1999/7

Világcsúcsok az építményekben*

Kutatási feladatok a 21. században

Sebestyén Gyula

A korszerű építés meghatározza az építményekkel szemben támasztott követelményeket és ezek alapján előírja az építmények teljesítményét. A követelmények és teljesítmények legnagyobb része - valamilyen egységben mérve - számszerű értékkel jellemezhető. A teljesítmény meghatározhatja az építmény méretét (magasságát, hosszúságát, fesztávolságát, alapterületét), befogadóképességét (tanulók vagy osztályok, néző-, illetve ülőhelyek, ágyak számát, a tárolható mennyiséget) vagy egyéb képességet (teherbírás, hőszigetelés). A teljesítmény jellemezhető fajlagos mutatókkal is.

Ősi törekvés az építmények teljesítményét az addig ismert szinthez viszonyítva javítani, tágítani. Ez jelentheti a teljesítmények (és az ezeket jellemző mutatók) értékének a növelését, más esetekben pedig valamilyen fajlagos mutató értékének a csökkentését. A sportból vett analógiával szólva, az első csoportba tartoznak például a dobó, ugró, súlyemelő ágak (a cél az addigi eredmények számszerű értékének a növelése); a második csoportba tartoznak a futó, úszó, evezős számok (a cél az addigi időértékek csökkentése). A műszaki rekordokat (gyakran) a világ legfejlettebb megoldásaiként (csúcsteljesítményként) ismerjük el.

Míg a sportban az emberi fiziológiai képességek korlátozóan hatnak, addig a műszaki rekordoknál a korlátok más jellegűek. A teljesítményi érték tágítása és az épületekre/építményekre vonatkozó "rekord"-ok megdöntése meghatározza a 21. évszázad elején érvényesülő kutatási-fejlesztési irányzatokat. Korlátozást jelent azonban, hogy a kisebb (lakó- és egyéb) épületek fejlesztési irányait figyelmen kívül hagyjuk; ezek ugyan fontosak, de e tanulmány keretein kívül esnek.

A "rekord" (mind a sportban, mind az építésben) szintetikus eredmény, amelyben gyakran sok tényező hatása összegeződik. A műszaki rekordok rendszerint valamilyen többváltozós függvény szélső értékeit jelentik. A rendszerváltozás előtti időben az ilyen függvényeket gazdasági optimálásra nem lehetett használni, mert az akkori ár- és egyéb adatok miatt téves eredményt adtak. Jelenleg az ilyen optimálási modellek már használhatók és a modellbe többféle (sztochasztikus stb.) meggondolást lehet bevinni. Új probléma viszont a fenntartható fejlődés és a társadalmi, szociális tényezők számításba vétele. Változatlanul probléma a nem gazdasági és a nem (vagy csak feltételesen) kvantifikálható tényezők szerepe. Az ilyen esetekben alkalmazott ún. 'árnyék árak' ('shadow prices') bizonytalanságot visznek be a számításba.

A műszaki fejlődésnek és ezen belül a teljesítményi határértékek tágításának vannak fejlődési és stagnálási szakaszai, valamint ugráspontjai. Ha az ismert legfejlettebb technológia és tudás-állomány a legutolsó rekordszint megdöntését már nem teszi lehetővé, akkor a továbblépéshez új ötlet, technológia vagy tudás szükséges.

A következőkben előbb a mérnöki szerkezettervezés, majd pedig az építészet és városfejlesztés néhány kiválasztott területével, rekordjaival és a velük kapcsolatos kutatásokkal foglalkozom.

A teljesítmények növekedési folyamata

A nagyon magas épületek

1. ábra • Francia gótikus székesegyházak főhajójának a magassága (zárójelben az építés megkezdésének az éve és a főhajó magassága)

1. táblázat • Európai történelmi templomtornyok magassága

2. ábra • A világ legmagasabb felhőkarcolói (zárójelben a megépítés éve, amely időponttól kezdve a magassági rekordot tartották és az épület magassága)

3/a. ábra • Sky City 1000, Takenaka, 1000 méter

3/b. ábra • DIB-200, Kajima, 800 méter

A minél magasabb szerkezetek építésére való törekvés végigkíséri az emberi történelmet. A babiloni torony nem maradt ránk, de állnak az egyiptomi piramisok (a Keopsz eredetileg 146 méter magas volt), a gótikus és a későbbi székesegyházak, valamint korunk felhőkarcolói. Saint Denis volt az első francia gótikus székesegyház. Az ezt követő években épülő franciaországi székesegyházak mindegyikének a főhajóját az azt megelőzőnél magasabbra építették, egészen addig, amíg a Beauvais-i templom beomlott (1. ábra). A templomok tornyait is magasra, 100-170 méter magasra építették (1. táblázat). Ezeket csak a XX. század felhőkarcolói szárnyalták túl.

A felhőkarcolók sorát Chicago indította el a múlt század végén, de amikor a város megtiltotta a magasabb épületek építését (ezt, az 1892-ben hozott tilalmat végleg csak az 1920-as években oldották fel), New York vette át a vezető szerepet. Mind több mérnöki tudás kellett a magasság növeléséhez. 1974-ben a Sears toronyépület (Chicagóban) lett a világ legmagasabb épülete (443 m). Ezután 22 éves szünet következett. Az új rekordot Malajziában, Kuala Lumpurban a Petronas ikertornyokkal állították fel (452 m), de ez csak marginálisan múlja felül az addigi rekordot. A teherbírás még nem korlátoz, de a gazdaságosság követelménye kikényszeríti a még jobb anyagok és szerkezeti sémák alkalmazását. (2. ábra)

A nagyon magas épületek kezdetben vázas szerkezetűek voltak. A vázat eleinte a falakkal és a födémekkel merevítették ('braced frame'), később a rejtett, majd pedig a homlokzaton megjelenő átlós merevítők terjedtek el. A vasbeton elterjedése után csőszerkezetekkel merevítettek, éspedig az alaprajzi magban kialakított vasbeton csővel ('core braced frame'), vagy a homlokzati falak csőszerű kialakításával ('tube-in-tube'). Újabb változat az épületmag merevítése konzolos rácsos tartószerkezettel ('outrigger-braced') és a cső-nyaláb szerkezet ('bundled tube', Sears torony).

Frank Lloyd Wright 1956-ban készített (akkor még utópisztikus) vázlattervet 528 szint (egy mérföld) magas felhőkarcolóra, 100 ezer lakos és 15 ezer tisztviselő elhelyezésére. A terv nem valósult meg.

Ma már komoly tervek készülnek az eddigieknél lényegesen magasabb (800-3000 méter) felhőkarcolókra (3a-3b. ábrák). Ezekhez előzőleg számos problémát meg kell oldani. Így például a nagyon magas épületekben túl sok helyet foglalnak el a felvonók. A helyszükséglet ellensúly és kötél nélküli (lineáris indukciós motorokkal működtetett) felvonókkal csökkenthető. Már a Sears toronynál is gondot okozott, hogy a felvonó nagy gyorsulása és lassítása, valamint a gyorsan bekövetkező légnyomásváltozás kellemetlen érzést okoz. A felvonók sebességét és a légnyomást az érkezésnél szabályozni kell.

A magas építmények más fajtái a tornyok és a kémények. Néhány közülük magasabb a felhőkarcolóknál (C.N. torony, Toronto, 553 m; Moszkva, Osztankino, 540 m).

Nagytér-Iefedések

Falazott szerkezetekkel már az ókorban nagy fesztávolságú tereket tudtak lefedni. A római Pantheon kupoláját időszámításunk 128. évében fejezték be, 43,50 méter fesztávolsággal. Ezt a teljesítményt közel kétezer éven át csak megközelítették, de nem szárnyalták túl. A firenzei dóm kupolájának 42,50 m, a római Szent Péter bazilikáénak 42 m a fesztávolsága. Hasonló nagyságú tereket (közbenső alátámasztás nélkül) faszerkezettel is lefedtek.

4. ábra • Geodéziai kupola, Montreal, Kanada 50 méter magas, tervező: Buckminster Fuller

5. ábra • Hypar-tensegrity Georgia Dome, Atlanta, Georgia, USA; tervezők: Levy és Weidlinger-iroda

A XIX. században megjelent új szerkezeti anyagként a vas, a század második felében az acél, a századforduló körül a vasbeton, majd pedig a XX. században a ragasztott fa (Glulam), az alumínium, az acélkábel, a műanyagok és a műszaki textíliák (ponyvák). Ezekkel növekvő fesztávolságokat hidaltak át, miközben sok új szerkezettípus jelent meg és kidolgozták az új anyagokból készülő, újfajta térlefedések szerkezeti analízisét.

A múlt században vasrudakból készítettek kupolákat. Vas-, később acélszerkezettel és üvegezéssel épültek az európai nagyvárosokban fedett üzletfolyosók (galériák) és kupolák.

1913-ban a breslaui Jahrhunderthalle 65 méter átmérőjű bordás vasbeton kupolája indította el a vasbeton anyagú nagytér-lefedések fejlődését. Az 1920-as években jelentek meg a borda nélküli vasbeton kupolák (Jéna, 40 m átmérőjű, 6 cm vastag Schott-kupola; Jéna, 25 m átmérőjű, 3 cm vastag planetárium kupola.)

Később a vékony vasbeton héjak új típusai jelentek meg, amelyek geometriája - a keletkeztetés szerint - forgási vagy transzlációs jellegű; konoidok, hiperbolikus paraboloidok. Invenciózus mérnök-tervezők (Dischinger, Insterwalder, Torroja, Candela, Nerui) járultak hozzá a szerkezeti analízis fejlődéséhez.

Századunk második felében újra teret nyertek az acélszerkezetek. Már a második világháború előtt épültek 100, a háború után pedig 200 méteres átmérőt elérő nagytér-lefedések. Megjelentek a két és háromsíkú fém (acél- és alumínium) térrácsok (Mero, Triodetic, Unistrut stb.), a geodezikus kupolák (Buckminster Flaller) (4. ábra), a függesztett és húzott kábel- és lemezszerkezetek ('tensegrity' szerkezetek). A houstoni Astrodome fesztávolsága közel 200 méter, a New Orleans-i Superdome-é 213 méter. Az 1992-ben elkészült Georgia Dome 'hypar tensegrity' ovális lefedése 240x192 méter alapterületű, textilponyva takarású kábelszerkezet (5. ábra). Nagy új ponyvatetők készültek például Szaúd-Arábiában a dzsiddai és az USA-ban a denveri repülőtéren. Új eredmény a nagystadionok össze- és széthúzható lefedő szerkezete.

2. táblázat • Acél függőhidak fő fesztávolsága

3. táblázat • Feszített vasbeton hidak fő fesztávolsága

Közben nőtt a faszerkezetek fesztávolsága is és már a 150 méteres fesztávolságot is túlhaladták. A nagytér-lefedések fejlődése tovább tart. Londonban, illetőleg Greenwhichben 360 méter átmérőjű Millennium kupolát terveztek.

Mérnöki létesítmények. Infrastruktúra

A történelmi korok hídjai falazott szerkezetűek vagy fából ácsoltak, esetleg kötélen függesztettek voltak. A vas, illetőleg az acél megjelenése szerkezeti anyagként új helyzetet teremtett. A Severn folyó feletti vashíd 1776 és 1779 között 30 méteres fesztávolsággal épült és ettől kezdve, a XIX. század folyamán a fesztávolságok gyorsan nőttek. A század végére a fesztávolságok elérték az 500 métert, de a gyors fejlődést több híd leszakadása kísérte.

6. ábra • Kábelmerevítésű hidak (zárójelben: megépítés éve és fő fesztávolsága)

A rácsos szerkezetű hidak mellett megjelentek a függőhidak: előbb a lánc-, majd a kábelhidak. (2. és 3. táblázat, 6. ábra)

Az első 1000 méteren felüli fesztávolságú híd Othmar Ammannak a Hudson folyót átívelő George Washington függőhídja volt. A legfrissebb "világrekord" a dániai Nagy Belt 1600 métert meghaladó fesztávú függőhídja. A kétezer méteres fesztávolságot Japánban, az Akashi híd átadásával haladták túl (fesztávolság: 2022 méter). Közben bevezették a kábelmerevítésű hidakat, és a vasbeton hidakat is sokféle módon alakították ki. A fesztávolságok mindegyik kategóriában nőttek, bár a függőhidakét nem érik el. A nagy fesztávolságú hidak sikeres építéséhez meg kellett tanulni az aerodinamikus és szeizmikus hatásokra való méretezést, új anyagok és technológiák alkalmazását.

Kétszáz évvel ezelőtt épült a 460 méter hosszú alagút a Temze alatt. Sziklában csak a múlt század közepétől tudtak hosszú alagutat fúrni. Ez a kompresszoros fúró és a robbanó zselatin (nitroglicerin+nitrocellulóz) felfedezésének volt köszönhető. Az Alpok alatt egymás után épültek a tíz kilométert meghaladó hosszúságú alagutak (Mont Cenis, St. Gotthard, San Bernardino, Simplon, Mont Blanc). Századunkban fejlesztették ki a víz alá süllyesztett elemekből építhető alagutakat. Megépültek az etső tenger alatti hosszú alagutak (Japánban Honshu és Hokkaido között, 54 km, Anglia és Franciaország között 51 km, ebből 38 km a víz alatt).

Tenger által elválasztott szárazföldi területek között (alagúttal és/vagy híddal) 30-50 km hosszú közúti és vasúti összeköttetések épültek (Japán, Dánia) és még hatalmasabbakat terveznek (Dánia és Svédország között, a Messinai és a Gibraltár szorosokon át).

Rendkívüli teljesítmény a nagy gátak építése. Több közülük 2-300 méter magas (Svájcban, Tadzsikisztánban és másutt). A völgyzáró gátak a geotechnikai ismereteket gazdagították; kikötők, tenger-feltöltések, hűtőtornyok, silók, bunkerek, tartályok és egyéb nagy mérnöki létesítmények is sokféle kutatási probléma megoldását igénylik.

Az infrastruktúra fejlesztésére mind nagyobb építkezések szükségesek. Szinte folyamatosan épülnek a gyorsforgalmú utak és a nagysebességű vasútvonalak, felkészülnek a 450-500 km/óra sebességű Maglev technológiájú vasútvonalak építésére. Befejeződött a szökőár elleni védekezés komplex védőrendszere, a holland Delta-terv. A legutolsó létesítmény az úgynevezett Új Víziút-ba beépített két (egyenként 210 m hosszú és 22 m magas íves záró falat tartalmazó) rendszer, amelyet 1997-ben adtak át.

Hatalmas építkezésekkel fejlesztik a világ kikötőit, köztük a legnagyobbakat (Rotterdam, Szingapúr, Hongkong, Sanghaj). Az új pályaudvarok és repülőterek is imponáló méretűek. Hongkong Chek Lap Kok repülőtere 5,5 x 3,5 kilométeres új szigeten épül, ez volt a még épülő kínai Három Szoros gát után a világ legnagyobb infrastrukturális beruházása, amelyen egy időben dolgozott a világ kotrógépállományának a fele. Az új nagy repülőterek (Makao, Cam; Oszaka, Kanszai; Szöul, Ichon stb.) egyenként évi 80-100 millió utas kiszolgálására készülnek, tehát nagyobb forgalmúak lesznek, mint a mai legnagyobb amerikai és európai légikikötők. (A Chicagói O'Hare-t 1993-ban 65 millió utas vette igénybe.)

7. ábra • Nagyméretű irodaépület, Párizs, Défense; tervező: Spreckselsen

Építészeti (teljesítményi) csúcsteljesítmények

Az építészeti (teljesítményi, tehát nem építőművészeti) csúcsteljesítmények rekordértékekkel nem jellemezhetők. Ebben bizonyos sportágakhoz hasonlítanak (torna, birkózás, ökölvívás, vívás). Ennek ellenére az adott időszakban eléggé nyilvánvalóak a kiemelkedő eredmények. A XX. század első felében a "modern" építészet és végső kifejlődésében a "Nemzetközi Stílus" vált uralkodóvá. A 60-as évektől kezdődően az ezzel való elégedetlenség hozta létre a 'poszt-modern' irányzatot, sokféle (metabolikus, dekonstruktivista stb.) változataival és új esztétikai elvek megvalósulásával együtt. (7. ábra)

Az új stílusok összekapcsolódtak a technológiai fejlődéssel és 'high-tech' épületeket eredményeztek. A történeti korok építészetétől gyökeresen eltérő épületek jönnek létre, így például múzeumépületek (Groningen, Bilbao stb.).

Új jelenség az épületek programjának komplex jellegűvé és nagyméretűvé válása. A hagyományos könyvtárak, színházak, filmszínházak helyett újszerű művelődési-információs, szórakozási intézmények épülnek. Ezek egyik sajátossága a komplexitásból fakadó nagyobb méret, és ezzel együtt az, hogy újszerű megjelenésükkel egész városrészek rekonstrukcióját indukálják.

Rem Koolhaas neves holland építész szerint mintegy száz év óta a "bigness" vagyis a "nagyméretűség" izgatja (újólag) az építészeket. A nagy méret lehet a megrendelő áhított célja, mint ahogyan ez korábbi korokban is előfordult. Megépült Elefántcsontparton Yamoussoukrou-ban a Notre Dame de la Brousse templom, a római Szent Péter templom által ihletve, kétszer akkora átmérőjű kupolával (90 m). Az utópiákat nem tárgyaljuk, viszont reális és megvalósuló tervek alapján épülnek jelentős, a korábbiaknál nagyobb és összetettebb funkciójú épületek (például a Rem Koolhaas által tervezett lille-i Congexpo kongresszusi és kiállítási palota, amelynek sokféle programját a tervező egyetlen hatalmas ellipszis alakú alaprajzi tömbben foglalta össze). Az ilyen nagyméretű épületekkel kapcsolatosan rendszerelméleti és -technikai kutatásokra van szükség. A bonyolult műszaki rendszerekkel felszerelt épületek és építmény együttesek üzemeltetésére új szakma: a facility management jött létre.

A modern építészetet követő poszt-modern, dekonstruktivista és high-tech irányzatok is felvetnek új (nem-teherhordó szerkezeti) technológiai problémákat. Ilyenek például az újabb szállodaépületekben a magas (50 szintet is elérő), felül üvegezett átrium-terek védelme tűz ellen, a természetes (nappali) és a mesterséges világítás új eszközei és mások.

Kutatások a teljesítmények növeléséhez

A műszaki haladás és ezen belül a teljesítményi határértékek (a "rekordok") túlhaladása tapasztalati alapon vagy pedig kutatási eredményeken alapuló mérnöki munkával valósítható meg. A kutatás szerepe idővel növekszik, de az építésben jelentős az invenciózus tervezők szerepe és a jövőben is az marad.

Az alapkutatások (matematika, fizika) eredményei több technológiai területen alkalmazhatók. Korunkban olyan tudományágak (például az orvostudományi kutatás) eredményeire is szükségünk van, amelyek korábban nem, vagy csak alig hatottak az építésre.

Az építmények teljesítményi határértékeinek tágításához egyre több eszköz áll rendelkezésre: elméleti és alkalmazott kutatás, kísérletező és modellező munka, károsodások és katasztrófák elemzése. E sokirányú kutatásban a magyar tudósok (Kármán Tódor, Csonka Pál és mások) szerepe nemzetközi szinten régóta ismert és megbecsült.

Matematika, mechanika, számítástechnika

Az elmúlt fél évszázad alatt mindenekelőtt a szerkezettervezés szükségletei igényelték a matematika, mechanika, számítástechnika fejlődését, de az eredményeket a szerkezettervezésen kívül hasznosították a mérnöki munka más (például a hőterjedés és az akusztika) területein is.

A mérnöki matematikában a legfontosabb új eszközök, az algebrai és analitikai módszerek, így többek között a véges elem és a peremérték módszerek. Numerikusan megoldhatóvá lettek analitikusan leírható, de zárt formában megfelelően nem kezelhető problémák, így például a tetszőleges geometriájú, meghatározott peremfeltételekkel rendelkező és nem homogén anyagú szerkezetszámítási feladatok.

A valószínűs égszámítás, a matematikai statisztika a számítási modellekben fontos szerephez jutott, és az elemzéseket ki lehetett terjeszteni érzékenység-vizsgálatokra (sensitivity analysis) és kockázatra. Kifejlődtek az optimálási módszerek, ideértve a matematikai programozás különböző (lineáris, kvadratikus, dinamikus) módszereinek alkalmazását.

A determinisztikus mechanikai (vagy egyéb, például hőterjedési) modellek helyett lehetővé vált a sztochasztikus folyamatok elemzése, ennek során véletlenszerű (random), időben és térben változó tényezők alapulvétele, például az anyagtulajdonságokat, a hatásokat a terheléseket és a geometriát illetően.

A fejlődés másik ága volt különböző alakok, felületlefedések, térkitöltések és tagolások geometriájának a kutatása, ami megalapozta a különböző szerkezeti megoldások geometriájának a reprezentációját, generálását, optimálását. Ezekkel kapcsolatosan fejlődött a morfológia és a topológia. A bonyolult szerkezeti konfigurációjú nagytér-lefedések területén a fejlődés egyik példája a Formex algebra és az ennek kezelésére kidolgozott Formian számítógépnyelv.

A számítási-tervezési eszköztár kibővült a plaszticitás és a stabilitás elméletével és a dinamikus analízissel. Az elasztikus modellek mellett a plasztikus vagy a plasztikus elasztikus modellek, az eredeti geometrián alapuló (elsőrendű) elméleten kívül a terhelés alatti deformációkat figyelembe vevő (másodrendű) elmélet is helyet kapott a szabályzatokban, a határállapotra való méretezéssel együtt. A bonyolult méretezési eljárásokat a számítástechnikán kívül segítik a különböző modellvizsgálatok (szélcsatorna, laboratóriumi terhelésvizsgálatok stb.).

A "rekord" teljesítményű épületeket a szokásos hatásokon kívül rendkívüliekre is méretezni kell. Így például a szél és a földrengés jelentős kihajlási, transzlációs-torziós elmozdulásokat okozhatnak. A tényleges szeizmikus és szélhatások alapos tanulmányozása és megismerése ellenére is maradtak kutatandó témák, mint például a mélyebben lévő puha rétegek viselkedése, a talaj folyóssá válása és a függőleges irányú talajmozgások bizonyos jellemzői a legcélszerűbb nem-lineáris és spektrum-analízis modellek helyes megválasztása.

A dinamikai hatásokra való tervezés során a merevségen és flexibilitáson kívül a duktilitás fontos szerepe is nyilvánvalóvá vált. A szerkezeti rezgéscsökkentésére aktív és passzív csillapítási módokat és ezek számítási eljárásait használják. Az elasztomer réteg a magasépület fémszerkezete és alapozása között a fémszerkezet alapfrekvenciáját a talajmozgás alapfrekvenciája alá viszi (base isolation). A nagytér-lefedésekhez az általános stabilitás mellett a kinematikai stabilitást (pl. az eredeti geometria megmaradását, a helyi stabilitást, a horpadás megelőzését) is biztosítani kellett.

A korszerű szerkezetek tervezése sokféle elméleti, modellezési és számítási probléma megoldását igényelte. A magyar tudósok, mérnökök hozzájárulása ezekhez a múltban is (Menyhárd István, Csonka Pál, Szmodits Kázmér), a jelenben is (Kollár Lajos, Szabó János és mások) nemzetközi szinten is elismert és nagyra becsült.

A mérnöki számítási igények napjainkban jelentős mértékben megnőttek. A felhőkarcolók, nagytér-lefedések, nagy fesztávolságú hidak szerkezeti tervezése, a külső és belső környezeti hatások számítása nagykapacitású számítógépek nélkül nem lenne lehetséges. A bonyolulttá és nagyméretűvé vált mérnöki számítások céljára előbb a nagygépek, majd a megnövelt kapacitású személyi számítógépek, legújabban pedig ezek hálózatokhoz kapcsolása, az adatbázis kezelés szolgál alapot.

Anyagtudomány

A jelenleginél jobb teljesítményű szerkezetek, épületek és építmények csak fejlettebb tulajdonságú építőanyagokkal építhetők. Az anyagkutatások célja és tartalma anyagonként különbözik.

Az új építőanyagok tették lehetővé azt, hogy megadott teljesítmény a korábbinál kevesebb anyagból, kisebb tömeggel valósítható meg.

A beton eddig alkalmazott fajtáin (vasbeton, feszített beton, könnyűbeton stb.) kívül megjelent a nagy teljesítményű ('high performance') beton. Ezzel kapcsolatban szükséges a kúszás és zsugorodás kutatása, különösen a kezdeti időszakban; a rosttal, vágott szállal erősített beton; a tűzállóság kutatása, a repedések modellezése. A nagy teljesítményű betonból készített szerkezetekre vonatkozóan különösen a pontszerű nyomás (pillér és födém csatlakozás) helyeit; a plasztikus csuklókat, a minimális vasalást, a vasalás lehorgonyzását kutatják, továbbá a repedés-szélesség számítását. Kutatások folynak a kompozit szerkezetek és az előállítási technológiák terén is.

Az acéllal kapcsolatos kutatás-fejlesztés a nagy szilárdságú hegeszthető és jó duktilitású acélok szélesebb körű alkalmazására; a kapcsolatokra (félautomatikus kapcsolatok, öntött acél kapcsolóelemek, új szegecsek és csavarok); jól gyártható új hengerelt és hajlított keresztmetszetekre; vékony hajlított acéllemez szerkezetekre irányul.

A fa új felhasználásai: a glulam (tehát a ragasztott szerkezeti fa); a tömörített fa; új rácsos szerkezetek és csomóponti kapcsolataik; lemez-merevített szerkezetek (stressed skin panel), mind új kutatómunkát igényelnek.

A szerkezeti üveg, a műanyagok és a műszaki ponyvák ugyancsak sokféle kutatást indokolnak. A párizsi Louvre nagy és kis piramisánál a tervező által igényelt nagy átlátszóságú üveg, az energiatakarékosság céljából pedig a napsugárzásra megfelelő módon reagáló üvegek tettek szükségessé kutatásokat.

A kutatások egy része bizonyos anyagokra vonatkozóan specifikus. Így például a repedés-mechanikában figyelembe veendő, hogy az acél repedéseinek jelentős részét fáradás okozza, a fa repedései nagyban függnek a rostszerkezettől és ennek a kapcsolatokkal való viszonyától; a betonban pedig a külső hatások okozta feszültségi repedéseken kívül nagy szerepe lehet a zsugorodásnak, kúszásnak, szemszerkezetnek.

Egyéb tudományágak

A római színházak akusztikája, fürdőik kialakítása, a gótikus székesegyházak bevilágítása tanúskodik arról, hogy a történeti korok építői is gondoltak a teherbíráson kívüli szempontokra, lehetőségeik azonban korlátozottak voltak. Korunkban a vízellátás, fűtés, világítás, felvonótechnika, telekommunikáció új távlatokat nyitnak, de egyszersmind új kutatásokat is tesz szükségessé. Megemlítek néhány aktuális kutatási feladatot.

A hő és nedvesség terjedését illetően új felismerés, hogy a levegő exfiltrációja és rotációja (különösen hideg éghajlat esetén) erősen befolyásolja az építmények szerkezeteinek a higrotermikus reakcióját. Ezt és más, eddig determinisztikus viszonyokra elemzett hőtechnikai problémát sztochasztikus körülményekre kell vizsgálni. Új fűtési és szellőztetési rendszereket fognak kidolgozni és elterjeszteni, mint amilyen például a transzparens hőszigetelés, az alulról bevezetett szellőztető levegő ('displacement ventilation') és a hűtött álmennyezet ('cooled ceiling'). A hőtechnikába is be kell vezetni a teljesítményi határértékekre alapozott méretezést és szabályozást. Fejlesztik és komplexebbé teszik a számítási modelleket és a nagy tervező szervezetekben fokozatosan kialakulnak a statikai, építészeti szakágakhoz hasonló épületfizikai szakági részlegek.

Ma már a kísérleti megvalósulás szakaszába lépeti a korszerű épületberendezések létrehozása az elektronika felhasználásával, de még messze vagyunk a tényleges széles körű alkalmazástól. A "rekord" épületek kísérleti terepként szolgálnak a szélesebb körű elterjesztéshez (programozható fűtés és szellőztetés: épületeken belüli és kívüli kommunikáció; funkciók automatizálása ('intelligent buildings', 'smart homes').

A korrózió és a pára-kondenzáció fizikai-kémiai folyamatai lényegileg tisztázottak, de még csak elszigetelt eredmények vannak a biológiai korrózió és a biológiai hatások (például asztma) tekintetében. A különböző biológiai hatások (állati: házi atka; növényi: moha, moszat, alga, penész; bakteriológiai) és ezek más hatásokkal való kombinációi csak részlegesen ismertek. Az elektromágneses sugárzásnak hosszú idő alatti egészségre gyakorolt hatásáról csak bizonytalan ismereteink vannak és a védekezésnek nincsenek gyakorlati megoldásai. A szagok kvantifikálására még csak kezdeti eredmények léteznek.

A szupertiszta levegőt igénylő (termelő vagy gyógyító célú folyamatok elhelyezésére szolgáló) helységek és épületek jellegzetességei (és költségei) nagymértékben függnek a levegő megkívánt tisztasági fokától.

A hagyományos kísérleti eszközök, modellek és számítások nem adnak elég segítséget a heterogén felépítésű épületszerkezetek akusztikai tervezéséhez és ellenőrzéséhez. Új kísérleti műszerekkel jobban mérhetők a hang-intenzitás és a zaj-transzmisszió csökkenés. Új vizualizálási mérési technika az akusztikai holográfia és az ezen alapuló fonoszkópia. Szükség van az építőanyagok és hangelnyelő anyagok dinamikai sajátosságainak pontosabb megismerésére is. A numerikus számítások itt is a véges elemek és a perem-elemek módszereit hasznosítják.

A tűz és füst elleni védekezésre irányuló kutatómunka nagy eredménye egy új mérnöki szak (tűzvédelmi mérnök: 'Fire safety engineering'). További kutatómunka folyik a tűz- és a füstterjedés jobb modellezése céljából.

Tanulságok

Az emberi ambíció, a társadalom szükségletei, a fejlődő tudományos ismeretek és technológiák az építés új rekordjait és csúcsteljesítménynek számító építményeket hoztak létre. Ez a folyamat nyilvánvalóan folytatódni fog, ami több tanulsággal szolgál.

A kiemelkedő teljesítményű építmények megvalósítására jelentős igény lesz a jövőben is. Ez az építőipar szakmailag legfelkészültebb szektorai számára tartósan feladatokat gerjeszt, mert ezek az építmények egyszersmind ki fogják kényszeríteni környezetük és általában az egész épített környezet rekonstrukcióját. Ez teljesen más jövőkép, mint az az elterjedt nézet, hogy az építőiparnak a jövőben főleg karbantartási és javítási megbízásai lesznek.

Az építmények teljesítményeinek tágítása csak intenzív kutatómunka alapján valósítható meg. Ezért az építéstudományi kutatást fontos területnek kell tekinteni, ideértve a jövőben még fokozódó jelentőségű együttműködését egyéb kutatási szektorokkal.

A magyar építőiparnak általában nem feladata világrekordokat képviselő építmények (tornyok, alagutak, felhőkarcolók) megvalósítása. Tekintettel azonban a technikatörténet tanulságára, miszerint a közepes és kis építési beruházásokon is hasznosulhat a kiemelt feladatokon elért haladás, a magyar építésügyi kutatásnak szoros kapcsolatban kell maradnia a világ élenjáró kutatásával és építési gyakorlatával.

A teljesítményi értékek tágításának az irányzatai egyszersmind előre jelzik a 21. század első részében várható építési és építéskutatási irányzatokat. Mindezek tudományos alapként fognak szolgálni az új társadalmi elvárások (a környezet, az emberi egészség és a klíma védelme, a természeti erőforrásokkal való takarékosság, a fenntartható fejlődés) kielégítéséhez és az ezeknek megfelelő építéshez és településfejlesztés.

* A szerző az MTA külső tagja. A tanulmány 1997. december 17-én megtartott akadémiai székfoglaló előadása alapján készült.


<-- Vissza az 1999/7 szám tartalomjegyzékére