Bevezetés

Cikkünk első három részében [1–3] részletesen bemutattuk a tűzhatásnak kitett alagútfalazatok felmelegedésének számítási módját, mind öntöttvas és acél-, mind vasbeton falazatok esetén. Cikkünk negyedik részében ezeket az ismereteket felhasználva az alagútfalazatok tartószerkezeti vizsgálatával foglalkozunk a tűzhatás során. A normálhőmérsékleten történő méretezést és annak elméleti hátterét részletesen tárgyalja dr. Széchy Károly Alagútépítéstan című könyve [4], valamint Petrasovits Géza–Fazekas György–Kovácsházy Frigyes Városi földalatti műtárgyak tervezése és kivitelezése című könyve [5]. Mivel ezekben még a tűzvédelmi méretezés kérdéskörével nem foglalkoztak, így igyekeztünk a meglévő elméleti tudásanyagot kiegészíteni a vonatkozó szabványok által nyújtott ismeretekkel, mind az öntöttvas és acélszerkezetű [6], mind a vasbeton szerkezetű [7] falazatok esetén. Ezeken túl saját egyéni elgondolásainkkal igyekeztünk kiegészíteni az elméletet azokon a pontokon, ahol úgy ítéltük meg, hogy hiányosságok fedezhetők fel. Az elméleti összegzést oly módon állítottuk össze, hogy az a mindennapi gyakorlat számára könnyen átemelhető és alkalmazható legyen.

Cikkünkben részletesen foglalkozunk mind az alagútfalazatokban a tűzhatás során kialakuló igénybevételek számításával, mind az alagútfalazatok ellenállásának meghatározásával. Külön figyelmet szenteltünk a gátolt hőtágulás miatt kialakuló kényszer-igénybevételek közelítően pontos kézi számítások bemutatásának. Cikkünkben, a terjedelmi korlátok miatt, a normálhőmérsékleten történő méretezés kérdésével csak érintőlegesen foglalkozunk, szorítkozva a szakirodalomban [4, 5] fellelhető ismeretekre. Tesszük ezt annak ellenére, hogy ezeknél a módszereknél fejlettebb számítási lehetőséget kínál a végeselemes modellezés, amely az 1970-es évektől az alagúttervezés általánosan alkalmazott eljárásává vált.

Az igénybevételek meghatározása tűzhatás során

A tűzhatás során a szerkezetet rendkívüli tervezési állapotban kell méretezni. Ennek megfelelően az egyes hatások egyidejűségét az 1. képletnek megfelelően kell figyelembe venni a [8] alapján.

ahol:
Gk: az állandó hatás karakterisztikus értéke,
P: a feszítésből származó hatás reprezentatív értéke,
Ad: a rendkívüli hatás (hőmérséklet-változás) tervezési értéke,
Qk,1: a domináns esetleges hatás karakterisztikus értéke,
Qk,i: a domináns esetleges hatással egyidejűleg működő i-edik esetleges hatás karakterisztikus értéke,
ψ1,1: a kiemelt esetleges hatás gyakori értékéhez tartozó kombinációs tényező,
ψ2,i: a további esetleges hatások kvázi-állandó értékeihez tartozó kombinációs tényezők.
A tűzhatás során az erőtani követelmények igazolásának elvét a [8] alapján az 1. ábra szemlélteti. Látható, hogy a lángba borulást követően a szerkezeti elem teherbírása folyamatosan csökken a növekvő szerkezeti hőmérséklet miatt. A hatás oldalon a grafikonban ugrás figyelhető meg a lángba borulás pillanatában. Ennek oka, hogy ettől a pillanattól kezdve érvényessé válik az 1. képlet szerinti teherkombináció számítása. Amikor a hatás és ellenállás grafikon metszi egymást, abban a pillanatban merül ki a szerkezet teherbírása, itt következik be a tönkremenetel. Az 1. ábrán az a közelítés látható, amely esetén a rendkívüli hatás (Ad) zérus értékű, azaz a gátolt hőtágulás hatása nincs figyelembe véve. Az ábrát a Méretezés tűzteherre az Eurocode szerint című könyv alapján készítettük el [9].
Az MSZ EN 1991-1-2 [10] fontos elvet fogalmaz meg: ha a tűzállósági követelményeket szabványos tűzhatással határoztuk meg, akkor a szomszédos elemekről átadódó közvetett hatásokat (gátolt alakváltozások, a hőtágulás meggátlásából keletkező hatások stb.) nem kell számításba venni. Ellenben minden egyéb esetben különös figyelemmel kell lenni az alábbi hatásokra és következményeikre:

• a szerkezeti elemekben bekövetkező gátolt hőtágulás;
• a statikailag határozatlan szerkezetekben bekövetkező egyenlőtlen hőmérséklet-változás;
• a keresztmetszeten belüli nem egyenletes hőmérséklet-eloszlás;
• a szomszédos szerkezeti elemek hőtágulása;
• a tűznek kitett szerkezeti elemek hőtágulásának hatása a tűzszakaszon kívüli szerkezetrészek viselkedésére.

Amennyiben a tartószerkezetet egy teljes egységként kezelve részletes vizsgálatot végzünk, akkor a közvetett hőmérsékleti hatásoktól nem tekinthetünk el. Mivel az alagútfalazatot teljes egységként vizsgáljuk és a szabványostól eltérő tűzhatásra, így a gátolt alakváltozást szükséges figyelembe venni a 2. ábrának megfelelő módon. Ebben az esetben rendkívüli hatás (Ad) az időtől/hőmérséklettől függő mennyiség.
Az 1. képlet a magasépítési gyakorlatban rendkívül egyszerűen alkalmazható, a benne szereplő egyes tényezők számítása egyértelmű. Ezzel szemben az alagútépítési gyakorlatba átültetni nehézségekkel jár. Célszerűnek láttuk, hogy a Nemzetközi Alagútépítő Egyesület (ITA-AITES) kutatási jelentésében [11] elsőként vizsgáljuk meg azt, hogy a vasbeton tübbingekből kialakított alagútfalazatokra teherbírási határállapotban milyen terhelést írnak elő. A jelentés a tárgyalt 8. teherkombinációban a földnyomás és talajvíz hatásait veszi figyelembe a 2. képletnek megfelelő módon, amelyben a forrás szerinti eredeti jelöléseket alkalmazzuk.

ahol:
w: az önsúlyteher karakterisztikus értéke,
WAp: a talajvíznyomás karakterisztikus értéke,
EH: a vízszintes földnyomás karakterisztikus értéke,
EV: a függőleges földnyomás karakterisztikus értéke,
ES: a felszíni kiegészítő terhelés karakterisztikus értéke.

Megfigyelve a 2. képlet szerinti kombinációt, arra a megállapításra jutunk, hogy ezek a hatások kombinációs tényezők alkalmazása nélkül alapértékükkel együttesen rendkívüli tervezési állapotban is terhelhetik a falazatot. Ha kiegészítjük a képletet rendkívüli hatást (Ad) reprezentáló taggal, akkor a 3. képletnek megfelelő terhelést kell az alagútfalazaton működtetni.

ahol a jelölések megegyeznek a korábban közöltekkel.
A rendkívüli hatás (Ad) kivételével a 3. képletben szereplő mennyiségek meghatározását részletesen tárgyalják az egyes szakkönyvek [4, 5], így ezek további vizsgálatától eltekintünk. A rendkívüli hatás (Ad) számítása eltérő logika mentén zajlik az egyes szerkezeti anyagok esetén, így ennek származtatását a megfelelő fejezetekben közöljük részletesen.
Megjegyzés: Azokon a speciális helyeken, ahol talajba feszített alagútszerkezetként került kialakításra a falazat, ott a 3. képletet ki kell egészíteni a feszítés hatásával is (P).
A terhek ismeretében az alagútfalazatokban ébredő igénybevételek (nyomóerő és hajlítónyomaték) meghatározhatóvá válnak. Ezek részben egyszerűsített feltevések alapján kézzel is számíthatók [4, 5], de a probléma vizsgálható akár számítógépes programok alkalmazásával is, amelynek elméleti hátterével részletesen foglalkozik a Városi földalatti műtárgyak tervezése és kivitelezése [5] irodalom, a gyakorlati megvalósítással pedig Csanády Dániel publikációi [12, 13]. Bármelyik módszer alkalmazása mellett dönt is a vizsgálatot végző, figyelemmel kell arra lennie, hogy a tűzhatás során időtől/hőmérséklettől függő mennyiség lesz a falazatra jellemző EA normálmerevség, valamint az EI hajlítómerevség. Míg öntöttvas és acélszerkezetű alagutak esetén a merevség megváltozását a rugalmassági modulus csökkenése jellemzi, addig a beton- és vasbeton anyagú falazatok esetén nagyobbrészt a károsodásmentes betonkeresztmetszet méreteinek változása és kisebbrészt a rugalmassági modulus változása. Mivel a merevségek megváltozása is anyagspecifikus, így ezek számítását az egyes szerkezeti anyagokkal foglalkozó fejezetekben mutatjuk be. Cikkünkben az alakváltozások vizsgálatától eltekintünk és csupán a szilárdsági vizsgálatokra fókuszálunk. Az alakváltozások vizsgálata a csökkentett merevségek figyelembevétele mellett kézzel vagy számítógéppel is megtehető annak érdekében, hogy a káros mértékű alakváltozások kialakulása kizárható legyen a tűzhatás során.

Öntöttvas és acél alagútfalazatok vizsgálata

Jelen cikkünkben az acél alagútfalazatok vizsgálatával nem foglalkozunk, mivel hazai felhasználására nem volt példa és a világban sem elterjedt szerkezet. Ennek egyik oka a korrózióveszély, amelyet vagy a szerkezeti méretek növelésével csökkentettek, vagy speciális anyagmegválasztással, korrózióálló acélok felhasználásával. Megfeledkezni mégsem szabad ezekről az elemekről, mivel építési állapotban ideiglenes felhasználásuk járatos megoldást jelent az alagútépítési gyakorlatban. Így egy, az építési állapotban kialakuló tűzhatásra igazolni kell tudni őket. Ezek az elemek a vonatkozó szabvány [6] alapján vizsgálhatók tűzhatásra abban az esetben, ha szénacél anyagúak. Ha korrózióálló acélból készültek, akkor a szabvány [6] alkalmazására is van lehetőség, de annál részletesebben foglalkozik a kérdéssel a Méretezés tűzteherre az Eurocode szerint című könyv [9].
Jellemzően a fémszerkezetű falazatok hagyományosan alkalmazott anyaga a szürke vasöntvény volt, amelyeket később több helyen felváltott a gömbgrafitos öntött vas alkalmazása, amely kedvezőbb mechanikai jellemzőkkel rendelkezett és ezáltal az anyagfelhasználás minimalizálására volt lehetőség. A hazai felhasználásnál alkalmazott szürke vasöntvénnyel szemben (budapesti metró) támasztott követelmények a teherbírási határállapotban a következők az [5] alapján:

• húzószilárdsága: minimum 180 N/mm2,
• megengedett feszültség húzásra: 50 N/mm2,
• megengedett feszültség nyomásra: 140 N/mm2.

Mivel további adatok nem álltak rendelkezésünkre, így a fellelhető szakirodalom alapján igyekeztünk a hiányzó adatokat pótolni. Maraveas és szerzőtársai [14] cikkükben részletesen foglalkoznak az öntött vas termikus és mechanikai jellemzőinek megváltozásával tűzhatás során. A cikkben a szerzők arra a megállapításra jutottak, hogy az acélszerkezeti szabvány [6] előírásai alkalmazhatók öntöttvas szerkezetek esetén is. A rugalmassági modulus értékét a Fémtechnológiai táblázatok [15] alapján vettük fel. A 200 N/mm2 szakítószilárdságú (0.6020 anyagszámú, GG-200 jelölésű) lemezgrafitos öntött vas esetén az öntvény vastagságától és a terhelés nagyságától függően 90 000 és 120 000 N/mm2 között változik értéke szobahőmérsékleten. Számításainkban a két érték átlagával, azaz 105 000 N/mm2 értékkel dolgoztunk.

Az igénybevételek meghatározásához szükséges ismernünk ennek hőmérsékletfüggését is, amelyet a szabvány [6] alapján tudunk figyelembe venni. A rugalmassági modulus megváltozása fogja okozni az alagútgyűrűben kialakuló nyomó- és hajlító-igénybevételek folyamatos változását a tűzhatás során. Az ellenállásoldal esetén a hőmérsékletfüggést, mivel az öntött vas rideg anyag és így a határszilárdságok a szakítószilárdsággal állnak összefüggésben, az arányossági határhoz tartozó csökkentő tényező fogja determinálni, szemben a képlékeny viselkedést tanúsító szénacéllal, ahol a folyáshatárhoz tartozó érték hivatott ugyanerre. A csökkentő tényezők hőmérsékletfüggését a 3. ábra foglalja össze grafikusan, míg a jellemző értékek az 1. táblázatban találhatók meg. A hőmérsékletfüggő szilárdsági értékek esetén azok tűzhatás során figyelembe vehető alapértékét is meg kell tudni adni, mivel a tűzhatás során fokozatosan leépül és kimerül a szerkezet teherbírása. A teherbírási határállapotra jellemző értékeket (húzószilárdság és megengedett feszültségek) korábban bemutattuk, látható, hogy a nyomószilárdság esetén a szakítószilárdsághoz tartozó biztonsági tényező értéke 1,28, míg a húzószilárdság esetén ez az érték 3,6. Tűzhatás során az anyagoldali biztonsági tényezők is megváltoznak és jellemzően 1,0 értéket vesznek fel. A nyomószilárdság esetén a tűzhatás során az 1,28 értékű biztonsági tényező csökkentését nem javasoljuk, viszont a húzószilárdság esetén az értéket csökkenthetőnek érezzük.
Maraveas és szerzőtársai [16] öntöttvas szerkezetekre teherbírási h