTÖR ÁLMOS, FILE MIKLÓS, KISS TAMÁS, DR. DUDÁS ANNAMÁRIA, DR. HORVÁTH LÁSZLÓ, KRISTÓFI ÁKOS, KOTORMÁN ISTVÁN, DR. SEREGI GYÖRGY, DR. DOBSZAY GERGELY, SZŰCS IMRE FŐSZERKESZTŐ: DR. CSIZMADIA LAJOS SZERKESZTŐSÉG: 1119 BUDAPEST, CSORBAI UTCA 22/D. TEL./FAX: +36 1 386 6008 MOBIL: +36 20 434 6699 MCSLAJOS@GMAIL.COM WWW.KONNYUSZERK.HU WWW.ALUTA.HU TÖRDELÉS: MÁLNÁSI-CSIZMADIA ÖRS Tartalomjegyzék FEGYVERNEKY SÁNDOR: Az épülethéjak fontossága, az ALUTA minőségi kézikönyv bemutatása 4 DR. SEREGI GYÖRGY: Mit nevezünk könnyűszerkezetnek? 5 DÖMÖTÖR ÁLMOS: Természetes füst- és hőelvezető berendezések viselkedése aerodinamikailag hatásos keresztmetszet meghatározása 20 TÓTH SÁNDOR: Transzparencia zavarok az üveghomlokzatok tervezésekor 24 JÁMBOR ÁRPÁD: Praktikus javaslatok, költséghatékonyságnövelés a motoros nyílászárók területén 29 FARKAS GÁBOR, ASZTALOS ISTVÁN: Strukturális üvegezés Az összetett építészeti arculat és az innovatív technológia egysége 31 EILES KÁROLY: Az ember, természet, technológia mottó jegyében Schüco és Jansen újdonságok 34 VINCZE BÉLA: A DORMÁ-ról általában 36 CZIGLER GÉZA: Korszakváltás a tűzgátló rendszerek területén 38 SZÉLL ANDREA: Láthatatlan megoldás mesterfokon 40 BÉRCY TAMÁS, PAPP GERGELY, SOMOSKŐI GÁBOR: Hegesztés túl a határon összetett gyártási feladatok megvalósítása korszerű hegesztéstechnológiai támogatással 44 MKE hírek 49 ALUTA konferencia meghívója 50 3
Az épülethéjak fontossága, az ALUTA minőségi kézikönyv bemutatása Fegyverneky Sándor klasztermenedzser, ALUTA Egyesület Elnöke Akorszerű épületeknél a külvilágot és az épület használati belső tereit elválasztóösszekötő homlokzati szerkezetek az épülethéjak. Ezen épülethéjaknak néhány centiméteres vastagságukkal, illetve vékonyságukkal sokféle követelménynek kell egyre magasabb szinten megfelelni. Az épülethéjak iránti követelmények közül igen fontos a megjelenés esztétikáját, a városképi látványt nyújtó homlokzati struktúra. A tervező által választott osztásrend, az anyagok felületkezelése, az üvegek látható tulajdonságai az épület egyediségét biztosítják. Az épülethéj a tervezői kreativitás fontos területe. Az épületfizikai követelmények teljesülése is alapvető. A külső hidegtől, illetve melegtől, a széltől, a csapadéktól védeni kell az épület belvilágát. A napsütés elleni árnyékolás a helyiségek szabályozott, természetes szellőztetésének és bevilágításának biztosítása ugyancsak az épülethéj síkjában megoldandó műszaki feladat. A biztonsági követelmények teljesülése során gondoskodni kell a betörésvédelemről, a szabályozott beléptetésről, a kimenekülésről. A tűzvédelem során a tűzterjedés, a tűzátcsapás, az épülethéj tűzállósága, az épületben lévők kimenekítése, a hő- és füstelvezetés mind a tervezéskor és a gyártás-építés során teljesítendő követelmény. A külvilág zajának kirekesztése, a betekintés elleni esetleges védelem, kitekintés biztosítása is fontos. Az energiamegtakarítás ugyancsak az épülethéj síkjában megoldandó műszaki feladat. A homlokzati szerkezetek hőszigetelő képessége, légtömörsége, hőhídmentessége, megfelelő árnyékoltsága, nyithatózárhatósága biztosítja a kívánatos hő benttartását, a nemkívánatos meleg illetve hideg kint tartását, a szükséges fűtési- és hűtésienergia csökkentését. Mindezen követelmények csak a méretpontosság, a szerelhetőség és az előregyárthatóság magas színvonalán, relatív alacsony szerkezeti súllyal teljesülhetnek hatékonyan. A fém, üveg homlokzati szerkezeteket környezetbarát építőanyagnak nevezhetjük, mert a ciklikus homlokzatcserék vagy épületbontások esetén ezek az anyagok a gyártásba szinte maradéktalanul visszavezethetők, újra hasznosíthatók. A korszerű fém-üveg homlokzatok, nyílászárók, üvegtetők alkotta épülethéjakkal kapcsolatos komplex követelményrendszer teljesítése igen összetett tervezői-gyártói-kivitelezői feladat. E feladatok megvalósítása során felgyülemlett szakmai tudást ajánljuk az érdeklődő műszakiak figyelmébe. Az ALUTA Egyesület és Klaszter tagvállalatainak tapasztalatait összegző szakkönyvsorozat immáron harmadik kötete jelenik meg 2013. év tavaszán. Alumínium homlokzati szerkezetek tervezése és kivitelezése címmel a szakma legjobbjai önkéntes munkával állították elő a könyv tartalmát. A lektori munkát a BME, a kiadói feladatokat a TERC Kft. végezte. A szükséges pénzt részben az ALUTA Klaszter Európai Uniós és hazai állami forrásból pályázat útján biztosította. Köszönet a szervezőknek, közreműködőknek! 1. ábra. a kézikönyv borítója 4
Mit nevezünk könnyűszerkezetnek? Dr. Seregi György Széchenyi-díjas építőmérnök Szakmai körökben többször felmerült a könnyűszerkezetes építés, és ezen belül a könnyűszerkezetek meghatározása, definiálása. A közvéleményben általában negatív felhangok kíséretében manapság azokat a készházakat értik, melyeket nem téglából falazott, fából készült fedélszékeken elhelyezett cserépfedéssel, hagyományos módszerekkel a kőművesek, ácsok építenek, hanem amelyek fal- és tetőszerkezetét előregyártott elemekből (építőlemezek közötti, többrétegű könnyű hőszigetelő anyagokból álló) fém-, vagy fa vázra, száraz kapcsolatokkal a helyszínen szerelik össze. A negatív felhangok pedig abból adódnak, hogy ennek az építési módnak készházakra történő alkalmazása mintegy húsz éves múltra tekint vissza hazánkban, kevés a tapasztalat, a kiforrott, minősített építési rendszer, minek következtében előfordulnak megoldatlan csomópontú barkácsolt típusok is. Sokan azt is elfelejtik, hogy egy ilyen épület másként működik mint egy hagyományos, következésképpen másként is kell használni. Mondanom sem kell, hogy ez a felfogás az építési módok fejlődése ismeretének hiányából származik. A könnyűszerkezetes építés kezdete ugyanis a múlt század derekára, vagyis a II. világháború végére tehető Európában (Amerikában a könnyűszerkezetek elődje: a favázas, helyszínen szerelt lakóházak még korábban alakultak ki), igaz hogy akkor is a lakásépítés területén alkalmazták. Elsőként rögtön egy igen fejlett változatot gyártottak, ami egy teljesen felszerelt szekcióból, előregyártott épület szeletből (teherbíró padló, tető, falak, belső berendezések) állt, melyeket egyben szállítottak és szereltek kész épületté a helyszínen (1. ábra). Mindezt az a kényszer szülte, mely abból adódott, hogy az angol hadiipari repülőgépgyárak háború utáni rendelésállománya hirtelen lecsökkent és London lakásállományának jelentős részét a V2 szétbombázta. A szabad ipari kapacitásokat tehát bevonták a megnövekedett építési feladatok elvégzésére, a malteros kanalat felváltotta a csavarkulcs. Az előregyártás ilyen magas foka magában hordozta ezeknek az épületeknek legnagyobb gyengéjét: a variabilitás teljes hiányát, mely kényszer lakásként elfogadható volt, a béke éveiben azonban már az 1. ábra igények kielégítésére alkalmatlan volt. A fejlett, akkoriban csúcstechnológiával készült, rendszerint fémbázisú épületelemeket később a csarnoképítés területén kezdték alkalmazni, és erre a célra egyszintes építési rendszereket fejlesztettek ki. Nyugat-Európában az 50-es 60-as évek ipara és mezőgazdasága a háború utáni újjáépítés szükséglete- 5
3. ábra 2. ábra inek megfelelően robbanásszerűen fejlődött, amely több millió m 2 csarnokot igényelt azzal a követelménnyel, hogy az építési idő, valamint a munkaóra ráfordítás a minimális legyen. Ezt az igényt acélvázas, könnyűszerkezetes, tipizált elemeket tartalmazó, zárt építési rendszerekkel lehetett kielégíteni. Ez utóbbi azt jelenti, hogy a hozzá tartozó alrendszereket (váz, külső térelhatárolás, válaszfal stb.) más rendszerekbe nem lehetett beépíteni (2-3. ábra). Az ipari fejlődés motorja a XX. század közepétől napjainkig a gépkocsigyártás volt. Az ehhez kapcsolódó infrastruktúra (mely szintén robbanásszerűen fejlődött) igényelte benzinkútállomások, autószervizek, bemutatótermek, védőtetők építését. Voltak olyan egyszintes könnyűszerkezetes építési rendszerek, amelyeket speciálisan ezek megépítésére fejlesztettek ki. Más rendszerek, az irodaépítést (4. ábra), vagy a lakótelepek ABC áruházainak gyors megépítését segítették. Ebbe a körbe tartoznak a sportlétesítmények is, mely számos tornaterem, edzőterem, uszoda stb. könnyűszerkezetes megoldásával tette lehetővé az igények kielégítését. Hagyományos módszerekkel ezeket a feladatokat a munkaerőhiány, valamint a hosszú építési idő miatt nem lehetett volna megoldani. A békeévek életszínvonalának fejlődésével, a 70-80-as években a városok, falvak kulturális, oktatási feladatai is gyarapodtak. Ezek épületigényét többszintes, cellás (sűrűn válaszfalazott, teherviselő födémeket alkalmazó) könnyűszerkezetes rendszerekkel oldották meg. Ezek az iskola-, irodaépítésre alkalmas megoldások először szintén zárt rendszerűek voltak. Már a múlt század végén bebizonyosodott, hogy a zárt rendszerek nem elég rugalmasak, az épületek pedig nem elég változatosak, monotonitást eredményeznek. Ennek feloldására kezdtek kifejlődni a nyílt rendszerek, amelynek alrendszerei önálló életet kezdtek élni. Ezeket az alrendszereket széles körben a mai napig alkalmazzák, nem csak könnyűszerkezetes rendszereknél, hanem a hagyományos tégla, vagy más szilikát bázisú építőanyagból készült (pl. vasbe- 4. ábra 6
ton vázas) épületeknél. Ezeknek az alrendszereknek az alkalmazásával létrejött megoldásokat sok esetben száraz építési módnak is nevezik, mert kötésmódjuk nem vizes technológiával (habarccsal, betonnal stb.), hanem csavaros, pattintós, vagy éppen húzószegecses gyorskötéssel történik. Ilyenek például a szerelt válaszfalak, álmennyezetek, épületgépészeti megoldások. 6. ábra 5. ábra Ide sorolhatók az acél- alumínium- és műanyag függönyfalak is, melyek a könnyűszerkezetes építés alrendszerei, még akkor is, ha ezeket önállóan, több vázszerkezetre szerelhetően, több célra fejlesztették ki (5. ábra) Az előzményeket, az építési mód alapelveit (ipari előregyártás, helyszíni szerelés) itt is Amerikában kell keresni, ahol már a múlt század első felében a felhőkarcolókat acél vázzal és emelet magas falpanelekkel tudták megépíteni. Igaz, hogy ezeket a karosszéria jellegű, hőszigetelt elemeket akkor még nem könnyűszerkezetnek hívták, mert voltak szilikát bázisú megoldások is. Véleményem szerint a könnyűszerkezet mint terminus technikus szóhasználat alkalmazása a mai függönyfalaknál azért is indokolt, mert ezek anyagaiknál (elemkomponenseiknél) fogva is a könnyű építőanyagok kategóriájába tartoznak. Helytelen volna a könnyűszerkezetes építést leszűkíteni a magasépítés területére. Mert ha ezen építési mód általános megfogalmazásából indulunk ki, mely szerint az a könnyűszerkezet, amelynek saját tömege lényegesen kisebb, mint a hagyományos megoldásoké, az építőelemek gyártása korszerű ipari technológiákkal történik, a helyszíni építés pedig szerelés jellegű, akkor ezen elvek alkalmazásával a mérnöki- és az általános szerkezetépítés területén is számos lehetőséget, alkalmazási példát találunk. Nem vitatható, hogy a kábel- vagy a ponyva szer- kezetek, vagy a hagyományos acélból építettnél fele annyi saját tömegű alumínium billenő hidak (6. ábra), futódaruk, szétnyitható nagyfesztávolságú tetőszerkezetek, toronyszerű építmények könnyűszerkezetek. A magyar mérnökök ezeket a megoldásokat, összekapcsolva az anyagtakarékossággal évtizedek óta alkalmazzák. A nyugat-európai, ezen belül a német gazdaságossági felfogás szerint egy szerkezetnél (legyen az csarnokváz, tetőszerkezet, vagy bármilyen általános technológiai célú acélszerkezet) a munkaigényesség minimalizálása (optimalizálása) megelőzi az anyagtakarékosságot, a közép-kelet európai, így a magyar felfogás szerint pontosan fordított a gazdaságosság célkitűzése: az anyagfelhasználást kell csökkenteni még akkor is, ha ennek vonzata némi többletmunkával jár. Mindez abból adódik, hogy nálunk az anyag drága, a munkabér pedig alacsony. Az anyagár különbség azonban minimális (10-20%), a munkabér különbség azonban jelentős (7-8 szoros) a két gazdasági zóna között. Magyarország nyersanyagokban szegény ország, az acél előállításához szükséges vasércet, a műanyagok gyártásának alapanyagát a kőolajat, vagy a faszerkezetekhez szükséges fenyő-fűrészárut importból kell megvásárolnunk, vagy félkész-termékként szintén külföldről kell beszereznünk. Pozitív külkereskedelmi egyenlegünk fenntartása érdekében az építőiparnak mindig is kevés lehetősége, kerete volt ezen anyagok importálására. Fontosabb iparágak pl. az autóbuszgyártás, vagy a műszeripar re exporttal jobban ki tudta termelni a maga importját, mint az építőipar, ezért az építőiparban és a szerkezetgyártásban az anyagtakarékosságnak kiemelt jelentősége van. Ez nem csak a kapitalista gazdálkodás követelménye, fokozottan így volt ez a szocializmusban is. Az én mérnök-generációm ezen nevelkedett, az oktatásban és a tervezésben erre fókuszált. Az anyagtakarékosság jegyében célszerű hidegen hengerelt szelvényekből rácsos tartókat, tömör tartóknál pedig hegesztett, változó keresztmetszetű, 7
Az anyagminőség jele m 3 -enkénti tömeg, γ, Szakítószilárdság Szakadóhossz kn/m 3 R m, kn/m 2 l = Rm γ A 38 78,5 38, 0 10 4 4 840 52 C 75,5 52, 0 10 4 6 624 AlMg 3 s 27,0 18, 0 10 4 6 666 AlMgSi 1 n 27,0 31, 0 10 4 11 481 Cu /réz/ k 89,5 40, 0 10 4 4 469 1. táblázat. Építési célú fémek szilárdságának és saját tömegének összehasonlítása nyomaték követő megoldást, általánosságban pedig könnyű acélszerkezeteket tervezni. Csarnokok másodrendű tartószerkezeteit (szelemen, szélrács, falváz) melegen hengerelt profilok helyett, hidegen hengerelt vékonyfalu, művileg horganyzott szelvényekből kialakítani (7. ábra). Nagy hagyományai vannak hazánkban az anyagtakarékos, ragasztott faszerkezeteknek. Ezekkel komoly faanyag megtakarításokat lehet elérni. A különféle műanyagokat széles körben alkalmazzák könnyű szigetelőanyagoknál (haboknál), nyílászáróknál, kábel- és ponyvaszerkezetek térelhatárolásánál. Az alumínium amely az egyetlen hazai nyersanyagbázisra épülő, szerkezetépítésre is alkalmas anyag sajtolhatósága lehetőséget nyújt könnyű, az igénybevételek felvételére legalkalmasabb szelvények kialakítására. Ezeket a szelvényeket nagyfesztávolságú hidak pályaszerkezeténél, mozgatható hidak tartóinál, daruk, állványzatok, függönyfalak, nyílászárók, üvegtetők könnyű anyagtakarékos megoldásánál alkalmazzák. Ha a könnyűszerkezetek fentebb említett általános megfogalmazásából indulunk ki, megállapíthatjuk, hogy a mérnöki- és az általános szerkezet- 7. ábra építésben az anyagtakarékos megoldások is a könnyűszerkezetes építés fogalomkörébe sorolhatók abban az esetben, ha azok saját tömege lényegesen kisebb a hasonló rendeltetésű hagyományos megoldásnál. Úgy is fogalmazhatunk, hogy minden könnyűszerkezet anyagtakarékos, de nem minden anyagtakarékos szerkezet könnyűszerkezet, hiszen egy nehéz acélszerkezetet is meg lehet tervezni anyagtakarékosan. Végül vannak olyan szerkezetek, melyek nem az építés, hanem a járműipar fogalomkörébe tartoznak, és amelyeket anyaguknál fogva nevezhetünk könnyűnek. Természetesen ezeknek is ki kell elégíteni a könnyűszerkezetekre vonatkozó általános meghatározást. Olyan anyagokat sorolhatunk ide, melyeknek szilárdsága saját tömegükhöz viszonyítva magas. Jellemző erre, ha a saját tömegével terhelt prizmatikus, állandó keresztmetszetű rúd l szakadóhossza, mely néhány fémnél az 1. táblázatban látható l = R m γ ahol R m a szakítószilárdság, γ az anyag köbméterenkénti tömege. Ezt a követelményt leginkább az alumíniumötvözetek elégítik ki, de ide sorolhatók a magas szilárdságú acélok, az első osztályú keményfából készült rétegelt - ragasztott faanyagok, vagy a szerkezetépítésre alkalmas műanyagok. Az ellentétes oldalon a téglát, a követ, vagy a vasbetont lehetne említeni. Ilyen anyagok felhasználásával készülhetnek járművek (repülőgépek, hajók, gépkocsi alkatrészek, egységek, sínjárművek) vagy ezek kiegészítő elemei: pl. a tehergépkocsi platója, a vitorlás hajó árboca, a motorkerékpár oldalkocsija, vagy az uszályok mozgatható lefedése stb. (a motorházak gyártásánál már könnyűfém öntvényeket használnak). Az itt említett csoport gazdaságosságát más szempontok szerint kell vizsgálni, mint az építésben al- 8
kalmazott könnyűszerkezetekét. Elsősorban az üzemeltetési költségeknél van változás, mert az egyszeri építési (beszerzési) beruházás költsége minden esetben felmerül. A hosszú távú üzemeltetés költségmegtakarítása (befogadóképesség, üzemanyag felhasználás, villamos energia költség stb.) viszont számottevő lehet. Ezeknél a könnyűszerkezeteknél az energia megtakarítás prioritást élvez az anyagtakarékossággal szemben. Az is természetes, hogy egy repülőgépnél nincs is összehasonlítási alap, mert légi járművet még senki sem próbált meg vasbetonból (még könnyű betonból sem) megépíteni. A repülőgépek anyagából a dúralumíniumból viszont igen, mert ennek az anyagnak a szilárdsága legnagyobb a saját tömegéhez képest. Az energiatakarékos járművek fejlesztésénél az említett könnyű anyagok beépítése a XXI. század nagy kihívása, ezek tömeges gyártására az egész iparágnak fel kell készülni, a gyártási technológiákat ki kell dolgozni. Ezek után foglaljuk össze a könnyűszerkezetek családfáját. f) Kandeláberek, toronyszerű építmények g) Futódaruk, általános technológiai fémszerkezetek 3. Járműipari könnyűszerkezetek a) Repülőgépek b) Közúti járművek c) Sínjárművek d) Hajók, csónakok, vízi járművek A továbbiakban próbáljuk meg az egyes csoportok főbb jellemzőit, tulajdonságait meghatározni, a lehetőségekhez képest számszerűsíteni. Mit értünk az alatt, hogy egy könnyűszerkezetnek lényegesen kisebb a saját tömege, mint a hagyományos megoldásnak. 1. Magasépítési könnyűszerkezetek 1. Magasépítési könnyűszerkezetek a) Építési rendszerek i. Egyszintes csarnokok ii. Többszintes, cellás rendszerek iii. Készházak, lakóházak A. Egyszintes lakóházak B. Kétszintes lakóházak b) Önálló alrendszerek i. Vázak ii. Külső térelhatárolások iii. Függönyfalak, üvegtetők, portálok, nyílászárók iv. Tetőrendszerek v. Válaszfalak vi. Álmennyezetek 2. Mérnöki könnyűszerkezetek a) Szétnyitható hidak, hidak pályaszerkezetei, kikötőhidak, gyaloghidak b) Egyedi, nagy fesztávolságú tetőszerkezetek, szétnyitható tetők c) Silók d) Kábel és ponyvaszerkezetek e) Kandeláberek, toronyszerű építmények Az építési rendszerek a tömeggyártás elősegítésére alakultak. Az általános rendszerelméletek alapján alrendszereket alakítottak ki, amelyek egyszintes csarnok rendszereknél az alábbiak voltak: alapozás-padló; vázszerkezet; külső fal; tetőfedés; álmennyezet; épületgépészet (fűtés, szellőzés, világítás, automatika stb.); Ezeket rendszerkomponensekre (pl. a vázszerkezetnél: főtartó, szelemen, falváz, merevítések), végül alkatrészekre (pl. a főtartónál: oszlop, gerenda) bontottak. Az alrendszerek összeépítése, más szóval a csomópontok kialakítása kötött és minősített volt. A rendszerelvű építés alapja a tipizálás és a modulkoordináció. Ez biztosította a tömeggyártás követelményét: az elemek számának csökkentését. A többszintes cellás rendszereknél bővült az alrendszerek (pl. közbenső födém, tetőfödém, lépcső stb.) és főleg a rendszerkomponensek (pl. tetőbevilágító elem) száma, szigorodtak a hőtechnikai és a tűzrendészeti követelmények. 9
A könnyűszerkezetes készházak építésére külön rendszereket dolgoztak ki. Ezek alapkövetelményeiben megegyeznek az egy- illetve kétszintes cellás rendszerekkel, kibővítve azzal a többlettel, melyet az állandó emberi tartózkodásra alkalmas épületeknél az évről-évre szigorodó hőtechnikai követelmények jelentenek. A rendszernek tartalmaznia kell az összes főbb csomópont (falcsatlakozás az alaphoz, nyílászárókhoz, tetőhöz, födém- falcsatlakozás megoldását, épületgépészeti elemek felerősítését, áttörését stb.) megoldását, vagyis nem csak az alrendszerekét, hanem ezek összeépítési módját is. A könnyűszerkezetes építési rendszerek legfontosabb eleme és egyben jellemzője a falszerkezet. Ezek építőlemezekből (fémlemez, gipszkarton, faforgács stb. alapanyagú külső-belső héj), és könnyű hőszigetelő anyagokból (ásványgyapot, üvegpaplan, műanyag hab) összeállított többrétegű falak, melyek légréteget, párazárást is magukban foglalnak. A többrétegű falakat a helyszínen szerelik össze, vagy üzemben állítják össze panelekké. Hőátbocsátási tényezőjük, a szigetelés vastagságától függően könnyen eléri, vagy meghaladja a jövőben előírt U=0.2 W/m 2 K értéket. 30 cm vastag könnyű hőszigeteléssel pedig kielégíthetők a passzív házakra előírt követelmények. A csarnok rendszereknél gyors szerelést tesz lehetővé a két fémlemez közötti poliuretánhab hőszigeteléssel ellátott egy- vagy két emelet magas panelekből kiképzett fal- vagy tetőszerkezet. A tetőfedési alrendszer elvi felépítése azonos a falszerkezetekével. Mindenkor természetesen be kell tartani a megfelelő, fokozott statikai, vízzárási, és hőfizikai követelményeket. A könnyűszerkezetes falak és tetők saját tömege 30 120 kg/m 2 között mozog, míg egy 50 cm vastag tömör mészkőfalé 1350 kg/m 2 egy 40 cm vastag soklyukú téglából készült falé 520 kg/m 2 egy 15 cm vastag vasbeton falé 360 kg/m 2 Az önálló alrendszerek jellemzője, hogy könnyűszerkezetes zárt- vagy nyitott rendszerekbe éppúgy beépíthetők, mint hagyományos vázas -, vagy falazott építési móddal készülő épületekbe. Például egy könnyűszerkezetes válaszfal kapcsolatát úgy oldják meg, hogy bármilyen (vb. vázas, falazott, vagy acél vázas) típusú épület válaszfalazására alkalmas legyen. A könnyűszerkezetes acél vázakra jellemző, hogy ahol lehetséges 5 mm falvastagság alatti hidegen hengerelt nyitott- vagy zárt szelvényeket alkalmaznak mind a főtartóknál, mind a másodrendű tartóknál (szelemeneknél, szélrácsoknál, merevítőknél). A főtartók típusának kiválasztásánál kedvelik a rácsos, vagy az ívelt tartókat. Tömör tartóknál a melegen hengerelt széles talpú szelvények helyett vékony gerincű, változó magasságú hegesztett tartókat terveznek. Itt is felmerül a kérdés, hol van a határ a hagyományos vázak és a könnyűszerkezetes megoldások között, mit nevezhetünk lényegesen kisebb tömegűnek, ami az utóbbit jellemzi? Számos összehasonlító vizsgálat alapján iránymutatásként megállapíthatjuk, hogy egy 12 m fesztávú könnyűszerkezetes csarnok váz 16 20 kg/m 2 saját tömegből megoldható, a hagyományos váz 23 26 kg/m 2 értékével szemben. Ez kb. 30-35% anyagmegtakarítást jelent, ami acélszerkezeteknél már jelentősnek mondható. Ez a különbség pl. egy 40 000 m 2 -es (gépkocsi) gyártó csarnoknál 260 tonna acél megtakarítását jelenti. A vékonyfalú szerkezetek stabilitásvizsgálatánál (elcsavarodó kihajlás, elemi részek horpadása stb.), felületkezelésénél, valamint a tűzvédelménél gondo- vagyis lényegesen kisebb bármilyen hagyományos tégla-, vagy beton falnál. Fontos megállapítani, hogy a könnyűszerkezetes építési mód nem egyetlen meghatározója a térelhatárolások saját tömege. Jellemzője még a modern ipar technológiai kultúrájával és anyagaival előállított építőelemek előregyártása, szállítása és száraz kapcsolatokkal történő gyors helyszíni összeszerelése, a munkaóra ráfordítás csökkentése, és az egész folyamat számítógépes vezérlése. 8. ábra 10
sabb és részletesebb vizsgálatokat kell végezni, mint a középnehéz-, vagy nehéz acélszerkezeteknél. Az ebből adódó többlet ráfordítás (horganyzás, tűzvédelem) azonban 5% alatt marad. A külső térelhatárolások és a tetőrendszerek az építési rendszerek alrendszereiből fejlődtek önállóvá oly módon, hogy kapcsolataikat megoldották (esetleg kiegészítő elemekkel) a legkülönbözőbb beépítési lehetőségekre, azzal a céllal, hogy elemkomponenseik gyártási mennyiségét, szérianagyságát növeljék (8. ábra). Típus elemeiket minél több változatnál fel tudják használni, akár egy gépkocsi márka különböző típusainak azonos alkatrészeit. Ezek az alrendszerek rugalmasan tudják követni a hőfizikai követelmények kielégítését is, általában a rétegek számának és a hő-hangszigetelő anyag vastagságának növelésével, a fokozott követelményű nyílászárók (hőhídmentes, többrétegű üvegezéssel, árnyékolással ellátott) beépítésével. Ezért tudják a legtöbb térelhatárolási alrendszer különféle változatait (melyek azonos gyártási technológiával készülnek) alkalmazni egyszerű ipari csarnoknál éppúgy, mint irodaépületnél, vagy akár középületeknél. Külön kell megemlíteni a függönyfalakat, üvegtetőket, portálokat, melyeknél a nyílászárók, üvegezett felületek hányada eléri a homlokzati felület 50%-át, 9. ábra egyes esetekben a 100%-át. Ezekre alumínium- vagy acélszerkezetű rendszereket fejlesztettek ki, jellegzetességük, hogy a vasbeton- vagy acél épületváz elé vannak felfüggesztve. Irodaépületek, középületek követelményeit hivatottak kielégíteni. Bordázatukat, vázukat, nyílászáróikat sajtolt alumínium, vagy hidegen hengerelt acél célprofilokkal oldják meg, melyek alkalmasak az üvegek és különféle kapcsoló elemek, tömítőanyagok befogadására. Szelvényeik anyaguknál, falvastagságuknál, kialakításuknál fogva már önmagukban megfelelnek a könnyűszerkezetes építés kritériumainak. Lényegesen könnyebbek a falazott megoldásoknál, elemeit speciális gépekkel, felületkezelőkkel ellátott üzemekben, csúcstechnológiával gyártják, a hagyományos építési módnál többszörös termelékenységgel szerelik. Magas épületek (toronyházak) építését ma már el sem lehet képzelni nélkülük (9. ábra). Vannak bordás; elemes, vagy keretes és teljes üvegezésű (strukturális) rendszerek. Ezek homlokzati megjelenése látható bordás, vagy belső bordás, kívül egysíkúan üvegezett. A könnyű szerelt válaszfalakat, álmennyezeteket bizonyos gyártók igyekeztek kivonni a könnyűszerkezetes építési rendszerek fogalomköréből és a jól hangzó száraz építési mód kifejezést használják. Annak ellenére, hogy ez a meghatározás is jellemzi ezeket a gyártmányokat, nem kérdéses, hogy ezek is a könnyűszerkezetes építési mód alrendszerei. Az is igaz, hogy önálló alkalmazásuk a legszéleskörűbb, hiszen manapság ritka az olyan épület, ahol falaznák a válaszfalakat. További előnyük, hogy könnyen áthelyezhetők. Vázuk, kitűző (felfüggesztő) profiljuk a könnyűszerkezeteknél széles körben alkalmazott hidegen hengerelt, vékonyfalú, sendzimír horganyzott alapanyagból gyártott szelvény, burkolatuk egy emelet magas gipszkarton lemez, melyek között könnyű szigetelőanyag van. Gyorsan szerelhetők, száraz kötéssel (csavarozással) csatlakoznak az épület padlójához, mennyezetéhez, vázához. Mi ez, hanem nem könnyűszerkezet? A fenti, kőzetgyapot szigetelésű válaszfalak saját tömege 80 120 kg/m, míg a falazott, vakolt válaszfalaké 240 320 kg/m. Hasonló elvek szerint gyártják az álmennyezeteket is. Kivitelük lehet sávos (folyamatos hengerléssel 11
készülő), vagy tálcás megoldás. Anyaguk fém, műanyag, gipszkarton stb., melyek a könnyűszerkezetes építés alapanyagai. 2. Mérnöki könnyűszerkezetek A mérnöki szerkezetek hagyományos anyaga az acél, és a vasbeton, korábban (ritkábban) az I II.o. fa. A mérnöki könnyűszerkezeteké a könnyű acél az ötvözött alumínium és a szilárdságilag igénybevehető műanyag. Határeset a nagy fesztávolságú acél hidak ortotrop pályalemeze, mely kétirányban bordázott a hídépítési gyakorlatban vékonyfalúnak minősíthető hajlított trapéz hullámlemezből áll, és amelyik lényegesen könnyebb a vasbeton pályalemeznél. A könnyűszerkezetek szélesebb körű értelmezésébe az ilyen típusú acél pályalemez feltétlenül belefér. 11. ábra 10. ábra A hídépítés egyik jövőbeli anyaga kétségkívül az ötvözött alumínium. A magyar mérnökök ennek kísérletezésében élen jártak. Dr. Bölcskey Elemér már az ötvenes években megtervezte a szabadszállási 12,5 m fesztávolságú gerinclemezes közúti hidat AlMgCu ötvözetből szegecselt kötésekkel, e sorok szerzője pedig a hatvanas évek elején egy 20 m fesztávolságú kikötőhidat AlMg 4,5 ötvözetből, amely hullámlemezből készült hajlított héjszerkezet, hegesztett kötésekkel. A hasonló, melegen hengerelt acél szelvényekből összeállított rácsos tartóval szemben 60%-os súlymegtakarítást lehetett elérni, részben az anyagválasztás, részben a keresztmetszet kialakítás miatt (10. ábra). A hajlított héj tömör oldalfala ugyanis egyben a gyaloghíd korlátja (11. ábra). A szabadszállási hidat korróziós okok miatt indokolatlanul lebontották, a kikötőhíd 40 éve üzemel a budapesti Vigadó téren (12. ábra). Az alumíniumötvözetek szilárdsága közel azonos a folytacéléval, sűrűsége azonban annak csupán harmada. Mégsem lehet a szerkezetek saját tömegénél érvényesíteni ezt az arányt, mert az alumínium rugalmassági modulusa is csak harmada az acélénak, ami a szerkezetek nagyobb alakváltozásában mutatkozik meg. Ez utóbbi miatt (anyagtöbblettel) növelni kell az alumínium szerkezetek merevségét. Számos megvalósult példa mutatja, hogy hajlított és nyomott szerkezeteknél az elérhető súlymegtakarítás max. 50%. Ez nem csak hidaknál, hanem egyéb mérnöki szerkezeteknél (tetőszerkezeteknél, futódaruknál stb.) is általános (közelítő) szabályként elfogadható. Miután az alumíniumötvözetek ára négy-ötszöröse az acélénak az előbbiek beépítése csak akkor gazdaságos, ha a saját tömeg részesedése magas a hasznos teherhez képest (nagy fesztávolság), a szerkezetek szállítása rossz útviszonyok között történik (pl. antenna torony), vagy a kisebb tömegből adódóan energia megtakarítás következik (pl. futódaru). Egyszóval a kisebb tömegből kifolyólag többlet megtakarítás mutatható ki.. Ezt használták ki az aberdeni (Anglia) 21,3 m fesztávolságú nyitható (billenő) hídnál, 12
mely ily módon biztosítja a hajóforgalmat. (Épült: 1953-ban AlMgSi ötvözetből, szegecselt kötésekkel). Nagy fesztávolságú hidaknál (pl.duna hidaknál), egyes számítások szerint 200 m felett a saját tömeg a mértékadó a hasznos teherhez képest. Miután azért építünk hidat, hogy a hasznos terhelés minél nagyobb lehessen, mert a járművek tömege és gyakorisága folyamatosan növekszik, ezért a hidak saját tömegének csökkentése fontos célkitűzés. A pályaszerkezet egy híd össztömegének 40-50%- át is kiteszi ezért ennek csökkentésével lehet a legkönnyebben megtakarításokat elérni. Az USA hidászai már a 40-es években építettek sajtolt profilokból alumínium pályaszerkezetet függő hidaknál és mintegy 50%-os megtakarítást értek el a vasbeton pályaszerkezetekhez képest. Dr. Széchy Károly az Árpád-híd építésénél vetette fel alumínium pályaszerkezet megépítését. Ezt azonban a háború miatt elvetették és már (a többi javaslattal ellentétben) kísérleti szakaszt sem építettek. Magam részéről felvetem, hogy Duna hídjaink felújításánál hasznos volna alumínium ortotrop pályalemezt kikísérletezni. Ezzel még a hasznos terhelést is lehetne növelni, vagy az elöregedett (elfáradt) főtartók terhelését csökkenteni és ezáltal a híd élettartalmát megnövelni. Felvetésem számításba jöhetne pl a Szabadság-, a Margit- és az Árpád híd legközelebbi felújításánál. 100 m feletti fesztávolságú csarnokok esetén, ahol a saját tömeg hatása eléri a meteorológiai terhelésekét szóba jöhet könnyű acél vagy alumíniumszerkezet alkalmazása. Sportcsarnokoknál, futballpálya (szétnyitható) lefedésénél vékonyfalú acél zárt szelvényekből kialakított rácsos főtartókkal és könnyű másodrendű tartórendszerekkel értek el látványos és gazdaságos eredményeket. 13. ábra Kétirányú görbülettel készült rácsos ívekkel, melyek sajtolt alumínium profilokból állnak alakították ki a 110 m átmérőjű Dome of Discovery kupolát, melynek anyagfelhasználása 23,7 kg/m 2 volt. A kanadai Triodetic kupolákat 61 183 m közötti átmérővel építették csővázas, csavarozás nélküli kapcsolatokkal 11,2 14,7 kg/m 2 anyagfelhasználással alumínium ötvözetből. A BNV NIM kiállítási kupolacsarnokának (13. ábra) átmérője 41,8 m, anyagfelhasználása 15 kg/m 2 volt /1/. Hártyafelületen elhelyezkedő háromszögekből épült AlMgZn (Hegal) ötvözetből. A kupolák saját tömegére vonatkozó adatok a burkolat nélküli vázra vonatkoznak. Ha egy 40 m átmérőjű kupolaszerkezet m 2 -re eső saját tömegét összehasonlítjuk a különböző anyagokból készültekkel az alábbiakat kapjuk /2/: kőből falazva 2 000 3 000 kg/m 2 vasbeton szerkezet 500 kg/m 2 vékony vasbeton héj 300 kg/m 2 acélszerkezet 30 kg/m 2 alumíniumszerkezet 12 kg/m 2 12. ábra Ezek az adatok (még az acélszerkezetből építettek is!) lényeges különbséget mutatnak a hagyományos anyagokból készülő hasonló építményekkel szemben, nem beszélve arról, hogy egy 183 m átmérőjű kupolát vasbetonból tudomásom szerint még nem is építettek. 13
14. ábra A Komjádi uszoda 40 m fesztávolságú szétnyitható dongahéj tetőszerkezetét (14. ábra) sem lehetett volna megépíteni vasbetonból, mert a mozgatható rész alapterülete 720 m 2, tömege alumíniumból csupán 18 tonna (25 kg/m 2 ). Ennek szinkron mozgatása csak ilyen könnyű rugalmas anyaggal képzelhető el. Az AlMgSin anyag alkalmazását korróziós okok is indokolták, mert még horganyzott acélból sem lehetett volna 1,2 mm vastag (inkább vékony) kétrétegű hullámlemezből maradandó önhordó szerkezetet építeni. Silóknál, távvezeték oszlopoknál, kandelábereknél, mobil telefonhálózatok átviteli tornyainál a kis saját tömeg mellett két tényező indokolja könnyű acél, vagy alumíniumszerkezet alkalmazását: az egyik, a fejlett gyártástechnológiával készülő csereszabatos elemek üzemi előregyártása, a másik, ezek helyszínre szállítása kiépítetlen útvonalon és csavaros kapcsolatokkal történő gyors összeszerelése. Silóknál vízszintesen elhelyezett 1,5 2,5 mm vastag horganyzott acél-, vagy gyengén ötvözött alumínium hullámlemezből alakítják ki a szerkezetet, amit oszlopok merevítenek (15. ábra). Ezeknek a könnyűszerkezetes fém silóknak az átmérője 16 17 m; palástmagassága 13,5 18 m; teljes magassága 18,5 22 m; térfogata 3 200 m 3 =2 500 tonna. A vasbeton silók zsaluzása, helyszíni betonozása az adott körülményeknél nehézkes és hosszadalmas. A távvezeték oszlopokat, tornyokat könnyű rácsos tartókból állítják össze szabad szereléssel. Futódaruk hídszerkezeteinek alumíniumötvözetből történő megépítése már a hatvanas évek elején felmerült Magyarországon. Ez azonban a kísérleti stádiumon nem jutott túl az akkori alacsony energia árak miatt. Ma ez megváltozott, érdemes volna a futódaruk gazdaságosságát ismét megvizsgálni, mert a drágább könnyűszerkezet alkalmazását a kisebb mozgatandó tömeg energia megtakarítása indokolja. Alumínium ötvözetből homlokzati állványokat nagy mennyiségben készítettek már az ötvenes években hazánkban. A különböző hosszúságú csöveket öntött (Mills) bilincsekkel csavarozással fogták össze. Ezek a csőállványok kézi erővel könnyen szerelhetők, és anyaguk (AlMgSi0,5 ötvözet) folytán korrózió ellenállók voltak. Az alumínium mozgatható állványok, létrák ma is piacvezetők. Gyors összeszerelhetőségük, könnyű mozgathatóságuk, csekély karbantartási igényük teszik versenyképessé ezeket a szerkezeteket. 15. ábra 3. Járműipari könnyűszerkezetek A járműipar szerkezeti anyagai közül az acélt és az alumíniumot érdemes összehasonlítani. Az előbbit használják még manapság is a legáltalánosabban, az utóbbival lehet viszont jelentős könnyítéseket elérni. A műanyagokat leginkább a kiegészítő elemeknél (ablakoknál, burkolatoknál stb.) alkalmazzák, melyekkel szintén lehet csökkenteni az össztömeget. A légi közlekedésben az alumínium az 1897-ben tervezett és megvalósított első merevszerkezetű léghajóval indult világhódító útjára. Ennek példájára kezdték használni a repülőgépeknél is ezt az anyagot, mely nélkül a nagyteherbírású gépek építése el sem képzelhető. A szárazföldi és vízi közlekedésben is megtalálta a könnyítések területét az alumínium. Már a múlt század utolsó negyedében tíz évente megkétszereződött felhasználása, minek következtében megjósolhatjuk, hogy századunkban, elsősorban 14
a közúti járműveknél a légi járművekhez és a motorház öntvényekhez hasonlóan uralkodóvá válik az ötvözött alumíniumból készült karosszériák alkalmazása. Ezt indokolja az alumíniumötvözeteknek az acélt megközelítő szilárdságával együttjáró kis sűrűsége; jó alakíthatósága, megmunkálhatósága, az ismert kötésmódok (hegesztés, szegecselés, ragasztás) alkalmazhatósága; a bonyolult, többcélú sajtolt szelvények alkalmazása, melyek révén ki lehet alakítani építőszekrény-elven alapuló szerkezetet, gyártási részegységeket; nagy energiaelnyelő képességét ki lehet használni (pl. ütközésnél); jó a korrozió ellenálló képessége, minek következtében kisebb anyagvastagságokat, és egyszerűbb felületkezelést, ritkább karbantartást kell alkalmazni. Az alumínium hátrányára leginkább magas alapanyag ára hozható fel, melyet tömegcsökkentése csak részben enyhít. Ez utóbbi révén az igazi kiegyenlítést az energia- és energiaköltség megtakarítása jelenti, mely bizonyos üzemóra után már megtakarítást is jelent. A nyersanyag-előállítás és az üzemi hajtóanyag energiatartalmát figyelembe véve Jenkinson szerint (járművek átlagos élettartama alatt, alumíniummal könnyített megoldással) többszörös megtakarítást lehet elérni az acéllal épített járművekkel szemben. Ennek értékei: hajóknál 8,5; gyors (expressz) vonatoknál 6,1 12; közúti tehergépkocsiknál 9,5; repülőgépeknél 2 900. Más gyakorlati számítások szerint járműszerkezeteknél alumínium alkalmazásával az acélhoz képest fele annyi tömeget kell beépíteni, vagyis 2 tonna acél helyett 1 tonna alumíniumot. Az alumíniumötvözetek mechanikai energiaelnyelő képességét a deformációs munka A = Cσ 2 /E képletéből kiindulva határozhatjuk meg. Ha a σ feszültség értéke az acélénak csak 0,7-szerese, akkor is kb. 1,48- szoros az energia elnyelő-képesség az acélhoz képest. (E acél = 3 E alu.). Duralumínium beépítése esetén (pl. repülőgépeknél) a deformációs munka különbsége a két anyagnál eléri a 2,0-szeres értéket, amit ütközésekkor, a személyek épségének megóvásánál nem lehet pénzben kifejezni, mert az emberi életnek nincs ára. Repülőgépek Repülőgépek szerkezeti anyagaiként a Cu tartalmú ötvözeteket, közismert nevükön a duralumíniumot használják, mint pl. az alakítható AlCuMg, AlCu- SiMn, újabban az AlZnMgCu ötvözeteket. Ezek szilárdsága meghaladja az A37-es folytacélét. Duralumíniumból épült már az első világháborúban, sorozatgyártással, a híres Junkers (Ju4) vadászgép, amit az orosz Tupoljev gépek követtek. A mai fejlődés követése nem e tanulmány feladata, mert sajnos hazánkat ez az iparág nagyságrendjénél fogva nem érinti, csak csodálói lehetünk az évről-évre megjelenő több száz személyt, nagy mennyiségű árut, katonai felszerelést (harckocsikat) szállító óriásgépeknek, melyek anyaga kizárólag alumíniumötvözet (16. ábra). 16. ábra Viszont dicsekvésre ad okot az alumínium felhasználása Magyarországon a vitorlázó- és sportrepülőgépek tervezésében és gyártásában. A 70-es évek közepén e sorok írója járt abban az esztergomi üzemben, ahol többek között a Gébicset, a Góbét gyártották, és barátságot kötött Rubik Ernő konstruktőrrel, aki szellemi vezére volt ezek kifejlesztésének, mind tervezési, mind alumínium-technológiai szinten. Ezek egy részét az építési alumíniumszerkezetek gyártásánál is fel tudtuk használni. A könnyűfémből készült repülőgépek fejlesztésének legnagyobb hozama a szerkezetgyártásban, hogy kidolgozták a vékonyfalú héj- és szendvicsszerkezeteket, valamint az alumínium kötésmódjait (hegesztés, szegecselés, ragasztás), ami óriási költséggel és nagyszámú kísérlettel (törési próbák, szélcsatorna vizsgá- 15
latok, metallográfiai vizsgálatok stb.) járt, és amit a járműipar, vagy a szerkezetgyártás más területein is fel lehet használni. Közúti járművek Közúti járműveknél az alumínium felhasználás kezdetét 1923-tól lehet számítani, amikor is az USA-ban több személygépkocsi prototípusánál alumíniumötvözetből készítették az alvázat, a karosszériát és a gépészeti részek nagy részét. Ezzel a kocsi saját tömegét 33%-al csökkentették. A mai ötvözetekkel ez az érték 40-50%-ot is elérhet, ami már jelentős energia megtakarítással (üzemanyag felhasználással) jár. A gazdaságossági vizsgálatoknál még nagyobb tétel a karbantartási költségek csökkenése, és a jármű élettartamának meghosszabodása. Személygépkocsiknál a könnyítéseket a XX. században elsősorban a gépészeti berendezéseknél (motor, klíma, benzin szivattyú-, lengéscsillapító ház, vízhűtők, fékalkatrészek stb.) használták. A múlt század végén a szerkezeti anyagfelhasználás az alábbiak szerint becsülhető: acél és acélöntvény 46%; alumíniumötvözet 35%; műanyag 11,5%; Nem nehéz megjósolni, hogy a XXI. században az energiatakarékosság jegyében az alumíniumés a műanyag karosszériák mind nagyobb szerepet kapnak a személygépkocsik fejlesztésénél. Példaként az Audi A8-as típusát említjük. A felsőkategóriás limunizoknál az alumínium karosszériák első nemzedékét már 1994-ben kihozták, aminek folyamatos fejlesztésével napjainkban már elérték, hogy az A8- as könnyűszerkezetes jósági foka (mely a karosszéria saját tömegének aránya annak torziós merevségével) 20%-al magasabb elődjénél (17-18. ábra). A 231 kg-os karosszéria 40%-al könnyebb az acél konstrukciónál. A könnyűszerkezetes karosszériát 13 féle alumínium ötvözetből, az ASF (Alumínium Space Frame) építési módon belül bionikus elvek alapján alakították ki. A karosszéria összeállításnál mechanikus (szegecs, önmetsző csavar) és termikus (ponthegesztés, MÍG- ill. lézerhegesztés) kötésmódokat egyaránt alkalmaztak. Az Audi élen jár a szénszál erősítésű műanyagelemekből szerelt karosszériák fejlesztésénél is (Audi R8 Spyder). De a versenyben a Jaguár is igényt tart arra, hogy ők fejlesztették ki az első alumínium karosszériát (19. ábra). Autóbuszokon, tehergépkocsikon a felépítmények könnyítésével tudtak jelentősebb tömegcsökkentést elérni. Napjaink fejlesztése személygépkocsiknál már a karosszériára is kiterjed és jóformán nincs olyan ismertebb márka, melyből ne ajánlnak alumínium változatot. Magánál a karosszériánál, mivel a falvastagság azonos az acéléval, a saját tömeg harmadára csökken. Az öntvényeket rendszerint öalsi8cu3, a karosszériákat AlMg, AlMgSi ötvözetekből készítik. Az öntvényből készült alumínium keréktárcsákhoz nagyrészt hulladékanyagot használnak fel, ami jelentős energia (és ár) megtakarítást jelent. Az utánfutó lakókocsikban azért is használnak könnyű anyagokat (alumíniumot, műanyagot) mert engedélyezéskor a vontatott tömeget a vontató jármű össztömegéhez viszonyítottan számítják. Egy lakókocsiban 110 150 kg alumínium beépítésével ugyanennyivel csökkenthető a saját tömeg. Autóbuszoknál a nagy felületek miatt az alumínium karosszériákkal jelentős súlycsökkentés érhető el. A londoni híres emeletes buszok felépítményeinél 800 1200 kg alumíniumot használnak fel. A szendvics szerkezetű felépítményeket is autóbuszokhoz fejlesztették ki. Alvázat nem kívánatos alumínium ötvözetből készíteni, mert a dinamikus- és az ismétlődő terhelésekre alacsony a fáradási határuk és a megengedhető terhelések száma meghatározhatatlan, folyamatosan gyengülő. Műanyag karosszériás buszokat gyárt a magyaramerikai cég: a NABI. Értékesíteni csak Los Angelesben tudták, mert Európában még nem fizetik meg a drágább, de könnyebb karosszériát. Tehergépkocsik felépítményeinél az alumínium rúdsajtolási lehetősége jól kihasználható. Ezek olyan 17. ábra 16
megtétele és 0,7 liter benzin megtakarítása esetén 100 000 km megtétele (2,5-4 év) szükséges a többletenergia visszatérüléséhez. Ez után már megtakarítás jelentkezik mind a tulajdonos, mind a népgazdaság részére. Sínjárművek 18. ábra Sínjárműveknél (személy- és motorkocsiknál, teherés tartálykocsiknál) elsősorban ott érdemes könnyűfémet beépíteni, ahol gyakori gyorsítások, fékezések szükségesek, mert ezeknél a gyakori mozgatás a teljes energiaszükséglet 2/3 részét adják. Ilyen járművek a villamosok és a metrókocsik. A terjedelmes felépítménynél olyan célprofilokat alkalmaznak, melyekkel nem csak könnyítést, hanem jelentős munkaóra megtakarítást is el lehet érni. Erre mutat példáta 20. ábrán látható csomópont, mely a párizsi metró többcélú, sajtolt tetőkeretét mutatja be. 19. ábra profilok, amelyek vagy egymásba fordíthatók, vagy pattinthatók, vagy csúsztathatók és összekapcsolásuk révén teherviselő fal- vagy padlófelületek alakíthatók ki. Ezekkel a megoldásokkal nagysorozatú, építőszekrény elvű gazdaságos szerkezeteket készítenek, melyek számtalan típushoz felhasználhatók, akár az önálló építési könnyűszerkezetes alrendszerek (pl. válaszfalak). Célszerű a motorkerékpárok oldalkocsiját is alumíniumból készíteni, hogy ugyanazt a pótkocsit kisebb teljesítményű vezérgéphez lehessen csatolni, a lakókocsikhoz hasonlóan. A kerékpárok reneszánszukat élik napjainkban, a széles választékban mind több az alumínium vázas megoldás. A könnyítésnek különösen a túrakerékpároknál van nagy jelentősége. A könnyűszerkezetes megoldások megtérülését miután az anyagárak és az üzemanyag árak és ezek aránya is folyamatosan változik, helyesebb ha a befektetett és a visszatérülő energiák mérlegét készítik el. A gyakorlati tapasztalat szerint egy átlagos közúti gépjármű 100 kg tömegcsökkentésnél 0,7 literrel kevesebb üzemanyagot fogyaszt. Az alumínium anyaggyártás energiamennyiségét kell tehát összehasonlítani a megtakarított üzemanyag energiatartalmával. Egy ilyen számítás szerint 7 000 km 20. ábra Vasúti teherkocsiknál három területen érdemes alumínium beépítésével könnyítéseket alkalmazni: 1. Nagy befogadóképességű tartály- és autószállító kocsikban. 2. Az acél felépítményt károsító anyagok szállításánál (pl. kéntartalmú szén, foszfát, kénsav, fenol stb.). 3. Hegyivasutak teherkocsijaiban. 17
21. ábra Külön kell szólni a sínjárművek nyílás- és térlezárók alumínium szerkezeteiről, melyek fejlesztésében és felhasználásában Franciaország mellett hazánk is úttörő tevékenységet végzett (21. ábra). Ezeknél a mozgatás könnyítése, a tömítés fokozása, a korrózió elkerülése a cél. A többcélú alumínium profilokkal mindezek kielégíthetők és olyan szerelési egységek képezhetők, melyek a karosszériába kompletten beépíthetők. Magyarországon a Ganz Vagongyárban gyártottak teljesen alumíniumötvözetből (AlMg4,5) készült villamos motorkocsikat (1958), majd nagyvasúti sínjárműveket a Rába-Balaton motorvonat számára (1960). Európában és külföldön később a nagysebességű expresszeknél használtak könnyített kocsiszekrényeket. Jelenleg a Stadler Rail Csoport Szolnoki Gyárában gyártanak 220 240 db/év alumínium hegesztett kocsitestet motorvonatok részére. A mai konstrukciók már nem lemezből, hanem AlMgSi anyagú sajtolt alumínium profilokból készülnek építőszekrény elve alapján (22-24. ábra), és hosszvarrathegesztő automatákkal valamint hegesztő robotokkal állítják össze. Folyamatosan fejlesztik a korszerű festési, CNC megmunkálási és -alumíniumhegesztési kapacitásukat. A beépített könnyű anyagok megtérülési idejét itt is célszerű a felhasznált energiamennyiségek össze- 23. ábra 24. ábra hasonlításából kiszámítani, vagyis az alumíniumszerkezetbe befektetett többletenergíából levonni a vontatási energiamegtakarítást. Ez a visszatérülési idő metrókocsiknál 1,2-2,5 év, városi villamos motorkocsiknál 1-2 év. 22. ábra 18
Hajók, csónakok, vízi járművek A hajóépítésben a könnyítések lehetséges anyagai között az alumíniumötvözeteket és a műanyagokat említhetjük. Ez utóbbiakat szinte kizárólag a kishajóknál, csónakoknál, sporthajóknál (vitorlásoknál) használják, az alumíniumot pedig az említetteken kívül főleg közepes méretű hajóknál, jórészt ezek felépítményeinél. Az említett anyagok kis sűrűsége mellett a tengervíz és a tengeri atmoszféra elleni jó korrózióellenállóképességük, valamint az, hogy ezek nem mágneses anyagok. Az alumíniumot a fent említett előnyök kihasználása érdekében nagysebességű hajóknál (őrhajóknál, vízi rendőrségi-, hordszárnyas, légpárnás és bálnavadász hajóknál) rohamcsónakoknál; vízibuszoknál, jachtoknál (25. ábra); kis mélységű vizeken közlekedő hajóknál (parti mentőhajóknál, bárkáknál, uszályoknál); mentőcsónakoknál, sporthajóknál (vitorlásoknál) illetve ezek alkatrészeinél (pl. árbócainál); közepes és nagy hajók felépítményeinél; - uszályok nyitható lefedésénél. Ezen anyagok nem mágneses tulajdonságát azért kedvelik, mert a fémtömegek nem befolyásolják a navigációs műszereket. 25. ábra Alumínium beépítése esetén gondosan kell megoldani a vas és a könnyűfém közötti kontakt korróziót, mert ez utóbbit a nedves környezet fokozottan elősegíti. Gondot okozhat ha az acél hajótestet összeépítik alumínium felépítménnyel, hogy a két fém hőtágulási együtthatójában nagy a különbség. Az alumíniumé ugyanis kétszer akkora, mint az acélé, ráadásul az előbbi erősen ki van téve a napsütésnek, az utóbbit viszont a víz folyamatosan hűti. A hőtágulást megfelelő hézagokkal, tömítésekkel, csúszó kötésekkel biztosítani lehet. A gazdaságossági vizsgálatoknál a karbantartási (festési)- és az üzemanyag megtakarításon felül, valamint a hordképesség növelésén túl figyelembe kell venni, hogy pl. alumínium felépítmény esetén a rendszer súlypontja lejjebb kerül, ami növeli a hajó stabilitását a hajó szélességének növelése nélkül. Automata ajtó specialista 19
Természetes füst- és hőelvezető berendezések viselkedése aerodinamikailag hatásos keresztmetszet meghatározása Dömötör Álmos tervezési tanácsadó GEZE Hungary Kft. Első pillanatra talán meglepő, hogy egy fémszerkezetekrők szóló kiadványban ezzel a témakörrel foglalkozunk. De ha jól belegondolunk és a gyakorlati tapasztalatunkat is figyelembe vesszük, a természetes hő- és füstelvezető rendszerek valójában motorosan működtetett fém szerkezetű nyílászárók, fém szerkezetű függünyfalba és üvegtetőbe beépített acél, vagy alumínium ablakok, ajtók. Ez persze nem zárja ki, hogy más alapanyagú nyílászárókat is működtetni tudjunk. Azonban kétségtelen, hogy fém szerkezetű nyílászárók a legalkalmasabbak erre a feladatra. Napjainkban szinte minden a biztonságról szól. Nincs ez másként a mérnöki tudományoknál sem. A tűzvédelem is hasonlóan elsősorban az emberi életet védi, csak ezután jön a javak védelme. Meggyőződésem szerint fontos olyan peremterületekkel foglalkoznunk, melyek elsősorban nem magukról a fém szekezetekről szólnak, de szorosan kapcsolódnak a fém szerkezetekhez, illetve műszaki értelemben vett kiteljesedésükhöz a fém szerkezetek elengedhetetlenek. Ezért választottem ezt a témát, ezt a peremterületnek minősülő témakört. A tűzesetek újra és újra szomorú aktualitást adnak ennek a témának. Az új OTSZ Szerint: 3. Értelmező rendelkezések, tűzvédelmi tervezés fogalmai 6. 15. Hő- és füstelvezetés: olyan műszaki megoldás, amely tűz esetén alkalmas a helyiségben vagy tűzszakaszban keletkezett, vagy oda behatolt hőnek, füstnek és égésgázoknak szabadba való elvezetésére. 192. Általános rendelkezések 505. (2) A hő- és füstelvezetésről jogszabály szerint, ennek hiányában a tűzvédelmi szakhatósággal egyeztetett módon kell gondoskodni. (3) A hő- és füstelvezető rendszert úgy kell megtervezni, létesíteni, üzemeltetni és karbantartani, hogy tűz alkalmával működőképes legyen, a füstöt és a forró égésgázokat folyamatosan a szabadba vezesse, és biztosítsa a padlószint fölött a füstmentes levegőréteget. A tűzesetek vizsgálata során megállapítható, hogy a legnagyobb ellenség az épületben keletkező füst és hő. Ennek tervezett természetes elvezetése többszörös haszonnal jár. A megfelelően kialakított természetes hő- és füstelvezető rendszer működése esetén emberéleteket ment meg. Az épületben tartózkodók számára a menekülés biztonságos, a menekülési útvonal füstmentes, és az épületszerkezet (fémszerkezetű épület esetén különösen fontos) nem kap hőterhelést, nem megy idő előtt tönkre, és nem veszélyezteti az épületből kimenekülőket, sem az épületet oltó tűzoltókat. A tűzoltók számára a megfelelően kialakított és működtetett hő- és füstelvezetés megkönnyíti a tájékozódást, a tűzfészek feltárását, a tűz eloltását. Ennek fényében érthetetlen, hogy az új OTSZ bizonyos épületek esetén a korábbiaktól eltérően nem kéri természetes hő- és füstelvezető rendszer kiépítését. Szakmai meggyőződésem, hogy ennek ellenére nem tilos ilyen jellegű rendszerek kiépítése, és üzemeltetése, még akkor sem, ha nem kötelező. Természetes hő- és füstelvezető rendszerek működtetése Első dolog a természetes hő- és füstelvezető rendszerek megtervezése, melynél figyelembe kell venni a rendszer működését. A tűz keletkezését leggyorsabban az ember észleli. Az emberi észlelés és helyzetértékelésnél nincsen jobb 20