A cikkben bemutatjuk a Rail System Kft. által képviselt, a Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatalánál 229560 lajstromszámon nyilvántartott, előre gyártott és utólagosan összefeszített vasbeton elemekből álló teherelosztó rendszert. Rövid összefoglalást adunk a tégla és kő anyagú boltozott vasúti hidak leggyakrabban előforduló károsodásairól, ismertetjük a sokszor ismétlődő forgalmi terhelések kedvezőtlen hatását.
Továbbá bemutatunk néhány korábban alkalmazott gyakorlati megoldást a hidak teherbírásának növelésére és élettartamának meghosszabbítására teherelosztó rendszerek felhasználásával. Végül ismertetjük az előre gyártott, utófeszített rendszert, amelynek előnye a hidak teherbírásának és élettartamának növelése mellett a korábbi megoldásokhoz viszonyított kis költség, rendkívül gyors beépíthetőség, valamint a vízszigetelés, a vízelvezetés és az ágyazati anyag megtámasztásának egyidejű megoldása.
1. Bevezetés
A tégla- és kőanyagú boltozott vasúti hidak jelentős részét képezik a hazai és a nemzetközi hídállománynak. A boltozatos hidak a hídállomány legrégebbi szerkezetei, amelyek közül még ma is több ezer forgalomban van (a MÁV és GYSEV vonalain 741 db), annak ellenére, hogy terhelési körülményeik az építésük óta eltelt időszakban drasztikus változásokon mentek keresztül. Számos közülük műemléki védelem alatt áll, vagy a műszaki emlék szerkezetek közé sorolható. Műszaki állapotuk folyamatos romlása szükségessé teszi állagmegóvásukat, rehabilitációjukat.
2. A boltozott vasúti hidak állapota és javításuk
2.1. A károsodás okai
A boltozott vasúti hidak számos, az építésük óta megnövekedett vasúti forgalomból, a környezeti hatásokból, esetleg a korábbi beavatkozásokból eredő károsodást szenvednek. Ezek a hatások a teherbírásukra, a tartósságukra kedvezőtlen hatással vannak. A károsodások általában az alábbi okokra vezethetők vissza (Orbán, Z. 2004):
– környezeti hatások miatt bekövetkező károsodások (pl. a szerkezet átázásából és fagyásából adódó károk),
– a forgalmi terhek hatásaként a szerkezet túlterheléséből adódó károsodások (pl. statikus túlterhelés, dinamikus hatások),
– az alapozás nem megfelelő kialakítása vagy annak károsodása (pl. alapok kimosódása, egyenlőtlen süllyedése),
– egyéb okok (pl. rosszul kivitelezett karbantartás, járműütközés, katasztrófa).
Gyakori problémát jelent még vasúti boltozatok esetében az ágyazat nem megfelelő oldalirányú megtámasztása a pálya-karbantartási munkák (vágánytengely-eltolódás miatti egyenlőtlen terhelés és a szélességi méret elégtelenné válása) eredményeként kialakuló ágyazattöbblet miatt. A „tartóssági jellegű” meghibásodások és azok halmozódása előrehaladott állapotban a teherbírásra is igen kedvezőtlen hatással lehetnek (1. kép).
1. kép Az ágyazati anyag nem megfelelő oldalirányú
megtámasztása
2.2. A sokszor ismétlődő terhelés hatása
A sokszor ismétlődő dinamikus hatások rendkívül veszélyesek lehetnek a tégla- és kőboltozatú hidakra, ugyanis idővel tönkremenetelhez vezethetnek. Ez elsősorban alacsony feltöltéssel rendelkező kisnyílású hidak esetében jelent problémát. A teherbírás nagymértékben függ a koncentrált jellegű kerékteher eloszlásának mértékétől, a szerkezeti anyagok nyomószilárdságától, valamint a teherviselésbe „bevonható” ún. dolgozó szerkezet szélességétől. Ez utóbbit jelentősen befolyásolja a szerkezeti repedések mértéke és elhelyezkedése is. A tégla-, illetve kőboltozatú hidak esetében a használhatóság szorosan összefügg a sokszor ismétlődő terhelés okozta állapotromlással, amely lényegében fáradási tönkremenetelnek tekinthető (Roberts et al. 2006; Melbourneet al. 2007).
A fáradási tönkremenetel, más szerkezettípusokkal (pl. vasbeton vagy acélhidak) ellentétben, elsősorban nem teherbírási probléma, ugyanis a törési mechanizmusok kialakulásához szükséges teherszintet csak kismértékben befolyásolja. A sokszor ismétlődő teher ellenben hatással van a falazóelemek közötti kapcsolatok erősségére, és azok lokális leépülését eredményezheti. A jelenség előrehaladásával a szerkezet használhatósága korlátozódik.
2.3. Korábban alkalmazott módszerek és megoldások
A boltozatos hidak hagyományos megerősítési módszerei általában arra irányulnak, hogy a meglévő boltozat terheit (vagy azok túlnyomó részét) egy újonnan beépített szerkezetnek adják át. Ez lehet például a boltozat fölé beépített vasbeton nyereg vagy a külső felületen kialakított viszonylag vastag, dupla vasalással ellátott, kellően lealapozott lőttbeton bélelés (2. kép). Mindkét megoldás arra irányul, hogy a boltozatot gyakorlatilag mentesítse az eredeti teherviselési funkciója alól. Mivel a merev vasbeton kéreg és a lágyabb boltozati felület együttdolgozása nem biztosítható hatékonyan, ezért az új kérget önálló teherviselő boltozatként szokás méretezni. A költséges megoldásnál a meglévő szerkezeti rendszerbe drasztikusan beavatkozunk úgy, hogy a régi boltozat teherbírásáról szinte teljes egészében lemondunk. Gyakorlati tapasztalatok és számítások azt igazolják, hogy a leggazdaságosabban úgy lehet régi boltozott szerkezetek teherbírását hosszú távon biztosítani, ha segítünk nekik az évtizedekig jól működő statikai rendszer fenntartásában.
2. kép Boltozott hidak megerősítésének hagyományos módszerei: a) lőttbeton kéreg b) vasbeton nyereg
Így nem az a cél, hogy minél jobban áthárítsuk az eredetileg viselt terheket, hanem az, hogy meggátoljuk a régi statikai rendszer átalakulását egy labilisabb, tönkremenetel szempontjából kockázatosabb rendszerré. Ennek kulcsa a megfelelő teherelosztás, a káros szerkezeti mozgások korlátozása, valamint a lokális jellegű tönkremeneteli folyamatok hátráltatása. Így amennyiben a szerkezet meglévő teherbírása igazolható, a megerősítési megoldásnak (amennyiben erősítés egyáltalán szükséges) elsősorban a mértékadó tönkremeneteli mechanizmusok kialakulását kell hátráltatnia oly módon, hogy a kritikus helyeken gátolja a boltozat káros mértékű alakváltozásait, vagy csökkenti a forgalmi terhelés során keletkező feszültségeit.
Ez lehetséges például nagy energiaelnyelő képességű vékony erősítő kéreg alkalmazásával, háttöltés-injektálással, az alapok stabilizálásával, a keresztirányú merevséget növelő részek (pl. homlokfalak) újra együttdolgoztatásával a boltozattal vagy teherelosztó szerkezet alkalmazásával. Boltozatok teherelosztásának javítására sokféle műszaki megoldást fejlesztettek ki. A boltozat fölé beépített teherelosztó szerkezetnek elsősorban az a feladata, hogy csökkentse a szerkezetre háruló dinamikus és koncentrált jellegű hatásokat, illetve az ezekből származó feszültségeket. A teherelosztás mértéke javítható monolit vasbeton lemezzel (1. ábra), a háttöltés vagy az ágyazati anyag injektálásával. Az ágyazati anyag injektálásának (2. ábra) nagy előnye, hogy nincs szükség a vasúti felépítmény és a boltozat feletti töltés elbontására, ezért vágányzár-igénye sincs. Hátránya viszont az, hogy a boltozat vízszigetelését nem oldja meg, és a teherelosztás mértéke sem hasonlítható össze a vasbeton lemezek alkalmazásával elérhető hatással.
1. ábra Monolit teherelosztó lemezek alkalmazása (Roggli 2012)
2. ábra Teherelosztó réteg kialakítása az ágyazati
anyag injektálásával (Gilbert 2012)
3. Boltozott hidak rehabilitációja a teherelosztás javításával utófeszített lemezsor alkalmazásával
3.1. Általános leírás
Számítással igazolható, hogy teherelosztó lemez beépítésével jelentősen csökkenthető a boltozatban forgalmi terhelés hatására ébredő feszültségek nagysága és ingadozása, ezáltal jelentősen megemelhetők a fáradási tönkremenetelt okozó teherismétlési számok, így a szerkezet várható élettartama növelhető (Orbán, Tóth, Bagi 2010). Vizsgálataik szerint a boltozat feletti töltés tömörsége és a falazat merevsége is befolyásolja a feszültségek változását. A vasbeton teherelosztó lemez kedvező hatása alacsonyabb merevségű háttöltés esetén nagyobb mértékben érvényesül. A teherelosztó lemezek hazai fejlesztésű kialakításában (Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatalánál 229560 lajstromszámú bejegyzett találmány) a lemezek előre gyártott U alakú bordás vasbeton elemekből készülnek (3. ábra) , amelyeket egy előre elkészített felületre szorosan egymás mellé helyeznek, és ezt követően utólagosan összefeszítenek.
3. ábra Teherelosztó lemezelemek geometriai kialakítása
Ebben a rendszerben a feszítés biztosítja az elemek közötti kapcsolatot, valamint a nyomatéki és nyírási ellenállást. Mivel a lemezelemek között nincs átmenő vasalás, ezért a feszítőerő akkor tekinthető megfelelőnek, ha az állandó és hasznos terhek, valamint a feszítés hatásaként keletkező összegzett normál feszültség a lemezelemek csatlakozásánál nincs a pozitív tartományban, és nem is haladja meg a beton nyomószilárdságának 60%-át. Az előre gyártott elemek közötti felület fajlagos nyírási ellenállása a feszítésből származó feszültség és a csatlakozási felületen figyelembe vehető súrlódási együttható szorzataként adódik. A szóba jöhető terhelési esetekre az alkalmazott rendszer megfelelősége numerikus számítási modellen igazolható. Az előre gyártott elemekből álló rendszer előnye a monolit kialakítással szemben, hogy jelentősen lerövidíti a beépítés idejét, akár egyéjszakás vágányzárban megvalósítható, a vasúti forgalom ezt követően azonnal helyreállhat.
A lemezek vastagsága aszerint optimalizálható, hogy a boltozat feletti töltés vastagságától és tömörségétől, valamint a meglévő szerkezet kialakításától függően milyen mértékű teherelosztásra van szükség. Ezen kívül a teherelosztó lemezzel megoldható a boltozat feletti vízszigetelés és vízelvezetés is, továbbá biztosítva van az ágyazat oldalirányú megtámasztása a szélső bordáknak köszönhetően. A bordákra szerelt üzemi gyalogjáróval a pályaszemélyzet padkán történő biztonságos közlekedése folyamatossá válik.
3.2. A fejlesztés nem állhat meg
Természetesnek kellene vennünk, hogy egy bejegyzett szabadalom nem a végső cél, csupán megfelelő jogi alap a találmány további javítására, fejlesztésére a tervező, gyártó, beépítő és az üzemeltető tapasztalatai és javaslatai alapján. A szabadalom műszaki megoldásai a beépítések tapasztalatainak feldolgozása után javultak. A képviselő Rail System Kft., a gyártó Ferrobeton Zrt., a tervező Orisoft Kft. és a szakértő Híd-Kő Bt. közös munkájának eredménye, hogy a következő használhatósági és műszaki paraméterek kedvezőbbé váltak:
– az alkalmazott vízzáró beton minősége meghaladja az eredetileg tervezett C 35/45 értéket,
– a szélső elemekben elhelyezett vízelvezető folyóka tetszőleges irányú csapadékvíz-kivezetést tesz lehetővé (3. kép), – a korábban bordákban elhelyezett emelési helyek megszűntek, így a lemez minden keresztmetszetében egyenletes minőségű, és a lemezsor esztétikai szempontból egységes, – rugalmas, feszítéskor ellapuló tömítések alkalmazása az elemek között, – rugalmas vízzáró tömítések készítése az összefeszített elemek felső és oldalsíkjain (4. kép).
3. kép Teherelosztó lemezelemek a Ferrobeton Zrt. szolnoki gyárában
4. kép Rugalmas hézagzárás elemek között
3.3. Gyakorlati tapasztalatok és példák
Az előre gyártott elemekből álló rendszer gyakorlati alkalmazhatóságát a beépítések igazolják. Az 5. képen látható, hogy csak kis mértékű földmunka szükséges az ágyazat elbontása után a lemezsor beépítéséhez. A lemezeket a Pilisvörösvár–Piliscsaba-vasútvonalszakasz 72. sz. műtárgy 243+33 hm szelvényben lévő boltozat felújításához alkalmazták. A 6. képen jól látható, hogy az ágyazat megtámasztó bordák íves vágányszakaszokon is megoldják a vasúti átvezetett ágyazat megtartását. Az oldalirányú megtámasztások a kivetődés biztonságot is növelik. A Dombóvár–Bátaszék-vasútvonalon, Palatincán megvalósult teherelosztó lemezsor íves vágányszakaszhoz kapcsolódik. A 7. képen az üzemi járda és a vízelvezetés megoldása látható. A lemez szélességét nem kell a vasúti pálya keresztmetszeti igényein túl növelni. Az üzemi járda, a kábelátvezetések, közműcsatornák a lemezek külső oldalára utólagosan is felszerelhetők, így építésük, karbantartásuk nem igényel vágányzárat vagy vonatmentes időszakot sem.
5. kép Feszítéshez előkészített elemsor, Piliscsaba
6. kép Megtámasztott ágyazat
7. kép Beépített utófeszített lemez üzemi járdával, vízelvezetéssel
4. Összegzés
A vasúti tégla- és kőboltozatú hidak teherbírása és élettartama nagymértékben növelhető az utófeszített vasbeton bordás teherelosztó szerkezetek alkalmazásával. Vasbeton teherelosztó lemez beépítésével jelentősen csökkenthető a boltozatban forgalmi terhelés hatására ébredő feszültségek nagysága és ingadozása, ezáltal jelentősen megemelhetők a fáradási tönkremenetelt okozó teherismétlési számok, így a szerkezet várható élettartama növelhető. Beavatkozások tervezésénél a teherbírási kritériumok mellett szem előtt kell tartani a hosszú távú használhatóságot, ügyelni kell az esztétikai megjelenésre, valamint biztosítani kell, hogy a kivitelezés a forgalmat a lehető legkisebb mértékben zavarja.
A bemutatott előre gyártott és utólagosan összefeszített vasbeton elemekből álló rendszer legnagyobb előnye a teherbírás és élettartam növelése mellett a rendkívül gyors beépíthetőség, valamint a vízszigetelés, a vízelvezetés és az ágyazati anyag megtámasztásának egyidejű megoldása. A kivetődések valószínűsége a bordák méretének kismértékű növelésével jelentősen csökkenthető. A rendszer előnyei miatt egyéb mérnöki létesítmények feletti beépítésre is alkalmas akár ideiglenes (felvonulási út biztosítása, munkaterület), akár végleges módon.
Felhasznált irodalom:
[1] Gilbert, M. „Ultimate & Permissible Limit State Behaviour of Masonry Arch Bridges”. UIC Masonry Arch Bridge Project, Working-Group meeting presentation, 6 March 2012.
[2] Melbourne, C.; Wang, J.; Tomor, A. „The analysis and assessment of masonry arch bridges”. Proceedings of Sustainable Bridges Conference, pp. 273-282., 10-12 October 2007, Wroclaw.
[3] Orbán, Z (ed.) „Assessment, Reliability and Maintenance of Masonry Arch Bridges”. State-of-the- Art Research Report of the International Union of Railways, Paris, 2004.
[4] Orbán, Z.; Tóth, A.R.; Bagi, K. „Discrete element analysis of railway masonry arch bridges under service loading condition”. Bridges In The Danube Basin – 7th International Conference on Bridges across the Danube, Sofia, October 14-15, 2010.
[5] Orbán, Z.; „Boltozott vasúti hidak élettartamának meghosszabbítása teherelosztó szerkezettel”. Magyar Építőipar, 2013, 2. szám, pp. 69-73.
[6] Roberts, T.M.; Hughes, T.G.; Dandamudi, V.R.; Bell, B. „Quasi-static and high cycle fatigue strength of brick masonry”. Construction and Building Materials, Vol. 20, pp. 603-614, 2006.
[7] Roggli, C. „SBB’s Masonry Arch Bridges”. UIC Masonry Arch Bridge Project, Working-Group meeting presentation, Budapest, 10 May 2011.
