Az épületszerkezettan tárgya
Az épületszerkezettan tárgya, az épületszerkezetek feladata Az épületszerkezettan az építés alapvetĘ fontosságú feladataival foglalkozik Tárgyalja a szerkezeti, konstrukciós elveket a szerkezetépítéstĘl a befejezĘ munkákig, érinti a kivitelezési, technológiai kérdéseket, és foglalkozik a gyártási eljárásokkal is. Minden épületszerkezet • statikai viszonyok függvénye, • épületfizikai hatások, • építĘanyag-tulajdonságok befolyásolják Ęket, • hatósági elĘírások, szabványok érvénye alatt állnak, • költségvonzatuk van. Az épületszerkezetek feladata: • a tér, a teret használók védelme, • a térben zajló folyamatok kívánatos körülményeinek biztosítása, • a szerkezetek károsodás-mentes funkcióképességének elvárt idĘtartamú megĘrzése.
Az épületek csoportosítása és fĘ szerkezetei A szerkezetek csoportosíthatók a térszinthez viszonyított helyzetük szerint: • alépítményi és • felépítményi szerkezetek, illetve az épületen betöltött feladatuk szerint: • elsĘrendĦ, primer – a teherhordásban résztvevĘ, az épület fennállásáig megĘrzendĘ – szerkezetek, • másodrendĦ szerkezetek – a kiépítés szerkezetei, melyek az épület fennállása során esetleg többször is átalakításra kerülnek. Az épületek csoportosíthatók • jellemzĘ építĘanyaguk alapján (vályog, tégla, vasbeton stb.), • kivitelezési módjuk alapján (kézmĦves jellegĦ, pl. falazott, vagy iparosított, pl. elĘregyártott vasbeton paneles), vagy • teherhordó szerkezetük alapján. Az épület jellemzésére a szakma ez utóbbit találta a legmegfelelĘbbnek, így a klasszikus épületszerkezettan az épületeket teherhordó szerkezetük szerint tárgyalja megkülönböztetve: • a teherhordó falas és • a vázas épületeket.
Épületszerkezetek épületen belül betöltött szerepe
Az épület elsĘrendĦ, teherhordó szerkezetei:
MásodrendĦ szerkezetek és befejezĘ, szakipari munkák lakáselválasztó falak
alapozás
tĦzfalak falazott épületnél teherhordó fal
vázas épületnél oszlop + vázgerenda / keret
válaszfalak talajjal érintkezĘ szerkezetek szigetelése magastetĘ: fedélszék (tartószerkezet) + fedés lapostetĘk szigetelése
födém
kémények, szellĘzĘk merevítĘ fal
merevítĘ fal / rácsozat nyílászárók burkolatok (padló és fal) lépcsĘk használati / üzemi víz elleni szigetelések lépcsĘházi falak
felületképzések
Hatások, követelmények, védelmi funkciók Az épületet érĘ hatások jellegük szerint: • statikai, • meteorológiai és • használati hatások. Az igénybevételek és a szerkezet jellemzĘi közötti összefüggés az alábbi sémával jellemezhetĘ: hatás o követelmény o m szerkezet teljesítménye megfeleltetés Statikai követelmények Az épületre terhek, igénybevételek hatnak • önsúly, • hasznos terhek (használat, berendezés, tárolás stb.) • hóteher (jég) • szélnyomás, szélszívás, • dinamikus terhek, (gépe, közlekedés, földrengés, stb.) • hĘhatások (hĘmérsékletingadozás évszakok, napszakok szerint, egyenlĘtlen hĘmérséklet-eloszlás égtájak szerint), • süllyedések (pl. a talaj teherbíró képességének rossz megítélése, egyenlĘtlen terhelés miatt). Ezek képezik a statikai számítások alapját, melyek célja az épület teherhordásának és állékonyságának biztosítása.
A teherhordó szerkezetek keretként viselkednek, akár rúd- akár felület-jellegĦ elemekbĘl állnak. Az igénybevételek hatására az egyes elemek deformálódnak, s ezek a deformációk a szomszédos elemekre átadódnak. A teherhordó szerkezetek alakváltozása valamennyi alárendelt szerkezetre hatással van. Az egyes szerkezeti elemek össze- és beépítésénél úgy kell eljárni, hogy mindebbĘl károsodások ne keletkezzenek. Az épület statikai kialakítása, elemeinek méretezése valamennyi igénybevételnek, önsúlynak és hasznos tehernek meg kell feleljen, s mindezeket biztonsággal kell átadni az alapokon keresztül az altalajnak. Az épület mozgásai és alakváltozásai szĦk és jól definiált határok között kell maradjanak. Az épület állékonyságát a felületjellegĦ szerkezeti elemek (falak, födémek) és azok kapcsolata határozza meg. A felületelem a síkjában ható erĘkkel szemben tárcsaként, a felületére merĘleges erĘkkel szemben lemezként viselkedik. A nagy függĘleges és a vízszintes erĘk felvétele történhet nehéz falakkal, a falnak az alapba való befogásával, vagy a szomszédos épületrészek általi megtámasztással. Merevítésre a merĘleges falak egymásra-hatása használható ki. Ez azonban megfelelĘ – nyíróerĘk felvételére alkalmas – szerkezeti kapcsolatot tételez fel. E hatás függ a merevítendĘ fal magasságától és vastagságától, ezek egymás közötti távolságától, a merevítendĘ fal hosszától és súlyától. A merevítésbe a födém – mely kedvezĘ esetben saját síkjában merev tárcsaként mĦködik – bevonható. Vázas épületek merevítésére az oszlopokat összekötĘ átlós rudakat is használnak, korlátozott szintszámig pedig az oszlopok és gerendák merev sarok-csomópontjaira bízzák e feladatot.
Feltételezve, hogy a födém a vízszintes síkú merevítés szerepét ellátja, a kétirányú, függĘleges síkú merevítés feladatát kell megoldani. Ennek fĘ szabályai: • a merevítĘk kössék össze a függĘleges teherhordó szerkezeteket, • a teherhordó és merevítĘ szerkezetek nyomvonalának meghosszabbításaiból egynél több metszéspont adódjék, • a merevítĘ szerkezetek súlypontja és az épület súlypontja essen egybe, e két utóbbi követelmény teljesülése akadályozza meg az épület elcsavarodását, • merevítĘ András-keresztek illetve falak helyett a függĘleges közlekedés szerkezeteit – lépcsĘk, liftek - befogadó merevítĘ magok is alkalmazhatók. Az épület hossztengelyével párhuzamos teherhordó falas épületet hosszfalasnak, az épület hosszirányára merĘleges teherhordó falas épületet harántfalasnak nevezik. Hasonló az értelmezése a hosszilletve harántvázas épületnek. A vegyes elrendezésĦ épületeknél melyek hossz- és haránt irányú teherhordó falakkal (keretekkel) egyaránt rendelkeznek – kedvezĘ esetben a merevítés magából az elrendezésbĘl adódhat.
Épületfizikai követelmények A jó állapotú, egészséges öreg épületek vastag falakkal, nehéz födémekkel rendelkeznek. Ha belsĘ tereik megvilágítása és szellĘzése jó, az alábbi értékes tulajdonságokkal rendelkeznek: szárazak, télen melegek, nyáron hĦvösek és csendesek. Az 1920-as évektĘl az építĘanyag-kutatásnak és a fejlĘdĘ statika pontosabb méretezési eljárásainak köszönhetĘen a falak, födémek vastagsági mérete, tömege csökkent. Ez gondosabb tervezést, fokozott szellemi ráfordítást igényelt annak érdekében, hogy az épület használati értéke ne csökkenjen. A modern építészet kialakulása idején azonban az épületfizikai ismeretek hiányosak, a rendelkezésre álló anyagok és technológiai lehetĘségek szĦkösek voltak. Mindez építési hibákhoz vezetett, melyek felismerése és elhárításának szüksége hívta életre az épületfizika tudományát.
Az épületet érĘ hatások meteorológiai
környezeti
használatból adódó
talajból származó
hĘmérséklet
zaj
nedvesség, pára
nedvesség
napsugárzás
por, szennyezĘ anyagok,
szennyezĘ anyagok,
radon-gáz
szél
tĦz
csapadék (esĘ, hó, jég)
A felsoroltak többsége az épületfizika illetékességi körébe tartozik.
A hĘvédelem és célja: • a megfelelĘ komfortfeltételek biztosítása, • a szerkezeteinek megóvása, • az épület energia-fogyasztásának korlátozása. Az épület energiafogyasztását az alábbiak befolyásolják: • a földrajzi hely és a magasság, • a tájolás és a szélirány, • a tömeg, a tagoltság, a külsĘ lehĦlĘ felület és a fĦtött belsĘ tér aránya (m2/m3), • az alaprajz, a fĦtött és fĦtetlenterek helyzete, az átmenĘ kürtĘk, az épület szakaszolása, a szélfogó elĘtér, a terek magassága, • a szerkezetek tömege és hĘszigetelése, • az ablakok nagysága, tájolása, minĘsége, árnyékolása, • a fĦtési és légtechnikai berendezések és üzemelési rendszerük. Téli állapot Az épületfizikai ellenĘrzés korábban a térhatároló szerkezetek hĘátbocsátási tényezĘjének (k >W/m2K@ korlátozásán alapult. Ma komplex elemzést végeznek, s az épület egésze energiafogyasztására nézve tesznek megszorításokat. Figyelembe veszik az üvegezett felületeken a térbe jutó sugárzás energiahozamát. (A külsĘ falak “k” értéke ma az 1970-ben építetteknek kevesebb, mint a fele. Ez a szint a régi falak homlokzatára pótlólag szerelt 6-10 cm vastag hĘszigeteléssel elérhetĘ.) Ma figyelembe veszik az üvegezett felületek energiahozamát Nyári állapot A tervezés célja a nyári túlmelegedés megakadályozása. A korábbi álláspont szerint ebben a vonatkozásban a külsĘ térhatárolók hĘmérsékleti amplitúdó-viszonyai, valamint fáziseltolása volt a meghatározó. Ma az elĘírás a transzparens szerkezeteken át a belsĘ térbe jutó energiahozamot korlátozza. Figyelembe veszi a belsĘ térhatárolók hĘtároló képességét, hĘmérsékletingadozást csillapító, késleltetĘ hatását, valamint a nyílászárók árnyékolásában és a terek természetes szellĘztetésében (éjszaka és hajnalban is) rejlĘ lehetĘségeket. Ennek jelentĘsége annak ismeretében mérhetĘ fel leginkább, hogy a hĦtés energia-ráfordítása a fĦtésénél 5-10-szer drágább. Az épület energetikai szempontból megfelelĘ kialakításához számításokat kell elvégezni.
Napvédelem A Nap pályája a földrajzi helynek és az évszaknak megfelelĘ. A napsugárzás következményeit a belsĘ térben az üvegház-hatás jelensége írja le: az üvegezett felületeken bejutó sugárzás a belsĘ szerkezeteken elnyelĘdik, s azok felmelegedve hosszú-hullámú sugárzást bocsátanak ki. Erre az üveg átlátszatlan, így ez a sugárzás felmelegíti a tér levegĘjét. A felmelegedés mértéke az üvegezett felületek tájolásától és nagyságától függ. Az épületszerkezetek hĘmérsékletének emelkedése néhány órán belül 50 °C is lehet. A hĘmérséklet emelkedése hĘtágulást, hĘmozgást vált ki, ami pl. repedések kialakulásához, burkolatok felválásához vezethet. A károsodások megelĘzhetĘk: • megfelelĘ (világos) szín választásával, • mozgási hézagok kialakításával, • feszültségmentesítĘ, csúsztató rétegek beiktatásával, • hátszellĘzĘ légréses szerkezet-kialakítással. A napsugárzásból a hullámhossz szerint • a 4 %-nyi ultraibolya sugárzás a szerkezetek “öregedéséért” felelĘs, • a 45 %-nyi látható fénynek a terek természetes megvilágítása köszönhetĘ, • az 51 %-nyi infravörös sugárzás pedig az anyagok, szerkezetek felmelegedését okozza. Az elmúlt századfordulón az ablak aránya a homlokzat felületének ~ 15 %-a volt. 1970-re ez ~ 90 %-ra nĘtt. ÉsszerĦ arányát ma a természetes megvilágítás, a sugárzásés hĘvédelem alapján határozzák meg. Napvédelemként pedig mobil árnyékoló szerkezeteket alkalmaznak. Az épület egységes energetikai rendszer. A fĦtés – szellĘzés – napvédelem – természetes megvilágítás csak együttesen tervezhetĘ.
Védelem a szél hatásai ellen A szél hatással van az épület levegĘ-forgalmára. A pórusokon és réseken átáramló levegĘ okozza – iránya szerint – az ex- illetve infiltrációt, melynek mértéke állandóan változik. A filtráció szükséges mértéke a belsĘ terek egészséges légállapotának elĘfeltétele. Az általa okozott energia-veszteséget a fĦtés méretezésénél, mint szellĘzési pótlékot veszik figyelembe. A túlzott filtráció ellen – pl. a csatlakozási hézagok tömítésével, légzáró fóliák beépítésével - védekezni kell. A szél mechanikai hatása ellen a szerkezeteket biztosítani kell. Különösen kritikus a szélszívás, mely ellen rögzítéssel (pl. tetĘcserepeknél vihar-kapoccsal, homlokzati hĘszigetelĘ lapoknál tárcsás rögzítĘ csavarral), vagy leterheléssel (pl. lapostetĘk leplesített szigeteléseinél kavicsterítéssel vagy betonlapok lerakásával) kell védekezni.
Nedvességvédelem Az épületet érĘ nedvességhatások: • a tetĘkön, homlokzatokon, erkélyeken és teraszokon: csapadék, • a talajjal érintkezĘ szerkezeteken: talajpára, talajnedvesség, talaj-, réteg- és torlaszvíz, • belsĘ térben: pára, használati és üzemi víz. A nedvesség elleni védelem a tetĘkĘn, a talajjal érintkezĘ szerkezeteknél és a nedves üzemĦ belsĘ terekben elsĘsorban szigetelést jelent, külsĘ falaknál pedig megfelelĘ homlokzatképzést és a csatlakozási hézagok tömítését. A terek használata során termelĘdĘ pára a külsĘ és belsĘ tér közötti páranyomáskülönbség hatására a nagyobb nyomású helyrĘl a kisebb nyomású irányába (télen a fĦtött terekbĘl a külsĘ tér felé) törekszik. A folyamat hĘmérséklet-függĘ. Ha a belsĘ felületen páralecsapódás, vagy a szerkezeten belül párakicsapódás – kondenzáció – következik be, az szerkezeti károsodást – penészedést, korhadást, korróziót – okozhat. A külsĘ zónában fagykárok keletkezhetnek. Mindezek ellen a szerkezet és csomópontjai megfelelĘ kialakításával kell védekezni. A hĘ- és a páravédelem összefügg. A réteges szerkezetek felépítése akkor helyes, ha az egymásra épülĘ rétegek • hĘszigetelĘ értéke belülrĘl kifelé nĘ, • páraátbocsátási ellenállása belülrĘl kifelé csökken. Az összetett hatás problémája. A fenti meteorológiai, épületfizikai hatások nem izoláltan jelentkeznek, hanem együttesen, s így igénybevételük fokozott: • a széllel érkezĘ esĘ, a csapóesĘ képes fölfele folyni a homlokzaton, • az erĘs szél és hideg együttesen fokozott hĦtĘhatást fejt ki, • a hĘséget követĘ zivatar hirtelen állapotváltozást jelent, s párakicsapódást is okozhat.
Hangvédelem A hang hordozója a levegĘ, amely rezgésbe jön, és a rezgést átadja a környezetnek. A hangvédelemben a hajlító és hosszhullámok bírnak jelentĘséggel. A hangvédelem: • aktív, vagy primer, ha a hang keletkezésének megakadályozására és • passzív, vagy szekunder, ha a hang közvetítésének mérséklésére irányul. Az épületekkel kapcsolatosan védekezés: • léghang ellen pl. elegendĘen nagy felületi tömeget (~400 kg/m2), • lépéshang ellen úsztatott, hajlított vagy lágy padlót jelent, míg • testhang esetében a zajt okozó tevékenység idĘben korlátozása lehet a célravezetĘ. A mai közlekedés zaja 75-78 dB-es terhelést jelent. A külsĘ falakra elĘírt léghang-gátlás esetenként 48 dB, az átlagos ablaknál ez 25-30 dB. A teljes védelem lényegében megvalósíthatatlan, miközben a társadalmi igény fokozódó. A teremakusztika speciális – nem építészeti - terület. Feladata általánosságban kétféle lehet: • elĘadó- és koncerttermekben a hangforrás hallgatóság számára szól, a cél az egyenletes hangeloszlás biztosítása a térben, • nagyteres irodákban, mĦhelycsarnokokban a minden irányból érkezĘ zaj zavaró hatását kell az adott pontban mérsékelni, a cél az egyenletes zajszint elérése.
TĦzvédelem Az égés oxidáció. A tĦz veszélye, ideje és hevessége összefügg az épületben lévĘ • éghetĘ anyagok tömegével, • kémiai energiatartalmával, • az energia-felszabadulás sebességével és • az éghetĘ anyagok gyúlékonyságával. Az épület tĦzterhelésének meghatározásakor az adott tĦzszakasz-felület épületmetszetére – az éghetĘ anyagok súlya, fĦtĘértéke és nedvességtartalma figyelembe vételével - kiszámítják a hĘmennyiség összegét. Az épület tĦzveszélyességi osztályba való besorolása a funkció alapján történik. A funkcióból és a szintszámból következik az épület tĦzállósági fokozata, ez az épület szerkezeteire nézve meghatározó követelmény. A tĦzvédelem célja a szerkezetek ellenállását megĘrizni mindaddig, amíg az emberek és állatok biztonságba kerülnek és a hatékony tĦzoltás megkezdĘdik. A tĦzvédelem formái: • az aktív tĦzvédelem (eszközei a tĦzjelzĘk s a tĦzoltó – sprinkler – berendezések), a passzív tĦzvédelem. A passzív tĦzvédelem magába foglalja: • az épületszerkezetek megfelelĘ tĦzállóságát, • építĘanyagokat, melyek égésekor nem keletkezik füst, mérgezĘ gáz, égve csepegés, • tervezési intézkedéseket, mint tĦzszakaszok,menekülési utak, tĦzoltó útvonalak, füst- és hĘelvezetés, lángátcsapás, tĦzterjedés megakadályozása más emeletekre, szomszédos épületrészekre. Az aktív tĦzvédelem lehetĘségeinek fokozódása a passzív oldalt egyszerĦsíti.
•
• •
• • • • • • • •
Az építĘanyagok és az épületszerkezetek osztályba sorolása a tĦzállósági határérték - Th (óra) – alapján történik. Ez utóbbi függ az anyag tulajdonságaitól, a mérettĘl, a keresztmetszettĘl, a statikai igénybevételtĘl, a tĦz támadási lehetĘségétĘl (4 vagy 3 oldal). A kettĘ összefügg, speciális anyagok – ásványi szálas, cement, gipsz kötĘanyagú lemezek, speciális hĘszigetelĘ anyagok - alkalmazásával a szerkezet Th értéke jelentĘsen növelhetĘ. TĦzszakaszok A tĦz tovaterjedésének megakadályozása függĘleges és vízszintes irányba tĦzfalakkal, masszív födémekkel történik. Ezek a tĦzben nem veszíthetik el szilárdságukat. HĘszigetelést is nyújtanak annak érdekében, hogy a védett oldalon ne gyulladjanak meg anyagok. TĦzfalak ElĘírt távolságokban (maximum 40 m-ként), Th=1,5 óra minĘségben épülnek meg. LépcsĘk A menekülésre szolgáló lépcsĘk távolsága d 35 m, közvetlenül a szabadba nyílnak, füstelvezetéssel rendelkeznek. Különleges követelmények érvényesek: rendeltetés szerint pl. iskolákra, idĘsek otthonára, üzletházakra, építési mód szerint pl. könnyĦszerkezetes épületekre, magas-házakra.
Védelem az egészségkárosító hatásoktól
A környezeti hatásoktól nem csak az épületet és szerkezeteit, hanem annak használóit – embert, állatot – is védeni kell. Az altalajból és az építéshez használt anyagokból eredĘ veszélyekre nem olyan régen kezdtek figyelni. Az építés-biológia fiatal tudomány, sok vele kapcsolatban a spekuláció, különösen a populáris médiában. Az emberre belsĘ térben ható fizikai és kémiai mennyiségek: • a megvilágítás erĘssége, a fény minĘsége, eloszlása, • a hang erĘssége (zajszint), frekvenciája, • a levegĘ minĘsége (CO2-tartalom és más természetes gázformájú alkotórészek jelenléte), • a levegĘ idegen-anyag tartalma (gázok, gĘzök, por, baktériumok, stb.), • a légcsere mértéke (lakásra ajánlott az óránkénti 2-3-szoros légcsere), • a légmozgás sebessége (huzat), • az elektromágneses mezĘ erĘssége, • ion-koncentráció, • radioaktív sugárzás, stb. Egészséges terekben mindezek bizonyos értékhatárokon belül maradnak. Egy részük jól ismert, mások kevésbé.
