A 45. számú főút mellett tervezett kerékpárút Veker-ér hídja oldalnézetből.

Aktív híd- és környezet­védelmi tervezőkként a saját szak­terü­letün­kön kezdtünk kutatásokat, hogy a FIT FOR 55 jogi kör­nyezetnek megfelelően milyen új, innovatív szerkezeti rendszereket lehetséges meghonosítani itthon annak érdekében, hogy a hídépítéssel és fenn­tartással járó szén-dioxid-kibocsátást hatékonyan csökkenteni lehessen. [2]

Ebben a cikkben a kerékpár­utakon használható hídépítési fej­lesz­té­sünket ismertetjük. A fejlesztett szerkezet a Légköri-korrózió­álló acélból készült, előregyártott beton alépítményű kerékpárhíd. Az alábbiakban bemutatjuk az innovatív híd­szerkezet hagyományos híd­szerkezethez képesti környezeti előnyét szén-dioxid-fókuszú össze­hasonlító LCA-elemzéssel (Life-Cycle Assessment – életciklus-elemzés). Ezzel a fejlesztéssel pályáztunk a 2023. évi Közlekedési Innovációs Díj elnyerésére, melynek eredmény­hirdetése az Innotéka magazin lapzártája után lesz.

A kerékpárút-építéseknél közepes méretű vízfolyások át­hidalá­sára hagyományosan egyszerű, vasbeton feszített híd­­gerendás hidakat építenek. A gyakorlat alapján ezek a hidak monolit vasbeton alépítmé­nyekkel, 3-4 cölöppel, monolit pálya­lemezzel készülnek. Ezt a hídtípust tekintjük „bázisnak”, amelyhez képest vizsgáltuk a fejlesztett híd előnyeit (1., 2. ábra).

1. ábra. Hagyományos kerékpáros híd keresztmetszete.

2. ábra. Acélszerkezetű kerékpáros híd keresztmetszete.

Légköri-korrózióálló acélok

A légköri korróziónak ellenálló szerkezeti acélok [3] az 1960-as évek elején terjedtek el a szerkezet­építésben, és főként COR-TEN acél márkanéven váltak ismertté. Az időjárás­álló szerkezeti acélokat a magas­építés minden területén, az iparban, de különösen tengeri konténerek és acélhidak építésére is használják. Napjaink épület­építésében a homlokzati elemek, például az épületek külső burkolata gyakran készül ebből az anyagból. Az acél felületén megjelenő rozsdásbarna patinát esztétikai elemként használja az építészet. Felhasználá­sában hídszerkeze­tek, tornyok vagy ipari épületek esetében a hangsúly a gazdaságos­sági megfontolásokon alapul. A légköri korróziónak ellenálló acélok egyáltalán nem, vagy csak részleges korrózió­védelmet igényelnek. A gazdaságos­sági elemzések kimutatták, hogy a magasabb alap­anyagár ellenére a korrózió­védelmet nem igénylő megoldás kifizetődőbb. A jelenleg forgalomban lévő légköri korróziónak ellenálló szerkezeti acélok kémiai össze­tételüket tekintve hasonlóak a szerkezeti acélokhoz, azonban kismértékben rézzel és krómmal ötvözöttek.

Az ötvözetlen, hagyományos acélok felülete az időjárási hatásokra rövid időn belül rozsdásodik. A rozsda a vas felületén lezajló kémiai folyamat során kialakuló hidratált vas-oxidok és vas-hidroxidok keveréke. A vas oxidációja a fém felületén megjelenő nedvesség redukciós folyamatával együtt zajlik le. Savak hatása, mint például a légszennye­zés következtében kialakuló savas eső vagy redukáló szmog létre­jöttekor a légkörbe oldódó kén-trioxid kénsavvá alakulása felgyorsítja a rozsda­képződést. Az ötvözetlen acélok korróziójával szemben az időjárás­álló acélok felületén kén-oxidok és az időjárás hatására szilárdan tapadó szulfát vagy foszfát záróréteg képződik, ami a további korróziós folyamatot jelentősen gátolja. [4]

A fejlesztett szerkezet bemutatása

A hidak acélszerkezetűek, előre­gyártott vasbeton pálya­lemezzel és előre­gyártott vasbeton síkalapozású hídfőkkel. A híd­tartozékok rozsdamentes acélból készülnek. A rácsos tartó maga a korlát – a szerkezetet forgalom­biztonsági funkcióval is ellátva, csökkenthető a híd­tartozékok mennyisége –, a leesést kéz- és bokaléccel, valamint Jakob Inox line webnet hálóval biztosítjuk. Két típus­szerkezet készült. Nagyobb vízfolyások áthidalására alkalmas maximum 28,80 méter támasz­közű íves rácsos-tartós kialakítású híd, valamint a kisebb vízfolyások áthidalására alkalmas, maximum 18,00 méter támaszközű, párhuzamos övű hídszerkezet. Mindkét típus moduláris felépítésű, 1,8 méteres hossz­­lépcsőkben építhetők.

A fejlesztett hidakat egy aktuális fejlesztési projektben már három helyszínen beterveztük a 45. számú főút mellett Kunszent­márton és Hódmező­vásárhely között épülő kerékpár­úton. A 45. számú főút mellett teljes hosszon új kerékpárút épül a NIF Zrt., illetve jogutódja, az Építési és Közlekedési Minisztérium beruházásában. A fejlesztés tervezője az Unitef  ’83 Zrt. A projekt engedélyezési tervei elkészültek, a környezet­védelmi engedélyeket kiadták, jelenleg az építési engedélyek megszerzése van folyamatban. A  3., 4., 5. ábrákon a hidak tervrészletei láthatók. [5]

3. ábra. Nagyobb vízfolyások áthidalására alkalmas híd (a 45. sz. főút mellett tervezett kerékpárút Veker-ér hídja).

4. ábra. Kisebb vízfolyások áthidalására alkalmas híd (a 45. sz. főút mellett tervezett kerékpárút Kórógy-ér és Kenyere-ér hídja).

5. ábra. A nagyobb híd madártávlatból.

A környezeti fenntarthatóság elveinek megfelelő, tájba illesztett hidak hozhatók létre légköri korrózióálló acélok felhasználásával. A „rozsdás” felszerkezet színe illeszkedik a természeti környezetben található barna színvilághoz (föld színe, fakéreg színe), így nem zavaró a hatása. Megfelelő társadalmi kommunikációval elérhető, hogy a „rozsdás” szín ne keltsen befejezetlen érzést, hanem a korszerűség szinonimája legyen.

Az LCA-módszertan alkalmazása

A fejlesztés során az életciklus-elemzés egy egyszerűsített változatát alkalmaztuk. [6, 7, 8] Ennek oka, hogy egy fejlesztési fázisban lévő szerkezet esetén az építés folyamatai, az alkalmazott gépek, valamint a gyártó­üzemek pontos típusa és helyei még értelem­szerűen nem ismertek. 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. Az összehasonlító elemzésünk a két hídtípus (egygerendás vasbeton híd és nagyobb acél­szerkezetű híd) totál életciklus-kibocsátására vonatkozik.

A számítást a UK Net Zero Bridges Group által kiadott Carbon Calculation Guide for Bridges kiadvány [9] alapján végeztük el. A hivatkozott kiadványban az általános építőipari folyamatok, valamint építőanyag beépítéséhez tartozóan megadták az ekvivalens kibocsátásértékeket.

A számítás során tehát az építési folyamatokhoz rendelünk kibocsátás­értékeket, valamint az üzemelés (felújítási feladatok) és bontás kibocsátás­értékeit becsüljük meg. Ezek összegzett GWP- [kgCO₂e] értékeit tudjuk össze­hasonlítani a két híd esetében. Van egy további folyamat is: az újra­hasznosítás (D szakasz), azonban ez már egy másik termék életciklusa.

Az LCA-számítás eredményei

Első lépésként számba vettük, hogy a kétfajta hídszerkezet meg­valósításához milyen anyag­mennyiségek, milyen szállítási, gyártási, emelési súlyok, illetve milyen becsült szállítási távolságok várhatók. Folyó projektjeink miatt a dél-alföldi területre (45. sz. főút fejlesztése) van rálátásunk, ezért lokáció szempontjából ezt választottuk.

A normál CO₂-kibocsátásokat a Carbon Calculation Guide for Bridges [9] alapján, az ICE Handbook [10] értékeinek felhasználásá­val számítottuk. A szállítási adatokat is tartalmazó tevékenységek­nél a transzport­folyamatokkal járó ekvivalens kibocsátási faktort is figyelembe vettük.

Az eredményeket diagramos formában foglalhatjuk össze, mely mutatja a két hídtípus közötti különbséget (6. ábra).

6. ábra. Kibocsátások (Global Warming Potential; GWP) az élettartam különböző fázisaiban.

A fenti diagramhoz megjegyezzük, hogy a szállítási GWP-érték a többi értékkel nem összeadható, azt külön tartalmazza az a fázis, ugyanakkor szükségesnek tartottuk feltüntetni, hogy a két hídtípus esetén drasztikus eltérés van a szállítás általi ekvivalens CO₂-kibocsátásban is (7. ábra).

7. ábra. Összesített kibocsátások (GWP) az élettartam teljes ideje alatt.

A számítás tanulságai, következtetések

A bemutatott eredmények alapján összefoglalva az alábbi következtetéseket vonhatjuk le:

• A teljes életciklus vizsgálata alapján az időjárásálló acélból készült híd karbonlábnyoma ~22,4%-kal kevesebb, mint a hagyományos vasbeton hídé. Megfelelő szerkezetválasztással ekkora mértékű kibocsátáscsökkenés is elérhető.
• A megvalósítás (A fázis) vizsgálatával a vasbeton és az időjárásálló-acélhíd között nincs jelentős kibocsátáskülönbség (~2%). Az igazán nagy különbség a teljes életciklus üzemeltetési különbségében rejlik.
• A fenntartásról (B fázis) igen kevés számszerű adat/infor­máció áll rendelkezésre, ami az ekvivalens CO₂-t illeti, azon­ban az egész élettartamra vonatkoztatva az üzemeltetésből/kisebb beavatkozásokból adódó karbonkibocsátás el­enyé­sző mennyiségű. [11] Idesoroljuk a lokális felújításokat (beton­felületen mechanikai sérülések javítása, acélszerkezet tisztítása stb.). A fenntartás számításánál így a cserélendő hídtartozékok, teljes bevonati rendszerek, korlátok teljes újraépítésének eCO₂-jét határoztuk meg a két szerkezet esetében. Itt érhető tetten az időjárásálló acél legnagyobb előnye, miszerint nincs szükség festésre vagy egyéb korróziókezelésre, csak lokális beavatkozásokra, míg a betonszerkezet bevonatát a szerkezet tervezett élettartama (100 év) alatt többször cserélni kell. Az előregyártott pályalemez elemei szintén könnyen fenntarthatók, hiszen a jó minőségű előregyártott betonanyagnak köszönhetően nincs szükség a járófelület cseréjére, míg egy tartós híd esetén az aszfaltot 15-20 évente cserélni kell. Azt mellékesen jegyezzük meg, hogy az elhagyható felújítási munkának jelentős költségelőnye is mutatkozik.
• Bontásra (C fázis) a tervezett élettartam végén kerül sor, így rendkívül kevés információ áll rendelkezésünkre a jövőbeni viszonyokról. Ennek megfelelően ez egy erős becslés, a karakterisztikák elemzésére azonban jól használható. A bontás során keletkező karbon három részből adódik: a bontási munkálatokból, a hulladékok elszállításából (50 kilométert feltételeztünk minden anyag esetében), valamint a hulladékfeldolgozásból. Feltételezett újrahasználhatósági arányok (globális adatok) [11]:

– beton: 90% újrahasznosítás aggregátumként → 10% hulladék
– betonacél és pászma: 85% újrahasznosítás → 15% hulladék
– acél zártszelvények: 92% újrahasznosítás + 7% újrahasználás = 99% hasznos anyag → 1% hulladék

Ugyanakkor megjegyezzük, hogy a beton bontásakor keletkező aggregátum feldolgozását csak anyagában történő újrahaszno­sításnak nevezhetjük, mivel alacsonyabb rendű késztermék ke­letkezik, amelynek felhasználásához újabb anyagok és folyamatok szükségesek. Ezzel szemben az elbontott zártszelvények újrahasználata is relatív jelentős arányt képvisel, valamint az acél újrahasznosításakor a végtermék elhanyagolható mennyiségű segédanyagokat tartalmaz, ezért értékesebb készterméket kapunk, nem pedig annak egy részét.

• A szállításból adódó GWP a hagyományos vasbeton híd esetén több mint 2,5-szöröse az acélhíddal összehasonlítva, melynek nagy része a monolit szerkezet építéséhez szükséges nagy mennyiségű beton szállítása során keletkezik. Ez egyértelműen rámutat az előregyártás környezeti előnyeire.

Összefoglalás

A 21. század legnagyobb kihívása, hogy miképpen tudjuk kezelni a klíma­változás hatásait. Mindemellett a mobilitási igények is soha nem látott feladatok elé állítják a közlekedési szakmát. A közlekedési infra­struktúra fejlesztését tehát tovább kell folytatni, azonban a folyamataink felül­vizsgálatával olyan módszereket kell bevezetnünk, amelyek ugyanazt a mobilitási igényt kisebb karbon­lábnyom mellett teszik lehetővé.

Hidakkal és környezet­védelemmel foglalkozó mérnökök­ként tehát új anyagok felhasználásá­val olyan fejlesztési irányokat kell találnunk, amelyek lehetővé teszik a csökkentett karbon­lábnyom elérését hídépítési szerkezeteinkben – az ebben a cikkben bemutatott fejlesztésünk is ezt a célt szolgálja. Kiválasztottuk a leg­egyszerűbb hídtípust (két­támaszú kerékpárhíd), és a hagyományos vasbeton híd­szerkezeteinket részletes vizsgálatnak vetettük alá. Olyan új hídszerkeze­tet fejlesztettünk, melyben új anyag (időjárás­álló acél), új metodika (georács alkalmazása, alépítményi előregyártás) együttesen teszik lehetővé a ~22,4%-kal kevesebb karbon­­kibocsátást a teljes életciklus alatt. Mindemellett törekedtünk arra, hogy mérnökár­becsléseink alapján az új hídtípus építése ne jelentsen jelentős többletköltséget.

Ezt a fejlesztést kezdő lépésnek szánjuk. Célunk, hogy kifejlesszünk egy magyar viszonyokra optimalizált – közúti hidak esetén is használható – hídtípust, amely redukált környezeti terhelés mellett képes a mobilitási igényeket kielégíteni, hozzájárulva az EU által is előirányzott – a közlekedési szektor kibocsátáscsökkentését célzó – feladatok végrehajtásához.

Irodalomjegyzék

[1] 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: 2023.08.21)
[2] Cameron Archer, Jones, Daniel Green: Carbon targets for bridges: a proposed SCORS-style rating scheme. October 2021
www.thestructuralengineering.org
[3] European Design Guide for the use of weathering steel in bridge Construction. 2nd edition ECCS CECM EKS 2021.
[4] Vít Křivý, Monika Kubzová, Petr Konečný, Kateřina Kreislová: Corrosion Processes on Weathering Steel Bridges Influenced by Deposition of De-Icing Salts. (Faculty of Civil Engineering, VSB-
Technical University of Ostrava; SVUOM Ltd) link: Corrosion Processes on Weathering Steel Bridges Influenced by Deposition of De-Icing Salts – PMC (nih.gov).
[5] Kővári Ákos, dr. Katula Levente, Bartus Róbert, Homola Zoltán: Légköri-korrózióálló acélok hídépítési alkalmazása és 3R alapelvek szerinti hídszerkezetek a Veker-ér, Kórógy-ér és Kenyere-ér feletti kerékpárhidakon. 2023 UNITEF ’83 Műszaki Tervező és Fejlesztő Zrt.
[6] Tóthné Szita Klára: Életciklus-elemzés az elméleti alapoktól a gyakorlatig. Miskolci Egyetem, Gazdaságtudományi Kar, Világ-
és Regionális Gazdaságtan Intézet 2007, Miskolc.
[7]: Polgár András: Építőanyagok környezeti életciklus-elemzése 2016. Nyugat-magyarországi Egyetem Erdőmérnöki Kar Környezet-
és Földtudományi Intézet Környezetvédelmi Intézeti Tanszék.
[8] Debreceni Előd, László Viktor, Réz Zsolt Ádám: LCA számolási módszerek bemutatása. 2020 BME Vegyészmérnöki Kar.
[9] Carbon Calculation Guide foir Bridges Draft. 2022 Net Zero Bridges Group www.netzerobridges.org
[10] Guidance Document for PAS 2080. Construction Leadership Council The Green Construction Board.
[11] How to calculate embodied carbon 2022. iStruct Guide The Institution of Structural Engineers.