BME Vásárhelyi Pál Építőmérnöki és Földtudományi Doktori Iskola

BME Hidak és Szerkezetek Tanszéke

Témavezető: Dr. Bódi István

Vasalt és vasalás nélküli téglafalazatok kísérleti és numerikus vizsgálata

A kutatási téma bemutatása

A kutatóhely rövid bemutatása

    Az Építőmérnöki Kar  Hidak és Szerkezetek Tanszéke főként a föld feletti létesítmények erőtani tervezésével, méretezésével és vizsgálatával foglalkozik. Tanszékünk rendelkezik a kar legnagyobb, szerkezetek vizsgálatára is alkalmas laboratóriumával, mely a kutatáshoz és a tervezéshez szükséges számos kísérletnek ad otthont. Tantárgyaink többsége a híd- és szerkezettervezési szakirányt választó mérnökök szakmai tudását alapozza meg.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

    A vasalt falazatokkal foglalkozó nemzetközi szakirodalomban olyan rendszerek találhatók, ahol a függőleges vasalás az erre a célra kifejlesztett falazóelem belsejében halad, vagy a téglákat olyan speciális kötésben helyezik el, amelynek közepében vasbeton oszlop alakítható ki. Mindkét esetben betonnal töltik ki a betonacél körüli üregeket. Ezen falak viselkedését és fent említett pozitív tulajdonságait számos kutató vizsgálta és kísérletileg igazolta. Minden terhelési esetre, alkotóelem-típusra és elrendezésre kísérletet végezni nagyon költséges. Numerikus modellek alkalmazásával olyan virtuális kísérletek is elvégezhetők, amelyekre a valóságban nincs technikai vagy anyagi lehetőség. A téglaszerkezetek esetében ez különösen fontos, hiszen felesleges minden kötéstípust, elrendezést és terhelési típust kísérlettel vizsgálni.

    A modellezés alapvető feltétele, hogy ismerjük az alkotóelemek mechanikai jellemzőit. A falazóelemek, habarcsok és gyártóik sokfélesége miatt nemcsak az egyes anyagok mechanikai jellemzői különböznek, hanem az egyforma anyagokra rendelkezésre álló szakirodalmi adatok is nagyon eltérnek. A hazai gyártók nem rendelkeznek a falazóelemek minden jellemzőjével, és csak az összeépített falazatok tulajdonságainak vizsgálatára léteznek szabványos vizsgálati előírások.

    Az említett okok miatt foglalkozik anyagvizsgálatokkal és modellezési problémákkal a teherhordó falazatok témakörében kutatók jelentős része. A falazatok és más szerkezetek vizsgálatára a diszkrét és végeselemes eljárások a szakirodalomban leginkább elterjedt numerikus szimulációs módszerek. A vizsgálat módszeréül választott diszkrét elemes modellezés kevésbé ismert eljárás. Olyan 3 dimenziós falszerkezeti diszkrét elemes modellezéssel kapcsolatban, amelyhez kísérleti adatok is rendelkezésre állnak, még nem jelent meg publikáció.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

    A doktori értekezés elkészítése egy olyan többéves kutatási program első szakasza, mely a legnagyobb magyar téglagyártó és egy nemzetközi mérnöki szoftverfejlesztő céggel együttműködésben folyik. A végső cél az, hogy létrehozzunk egy olyan építési módszert, amely a magyarországi téglatípusokhoz, építési rendszerekhez igazodva biztosít nagyobb alakváltozási képességet a téglafalazatoknak, ezáltal lehetőség nyílik alkalmazásukra a nagyobb szintszámú épületek esetében is. A tervezés egyszerűsítése céljából meg kell határozni, hogy a falazaton belül milyen kötéskialakítással, hova helyezzünk el betonacélt a lehető leggazdaságosabb megvalósítás érdekében. Ennek tükrében javaslat tehető a falazóelemek gyártóinak a megfelelő elemválaszték kialakítására.

    A tervezett kutatás elsődleges célja a magyar habarcs és tégla szakirodalomból hiányzó anyagjellemző paramétereinek meghatározása. Ezek alapján kidolgozható egy vasalatlan falazatokat modellező eljárás, amely modell viselkedése kísérletekkel igazolható. A tervezett célok között szerepelt egy új kötéstípus kidolgozása vasalt falazatra, hagyományos téglafalazathoz viszonyított előnyeinek és hátrányainak feltárása és vízszintes terhekkel szembeni kedvező viselkedésének igazolása. Kísérletek alapján a vasalt falazatokra is létrehozható modell, amellyel igazolható, hogy kizárólag vasalt téglafalazat segítségével 2-3-nál nagyobb szintszámú épület is megépíthető a tervezési előírások betartása mellett.

Módszerek

1. ábra: A tönkremeneteli típusok vízszintes erővel történő terhelési esetre

    A falazatok modellezésére három elterjedt módszer található a szakirodalomban. Az első, amikor a habarcsot és falazóelemet külön-külön modellezik (2. a ábra), a második, amikor csak a falazóelemet (b). A harmadik módszer az, amikor az alkotóelemeket nem ábrázolják külön, csak az egész falazatot, egy összefüggő kontinuumként (c).

2. ábra: A téglafalazatok modellezési lehetőségei: a) mikromodell, b) egyszerűsített mikromodell, c) makromodell

    Mivel a tönkremenetel a vasalt és vasalás nélküli falazat esetében is legtöbbször a két elem kapcsolatánál következik be és nem a habarcsban, ezért ha a modellezési feltételek engedik, lehetőség van mindkét esetre egyszerűsített mikromodell alkalmazására.

Egy 2D diszkrét elemes modell segítségével meggyőződtem arról, hogy a modellezési paraméterek megfelelő megválasztásával elérhető a vasalatlan falazat esetén szimulálható valamennyi vasalt és vasalatlan falazatra jellemző tönkremeneteli mód. [15]

A tervezett 3D falazati modell megfelelőségének igazolására három feltételt tűztünk ki:

1. A szakirodalomban jól meghatározott, és a kapcsolati viselkedést megfelelően bemutató kísérletekkel megegyező kapcsolati viselkedés,

2. Az általam kimért tégla anyagjellemzők alkalmazásával kapható és az elvégzett kísérlettel megegyező repedéskép,

3. A modellezett és a kísérletben felépített valódi szerkezet ugyanazon pontján alkalmazott erő hatására a szerkezet mindkét esetben ugyanakkora alakváltozást szenvedjen.

    A diszkrét elemes modellezés kulcskérdése általában a megfelelő mechanikai anyagjellemzők és egyéb, kísérlettel nem meghatározható paraméterek megadása. A szakirodalomban fellelhető, ezekre vonatkozó ellentmondásos és hiányos adatok miatt szükséges volt saját mérések elvégzésére.

    A Hidak és Szerkezetek Tanszék szerkezetvizsgáló laboratóriumában és az Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék anyagvizsgáló laboratóriumában roncsolásos és roncsolásmentes vizsgálatokat végeztem a tégla méret- és irányfüggő tulajdonságainak meghatározására. Ezen kívül vasalatlan, vízszintes, függőleges, és mindkét irányú vasalással ellátott falazatok vízszintes, statikus terhekkel szembeni viselkedéseinek meghatározására laborkísérleteket végeztem. Az alábbi hivatkozásra kattintva megtekinthető egy falazat tönkremenetelének videója.

3. ábra: Az elvégzett kísérletek egy része

Eddigi eredmények

4. ábra: A kifejlesztett téglakötési rendszer és egy hagyományos falazat

2. Az új rendszer viselkedésének igazolására számos falazatból álló kísérletsorozatot végeztem, két típusú habarcs alkalmazásával. Bebizonyítottam, hogy a hagyományos falazattal összehasonlítva az első repedések több mint 2x nagyobb alakváltozás esetén jelennek meg, 20%-kal magasabb teherszinten. A végső tönkremenetelig 10x nagyobb alakváltozásra képes, mint a hagyományos falazat. Ez a típusú kialakítás más falazati rendszereknél ott előnyösebb, ahol bármelyik irányban érheti teher a falat: foghíjtelek beépítésekor, robbanás-, vagy földrengésveszélyes területeken, tűzfalak, támfalak esetében. [8, 9]

3. Kísérletek segítségével elemeztem a jellemző tönkremeneteli mechanizmusokat, és meghatároztam az azokat befolyásoló paramétereket. Ezek alapján a mérnökök tervezési munkáit könnyítő méretezési eljárást javasoltam az ilyen kötésben készült vasalt falazatok vízszintes terhekkel szembeni vizsgálatára. [10]

         

5. A kísérletekben nyert mechanikai jellemzők felhasználásával a 3DEC 3 dimenziós diszkrét elemes programmal modelleztem a tégla és a habarcs közötti kapcsolatot. Ezek alapján egy olyan modellt készítettem hagyományos, kisméretű téglából készült téglafalazatra, amellyel elérhető a kísérletivel azonos töréskép (6. a ábra), megfelelő a teherbírás meghatározására, és a kísérletivel megegyező alakváltozást szolgáltat. A felépített modell alkalmas az elvégzett kísérletek szimulálására, és megfelelő paraméterválasztással szimulálni tudja a valós falazat viselkedését a kísérletekben alkalmazott terheléseknél. A kialakított modellben a falazatban található elemek mérete, elrendezése, tulajdonságai és terhelési iránya is tetszőlegesen változtatható. A 6. b ábrán a falazat egy  tönkremenetele látható abban az esetben, ha egy nagy sebességű tárgy csapódik a középső téglának [14] (a hivatkozásra kattintva megtekinthető a szimuláció videója).

               

Hivatkozások