Meglévő betonszerkezetek megerősítése a Hilti teljeskörű megoldásaival

Az elmúlt két évtizedben egyre nagyobb hangsúlyt kapott az építőipar környezeti lábnyomának csökkentése és a már meglévő épületállomány felújítása. Ez különösen a városi környezetben fontos, ahol számos vasbeton épület és híd közeledik tervezett élettartama végéhez, így felújításuk vagy akár bontásuk is szükségessé válhat. A szerkezetek megerősítésére azonban nem csak az elöregedés miatt lehet szükség.

További gyakori okok lehetnek:

• Az épület funkciójának vagy használati módjának megváltozása,

• Az épület alapterületének bővítése,

• További szintek kialakítása olyan sűrűn beépített városi környezetben, ahol a vízszintes irányú bővítés nem lehetséges,

• Új építési szabványok és előírások bevezetése,

• Az eredeti kivitelezés hibái vagy egyéb hiányosságai,

• Valamint a szerkezet tartósságát befolyásoló hatások, például tűz vagy földrengés okozta károk helyreállítása.

Nem mindig egyszerű eldönteni, hogy érdemes-e megerősíteni a meglévő szerkezetet, vagy inkább a bontás és az újjáépítés a megfelelő megoldás. A döntést többek között a szerkezet jelenlegi állapota, a megrendelői igények, valamint az építmény kulturális, történelmi és társadalmi jelentősége is befolyásolja.

Ha a statikus mérnök megállapítja, hogy a teljes szerkezet megerősíthető, a felújítás 15–70%-kal gyorsabb megoldást jelenthet a bontáshoz és az újjáépítéshez képest. Ez az időtartam az épület vagy híd használatának leállításától az újbóli használatba vételig terjedő időt jelenti.

A szerkezet megerősítésével nemcsak idő takarítható meg: a szükséges munkaerő és építőanyag mennyiségének csökkentésével az erőforrásigény akár 10–75%-kal is mérsékelhető. Ez közvetlenül hozzájárulhat az építmény környezeti terhelésének és karbonlábnyomának csökkentéséhez [1]. A megrendelők számára emellett a gyorsabb újbóli használatba vétel és az alacsonyabb kezdeti beruházási költség is fontos szempont lehet.

Az említett előnyök elérésének egyik kulcsa, hogy a statikus mérnök megfelelő megerősítési módszert válasszon, az építőipar pedig rendelkezzen az annak kivitelezéséhez szükséges megoldásokkal és szakértelemmel. A választott módszernek hatékonyan kell kezelnie a szerkezet helyi és/vagy globális hiányosságait. A legtöbb megerősítési projekt során többféle módszert is alkalmaznak. Bizonyos lehetőségeket azonban kizárhatnak az építészeti, üzemeltetési vagy geometriai korlátok, a tervezési vagy kivitelezési tapasztalat hiánya, illetve a szükséges berendezések elérhetetlensége. Mindez jelentősen leszűkítheti az alkalmazható módszerek körét. A választás során az egyes módszerek előnyeit és hátrányait is mérlegelni kell, hiszen nincs olyan univerzális megoldás, amely minden szerkezeti problémára alkalmazható. További kihívást jelent, hogy a nem megfelelően megtervezett vagy kivitelezett megerősítés a szerkezet egyik részét ugyan megerősítheti, miközben egy másik részen kedvezőtlen hatást idézhet elő. Ezt az alábbi két példa szemlélteti, az egyik helyi, a másik globális szerkezeti szinten:

1. Lokálisan: födémlemez megerősítése egy új betonréteggel úgy, hogy nem számolnak az alatta lévő gerendákra jutó többletterheléssel.

2. A teljes szerkezet szintjén: a merevítő falak túlnyomó része az épület egyik oldalára kerül, az a másik oldalon nagyobb terhelést okozhat, így a megerősítés végül ellentétes hatást válthat ki.

Lokális szinten a probléma az egyes betonszerkezeti elemeket, például gerendákat, pilléreket, födémeket, falakat vagy alaptesteket érintheti. A megnövekedett terhelések miatt ezek teherbírása már nem feltétlenül elegendő, például húzás, nyomás, hajlítás, nyírás, átszúródás vagy csavarás esetén.

Az egyes szerkezeti elemek megerősítésére többféle módszer alkalmazható, többek között:

• Megerősítés új betonréteggel vagy betonköpennyel, (1. ábra)

• Utólagosan beépített betonacélokkal történő megerősítés,

• Megerősítés acélköpennyel,

• A beton felületébe süllyesztett vagy a felületére ragasztott lemezek alkalmazása,

• Szálerősítésű polimer (FRP) szövetekkel vagy szalagokkal történő megerősítés,

• Külső feszítéssel történő megerősítés.

1. ábra: Példa vasbeton pillérek betonköpennyel történő megerősítésére

A teljes szerkezet szintjén történő megerősítés általában az egész építményt érintő problémák kezelésére irányul, például földrengés, tűz, kifáradás vagy szélterhelés esetén. Erre többféle megerősítési módszer alkalmazható, például:

• Nyírási merevséget növelő kitöltőfalak alkalmazása, a 2. ábrán látható módon,

• Acél merevítések,

• Az alapozás megerősítése mikrocölöpökkel,

• Az alapozás szigetelése,

• Energiaelnyelés és rezgéscsillapító szerkezetek.

2. ábra: Példa pillérek között kialakított, nyírási merevséget növelő kitöltőfalra

Tegyük fel, hogy egy korábban irodaként használt épület funkciója tulajdonosváltás miatt kereskedelmi célúra változik. A nagyobb forgalom miatt megnövekszik például a födém terhelése, amelyet a teljes tartószerkezetnek, vagyis a födémeknek, gerendáknak, pilléreknek és alapoknak is biztonságosan viselniük kell. A szerkezet ellenőrzése során a statikus mérnök megállapíthatja, hogy egyes gerendák teherbírása hajlításra és nyírásra sem megfelelő, más esetekben pedig kizárólag a nyírási teherbírás növelésére van szükség. A legtöbb tervezési szabvány, így az EN 1992-1-1:2004 [2] 6.2. szakasza alapján is, egy betonszerkezeti elem nyírási teherbírását az alábbi hat fő paraméter befolyásolja:

1. A beton szilárdsága,

2. A keresztmetszet szélessége és magassága,

3. A hosszirányú vasalás távolsága a beton nyomott szélétől,

4. A megtámasztás hossza,

5. A hosszirányú vasalás mennyisége,

6. A keresztirányú vasalás mennyisége.

Az egyes szerkezeti elemek nyírási teherbírása többféle helyi megerősítési módszerrel növelhető, attól függően, hogy a fent felsorolt paraméterek közül melyiket szeretnénk javítani. Az egyes módszerek hatékonysága eltérő, és a választás során figyelembe kell venni többek között a beavatkozás mértékét, a költségeket és a kivitelezési lehetőségeket is. Bizonyos paramétereken egy meglévő szerkezet esetében nem, vagy csak nehezen lehet változtatni. Egy meglévő gerenda betonszilárdsága például utólag nem növelhető egyszerűen. Más beavatkozásoknak pedig a szerkezet további részeire is hatásuk lehet. Ha például egy gerenda tehermentesítésére új pilléreket építünk be, a terhek más gerendákra is átadódhatnak, és végül az alapozásnak is fel kell vennie a többletterhelést. Az 1–6. paraméter javítására szóba jöhető megerősítési módszereket a 3.1. táblázat foglalja össze:

3.1. táblázat: Lehetséges módszerek a nem megfelelő nyírási teherbírású betonszerkezetek megerősítésére

A nyírási vasalás mennyiségének növelésével a szerkezeti elem nyírási teherbírása közel arányosan növelhető. Az erre ma alkalmazott megerősítési módszerek általában csak kisebb beavatkozást igényelnek, így a környező szerkezeti elemeket is kevésbé érintik. A beton nyírási teherbírását növelő egyéb módszerek ezzel szemben jellemzően kisebb mértékű javulást eredményeznek. Kivételt jelenthet az új betonréteggel történő megerősítés, amely jelentősen növelheti a teherbírást, ugyanakkor más szempontból kompromisszumokkal járhat.

3. ábra: Hilti HIT-RE 500 V4 injektálható ragasztóhabarcs, HAS(-U) menetes szárak és kitöltőkészlet alkalmazása utólagosan beépített nyírási vasalásként

A megoldás beépítése a ragasztott rögzítésekhez hasonló módon történik: a betonfelületre merőlegesen, az előírt beágyazási mélységig furatot készítenek, majd a furatot alaposan megtisztítják a furatportól és egyéb szennyeződésektől. Ezután beinjektálják a ragasztóhabarcsot, és behelyezik a menetes szárakat. A ragasztóhabarcs kikeményedése után az anyák az előírt maximális meghúzási nyomatékig meghúzhatók.

Megjegyzés: Ha a tervezés során ezt nem vették kifejezetten figyelembe, lehetőség szerint kerülni kell a meglévő vasalás átfúrását vagy átvágását, mivel ez tovább gyengítheti a szerkezetet. Ha ez nem kerülhető el, például sűrű vasalású területeken a furatok kialakítása miatt, akkor a kieső meglévő vasalás pótlására kiegészítő megerősítés szükséges, a tervezésért felelős mérnök kifejezett jóváhagyásával.

Az új Hilti HIT-Shear megerősítési rendszer az alábbi elemekből áll:

4. ábra: Hilti HIT-RE 500 V4, HAS(-U) menetes szárak és a beépítéshez szükséges további eszközök

A megoldás a Hilti HIT-RE 500 V4 injektálható ragasztóhabarcsot a Hilti HAS termékcsalád M12, M16, M20 és M24 méretű menetes száraival kombinálja. A menetes szárak szénacél és rozsdamentes acél kivitelben is elérhetők, így beltéri és kültéri alkalmazásokhoz egyaránt használhatók. Ezt a Hilti kitöltőkészlet egészíti ki, amely tömítő alátétből, gömbalátétből, anyából és opcionálisan ellenanyából áll. A készlet minden menetes szár átmérőhöz szénacél és rozsdamentes acél kivitelben is elérhető.

A rendszer sokoldalúságát a nagy teljesítményű ragasztóhabarcs biztosítja, amelynek köszönhetően a megoldás az alábbi betonalkalmazásokban is használható:

• 200–2200 mm közötti vastagságú betonszerkezetekben,

• C20/25 és C50/60 közötti betonszilárdsági osztály esetén,

• Száraz vagy nedves betonban, valamint vízzel telt furatokban,

• Rövid távon legfeljebb +60 °C, hosszú távon pedig legfeljebb +43 °C hőmérséklet esetén,

• Statikus, kvázi statikus és fáradási terhelésnek kitett szerkezeti elemekben.

A rendszer a betonszerkezeti elem mindkét oldaláról beépíthető, például gerendák vagy födémek esetén felülről lefelé vagy alulról felfelé. A rendszer egyik fontos jellemzője, hogy a menetes szárakat egy meghatározott beépítési hossz, l_sw szerint kell elhelyezni. Ezt a szerkezeti elem vastagsága (h), valamint a megmaradó betonfedés (c_res) határozza meg. A megmaradó betonfedés célja, hogy a fúrással ellentétes oldalon a beépítés során ne következzen be a betonfelület lepattogzása. Ahogy az 5. ábra is mutatja, a szükséges betonfedés értéke a menetes szár átmérőjétől függ.

Tervezési szempontból a meghatározott beépítési hossz biztosítja a menetes szárak megfelelő lehorgonyzását, így azok a betonozáskor elhelyezett kengyelekhez hasonlóan részt vesznek a rácsos tartómodell kialakításában.

5. ábra: A HIT-Shear megerősítési rendszer beépítési mélységét és a megmaradó betonfedést szemléltető keresztmetszet

Mivel jelenleg nem áll rendelkezésre vonatkozó európai értékelési dokumentum (EAD) vagy harmonizált európai szabvány (hEN), a Hilti HIT-Shear megerősítési rendszer alkalmasságát erre az alkalmazásra a Német Építéstechnikai Intézet (DIBt) vizsgálta és igazolta. A rendszer Z-15.5-383 [4] számon általános építéstechnikai engedélyt (aBG) kapott.

Ez az engedély megfelel az MVV TB (Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen) szerinti német nemzeti építésügyi követelményeknek. Az MVV TB mintául szolgál a Németország szövetségi tartományaiban alkalmazott műszaki építési előírásokhoz.

A Hilti felhőalapú tervezőszoftvere, a PROFIS Engineering egy új, kifejezetten a nem megfelelő nyírási teherbírású betonszerkezeti elemek ellenőrzésére és megerősítésének tervezésére szolgáló modullal bővült. A modul támogatja a statikus mérnököket a meglévő szerkezeti elemek teherbírásának ellenőrzésében és a szükséges megerősítés megtervezésében, így biztonságosabbá és hatékonyabbá teszi a tervezési folyamatot.

Az új PROFIS Engineering nyírási megerősítés modul segítségével:

• Különböző szerkezeti elemek (gerendák, pillérek, födémek és falak) közötti választás, valamint az anyagjellemzők és a geometria meghatározása

• A meglévő betonszerkezet teherbírásának ellenőrzése az EN 1992-1-1:2004 és a vonatkozó nemzeti melléklet, illetve az SIA 262:2017 [5] alapján

• Megerősítés négyféle betonacél átmérő közül választva, szénacél vagy rozsdamentes acél kivitelben, a kiosztás és a széltávolságok szabad megadásával

• A szerkezeti elem különálló zónákra osztása, valamint a változó dőlésszögű nyomott rácsrúd módszerének alkalmazása a teherbírás maximalizálására, a lehető legkevesebb kiegészítő vasalással

• Részletes méretezési dokumentáció készítése, amely tartalmazza az összes ellenőrzést, a vasalás részletes kialakítását és a beépítési utasításokat

6. ábra: PROFIS Engineering

A meglévő, régebbi szerkezetek átalakítása számos előnnyel járhat az új építéssel szemben. A megerősítés során ugyanakkor minden szerkezetnél egyedi követelményeket kell figyelembe venni. A választott tervezési koncepciótól függően a statikus különböző megoldásokkal orvosolhatja a betonszerkezetek elégtelen nyírási teherbírását, köztük kevésbé beavatkozásigényes módszerekkel is. Erre kiváló példa az utólagosan elhelyezett nyírási vasalás. A Hilti erre kínált megoldása a HIT-RE 500 V4 injektálóhabarccsal alkalmazott
HAS(-U) menetes száras rendszer, amely jelentősen növelheti a szerkezeti elem nyírási teherbírását.

A DIBt által bevizsgált és általános építéstechnikai engedéllyel (aBG) rendelkező megoldás méretezéséhez a statikusok a jól ismert, Eurocode 2 alapú tervezési módszert alkalmazhatják, amely a Hilti PROFIS Engineering Suite szoftverbe is integrálásra került. A megfelelő megoldás a legfontosabb tervezési paraméterek, így a menetes szár átmérője, kiosztása és a változtatható nyomott betonrács dőlésszöge alapján határozható meg. Az új Nyírószilárdítás modul egyszerűen kezelhető felületével gyorsabbá és hatékonyabbá teszi a tervezést, miközben hozzájárul a biztonságosabb szerkezetek kialakításához.

Kezd el a tervezést még ma a PROFIS Engineeringgel!
Hilti PROFIS Engineering - 3.1.38

1. N. Addy, “Making sustainable refurbishment of existing buildings financially viable”, in Sustainable Retrofitting of Commercial Buildings - Cool Climates, S. Burton, Ed., Abingdon, Routledge, 2015, pp. 57-73.

2. EN 1992-1-1:2004: “Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings”, Brussels: CEN, 2004.

3. K. S and G. Genesio, “Whitepaper on Shear-friction Applications and Concrete Overlays”, Hilti AG, Liechtenstein, Dec. 2023.

4. Deutsches Institut für Bautechnik, “Z-15.5-383 - Hilti Querkraft-Verstärkungssystem mit Hilti HIT-RE 500 V4”, DIBt, Berlin, 2024.

5. SIA, “SIA 262: Concrete Structures,” SIA, Zürich, 2017.