SZÁMITÁSTECHNIKA, MÉRÉSTECHNIKA.
Dr Borján József
mősz. tud. kand., egyetemi docens, tanszékvezető h.
Budapesti Mőszaki Egyetem Építőanyagok Tanszéke
1. Bevezetés.
Az Építőanyagok Tanszéken az oktató és kutató munkák során számos olyan eljárás született, amely valamelyik konkrét feladat megoldását szolgálta, de általánosabb célú felhasználásra is alkalmas. Ezeket az eljárásokat négy témacsoportban ismertetem:
a. A tanszék alapítása előtti kutatások
b. Kísérlettervezés, értékelés
c. Méréstechnika
d. Számítástechnika.
Az Építőanyagok Tanszék megalakulása előtti időszakban az oktatók, kutatók és a kutatási segéderők a II. sz. Hídépítéstan Tanszéken dolgoztak. Az új tanszék megalakulásakor a kutató munka folyamatos volt, illetve a későbbi kutatási eredmények előzményei a megalakulás előtti időkre vezethetők vissza.
A kísérlettervezés, értékelés témakörben a méréseredmények értékelésére, a kísérletek tervezésére és feldolgozására vonatkozó eredményekről számolok be.
Szinte minden kutatás során jelentkeztek méréstechnikai problémák is, néhány kutatáshoz teljesen új mérési eljárást kellett kidolgozni.
Főleg a személyi számítógépen alapuló számítástechnika az egyéb kutatásokkal párhuzamosan fejlődött. A tanszék oktatási tevékenysége posztgraduális keretek között a számítástechnika oktatására is kiterjed.
Ezekről a kutatásokról kívánok áttekintést adni.
2. A tanszék alapítását megelőző kutatások.
Az építőanyagok tantárgycsoportok oktatása is a II. sz. Hídépítéstan Tanszéken folyt, érthető, hogy szerkezetkutatások és anyagtani kutatások egyaránt előfordultak ebben az időszakban.
Palotás professzornak a betonszilárdság előrebecslésére, a betontervezési eljárások tökéletesítésére vonatkozó kutatásait említem először [1]. Bevezette a legkedvezőbb finomsági modulus fogalmát, Bolomey képletéből levezette a hazánkban ma is használatos betontervezési formulákat, amelyekben az adalékanyag finomsági modulusát és legnagyobb szemnagyságát is figyelembe veszik. A Feret képlethez hasonlóan a beton levegő tartalmát is figyelembevevő víz-levegő-cement-tényező fogalmát ugyancsak Ö vezette be a hazai betontervezési gyakorlatba. Különös figyelmet érdemel Építőanyagok c. kétkötetes munkája [2], amely későbbi tankönyvek alapjául is szolgál. Palotás professzor tanszékvezetői irányításával kezdődtek meg az akkor még fiatal oktatók - Balázs, Kilián, Halász betontechnológiai kutatásai. Munkássága a keretszerkezetek elméletére [3], tartórácsok számítására is [4] kiterjedt.
Munkatársai / Balázs, Kilián, Németh / rugalmas ágyazású keret vizsgálatát végezték [5].
Tudományos diákköri munka keretében a feladat megoldására Borján nyomatékosztás módszert alkalmazott [6]. Egységnyi, rugalmas támaszerőkből és nyomatékból keletkező igénybevételeket nyomatékosztás módszerrel határozta meg. Rugalmasan elmozduló végő rudakra felirt egyenletei a Cross módszer általánosításához vezettek [7]. Olyan rúdmodellt választott kiindulásul, amelynek egyik vége rugalmasan elmozdulhat és elfordulhat. A merevségi- és nyomaték-átviteli tényezők segítségével a nyomatékosztás konvergenciája kedvezőbb. Palotásnak a részlegesen-, Crossnak a mereven befogott rudakra felirt összefüggései speciális esetei a Borján által felirt összefüggéseknek.
3. Kísérlettervezés, értékelés.
Az építőanyagok tulajdonságait kifejező mérőszámok valószínőségi változók, általában meghatározott eloszlással jellemezhetők. A kutatónak rendszerint nem áll rendelkezésére annyi adat, amivel az eloszlás egyértelmően meghatározható. Meg kell elégednie egy igen szerény mintával, ennek statisztikai jellemzőit használhatja fel a kutatásból levonható következtetések igazolására. Nagyon fontos, hogy a legmegfelelőbb eljárást alkalmazzuk a kísérletek megtervezése, az eredmények értékelése során. Ennek a törekvésnek az eredményeként született néhány említésre érdemes eljárás.
3.1. A valószínőségi változó jellemzői, eloszlás illesztése.
3.1.1. A ferdeségi együttható alkalmazása.
A valószínőségi változó várható értékét a minta átlagával, a várható értéktől való eltérést a minta szórásával fejezzük ki. Borján a minta ferdeségi együtthatójának rendszeres elemzését is bevezette.
Ha a méréseredményeket befolyásoló tényezők száma nagy, súlyuk egyenlő és hatásuk egymástól független, akkor az eredmények eloszlása követi a Gauss-féle normális eloszlást, amely a várható értékre szimmetrikus. Kutatásaink során gyakran találkozhatunk olyan esettel, amikor egyes tényezők hatása megnövekedett súllyal jelentkezik. Ilyenkor az eloszlás aszimmetrikus lesz. A ferdeségi együttható a megnövekedett súlyú hatások megkeresésének az eszköze. Ha a megmintázott valószínőségi változó eloszlásának ferdesége 0-hoz közeli érték, akkor a szórást véletlen hatások okozzák. Ha a ferdeségi együttható abszolut értéke különbözik a 0-tól, akkor ennek okát érdemes tovább kutatni.
3.1.2. Egyesített linearizáló hálózat, normális eloszlás illesztése.
A normális eloszlás eloszlásfüggvényét linearizálja az ún. Gauss-papir. Ismert ennek olyan változata is, amelyik a normális eloszlás sőrőségfüggvényét linearizálja. Mindkettő a normális eloszlás illesztésére, az eloszlás paramétereinek a meghatározására szolgál. Az eloszlás- és sőrőségfüggvény szoros analitikai kapcsolatát kihasználva Borján [8] egyesítette a kétféle hálózatot. Az eloszlás módus alatti- és feletti szakaszát egy-egy egyenes fejezi ki, mégpedig ugyanaz az egyenes tartozik a sőrőséghálózathoz és az eloszláshálózathoz is. A normális eloszláshoz hasonló lefutású, de ferde eloszlások illesztésére is alkalmas a hálózat. A Gauss-függvény vágásával is kísérleteztünk, valamint kétmérető normális eloszlásfelület illesztését is megoldottuk.
3.1.3. Ferde eloszlás illesztése analitikus úton.
A ferdeségi együttható felhasználásával Borján új függvényillesztési eljárást dolgozott ki [9].
A méréseredményeket reprezentáló tapasztalati eloszlásfüggvényt olyan folytonos eloszlásgörbével helyettesítjük, amely általában aszimmetrikus, várható értéke a minta átlagával, szórása a minta korrigált szórásával, ferdesége a minta ferdeségi együtthatójával egyenlő. Az eloszlásgörbe inflexiós pontja a normális eloszlástól eltérően az F(x)=0.5 érték alá, vagy fölé eshet, attól függően hogy mennyi a ferdeségi együttható értéke. Az inflexiós pont alatti és feletti görbeszakaszok külön - külön a normális eloszlást követik. Az illesztés közbenső határesete a szimmetria, ha a ferdeségi együttható értéke 0.
3.2. Valószínőségi változók közötti függvénykapcsolat keresése.
Valószínőségi változók közötti függvénykapcsolat keresése általános kutatói feladat. A regressziós elemzés matematikai feltételei nem minden esetben teljesülnek. Ilyenkor is alkalmazható a következő eljárás. Reimann [10] igazolta, hogy ha két valószínőségi változó eloszlásfüggvényét ismerjük, a változók azonos kvantilisei olyan függvényt határoznak meg, amely kifejezi a két változó közötti függvény-kapcsolatot.
Borján ezt az alapgondolatot kiterjesztette a rendezett mintákból szerkeszthető tapasztalati kvantilisfüggvényekre [11]. Mindkét változó rendezett mintáinak azonos sorszámú elemeit rendeljük egymáshoz. Ezek az adat párok monoton növekvő, vagy csökkenő koordinátájú pontsort alkotnak, a pontok az elméleti függvény közelítései.
Az eljárás valószínőségelméleti alapja a következő:
A kapcsolati függvény pontjainak a meghatározására végzett kísérletek során mindkét változó valószínőségi változó. Egy konkrét kísérleti eredmény pár megjelenése, összetartozása két véletlen esemény egybeesése. A rendezett minták általánosabb törvényszerőséget követnek. Minden elem konkrét helye attól függ, hogy az elemek hányadrésze volt annál kisebb. A rendezett minták minden eleme az egész minta által hordozott információkból is tartalmaz valamit.A rendezett minták azonos sorszámú elemeinek összetartozása nemcsak véletlen esemény.A rendezett minták előállítására sokféle - manuális és számítógépes módszert alkalmaztunk, több ezer illesztést végeztünk el.
Lineáris függvénykapcsolatra Fekete és Oroszi Tudományos Diákköri munka keretében új összefüggést vezettek be [12]. Ez az összefüggés nem tartalmazza az xy szorzatok összegét.
3.3 Teljes kísérlet faktoranalízise.
A rendezett mintákból szerkeszthető kvantilis függvényeket ún. teljes kísérlet faktoranalízise során is alkalmaztuk. [13]. 9 betontechnológiai faktor hatását 2 3 szinten vizsgáltuk úgy, hogy a kísérletek során valamennyi faktorkombinációt megvalósítottuk. A kísérleti beállítások száma 1152 volt. A faktoroknak a beton szilárdságára és roncsolásmentes jellemzőkre való hatását vizsgáltuk. Egy egy változóra - pl. a szilárdságra - való hatást az eloszlásgörbék eltérésével, két változó kapcsolati függvényére való hatást pedig a kvantilis függvények eltérésével fejeztük ki. A kölcsönhatásokat adott faktorszintek egybeesése szerint szétválogatott rendezett mintákból határoztuk meg. Kettős és többszörös kölcsönhatásokat is vizsgáltunk. A lehetséges kombinációk száma kb. 35000, kézi és számítógépes módszerekkel ebböl közel 1000 - 1000 eloszlás- és kvantilis függvényt megszerkesztettünk. A kvantilis függvények paramétereit matematikai statisztikai módszerekkel dolgoztuk fel. Ezzel a módszerrel roncsolás mentes szilárdságbecslő függvény mezőt állítottunk elő. A faktoranalízis adta lehetőségeket még nem használtuk ki, számítógépes folytatás terveink között szerepel.
3.4. Komplex kutatás egy eljárás megbízhatóságának értékelése céljából.
Borján [14] Roncsolás mentes betonvizsgálatok megbízhatóságának értékelése c. kandidátusi értekezésében olyan komplex kutatási rendszert alkalmazott, amely más, hasonló problémákat felvető kutatások esetében is ötleteket adhat a kutatónak.
A roncsolás mentes szilárdságbecslés alapja az, hogy elméleti, vagy tapasztalati úton függvénykapcsolatot keresünk a két valószínőségi változó között. A becslés megbízhatóságát több tényező is befolyásolja. Az egyik változó a szilárdság. Ez valószínőségi változó. Több determinisztikus tényező mellett véletlen hatások és azok egybeesése határozza meg a szilárdság konkrét és vizsgálattal meg nem ismételhető eredményét, amelyet még mintavételi és méréstechnikai hibák is befolyásolnak. Ugyanezek a problémák a roncsolás mentes mérés oldalán is felmerülnek. A befolyásoló tényezők azonban nem egyformán hatnak a szilárdság- és a roncsolás mentes jellemzőkre. Kísérlettervezési és értékelési kérdések is nehezítették a kutatók munkáját. Ugyanakkor a születő értékelési rendszernek a gyakorlat számára is megfelelőnek kell lennie, alkalmazása nem igényelhet tudományos felkészültséget. A kutatás és értekezés mindezekkel a kérdésekkel foglalkozik. A munka során mindig figyelembe vettük azt a törvényszerőséget, hogy minden jellemző valószínőségi változó, tehát a származtatott mennyiségek sem lehetnek másak. A kutatás eredményeként egyszerő szilárdságbecslő rendszer született, amelyet az elmúlt 10 - 15 évben széles körben alkalmaztunk. Bárki számára hozzáférhető a [11]-ben is.
4. Méréstechnikai kutatások.
Az építőanyagok sokfélesége, a felhasználás sokoldalúsága megköveteli, hogy az anyagok tulajdonságait a legkülönfélébb körülmények között is részletesen megismerjük. A mérnöki felhasználás érdekében a tulajdonságokat mérőszámokkal fejezzük ki, ennek szabatos meghatározása méréstechnikai feladat. Ebben a fejezetben néhány, a méréstechnika szempontjából érdekes kutatási eredményt mutatok be.
4.1. Hőmérsékletméréssel kapcsolatos kutatások.
A tanszéken alkalmazott hőmérsékletmérési eljárások nem újak. Figyelmet azok az anyagtani és szerkezeti kutatások érdemelnek, amelyek az anyag viselkedésének jobb megértéséhez vezettek, gyártástechnológiai, vagy felhasználási haszonnal jártak, esetleg a mőködéshez elengedhetetlenül szükségesek voltak.
Elektromos jelátalakítókat használtunk, egyrészt azért, hogy egyidejőleg sok helyen mérhessünk, főként pedig azért, hogy tetszés szerinti ideig, akár több éven át is regisztrálhassuk a méréseredményeket. Kétféle jelátalakítót építettünk be, az egyik termoelem, a másik ellenálláshőmérő. Az előbbi olcsóságával tőnik ki, ezért tetszésszerinti mennyiségő érzékelőt betonozhattunk be. Stabilabb és érzékenyebb de még elfogadható ára van az ellenálláshőmérőnek. Az alkalmazott ipari regisztráló rendszerek sok esetben nem feleltek meg a követelményeknek, ilyenkor kiegészítő, v. vezérlő rendszerek tervezésével és építésével értük el a kívánt célt.
Néhány alkalmazás:
4.1.1. Előregyártott vasbeton termékek kizsaluzhatósága.
Az előregyártott elemeket a hőérlelés befejezése után azonnal kiemelik a gyártósablonból. Ez az igénybevétel sokszor nagyobb, mint amit a véglegesen megszilárdult terméknek kell elviselnie. Fontos tehát a termékben lejátszódó termikus folyamatok pontos ismerete. A hőmérséklet nem egyenletes a termékben sem a hőkezelés alatt, sem a lehőlés szakaszában. Ebből káros feszültségek ébrednek a gyártmányban. A hőmérséklet eloszlás ismeretében a hőmérsékleti feszültségek is számíthatók.
4.1.2. Útpályaszerkezetek, hidak vizsgálata.
Autópályák pályaszerkezetének, feszített hidak vasbeton főtartószerkezetének hőmérséklet-változását a beton kötése alatt felszabaduló hidratáció-hő, klimatikus körülmények, a sugárzási viszonyok befolyásolják.
Az M 7-es autópálya egy egy építési szakaszán mind az alépítménybe, mind a pályaszerkezet egyes rétegeibe ellenálláshőmérőket építettünk be. Egy évnél hosszabb ideig regisztráltuk a hőmérséklet értékeket. Nemcsak a szilárdulás időszakára, hanem az üzemi körülményekre is értékes információkat nyertünk. Az ún. szabadbetonozású hidak építése speciális követelményeket támaszt a betonnal szemben. Szakaszosan, monolit beton készül. Az egyes szakaszokat a beton 4 - 5 napos korában hozzáfeszítik az elkészült szakaszhoz. Ez gyorsan szilárduló cementet igényel, amelynek viszont nagy a kötéshője. A hídszerkezet egyes részeinek mérete miatt azonban kis kötéshőjő cementre lenne szükség. A kényes technológia fontos része a hőmérsékleti feszültségek pontos ismerete. A győri Mosoni-Duna híd és a csongrádi közúti Tisza-híd építése során ellenálláshőmérőket betonoztunk be. Nemcsak a feszültségek, hanem az alakváltozási jelenségek is érdekesen alakultak. A hőmérsékletmérések alapján határozták meg például a hídtengely helyzetét, figyelembevéve azt hogy a nap körüljárja a hidat. Vasbetonnal kombinált acélszerkezető Tahi-i hídon a vízfelületről visszavert sugárzás hatását ismerhettük meg.
4.1.3. Tömegbetonok vizsgálata.
Tömegbetonok, különösen vízépítési és a reaktortechnikában használatos sugárvédő-betonok megrepedését a kötéshőből származó felmelegedés és az egyenlőtlen lehőlésből eredő hőmérsékleti feszültségek okozzák. A szerkezet megrepedése nem engedhető meg. Erről nemcsak a kutatás stádiumában, hanem a kivitelezés során is meg kell győződni. Ezeket a vizsgálatokat a paksi atomreaktor és a debreceni ciklotron építésével kapcsolatban elvégeztük. Ez esetben hőelemeket használtunk.
4.1.4. A beton hőmérsékleti feszültségeinek vizsgálata a beton lassú alakváltozásának figyelembevételével.
Szőcs kandidátusi értekezésének tárgya a beton hőmérsékleti feszültségeinek elméleti vizsgálata a beton lassú alakváltozásának figyelembevételével, nem egyenletes hőmérséklet eloszlás mellett. Speciális kísérleti berendezésben a betonhasábokat hőszigetelt rézlemez tartályokban helyezte el. A próbatestek egyik oldalát 80 C fokra melegítette, a másik oldalát 16 C fokosra hőtötte. A betonhasábok alsó vége győrős erőmérők közbeiktatásával hidraulikus emelőkre támaszkodott. Az emelőkkel a próbatesteket állandó hosszon tartotta, az erőmérőkön pedig leolvasta a hőmérséklet-különbség hatására ébredő erőket és azok relaxációját. Külön kísérlet során vizsgálta a beton rugalmassági modulusát és lassú alakváltozását különböző hőmérsékleten. A betonban ébredő feszültségekre, a hőmérséklet eloszlására vonatkozóan összefüggéseket vezetett le [22].
4.2. Módszer a betonok és habarcsok vízáteresztő képességének vizsgálatára.
A vasbetonépítés egyik fontos kérdése, hogy a beton, illetve vasbeton szerkezetek vízzáróságát a szabványos vízzáróság vizsgálat eredményei alapján hogyan értékeljük. A szabványos vizsgálatot terheletlen próbatesteken végezzük, a mőködő vasbeton szerkezetek viszont terhelést is viselnek a víznyomáson és esetleges koncentráció-különbségből adódó igénybevételen kívül.
Faragó által kidolgozott vizsgálóberendezéssel szabatosan lehet mérni a próbatest vízáteresztő képességét. A próbatestben a vízáramlás útjában álló beton keresztmetszete egyértelmően ki van jelölve azáltal, hogy a betonból kifúrt magmintát szigetelő-anyaggal visszaragasztottuk. A víz egy mérőhengeren keresztül jut a vizsgálandó betonfelületre, így az elfogyott víz mennyisége leolvasható. A víztér automatikus mőködéső kompresszorral és nagynyomású légtartállyal van összekapcsolva. A próbatesten átmenő víz a vízteherrel ellentétes oldalon párolgás ellen védett üvegedénybe csöpög, a mennyiség változását digitális kijelzéső elektromos érzékelő méri és pontíró rögzíti. A vizsgálóberendezéssel a Darcy-féle szivárgási törvényben megfogalmazott fajlagos vízátbocsátó képességet (K) mérhetjük.
4.3. Alakváltozás mérések.
Az építőanyagok terhelés alatti és attól független alakváltozásai nagy mértékben befolyásolják a használhatóságukat. Különösen nagy gondot okoz a cement viselkedése. A rutin zsugorodásméréseket és rövididejő terhelés alatti alakváltozás méréseket rendszeresen végezzük, de ezúttal néhány speciális vizsgálatról számolok be.
4.3.1. Klinkerásványok zsugorodása.
A cementek négy fő klinkerásványa (a dikalciumszilikát, a trikalciumszilikát, a trikalciumaluminát és a tetrakalciumaluminát-ferrit) a zsugorodás szempontjából is eltérően viselkedik. A cementben az ásványok együtt fordulnak elő, hatásuknak csak az összege mérhető meg.
Balázs a szilárdulás mechanizmus tisztázása érdekében speciális égetéssel ún. tiszta klinkerásványokat állíttatott elő. Ezek az anyagok rendkívül drágák voltak, ezért a próbatestek méretét a lehető legkisebbre kellett választani. A szilárdságvizsgálatra szánt próbatestek 20x20x20 ill. 10x10x50 mm-esek voltak. A cementpép zsugorodását szabványosan 40x40x160 mm-es próbatesteken mérik. Ezt a méretet nem engedhettük meg magunknak. A zsugorodást 10 mm átmérőjő, 50 mm magas hengereken mértük. A sablon egy kettéfőrészelt acél tömb volt, amibe a főrészelés mentén előzőleg 10 mm-es furatok készültek. A zsugorodás mérését a következőképpen oldottuk meg: A sablon két felét összeszerelve egy sík acél lapra helyeztük azt. Minden egyes furat aljára rugalmasan befeszülő győrőt helyeztünk. A pépet a furatokba töltöttük, majd a pép tetejére is győrőt tettünk. Amikor a pép megkötött, a sablon feleket szétszedtük. A hengerek két végén lévő győrőkre átellenes alkotók mentén két két rézlemezkét forrasztottunk. A rézlemezek középre eső végén egy kb. 1 mm átmérőjő lyuk fölé 20 - 30 mikron átmérőjő üvegszálból szálkeresztet ragasztottunk. A két rézlemezkét úgy forrasztottuk fel, hogy a lyukak fedjék egymást. A szálkeresztek távolságát, illetve a távolság változását mérőmikroszkóppal mértük meg. A zsugorodás mérését a kötés végén azonnal megkezdhettük. Így a zsugorodásnak az a része sem veszett el számunkra, amely a szabványos zsugorodásvizsgálat esetén a méréseredményben nem szerepel és amely a szerkezetekben lejátszódó zsugorodásban benne van.
4.3.2. Terhelés alatti komplex vizsgálat.
Balázs a beton rövididejő terhelése alatti struktúra változást, a törésmechanizmust kutatta [15]. Terhelés alatt mérte a próbatest hosszirányú- és keresztirányú alakváltozását. A tönkremeneteli folyamatot Béres után a hossz- és keresztirányú alakváltozásokból számítható térfogatváltozással fejezte ki.
E kísérletek végrehajtása közben Borján a keresztirányban haladó ultrahang sőrősödési hullám terjedési sebességének változását is mérte. A kísérletből több érdekes következtetést vontunk le [16]: Az ultrahangos vizsgálat a tönkremenetel folyamatáról több információt ad, mint a keresztirányú alakváltozás-mérés, mert a repedések keletkezése nem folyamatos. A sebességváltozási görbékben lépcsőket mértünk. A tehermentesítések után a repedések részleges záródását figyelhettük meg csakúgy, mint az alakváltozás rugalmas része mutatja ezt. A tönkremeneteli folyamat leírására a sebességcsökkenés kezdetét és a maradó sebességcsökkenés-görbe töréspontját találtuk alkalmasnak. A kapott értékek más vizsgálattal jó egyezést mutattak.
4.4. Repedésérzékenység vizsgálata.
A cementek repedésérzékenysége bonyolult hatások eredménye. Oka a cementkő gátolt zsugorodása. Ezért a zsugorodási hajlamon kívül a cementkő alakváltozó-képességét és pillanatnyi húzószilárdságát is ismerni kellene.
A repedésérzékenységet a Franciaországban szabványosított győrős módszer továbbfejlesztéseként Zimonyi módszerével [17] vizsgáltuk. Egy tömör acél mag köré győrő alakú péptestet öntöttünk. A győrőbe merülő két elektródába szakaszosan váltakozó áramot vezettünk. A győrőbe merülő másik két elektróda közötti feszültséget teljes-hídkapcsolásban mértük. A győrő megrepedéséig a hídban a feszültség közel 0 marad. Ha bárhol megreped a győrő, a hídágakban az ellenállások egyenlősége megszőnik, a mérőpontokon 0-tól különböző feszültség mérhető. A megrepedés időpontját ipari hatszíníró mőszerekkel regisztráltuk. Az automatika egyidejőleg 12 drb győrő figyelését végezte.A kutatások során természetesen vizsgáltuk az egyes cementfajták szabványos tulajdonságait is, a szilárdulás ütemét, a húzószilárdság változását, a nem gátolt zsugorodást, a vízveszteséget, és az ultrahang terjedési sebességének a változását. Különböző kötésbefolyásoló szerek, a cement őrlésfínomságának és ásványi összetételének a hatását is vizsgáltuk. Általában a repedés akkor következett be, amikor a zsugorodás folyamatos növekedése mellett a húzószilárdság átmeneti csökkenése lépett fel. Ezzel a repedésérzékenységi vizsgálattal kimutattuk, hogy a repedésérzékenységet a cement őrlési finomsága jobban befolyásolja, mint kémiai ill. ásványi összetétele. Kötésgyorsító (kalciumklorid) megnövelte a repedésérzékenységet, lassító (citromsav) alig volt hatással [18].
4.5. Porózus anyagok nyomószilárdság vizsgálatának továbbfejlesztése.
Az anyagvizsgálatok jelentős része terheléses vizsgálat, főként törővizsgálat. A terhelés nem más, mint a vizsgálógép és a vizsgálandó anyag kölcsönhatása. A terhelő-gép hat az anyagra, az anyag visszahat a terhelő-gépre. Ebben a folyamatban a teher közvetítő elemeinek nagyon fontos szerep jut.
A nyomószilárdság meghatározására szolgáló törőgépeket gyárilag beépített, a próbatest méretétől független, gépenként különböző geometriai középponttal kialakított felső gömbcsuklóval szerelik fel. A próbatestekhez igazodó mérető gömbcsuklók alkalmazásának szükségességét Dombi igazolta [19]. Zsigovicsnak az a véleménye, hogy ez nem elegendő. A próbatestre a legnagyobb gondosság mellett is külpontos erő hat, mert az erőátadás helyén a teherátadásban résztvevő elemek egymáson szabadon nem csúszhatnak el. A jelenség következménye, hogy a törőerő csökken, a vizsgálati szórás nő, az anyagot a valóságosnál rosszabbnak ítéljük meg. A tanszéken kifejlesztett, a próbatesthez illesztett gömbcsukló lényege az, hogy a központos teherátadáshoz szükséges geometriai mozgásokat lehetővé teszi. Laboratóriumi és ipari összehasonlító vizsgálatok igazolták, hogy a gömbcsukló jelentős mértékben csökkenti a vizsgálati szórást, növelheti az átlagszilárdságot. Az alkalmazott elvek más szilárdág vizsgálatokra is kiterjeszthetők.
5. Számítástechnika.
Az Építőanyagok Tanszéken elsősorban a személyi számítógépek alkalmazásával foglalkoztak az oktatók és kutatók. Építőanyagipari kutatások, a minőségellenőrzés, az oktatás segítése, a számítástechnika oktatása, - ezek a fontosabb alkalmazási területek. Az eszközök egyszerő-, vagy programozható zsebszámológépek, hobbi-kompjuterek, majd professzionális személyi számítógépek voltak. A programok eleinte egyszerőbb számítási rutinok voltak, ezeket adatfeldolgozó és értékelő programok, majd komplex kutatási és minőségellenőrzési rendszerek követték.
5.1 Személyi számítógépek alkalmazása a kutatásban.
Az építőanyagok tulajdonságait kifejező mérőszámok feldolgozása és értékelése számítógép nélkül ma már elképzelhetetlen.
5.1.1. Eloszlásfüggvények illesztése.
Különböző típusú eloszlásfüggvények ( binomiális, gamma, Weibul, Gauss) paramétereinek a meghatározása számolásigényes feladat. Borján bevezette a ferdeségi együttható elemzésén alapuló eljárásokat, valamint ferde eloszlások illesztését. Ezeket a munkákat már az egyszerőbb programozható zsebszámológépek is segítették. ATexas TI 59 tipusú géppel még ma is használjuk azt a programot amelyik a ferde eloszlásra való illesztést végzi.
5.1.2. Tapasztalati függvények keresése, teljes kísérlet faktoranalízise.
A rendezett mintából szerkeszthető tapasztalati eloszlásfüggvények szerkesztése egyszerően automatizálható a játék- és professzionális személyi számítógépek segítségével. Basic nyelven írt felhasználói programokat alkalmazunk az adatok fogadására, tárolására, a faktorok szerinti válogatásra, a minták rendezésére, az eredeti, a rendezett, és válogatott adatok táblázatainak kinyomtatására, ábrák készítésére, a kapcsolati függvény paramétereinek meghatározására.
A kifejezetten irodai ügyvitel részére kifejlesztett adatbázis kezelő programok, mint például a dBASE III + program szolgáltatásait is hasznosítjuk a teljes kísérlet faktoranalízisének előkészítése során. A program az adatok fogadására, válogatására, rendezésére kitőnő rutinokat tartalmaz, amelyek menüből, kézi vezérléssel és programból egyaránt jól elérhetők. A kiválasztott adatok más programnyelvekkel (basic, pascal) jól elérhetők. Az eddig elvégzett kísérletek még fel nem dolgozott eredményeit gépi kódra fordított komplex programrendszerekkel kívánjuk feldolgozni. Ezek a feldolgozások az eddigi tapasztalataink szerint újabb összefüggések feltárásához vezetnek.
5.1.3. Spline technika alkalmazása.
A spline technikát a repülőgépek és gépkocsi-karosszériák tervezési módszereinek tökéletesítése céljából fejlesztették ki. Az irodalmi forrásokban közölt pascal és basic programok felhasználásával Borján Casio fx 7000 G tipusu, grafikus megjelenitőt is tartalmazó zsebszámológépre írt olyan programot, amellyel beton, betonacél, fa, müanyag, vagy más építőanyag szigma-epszilon diagramja közelíthető, törésmechanikai paraméterekre (szilárdság- és alakváltozásjellemzők- re) mint támpontokra illeszkedő spline-ok segitségével.
5.1.4. Hőmérsékleti feszültségek a gőzölt betonban.
Azt tapasztaltuk, hogy nagyobb keresztmetszető előregyártott vasbeton elemek a gyors lehőlés során megrepednek. Ebben az esetben a hőmérsékleti feszültségeket is számítógéppel számítottuk [20]. A Fourier- féle differenciál-egyenletet egy numerikus közelitő módszerrel, az ún. véges elemek módszerével oldottuk meg. Gépi számítással kimutattuk, hogy a fajhőnek és a beton testsőrőségének az ingadozása alig befolyásolja a keletkező maximális húzófeszültséget, ugyanakkor a hővezetési tényező és a hőátadási tényező változásának nagy a hatása. A gépi számítás eredményeit összevetettük az Építőanyagok Tanszéken végzett mérések eredményével, azok jó egyezést mutattak.
5.1.5. Hőmérsékleti feszültségek számítása vastagfalú szerkezetekben.
Vastagfalú beton-és vasbeton szerkezetekben a cement hidratációhője miatt a betonozást követő időszakban egyenlőtlen hőmérséklet-eloszlás, az egyenlőtlen kiszáradás miatt egyenlőtlen zsugorodás léphet fel. A vastagfalú vasbetonszerkezet feszültségállapota nagyon összetett probléma a rugalmassági modulus és a lassú alakváltozás időbeni változása miatt.
A feladat megoldására szolgáló algoritmust Tóth [21] dolgozta ki útbetonok, a Paksi Atomerőmő falai, a METRO födémei hőmérséklet-eloszlásának számítására. Szombathy EMG 666 típusú személyi számítógépre átírva használta a Debreceni Ciklotron, Suri pedig Basic nyelvő változatban a Dunakiliti Duzzasztómő és a Paksi Atomerőmő hulladéktároló falaiban kialakuló hőmérséklet-eloszlás számításához alkalmazta. A számításokat több lépésben oldottuk meg. A betonban kialakuló hőmérséklet-eloszlás meghatározására a hővezetés differenciálegyenletének forrástaggal kiegészített változatát használtuk. A részletes algoritmust az elemi mérlegegyenletek módszerének felhasználásával készitettük el. A program egy- és kétdimenziós esetre készült. Figyelembe vettük a hővezetést, a hőátadást, a sugárzásos hőcserét, a napsugárzást, a cement hidratációhőjét. A legutolsó változatban érdekes a hardware megoldás is. A számításokat egy 80 kb-osra bővitett Sinclair Spectrum végezte, az eredményeket egy 48 kb-os Spectrum által vezérelt Seicosha nyomtatón kaptuk meg.
5.2. Alkalmazás a minőségellenőrzésben.
5.2.1. Minőségellenőrzési rendszerek hatékonyságának felülvizsgálata.
A minőségellenőrzési szabványok is figyelembe veszik, hogy a minősítés alapjául szolgáló jellemző valószínőségi változó. A minősítés a minta statisztikai jellemzőinek értékelése. A beton esetében az 5%-os kvantilis becslése az előirás. Több száz, az előirás szerint végzett minősítés eredményét elemeztük. Összehasonlítottuk az előírás szerint számított és a mintákra illesztett ferde eloszlások kvantiliseit. Borján azt tapasztalta, hogy az előírás nincs összhangban belső logikájával, módosítása indokolt lenne.
5.2.2. Üzemi minőségellenőrzési rendszerek.
Több hazai vállalat megbízásából roncsolásmentes módszerekkel kombinált üzemi minőségellenőrzési rendszereket dolgoztunk ki. Ezekben felhasználtuk a teljes kísérlet faktoranalízisével kapott szilárdságbecslő függvényeket, az üzemi ellenőrző kísérletek eredményét és a megbízók rendelkezésére álló számítástechnikai eszközöket.
Számítógéppel készítjük a napi minősítő bizonylatokat, az adatok archiválását, és az időszakos összesítő statisztikai elemzéseket is. A Monte-Carló módszert alkalmaztuk kerámia-termékek minősítő szabványainak felülvizsgálata során. Ismert gyártástechnikai paraméterek beállítása után nagyszámú mintavételt generáltunk a számítógép segítségével. A mintákon végrehajtottuk a vonatkozó szabványok szerinti minősítési eljárást. A szabványos minőségjellemzőket összehasonlítottuk a beállított gyártástechnikai paraméterekből számítható statisztikai jellemzőkkel. Az eljárás kiterjeszthető bonyolult minősítő eljárások elemzésére.
5.3. A mőszaki oktatás segítése.
A személyi számítógép ebben a vonatkozásban eszköz, cél a mőszaki tantárgyak elsajátításának segítése.
Az Építőanyagok c. tantárgy egyidejőleg sokféle tudományág alkalmazását igényli. A matematika általános és speciális területeit, a fizika, a kémia, a földtudományok, a biológia eredményeit éppen olyan jól kell értenie a tárgyat tanuló hallgatónak, mint a technológia, az építéstudomány, a gazdasági és a szervezéstudomány, újabban pedig a számítástechnika lehetőségeit. A szemléltetést segítik azok a programok, amelyek a számítógépes animáció, a háromdimenziós megjelenítés, sőt a térláttatós (anaglif) ábrázolás eszközeit alkalmazzák. Ezeket a programokat Borján dolgozta ki.
5.4. Számítógépes kultúra terjesztése.
A most felnövő nemzedék már az iskolában megismerkedhet a számítástechnika alapjaival. Korábban végző szakemberek, akik szakmájukat jól ismerik, mővelik, a számítástechnikához alig jutottak hozzá. A személyi számítógépek nyújtotta előnyöket számukra is hozzáférhetővé kell tenni. Erre a posztgraduális képzés során van lehetőség.
Üzemek felkérésére, a BME Mérnöki Továbbképző Intézetnek és az Ipari Szakmai Továbbképző Intézetnek a szervezésében, a BME Építőmérnöki Kari szakmérnök-képzés keretében Borján olyan tanfolyamokat vezet, amelyen a hallgatók gépkezelési ismereteket szerezhetnek, elsajátíthatják egy egy magasszintő programozási nyelv (basic, dbase) alapjait, a statisztikai minőségellenőrzés számítástechnikai vonatkozásait.
Oktatásmetodikai kérdések is felmerülnek. A számítástechnika maga is új tudomány. Oktatási módszerei még kevésbé kidolgozottak. A posztgraduális oktatás módszerei pedig különösen változatosak attól függően, hogy egy adott csoport milyen szakmai és számítástechnikai felkészültségő. Ehhez szinte alkalmanként igazodni kell, ami izgalmas és változatos feladat. Borján számítástechnikai oktatást segítő (IBM PC DOS-,dbase-, basic) oktatóprogramokkal járul hozzá a számítógépes kultúra terjesztéséhez.
Az oktatásban szerzett tapasztalatok visszahatnak a tudományos alkalmazásra is. Amit tanít valaki azt neki is alaposan kell értenie. Mindez valamennyi kutatásra és oktatási munkára igaz. Az Építőanyagok Tanszék oktatói, kutatói, a segéderők az oktatási és kutatási munkát, a megélhetést biztosító kenyérkeresést, sőt néha még a hobbit is összekapcsolják. Így lehetséges az, hogy az átlagosnál szerényebb anyagi bázison sok értékes kutatási eredmény született az elmúlt negyedszázad során.
6. Összefoglalás.
A tanulmányban röviden összefoglalom a Budapesti Mőszaki Egyetem Építőanyagok Tanszékén a tanszék megalapítása előtt, és az eltelt 25 év alatt született tudományos kutató munkák közül azokat, amelyek a kísérlettervezéssel, méréstechnikával, méréseredmények értékelésével, a számítástechnika alkalmazásával kapcsolatosak.
Az építőanyagokkal foglalkozó kutatások a tanszék elődjénél, a II. sz. Hídépítéstan Tanszéken kezdődtek meg. A folytonosságot a személyek és a kutatás tárgya egyaránt biztosították. Palotás professzor által megkezdett betontechnológiai kutatásokhoz kapcsolódtak Balázs, Kilián, Halász, őket követték Erdélyi, Horváth, Borján, és sokan mások, akik ha nem is tartoztak a tanszék állományába, a kutatásból kivették részüket.
A fiatalabb oktatók és kutatók közül az általam felsorolt témákban Faragó, Józsa, Szombathy, Zsigovics, Suri a mindenkori idősebbek szakmai irányítása mellett szerényebb eszközök birtokában is igyekeztek nemzetközi szinten is hasznos munkát végezni. Ennek napjainkban is tanúi lehetünk. A ma fiatal oktatók biztosan folytatni fogják azokat a szinte megszállottságot igénylő kutatásokat, amelyet a még jó egészségnek örvendő elődeink megkezdtek és amelyet a középkorúak magukat nem kímélve ma is végeznek.
A kutatás tárgya a tanszék jellege és a kutatást finanszírozó megbízók kívánsága szerint legtöbbször a beton, annak is valamely speciális tulajdonsága, vagy általános tulajdonsága speciális körülmények között. A kutatáshoz felhasznált eszközök - legyenek azok mőszerek, méréstechnikai eljárások, vagy kísérlettervezési és értékelési módszerek, számítástechnikai eszközök, - rendszerint más kutatásokhoz is felhasználhatók. Ezek közül mutattam be néhányat.
A rugalmas ágyazású keretszerkezetek számítására vonatkozó kutatások még a tanszék elődjénél folytak, csak a profilváltozás miatt nem folytattuk a megkezdett munkát.
Bármely szakmai területen felhasználhatók azok a kutatási eredmények, amelyek a méréseredmények valószínőség-elméleten alapuló feldolgozásával, az értékelés eszközeivel kapcsolatosak.
A ferdeségi együttható vizsgálata, ferde eloszlások elemzése sok technikai probléma megoldását segíti. Valószínőségi változók közötti összefüggések keresésének, a teljes kísérlet faktoranalízisének egyszerő módszere, a velük kapcsolatban kidolgozott számítógépes megoldások előre mutatnak.
Nagytömegő betonszerkezetekben kialakuló bonyolult szerkezeti, hőmérsékleteloszlási viszonyok és az abból következö feszültségek és alakváltozások elemzését in situ méréssel, számitógépes modellezéssel egyaránt vizsgáltuk. A térben és időben különböző kutatások közös vonása az, hogy a felhasználási célnak legjobban megfelelő, repedésmentes, szilárd, homogén betonszerkezetet állíthassunk elő ipari kivitelezési módszerekkel.
Néhány anyagvizsgálati módszer - a zsugorodásmérés, a vízzáróság, a repedésérzékenység meghatározása, a törésmechanikai kutatások, a szilárdságvizsgáló berendezések - bemutatása bepillantást enged a sok éve folyó lelkes kutatómunka részleteibe.
A személyi számítógéppel segített szakmai és számítástechnikai oktatás, az elméleti kutatást és a mindennapos minőségellenőrzést támogató számítógépes megoldások a jövőt vetítik elénk. A legfiatalabb oktatók és kutatók e téren érhetnek el kiemelkedő szakmai eredményeket.
A sok, egymástól függetlennek tőnő kutatás egy egységes rendszerbe illik, célja az anyag minél tökéletesebb megismerése, a kívánt tulajdonság tudatos beállítása, más szakmai területeken is hasznosítható eljárások kidolgozása.
Remélem ez az összefoglaló is szolgálni képes a kitőzött célt.
Irodalom
[1] Palotás, L.: Minőségi beton. Közlekedés és Mélyépítéstudományi Könyv és Folyóiratkiadó V., Bp. 1952.
[2] Palotás, L.: Építőanyagok. Akadémiai Kiadó, Bp. 1961.
[3] Palotás, L.: Keretek elmélete és számítása. Közlekedési Kiadó, Bp. 1951.
[4] Palotás, L.: Tartórácsok számítása. Közlekedési Kiadó, Bp. 1953.
[5] Balázs, Gy.- Goschy, B.- Kilián, J.- Németh, F.: Rugalmas ágyazású kerethíd. Mélyépítéstudományi Szemle, 1960. 11. sz. p. 515.
[6] Borján, J.: Rugalmas ágyazású keret megoldása nyomatékosztás módszerrel. Az Építőipari és Közlekedési Mőszaki Egyetem Tudományos Közleményei, VII. kötet, 3. sz. p. 194.
[7] Borján, J.: Változó merevségő, rugalmas ágyazású, vasbeton kerethíd statikai számítása. Diplomaterv feladat. Kézirat, Bp. 1961.
[8] Borján, J.: Determination of mathematical characteristics by graphical methods. Periodica Polytechnica. Civil Engineering. Vol. 17. No 3.-4. Bp, 1973. p. 145.
[9] Borjan, J.: Anyagvizsgálati eredmények értékelése három független paraméteres eloszlás segítségével. V. Útügyi Konferencia, Bp. 1982. p.70.
[10] Reimann, J.: Árvizek jellemző adatainak matematikai statisztikai elemzése. Hidrológiai Közlöny, 4. sz. (1975).
[11] Borján, J.: Roncsolásmentes betonvizsgálatok. Mőszaki Könyvkiadó, Bp. 1981.
[12] Borján, J. -Fekete, Z. -Oroszi, O.: Factor analysis of a complete experiment. Peripdica Polytechnica. Civil Engineering. Vol. 26. No. 1.-2. Bp. 1982. p. 3.
[13] Talabér, J. -Borján, J. -Józsa, Zs.: Effect of concrete technology parameters on non-destructive strenght esti mations. Periodica Polytechnica . Civil Engineering. Vol. 22. No. 1.-2. Bp. 1978. p. 103.
[14] Borján, J.: Roncsolásmentes betonvizsgálatok megbizhatóságának értékelése. Kandidátusi értekezés. Budapest, 1979.
[15] Balázs, Gy.: A betonstruktura elemzése. Doktori értekezés. Budapest, 1982.
[16] Balázs, GY. -Borján, J.: Nagyszilárdságú kavicsbetonok. Épitöanyagok Tanszéke Tudományos Közlemények 14. Közdok, Budapest, 1974.
[17] Balázs, Gy. -Borján, J. -Jaime, C.S. -Liptay, A.- Zimonyi, Gy.: A cement repedésérzékenysége. Építőanyagok Tanszéke Tudományos Közlemények 24. Közdok, Budapest, 1979.
[18] Balázs, Gy.: Energiatakarékos betonszilárdítás. Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, 1987.
[19] Dombi, J.: Épitöanyagok szilárdsága és szilárdsági vizsgálata. 1. Nyomószilárdság. SZIKKTI Tudományos Közlemények 61. sz. 1979.
[20] Balázs, Gy. -Berényi, M. -Szenyiványi, B.: Hömérsékleti feszültségek a gőzölt betonban. Építőanyagok Tanszék Tudományos Közlemények 5. Közdok, Bp, 1972.
[21] Balázs, Gy. -Fehér, J. -Szombathy, Z. -Tóth, A. -Zsigovics, I.: A Paksi Atomerőmő betonfalai hőtechnikai vizsgálata a betonozást követő időszakban. Építőanyagok Tanszék Tudományos Közlemények. 31. Közdok, Bp, 1982.
[22] Szücs, F. Creep of concrete at different temperatures. Periodica Polytechnika, vol. 22. No. 1-2. Bp, 1978.