Kutatások, fejlesztések a BME Építőmérnöki Karán a digitalizáció jegyében – II.

290

A Magyar Építéstechnika 2021/11–12. számában bemutattuk a BME Építőmérnöki Karának infrastruktúra-építőmérnöki és geoinformatika-építőmérnöki ágazatának – tanszékek által kiválasztott – jelentősebb kutatási eredményeit az építőipari digitalizáció vonatkozásában. Jelen cikkünkben a szerkezet-építőmérnöki ágazatot képviselő tanszékek kutatásait ismertetjük.

Lovas Tamás
oktatási dékánhelyettes,
BME Építőmérnöki Kar

A Kar képzése három ágazatra tagozódik az egységes alapozó képzés után, mely az építőipar nagyobb területeinek megfele­lően épül fel. Az ágazat elnevezése markánsan tükrözi azt a szak­területet, amelynek művelésére felkészíti a leendő építőmérnö­köket, és amely területen az ipari partnerekkel közös kutatások, fejlesztések folynak.

Míg az infrastruktúra-építőmérnöki ágaza­ton az út- és vasútépítéssel, a vízépítéssel és a vízgazdálkodás­sal, valamint a vízi közművekkel és a környezetvédelemmel kap­csolatos ismereteket hallgathatnak az egyetemi hallgatóink, a geoinformatika-építőmérnöki ágazaton geodéziai és térinformati­kai ismereteket szerezhetnek.

Dr. Nagy Balázs
adjunktus
BME Építőmérnöki Kar

A harmadik, és egyben a Kar legna­gyobb ágazata a szerkezet-építőmérnöki, melyen a legtöbb hallgatónk tanul, ennek megfelelően itt érhető el a legtöbb specializáció is. A Karon oktató tanszékek jelentős, építőipari digitalizációt érintő kutatásairól számolunk be a következőkben.

SZERKEZETTERVEZÉS

A Kar talán legikonikusabb átfogó szakterülete a szerkezetter­vezés és méretezés. A tervező- és szimulációs környezeteket, végeselem programokat az oktatásban is használjuk. A BIM mód­szertanra átállással fontos a hatékony együttműködés biztosí­tása az építészek és tartószerkezettervezők közt, a Tartószerkeze­tek Mechanikája Tanszéken kutatott módszertant az oktatásban is alkalmazzuk (1a–c. ábra).

1a–c. ábra. Szakági együttműködés építész és statikus tervező között BIM alapokon

A BME Hidak és Szerkezetek Tanszéken kiterjedt kutatás folyik az acél- és vasbetonszerkezetek vizsgálata, innovatív szerkezeti kialakítások és méretezési módszerek fejlesztése területén.

A kutatások több ponton kapcsolódnak a BIM területéhez, ter­mék- és gyártásfejlesztéshez, numerikus modell alapú szimulá­ciós vizsgálatokhoz, valamint szabványfejlesztéshez is (2. ábra).

2. ábra. Szerkezeti kutatások kapcsolódása az építményinformációs modellezés és menedzsmenthez

Nemzetközi szinten élenjáró kutatómunka folyik a tanszéken a következő BIM-hez is köthető szakterületeken: acélszerkezetek gyártásfejlesztése, hegesztésszimuláció numerikus modell alkal­mazásával, szerkezeti diagnosztika és felügyeleti monitoring rendszerek alkalmazása, hídszerkezetek próbaterhelése és szerke­zeti viselkedésének elemzése, innovatív acél, öszvér és vasbeton hídgerendák fejlesztése, nagyszilárdságú acél- és vasbetonszerke­zetek méretezése, hídszerkezetben való alkalmazása. Világszin­ten jegyzett kutatási eredményeket ért el a tanszéki kutatócsa­pat vékonyfalú acélszerkezetek és hegesztett lemezes szerkezetek méretezése, valamint szerkezetek földrengésvizsgálata témájában is. Az ipar közvetlenül alkalmazza kutatási eredményeinket az extrém terhek és hatások (robbantás, ütközés, rendkívüli hóteher) területén, valamint meglévő szerkezetek felújítása során is. Élen jár a kutatócsapatunk az acélszerkezetek numerikus modell alapú méretezési módszereinek kidolgozásában, melynek eredménye­ként jelenleg a tanszék vezette nemzetközi bizottság dolgozik egy újgenerációs Eurocode (EN 1993-1-14) szabvány megalkotásán, mely acélszerkezetek VEM alapú méretezési módszereinek elmé­leti alapjait és gyakorlati alkalmazását fogja szabványosítani. De aktívan részt vesz a tanszék a hazai szabályozás kidolgozásában is, közúti és vasúti hídszabályzatok fejlesztésével.

GEOMÉRNÖKI KUTATÁSOK

A mérnöki szerkezetek talajra és kőzetre épülnek és ennek a „befogadó közegnek” a tulajdonságai alapvetően meghatározzák az építmények biztonságát, élettartamát. A Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék által koordinált vizsgálatok célja a helyszín alkalmasságának megítélése az adott építmény/létesítmény befo­gadására, ami lehet akár felszíni (pl. lakóépület, út, vasút, híd) vagy felszín alatti (pl. alagút, metró, mélygarázs). A geotechnikai-mérnökgeológiai felmérések másik célja lehet az adott terü­let úgynevezett földtani kockázatainak megítélése, azaz a térség mennyire földrengésveszélyes, vagy a lejtő mennyire állékony, milyen mértékben hajlamos a csúszásra, lejtőmozgásra. A már megépített szerkezet, akár műemléképület állapotát és leromlását (mállását) is elemezhetjük, amelyhez a beépített kőzet feltérképe­zése, helyszíni és laborvizsgálata szükséges. A geológiai feltárá­sok és kutatás biztosítja azokat az építőanyagokat, nyersanyago­kat, amelyek nélkül az emberiség és a modern ipar, építőipar nem létezne, így a téglához az agyagot, a cementhez a mészkövet, a kőolajat, a földgázt és a fémeket, továbbá a nem fémes nyersanya­gokat (pl. gipszet). A digitalizáció, a számítógépek, szoftverek és új technikák alkalmazásának széles körére nyújt lehetőséget a geotechnika-geológia. A digitalizációs feladat itt a helyszíni vizs­gálatokkal a felszínről kapott adatsorok vagy a felszín alatti régió „nem látható” részéről fúrásokkal és az anyagok laborvizsgálatá­val nyert információ térben és időben változó „adathalmazának” számítógépes feldolgozása. Az építésre alkalmas területek kije­lölésekor kiderülhet, hogy a terület alatt pincerendszer, egykori bánya vagy akár barlang húzódik. A pincék felmérésével a geo­metriai adatokat megkapjuk, amely után a befogadó kőzetek labo­ratóriumi vizsgálatával (pl. vízfelvétel, szilárdság) megismerjük a befogadó kőzet fizikai tulajdonságait, amelyek az állékonyság modellezésénél, mint bemenő paraméterek szerepelnek. A felszín süllyedését is lehet modellezni nem csak 2D-ben, hanem 3D-ben is (3. ábra).

3. ábra. Várható tönkremeneteli helyek a budafoki pincerendszer pilléreinél az épületterhek (beépítés) hatására (kék-vörös: egyre növekvő elmozdulás)

A bevágások, lejtők állékonyságának vizsgálatához a geometria felvétele mellett a sziklafalak repedésrendszerének azonosítása is szükséges. Erre alkalmas szoftverekkel is rendelkezik a tanszék, amely segítségével az eltérő szögben és irányban álló úgyneve­zett kőzettagoltsági rendszerek (repedések, törések, vetők) azo­nosíthatók. Ezen adatok feldolgozásával azonosíthatók a kőzet­ben megjelenő főbb törési irányok. A lejtők állékonyságának elemzésére számos szoftver áll rendelkezésre, amelyek segítsé­gével eltérő modellek alkalmazásával igazolható vagy cáfolható a lejtő hosszú távú viselkedése és hajlama a megcsúszásra. Tel­jes hegyoldalak állékonysága is modellezhető a szoftverek segít­ségével. A lejtők állékonyságának elemzésével biztosítható, hogy az utak, vasutak vagy a már meglévő szerkezetek hosszú távon is fennmaradjanak, illetve biztonságosan megépíthetők legyenek. Szükség esetén a bevágás morfológiája tervezhető, vagy a csú­szásra hajlamos lejtő megerősíthető. Balatoni magaspartok ese­tén a különböző szoftverek alkalmazásával azonosítani lehetett a lejtő leggyengébb pontjait, és meghatározható volt a kialakuló csúszólapok geometriája (4. ábra).

4. ábra. Balatoni magaspart állékonyságának modellezése fent: lehetséges csúszólapok kialakulása, lent: a modell geometriája a háló és az eltérő talajrétegek (piros: agyagos, sárga: homokos) ábrázolásával, a színek mérnökgeológiai tulajdonságokat is jelentenek.

FENNTARTHATÓ SZERKEZETI ANYAGOK ÉS ÉPÍTÉSTECHNOLÓGIÁK

Jelenkorunk egyik legjelentősebb mérnöki kihívása, hogy fenn­tarthatóbb építőanyagokból és korszerű technológiákkal építsük meg alacsony környezetterhelésű épületeinket. A hulladék mennyiségének mérséklése és újrahasznosítása, a körkörös gazdaság megteremtése rendkívüli fontosságú. Az építőipari digitalizációs törekvések segítik mérsékelni a hulladéktermelést a korszerű építményinformációs modellezésen és menedzsmenten alapuló kivitelezéstervezés és -támogatás, a korszerű anyag- és beton­technológia, valamint az építőipari hulladékok újrahasznosí­tása által. A fejlett, digitális anyagtudományi kutatások terüle­tén az Építőanyagok és Magasépítés Tanszék élen jár a modern roncsolásmentes vizsgálatok kutatásában és fejlesztésében, vala­mint innovatív eljárások alkalmazásában, illetve kidolgozásában, például komputertomográfiás (CT) vizsgálatok, anyagtechnológiai vonatkozású termográfiás vagy lézerszkennelésen alapuló kísérle­tek elvégzésében, melyekben az egyetemünk más tanszékei, töb­bek között a Fotogrammetria és Térinformatika Tanszék munka­társai is segítik a munkánkat. A laboratóriumi vizsgálatok mellett a végeselemes, illetve diszkrételemes modellezés terén is végez a tan­szék kutatásokat, melyek mind a szerkezeti anyagok mechanikai és tűzállósági, mind pedig épületfizikai és állagvédelmi vonatkozású tervezéséhez hozzájárulnak.

1. kép. TDK munka során alkalmazott 3D betonnyomtató az Építőanyagok és Magasépítés Tanszék Anyagvizsgáló Laboratóriumában

Mindemellett a tanszék az építéskivitelezés digitalizációjának elő­mozdításán is dolgozik, melyhez új, hazánkban elsőként alkalma­zott technológiákat is kutat. A BIM alapú építésmenedzsment és a kiterjesztett valóság építőipari célú alkalmazása mellett ilyen technológia például az előregyártott, fokozott ellenállóképességű (kémiai korróziónak ellenálló, tűzálló és fagyálló) betontermékek, illetve korszerű, polimerszálerősítésű betonelemek kutatás-fej­lesztése, továbbá a 3D betonnyomtatás hazai és nemzetközi építő­ipari alkalmazásának vizsgálata (1. kép).
A Tanszék munkatársai a szabványosításban és a nemzetközi betonszövetségben (fib) is vezető szerepet töltenek be.

ÉPÜLETENERGETIKA ÉS ÉPÜLETSZERKEZETEK

Jól ismert tény, hogy a globális energiafelhasználás és szén-dioxid-kibocsátás 40%-áért az épületeink felelősek, az energia­felhasználás és kibocsátás csökkentése elemi érdekünk a klí­maváltozás hatásának mérséklése miatt. E célból alakult meg az Építőanyagok és Magasépítés Tanszéken a Klímaváltozás és Épü­letenergetika Kutatócsoport, melynek célja, hogy vezető szere­pet töltsön be a hazai és nemzetközi fenntartható építés terüle­tén, valamint egyedülálló kutatásaival elősegítse az építési kultúra és az építőipar fejlődését. Mindehhez a Kutatócsoport a Tan­szék Anyagvizsgáló és Épületfizika Laboratóriumát is segítsé­gül hívja nemcsak laboratóriumi, de helyszíni diagnosztikai és monitoringvizsgálatok elvégzéséhez is. Utóbbi esetben 5G adat­kapcsolat segítségével a vizsgált épületek és épületszerkezetek tel­jesítőképessége valós időben is megfigyelhető és elemezhető. Az épületek megfigyelése mellett építőelemek (pl. szendvicspane­lek, falazóblokkok) és hőszigetelőanyagok (pl. innovatív tűzálló szalma alapú, illetve baromfitoll alapú hőszigetelőanyagok) kuta­tásfejlesztésével is foglalkozunk nemzetközi kutatócsoportokkal együttműködve, melyekkel elősegítjük mind hazai, mind európai szinten is az energiahatékonyabb és környezettudatosabb építés­gazdaságot.

Mindemellett a kutatócsoport jelentős numerikus modellezési és optimalizációs munkát végez saját nagyteljesítményű szimulá­ciós munkaállomásán az épületek, épületszerkezetek, illetve épü­letelemek energetikai, épületfizikai, építéstechnológiai és épület­szerkezeti kutatásához (5. ábra). Mindezen kutatásokat high-tech és low-tech építéstechnológiák esetén is kutatjuk, ezáltal nem csak új, például modularizált épületek tervezésében és kivitelezésében nyújtunk hasznos tudást, hanem épületrekonstrukciós munkák­ban is. Az általunk végzett vizsgálatok egyik legfejlettebb eszközei a kapcsolt, komplex numerikus szimulációk, melyek során együt­tesen modellezzük akár teljes épületek hő- és nedvességtranszport viselkedését, valamint a teljes életciklust tekintő költség- (LCC) és környezeti (LCA) hatásvizsgálatokat is, melyekkel támogatjuk a hazai dekarbonizációs törekvéseket is. Tanszékünk munkatársai továbbá részt vesznek az épületek energiahatékonyságát és állagvé­delmét érintő szabványosítás és jogszabályalkotás folyamatában is.

5. ábra. Épületkialakítás többcélú (MO) és egycélú (SO) genetikus algoritmuson alapuló optimalizációja a kumulatív energiaigény csökkentése céljából

TOVÁBBI TERVEINK

Jelen cikkünkben bemutatott kutatások és fejlesztési eredmények nemcsak tudományos pontokat és elismerést hoznak a Karnak, a tanszékeknek és kollégáknak, hanem közvetlenül fejlesztik egyetemünk, és ezáltal a hazai felsőoktatást is. A kutatási és szakmai eredményeket a hallgatók a Műegyetemen elsőkézből ismerhetik meg, sőt részt is vehetnek az innováció megszületésének folyamatában házi feladatok, tudományos diákköri dolgozat (TDK), szakdolgozat és diplomamunka kapcsán, ezáltal pedig közvet­lenül megtapasztalhatják a K+F+I munkák szépségét és kihívá­sait, valamint sehol máshol meg nem szerezhető tudásra tehetnek szert. Továbbra is kiemelt figyelmet fordítunk arra, hogy hallgató­ink már az egyetemi tanulmányok alatt megtalálják a számukra is izgalmas szakmai kihívásokat, hisszük, hogy ezzel hozzájárulunk ahhoz, hogy a jövő építőmérnökei az építőipari digitalizációs fej­lesztések szakavatott irányítói, vezetői legyenek.

 

Forrás: Magyar Építéstechnika 2022/3-4. lapszám