https://doi.org/10.36246/UL.2024.2.04

2024; 12. évfolyam, 20. szám

Pdf: Vasbeton közúti hidak környezettudatos tervezése életciklus elemzés alapján

Bevezetés

Az Európai Unió a tagországok számára jogi keretekbe foglalta a klímacélok elérését [2]. A „FIT FOR 55” keretrendszer előírja a tagállamok számára, hogy az üvegház-hatású gáz-kibocsátásukat az 1990-es referenciaértékhez képest 2030-ig 55 százalékkal csökkentsék és 2050-re érjék el a klímasemlegeséget. Ez a jogszabály azt is előírja, hogy 2030-ig a tagállami jogszabályaikat ennek megfelelően módosítsák.

Ez a szabályozás érinti a közlekedési szektort és az építőipart is, amely leginkább az acél és cementipar által érintett a globális CO2 kibocsátásban. A cementipar a globális kibocsátás 8%-ért felel, így jelentős szennyező. A cement a második legkeresettebb anyag a földön a víz után. A cementet (és a betont) a rómaiak óta használja az emberiség és napjainkban a legfontosabb építőanyaggá vált. A cementipar karbonsemleges átállásának komoly nehézsége, hogy az energiafelhasználás csak egyik komponense a kibocsátásnak. A másik a klinkergyártás során a reakcióból felszabaduló szén-dioxid. Betonszerkezetek esetén a klímacélok elérése céljából két irányban szükséges elindulni. Egyrészről a cement előállítási technológiájának átalakításával, (karbonmentes/zöld cementek, kohósalak cementek) másrészről a szerkezeteink optimalizálásával.

Tehát a közlekedés-építésben érintetteknek is át kell alakítaniuk a folyamataikat, hogy a költséghatékonyság mellett a klímahatékonyság is megjelenjen a döntési folyamatokban, üzemeltetési eljárásokban.

Az UNITEF’83 Zrt. számos autópálya, közúti, vasúti és kerékpárúti fejlesztés tervezését végezte az elmúlt évtizedekben. Az infrastruktúra-fejlesztésekhez szükséges hidak tervezése is cégünk szakterületei közé tartozik. Az elmúlt években a hidak esetében előtérbe került a teljes életciklus tekintetében a csökkentett emissziójú szerkezetek tervezése.

Az autópálya és az autóút építések esetében preferált vasbeton szerkezeteket környezettudatos megújításához hozzájárulhatunk megfelelő, helyszínhez illő szerkezeti kialakítással, illetve a szerkezet legtöbb elemének előregyártásával, amivel a helyszíni monolit betonozás mennyiségét a minimálisra szoríthatjuk.

Az M2 autóút Rétság elkerülő szakaszán éppen ezért, terveink alapján egy pálya feletti keresztező híd a hagyományos (kéttámaszú, vasbeton gerendás) kialakítás helyett előregyártott elemekből felépülő – CO2 kibocsátás szempontjából optimalizált – hídként valósulhat meg a jövőben. Azon kívül, hogy a híd a környezettudatosság elveinek jobban megfelel, megjelenése is sokkal kedvezőbb.

A híd konstrukciós fejlesztése során különböző hídszerkezeti változatokat hasonlítottunk össze élet-ciklus elemzés elvégzésével, így keresve az optimális szerkezeti kialakítást.

Fenntartható építés

Egy építkezés környezeti hatását mérhetjük a szerkezet teljes életciklusa (anyag előállítás, építés, fenntartás, bontás, rekultiváció) alatt bekövetkező karbon emisszióval. A legnagyobb károsanyagcsökkentést azáltal érhetjük el, hogy minél kevesebb anyagot használunk. A megvalósításhoz szükséges, csökkentett anyagmennyiséget a környezetre lehető legkisebb hatást kifejtő módon kell előírni, az elkerülhetetlen karbonkibocsátást pedig ellensúlyoznunk kell. A fenntartható tervezés lépéseit és azok hatásának mértékét foglalja össze az 1. ábra [1]. Az egyes lépések hatása a környezetre a háromszögben elfoglalt területükkel arányos. A tervezés során a következőket kell vizsgálni ahhoz, hogy környezeti szempontból is optimális szerkezetet tudjunk kialakítani:

  • Build nothing – Első lépésként meg kell vizsgálnunk, hogy egyáltalán szükséges-e az építkezés, vagy elkerülhető más elemek változtatásával (pl. forgalmi rend változása).
  • Build less – Következő lépésként törekednünk kell arra, hogy minél kisebb mértékű építéssel valósítsuk meg a szerkezetet; ha már van az építkezés helyén régebbi szerkezet, akkor vegyük figyelembe a felújításának lehetőségét, illetve törekedjünk a helyszíni adottságok megfelelő kihasználására.
  • Build clever – Ebben a lépésben a szerkezetünk kialakításának, tervezésének optimalizálására kell törekednünk.
  • Build efficiently – A hatékony építkezés érdekében tartsuk szem előtt, hogy a szerkezet minél jobban kihasznált legyen és alkalmazzunk minél „környezetbarátabb” anyagokat.
  • Minimise waste – A tervezés utolsó lépéseként csökkentsük a keletkező hulladékot, amit például a kivitelezés optimalizálásával és a szerkezeti elemek előregyártásával érhetünk el.
Fenntartható építés hierarchiája [1].

Jelen híd tervezése során is az előbbiekben ismertetett lépéseket alkalmaztuk. Mivel a híd megvalósítása szükséges és nincs meglévő szerkezet a helyszínen, az első két lépésben (build nothing, build less) annyit tudunk tenni, hogy törekszünk a hatékony a helykihasználásra. A tervezés során több hídverziót vizsgáltunk CO2 kibocsátás szempontjából, LCA (élet-ciklus) elemzéssel.

LCA (Life cycle assessment) elemzése

Ebben a fejezetben a különböző hídverziók széndioxid-fókuszú összehasonlító LCA (life-cycle assessment – életciklus elemzés) elemzését mutatjuk be. Mivel a híd kivitelezésével kapcsolatosan még több információ nem ismert (pl. építés ideje, építés folyamatok, alkalmazott gépek), az élet-ciklus elemzés egy egyszerűsített változatát alkalmaztuk, azaz irodalmi adatok [3], [7], [8] alapján becsüljük a kibocsátást [4] [5] [6]. A módszer lényege, hogy az építés, fenntartás és elbontás menetét részfolyamatokra bontjuk, melyekhez ekvivalens CO2 kibocsátás rendelhető. A kibocsátás mértékegysége: tCO2/t azaz egy tonna produktum előállításához tartozó CO2 emisszió. Az összkibocsátás jele: GWP (Global Warming Potential), mértékegysége: kg CO2e.

Jelen összehasonlító elemzések során négy hídváltozatot vizsgáltunk, amelyeknél mindig törekedtünk az előző verziónál hatékonyabb kialakításra a 2. fejezetben bemutatott elvek szerint. Az elemzés során a különböző hídváltozatoknál csak az építéshez tartozó részfolyamatokat hasonlítottuk össze, a fenntartás és az elbontás részfolyamatait nem, mivel a legtöbb CO2 kibocsátással az építés jár, illetve a fenntartás és bontás (és újrahasznosítás) fázisokkal kapcsolatban nagyon kevés információ áll rendelkezésünkre. A végleges, optimalizált hídverziónál azonban elvégeztük a fenntartás és bontás részfolyamatainak közelítő elemzését is.

A számítást a UK Net Zero Bridges Group által kiadott „Carbon Calculation Guide for Bridges” [7] kiadvány alapján végeztük el. A hivatkozott kiadványban megadásra kerültek az általános építőipari folyamatok, valamint építőanyag beépítéséhez tartozóan az ekvivalens kibocsátás értékek is.

A vizsgált életciklus szakaszok (a négy verzió összehasonlításakor csak az „A”, megvalósítási fázist vizsgáljuk, a végleges, optimalizált hídváltozatnál ismertetjük a „B” üzemeltetési és „C” bontási fázis közelítő számítását is):

Megvalósítási fázis (A):

  • A0 – előkészítés, tervezés
  • A1 – anyagnyerés
  • A2 – anyagszállítás
  • A3 – előregyártás folyamatai
  • A4 – termékszállítás az építés helyszínére
  • A5 – építés/összeszerelés/készre szerelés

Üzemeltetési fázis (B):

  • B1 – használat során keletkező emisszió
  • B2 – fenntartás
  • B3 – javítási munkák
  • B4 – elemek cseréje (pl. szigetelés)
  • B5 – felújítások
  • B6 – üzemelés közbeni energiaigény
  • B7 – üzemelés közbeni vízigény
  • B8 – egyéb üzemelési igények emissziója
  • B9 – használat alatti előnyök

Bontási fázis (C):

  • C1 – szerkezet elbontása
  • C2 – törmelékszállítás
  • C3 – hulladékhasznosítás
  • C4 – hulladék ártalmatlanítás

A folyamatok részletezésével és az üzemlokációk ismeretével pontosíthatjuk a számítást. Szükséges továbbá ismerni az ország energiaellátási lehetőségeit és az ezekhez tartozó karbonlábnyomok értékét. Ahol van adatunk, ott országos átlagos értékkel, ahol nincs, ott világátlag értékekkel számoltunk. A különböző hídtípusok megvalósítási („A” fázis) folyamatait részfolyamatokra bontottuk, melyek az 1-4. táblázatokban láthatók. A számítás során ezekhez a folyamatokhoz rendeltünk kibocsátás értékeket, majd ezek összegzett GWP [kgCO2 e] értékeit hasonlítottuk össze, valamint az optimalizált, végleges változat esetében az üzemelés (felújítási feladatok) és bontás kibocsátás értékeit is megbecsültük.

Vizsgált hídváltozatok és LCA számításuk

Első verzió – Kéttámaszú, állandó keresztmetszetű híd

A projektben tervezett híd az M2 autóút Rétság elkerülő szakaszon lévő Rétság-dél csomópont pálya feletti hídja. A híd a 31,10 m széles M2 autópálya felett ível majd át. Az autópálya és az autóút építések esetében elsősorban a vasbeton szerkezetek a preferáltak, elterjedt, előregyártott és feszített gerendák (pl. FCI, FI típusok) alkalmazásával, így kiindulási alapnak a lehető legrövidebb, egynyílású hídszerkezetet vettük. A nyílásban előregyártott, feszített, 36,80 m FI-150 gerendákat alkalmaztunk. A kiindulási verzió vázlatának hosszmetszetét és oldalnézetét mutatja a 2. ábra.

Első verzió hosszmetszet és oldalnézet.

Az első verzióhoz tartozó megvalósítási fázis LCA elemzését és a kibocsátás értékeket mutatja az 1. táblázat. Az egyes részfolyamatokhoz tartozó mennyiségek, tömegek és szállítási távolságok a szerkezeti méretek és a helyszín ismeretében lettek meghatározva. A normált CO2 kibocsátásokat a „Carbon Calculation Guide for Bridges” [7] alapján az „ICE Handbook” [3] értékeinek felhasználásával szerepeltetjük. A szállítási adatokat is tartalmazó tevékenységeknél a transzportfolyamatokkal járó ekvivalens kibocsátási faktort is figyelembe vettük.

Első verzió megvalósítási fázisának LCA elemzése.
Folyamat Kéttámaszú, állandó keresztmetszetű híd
Építés Ekvivalens CO2
mennyiség tömeg szállítás anyag folyamat szállítás
Terület előkészítés
Lehumuszolás 22 m3 41 t 0,08
Földmunka 4860 m3 9234 t 10,69
Alépítmények építése
Szerelőbeton készítés 1204 m3 2890 t 24 km 318,58 11,80 8,25
Alaptest zsaluzás 176 m2 0,39
Alaptest-betonacél 15 t 15 t 126 km 31,97 0,15 0,23
Alaptest-beton 170 m3 408 t 24 km 56,55 3,25 1,17
Hídfő zsaluzása 1162 m2 2,56
Hídfő-betonacél 38 t 38 t 126 km 78,83 0,38 0,57
Hídfő-beton 419 m3 1006 t 24 km 157,40 8,01 2,87
Felszerkezet
Betonacélok és pászmák gyártása és szállítása FI gerendához 51 t 51 t 174 km 106,82 1,06
Előregyártott FI gerendák gyártása és szállítása 361 m3 866 t 24 km 161,01 6,90 2,62
Előregyártott FI gerendák beemelése 918 t 918 t 3,67
Pályalemez-betonacél 16 t 16 t 126 km 33,03 0,16 0,24
Pályalemez-beton 93 m3 223 t 24 km 34,92 1,01 0,64
Pályalemez szigetelése 430 m2 2,15
Befejező műveletek
Szegély zsaluzása 258 m2 0,57
Szegély-betonacél 2 t 2 t 126 km 5,08 0,02 0,04
Szegély-beton 27 m3 65 t 24 km 10,14 0,29 0,19
Szegély és gerendák szigetelése 415 m2 4,98
Aszfalt burkolat 46 m3 110 t 24 km 5,73 1,11 0,31
Korlátok elhelyezése 137 m 6 t 165 km 24,66 0,13
Σ A fázis 1031,8 t 51,0 t 18,3 t
1101,2 t

Második verzió – Ferde támaszú híd

A 2. fejezetben bemutatott fenntartható tervezéshez tartozó lépések közül a build nothing és build less lépések után a build clever lépés következik. Ebben a lépésben egy hatékonyabb szerkezeti kialakítást vizsgáltunk kisebb gerendacsalád alkalmazásával, amit a híd nyílásának csökkentésével értünk el. A híd a 31,10 m széles M2 autóút felett ível majd át, ami nagy szélességével a híd közbenső alátámasztását vonná maga után. Az egyik lehetőség az M2 autóút elválasztósávjánál történő letámasztás lenne. Azonban a szűkített pályakeresztmetszet miatt az elválasztósáv csupán 2,60 m-re adódik. A szűk elválasztósávba közbenső letámasztás létesítése forgalomtechnikai okokból nem lehetséges. (Az elmúlt évek két súlyos pillérütközéses balesete – Verona, M7 Szabadbattyán – ráirányította a figyelmet a nagysebességű pillérütközések veszélyeire.) Másik lehetőség a ferde pillérek alkalmazása, amivel a közbenső nagy támaszköz lecsökkenthető, biztosítva, hogy a pillérek letámasztása az autóút két szélére, az űrszelvényen kívülre essen. Ebben az esetben a ferde pillérekről az alapozásra átadódó nagy vízszintes erők ellensúlyozására előnyös másik oldali ellentámasztást alkalmazni, ami háromnyílású hidat eredményez. Ezen kialakítás további előnye, hogy csökken a háttöltés mérete és kisebb hídfők alkalmazása is elegendő. Ezt a megoldást alkalmazva született meg a második verzió, ami egy háromnyílású híd, amelynek középső nyílásában 12 db, 30,80 m FCI-120 típusú feszített gerendát terveztünk, szélső nyílásaiban pedig a kis nyílásméret (13,00 m) miatt egyedi tervezésű, állandó keresztmetszetű, monolit hídgerendákat javaslunk. (a kialakítás szerkezeti rendszerét tekintve hasonlít a 8. sz. főút litéri csomópontjában épített pálya feletti hídhoz) Ezen verzió méretei nagyon hasonlítanak a végleges verzióhoz, aminek hosszmetszete a 7. ábrán látható. A különbség a két verzió között az építési módszer mellett az, hogy ebben az esetben a pilléreknél és a szélső nyílásokban alkalmazott gerendáknál állandó (1,22 m pillérnél és 1,20 m gerendáknál) keresztmetszeti magasságot alkalmaztunk. A második verzió megvalósításának LCA számítása és kibocsátás értékei a 2. táblázatban láthatók.

A két szerkezeti változat összegzett kibocsátásértékein megfigyelhető, hogy három nyílást alkalmazva, a nyílásméret csökkentésével a CO2 kibocsátás is csökkent.

Második verzió megvalósítási fázisának LCA számítása.
Folyamat Ferde támaszú híd
Építés Ekvivalens CO2
mennyiség tömeg szállítás anyag folyamat szállítás
Terület előkészítés
Lehumuszolás 90 m3 171 t 0,33
Földmunka 4970 m3 9443 t 10,93
Alépítmények építése
Szerelőbeton készítés 17 m3 40 t 24 km 4,37 0,16 0,11
Alaptest zsaluzás 209 m2 0,46
Alaptest-betonacél 14 t 14 t 126 km 29,25 0,14 0,21
Alaptest-beton 380 m3 912 t 24 km 126,40 7,26 2,60
Hídfő és fejgerenda zsaluzása 270 m2 0,59
Hídfő és fejgerenda-betonacél 18 t 18 t 126 km 38,45 0,18 0,28
Hídfő és fejgerenda-beton 106 m3 253 t 24 km 39,65 2,02 0,72
Monolit pillérek zsaluzása 566 m2 1,25
Monolit pillérek-betonacél 25 t 25 t 126 km 51,32 0,25 0,37
Monolit pillérek-beton 131 m3 314 t 24 km 49,19 2,50 0,90
Felszerkezet
Betonacélok és pászmák gyártása és szállítása FCI gerendához 39 t 39 t 174 km 81,49 0,81
Előregyártott FCI gerendák gyártása és szállítása 131 m3 314 t 24 km 58,43 2,50 1,01
Előregyártott FCI gerendák beemelése 353 t 353 t 1,41
Monolit szélső gerendák és pályalemez zsaluzása 524 m2 1,15
Monolit szélső gerendák-betonacél 19 t 19 t 126 km 40,12 0,19 0,29
Monolit szélső gerendák-beton 96 m3 230 t 24 km 36,05 1,83 0,66
Pályalemez-betonacél 40 t 40 t 126 km 83,58 0,40 0,60
Pályalemez-beton 522 m3 1253 t 24 km 196,00 5,69 3,58
Pályalemez szigetelése 661 m2 3,31
Befejező műveletek
Szegély zsaluzása 397 m2 0,87
Szegély-betonacél 8 t 8 t 126 km 16,72 0,08 0,12
Szegély-beton 63 m3 151 t 24 km 23,66 0,69 0,43
Szegély és gerendák szigetelése 592 m2 7,10
Aszfalt burkolat 79 m3 190 t 24 km 9,92 1,92 0,54
Korlátok elhelyezése 198 m 9 t 165 km 35,64 0,18
Σ A fázis 930,6 t 42,8 t 13,4 t
986,9 t

Harmadik verzió – Ferde támaszú, változó keresztmetszetű híd

Továbbhaladva a 2. fejezetben bemutatott fenntartható tervezéshez tartozó lépéseken, a build efficiently lépés következik. Ebben a lépésben a szerkezetet úgy optimalizáljuk tovább, hogy az állandó keresztmetszeti méretek helyett, ahol lehetséges, ott változó keresztmetszeti méret segítségével csökkentjük az anyagfelhasználást. Ezt alkalmazva a közbenső pilléreknél a nagy nyomatékoktól (fejgerendától) távolodva kisebb keresztmetszeti méretet alkalmazunk. Ehhez hasonlóan a szélső nyílásokban elhelyezett gerendáknál is csökkentjük a keresztmetszeti méretet a közbenső támaszoktól távolodva. Ezen verzió méretei megegyeznek a végleges, negyedik verzió méreteivel, aminek hosszmetszete a 7. ábrán látható, a két verzió csak az építési módban tér el. A harmadik verzió megvalósításának LCA számítását és kibocsátás értékeit mutatja a 3. táblázat.

Az eredményeken látható, hogy változó keresztmetszeti méretek alkalmazásával tovább csökkent a CO2 kibocsátás.

Harmadik verzió megvalósítási fázisának LCA számítása.
Folyamat Ferde támaszú, változó keresztmetszetű híd
Építés Ekvivalens CO2
mennyiség tömeg szállítás anyag folyamat szállítás
Terület előkészítés
Lehumuszolás 90 m3 171 t 0,33
Földmunka 4970 m3 9443 t 10,93
Alépítmények építése
Szerelőbeton készítés 17 m3 40 t 24 km 4,37 0,16 0,11
Alaptest zsaluzás 209 m2 0,46
Alaptest-betonacél 14 t 14 t 126 km 29,25 0,14 0,21
Alaptest-beton 380 m3 912 t 24 km 126,40 7,26 2,60
Hídfő és fejgerenda zsaluzása 289 m2 0,64
Hídfő és fejgerenda-betonacél 18 t 18 t 126 km 38,45 0,18 0,28
Hídfő és fejgerenda-beton 110 m3 265 t 24 km 41,46 2,11 0,76
Monolit pillérek zsaluzása 526 m2 1,16
Monolit pillérek-betonacél 21 t 21 t 126 km 43,88 0,21 0,31
Monolit pillérek-beton 112 m3 269 t 24 km 42,05 2,14 0,77
Felszerkezet
Betonacélok és pászmák gyártása és szállítása FCI gerendához 39 t 39 t 174 km 81,49 0,81
Előregyártott FCI gerendák gyártása és szállítása 131 m3 314 t 24 km 58,43 2,50 1,01
Előregyártott FCI gerendák beemelése 353 t 353 t 1,41
Monolit szélső gerendák és pályalemez zsaluzása 480 m2 1,06
Monolit szélső gerendák-betonacél 16 t 16 t 126 km 33,43 0,16 0,24
Monolit szélső gerendák-beton 80 m3 192 t 24 km 30,04 1,53 0,55
Pályalemez-betonacél 40 t 40 t 126 km 83,58 0,40 0,60
Pályalemez-beton 522 m3 1253 t 24 km 196,00 5,69 3,58
Pályalemez szigetelése 661 m2 3,31
Befejező műveletek
Szegély zsaluzása 397 m2 0,87
Szegély-betonacél 8 t 8 t 126 km 16,72 0,08 0,12
Szegély-beton 63 m3 151 t 24 km 23,66 0,69 0,43
Szegély és gerendák szigetelése 592 m2 7,10
Aszfalt burkolat 79 m3 190 t 24 km 9,92 1,92 0,54
Korlátok elhelyezése 198 m 9 t 165 km 35,64 0,18
Σ A fázis 905,2 t 42,0 t 13,1 t
960,3 t

Negyedik verzió – Ferde támaszú, változó keresztmetszetű, előgyártott elemes híd

A 2. bekezdésben bemutatott fenntartható tervezéshez tartozó lépések közül az utolsó, minimise waste lépés következik. Jelen szerkezet esetén a hulladékot úgy csökkenthetjük, hogy minél több elemet előregyártunk. Ebben a verzióban törekedtünk minél több szerkezeti elem előregyártására, így az egyedi méretű szélső nyílásban alkalmazott gerendák és a ferde pillérek ilyen módon lettek kialakítva. A negyedik verzió megvalósításának LCA számítása és kibocsátás értékei a 4. táblázatban láthatók.

Kisebb mértékben, de az előregyártásnak köszönhetően itt is megfigyelhető a CO2 kibocsátás további csökkenése. A tervezés során végigvettük a 2. fejezetben bemutatott minden lépést, a bemutatott hídváltozatok közül ez az utolsó verzió a fenntarthatóság szempontjából optimális, így ez lesz a végső, tervezett kialakítás, amelynek látványképe a 3. és 4. ábrán látható.

Negyedik, végleges verzió megvalósítási fázisának LCA számítása.
Folyamat Ferde támaszú, változó keresztmetszetű, előregyártott elemes híd
Építés Ekvivalens CO2
mennyiség tömeg szállítás anyag folyamat szállítás
Terület előkészítés
Lehumuszolás 90 m3 171 t 0,33
Földmunka 4970 m3 9443 t 10,93
Alépítmények építése
Szerelőbeton készítés 17 m3 40 t 24 km 4,37 0,16 0,11
Alaptest zsaluzás 261 m2 0,57
Alaptest-betonacél 14 t 14 t 126 km 29,25 0,14 0,21
Alaptest-beton 380 m3 912 t 24 km 126,40 7,26 2,60
Hídfő és fejgerenda zsaluzása 289 m2 0,64
Hídfő és fejgerenda-betonacél 18 t 18 t 126 km 38,45 0,18 0,28
Hídfő és fejgerenda-beton 110 m3 265 t 24 km 41,46 2,11 0,76
Betonacélok és pászmák gyártása és szállítása pillérekhez 21 t 21 t 174 km 43,88 0,43
Előregyártott pillérek gyártása és szállítása 112 m3 269 t 24 km 40,45 2,14 0,83
Előregyártott pillérek beemelése 290 t 290 t 1,16
Felszerkezet
Betonacélok és pászmák gyártása és szállítása FCI gerendához 39 t 39 t 174 km 81,49 0,81
Előregyártott FCI gerendák gyártása és szállítása 131 m3 314 t 24 km 58,43 2,50 1,01
Előregyártott FCI gerendák beemelése 353 t 353 t 1,41
Betonacélok és pászmák gyártása és szállítása szélső gerendákhoz 16 t 16 t 174 km 33,43 0,33
Előregyártott szélső gerendák gyártása és szállítása 80 m3 192 t 24 km 28,89 1,53 0,59
Előregyártott szélső gerendák beemelése 208 t 208 t 0,83
Pályalemez-betonacél 40 t 40 t 126 km 83,58 0,40 0,60
Pályalemez-beton 522 m3 1253 t 24 km 196,00 5,69 3,58
Pályalemez szigetelése 661 m2 3,31
Befejező műveletek
Szegély zsaluzása 397 m2 0,87
Szegély-betonacél 8 t 8 t 126 km 16,72 0,08 0,12
Szegély-beton 63 m3 151 t 24 km 23,66 0,69 0,43
Szegély és gerendák szigetelése 592 m2 7,10
Aszfalt burkolat 79 m3 190 t 24 km 9,92 1,92 0,54
Korlátok elhelyezése 198 m 9 t 165 km 35,64 0,18
Σ A fázis 902,4 t 41,6 t 13,4 t
957,4 t

 

Végleges verzió látványképe a bevágásba illesztve.

A végleges változatnál a megvalósítási fázis CO2 kibocsátásértékei mellett megbecsültük a teljes életciklusra vonatkozó üzemeltetési és bontási fázissal járó kibocsátás értékeket is, amik az 5. táblázatban láthatók.

Üzemeltetési és bontási fázis LCA számítása a negyedik verzió esetén.
Folyamat Ferde támaszú, változó keresztmetszetű, előregyártott elemes híd
Építés Ekvivalens CO2
mennyiség tömeg szállítás anyag folyamat szállítás
Fenntartás-üzemeltetés
Bevonatcsere – szigetelés 6 /100yr 1253 m2 90,19
Aszfaltcsere – aszfaltburkolat készítése 6 /100yr 661 m2 190 t 24 km 59,49 22,61 3,26
Korlátcsere – korlátok, hálók elhelyezése 5 /100yr 198 m 9 t 165 km 178,20 0,88
Σ B fázis     327,9 t 22,6 t 4,1 t
    355 t
Bontás
Szerkezet bontása és hulladékelszállítás 661 m2 3712 t 50 km 2,25 22,09
Hulladék feldolgozás 538 t 538 t 7,00
Σ C fázis     0,0 t 9,2 t 22,1 t
    31 t
Σ Élet-ciklus (A+B+C fázis) 1230 t 73 t 40 t
1343 t

Összehasonlítás, következtetések

Az egyes hídváltozatok megvalósítási fázisainak összesített CO2 kibocsátás értékeit és egymáshoz képesti viszonyukat mutatja a 6. táblázat.

Különböző hídváltozatok CO2 kibocsátásának összehasonlítása.
Verzió Változat eCO2 [t] CO2 csökkenés verziók között [%] CO2 csökkenés 1. verzióhoz képest [%]
1 Kéttámaszú, állandó keresztmetszetű híd 1101,2 100,0% 100,0%
2 Ferde támaszú híd 986,9 89,6% 89,6%
3 Ferde támaszú, változó keresztmetszetű híd 960,3 97,3% 87,2%
4 Ferde támaszú, változó keresztmetszetű, előregyártott elemes híd 957,4 99,7% 86,9%

Az 1. és 2. verzió között 10,4% CO2 csökkenés figyelhető meg a helyszínhez jobban illeszkedő szerkezeti kialakításnak (több nyílás, de kisebb gerendák alkalmazásának) köszönhetően. A 3. verzióban a hatékonyabb, kihasználtabb kialakítás (változó keresztmetszetek alkalmazása) további 2,7%-al csökkentette a kibocsátást. A legkisebb csökkenés a 3. és 4. változatok között figyelhető meg, amelynél az előregyártás által (kevesebb hulladékkeletkezés) újabb 0,3%-al csökkent a kibocsátás. Külön kiemelnénk, hogy csak a monolit és előregyártott elemek alkalmazását tekintve ez a csökkenés jelentősebb, 2% mértékű. Megfigyelhető, hogy az egyes változtatások hatása egyre kisebb, ami jól követi a 2. fejezetben bemutatott fenntartható tervezéshez tartozó lépések hatásának mértékét (lásd: 1. ábra). Összességében a szerkezet optimalizálásával 13,1% csökkenést tudtunk kimutatni.

Híd részletes bemutatása

Híd technológiai bemutatása

A tervezett híd esetén több technológia együttes alkalmazása jelenik meg. Egyik ilyen az elem előregyártás, amivel lehetőség van feszített és lágyvasalt szerkezeti elemek kialakítására. A híd közbenső nyílásánál alkalmazott FCI gerendák Hoyer rendszerű feszítéssel készülnek, míg a pillérek, hídfőoszlopok és a kisnyílások gerendái egyedileg tervezett lágyvasalású előregyártott elemekként készülnek.

Az előregyártás mellett megjelenik a helyszíni betonozásnál alkalmazott kéregpaneles (bennmaradó) zsaluzat, melyek a szélső nyílásokban elhelyezett előregyártott gerendákra támaszkodnak fel. A kéregpanelek biztosítják a pályalemez betonozásához szükséges zsaluzatot. A kéregpanelek előnye, hogy a gerendákra támaszkodva az építés során nincs szükség állványzatra a zsaluzat tartásához, ami költség- és klímahatékony (hulladékcsökkentés, szállítás-kiváltás) megoldás. A zsaluzat bennmaradása a keletkező hulladék csökkenését is jelenti.

Ferde támaszú vasbeton híd szerkezeti látványképe (végleges verzió).

Felszerkezet

A tervezett híd az M2 gyorsforgalmi út felett ível át, a hídtengely és az úttengely merőlegesek egymásra. A híd háromnyílású, támaszközei rendre 13,00-31,00-13,00 m. A 11,98 m széles felszerkezet gerendái előregyártottak: a középső nyílás a Ferrobeton Zrt. által gyártott 12 db, FCI-120 típusú feszített gerendából épül fel, a szélső támaszokban 4-4 egyedileg tervezett, lágyvasalt, előregyártott vasbeton gerendát helyeztünk el. A lágyvasalású gerendák a hídfőktől a közbenső támaszok felé változó magasságúak. Ez a kialakítás amellett, hogy környezeti fenntarthatóság és költséghatékonyság szempontjából kedvezőbb, mint az állandó keresztmetszet alkalmazása, az esztétikai szempontból is kedvezőbb azáltal, hogy a szélső gerendák alsó éle folytonosan csatlakozik a közbenső FCI gerendák alsó éléhez és nem törik meg a híd alsó élének vonalvezetését.

A középső nyílásban a pályalemez vastagsága 20-23 cm között változó, a szélső nyílásokban 30-41 cm között változó. A kiemelt hídszegélyek monolitikusan, helyszíni betonozással készülnek. A középső nyílásban a gerendák a pályalemez keresztesésének megfelelően vannak elhelyezve, míg a szélső nyílásokban ez vízszintes síkon történik meg. A felszerkezet egy szélső és egy közbenső nyílásban lévő keresztmetszetét mutatja az 5. és 6. ábra.

Keresztmetszet az szélső támaszközben.

 

Keresztmetszet a középső támaszközben.

Alépítmény

A híd tervezése során az UNITEF’83 Zrt. által már sokszor alkalmazott előregyártott felszerkezeti gerendák mellett az alépítmény egyes elemeinek előregyártása is megjelenik: A fejlesztés fókusza a lágyvasalású gerendák mellett a hídpillérek előregyártására irányultak. A belső és külső oszlopok is előregyártással készültek.

A 3. fejezetben bemutatott szerkezeti optimalizálás végeredményeként a pillérek ferdén lettek elhelyezve, amelyek helyszíni betonozása a környezetterhelésen túl építéstechnológiai szempontból egyébként is körülményes (például a ferde zsaluzás miatt), célszerű az alépítményi előregyártás alkalmazása, ami a körülményekhez illő és klímahatékony megoldásnak bizonyult. A ferde pillérek alkalmazása nem csak a fent említett biztonsági és környezethatékonysági feltételeket teljesíti, hanem az alatta áthaladó utasoknak is érdekes, harmonikus megjelenést nyújt. A közbenső támaszköz csökkenésével, kisebb méretű előregyártott gerendaelemeket kell alkalmazni, ami jelentősen megkönnyíti az elemek szállításával, emelésével és pozícionálásával járó nehézségeket.

Négy támasz esetén általában négy külön alapozást szokás alkalmazni, azonban a ferde pilléreknek és a kisebb szélső nyílásoknak köszönhetően elegendő volt két alaptest alkalmazása, így a híd bal és jobb oldalán a hídfő alatti támasz és a közbenső pillér egy-egy közös alaptestbe köt be „V” lábú keretkialakítással (lásd: 7. ábra). A (konszolidált) homokos agyag talaj jó teherbírásának köszönhetően mélyalapozás helyett síkalapok alkalmazása is megfelelő volt. Az alaptestek számának csökkentése és a síkalapozás alkalmazása a felhasznált anyagmennyiség csökkenésével jár, ami gazdaságosabb és környezeti szempontból fenntarthatóbb szerkezetet eredményez.

A síkalapok 6 m szélesek, 13,6 m hosszúak és legnagyobb magasságuk 2,88 m. A síkalapok két oldalán 4-4 kelyhet alakítottunk ki, amik az előregyártott pillérek befogadására alkalmasak.

A hídfőket alátámasztó pillérek 80×80 cm keresztmetszeti méretűek és a háttöltés alá rejtettek, a közbenső pillérek hídtengelyre merőleges mérete 80 cm, tengellyel párhuzamosan 80 cm-től 1,23 m-ig változó szélességűek, ami kiemeli a híd erőtani viselkedését.

A síkalapok, kis magasságú hídfőfalak, szárnyfalak és a közbenső pillérek fejgerendái monolit vasbeton elemek. Az alépítmény hosszmetszetét és oldalnézetét mutatja a 7. ábra.

Hosszmetszet és oldalnézet.

Megállapítások

A XXI. század legnagyobb kihívása, hogy az országok miképpen tudják kezelni a klímaváltozás hatásait. Mindemellett a változó mobilitási igények is soha nem látott feladatok elé állítják a közlekedési szakmát. A közlekedési infrastruktúra fejlesztése továbbra is szükséges, azonban a folyamataink felülvizsgálatával olyan módszereket kell bevezetnünk, amely ugyanazt a mobilitási igényt kisebb karbonlábnyom mellett teszik lehetővé.

A bemutatott híd tervezése során is olyan fejlesztési irányok alkalmazására törekedtünk, amik lehetővé teszik a karbonlábnyom csökkentését, így a tervezés során a költséghatékonyság mellett végig szem előtt tartva a klímahatékonyságot, megfelelő technológiák alkalmazásával az eredmény egy fenntarthatóbb szerkezet lett. A szerkezet kialakításának optimalizálásával, a tudatos, fenntartható tervezési lépések figyelembevételével, az előregyártás választásával és a kéregpaneles zsaluzat alkalmazásával csökkenthető a CO2 kibocsátás, az anyagfelhasználás és a keletkező hulladék, valamint egy gyorsabban kivitelezhető hídszerkezet jött létre.

Olyan klímahatékony hídszerkezetet terveztünk, amelynél a felszerkezeti elemek előregyártása mellett előtérbe került az alépítmény előregyártása, ki tudtunk lépni a megszokott, sablonos mintákból és egyedi tervezésű, új elemeket alkalmazhattunk, amelyekkel az adott helyszínhez illő, optimális kialakítású, esztétikus és érdekes híd jöhetett létre.

Hivatkozások

[1]: Arnold, W. 2024. Engineering in an Emergency, (IABSE Symposium Manchester 2024 28-36) ISBN 978-3-85748-204-5

[2]: Európai Tanács, „Irány az 55%!”,  Európai klímarendelet részletei https://www.consilium.europa.eu/hu/policies/green-deal/fit-for-55-the-eu-plan-for-a-green-transition/ (hozzáférés: 2024.07.10)

[3]: Institution of Civil Engineers, 2023. Guidance Document for PAS 2080” Construction Leadership Council The Green Construction Board

[4]: Kővári, Á. 2024. Környezettudatos szerkezettervezés és anyagválasztás kerékpáros- és közúti hidak esetén, Hidász Napok 2024

[5]: Kővári, Á., Németh, G. & Bartus, R. 2024. Environmentally conscious structural design and material selection of short-span bridges, (IABSE Symposium Manchester 2024 1407-1414) ISBN 978-3-85748-204-5

[6]: Kővári, Á., Németh, G., & László, V. 2023. Csökkentett CO2 emissziójú kerékpáros hidak fejlesztése, Közlekedési Innovációs Díj pályamunka

[7]: Net Zero Bridge Group 2022. Carbon Calculation Guide for Bridges Draft 2022, www.netzerobridges.org (hozzáférés: 2024.07.10)

[8]: The Institution of Structural Engineers. 2022. How to calculate embodied carbon 2022 iStruct Guide.

 

Erre a szövegre így hivatkozhat:

Kővári Ákos, Megyeri Anna Boglárka: Vasbeton közúti hidak környezettudatos tervezése életciklus elemzés alapján, 2024, DOI: 10.36246/UL.2024.2.04