VASBETONÉPÍTÉS 2000/2

NEM ACÉL ANYAGÚ (FRP) BETÉTEK ALKALMAZÁSA A HÍDÉPÍTÉSBEN

Dr. Balázs L. György Borosnyói Adorján Az utóbbi évtizedekben a hidakon tapasztalt jelentős korróziós károk a nem korrodeáló, elsősorban a nem acél anyagú (FRP) betétekre irányították a kutatók, a gyártók, a tervezők és az üzemeltetők figyelmét. A nem acél anyagú betétek alkalmazhatók feszített vagy nem feszített betétként, ferdekábelként, illetve utófeszített megerősítés betétjeként. Jelen cikk igyekszik rávilágítani erre az új műszaki lehetőségre, és megvalósult példákon keresztül bemutatja az eddigi tapasztalatokat.

Kulcsszavak: szálerősítésű anyagok, üvegszál, aramidszál, szénszál, feszítőbetét, tartósság

1. BEVEZETÉS

A hídépítés napjainkban legnagyobb mennyiségben és legsokoldalúbban alkalmazott anyaga a beton. A betonról sokáig azt feltételeztük, hogy élettartama korlátlan, ezért a tervezési előírások évtizedeken keresztül nem is támasztottak jelentős tartóssági követelményeket a vasbeton, illetve feszített vasbeton hidakkal szemben. Ez a gondolkodásmód egyáltalán nem volt elítélhető, hiszen nem volt sem a maihoz hasonló ipari szennyezés, sem számottevő jégmentesítő sózás.

Az ipar és a közlekedés erőteljes fejlődése, valamint a 60-as évek közepén bevezetett téli jégmentesítő sózás maga után vonta környezetünk elszennyeződését, ami a beton- és, vasbeton szerkezetek élettartama szempontjából sem közömbös. Az egyre agresszívabb légkör és talajvíz növeli a vasbeton szerkezetek acélbetétei korróziójának veszélyét, amit csak fokoz a jégmentesítő sózás hatása. Legnagyobb veszélynek a karcsú, kisebb betonkeresztmetszettel rendelkező feszítettbeton hídgerendák feszítőbetétei vannak kitéve, melyeket a feszültségkorrózió kialakulása is fenyeget. Külön ki kell hangsúlyozni az utófeszített, utólagosan tapadóbetétessé tett hidak kábelvezető csöveinek esetleges tökéletlen kiinjektálásából fakadó veszélyeket is.

2. HIDAK ACÉLBETÉTEINEK KORRÓZIÓJA

Amint az ismeretes, a betonban lévő cement hidratációja során nagy mennyiségű Ca(OH)₂ szabadul fel, amely a betont erősen lúgos kémhatásúvá teszi (pH 12,5...13,5). Ilyen környezetben a beépített acélbetétek felületén egy vékony, molekuláris vastagságú, korróziónak ellenálló réteg alakul ki. Ez a felületi réteg mindaddig védi a betéteket, amíg a környező beton kémhatása 9...10 pH feletti. A légkör CO₂ tartalmának hatására azonban a beton felületi rétegei karbonátosodnak, pH-juk csökken. A jégmentesítő sók magas kloridion-tartalmú oldatai pedig folyamatosan beszivárogva elérik az acélbetéteket, megszüntetik a betétek passzív felületi rétegét, így az acélbetétek korróziójának veszélye erősen lúgos környezetben is fennállhat (Balázs, 1991). Ennek következtében a hidak állapota romlik, fenntartási költségeik nőnek (a mintegy 6000 magyarországi, országos közutakon lévő közúti vasbeton hídból mintegy 2000 van kitéve a rendszeres sózás okozta korróziós veszélynek).
Fentiek miatt a tartósság kérdését tanulmányozó mérnököket már régóta foglalkoztatja a bebetonozott acélbetétek korrózió elleni védelmének növelése, melynek eredményeként számos megoldás született a beton tömörségének fokozásától, adalékszerek alkalmazásán át, az acélbetétek bevonatáig. Ezen megoldások azonban nem mindig vezettek kielégítő eredményre.

3. NEM ACÉL ANYAGÚ BETÉTEK - SZÁLERŐSÍTÉSŰ POLIMEREK

3.1 A kezdetek - üvegszálas betétek

Betonacélok helyett üvegszálas polimer betétek betonszerkezetekben való alkalmazásának gondolata már az ötvenes évek végén felmerült egyes kutatókban, sőt gerendákkal is hajtottak végre kísérleteket (Rubinsky - Rubinsky, 1959). Úttörő próbálkozásaik azonban kudarcba fulladtak, mivel akkoriban még nem tudtak előállítani kedvező felületi kialakítású, a betonnal kellőképpen együttdolgozó betéteket.
Nagy szünet után a hetvenes években került újra előtérbe - először Németországban, majd később Japánban, és más államokban is - a szálerősítésű polimerek alkalmazása. A kutatások főleg üvegszálas polimerekre irányultak.
A legelső nem acél anyagú feszítőbetétet a német Bayer AG hozta forgalomba Polystal® HLV (Hochleistung-Verbundstab) márkanéven. A cég komplett feszítési rendszert fejlesztett ki üvegszálas kábelek alkalmazásával és lehorgonyzó elemekkel. Az új anyag hídépítésre való alkalmasságát nagyméretű próbatesteken vizsgálták, majd az első alkalmazásra, egy Polystal® elemekkel feszített gyaloghíd megépítésére 1980-ban, Düsseldorfban került sor. Ennek sikerén felbuzdulva három további híd is épült Németországban Polystal® feszítőbetéttel.

1. ábra. FRP betétek kialakítási lehetőségei

a) periodikus bordázatú GFRP betét (C-BAR®)
b) négyszög keresztmetszetű AFRP betét (Arapree®)
c) fonott AFRP betét (FiBRA®)
d) periodikus bordázatú AFRP betét (Technora®)
e) homokszórt felületű AFRP betét (Arapree®)
f) héteres AFRP pászma
g) homokszórt felületű CFRP betét (Carbon-Stress®)
h) homokszórt, bordás CFRP betét
i) rovátkolt felületű CFRP betét (Leadline®)
j) héteres CFRP pászma (NACC®)
k) héteres CFRP pászma (CFCC®)

A nyolcvanas években világszerte próbálkoztak az üvegszálas polimer betétek hídépítési alkalmazásával, így Svédországban, a Szovjetunióban, Japánban, az Egyesült Államokban és más országokban is épültek ilyen hídszerkezetek. A széleskörű elterjedésnek az a tény vetett végül gátat, hogy a hagyományos üvegszál nem alkáliálló, így a beton erősen lúgos kémhatása roncsolja.
Napjainkban ismét visszatért az érdeklődés az üvegszálas polimer betétek felé, ezek azonban már speciális összetételű üvegszálak és speciális ágyazóanyaggal készülnek (pl. uretánnal modifikált vinilészter), amelyeknek teljes alkáliállóságát szavatolják a gyártók. Ilyen alkáliálló üvegszálas betétnek tekintik a C-BAR®-t, melyet kifejezetten hagyományos, nem feszített szerkezetek készítéséhez fejlesztett ki a Marshall Industries Composites, Inc., USA (európai licenctulajdonos: Schöck Bauteile GmbH, termékük márkaneve: Schöck ComBAR®). A C-BAR® betétek üveg-, aramid-, szén- és üveg-szén hibrid szálakkal is készülnek, a betétek felületére pedig kerámia bordázatot ragasztanak a jobb együttdolgozás biztosítása érdekében (Marshall, 1995; Schöck, 1997).
C-BAR® márkanevű betét felületi kialakítását, az alábbiakban ismertetésre kerülő többi betéttel együtt az 1. ábrán, mechanikai jellemzőit pedig az 1. táblázatban láthatjuk.

3.2 Aramid és szénszálas betétek

A nyolcvanas években széleskörű kutatások kezdődtek egyéb szálak előállítására. A munka eredményeként - melynek élén Japán járt - aramid (aromás poliamid) és szénszálak alkalmazására is lehetőség nyílt. Ezeket kezdetben csak az űrkutatásban és a hadiiparban alkalmazták (pl. golyóálló mellények), a fokozatos árcsökkenés azonban lehetővé tette a polgári repülőgépipari, az autógyártási, a szórakoztató elektronikai (pl. hangfalak), a sportszergyártási (pl. sílécek, teniszütők), majd mérnöki alkalmazásokat. Betonszerkezetekben való alkalmazásra Japánban állítottak elő elsőként aramidszálas (pl. FiBRA®, Technora®) és szénszálas (pl. CFCC®, Leadline®) betéteket, és a mai napig itt készülnek a legnagyobb mennyiségben. Európában többek között Hollandiában találhatunk aramidszálas (Arapree®) és szénszálas (Carbon-Stress®) betéteket előállító cégeket.

E két utóbbi száltípus elsődleges előnye, hogy nagy szilárdságuk mellett nagy a fáradási szilárdságuk is és elektrolitikus korrózióval szemben teljesen ellenállóak. A szénszálak teljes mértékben, míg az aramidszálak a mérnöki szerkezetek használati élettartama alatt alkáliállónak tekinthetők.
Észak-Amerikában, Japánban és Európában egyre több hídépítési alkalmazással találkozhatunk, így a nagyobb tömegű termelés beindulásával a szálerősítésű kompozitok árának további csökkenése és - elsősorban a szénszálas polimerek - szélesebb körű építőmérnöki elterjedése prognosztizálható.
Aramid- és szénszálas betétek kialakítását az 1. ábrán láthatjuk, mechanikai jellemzőik az 1. táblázatban találhatók.

Márkanév (gyártó)	Száltípus	Ágyazó anyag	Száltartalom, V%	Húzószilárdság, N/mm²	Rugalmassági modulus, N/mm²	Szakadó nyúlás, %	Hőtágulási együttható tengelyirányban, 1/°C
Polystal (Bayer)	E-üveg	poliészter	68	1670	51000	3,3	7,0 × 10^-6
Sportex	E-üveg	epoxi(Eskaplast)	n.a.	1600	52000	3,1	n.a.
JITEC (Cousin)	E-üveg	vinilészter	n.a.	1000 - 1600	35000 - 55000	3,8	n.a.
C-BAR (Marshall Schöck)	E-üveg, aramid, szén, hibrid	vinilészter	60 - 70	700 - 1000	38000 - 42000	2,0	7,0 × 10^-6
Arapree (AKZO)	aramid (Twaron)	epoxi	43	1200 - 1300	53000 - 91000	3,0	-1,6 × 10^-6
FiBRA (Mitsui)	aramid (Kevlar)	epoxi (Bisphenol)	65	1775	58000	3,1	n.a.
Technora (Teijin)	aramid (Technora)	vinilészter (Bisphenol)	65	1765	53000	3,3	n.a.
CFCC (Tokyo Rope)	szén (PAN)	epoxi (Novolak)	64	2100	137000	1,5	0,6 × 10^-6
Leadline (Mitsubishi)	szén (pitch)	epoxi	65	2250	147000	1,5	0,68 × 10^-6
Bri-Ten (Bridon)	szén (PAN)	epoxi	65	2290	143000	1,6	n.a.
Carbon-Stress (NEDRI)	szén	epoxi	60 - 70	2400 - 3000	155000 - 165000	1,5 - 1,9	0,2 × 10^-6

1. táblázat. Néhány jellegzetes FRP betét mechanikai jellemzői

3.3 Nem acél anyagú (FRP) betétek tulajdonságai

A szálerősítésű polimer (FRP = Fibre Reinforced Polymer) betétek több tízezer darab 8...10 mm átmérőjű, párhuzamosan futó, nagy szilárdságú szálból és azokat összefogó ágyazóanyagból állnak. Az ágyazóanyag szerepe nem csupán a szálak összetartása és a terhek elosztása a szálak között (különös tekintettel az esetlegesen elszakadt szálak terheinek továbbítására), hanem azok fizikai védelme is a keresztirányú hatásoktól (a szálak keresztirányban sokkal kisebb szilárdságúak mint hosszirányban). Az FRP betétek a szálak anyagának megfelelően kapják elnevezésüket:

aramidszálas: AFRP (Aramid Fibre Reinforced Polymer) betétek,
szénszálas: CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer) betétek
üvegszálas: GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymer) betétek

2. ábra. A Nagatsu gyaloghíd képe (Tokyo Rope, 1993)

Az FRP betétek húzószilárdsága és rugalmassági modulusa a szálak típusától, a szálak hossztengellyel bezárt szögétől, a száltartalomtól (általában 60 V% körüli), a keresztmetszet alakjától és az ágyazóanyagtól függnek. Húzószilárdságuk 700...3000 N/mm^₂, rugalmassági modulusuk 70 000...300 000 N/mm², míg szakadónyúlásuk 0,8%...4,0% közötti. A betétek hosszirányú tulajdonságait alapvetően a szálak határozzák meg, míg a keresztirányú viselkedést az ágyazóanyag is jelentősen befolyásolja (Kollár-Kiss, 1998).
Az FRP betétek jellegzetes tulajdonsága, hogy statikus terhelés hatására lineárisan rugalmasan viselkednek, majd ridegen szakadnak. Folyási jelenséget egyáltalán nem mutatnak. A korrózióállóságon kívül további előnyös tulajdonságuk a kis önsúly, a nem-mágnesezhetőség, a jó fáradási tulajdonságok valamint a kismértékű relaxáció és kúszás. A legkedvezőbb mechanikai és kémiai tulajdonságai a szénszálas betéteknek vannak.
Az FRP betétek mechanikai jellemzőit az 1. táblázatban foglaltuk össze.

3. ábra. A No. 15. kerékpáros híd Hakui és Ganmon között (Tokyo Rope, 1993)

4. ábra. A Birdie gyaloghíd képe (Tokyo Rope, 1993)

4. NEM ACÉL ANYAGÚ (FRP) BETÉTEK A HÍDÉPÍTÉSBEN

Hozzávetőlegesen már ötvenre tehető azon hídszerkezetek száma a világon, amelyekben FRP betéteket használtak. Ezek egy része gyalogos- ill. kerékpárhíd, másik része közúti ill. autópálya híd, de megtalálhatjuk köztük magas vezetésű elektromágneses lebegtetésű vasút hídgerendáit is. Ezen hídszerkezetek kevés kivételtől eltekintve Japánban és Észak-Amerikában találhatók, az európai alkalmazások száma tíz körüli (Tokyo Rope, 1993; Taerwe, 1995; El-Badry, 1996; JCI, 1997; Crivelli, 1998; JPCEA, 1998). Az eddigi tapasztalatok kedvezőek.

A következőkben bemutatunk néhány példát Kanadából, Japánból és az Egyesült Államokból, érzékeltetve a már eddig megvalósult FRP betétes hidak szerkezeti változatosságát.

4.1 Japán példák

Japán nem csak az FRP betétek mennyiségi gyártásában, de építőmérnöki alkalmazásában is világelső. Szén- és aramidszálas polimer feszítőbetétek előállításával már a 80-as évek eleje óta foglalkozik számos japán cég (pl. Tokyo Rope, Mitsubishi Kasei, Teijin, Nefcom, Mitsui). Így Japánban már 10 évnél idősebb szerkezeteket is találunk FRP betétekkel.

A nyolcvanas évek első felében üvegszálas betétekkel szerzett, nem igazán kielégítő európai tapasztalatok miatt Japánban eleinte csak kis terhelésű, gyalogos-, ill. kerékpárhidak készültek az új anyagokkal. Japánnak az volt a koncepciója, hogy a szerkezetek esetlegesen eltérő viselkedését lehetőleg minél több típusú szerkezeten és a lakosság veszélyeztetése nélkül tanulmányozzák. Ezért a nagyobb méretű és teherbírású hidak eleinte magánterületen épültek (golfklubok, nemzeti parkok stb.).
1988. októberében készült el az első szénszálas betéttel feszített híd Japánban. A 6,1 m hosszú, 7,0 m széles közúti híd helyszíni lemezzel együttdolgoztatott, előregyártott gerendás kialakítású (Tokyo Rope, 1993). Ezt követte 1989. márciusában a 8,0 m hosszú, 2,5 m szélességű Nagatsu gyaloghíd, amely üzemben előregyártott, feszített tömör lemezes szerkezetű. A híd fényképét a 2. ábrán láthatjuk. 1992. végéig három, kis terhelésű (kerékpáros) híd épült, feszített üreges lemez felszerkezettel, 7,6-10,5 m támaszközzel, a Hakuit és Ganmont összekötő 32 km-es kerékpárúton. Ezek egyikének képét a 3. ábra mutatja.

5. ábra. A Tsukude híd képe (Tokyo Rope, 1993)

A 90-es évek elején indult meg Japánban a nagyobb nyílású szerkezetek építése. Ezeknek egyik szép példája az 54,5 m támaszközű, 1,7 m széles Birdie-híd, amelyet a 4. ábrán láthatunk. Felszerkezete bennmaradó zsaluzatos, utófeszített lemez.
Egy másik igen szép, nagyobb fesztávú, szénszálas betétekkel feszített híd a Tsukude-híd, amely 1993. júniusában készült el. A híd 111 m hosszú, 75 m támaszközű, szekrény keresztmetszetű, két végén befogott, középső keresztmetszetében csuklós kialakítású. A pályalemez szélessége 3,6 m. A híd érdekessége, hogy mind belsőkábeles, mind külsőkábeles feszítést alkalmaztak. A belsőkábeles feszítés a szekrény gerinceiben haladó 6Ć12,5 mm CFCC® pászmákból kialakított kábel, míg a külsőkábeles feszítést 6 db, egyenként lehorgonyzott Ć12,5 mm CFCC® pászma alkotja a szekrény üregében vezetve. A hídról készült felvételt láthatunk az 5. ábrán, míg a híd hossz- és keresztmetszetét a 6. és 7. ábrák mutatják.
Érdekes példa a következő kétnyílású, törttengelyű, előregyártott szegmensekből készült feszítettbeton híd, amely a Haramachi hőerőmű területén épült 1997. végén (8. ábra) (FRP International, 1997). A híd tenger felőli nyílása 12,4 m hosszúságú, főtartói hét darab kéttámaszú előrefeszített gerenda. A part felőli nyílás 25,1 m, és főtartóit hét darab utófeszített gerendával alakították ki. Minden utófeszített főtartót három előregyártott szegmensből állítottak össze. A szegmenseket gyárilag előrefeszítették 2 db Ć12,5 mm CFCC® pászmával, majd a helyszínen főtartónként 6 db Ć12,5 mm CFCC® pászma megfeszítésével tették folytonossá a part felőli nyílás gerendáit.

6. ábra. A szénszálas betétekkel feszített Tsukude híd hosszmetszete (Tokyo Rope, 1993)

7. ábra. A Tsukude híd keresztmetszete (Tokyo Rope, 1993)

8. ábra. Híd a Haramachi hőerőmű területén, Japánban (FRP International 1997)

4.2 Észak-Amerikai példák

Kanadában és az Egyesült Államokban szintén több FRP betétes hídszerkezet található. Közülük itt hármat mutatunk be.

1993. novemberében adták át a forgalomnak Calgary Alberta kerületében a Beddington-hidat, amely az első kanadai FRP betétes híd beépített, folyamatosan működő monitoring rendszerrel (ún. "smart structure") (Rizkalla - Tadros, 1994). A monitoring-rendszer beépített nyúlás- és hőmérő szenzorokból áll, amelyekkel a hídgerendák viselkedését lehet az építés és a forgalom hatása alatt folyamatosan nyomon követni. A híd egy kétnyílású, folytatólagos, 33°-ban bal ferdeségű hídszerkezet, nyílásai 22,85 m és 19,23 m nagyságúak. A híd főtartóit 13 darab előregyártott T-keresztmetszetű előrefeszített gerenda képezi mindkét nyílásban, melyek közül hat készült szénszálas feszítőbetéttel. Négy gerendában Ć15,2 mm CFCC® betétek (gyártó: Tokyo Rope), kettőben pedig Ć8 mm Leadline® betétek (gyártó: Mitsubushi Kasei) találhatók. A gerendákat úgy tervezték, hogy használati határállapotban azonos viselkedést mutassanak az acél feszítőpászmákkal készült elemekkel. Ez a tervezési feltétel azt eredményezte, hogy a CFRP betétekkel feszített elemek teherbírása nagyobb, a tönkremenetelhez tartozó lehajlásuk pedig kisebb lett, mint az acél pászmákkal feszített elemeké. A kész hídszerkezetet a 9. ábrán láthatjuk.

9. ábra. A Beddington-híd Calgaryban (Rizkalla - Tadros, 1994)

10. ábra. A Taylor-híd CFRP betétes tartóinak modellgerendája (Fam et al., 1995)

Második kanadai példánk a Taylor-híd, amely Manitoba állam Headingley járásában található az Assiniboine folyó felett (Rizkalla et al., 1998). A hidat 1997. októberében adták át a forgalomnak. A híd összesen 165 m hosszú, melyet négy pillér oszt kéttámaszú, azonos támaszközű mezőkre. A híd főtartói mezőnként 8 előrefeszített vasbeton I-tartóból állnak, amelyek 1,8 m magasak. A híd 4 CFRP betéttel feszített gerendát tartalmaz, melyek közül kettő kizárólag nem acél anyagú betétekkel készült. Két-két gerenda készült CFCC(tm) (Ć15,2 mm) és Leadline(tm) (Ć10 mm) betétekkel. A híd pályalemezének egy szakaszában szintén CFRP betétekkel helyettesítették a vasalást (Ć10 mm Leadline(tm)).
A hídgerendák kialakítása több szempontból is nagy jelentőségű. Az egyik, a már említett CFRP kengyelek alkalmazása (ezt azért fontos kiemelni, mert FRP betétekből a helyszínen nem hajlíthatók kengyelek, az éles törések kialakítása csak a gyárban, az ágyazóanyag megszilárdulása előtt lehetséges). Ennél a hídnál alkalmaztak elsőként nem egyenes vonalvezetésű FRP feszítőbetéteket is. A CFCC(tm) betétes elemekben 32 egyenes és 14 törtvonalú, míg a Leadline(tm) betétes elemekben 38 egyenes és 18 törtvonalú feszítőbetét került beépítésre (enyhe szögben az FRP betétek meghajlíthatók, pl. szállításuk is megoldható 2 m átmérőjű tekercsekben). További érdekessége a felszerkezetnek, hogy a pályalemez és a főtartók együttdolgoztatását a kengyeleknek a gerendák fején való túlnyújtásával oldották meg, így a CFRP betétek csaphatással történő nyíróerő-átadása is tanulmányozható a szerkezeten.
A gerendák viselkedésének tanulmányozására 1:3,6 arányú modellkísérletek folytak (Fam et al., 1995). A kísérleti elemek hasznos magasság - támaszköz aránya megegyezett a hídgerendákéval. Összesen hat darab, 9,3 m hosszúságú, 500 mm keresztmetszeti magasságú elem készült, melyekre 7 nap elteltével 500 mm széles, 50 mm vastag fejlemezt utólag betonoztak. A CFCC(tm) betétes gerendák hossz- és keresztmetszeti kialakítását a 10. ábrán láthatjuk. A feszítőbetétek 40%-a volt - hasonlóan a hídgerendákhoz - nem egyenes vonalvezetésű. Az irányeltérítés 4°-os szögben történt. A gerendák és a fejlemez együttdolgoztatása érdekében az összes kengyelt a gerendák felső síkján túlnyújtották. A kutatók vizsgálataik alapján úgy találták, hogy a CFRP kengyelek teherbírása a nem tengelyirányú igénybevétel miatt a tengelyirányú teherbírásnak csak mintegy 45%-a (ezt más kutatók vizsgálatai is alátámasztják) illetve, hogy a CFRP betétek csaphatással való együttdolgoztató képessége megfelelő.
A harmadik, röviden bemutatott híd a McKinleyville-híd (Nyugat Virginia, USA) (Thippeswamy et al., 1998). A kétsávos közúti hidat 1996. szeptemberében adták át a forgalomnak, szerkezeti kialakítását tekintve öszvérhíd (11. ábra). A háromnyílású felszerkezet teljes hossza 54 m, főtartói 330´1300 mm-es hengerelt acélszelvények egymástól 1500 mm távolságban, melyeket helyszíni, FRP betétes pályalemez dolgoztat együtt. A 229 mm vastag pályalemezben kizárólag FRP betétek vannak, a fővasalás Ć13/152 mm, az elosztó vasalás Ć10/152 mm. A betonfedés a felső oldalon 38 mm, az alsó oldalon 25 mm. Két eltérő üvegszálas FRP betétet alkalmaztak: az egyik a korábban már bemutatott C-BAR® (gyártó: Marshall Industries), a másik telítetlen poliészter gyantába ágyazott E-üvegszálas, spirálbordás + homokszórt felületű betét volt (gyártó: Grating International). A pályalemez vasalását az epoxibevonatos acél zsámolyokkal a 12. ábrán láthatjuk. Itt kell felhívni a figyelmet az alkalmazott betétek kis testsűrűségére (16 kN/m³), amely a betétek helytelen szerelése esetén vibráláskor a betétek betonban való felúszásához, így a betonfedés megváltozásához vezethet (az alkalmazott beton testsűrűsége 24 kN/m³ volt). A betétek felúszását úgy előzték meg, hogy az ábrán látható módon a betéteket mind a távtartókhoz, mind a zsaluzathoz rögzítették. A zsámolyokat egyébként sűrűbben kell elhelyezni, mint hagyományos acélháló esetén, a betonozó munkás súlya alatti nagy lehajlás elkerülése érdekében.

11. ábra. A McKinleyville-híd képe (Thippeswamy et al., 1998)

12. ábra. McKinleyville-híd pályalemezének FRP betétei (Thippeswamy et al., 1998)

A híd forgalom alatti viselkedését a közeli egyetem kutatói 2000. nyaráig folyamatosan regisztrálják.

4.3 Ferdekábeles hidak FRP feszítőpászmával

A nagyon nagy támaszközű hidak tervezésének egyik alapvető szerkezeti kérdése, hogy ferdekábeles vagy függőhíd készüljön-e illetve, hogy a tartókábelek mérete (így önsúlya) a támaszköz növelésével egyre nagyobb. A jelenleg használatos, nagy szilárdságú acélokkal ezért elméletileg csak legfeljebb 5000 m körüli támaszközű függőhíd lenne kialakítható. A nagy szilárdságú és kis önsúlyú szén- ill. aramidszálas feszítőbetétekkel azonban ez az elméleti határ kiterjeszthető 10000...14000 m-ig. Ez a hatalmas támaszköz rávilágít arra, hogy nagy támaszközű ferdekábeles vagy függőhidak esetén az FRP anyag versenyképes, alternatívát jelenthet, kizárólagos megoldást jelenthet a nagy fesztávolságok tartományában.

Éppen ezért számos kutató foglalkozik ezzel a témakörrel, sok kérdés azonban még tisztázásra vár. Ilyenek többek között (Head, 1996):

aerodinamikai stabilitás kérdése szélteherre,
megsérülhetnek-e a kábelek - a kisebb keresztirányú szilárdság miatt - beépítéskor, villámsújtáskor, baleset esetén vagy szándékos rongáláskor,
okozhat-e a jég kopást a kábelek felületén,
eltér-e a kábelek tartós és fáradási szilárdsága a kísérleti extrapolációktól,
mennyi legyen a kábelek tervezési igénybevétele, stb.

Nem acél anyagú betétek alkalmazására ferdekábeles szerkezetben ma még csak néhány kísérleti példát találhatunk. E területen azonban további fejlődés várható.

Szénszálas kábelek első alkalmazására 1996-ban Svájcban került sor, a Storchenbrücke ferdekábeles hídján Winterthurban (BBR, 1996). Az acél merevítőtartós, 124 m (63m + 61m) hosszú, egy pilonos híd 24 tartókábeléből kettő készült szénszálas polimerből: az 5. és 6. 130×Ć7 mm acélkábelt helyettesítették 241×Ć5 mm CFRP kábellel. Mivel az acél és szénszálas kábelek külső átmérője csaknem azonos, a szénszálas kábel nem befolyásolja a híd esztétikai képét. A szénszálas kábelekben folyamatosan mérik az alakváltozásokat.
Nagy-Britanniában is találunk két kísérleti hídszerkezetet, melyek közül az egyik tartókábelei aramidszálas polimerből készültek (Aberfeldy-híd), míg a másik szénszálas kábelekkel készült (Box Lane gyaloghíd, Staffordshire). Ez utóbbi vázlatos kábelelrendezését a 13. ábrán láthatjuk (Head, 1996). A híd aszimmetrikus kábelelrendezésű, acél pilonos és merevítőtartós, nyílásai 38,55 m és 12,60 m, a kábelek pedig 19,5-20,5-28,9 m hosszúak.

13. ábra. A Box Lane gyaloghíd vázlatos kábelelrendezése (Head, 1996)

5. MEGERŐSÍTÉS FRP BETÉTEKKEL

Hídszerkezetek külsőkábeles utófeszítéssel való megerősítését régóta sikerrel alkalmazzuk. Erre általában azokban az esetekben kerül sor, amikor a szerkezet tehernövekedése, túlterhelése, vagy egyes igénybevételeinek helytelen számításba vétele miatt a túlzott alakváltozások meg nem engedhető mértékű repedéstágasságot eredményeznek. A módszerrel lehetőség van mind hajlítási, mind nyírási teherbírás-növelésre.

Hídszerkezetek utólagos megerősítésének szükségességét előidézheti korróziós károsodás (pl. feszítőbetétek szakadása) is. Ilyen esetekben általában számíthatunk az agresszív anyagok jelenlétére a megerősítést követő időszakban is, ezért célszerű lehet a megerősítést korrózióálló, szálerősítésű anyagokkal végrehajtani.
Ilyen megerősítése történt 1998 őszén egy kétnyílású, szekrény-keresztmetszetű, kétsávos, közúti feszített vasbeton hídnak Intragná-ban, a Ri di Verdasio felett (Meier, 2000). A híd nyílásai 31,4 és 37,6 m, a közbenső támasz 25 m magas, karcsú vasbeton pillér, a pályalemez szélessége 6 m. A hídon végzett rutinvizsgálat során átázásokat és korróziós nyomokat fedeztek fel, majd részletes vizsgálattal kimutatták, hogy a tartószerkezet betonjának kloridion-tartalma (a cement tömegére vonatkoztatva) 2,8% volt a nem feszített vasalás-, és 2,0% a feszítőbetétek magasságában (emlékeztetünk, hogy a megengedett legnagyobb kloridion-tartalom általában 0,4% a cement tömegére vonatkoztatva). A híd 14 éves használata során egyes helyeken a vasalás teljes keresztmetszetében korrodeálódott.
A szerkezet megerősítését 4 db törtvonalban vezetett szénszálas feszítőbetéttel végezték, melyek mindegyike 19 db 5 mm átmérőjű szénszálas huzalból állt. A kezdeti feszítési feszültség 1610 N/mm² volt, ami a feszítőbetétek húzószilárdságának 65%-a. A megerősítést számos kísérlet előzte meg a gyártó (BBR Ltd.) és az EMPA dübendorfi laboratóriumaiban, melyek során többek között a szénszálas kábelek véglehorgonyzási módját és az irányeltérítő elemek megengedhető legkisebb görbületi sugarát vizsgálták. Ez utóbbi (tekintettel a szénszálas betétek relatíve kis keresztirányú szilárdságára) 3,0 m volt. A híd hosszmetszetét a szénszálas kábelek vonalvezetésével a 14. ábrán láthatjuk.

14. ábra. A Ri di Verdasio hídjának hosszmetszete (Meier, 2000)

6. GAZDASÁGOSSÁGI MEGFONTOLÁSOK

Egy hídszerkezet gazdaságosságát befolyásoló legfontosabb tényezők többek között a híd funkciója, helye, az alkalmazott anyagok, a felszerkezet valamint az alépítmény kialakítása, az építéstechnológia, a szállítás, az építési idő, az építés alatti forgalom biztosítása, a csatlakozó létesítmények és a fenntartási költségek. Minden egyes tényezőnek költségvonzata van, amelyet a tervezésnél figyelembe kell venni. A költségek alapvetően két nagy csoportra oszthatók: a beruházási és az üzembentartási költségekre, óriási hiba tehát egy létesítményt pusztán az építéskori bekerülési költség tükrében vizsgálni.

A teljes élettartam alatt megfelelően működő, minimális összköltségű szerkezet létesítésének megcélzása más szemléletet igényel. Ekkor olyan mérnök-gazdasági elemző módszereket kell alkalmaznunk, melyek segítségével egy elfogadhatónak tekintett megtérülési ráta (kamatláb) mellett a szerkezet teljes élettartama alatt fellépő költségek és bevételek jelenértékét (Present Value) hasonlítjuk össze (Balázs - Almakt - Erdélyi, 1998). Hídszerkezetek esetén jellegükből adódóan általában nem lehet bevételekkel számolni, ezért a fenti módszerekkel a teljes élettartam-költségek (Life Cycle Cost) összehasonlítása alapján kell a beruházásról dönteni. Ezzel a szemlélettel a nagyobb bekerülési költségű szálerősítéses anyagok létjogosultsága igazolható, ami magában foglalja a fenntartási költségek csökkentését és a fenntartási munkálatok számának csökkentését.

7. SZABVÁNYOSÍTÁS

A gyors és megbízható tervezést a mérnöki gyakorlatban jól ismert szerkezeti anyagok és a bevált szerkezeti megoldások teszik lehetővé. Új szerkezeti anyagok megjelenése mindenképpen együtt kell, hogy járjon új számítási módszerek kidolgozásával, valamint az új anyagokra vonatkozó előírások és szabványok megjelentetésével. Remélhetőleg ezek rövid időn belül rendelkezésre fognak állni. Ennek elősegítésére a fib (fédération internationale du béton) és az ACI (American Concrete Institute) is állandó munkabizottságokat tart fenn.

8. MEGÁLLAPÍTÁSOK

A hidakon tapasztalt jelentős korróziós károk figyelmünket a nem acél anyagú (ezáltal nem korrodeáló) betétek alkalmazási lehetőségeinek keresése felé irányította.

A bemutatott japán, kanadai, USA-beli, svájci és német példák igazolják, hogy a nem acél anyagú betétek hídépítési alkalmazása műszakilag megoldható. Tervezésük és beépítésük azonban speciális megfontolásokat igényel.
A nem acél anyagú betétek általában szálerősítésű polimerből készülnek. A szálak anyaga lehet üveg, aramid vagy szén. Az ágyazóanyag általában epoxigyanta. A szálak mechanikai tulajdonságai (pl. tengelyirányú szilárdság, fáradási szilárdság, tartós szilárdság) kedvezőbb, mint a feszítőacélé. Rugalmassági modulusuk lehet kisebb vagy nagyobb, mint az acélé. Viselkedésük szinte tökéletesen rugalmas-rideg. A rideg tönkremenetel veszélyét a tervezés során feltétlenül figyelembe kell venni. Az alkalmazások során elsősorban a feszített betétek lehorgonyzása jelent nehézséget.
Nem acél anyagú betétek a hídépítésben alkalmazhatók:
1. feszített vagy nem feszített betétként,
2. ferdekábeles híd kábeleként, vagy
3. utófeszített megerősítő betétként.
A nem acél anyagú betétekkel feszített hídszerkezetek teljes élettartam-költségük elemzése alapján gazdaságos megoldást jelenthetnek.
Bízunk abban, hogy hazánkban is rövidesen meg fog épülni az első kísérleti híd, amelynek betétei elektrolitikus korrózióval szemben teljesen ellenállóak lesznek.

9. KÖSZÖNETNYILVÁNITÁS

Kutatómunkánk az OTKA T 016996 számú, "Nem acél anyagú feszítési rendszerek" című kutatási téma keretein belül folyt. Szerzők ezúton is kifejezik köszönetüket a kapott támogatásért.

Szerzők köszönetet mondanak még dr. Erdélyi Lászlónak (e&h Kft.) és Mazen Almakt (doktorandusz, BME Vasbetonszerkezetek Tanszéke) jelen cikk kiindulópontjául szolgáló OTKA Tanulmány összeállításához nyújtott segítségükért.

HIVATKOZÁSOK

Balázs Gy. szerk. (1991), "Közúti vasbeton hídszerkezetek korrózióvédelme", Budapesti Műszaki Egyetem Építőanyagok Tanszéke, Kutatási Jelentés, Budapest, 1991.
Balázs L. Gy. - Almakt, M. - Erdélyi L. (1998), "Nem acélanyagú (FRP) betétek alkalmazása a hídépítésben", 5. Tanulmány, OTKA T 016996, Budapesti Műszaki Egyetem, 1998.
Balázs L. Gy. - Farkas Gy. - Erdélyi L. - Borosnyói A. - Almakt, M. (1999), "Nem acél anyagú feszítési rendszerek", Záróbeszámoló, OTKA T 016996, Budapesti Műszaki Egyetem, 1999.
BBR (1996), "BBR Review - Introducing BBR CARBON STAY Technology", Bureau BBR Ltd., Zurich, Switzerland, November 1996.
Crivelli Visconti, I., (editor) (1998), "ECCM-8 European Conference on Composite Materials - Science, Technologies and Applications", Proceedings, Naples, Italy, June 1998.
El-Badry, M.M., (editor) (1996), "Advanced Composite Materials in Bridges and Structures", Proceedings, 2nd International Conference. Canadian Society for Civil Engineering, Montreal, Quebec 1996.
Fam, A. Z. - Abdelrahman, A. A. - Rizkalla, S. H. - Saltzberg, W. (1995): FRP Flexural and Shear Reinforcements for Highway Bridges in Manitoba, Canada. Proceedings of the Second International RILEM Symposium (FRPRCS-2), Ghent 1995., L.Taerwe, Editor, E & FN Spon, London. pp. 395-402.
FRP International - Quarterly Technical Paper, Editor S.H. Rizkalla (ACI, ASCE, CSCE, Composite Institute, JCI, ACMBS Network of Canada, ISIS Canada). Volume V., Issue 2, Spring 1997.
Head, P. R. (1996), "Advanced Composites in Civil Engineering - A Critical Overview at This High Interest, Low Use Stage of Development", Advanced Composite Materials in Bridges and Structures, M.M. El -Badry, Editor, Canadian Society for Civil Engineering, Montreal, Quebec 1996. pp. 3-15.
Japan Concrete Institute (1997), "Non-Metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures", Proceedings of the Third International RILEM Symposium (FRPRCS-3), October 1997, Sapporo, Japan.
Japan Prestressed Concrete Engineering Association (JPCEA) (1998), "Prestressed Concrete in Japan", XIII. FIP Congress, National Report, Amsterdam, Holland, 1998
Kollár L. P. - Kiss R. (1998), "Szálerősítéses műanyagok (kompozitok) az építőiparban - I. Kompozitok anyagai", Közúti és Mélyépítési Szemle, XLVII. évf. 9. szám, pp. 331-338.
Marshall Industries Composites, Inc., (1995), "C-Bar® Reinforcing Rods. The Future of Concrete Reinforcement", Technical Data.
Meier, U. (2000), "Spannglieder aus CFK", Proceedings, Massivbau 2000 - Forschung, Entwicklungen und Anwendungen, 4. Münchener Massivbau-Seminar 2000, Technische Universität München, Springer-VDI-Verlag, 2000. pp. 205-216.
Rizkalla, S. H. - Shehata, E. - Abdelrahman, A. A. - Tadros, G. (1998): The New Generation - Design and construction of a highway bridge with CFRP. Concrete International, June 1998, pp. 35-38.
Rizkalla, S. H. - Tadros, G. (1994), "A Smart Highway Bridge in Canada", Concrete International, Vol. 16., No. 6., June 1994, pp. 42-44.
Rubinsky, A. - Rubinsky, I. A. (1959), "A Preliminary Investigation of the Use of Fiber Glass for Prestressed Concrete", Magazine of Concrete Research, Sept. 1959. pp. 71-78.
Schöck (1997), "Schöck ComBAR®. Betonbewehrungselemente aus Glasfaserverstärktem Kunststoff", Schöck Bauteile GmbH Manuel
Taerwe, L., Editor (1995), "Non-Metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures", Proceedings of the Second International RILEM Symposium (FRPRCS-2), Ghent 1995, E & FN Spon, London.
Thippeswamy, H. K. et al. (1998), "FRP Reinforcement in Bridge Deck", Concrete International, Vol. 20., No. 6., June 1998, pp. 47-50.
Tokyo Rope (1993), "Technical Data on CFCC®", Tokyo Rope Mfg. Co., Ltd. Manual, Tokyo, October 1993.

Dr. Balázs L. György (1958) okl. építőmérnök, okl. mérnöki matematikai szakmérnök, PhD, Dr. habil, egyetemi docens, a BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék vezetője. Fő érdeklődési területei: beton, vasbeton és feszített vasbeton szerkezetek (anyagai, laboratóriumi vizsgálata és modellezése), szálerősítésű betonok, nem acél anyagú betétek, megerősítések anyagai és módjai, erőátadódás betonban, vasbeton tartó repedezettségi állapota, vasbeton szerkezetek tartóssága. A fib "Használati határállapotok" munkabizottság elnöke, további fib, ACI és RILEM bizottságok tagja. A fib Magyar Tagozat elnöke.

Borosnyói Adorján (1974) okl. építőmérnök, PhD hallgató a BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszékén. Fő érdeklődési területei: vasbeton és feszített vasbeton szerkezetek használati határállapota és tartóssága, feszített és nem feszített FRP betétek alkalmazhatósága, tapadása, tartószerkezetek utólagos megerősítése. A fib Magyar Tagozat tagja.

SUMMARY

Serious deterioration of bridges due to corrosion in the past decades raised the interest in the field of non-metallic, thus non-corrosive reinforcements. Non-metallic reinforcements are usually made of fibre reinforced polymers (FRP); thousands of high strength glass, aramid or carbon fibres of the diameter of 8-10 mm embedded into a resin (usually epoxy) matrix. FRPs show not only superior resistance to environmental attack, but have high strength-to-weight ratio, magnetic neutrality, excellent fatigue strength, low relaxation losses and good long term characteristics as well. Durability studies demonstrated that most of the glass fibres suffer significant degradation in alkaline environment, consequently not suitable to use in concrete members without special protection. Aramid and especially carbon fibres can resist alkaline attack during their service life.
Non-metallic reinforcements in most of the cases are used as prestressed reinforcement but there are non-prestressed applications as well. Due to relatively low transversal strength of FRP tendons anchoring systems need special consideration. Another important property the linear elastic - rigid behaviour which have to be taken into account during planning to avoid brittle failure. Non metallic reinforcing bars can be used in bridge engineering as: a) prestressed or non-prestressed reinforcement, b) stay cables in cable stayed bridges or c) post-tensioned strengthening tendons. Analyzing Life Cycle Costs, bridges with non-metallic reinforcement provide promising and competitively economic possibility with lowering the costs of maintenance.