TÖRTÉNETI ÉPÍTMÉNYEK TARTÓSZERKEZETEINEK ÁLLAPOTVIZSGÁLATA DIAGNOSZTIKAI MÓDSZEREKKEL dr. Orbán Zoltán, Balogh Tamás PTE-PMMIK Szerkezetek Diagnosztikája és Analízise Kutatócsoport (www.structuraldiagnostics.eu) ÖSSZEFOGLALÁS A történeti építmények tartószerkezeteinek állapot értékelése, várható maradék élettartamának megállapítása, valamint élettartamának meghosszabbítása hatékony megerősítési, felújítási és karbantartási módszerekkel, egyre nagyobb jelentőséggel bír világszerte. Kutatócsoportunk témához kapcsolódó fő tevékenységei: történeti tartószerkezetek károsodási folyamatainak vizsgálata, különféle diagnosztikai módszerek hatékonyságának elemzése a szerkezeti károsodások típusának és mértékének felkutatásában, a szerkezetek állapotának és élettartamának értékelésére alkalmas módszerek kidolgozása, valamint a numerikus modellezési módszerek alkalmazása a szerkezetek megbízhatóságának valamint a maradék élettartamának megállapításához. KULCSSZAVAK/KEYWORDS Történeti építmények, diagnosztika, rehabilitáció Historical structures, diagnostics, rehabilitation BEVEZETŐ Meglévő építmények aktuális állapotának megfelelő ismeretéhez diagnosztikai vizsgálatok elvégzése szükséges. A vizsgálati eredmények ismeretében a szerkezetek állapot-értékelése elvégezhető, majd a szükséges beavatkozás (felújítás, megerősítés, stb.) módja és időpontja tervezhető, ezáltal optimális költségráfordítás érhető el. A rendszeres időközönként elvégzett állapotfelméréssel jól követhetővé válik a szerkezetek romlási folyamata, valamint a szerkezet várható élettartama is prognosztizálható. Ez különösen fontos teherviselő tartószerkezeti elemek esetében. A történeti építmények esetében gyakori, hogy a roncsolásos vizsgálatok nem megengedhetők, mivel a szerkezet és az építőanyagok egyaránt értékesek, egyediek. Az ilyen esetekben kizárólag roncsolás-mentes, vagy nagyon minimális roncsolással járó
vizsgálatokkal kell a szerkezet aktuális állapotát - sőt sok esetben a teherviselő elemek típusát, méreteit, egyéb jellemzőit is - meghatározni. A roncsolás-mentes vizsgálati módszerek egyik nagy előnye, hogy általában gyorsan végrehajthatók és egyes eljárások nem igényelnek közvetlen kontaktot a szerkezettel. Minden esetben figyelembe kell azonban venni, hogy a legtöbb esetben több eljárás kombinációjára van szükség annak érdekében, hogy a szerkezet állapotáról megfelelő biztonsággal lehessen véleményt alkotni. Kutatócsoportunk számos olyan hazai és nemzetközi kutatási projektben vett részt az elmúlt időszakban amelynek fő célkitűzése történeti építmények tartószerkezeteinek vizsgálata volt. A kutatási projektek legfontosabb eredményeinek ismertetésén túl az előadásban esettanulmányokon keresztül mutatjuk be a szerkezetdiagnosztikai módszerek hatékony alkalmazását történeti építmények állapotának vizsgálatára valamint felújításának előkészítésére. TÖRTÉNETI ÉPÍTMÉNYEK VIZSGÁLATA IPA PROJEKT A Magyarország Horvátország IPA Határon Átnyúló Együttműködési program keretében a Pécsi Tudományegyetem Pollack Mihály Műszaki és Informatikai Kar és az eszéki Josip Juraj Strossmayer Egyetem Építőmérnöki Kar közös részvételével egy nemzetközi kutatási projekt indult 2011. szeptemberében (1. ábra). 1. ábra: IPA Határon Átnyúló Együttműködési program A kutatási projekt során történeti építmények statikai állapotának vizsgálatára és a romlási folyamatok elemzése révén az építmények tartószerkezeteinek várható élettartamának meghatározására dolgoztunk ki diagnosztikai és analitikus módszereket. A kutatás keretében egy olyan többlépcsős állapot értékelési eljárás került kifejlesztésre tipikus kialakítású, kő-és tégla anyagú építmények megbízhatóságának megállapítására, amely magában foglalja a teherbírás és a használhatóság értékelését, valamint segítséget nyújt a várható élettartam meghatározására.
Az eljárás elemeinek kidolgozásához statisztikai elemzést hajtottunk végre a kijelölt szerkezettípusokon, numerikus vizsgálatokat hajtottunk végre az építmények szerkezeti viselkedésének elemzésére, új közelítő eljárásokat dolgoztunk ki a szerkezetek megbízhatóságának és használhatóságának értékelésére, a károsodási folyamatok elemzésére, valamint roncsolásmentes diagnosztikai eljárásokat használtunk fel a számításokhoz szükséges bemenő paraméterek meghatározására. A kutatás keretében áttekintettük és értékeltük a rendelkezésre álló (elsősorban roncsolásmentes) vizsgálati módszereket régi kő-és tégla falazatú építmények belső állapotának, és kívülről nem mérhető geometriai jellemzőinek felmérésére. A vizsgálatban elsősorban az intézményünk által rendelkezésre álló illetve a projekt során beszerzésre került eszközök hatékonyságának elemzésére fókuszáltunk. A diagnosztikai vizsgálatok végrehajtásában a két partner intézmény közösen vett részt (2. és 3. ábra). 2. ábra: Vizsgálatok végrehajtása az eszéki vár falazatán 3. ábra: Vizsgálatok a pécsi régió falazott szerkezetű műtárgyán
TÉGLA- ÉS KŐ ANYAGÚ HIDAK VIZSGÁLATA NEMZETKÖZI EGYÜTTMŰKÖDÉS A Nemzetközi Vasútegylet 2003-ban a cikk szerzőjének kezdeményezésére és vezetésével indította el kutatási projektjét "Tégla,- és kő boltozatú hidak teherbírás értékelési módszereinek fejlesztése, felújításának optimalizálása és adatbázisának létrehozása" címmel. A projekt munkaprogramja az alábbi fő témakörökkel foglalkozott: 1. munkacsomag: Boltozott hidak teherbírás értékelési módszereinek fejlesztése. 2. munkacsomag: Boltozott hidak vizsgálati módszereinek fejlesztése (ajánlások roncsolásos és roncsolásmentes vizsgálatokra, boltozott hidak hibakatalógusa, ajánlások boltozatok próbaterhelésére). 3. munkacsomag: Boltozott hidak felújítási módszereinek elemzése és fejlesztése (ajánlások boltozott hidak felújítására és megerősítésére, új megerősítési módszerek értékelése). 4. ábra: Kőboltozatú híd diagosztikai vizsgálata A 2008-ban lezáruló projekt során kidolgozott ajánlások a boltozott hidak területén a tudomány jelenlegi állásának megfelelő ismeretanyagot foglalták össze. Intézményünk a szerkezetek roncsolásmentes diagnosztikai módszereinek alkalmazására dolgozott ki gyakorlati útmutatót. A nemzetközi munka során bebizonyosodott az is, hogy számos olyan terület van, ahol további kutatásokra lenne szükség, mint például a boltozott hidak viselkedése sokszor ismétlődő forgalmi terhek hatására, károsodásokkal rendelkező boltozatok teherbírásának meghatározása és romlási folyamatainak leírása időtől függő paraméterekkel, a hidak használhatósági kritériumainak meghatározása.
Az említett problémák megoldására 2011-ben egy új projekt fázis indult, többek között Kutatócsoportunk részvételével. Ennek eredményei 2014 végére várhatóak. ESETTANULMÁNYOK Az alábbi esettanulmányok a kutatási eredményeink gyakorlatban történő alkalmazásáról mutatnak be példákat. Az itt bemutatott példákon túl az előadás során további 1. ESETTANULMÁNY: KŐBOLTOZATÚ ALAGÚT DIAGNOSZTIKÁJA A Budapest Széchenyi rakparton található, 1860-as években épült kőboltozatú alagutak teherbíró képességével kapcsolatban kételyek merültek fel. A Duna folyamon levonuló 2013. júniusi rekord magasságú árvíz a közút illetve a villamos pálya alatt húzódó alagutakat, a 2-es villamos vasúti pályája Duna felőli vágánya alatt több helyen kiüregelte. Vizsgálataink célja a villamos pálya alatt húzódó boltozott alagutak meglétének, kitöltöttségének és állapotának felmérése volt roncsolásmentes illetve minimális roncsolással járó diagnosztikai módszerekkel. Mivel a rakpart felől az alagutak kőfallal le vannak zárva ezért a vizsgálatot csak kívülről, az alagutak feltárása nélkül lehetett elvégezni. Az egyik alagút jelenleg befalazott bejáratát és eredeti tervrajzát mutatja be az 5. ábra. 5. ábra: Kőboltozatú alagút a Széchenyi rakparton A diagnosztikai vizsgálatokat duálfrekvenciás georadarral (6. ábra) és nagy felbontású videoendoszkóppal (7. ábra) végeztük a felszínen megjelenő károsodások elemzése mellett.
6. ábra: Radarvizsgálatok végrehajtása a kőfalon és a járda felületén keresztül 7. ábra: Videoendoszkópos vizsgálatok végrehajtása a kőfalon és a járda felületén keresztül A különböző roncsolásmentes módszerekkel végrehajtott vizsgálatok összevetése (8. ábra) igazolta, hogy a radarvizsgálatok alkalmasak voltak az alagutak elhelyezkedésének és rejtett geometriai jellemzőinek közelítő meghatározására. Az endoszkópos vizsgálatok segítséget nyújtottak a radarképek mélység szerinti kalibrációjához és a radarképen látható reflexiók és egyéb anomáliák magyarázatához. A módszer segítségével a boltozat feletti útpálya rétegrendje is megállapítható volt, így a szerkezeti analízishez szükséges alapvető bemenő paramétereket meg lehetett határozni. Merev-blokk módszerrel végrehajtott szerkezeti analízissel az alagutak terhelhetősége és szerkezeti biztonsága megállapítható volt (9. ábra). A számításokhoz szükséges bemenő paraméterek bizonytalanságát valószínűségelméleti alapon vettük figyelembe. További vizsgálatok lehetőséget nyújtanának a bemenő adatok pontosítására, így a szerkezet kimutatható megbízhatósága is növekedne.
8. ábra: Az eredeti tervek összevetése a roncsolásmentes diagnosztikai vizsgálatok eredményeivel 9. ábra: A kőboltozat törési mechanizmusa villamos terhelés és B jelű közút teher hatására 2. ESETTANULMÁNY: TÉGLAÉPÜLET FALAZATAINAK ÉS FÖDÉMEINEK VIZSGÁLATA Egy 19. században épült épület statikai ellenőrzéséhez kapcsolódóan roncsolásos és roncsolásmentes vizsgálatokat hajtottuk végre az épület teherhordó falain és födémein. A roncsolásos vizsgálatok a falazatok mechanikai jellemzőinek meghatározására irányultak. Ennek keretében különböző átmérőjű fúrt mintákat vettünk a szerkezetből. A minták egyik csoportjánál a falazatot alkotó anyagok jellemzőit külön-külön vizsgáltuk,
és a falazatra jellemző kompozit szilárdságot ezek ismeretében számítási összefüggések segítségével határoztuk meg. A másik csoport esetében a szilárdságot a tégla és habarcs alkotóelemeket egyaránt tartalmazó fúrt mintákon mértük (10. ábra). Ez a módszer alkalmas a falazat alakváltozási jellemzőinek mérésére is elmozdulás vezérelt terheléssel. A falak és födémek belső szerkezetét, belső anomáliáit és rétegrendjét duálfrekvenciás radarral és videoendoszkóppal történő mérések kombinációja alapján határoztuk meg (11. ábra). 10. ábra: A falazatból kifúrt minták szilárdsági és alakváltozási jellemzőinek vizsgálata laboratóriumban 11. ábra: Poroszsüveg födém szerkezetének és rétegrendjének vizsgálata roncsolásmentes diagnosztikával
IRODALOMJEGYZÉK Déry A: Öt könyv a régi építészetről. Gyakorlati műemlékvédelem. TERC Kft. 2010. Orbán, Z., Gutermann, M.: Assessment of masonry arch railway bridges using non-destructive in-situ testing methods, Engineering Structures, Vol. 31, pp. 2287-2298, 2009. Orbán, Z., Balogh, T., Examination of existing structures and preparation of their rehabilitation helped by in-situ testing methods, 6th PhD & DLA Symposium, Pécs, 25-26. October 2010. Orbán, Z., Balogh, T., "Assessment of masonry arch bridges using nondestructive testing methods", ARCH 13-7th International Conference on Arch Bridges, Trogir-Split, 2-4 October, 2013.