Péter Gábor Zoltán VASBETON ISZAPROTHASZTÓKRÓL A ...

2006/1 • VASBETONÉPÍTÉS

Vasbeton iszaprothasztókróla megvalósult mÛtárgyaktapasztalatainak tükrébenPéter Gábor ZoltánEz a cikk az utóbbi években épült rothasztókat és az azok kivitelezése során szerzett tapasztalatokat ismerteti. A megtervezett éskivitelezésre került vasbeton iszaprothasztó műtárgyakkal kapcsolatos tapasztalatok levonása és azok további tervezési feladatoknáltörténő alkalmazása a szerkezettervező munkája szempontjából elengedhetetlenül fontos. A kedvező, jól bevált megoldásoktovábbvitele, megtartása – természetesen a mindig más és más adottsághoz igazítva – és a kivitelezés során tapasztalt nehézkes,esetenként bonyolult csomóponti kialakítások felülvizsgálata, finomítása elősegíti, hogy gazdaságos, jó szerkezet készüljön, melyegyúttal kivitelező barát is.Kulcsszavak: rothasztás, szerkezet, szerkezeti csomópont, építéstechnológia, összhang1. BevezetésAz utóbbi években Magyarországon az Európai Uniós kötelezettségvállalásokkalösszhangban jelentős fejlesztés zajlika környezetvédelem, s szorosabb értelemben a csatornázásés szennyvíztisztítás területén. A kommunális jellegű beruházásoknyilvánvalóan hozzájárulnak az életkörülményekjavulásához, az ivóvízbázisok védelméhez és környezetünkrehabilitációjához.A szennyvíztisztítás melléktermékeként keletkező szennyvíziszapokkezelése és végső elhelyezése ugyancsak fontosrésze a fent említett fejlesztéseknek. Különösen a nagyvárosok,vagy nagyobb régiók közös szennyvíztisztító telepein keletkezikszennyvíziszap olyan mennyiségben, melynek egyik célszerűkezelési módja a rothasztás. Az iszapkezelés ezen technológiájamellett keletkezett biogáz másodlagos energiaforrás,s annak hasznosítása szintén előtérbe került. Egyéb lehetségesalternatív energiatermelési megoldások között előkelő helyenszerepel, hiszen a szennyvíztisztításból adódóan folyamatosanrendelkezésre áll és az energiatermelés is folyamatossá tehető.Egyik jól bevált módja ennek a biogáz gázmotorban történőelégetése, és így villamos energia előállítása.A fenti fejlesztések egyik szereplője a Mélyépterv KomplexMérnöki Rt., ahol valamennyi érintett szakágban gyakorlottszakemberek tevékenykednek. A technológiai értelembenmeglehetősen összetett és bonyolult folyamatok kiinduló pontjamaga a rothasztó műtárgy, mely szerkezettervezői szempontbólnagy körültekintést igényel. A társaságunk szakemberei általkészített kiviteli tervek alapján jelen szakcikk írása idején mára tizedik vasbeton iszaprothasztó műtárgyat építik. Az eddigitervezési és kivitelezési tapasztalatok folyamatos – társaságonbelüli – értékelése lehetővé tette a különböző vállalkozói felállásokbanmegvalósult nagy mérnöki műtárgyak visszatekintőértékelését és bizonyos tapasztalatok levonását.2. Rothasztókról általábanA már említett biogáz termelés műszaki és technológiaifeltételei komplexen a szerkezettervező nézőpontjából nemértékelhetők, de néhány alapösszefüggés megállapítható.A rothasztók hasznos térfogata a szennyvíztisztítás soránkeletkező szennyvíziszapok mennyiségének a függvénye. AVASBETONÉPÍTÉS • 2006/1rothasztáshoz szükséges össztérfogatot – víztechnológiai okokmiatt – legalább két műtárgyban célszerű megosztani (elő- ésutórothasztó). Ennek üzemviteli előnyei is vannak. Ugyanakkortelepenként egy darab rothasztó is gyakran előfordul,egyrészt a kisebb iszapmennyiség, másrészt egyéb technológiaiadottságok miatt. A rothasztás folyamata a hosszú (15-20 nap)tartózkodási idő miatt meglehetősen állandó, így rövidebbidejű (1-2 nap) technológiai zavarok áthidalhatók. Nagyobbszennyvíztisztító telepek jelentős iszapmennyiségei esetenkéntkettőnél több rothasztóban is kezelhetők, azaz ilyen esetekbena darabszámot már leginkább a műtárgytervező szerkezetioptimumkeresése határozza meg.A rothasztók összetett héjszerkezetű mérnöki műtárgyak,melyek erőjátékát több tényező befolyásolja. A témábanátfogó ismertetés található Péter és Tóth (1999) hivatkozottcikkében.Általánosságban kijelenthető, hogy fontos a térbeli szerkezetgeometriai kialakítását az igénybevételek optimalizálása szempontjábólmegválasztani. A rendszerint nagy folyadékoszlopnyomás, valamint a rothasztás magas hőmérséklete (35 o C,illetve esetenként 55 o C) döntően meghatározza a húzó- éshajlító igénybevételek nagyságrendjét. A műtárgyakat – azüzemeltetéshez szükséges hőmérséklet megtartása, valamint atekintélyes igénybevételek csökkentése érdekében – feltétlenülhőszigetelni kell.A rothasztó tartályok magas építmények, amelyek kiemelkedneka terepből és meghatározzák a szennyvíztelep arculatát.Méretükből adódóan jelentős terhet juttatnak az altalajra. Ezértazok tájba, illetve a környezetbe való beillesztésére, valamintaz alapozásukra különösen ügyelni kell. Fontos követelményaz altalaj, a talajviszonyok ismerete, a süllyedések elemzése,a szerkezet és az altalaj kölcsönhatásának a vizsgálata.A fentiekben kiemelt gondolatok közül néhány részletesebbelemzést is igényel.3. ALAPOZÁSA rothasztó műtárgyak alapozásánál a tervezőnek nagyonkörültekintően kell eljárnia, mivel a telepítési környezet – atisztított szennyvíz befogadójának közelsége miatt – általábanmélyen fekvő magas talajvízállású terület, ahol a legritkábbesetben található a felszín közelében teherbírásra alkalmas jó

1. ábra: Rothasztók alapozási változataitalaj. A tapasztalatok szerint ezeken a helyeken átázott finomszemcsés puha talajokra, vagy a telepen – tereprendezés címén– elkészült tömörítetlen, vegyes szerkezetű feltöltésre lehetszámítani.A telepítés helyén elengedhetetlen az altalaj több fúrássaltörténő feltárása. A fúrások kiosztását és mélységét úgy kellmegválasztani, hogy a várható süllyedési határmélységig képetalkothassunk a talajrétegződésről, a rétegek alaprajzi elhelyezkedéséről,valamint azok vastagsági változásáról.Egy esetlegesen excentrikusan beékelődő puha réteg, vagyjelentős rétegvastagság változás a felszínközeli teherbíró talajalatt – akár több méter mélységben is – a rothasztók, vagy alépcsőház megengedhetetlen ferdüléséhez vezethet.Az alapozás szintjének és módjának megválasztását alapvetően– adott felszerkezet mellett – a várható építési talajvízszintés a teherbíró talaj mélysége határozza meg.A rothasztók alapozásánál – iker elrendezés esetén – aterhelésből származó talajfeszültségek halmozódásának hatásávalis számolni kell, ami a műtárgyak alaprajzi telepítésére,illetve az alapozás módjának megválasztására is hatással van(1. ábra).Az eddig megépült rothasztó tartályok alapozásainál törekedtünkarra, hogy ahol lehetséges – az esetleges talajcserévelkombinált – síkalapozást tervezzünk. Ezen törekvésünk többesetben a vállalkozó más igényei miatt nem érvényesülhetett.Ilyen estekben áttértünk a cölöpalapozásra és magasabbrahelyeztük az építményt, ugyanis az építkezés indulásakormegemelkedett talajvíz miatt célszerűbb lett a magasabb szintrőlindított cölöpalapozás, mint a jelentős problémát okozó,víztelenítéssel kombinált talajcsere.Természetesen ennek ellentéte is előfordult, mélyalapozáshelyett talajcserés síkalapozás valósult meg. Az alapozási módmegváltoztatása a tervek módosításával járt, mivel a változásvisszahatott az alaprajzi telepítésre és a szerkezeti kialakításra.Ezért az átdolgozások elkerülése érdekében a tervezés koraifázisában egyeztetni kell a kivitelezővel. Sajnos, az építésitervek készítésekor a kivitelező vállalat nem mindig ismert,így ezen esetekben nehéz az áttervezést elkerülni. Ismert kivitelezőesetén a rothasztók alapozásánál a szakmailag korrekt,átgondolt műszaki megoldások közül úgy célszerű választani,hogy az a vállalkozó igényeinek is megfeleljen4. A ROTHASZTÓK FORMAI,GEOMETRIAI KIALAKÍTÁSAA rothasztók formáját, térfogatát és geometriai méreteit avíztechnológiai követelmények szabják meg. A rothasztásitechnológia alapvető igénye, hogy a tároló térben ne alakuljanakki pangó terek, az iszap a rothasztás ideje alatt folyamatosmozgásban legyen. Ezt a követelményt a tartály ideálisalakjának megválasztásával, vagy az adott geometriai alakhozigazított keverési technológiával lehet kielégíteni.A rothasztási technológiához igazán ideálisnak a tojásalakmondható, mely forma erőtanilag is kedvező. Ilyen alakúműtárgyban – függetlenül a keverési technológiától – ideálisaz iszap mozgása.A 4000 m 3 hasznos térfogat felett egyértelműen létjogosultsággalbíró tojás, formájú rothasztók Magyarországonmég nem épültek. Ennek egyik oka, hogy ilyen nagyságrendűműtárgyak – a debreceni 2x4500 m 3 rothasztó (Péter, Tóth,1997) kivételével – még nem készültek. A másik oka, hogy aszerkezeti szempontból is ideális kétszer görbült héjszerkezettela kivitelezők a bonyolultabb zsaluzási igényekből fakadóárajánlatukkal a tenderekben nem lehettek versenyképesek.Ezen tapasztalatok alapján a rothasztókat az ideális alakotmegközelítő formával terveztük (hengeres forma, alul-felülkúppal lezárva). Ilyen kivitelben készültek az 1000-4500 m 32006/1 • VASBETONÉPÍTÉS

6. ábra: Dél-pesti 2000 m 3 –es iszaprothasztó A-A metszete2. ábra: Dunakeszi, 2000 m 3 –es iszaprothasztó7. ábra: Dél-pesti 2000 m 3 –es iszaprothasztó B-B metszete3. ábra: Nyíregyházi 2000 m 3 –es iszaprothasztók közös lépcsõházzal4. ábra: A Gyõrben megvalósult iszaprothasztók képeközötti hasznos térfogatú rothasztók, egyedülálló (2. ábra) ésiker elrendezésben. (3. ábra, 4. ábra).Az alsó és felső kúp hajlásszögét a zsaluzatok többszörifelhasználhatósága érdekében azonosra választottuk. A megépültrothasztóknál az alsó és felső kúp hajlásszöge 45 o volt.A kialakított geometriai törvényszerűségeket jól szemléltetiaz 5. ábra.A dél-pesti 2000 m 3 -es rothasztó szerkezettervét a külfölditechnológus tervező igényei szerint felül vízszintes, felülbordásfödémlezárással készítettük (6. ábra, 7. ábra, 8. ábra).A tervezett (kúp, henger, kúp) formájú, szivattyús és propelleres(lapátos) keverési technológiával működő, összetett,körszimmetrikus héjszerkezetű rothasztók – az üzemeltetőkegyöntetű véleménye szerint – kifogástalanul működnek.Beváltották a hozzájuk fűzött reményeket.Az eddig tervezett, a fentiektől eltérő geometriai jellemzőkkelkészült rothasztónál gépészeti módosítására volt szükségahhoz, hogy a rendszer jól működjön.Az ideális alakhoz közelítő geometriai kialakítás a rothasztástechnológiájának, üzemének biztonságát jelentősen növeli,tehát célszerű a továbbiakban is a már kipróbált és bevált útonhaladni tovább.VASBETONÉPÍTÉS • 2006/1

5. ábra: Gyõri 2x3750 m 3 –es iszaprothasztó és lépcsõház függõleges metszete5. SZERKEZET, SZERKEZETICSOMÓPONTOKA rothasztási technológia és az építmény szerkezeti kialakításaegymással kölcsönhatásban van. Az iszapot felfűtésután táplálják be a rothasztóba, ahol állandó hőmérséklet ésfolyamatos keverés mellett történik – gázfejlődés mellett – aziszap kirothadása.A rothasztási folyamat közben két jelentős terhelés hat aszerkezetre: a folyadékterhelés és a hőterhelés. Mivel a technológiamegköveteli az állandó hőmérsékletet, a szerkezet hővédelmérőlis gondoskodni kell, s a szerkezetnek ezen állandósulthőmérsékletre (üzemszerűen) meg kell felelnie.A folyadékterhelésből az összetett héjszerkezetben húzó éshajlító igénybevételek keletkeznek gyűrű és alkotóirányban.A rothasztók hengerfalai és alsó kúpjai jelentős gyűrűirányúhúzóerővel terheltek, míg a görbületváltozásoknál (kúphengerfalcsatlakozásánál) alkotó irányú hajlítónyomatékoklépnek fel.A gyűrűirányú húzóerőket 2000-2500 m 3 hasznos térfogatfelett – a max. 0,1 mm repedéstágasság kielégítését biztosítónagyon sűrű lágyvasalás miatt – célszerű feszítéssel felvenni.A feszítőerő – teljes feszítés esetén – oly mértékű, hogy aszerkezet a folyadéknyomásból származó húzóerők ellenére,a szerkezet nyomott marad.2000-2500 m 3 hasznos térfogatú rothasztók esetén, azigénybevételek lágyvasalással is felvehetők, így a feszítésalkalmazásának a kérdését gazdasági és építéstechnológiaiszempontok döntik el..Le kell azonban szögezni, hogy a feszítés által a szerkezetbebevitt nyomóerő a vízzárás követelményét magasabbszinten elégíti ki, mint a 0,1 mm repedéstágasságra történőméretezés.2500-4500 m 3 hasznos térfogatú rothasztók esetében az utófeszítéstelegendő csak gyűrűirányban végezni a hengerfalon8. ábra: A mûködõ Dél-pesti rothasztó képeés az alsó kúpon, mivel a felső kúpban keletkező húzóerőknagyságrendje jelentősen kisebb és itt a lágyvasalással történőerőfelvétel különösebb nehézség nélkül megoldható.Az alkotóirányú igénybevételek – ezen nagyságrendű rothasztóknál– a görbületváltásoknál alkalmazott jótékony hatásúkiékelések miatt lágyvasalással is felvehetők.A szerkezet utófeszítéséhez a jelenleg korszerűnek ítélt ún.csúszóbetétes feszítő pászmákat tervezzük be.A csúszóbetétes pászmák elhelyezése történhet betonozáselőtt a szerkezeten belül és utólag, szerkezeten kívül. Mindkétmegoldás előfordul a hazai mérnöki gyakorlatban.2006/1 • VASBETONÉPÍTÉS

Véleményünk szerint a rothasztók utófeszítéséhez használtfeszítőkábeleket – új szerkezet esetén (nem megerősítés) – előnyösebba szerkezeti betonba építeni és a végüket az u.n. támpilléreken(lizénákon) kivezetve lehorgonyozni (9. ábra).9. ábra: Betonkeresztmetszetben elhelyezett feszítõpászmák elrendezéseEz a megoldás szavatolja – a betonba ágyazása révén – apászmák hosszútávú védelmét és a folyamatos felületi erőátadást.A külső pászmás megoldás előnye, hogy a pászmákutólag a szerkezet betonozását követően is beépíthetők. Alizénák elmaradásával csökken a kivitelezési költség. Nagyobbazonban a sérülés és a korrózió veszélye, nincs folyamatoserőátadás. Az ezekből származó javítási, felújítási költségekjelentősen meghaladhatják a beruházás kapcsán “megtakarított”összeget (10. ábra) .egyenlőtlen hőmérsékletváltozásból származó igénybevételekjelentősen csökkenthetők.Az egyenletes hőmérsékletváltozásból – az építési és aszerkezet üzemi állapotban beálló átlagos hőmérséklet különbségéből– a szerkezet görbületváltozásainál jelentős (ahőmérséklet különbség növekedésével arányos) igénybevételnövekedés származik.Jelenleg a mezofil rothasztási eljárás használatos Magyarországon.A rothasztók ennek megfelelően 33-35 o C üzemihőmérséklet elviselésére képesek.A kedvező külföldi tapasztalatok azonban előre vetítik atermofil rothasztási eljárás közeljövőben történő magyarországimegjelenését, elterjedését.Ennek kapcsán a jelenleg mezofil rothasztónak tervezendőműtárgyaknál is célszerű lenne a szerkezetek méretezésénélés kialakításánál a magasabb hőmérséklethatásból származóigénybevételeket figyelembe venni. Ez az építési költségmintegy 5-7 %-os becsült növekedését eredményezné, demegteremtené a technológia váltás lehetőségét teljesen újberuházás, új szerkezet építése nélkül.6. az ÉPÍTÉSTECHNOLÓGIA ÉSA SZERKEZET ÖSSZEFÜGGÉSEIA megépült rothasztók szerkezetének csomóponti kialakításaita kivitelező vállalkozó által alkalmazott építéstechnológiáhozkellett igazítani. Ezért minden tervezési feladat még azonosgeometria esetén is eltérő volt.A rothasztók megépítésénél, építéstechnológiai szempontból,sarkalatos pont a hengerfal és a kúpok (alsó, felső)csatlakoztatása.Az eddig megépült rothasztók hengerfalának építése csúszóvagy kúszózsalus módszerrel valósult meg. A két megoldásesetén eltérő volt a hengerfal és alsó kúp csatlakozása.A 11. ábra a hengerfal és alsó kúp csatlakozását szemlélteticsúszózsalus építéstechnológia esetén, míg ugyanezencsomópont megoldását, kúszózsalus építés esetén, a 12. ábramutatja.10. ábra: Betonkeresztmetszeten kívül elhelyezett feszíõpászma sérüléseA megépült feszített rothasztó műtárgyak kivitelezése soránszerzett tapasztalatok igazolják a fenti megállapításokat.A másik jelentős, szerkezetet terhelő hatás a rothasztástechnológiájából származó hőhatás.A rothasztási technológia szerint megkülönböztetünk mezofilés termofil rothasztást.A mezofil rothasztásnál a rothasztás üzemi hőmérséklete33-35 o C, míg a termofil rothasztás esetén 55-57 o C.A rothasztás üzemi hőmérsékletéből származó egyenletesés egyenlőtlen hőmérséklet változásból húzóerők és hajlítónyomatékokkeletkeznek. Ezen igénybevételek nagyságánakcsökkentése érdekében a szerkezetet külső – méretezett – hőszigetelésselkell ellátni. Helyesen méretezett hőszigeteléssel az11. ábra: Hengerfal és alsó kúp csatlakozásának csomóponti kialakításacsúszózsalus építéstechnológia eseténAz eltérő építéstechnológiák maguk után vonják az alkalmazottvasalás vonalvezetésének, kiosztásának, az alkalmazottVASBETONÉPÍTÉS • 2006/1

13. ábra: Épülõ soproni rothasztó vasszerelése12. ábra: Hengerfal és alsó kúp csatlakozásának csomóponti kialakításakúszózsalus építéstechnológia eseténbetonacél átmérőjének változását, valamint a munkahézagok,csomópontok eltérő kialakítását.A 13. ábrán az épülő 2250 m 3 –es soproni rothasztóknál ahengerfal és alsó kúp csatlakozási csomópontjának vasszereléselátható, melyet kúszózsalus építéstechnológia alkalmazásáraterveztünk.A tervezés időszakában a fővállalkozó általában már ismert,de a tényleges építést végző kivitelező még nincs kiválasztva,ezért gyakran előforduló eset, hogy a tervező által választottépítéstechnológia nem egyezik az építést elnyerő vállalkozóeszközkészletére formált építéstechnológiájával.Ilyenkor szükség lenne a műtárgyak áttervezésére, de erreáltalában nincs idő. Így a vállalkozó a kivitelezés megkezdésekorszembesül a technológiájához nem igazodó megoldással.Ezt követi a kompromisszumok keresése, a tervmódosításoksora, ami hátrányos mind a tervező, mind a kivitelező szempontjából.Ezért célszerű a tervezést a kivitelező vállalkozó ismerttéválása után megtartott szerkezetegyeztető tárgyalások lefolytatásátkövetően befejezni. Ez a műtárgy kivitelezésének gördülékenységétis elősegíti és az átgondolt, egyeztetett műszakimegoldással biztosítható az elvárt és megkívánt minőség.7. MEGÁLLAPÍTÁSOKA megépült rothasztók a szerkezetükkel szemben támasztottteherbírási, alakváltozási követelményeket és a víz- és gázzáróságotminden esetben kellő mértékben kielégítették. Aműtárgyak igazolták, hogy csúszózsalus építéstechnológiávalis lehet vízzáró szerkezetet készíteni, ha megfelelő a betonrecepturaés a hozzá tartozó betonbedolgozási és utókezelésitechnológia.A műtárgyak elmozdulásai, süllyedései a számított ésmegengedett értékeken belül maradtak, köszönhetően a körültekintőtalajfeltárásoknak és az alapozási megoldásokhozrendelt vízfeltöltési utasításrendszernek. Az eddigi üzemeltetésitapasztalatok a megépült rothasztókkal kapcsolatbanigen kedvezőek. A technológiai igények figyelembe vételévelkészült rothasztó műtárgyak, szerkezeti szempontból, megfelelnekaz elvárásoknak s kifogástalanul üzemelnek.8. HIVATKOZÁSOKArnold, G., „Neuere Entwicklungen im Spannbetonbau an Beispielen ausder Wasserwirtschaft”, Das Gas– und Wasserfach, 110. Jahrgang, H. 8,pp. 207–214.Bomhard, H. (1979), „Faulbehälter aus Beton”, Bauingenieur, 54/1979Springer–Verlag, pp. 77-84.Finsterwalder, U. –Kern, G., „Bauen in Spannbeton”, Beton HerstellungVerwendung, 13 (1963) H. 9, pp.: 411–424 Beton–Verlag GmbHJanzó J.– Kőrösmezey L.–Menyhárt B., „Rothasztó medencék a Mélyéptervgyakorlatában”, Műszaki tervezés 1972.,3, pp. 8–17.Márkus Gy. (1984), „Vasbeton folyadéktárolók”, Mérnöki Kézikönyv II. kötet,3.3.3.6 fejezet, pp. 944–949Péter G. Z. – Tóth L. (1997), „4500 m 3 -es utófeszített vasbeton iszaprothasztókDebrecenben”, Magyar Építőipar XLVII. Évf. 11-12, pp. 337–342.Péter G. Z.–Tóth L. (1999), „Vasbeton iszaprothasztók”, Vasbetonépítés99/1, pp. 17–20.Péter Gábor Zoltán (1953) okleveles szerkezetépítő mérnök. Tervezői pályáját1975-ben kezdte a Mélyéptervben. Tervezéseinek főbb területeit azacélszerkezetek, a mélyépítés, vízellátás, szennyvíztisztítás vasbeton műtárgyaiés egyéb speciális építmények szerkezettervezése, valamint az ezenlétesítményekhez kapcsolódó zsaluzatok és építéstechnológiák fejlesztésitevékenysége képezi. Jelenleg a Mélyépterv Komplex Mérnöki Rt. irányítóvezetőtervezője.A fib Magyar Tagozat tagja.About reinforced concrete sludge digesters in thelight of the experiences relate to the realizedstructuresGábor Zoltán PéterThis article outlines the recently built digesters and the experiences of theconstruction of those. From the point of view of structural engineering theconclusions of the designed and implemented reinforced concrete sludgedigester structures and the utilization of those at further designing tasksare of essential importance. Keeping the advantageous approved solutionsadjusted to the different conditions, reviewing and improving the unhandycomplex joints in some cases difficult to construct or implement economicallygood and at the same time “execution – friend” structure.2006/1 • VASBETONÉPÍTÉS