Kövesdi Balázs Géza építőmérnök, a BME Építőmérnöki Kar Hidak és Szerkezetek Tanszékének egyetemi docense az MTA Bolyai János Kutatási Ösztöndíja támogatásával végzett munkája kapcsán olyan eredményekről számol be, amelyről az elméleti tudást nagyra tartó egyetemi-akadémiai szféra is elismeréssel szól, ugyanakkor a „gyakorlati” oldal, a híd- és acélszerkezeteket gyártó ipar is azonnal hasznosítani tud. A fiatal szakember munkája jó példa arra, hogy miként lehet a magas szintű teóriát pragmatikusan megközelíteni.
Tanulmányában azt írja, hogy „napjainkban, a szerkezet-építőmérnöki gyakorlatban a nagyszilárdságú acélanyag az egyik legnagyobb anyagszerkezeti újítás, melynek alkalmazása a hídépítésben jelentős szakmai előrelépés, ugyanakkor széles körű elterjedését még korlátozza a hiányos méretezési háttér. A jelenlegi szerkezettervezési gyakorlat a hagyományos acélanyagra kidolgozott méretezési módszereket alkalmazza a nagyszilárdságú acélok esetében is, ami általában jelentős túltervezéshez vezet, s így az új anyagok alkalmazása gazdaságtalanná válik”. Ha jól értem, az Ön által kidolgozott módszer segítségével feleslegessé válik a túltervezés, a méretezés során közelebb kerülhetünk a tényleges igényekhez? Ez olyasmi, mint amikor a számítástechnika segítségével a statikai módszerek lényegesen precízebbé váltak, és egyrészt lehetővé vált a „bátrabb” tervezés, másrészt a túltervezés feleslegessé vált?
Igen, úgy fogalmaznék, hogy a jelenleginél pontosabb tervezésre és tervezhetőségre törekszünk. Fiatal kutatókból és PhD hallgatókból álló kutatócsapatommal azon dolgozunk, hogy laboratóriumi kísérletekkel validált numerikus modellek alkalmazásával minél jobban megismerjük és megértsük a nagyszilárdságú acélszerkezetek stabilitási viselkedését és új típusú méretezési módszerek kidolgozásával gazdaságosabbá tegyük ezen szerkezetek tervezését, ezáltal elősegítsük gyakorlati alkalmazhatóságukat. Mesterem, Dunai László professzor évtizedek óta foglalkozik az acélszerkezetek numerikus modell alapú tervezésével, ennek a szakterületnek nemzetközileg elismert szakértője. Magyarországon az ő nevéhez fűződik az innovatív, numerikus modellalapú méretezési eljárások széles körben való elterjesztése, építőmérnöki tervezési gyakorlatban való szabványos alkalmazása. Az ő iskolájában tanultam ennek a kutatási és méretezéselméleti módszernek az alkalmazását, fejlesztésének tematikáját és stratégiáját.
Mi ennek a módszertannak a lényege, hogyan alkalmazható a gyakorlatban?
Az általunk alkalmazott módszertannak két fejlesztési iránya van. Az egyik, hogy a kísérletekkel validált numerikus modellel végrehajtott vizsgálatok eredményei alapján pontosítjuk a jelenlegi, alapvetően kézi számításra kidolgozott méretezési módszereket, melyek alkalmazásával a tervezők a hagyományos méretezési eljárások pontosított változatával méretezhetik a hídszerkezeteket. Ennek a fejlesztési iránynak kulcskérdése, hogy megértsük a vizsgált szerkezetek pontos mechanikai viselkedését, és ezt a viselkedést minél pontosabb elméleti mechanikai modellekkel tudjuk leírni a tervezéshez szükséges megfelelő biztonság garantálása mellett. Az így kidolgozott pontosított méretezési eljárások a korábbi, hagyományos méretezési eljárásokkal azonos módon alkalmazhatók a tervezési gyakorlatban, de azoknál pontosabb eredményre vezetnek. A másik irány a numerikus modell alapú méretezési eljárások fejlesztése, melynek alkalmazásával a tervezési gyakorlatban a numerikus modellen végzett szimulációkkal hajtható végre a statikai ellenőrzés, mely újszerű és általában nagy pontosságú méretezéshez vezet. Ezt úgy kell elképzelni, mintha a numerikus modellel egy laboratóriumi kísérletet szimulálnánk. A számítás végeredménye a szerkezet erő-elmozdulás diagramja, melynek kiértékelésével meghatározható a vizsgált szerkezet tervezési teherbírása. Kutatócsoportommal mindkét területet igyekszünk kiszolgálni és az általunk kidolgozott méretezési eljárások egyaránt vonatkoznak a hagyományos méretezési módszerek megújítására, illetve a numerikus modell alapú újszerű méretezési módszerek továbbfejlesztésére is.
Hogyan lehetne összefoglalni a nagyszilárdságú acélszerkezetek stabilitásvizsgálati méretezési eljárásainak megújítását? Lehet-e az eredményt számszerűsíteni? Feltételezem, hogy elsősorban az anyaghasználat csökken majd. A híd tervezés folyamat változatlan marad?
Számszerűsíteni nehéz az eredményeinket, mert méretezési eljárásokat dolgozunk ki, melyek egyedi szerkezetek tervezésében kerülnek alkalmazásra, így szerkezetenként különböző mértékű lehet a hasznosulásuk. Azonban minden általunk kidolgozott új méretezési módszerről elmondható, hogy a korábbi méretezési módszereknél lényegesen pontosabban követi a szerkezetek valós viselkedését, melynek eredményeként pontosabban lehet meghatározni a szerkezet teherbírását. Így kutatási eredményeink jórészt a felhasznált acélanyag csökkenéséhez vezetnek, ugyanakkor több méretezési módszerünk módszertani szinten is újítást tartalmaz, olyan újszerű, innovatív szerkezetek és szerkezeti viselkedések vizsgálatára is alkalmazhatók, melyre korábban nem álltak rendelkezésre kidolgozott méretezési eljárások. Kutatómunkánk eredménye ezért nem csak az anyagcsökkenésben mérhető, hanem olyan méretezési módszereket is ad a tervezési gyakorlatnak, melyek korábban nem álltak rendelkezésére.
A nagyszilárdságú acélszerkezetek térnyerése folyamatos, annak ellenére, hogy még ezek is (tovább)fejleszthetőek. Hol tart most ez a világban és hogyan szolgálják ki kutatásaikkal?
Jelenleg a világon a nagyszilárdságú acél építőmérnöki szerkezetek esetén leggyakrabban nagy fesztávú hídszerkezetekben kerül alkalmazásra súlycsökkentés és ezáltal igénybevétel csökkentés céljából (2. ábra). A kisebb keresztmetszeti méretek azonban karcsúbb, ezáltal stabilitásra érzékenyebb szerkezeti kialakításokhoz vezetnek, melyeknél a lokális horpadás és a kihajlás nagyobb hangsúlyt kap a tervezésben. Közismert, hogy a nagyszilárdságú acélok gyártása, hengerlése, hegesztése a folyáshatárhoz képest kisebb sajátfeszültségeket eredményez a normál szilárdságú acélokhoz képest, ezáltal lényegesen kedvezőbb a nagyszilárdságú acél anyagból készült szerkezeti elemek stabilitási viselkedése. Saját és nemzetközi szakirodalomban publikált kutatási eredmények egyöntetűen azt igazolják, hogy a különösen nagyszilárdságú acélanyagok (S500-S960) stabilitási ellenállása lényegesen meghaladja a hagyományos (S235-S355) acélból készült szerkezetek teherbírását. Magyarországon jelenleg S235-S355 (S420/S460) acélok érhetők el széles körben a piacon. Ugyanakkor külföldön már szélesebb körben elérhetők az S500 – S960 acél anyagból készült szerkezeti elemek is, így középtávon várható ezen acélok hazai építőipari térnyerése is. A nagyszilárdságú acélok fejlesztése már az 1950-es években megindult. Az első nagyszilárdságú acélok esetén ugyan a nagy (>500 MPa) szilárdságot sikerült elérni, de közben más jellemzői – hegeszthetősége, korrózióállósága, vagy duktilitása – nem voltak kedvezőek. A mai nagy szilárdságú acélok esetén sok hátrányos tulajdonságot sikerült felszámolni az anyagtudomány fejlődésének köszönhetően. Az úgynevezett nagy teljesítőképességű acéloknak már nem csak a szilárdsága magasabb, hanem kedvezőbb a hegeszthetősége, valamint a korrózióállósága is, így alkalmazási tartományuk jelentősen kibővült. A kutatási munkánk keretében célunk, hogy ezeket a kedvező mechanikai tulajdonságokat figyelembe vegyük a tervezési gyakorlatban.
A kutatási munkájukban milyen területekre fókuszálnak?
Az eddigi kutatásaink három területre fókuszáltak: négyzetes zárt szelvények kihajlási és lemezhorpadási ellenállásának meghatározására, valamint ortotrop lemezek horpadásvizsgálatára. Mind a három vizsgálat kiemelt jelentőségű nagyszilárdságú acélszerkezetek – főleg hidak – esetén. Az eddigi kísérleti és numerikus kutatási eredményeink alapján sajátfeszültség modelleket, és méretezési eljárásokat dolgoztunk ki a nagyszilárdságú acélból készült I-szelvények és zártszelvények kihajlási ellenállásának meghatározására. Tudomásunk szerint a nemzetközi szakirodalomban elsőként publikáltunk olyan módszert, amely a nagyszilárdságú acél sajátfeszültségi modelljét és geometriai imperfekcióit figyelembe veszi a kihajlásvizsgálat méretezési eljárásában, így nagy pontossággal meg tudja határozni a kihajlási ellenállást. A nagyszilárdságú zártszelvények lemezhorpadási ellenállásának meghatározása témakörében a kísérleti és numerikus kutatási programunk végeredményeként stabilitási méretezési görbét és parciális tényezőt határoztunk meg a lemezhorpadási ellenállás meghatározására tiszta nyomás és hajlítás esetére. A kidolgozott horpadási görbe alkalmazásával nagyobb megbízhatósággal és pontosabban lehet méretezni a karcsú acélszerkezeteket. Ebben a témában dolgozunk korábbi és jelenlegi PhD hallgatóimmal olyan méretezési módszeren, mely numerikus modell és nemlineáris analízis alkalmazásával is lehetővé teszi a horpadási és kihajlási ellenállás pontos meghatározását. Ez főként a numerikus modellben alkalmazandó helyettesítő geometria imperfekció mértékének szilárdsági osztály függő módosításából, illetve az alkalmazandó anyagmodellre vonatkozó szabályozás kidolgozásából áll.
Valamennyi hídtípusra vonatkoznak a megállapításai? Van olyan, amelynél nagyobb mértékben jelentkezhetnek az eredmények?
Az általunk kidolgozott méretezési módszerek acél- vagy acél-vasbeton öszvérhidak méretezési eljárásaira vonatkoznak. A legtöbb méretezési eljárást úgy dolgoztuk ki, hogy szilárdsági osztálytól függetlenül alkalmazhatók legyenek S235 – S960 szilárdsági osztály tartományban. Ilyen értelemben a kidolgozott méretezési módszereink univerzálisan és székeskörben alkalmazhatók. A nagyszilárdságú acél világviszonylatban legjelentősebb építőipari felhasználási területe a nagy fesztávú acélhidak, így méretezési módszereink leginkább ezen szerkezetek esetén alkalmazhatók. Gazdaságosnak tűnő felhasználási terület még a nagy fesztávú térrácsok, esetleg rácsos gerendák is. Korábban a nagyszilárdságú acéltermékek csak lemez formájában voltak kaphatók, napjainkban azonban megjelentek a melegen hengerelt, vagy hidegen alakított acélszerkezeti gyártmányok is (I-szelvények, zárt szelvények), ami jelentősen bővíti a gazdaságos felhasználás alkalmazási területét. A nagy fesztávolságú hídszerkezeteket a jelentős önsúly/hasznos teher arány jellemzi, ami azt jelenti, hogy önsúlycsökkentéssel jelentős maximális igénybevétel csökkentést lehet elérni, ami további anyagfelhasználás csökkenéshez vezethet. A keresztmetszeti méretek csökkentése, a pontosabb stabilitásvizsgálati méretezéi eljárások alkalmazása azonban magával vonja a szerkezet merevségének csökkenését, valamint a járműteherből származó feszültséglengések nagyságának növekedését. Az anyagfelhasználás további csökkentésének általában a használhatósági, valamint a fáradási határállapot szab korlátot, ami azt is jelenti, hogy a hídépítésben alkalmazott nagyszilárdságú acélszerkezetek esetén szinte mindig a használhatósági és/vagy fáradási határállapot a mértékadó. Mivel a fáradásvizsgálati eljárások és méretezési módszerek függetlenek az acél anyagszilárdsági tulajdonságától, ezért a nagyszilárdságú acél hídszerkezetek gazdaságos alkalmazáshoz elengedhetetlen, hogy tovább fejlesszük a tervezésükhöz alkalmazott fáradási méretezési módszereket. Korábbi szakirodalmi adatok egyértelműen alátámasztják, hogy a folyáshatár növelésével az alapanyag fáradási jellemzői is kedvezőbbek lesznek, ugyanez azonban már nem mutatható ki egyértelműen hegesztett szerkezeti részletekre. Jelenleg egyik PhD hallgatóm ezért a nagyszilárdsági acélhidak fáradásvizsgálati módszereinek pontosításával és a fáradási élettartamnövelő eljárások hídépítési alkalmazásával foglalkozik, hogy tovább szélesítsük a gazdaságos alkalmazási lehetőségeket.
Hídépítő konjunktúra van Magyarországon. Mit gondol, mennyi idő szükséges ahhoz, hogy az Ön által feltárt eredmények átmenjenek a gyakorlatba?
Kutatómunkám szorosan kötődik négy nemzetközi bizottság munkájához: Európai Acélszerkezeti Szövetség, ECCS/TWG 8.3 bizottsága; Európai Szabványügyi Testület CEN/TC250/SC3 WG5, WG13 és WG22 bizottságai. Ezen bizottságok keretében aktívan részt veszek az új generációs európai acélszerkezeti szabványok fejlesztésében, illetve lehetőségem nyílik az eredményeinket rendszeresen nemzetközi fórumokon is bemutatni, mely jelentősen hozzájárul azok alkalmazhatóságához, széles körben való ismertté tételéhez. A bizottsági üléseken rendszeresen előadást tartok az aktuális kutatási eredményeinkről, és figyelemmel kísérem több mint tíz európai egyetem azonos szakterületein dolgozó kutatóinak összehangolt munkáját. Jórészt ennek a nemzetközi szabványosítási munkának eredményeként több, a mi kutatócsoportunk által kidolgozott méretezési eljárás épült be a közeljövőben megjelenő második generációs Eurocode 3 szabványsorozatba, mellyel a kutatási eredményeink nagyon rövid időn belül közvetlenül alkalmazásra kerülhetnek az acélszerkezeti tervezési gyakorlatban. Ezen kívül aktívan részt veszek az európai CEN/TC250/SC3/WG22 szabványosítási bizottság munkájában, melynek feladata egy új, acélszerkezetek numerikus modell alapú tervezési szabványának (új prEN 1993-1-14:2020) kidolgozása. Az új szabvány hatályba lépésével az általunk is alkalmazott és kifejlesztett numerikus modell alapú méretezési eljárások jól szabályozottan széles körben alkalmazhatóvá válnak a hétköznapi tervezési gyakorlatban. Ezért bízom benne, hogy kutatási eredményeink nagyon gyorsan alkalmazhatóvá válnak és elterjednek az európai acélszerkezeti tervezési gyakorlatban. Ezen kívül folyamatosan kapunk felkérést tervező és kivitelező cégektől, hogy hazai hídprojekteken alkalmazzuk a fejlett, numerikus modell alapú vizsgálatokat. Ezeket a módszereket alkalmaztuk például az M4 autópálya Tisza-híd építési állapotok ellenőrzésében, Széchenyi lánchíd felújítási munkáinak keretében, M0 autópálya Deák Ferenc Duna-híd építése és felújítása keretében, bajai Türr István Duna-híd megerősítésében, új Paks-Kalocsa Duna-híd tervezésében stb. Ezen hidak esetén végrehajtott számításaink még jórészt szakértői szintű tevékenységek, ugyanakkor hozzájárulnak az alkalmazott méretezési módszerek tervezőkkel való megismertetéséhez, alkalmazhatóságuk elfogadtatásához.
Ha nincs az MTA Bolyai János Kutatási Ösztöndíja, nem is tudott volna a témával foglalkozni?
Az MTA Bolyai János Kutatási Ösztöndíjat a „Korszerű méretezési eljárások fejlesztése acélszerkezetek horpadásvizsgálatára” című kutatási programommal nyertem el 2015-ben, melynek fókuszterületei a nagyszilárdságú acél anyagból készült szerkezeti elemek globális stabilitási méretezési hátterének kidolgozása, a gyártástechnológiai sajátosságok figyelembevétele a numerikus modellezésben, és numerikus modellezésen alapuló korszerű méretezési eljárások fejlesztése volt. A Bolyai-ösztöndíj az elmúlt években folyamatos motivációt és támogatást nyújtott a kitűzött kutatási céljaim és a nemzetközi szinten is elismert eredmények eléréséhez. A Bolyai-ösztöndíj egy nagy presztízsű kutatói ösztöndíja az akadémiának, mely komoly elvárásokat támaszt a fiatal kutatókkal szemben. Ezen elvárásoknak való megfelelési vágy az én esetemben komoly motorja volt az újabb és újabb eredmények elérésének. Így azt mondom, hogy lehetett volna ezzel a témával a kutatási ösztöndíj nélkül is foglalkozni, ugyanakkor biztosan állítom, hogy motivációt és az eredményeim színvonalának növekedését eredményezte az ösztöndíjas időszak. A Bolyai ösztöndíjam kutatási programjának a célkitűzéseivel összhangban, de nagyrészt ezeken túlmutatóan elnyertem 2017-ben és 2018-ban az Új nemzeti Kiválóság Program (ÚNKP) kutatói ösztöndíját is. Ezen kutatásaim pillérei a nagyszilárdságú acélszerkezetek stabilitásvizsgálata, fáradásvizsgálata, trapézlemez gerincű hídgerendák innovatív méretezési módszereinek fejlesztése, és lemezes szerkezetek gyártástechnológiai imperfekciói – hegesztés numerikus modellezése voltak. Az ÚNKP ösztöndíj is jelentősen hozzájárult a kutatási programunk finanszírozásához és magasszintű végrehajtásához.
A kutatásait angolul publikálta. Van külföldi visszajelzés?
A BME Hidak és Szerkezetek Tanszéken nagy hagyománya van a rangos külföldi folyóiratokban (Q1-es folyóiratok) való publikálásnak. Az elmúlt 5 évben a kutatócsoportomnak összesen 25 impakt faktoros folyóirat cikke jelent meg (20 db Q1-es folyóiratban), melyek összegzett impakt faktora 63. 2020-ig eddig megjelent publikációimra összesen ~350 független hivatkozást kaptam, mely jelentősen meghaladja azokat a követelményeket, melyek alapján a közeljövőben be tudom adni az MTA doktori disszertációmat. Így azt mondhatom, hogy van és pozitív a kutatási eredményeink nemzetközi fogadtatása, illetve hamarosan a tervezési gyakorlat számára is széleskörben elérhetők lesznek eredményeink a szabványba való beépülés révén. Itt említeném meg, hogy egy méretezési eljárás szabványosítása rendkívül összetett és hosszú folyamat. Széleskörű szakértői bizottság értékeli és hitelesíti az új méretezési módszereket, mely egyben garanciát is jelent azok elméleti helyességére, gyakorlatban való alkalmazhatóságára. Az általunk kidolgozott méretezési módszerek közül több is átesett ezen a folyamaton, mely azt jelenti, hogy a kutatási eredményeinket európai szakemberekből és professzorokból álló bizottság a tudomány jelenlegi állása szerinti legjobb módszereknek ítélték meg és gyakorlatban való alkalmazásra javasolják. Azonban nem csak külföldi, hanem hazai visszajelzésünk is sok van. A korábban említett nagyszámú gyakorlati alkalmazáson túl a Magyar Mérnöki Kamara tartószerkezeti szakmai továbbképzésének része az „Acélszerkezetek numerikus modellezése új kötet az EUROCODE-ban” című előadás, melyet Dunai tanár úrral közösen tartunk és melynek keretében a hazai tervezőkkel és szakemberekkel ismertetjük meg ezeket az újszerű méretezési gyakorlatot. Ezen kívül eredményeinket folyamatosan beépítjük az egyetemi oktatásba is, így a frissen végzett híd szakirányos építőmérnökök már ezek ismeretében kezdik pályájukat.
Miért ezt a témát választotta kutatásai témájául?
Épületgépész édesapám és építész nagyapám nyomdokain haladva választottam a mérnöki pályát. Példamutatásuk és saját, hídszerkezek iránti indíttatásom alapján választottam az építőmérnöki szakmát, melyen belül meghatározó volt Gáspár Zsolt professzor, aki megszerettette velem a szerkezetek statikáját, majd Dunai László professzor, a BME Építőmérnöki Kar jelenlegi dékánja, akinek a legtöbbet köszönhetek és aki az acélszerkezetek méretezési irányába terelte érdeklődésemet még egyetemi éveim alatt. 2007-től kezdve dolgozom a professzor úr kutatócsapatában és foglalkozom acéllemezes szerkezetek numerikus módszeren alapuló méretezésével, stabilitásvizsgálatával, korszerű méretezési módszerek kidolgozásával, valamint ezek szabványosításával. Kutatói fejlődésemben nagy szerepe volt még Ulrike Kuhlmann professzor asszonynak, a Stuttgarti Egyetem tanszékvezető professzorának, aki először a diplomamunkám, majd a PhD disszertációm társkonzulenseként, illetve a nemzetközi bizottsági munkáim segítőjeként irányította fejlődésemet. Az Egyesült Államokban a University of Texas at Austin egyetemen eltöltött közel egy éves tanulmányutam megerősített abban, hogy ez a kutatási téma fontos a jelenlegi építőmérnöki gyakorlatban és világszinten is nagy érdeklődésre tart számot. Nagyszilárdságú acélszerkezetekkel 2012-ben kezdtem foglalkozni első PhD hallgatómmal Somodi Balázzsal közösen. Egy nemzetközi projektben vettünk részt, melynek keretében a BME feladata a nagyszilárdságú acél oszlopok stabilitási viselkedésének vizsgálata, méretezési módszereinek megújítása volt. Kutatási eredményeink és az általunk javasolt új méretezési eljárás széleskörben nagy sikert aratott, az új modellel nagy pontossággal meghatározható volt a nagyszilárdságú anyagból készült négyzetes zártszelvényű oszlopok kihajlási ellenállása. Ez volt az első eredményünk ebben a témában. A teljes kutatási projektet nagy sikerrel zártuk, megértettük a nagyszilárdságú acélszerkezetek stabilitási viselkedését és felismertük az ebben rejlő lehetőségeket. Így kutatócsoportomnak jelenleg ez lett a fő kutatási területe. Kollár Dénes doktorjelölt PhD hallgatóm hegesztési eljárások numerikus modellezése, gyártási imperfekciók stabilitásvizsgálati eljárásokban való figyelembevétele témájában végzi kutatómunkáját. Másik PhD hallgatóm Mecséri Balázs nagyszilárdságú acélszerkezetek fáradásvizsgálatával foglalkozik, melynek kiemelt jelentősége van a hazai hídépítési gyakorlat szempontjából a nagyszilárdságú acélszerkezetek alkalmazhatóságának. Harmadik PhD hallgatóm Mohammad Radwan pedig a numerikus modell alapú méretezési eljárás alkalmazhatóságával foglalkozik összetett stabilitási jelenségek esetén.
