2018/1: vasút, közút, pályaszerkezet, alagút, szigetelés, városi vasút, felügyeleti rendszer, betontechnológia, zsalurendszer, híd, felüljáró, rekonstrukció, csatornahálózat, csővezeték, rehabilitáció, geológia, földmű, alapozás, szerkezetmegerősítés
2018. április 16.

Szerzők:
Lődör Kristóf PhD-hallgató;
lodor.kristof@epito.bme.hu
Dr. Szendefy János
adjunktus, ügyvezető
(Eferte Kft.)
szendefy@mail.bme.hu
BME Építőmérnöki Kar
Geotechnika és
Mérnökgeológia Tanszék


Hazai fejlesztés, új formai kialakítás

Vasbeton szádfal bemutatása

Az elkövetkező években intenzív felújítási és átépítési munkák várhatók hazánk élővizeinél. A munkálatok során nagy hangsúlyt fektetnek a korábbi, mostanra már tönkrement partfalak rehabilitációjára, illetve az erózió roncsolta partszakaszok védelmére.


A velencei-tavi partfalak rehabilitációjának munkálatai már tavaly megkezdődtek. Várhatóan folytatódik új balatoni kikötők építése vagy a meglévők bővítése és korszerűsítése. Ezeknél a beruházásoknál műszaki igény merült fel az előregyártott vasbeton szádfalak iránt, amelyek elérhetősége hazánkban limitált. A lehetőséget felismerve – a hazai piac előregyártott vízépítési vasbeton elemek gyártásának jelentős szereplője –, a Csomiép Kft. vasbeton szádfal fejlesztését határozta el.

Az új termékcsalád fejlesztésekor elsődleges szempont volt a műszakilag hatékony kialakítású, de akár városi környezetben is esztétikus megjelenésű szádfalelem megalkotása, amely további előregyártott vasbeton kiegészítő elemekkel a partfalvédelem mellett a parti sétányok kialakítását is lehetővé teszi. A Csomiép Kft. különböző szakterületeken jártas mérnököket és cégeket kért fel a fejlesztésben való részvételre, és ennek köszönhetően a kifejlesztett terméket geotechnikai, statikai, betontechnológiai és kivitelezési szempontok alapján optimalizálták.

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.

Formai kialakítás

A szádfalak a vízpart erózióvédelme mellett a partfal megtámasztását is biztosítják, így általában robusztus szerkezetként jelennek meg kikötőkben, vízi létesítményeknél. Azonban a hazai tervek jelentős része turisztikai helyeket és funkciókat betöltő helyszíneket érint. Ebből kiindulva a formai kialakításkor fontos szempont volt, hogy olyan szádfalelem készüljön, amely esztétikus megjelenést biztosít egy városi vagy frekventált turisztikai területen is, formavilágában nem az ipari felhasználást sugalló acél szádfalelemre hasonlít. Érdekesség, hogy a végső formavilág mégsem egy dizájnfogásból, hanem statikai megfontolásból alakult ki. A szerkezettervezői munkálatokat Kovács Olivér (Eferte Kft.) csapata végezte, ők a szádfalelem inerciájának optimalizálása és a bevasalhatóság vizsgálata alapján jutottak el a hátulsó erősített bordával rendelkező viszonylag vékony homlokelemformához. A végső elemben végül jól összekapcsolódott a kezdetekben kigondolt íves formavilág és a szerkezethez is szükséges keresztmetszeti kialakítás.

Az elemnek ekkor még teljes hosszában azonos keresztmetszete volt, tehát az íves kialakítású homlokfalrésznek és a hátsó oldalon lévő megvastagított bordarésznek. A cölöpszerűen vagy berlini dúcolathoz hasonlóan túlnyúló bordát már geotechnikai megfontolások miatt fejlesztettük ki, bevonva az erőjátékba az esetlegesen mélyebben található jobb kondíciójú talajokat. A jobb kondíciójú talajok nagyobb ellenállása mellett azonban azt is számba vettük, hogy a berlini dúcolatoknál a földbe vert tartóoszlopok passzív földellenállásának felületi kiterjedése a mélységgel arányosan nő, aminek felső korlátja a teljes fal, tehát a két tartó közötti felület passzív földellenállása. Ez tehát azt jelenti, hogy bizonyos mélységtől a két tartóoszlopra felvehető passzív földmegtámasztás megegyezik a „tömör” faléval. Mindezek mellett a meghosszabbított borda nemcsak a betonfelhasználás miatt hatékony, hanem előnyös a szádfalelem kivitelezésekor alkalmazott verés vagy vibrálás során is, ahol az oszlopszerűen kinyúló rész segít az elem vezetésében is (1. ábra).

1. ábra. Vasbeton szádfalelem, előregyártott konzolos vasbeton közlekedési elemmel

Az esztétikai megfontolásoknál megemlíthető, hogy a tervezett, viszonylag sík felület jó lehetőséget nyújt a különböző felületű textúrák, nyomatok létrehozására, így például épületek homlokzati forma- és színvilága mosódhat össze az előtérben lévő partvédművel. Az elemek egymás mellé helyezésével a vízfelszínhez hasonlító, kissé hullámzó felületet kapunk, aminek az esztétikai megfontoláson túl statikai szerepe is van.

Geotechnikai numerikus vizsgálat geotechnikai környezete

A számításokat kezdetben még 2D-ben végeztük, azonban a szerkezeti elemek bonyolult formavilága miatt a rendszer állékonyságának és deformációinak elemzésére Plaxis 3D geotechnikai végeselemes szoftvert alkalmaztunk.

A tervezéskor a prototípusok számításainak elvégzéséhez a velencei-tavi geotechnikai viszonyokat vettük alapul. A talajrétegződést és a talajfizikai jellemzőket a talajvizsgálati jelentés alapján vettük fel. A numerikus analízisek során használt talajrétegződés és talajfizikai paraméterek a kritikusabb zónákra jellemzőek, így feltételezhető, hogy ha 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 definiálásakor mesterséges feltöltés, puha, összenyomódásra érzékeny, szerves talajrétegek is szerepeltek. A 2. ábrán az egyik ilyen kritikusnak vélt talajrétegződés modellezéskor használt összetétele látható. A talajokat a mozgások realisztikus értékeinek megközelítése érdekében HS Small talajmodellel modelleztük, míg a szádfalelemeket térfogatelemként definiáltuk.

2. ábra. Háromdimenziós modellgeometria

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, illetve az alatt 0,50 m és 1,00 m mélyen van, illetve egy esetleges visszaduzzasztás miatt vizsgáltunk olyan eseteket is, melyeknél a tó vízszintje a talajvíznél mégiscsak mélyebben helyezkedik el.

Szerkezeti elemek modellezése

A fejlesztés során a szádfalelemek vizsgálata oly módon történt, hogy a geotechnikai modelleket a szerkezettervezők által meghatározott geometria és szilárdsági jellemzők alapján definiáltuk. Az ezt követő geotechnikai futtatások után a statikus kollégák az Axis végeselemes szerkezettervező programban a beállításokkal a geotechnikai modellezés során kapott hatásokat és elmozdulásokat követték le próbálgatással, hogy minél jobb közelítést érjenek el. Néhány iterációs körrel, vagyis néhány száz modellezési órával tudtuk a szerkezet optimalizálását elvégezni.

Az előregyártott vasbeton szerkezeti elemeket a numerikus vizsgálatok során – lineárisan rugalmas, vízzáró anyagmodellel – tér­fogatelemként definiáltuk. Az elemek keresztmetszeti kialakításának „aprólékossága” és hálógenerálási problémák miatt valós geometriát nem tudtunk létrehozni a modelltérben. Ezért a modellezhetőség érdekében egy idealizált keresztmetszetet definiáltunk, amelynél a legfontosabb az volt, hogy inercianyomatéka és keresztmetszeti területe azonos legyen a szerkezettervezők által kigondolt változat keresztmetszetével, így szerkezeti viselkedése a tervezett elem viselkedését írja le. A tervezett keresztmetszetet és formát, valamint az egyszerűsített modellelemeket a 3. ábrán mutatjuk be.

3. ábra. Szádcölöpelem – a) Axis modell; b) Plaxis 3D modell

Számos variációs lehetőség áll rendelkezésre a vasbeton szádcölöp-elemcsalád katalógusából, melyeket kombinálva, optimalizálva gazdaságos és biztonságos partfalmegtámasztás alakítható ki. Lehetőség van a szádcölöpelemek folyamatos egymás mellé helyezésével zártsorú szádcölöpfal kialakítására, valamint ritkított raszterben leverni azokat, illetve a szádcölöpelemek közé betételemként vasbeton pallókat helyezni (a berlini dúcolathoz hasonlóan csak minden második szádfalelem kerülne leverésre). Ezeknek a lehetséges kialakításoknak a geotechnikai végeselemes modelljei láthatók a 4. ábrán. Minden lehetséges kialakítás vizsgálata céljából készültek modellek a geotechnikai végeselem szoftverrel, illetve azok eredményeihez illesztett Axis modellek a vasbeton szerkezet számításaihoz.

4. ábra. Szádcölöpelemek elrendezése különböző variációkban

Geotechnikai számítások

A számításokkal megvizsgáltuk a különböző geometriájú szádcölöpelemek alkalmazása során kialakuló deformációkat és állékonysággal szembeni biztonságát eltérő, ám jellegzetesnek tekinthető talajkörnyezet, valamint kritikus, alacsony nyírószilárdságú, összenyomódásra érzékeny talajrétegződések mellett is. Megvizsgáltuk például a tavak és folyók partjánál rézsűsen kifutó mederfenék megtámasztását segítő hatást is. Ennek figyelembevételére a mederfenék és a szerkezeti elemek csatlakozásánál korábbi tapasztalataink alapján 1,0 m, illetve 2,0 m magas „ék” jelenlétét definiáltuk (5. ábra).

5. ábra. Rézsűs mederfenék modellezése – a) 1,0 m magas megtámasztó földék; b) 2,0 m magas megtámasztó földék

A tervezett szádfalelem esetében lehetőség van a szádcölöpelemek georáccsal történő hátrahorgonyzására is, melynek kedvező hatását az elmozdulásokkal és globális állékonysággal szemben térbeli végeselemes modellezésekkel igazolni tudtuk.

Geotechnikai numerikus modellezés eredményeinek értékelése

Az alábbiakban néhány modellezett szerkezet- és mederkialakítás eredményeit mutatjuk be, melyeknél a megtámasztó rendszer működése és az elmozdulásokat, állékonyságot leginkább befolyásoló hatások egyértelműen látszanak.

A 6. ábrán a 7 m-es szádcölöpelem elmozdulásainak diagramja látható, mely elemeknél 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 csökkenthetők.

6. ábra. 7 m-es szád­cölöp el­­moz­du­lásai a palást- és gerendahossz meg­változtatásának hatá­sára

Talán a 6. ábránál is látványosabban mutatja be a tartó különböző mélységben való elmozdulását a 7. ábra, amely egy olyan rendszerű alkalmazást mutat be, amikor a hosszított gerendával ellátott szádelemeket nem közvetlenül egymás mellett verik le, hanem közöttük egy betételemet helyeznek el. Az ilyen rendszerű elrendezés előnye – a gyorsabb kivitelezés mellett –, hogy némi anyagmegtakarítást is eredményez.

7. ábra. Szerkezeti elemek elmozdulási és deformálódott ábrája

A 8. és 9. ábrán a rézsűsen kifutó mederfenék elmozdulásokra és globális állékonyságra gyakorolt hatása látható. Megfigyelhető, hogy 1 m magas kiékeléssel már 20%-os csökkenés tapasztalható a deformációkban, míg 2 m magas kiékeléssel ez már 60%-ra emelkedik. Nemcsak 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 növekedésével, ugyanis azzal együtt 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 jóval nagyobb lehet a deformáció, ami a szerkezeti elemek túlméretezéséhez és kihasználatlanságához vezethet.

8. ábra. Rézsűs mederfenék megtámasztó hatása az elmozdulásokra
9. ábra. Rézsűs mederfenék megtámasztó hatása az állékonyságra

A szádfalelemek a számítógépes modellezés alapján először 1:10 modellméretben valósultak meg mikrobetonból, valamint műanyag elemenként is 3D nyomtatóval. Ezután elkészültek az első életnagyságú elemek is a Csomiép Kft. telephelyén. A prototípusokkal 2016 őszén sor került az első próba­verésekre is, azok tapasztalatai alapján elvégeztük a terveken a pontosításokat, majd legyártották az újabb elemeket is.

Összefoglalás

Manapság egyre nagyobb társadalmi igény van az élővizek védelmére, azok aktívabb bevonására életterünkbe. Ennek egyik fő eleme a partvédelem, amelynek segítségével megakadályozhatjuk az eróziót, valamint sporttevékenységhez (pl.: vitorlás­kikötő) és vízközeli kikapcsolódáshoz (pl.: lidós parti sétány) hozhatunk létre partszakaszokat.
A 2016-ban kifejlesztett előregyártott vasbeton szádfalelem ezeket a célokat kívánja szolgálni. Az elemcsalád fejlesztésekor a geotechnikai, statikai, betontechnológiai és kivitelezési szempontokat egyaránt figyelembe vettük, ennek eredményeként pedig műszakilag hatékony és esztétikailag is megfelelő termék jöhetett létre.
A termékcsalád kifejlesztésekor a geotechnikai viszonyoknál az élővizek partjainál általában előforduló kedvezőtlen, szerves, puha talajokkal is számoltunk, azonban a bordarész megnyújtásával a mélyebben fekvő, kedvezőbb rétegeket is sikerült az erőjátékba bevonni. A geotechnikában is egyre szélesebb körben elterjedő 3D végeselemes szoftverek használatával 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 megközelítő peremfeltételekkel lehetett számolni, ami a szerkezet optimalizálását tette lehetővé.
A termékfejlesztés műszaki újdonságát és sikerét mutatja, hogy a szádcölöp elnevezésű előregyártott vasbeton szádfalelemcsalád iparjogvédelem alatt álló termék lett, amely 2017-ben a Magyar Termék Nagydíj elismerést is megkapta.•


Irodalom
Plaxis 3D Anniversary Edition Manual. Plaxis BV, Delft, 2016.

M.P. Doubrovsky, G.N. Meshcheryakov: Physical modeling of sheet piles behavior to improve their numerical modeling and desgin. Soils and Foundations, Vol. 55, Issue 4, August 2015, pp. 691–702.

B.B. Broms: Design and construction of anchired and strutted sheet pile walls in soft clay. Proceedings Second International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, June 1–5, 1998, St. Louis, Mo.

N. Fadilah, C.Y. Ong, K.K. Choong: Precast concrete sheetpile for the stabilization of road embankment on soft ground adjacent to river. Applied mechanics and Material Vol. 567 (2014) pp. 451–456.

H. Tan, Z. Jiao, J. Chen: Field testing and numerical analysis on performance of anchored sheet pile quay wall with separate pile-supported platform. Marine Structures, Vol. 58, March 2018, pp. 382–398.

Ö. Bilgin: Numerical studies of anchored sheet pile wall behavior constructed in cut and fill conditions. Computers and Geotechnics, Vol. 37, Issue 3, April 2010, pp. 399–407.

Lődör K., Szendefy J.: Új, hazai fejlesztésű vasbeton szádfal bemutatása. Elhangzott a Geotechnika 2017 konferencián. Velence, 2017. 10.09–11.

 
Innotéka Mélyépítés