ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 3.12
Templomi harangok élettartamával kapcsolatos vizsgálatok Tárgyszavak: élettartam-elemzés; anyagvizsgálat; rezgésállósági kísérletek; templomi harangok.
A templomi harangok élettartamának módszeres vizsgálatát olyan esetek indokolják, amelyeknek szélsőséges – egyébként az interneten olvasható – példáját az ausztriai Hall temploma szolgáltatja. Ennek tornyában, az 1572ben öntött, 1400 kg súlyú Szent Kereszt harang mellett 1951 óta helyet foglal a „nagy Szent Miklós harang”, amelyet egy repedés miatt 1994-ben újra kellett önteni. Azóta az új harang is többször megrepedezett, és az aktuálissá vált, immár hetedik újraöntés előtt az illetékesek az igénybevételi tényezők alapos elemzése mellett döntöttek. Támogatott kutatási téma A Német Öntőszakemberek Egyesületének megbízásából és a Szövetségi Gazdasági Minisztérium támogatásával elvégzett kutatási program keretében öntödei és tudományos munkatársak kísérleti és elméleti megközelítéssel vizsgálták a harangozás igénybevételét annak különböző szöge, valamint a harangnyelv különböző alakja és súlya mellett, kiegészítve anyagvizsgálatokkal és rezgésállósági kísérletekkel, az élettartam meghosszabbítását szolgáló intézkedések felállítása céljából. A harangbronz vizsgálata A harangbronz rezet és 20%-nyi ónt tartalmaz. Ez az ötvözet nehezen homogenizálható, már 13%-nál nagyobb óntartalom csökkenti a szilárdságot és a nyújthatóságot, viszont növeli a keménységet. Mindezek a tulajdonságok azonban erősen változnak nemcsak az ötvözők arányával, hanem a lehűtés körülményeivel is. A Szent Miklós harang törött darabján meghatározott mechanikai és metallurgiai adatok: – sűrűség 8,4 kg/dm3, – rugalmassági modulus (E-modul) 98600±720 MPa – szilárdság 126±18 MPa – Brinell-keménység 179±18 HB – Vickers-keménység 321±46 HV A kémiai elemzés adatai, %: Cu – 78,4 Ni – 0,11 Sn – 20,6 Pb – 0,22 1
A harang anyagának kémiai összetétele az ütés tartományában nem változik a falvastagságon belül, ami arra utal, hogy lehűlésekor nem játszódtak le számottevő kiválási folyamatok. A gázbuborékok, amelyeknek átmérője kivételesen eléri az 1 mm-t, a 4%-nyi nitrogénnel végzett öntésre vezethetők vissza. A harangozás ütő igénybevétele A nyelv ütéseinek dinamikus igénybevétele nyomán a harang felületén mikroszerkezeti változások mennek végbe, amelyeknek – roncsolódás és repedezés vagy – atomos kötések („mikrohegedés”) létrejötte, majd azok felbomlása lehet a következménye. Mivel rendszerint nem az összehegesedett helyek válnak szét, a harang anyaga sokszor a nyelvre tapad, felülete érdessé válik, sőt bemaródások, lyukak és pikkelyek keletkeznek rajta. A kutatási program keretében a harang darabjainak mintáit az ütő igénybevétel szimulálása céljából kétféleképpen készítették elő: – a ciklikus húzó/nyomó kísérletekhez a mintákon 1,5 mm átmérőjű golyó 0,12 mm mélységű benyomásával maradandó alakváltozást hoztak létre, – a hajlító kísérletsorozathoz ugyanezt egy lejtőszerkezet meghatározott tömegű és magasságú ütéseinek segítségével érték el. A mérésekhez egy gömb és egy ellipszoid alakú kovácsolt harangnyelvet használtak. Az ütközés helyén mindkettőn csekély szilárdulás figyelhető meg. Keménységük – 115, ill. 135 HB – az acélkeménység alsó tartományába esik, tehát lényegesen kisebb a harangbronz Brinell-értékénél. Rezgési szilárdság A rezgési szilárdság vizsgálatai alapján tett megállapítások: – a –20 °C-on végzett próbák eredményei a szobahőmérsékletűek alsó szórási tartományába esnek, – a rezgési szilárdság húzó/nyomó és hajlító igénybevétel alatt nem tér el lényegesen, – a mintavétel helye nem befolyásolja az élettartamot. Az élettartambecslésekhez használt Wöhler-féle görbét – R = –1 feszültségi viszony és – 50%-os túlélési valószínűség mellett – k = 6-os meredekség, σa = 50 MPa igénybevételi ingadozás és – TN(10%, 90%) = 1:25 szórástartomány írja le a fő normálfeszültséget alapul véve. 2
Mérések harangozás közben A harang igénybevételét csak kísérletileg lehet meghatározni, mivel ismeretlenek a számításhoz szükséges adatok (a nyelv pontos alakja, felfüggesztésének csillapítása, a harangozás szöge stb.) A kísérletekhez egy 1,44 t tömegű és 1,3 m átmérőjű harangot használtak és telepítettek egy harangozóberendezést. Az előkísérletek alapján kb. 1 perces harangozás elég volt a paraméterek vizsgálatához szükséges valamennyi igénybevétel szimulálására. A harangnyelveket egy-egy 4 kg-os súllyal is megterhelték. A harangozási szöget, vagyis a nyelv legnagyobb kitérését az állványon elhelyezett mutató mérte. A szög ±40 és ±60 fok között változott. A harangozási kísérletek során az alábbiakat végezték el: – igénybevételként a harang külső és belső felszínének 32 pontján mérték a tágulást, – a terhelés mértékeként a nyelv és a harang külső felületének gyorsulását mérték a nyelv ütéstartományában, – az értékeket egy 7,53 kHz letapogatási gyakoriságú adatgyűjtő rendszer vette fel és 75 s-on át rögzítette. Eredmények A feljegyzett időgörbéken felismerhető a nyelv és a harangtest gyorsulása közötti szoros összefüggés. Feltűnő továbbá, hogy a harangütés impulzusa nem emelkedik ki az azt követő rezgésképből, s hogy az ütés szignálja alacsonyabb frekvenciájú kicsengést jelenít meg, nagyobb kísérő frekvenciákkal, tehát ütés után a harangnyelv önrezgése is érvényesül. Az ütés környezetében a harangtest külsején minimális tágulást mértek, maga az ütés helye a mérés számára nem volt hozzáférhető. Az eredmények azonban arra utalnak, hogy a harangozás folyamata nem reprodukálható pontosan, vagyis azonos paraméterek ellenére véletlenszerűen ingadozik az ütések egymásutánja, intenzitása és gyorsulási amplitúdója. A különböző harangnyelvtömegek, -formák, harangozási szögek és mérőhelyek okozta igénybevételeknek egy harangozási periódus alatti kiegyenlítése céljából az 1-perces harangozás tágulási adataiból levezették az egyes osztályok határátlépéseinek gyakoriságát, amelyből lineáris kárhalmozódás számítása alapján meghatározható a károsodás a megállapított Wöhlergörbéhez képest. A harangon a nyelv ütődésének megfelelő külső ponton minden más mérőhelyhez képest kifejezettebbek voltak a reakciók. Az egyes pontokon különböző feltételek mellett észlelt károsodásokat a harangozási szög függvényében féllogaritmusos rendszerben („kiegyenesítve”) ábrázolva (1. ábra) könynyen leolvasható, hogy a károsodás a harangozási szöggel exponenciálisan 3
nő. Lineáris regresszió elemzéssel pedig levezethető a károsodást leíró modell, amelynek tanúsága szerint – a károsodás korrelációja a harangozási szöggel a legerősebb, fokonként 14%-kal nő, – a tömegtöbbleté is jelentékeny: kg-onként 8%-kal nagyobb a károsodás, – a kétféle harangnyelv hatása még szignifikáns, de elmarad az előbbiek mögött. 10-5
10-6
{ gömb, többlettömeg nélkül z gömb többlettömeggel ▲ elipszoid többlettömeggel ∆ elipszoid többlettömeg nélkül ● gömb többlettömeg nélkül
károsodás
10-7
10-8
10-9
10-10 30
35
40
45
50
55
60
65
70
harangozási szög, fok
1. ábra Károsodás 1 perces harangozás alatt, különböző harangozási szögek és harangnyelvformák esetén mért tágulások alapján
Áthelyezés, elfordítás Élettartam-meghosszabbítás céljából szokás a harangokat elfordítani, vagy másutt felfüggeszteni, hogy a nyelv ütése más ponton érje a testet. A károsodás azonban nemcsak a nyelv ütésének helyén, hanem a rezgéshullámok közvetítésével egész kerületén éri a harangot. A lineáris kárhalmozódás elmélete alapján, Fourier-elemzéssel a károsodást összehasonlítás céljából tetszés szerinti szögállásra meg lehet határozni. A harang forgatásával annak egész kerületére egyenletessé tehető a károsodás. Az elfordítás 60° többszörösével több mint 50%-kal, 30 fok többszörösével forgatva harmadára csökken a károsodás az el nem fordított harang ütési tartományával összehasonlítva. Ez egyben a kedvező hatás elérhető 4
határa. Az összehasonlítás alapján a vizsgált harang optimális áthelyezése és elfordítása a károsodás csökkentése szempontjából 9 fokkal kisebb harangozási szög hatásának felel meg. Számítások A kísérletekkel párhuzamosan elkészítették a harang számítási modelljét is, hogy tanulmányozhassanak olyan igénybevételeket is – pl. kiütött helyek hatását –, amelyek kísérletileg csak igen nagy ráfordítású peremfeltételekkel volnának elemezhetők. A harang-igénybevétel szimulálására a véges elemek (finite elements) módszerét alkalmazták, olyan módon, hogy a harangot térfogatelemek 20 csomópontos hálójával képezték le, szimmetriák kihasználása nélkül. A modell így összesen több mint 22100 szabadságfokot és 1350 elemet tartalmazott. Felállításához a szerkezeti anyagok lineáris–rugalmassági törvényét alkalmazták a fent megadott E-modulussal és v = 0,3 haránt összehúzódással számolva. A modellek hitelesítésére alkalmas sajátfrekvencia és sajátforma közül a jelen esetben a kísérletileg meghatározott előbbi érték rendelkezésre állt a közvetlen ellenőrzéshez. Ezt hat formával elvégezve jó egyezést találtak a mért és számított sajátfrekvenciák között. Amennyiben – mint a jelenlegi esetben – a harangnyelv igénybevétele nem befolyásolja a harangtest harangozás általi igénybevételét, nem szükséges a nyelv modellezése, de ismerni kell a harang és a nyelv közötti erőátvitel menetét. A harangnyelv gyorsulásának mérése alapján a terhelés 55 fokos harangozási szög és 0,5 ms lökési idő mellett 120 kN-ra becsülhető. Ezzel a terhelési függvénnyel elvégezték az időbeli lefolyás számítását összesen 5 ms-re, 100 időszakaszra. A harang külső ütőgyűrűjén mért és számított kerületi feszültségek szintén jól megegyeznek (2. ábra). A harangtestből kiütött helyeknek az igénybevételekre gyakorolt hatását ugyancsak matematikai modell segítségével vizsgálták, a kísérletekben alkalmazottaknál erősebb „előkárosodást” feltételezve. A maximális és minimális fő normálfeszültségek időgörbéjén a 10%-os falvastagság-csökkenésnek megfelelő keresztmetszet-változást ennek ellenére csak jelentéktelen mértékben befolyásolja az igénybevétel (3. ábra). Valószínű, hogy a helyi gyengülést kiegyenlítik a terhelést átrendező folyamatok. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a fal elvékonyodása a fenti határig nem befolyásolja a rezgési szilárdságot, tehát a forgásszög megfelelő kiválasztása esetén nem kell figyelembe venni. Ennek feltétele azonban, hogy a harang anyaga egyébként repedésmentes és homogén legyen. Az itt közölt eredményeket már felhasználták Németország egy híres harangjának, az erfurti, 1497-ben öntött Gloriosa-nak a vizsgálatára. Az igénybevételi vizsgálatok alapján készült el a javaslat a harang felfüggesztésének és a harangozás módjának megváltoztatására. 5
20 15
feszültség, MPa
10 5 0 -5 -10
-0,004
-0,002
0,0
0,002
0,004
0,006
0,008
idő, s
2. ábra A harangban mért és számított feszültségváltozás a nyelv ütésekor 5
fő normálfeszültségek, MPa
4 maximális fő normálfeszültség
3 2 1 0 -1
minimális fő normálfeszültség
-2 -3
8 mm mély kiütés kiütés nélkül
-4 -5 0
0,5
1,0
1,5
2,0
idő, ms
3. ábra Kiütött hely igénybevétele (Dr. Boros Tiborné) Rupp, A.; Flade, D.: Die Lebensdauer von Kirchenglocken. = VDI-Berichte, 2001. 1599. sz. p. 321–332. Audy, K.; Čech, J.; Beňo, J.: Zusammensetzung und Gefüge mittelalterlicher Glocken. = Praktische Metallografie, 29. k. 2. sz. 1992. p. 74–84.
6
HÍR Minőség és gazdaságosság a csatornaszanálásban Csatornák szanálása kapcsán az üzemeltetőknek a következő lépések szerint kell eljárniuk: – A célok egyértelmű meghatározása: a szanálandó körzet kijelölése és prioritások megállapítása. – Az állapot felmérése, üzemi tényezők, hidraulikai adatok, talajviszonyok és költségek áttekintése; járható csatornákban az állapotfelvétel fényképekkel és anyagpróbákkal is alátámasztva. – A tényleges állapot megítélése, a lehetséges szanálási eljárások áttekintése, kivitelezési sorrend meghatározása. – A tervezési munka előkészítése, a kiválasztott szanálási megoldás tervezéséhez szükséges adatok, dokumentumok körének meghatározása (pl. anyag- és talajvizsgálatok, talajvízviszonyok, statikai ellenőrző számítások stb.). – Szaktervezés, a kivitelezési tervek elkészítése, pályázati kiírások összeállítása, esetleg közreműködés a szerződések előkészítésében, a munkálatok művezetésében és dokumentálásában. – Kivitelezés szakvállalat által, minőségi bizonylatok szolgáltatásával, esetleg külső szervek által végzett minőségi felülvizsgálatokkal; a kivitelező vállalat feladata üzembiztonsági, balesetelhárítási intézkedések megtétele és minőségbiztosítási rendszer alkalmazása. – Átadás–átvétel lebonyolítása jegyzőkönyv (esetleg hiánylista) összeállításával, vizsgálati bizonylatokkal, tv-kamerás felvétel csatolásával. Mellékelni kell a statikai számításokat. Amennyiben a szanált csatornákba magántulajdonokhoz tartozó szennyvízcsatornák is be vannak kötve, ezekre is ki kell terjeszteni a szanálási munkákat. A szanálási munkák gazdaságosságára statikus és dinamikus számításokat szoktak végezni. A fő különbség az, hogy a dinamikus számításokban a fizetés időpontjait is figyelembe veszik. A gazdaságossági vizsgálatoknak a következő lépései vannak: – A beruházási, üzemeltetési, felújítási költségek összeállítása a lehetséges műszaki megoldások alkalmazása esetében. – Az egyes megoldási változatok jelenértékének kiszámítása. – A leggazdaságosabb megoldás kiválasztása a változatok jelenértékének összehasonlításával. – Érzékenységi vizsgálatok a számítási paraméterek (pl. kamatláb, infláció) lehetséges módosulásának esetére. – Döntés és ennek indokolása. A gazdaságossági vizsgálatot és a költségek összehasonlítását a tervező szervezet és az üzemeltető szoros együttműködésével lehet elvégezni, hiszen csak az üzemeltető képes a szükséges alapadatok nagy részét a vizsgálatokhoz rendelkezésre bocsátani. A szennyvízrendszer igen tőkeigényes létesítmény. A szennyvízdíjak nagyobb részben az értékcsökkenési leírás és kamatköltségek fedezésére szolgálnak. Így a szanálás költségeinek is jelentős befolyása van a díjakra. Egy példaszámítás szerint sok esetben a műanyag cső behúzása (relining) jelenti a leggazdaságosabb megoldást. Ilyen megoldással a szanálási műveletek időtartama is a legkisebb, amit a gazdaságossági adatok mellett szintén figyelembe kell venni. (Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall, 48. k. 12. sz. 2001. p. 1729–1733.)
7
