Lapszámok

A bemutatandó projekt keretében a MOL Nyrt. tiszaújvárosi telephelyének bővítése során volt feladatunk az újonnan telepítendő készülékek és berendezések alapozási kiviteli terveinek elkészítése. A kb. 2200 m² területű telephelyre körülbelül 600 m³-nyi vasbeton síkalapot, illetve cölöpfejet terveztünk be a készülékek megtámasztására, amihez nagyságrendileg 70 t betonacél tartozik. A projektben 3 nagy méretű kolonna alapozása is a feladatunk volt. Ebből a két „kisebb” egy közös fejtömbön helyezkedett el (~39 m és 46 m magas kolonnák), valamint a legmagasabb (~86 m magas) kolonna külön alaptömböt kapott.

A szerkezet egy ~86 m magas hengeres acél kolonna volt, ~350 cm palást átmérővel. (Kolonnák alatt alapvetően azokat a nagy méretű álló hengeres ipari tartályokat értjük, amikben valamilyen ipari-vegyi eljárást végeznek.) A kolonna alaptest méretei egy pontos előtervezés után gyakorlatilag adottak voltak. Az igen sűrű beépítés miatt ezektől a méretektől eltérni nem is lehetett, mert az esetleges változások kihatnának a többi szerkezetre és készülékre is. A készülék egy 10,2x10,2 méter alapterületű, 110 cm vastag cölöpfejre került, amit 24 db 80 cm átmérőjű, 13 m hosszú CFA cölöp támasztott meg. A terepszint felett telepített kolonnát és a cölöpfejet egy 115 cm magas, 425 cm átmérőjű vasbeton nyaktaggal kötöttük össze. Ebből a nyaktagból álltak ki a kolonna lehorgonyzó, nagy méretű alapcsavarjai is. A 3,2 m belső átmérőjű kolonnát 24 db M100- as (!!!) alapcsavarral kellett rögzítenünk az alaptestbe. Ennek a kialakítása és lehorgonyzási rendszerének a megvalósíthatósága volt a legnagyobb kihívás a tervezés során.

A kolonnaszerkezet statikai modellje lényegében egy cölöpökkel megtámasztott alaplemezen konzolos, befogott oszlop. Az alapozás tervezéséhez adatszolgáltatás jelleggel megkaptuk a készüléktervezőktől az általuk számított készüléktömegeket, töltetadatokat és kolonna-geometriákat. A számítási modellünkhöz ezeket a teheradatokat egészítettük ki a szokásosan felveendő további terhekkel, mint a további önsúly jellegű terhek (szigetelés, tűzgátlás, kiemelhető belső szerkezetek), a pódiumok hasznos terhei, a hőmérsékletváltozásból adódó terhelések, a meteorológiai terhek (mint kiderült, ebből adódott a mértékadó igénybevétel) és természetesen a földrengés hatásai.

Volt még egy hatás, amivel a teljes projekt alatt számolnunk kellett, ez a tűzteherre való méretezés. Ezen a területen 180 perces szénhidrogén tűzgörbére való megfeleltetés volt a követelmény a magasépítési szerkezeteknél. Ez azt jelenti, hogy már ~20 perc után elérjük a 1100 °C-os hőmérsékletet, amit ezután még 140 percig működtetünk a szerkezetünkön. Ebben a konkrét esetben a kolonnánál ez a hatás nem állt fent, mivel a vasbeton tartószerkezet összesen 25 cm-t nyúlt ki a terepszint fölé, így nem kellett számolnunk tűzteherrel.

A globális statikai modell felépítése után a terheket nagy részletességgel és odafigyeléssel működtettük a szerkezeten, lehetőleg minden terhet egymástól elkülönítve, és egymással kombinálva is. A szerkezet nagy magassága révén kis eltérés is lényegesen befolyásolhatja az eredményeket. Különösen igaz ez az önsúly jellegű terheknél földrengésre történő tervezésnél.

A modellt lefuttatva a következő eredmények születtek:
A kolonna alján keletkező normálerő ~6400 kN ULS állapotban. Ez a szerkezet nagyságához viszonyítva arányosnak tűnt. A kolonna alján szintén ULS állapotban a nyíróerő 740 kN. Ezt a 24 db M100-as átmérőjű csavarral könnyedén fel tudjuk venni. Nyomatékok tekintetében nem volt minden eredmény ilyen egyértelmű. Az ULS földrengés állapotban a nyomatéki igénybevétel 5100 kNm nagyságú volt, míg hagyományos ULS állapotban 30.000 kNm. Itt van egy közel hatszoros eltérés a két eredmény között. Ez elsőre furcsának tűnhet, de nem logikátlan, mivel a szerkezet „karcsú” geometriája és ehhez képest kicsi függőleges irányú terhelése révén kimozogja a földrengés hatásainak egy részét. Ezzel szemben hagyományos ULS állapotban a szél „mobilizáló”, hajlító jellegű teherként hat a kolonnára, amit egy az egyben a kolonna és annak a befogásos kapcsolata tud felvenni. A mértékadó 30.000 kNm nagyságú nyomatékot okozó kombinációból is látszott, hogy ehhez az értékhez egy minimális önsúly és egy maximális szélteher társul, a vártak szerint. A 30.000 kNm először nagyon soknak tűnhet. Belegondolva, hogy egy átlagos feszített vasbeton főtartó tervezési igénybevétele olyan 1000 és 3000 kNm nyomaték között mozog, még többnek tűnhet. Mivel itt nem is ez a rúdmodellből származtatott befogásnál keletkező hajlító igénybevétel az, ami majd részletesen leírja a rögzítésben és az alapcsavarokban keletkező erőket, hanem maga a csavarban keletkező húzóerő, egy gyors kézi számítással felbontva ezt a nyomatékot húzó-nyomó erőkre a csavarkép alapján arra az eredményre jutunk, hogy nagyjából 1500 kN az egy csavarban kialakuló erő. Ez már sokkal felfoghatóbb és kezelhetőbb értéknek tűnik, mint a 30.000 kNm nagyságú nyomaték.

Alapvetően 3 részfaladatunk volt egy kolonna alap esetén. A cölöpök teherbírásának ellenőrzése, a fejtömb vasalásának elkészítése és a kolonna alapcsavarokkal való rögzítése az alaptestbe. A cölöpöket gyorsan leellenőriztük. A globális modellből kapott igénybevételeket kellett összehasonlítanunk a geotechnikai tervező által meghatározott cölöp teherbírásokkal, illetve a már meglévő próbaterhelések eredményadataival. Egy cölöp a maga 80 cm átmérőjével ~2000 kN-t tudott nyomásra és ~1200 kN-t húzásra. Minden cölöp megfelelt.

A fejlemez vasalása a szerkezeti vastagságával arányosan alakult. Ezt a szerkezeti elemet szokásos hálós-kosárszerű vasalással láttuk el. A fejlemezt és a kolonnát egy 115 cm magas, a kolonnánál kicsit szélesebb vasbeton nyaktaggal kötöttük össze. Ennek a vasalása nem is lett volna különösebben érdekes szokásos kosárszerű kialakítással, de a relatív sűrűn kiosztott 100 mm átmérőjű alapcsavarok és a vasalás ütközése miatt mégis jobban át kellett gondolnunk ennek a kialakítását és rajzi megjelenítését. Mivel a tőcsavarokat beállítósablonnal helyezik végleges pozíciójukba, így a betonacélok kiosztását 3D-s modellben tulajdonképpen milliméterre meg tudjuk határozni az alapcsavarokhoz képest. Így is tettünk és kvázi egy ütközésvizsgálat után újraosztottuk a vasakat úgy, hogy ne ütközhessenek az alapcsavarokkal, és szerelhetők is legyenek. Így nem egy szokásos (Ø12/20) kiosztású vasalást határoztunk meg, hanem milliméterre bekótázott és megtervezett vasalási tervet adtunk át a kivitelezőnek, amihez egy részletes szerelési sorrendet is meghatároztunk, lényegében vasról vasra. Így a kolonna részfeladataiból háromból kettőt meg is oldottunk, maradt az alapcsavarok lehorgonyzása.

A csavarkép a kolonna méreteihez hasonlóan adott volt. 24 db 100 mm átmérőjű csavar egy 1825 mm sugarú körön kiosztva. Ezzel kellett felvenni 30.000 kNm-es nyomatékot. Itt lényegében egy lehorgonyzási hosszt és a lehorgonyzás kialakítását kellett megterveznünk. Fontos volt még eldönteni, hogy milyen csavarhosszal számoljunk a beton szerkezetben. Az első ötlet az volt, hogy maximális csavarhosszal, az alaplemez alsó harmadába horgonyozzuk le a csavarokat. Ez végül nagyon gazdaságtalan megoldásnak tűnt. A csavarok folyómétersúlya majdnem 62 kg/m. Ha ezt a maximális csavarhosszt használtuk volna, csak az alapcsavarok minden egyéb acélszerkezet nélkül (anyák, nyomólemezek, sablongyűrűk) 4,3 tonna tömegű lett volna. Mint kiderült, ezek az egyedileg gyártott alapcsavarok nagyon drága részei a szerkezeteinknek, ezért külön kérés volt, hogy minimalizáljuk ezek hosszát. A gazdasági szempontokon túl szerelési, méretpontossági problémák is felvetődtek, de ami a leglényegesebb, hogy ezzel a kialakítással nem mutattak jó eredményt az előzetes számítások sem. A másik megoldás, hogy a nyaktagba rögzítjük az alapcsavarokat, minimális csavarhosszal, ha szükséges, lehorgonyzó acélbetétek segítségével. Ennél a megoldásnál a hagyományos számítások alkalmazásával a kicsi peremtávolság (25 cm a betonperem és a csavarpalást távolsága) okozhat problémát. Így jutottunk el oda, hogy az alapcsavarokat a nyaktagba fogjuk rögzíteni.

Első lépésben a pontos csavarerők meghatározása volt a feladat. Ezt külön modellben kezdtük el vizsgálni. Ez a számítás a felületelemekhez végeselemes módszert használ, az alapcsavarokat numerikus dübelelmélet alapján ellenőrzi. IDEA-ban felépítettük a megtervezendő csomópontot, a kolonna és vasbeton szerkezet találkozását, első körben még végtelen nagy kiterjedésű és végtelen mély betonlemezzel. A globális modellből a mértékadó teherkombinációból származó (maximális hajlítás szélteherből) igénybevételeket működtettük ezen a modellen is. A sűrű csavarkép, a nagy méretű csavarok és a nagy igénybevételek miatt nem kaptunk jó eredményeket, még végtelen nagy betonfelületbe való rögzítés esetén sem. 1200%-os kihasználtságra értékelte a szoftver a húzott alapcsavarokat, így kiderült, hogy ez a megoldás, ez a számítási eljárás nem lesz célravezető a szerkezetünk esetében. Az legalább látszott, hogy csavarerők tekintetében szépen kialakult a húzott-nyomott oldal, és legnagyobb csavarerőnél sem tévedtünk sokat a kézi számításnál nyomatékból. ~1200 kN a legnagyobb csavarerő az IDEA számítása alapján.

Másik mérnöki megközelítést kellett keresnünk a probléma megoldására, látva, hogy az ismert szoftveres számításokkal nem kapjuk meg a várt eredményt. Így kézi számítással, végiggondolva a lehorgonyzás erőjátékát és az erő útját elemről elemre, jutottunk el a rögzítés számításához és kialakításához.

A csavarerők az IDEA számításából adottak voltak, de egy pontosabb, viszont egyszerű számítási modellben leellenőriztük a hajlításból származtatott csavarerőket az adott csavarképre, és nem volt nagy meglepetés, közel azonos csavarerőket kaptunk. Az alapcsavarok számításánál a következő volt az elmélet és az ehhez szükséges kialakítás:

Az alapcsavar a nyaktag alsó alaphálójáig nyúlik le. Az alapcsavar aljára egy 290x 290 mm alapterületű és 45 mm vastag acél nyomólemezt rögzítünk egy anyával. Az alapcsavarokat hurkos hosszvasakkal fogjuk körbe a nyomólemez körül, oszlopszerű vasalással, amiket a nyaktag tetejétől az alaplemez aljáig vezetünk le. Csak a nyaktagba betonozott csavar és nyomólemez nem biztosít elegendő lehorgonyzást, ezért szükségesek a hurkos hosszvasak. Tulajdonképpen így pótoltuk a lerövidített alapcsavarok lehorgonyzási hosszát biztosító elemeket.

Amikor az alapcsavarunk húzottá válik, az alapcsavar a teljes húzóerőt az acél nyomólemeznek adja át, ami pecsétnyomás-szerűen továbbítja az erőket a lemez feletti beton keresztmetszetnek. A beton továbbítja a (most már) teljes nyomóerőt egészen addig, ameddig el nem veszti a saját teherbíró képességét, vagy át nem adja valamelyik másik szerkezeti elemnek. A nyomott beton keresztmetszet a nyaktag tetején hurkosan vezetett betonacéloknak fogja átadni a közvetített erőket. Ezekkel az alaplemez aljáig lehorgonyzott betonacélokkal fogjuk levezetni az erőket az alaplemez aljáig. Ahhoz, hogy ez így megvalósulhasson, több dolgot is le kellett ellenőriznünk. Minden szerkezeti elemnek (csoportnak) fel kell tudnia venni és továbbítania kell az igénybevételeket. Az alapcsavarnak fel kell vennie a húzást. A nyomólemez amikor átadja az erőt a betonnak, a betonnak ezt a pecsétnyomás-szerű igénybevételt el kell viselnie, és továbbítania kell. Az erőbevezetésnél az „oszlopvasalást” sűrűn bekengyeleztük a beton maximális nyomó teherbírásának kihasználása érdekében. A nyomólemez feletti beton oszlop magasságának elég magasnak kell lennie, hogy a hurkos betonacélok a nyomott betonban fel tudják venni az erőket. A hurkos hosszvasak keresztmetszetének elegendőnek kell lennie a teljes húzóerő elviselésére. Ez esetünkben 12 db Ø25 betonacél keresztmetszetet jelentett. Az alaplemezben a hurkos hosszvasaknak elegendő lehorgonyzási hossz kellett az erők továbbítására. Ahhoz, hogy ez a tiszta erőjáték ténylegesen létrejöhessen, az alapcsavar és a vasbeton nyaktag palástmenti együttdolgozását kellett meggátolnunk. Ezt vagy egy az alapcsavarra húzott köpenycsővel tudjuk megakadályozni (ami itt szerelhetőségi problémákat vetett fel), vagy egy egyszerű alapcsavar palástjára helyezett papírozással kezeljük. Az utóbbit választottuk.

Ezzel a kialakítással tudtuk az alapcsavarok méretét minimalizálni, és a húzóerőket lehorgonyozni a vasbeton alaplemezben. A számításból kapott szükséges keresztmetszeteket és vastávolságokat kifejezetten szükséges volt 3D-s modellben kezelni és ellenőrizni. Az alapcsavarok környezetében elég sűrűre alakultak a betonacélok és acélszerkezetek. Itt is fontos szempont volt a szerelhetőség, így az alapcsavarok és a lehorgonyzó betonacélok, segédszerkezetek szereléséhez is pontos technológiai-szerelési utasításokat adtunk. Nagy öröm volt, amikor láthattuk képeken az elkészült alaptesteket, ami azt jelenti, hogy nem volt hiábavaló az acélszerkezet pontosságú tervezés ezeknél a vasbeton szerkezeteknél.

(ábrák: BASE-Invest Kft.)

Felhasznált irodalom:

• AxisVM szoftver
• IDEA StatiCa szoftver
• Allplan Nemestchek szoftver
• Trimble Connect szoftver
• MSZ EN 1991-1-4:2005/A1:2011_Eurocode 1: A tartószerkezeteket érő hatások. 1-4. rész: Általános hatások. Szélhatás
• MSZ EN 1992-1-1:2010_Eurocode 2: Betonszerkezetek tervezése. 1-1. rész: Általános és az épületekre vonatkozó szabályok
• MSZ EN 1993-1-1:2009_Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése. 1-1. rész: Általános és az épületekre vonatkozó szabályok
• MSZ EN 1997-1:2006_Eurocode 7: Geotechnikai tervezés. 1. rész: Általános szabályok
• MSZ EN 1998-1:2008_Eurocode 8: Tartószerkezetek tervezése földrengésre. 1. rész: Általános szabályok, szeizmikus hatások és az épületekre vonatkozó szabályok
• MSZ EN 1998-5:2009_Eurocode 8: Tartószerkezetek tervezése földrengésre. 5. rész: Alapozások, megtámasztószerkezetek és geotechnikai szempontok