A cikk szerzője:

Udvarhelyi Ádám egyetemi hallgató
BME Építőmérnöki Kar

Acélszerkezetű vasúti ívhíd tervezése

A Vasúti Hidak Alapítvány több mint tíz éve ír ki diplomaterv-pályázatot a végzős hallgatók számára. A múlt évben az alapítvány első díjjal jutalmazta Udvarhelyi Ádám szakdolgozatát, amelyet a 2011/12-es tanév tavaszi félévében készített, és témája a Budapest–Hegyeshalom vasútvonal 79+23 hm szelvényben a Bartók Béla úti vasúti híd bővítése. A mostani mellé épülő új acélszerkezetű ívhíd építése azért válik szükségessé, mert tervbe van véve a jelenleg kétvágányú vasútvonal bővítése harmadik vágánnyal.

A híd alaprajzi elhelyezése

A vasúti híd által áthidalt akadály a 2 × 3 sávos Bartók Béla út, középen kétirányú villamospályával és az út két oldalán gyalogosjárdával. Közvetlenül a híd alatt keresztezi a Bartók Béla utat a Tétényi út, így a csomópont jelentős közúti forgalmat bonyolít le. Az új híd a jelenlegi híddal párhuzamos, a szerkezetek szélei közötti távolság 1,5 m, alaprajzi elhelyezése az 1. ábrán látható. A tervezett vasúti vágány 720 m sugarú ívben van, amire egyrészt az új híd főtartó távolságának felvételénél, másrészt a méretezés során is tekintettel kellett lenni. A vágány ívessége miatt az egyik főtartó ugyanis többletterhelést kap.

1. ábra. Helyszínrajz az új híddal
A híd alaprajzi elhelyezésében még egy szempontot kellett figyelembe venni. Tervbe van véve a jelenlegi közúti csomópont körforgalmú csomóponttá alakítása is.
A tervezett csomópont átalakítását az 1. ábrán szaggatott vonal jelöli. A távlati csomópontfejlesztés miatt a hídfők kialakításánál figyelembe kellett venni, hogy a közútfejlesztés aktuálissá válásakor azok nagyobb beavatkozás nélkül pillérekké alakíthatók legyenek. Ekkor a körforgalmú közúti csomóponton kívül új hídfőket kell építeni. Az új hídfőkre és a pillérekké alakított régi hídfőkre gerinclemezes hidak épülnek, ezek megtervezése nem része a diplomatervnek.


Vázlattervi változatok, közelítő számítás

Esztétikai elvárás, hogy az új híd megjelenésében és kialakításában csak kismértékben térjen el a régebbitől. Ezért az ívhidak családjából alapvetően a régi hídhoz hasonló, alsópályás Langer-tartós álív kialakítású hidak jöhetnek számításba. Magyarországon a vasúti forgalom számára összesen négy hasonló szerkezet épült. E hidak pályaszerkezeti és ívkialakításainak tanulmányozása alapján készítettem el a vázlattervi változatokat.
Az első változat oldalnézetében a jelenlegi hídhoz hasonló. A függesztőrudak egymással párhuzamos kialakításúak (2., 3. ábra). A híd ágyazatátvezetéses ortotróp pályaszerkezetű. Az ív vonalvezetése másodfokú parabolával jellemezhető. Az ívek között kapuzat és felső szélrácsrendszer van kiépítve. Alsó szélrácsrendszer nincs.

2. ábra. Első vázlattervi változat, oldalnézet

3. ábra. Első vázlattervi változat, keresztmetszet

                                                                                                                                                          
A második vázlattervi változat az előzőtől annyiban különbözik, hogy a függesztőrudak oldalnézetben nem párhuzamosak, hanem V alakú elrendezést követnek. Az ívek között ennél a változatnál nincs sem kapuzat, sem felső szélrács. Ez a változtatás a híd stabilitását jelentősen befolyásolja. A 2. változatú híd pályaszerkezetének kialakításában is eltér az elsőtől. Ennél a változatnál EDILON rendszerű rugalmasan ágyazott sínleerősítést választottam. A hidak szerkezeti elemeinek szelvényei a következők: a merevítőtartók és a függesztőrudak I keresztmetszetűek, az ív ? alakú, a bordák trapézbordák, a szélrács melegen hengerelt szelvényekből áll. A felső szélrácsrendszer ún. oszlopos-rombikus kialakítású. A közelítő méretfelvételnél a meglévő híd méretei voltak irányadóak.
A híd támaszköze 67,14 m. Az ív nyílásmagassága ~12 m, a függesztőrudak kiosztása ~7,5 m, valamint a merevítőtartó magassága ~3 m közel azonos a régi híd megegyező geometriai jellemzőivel. Esztétikailag ez a méretfelvétel azért kedvező, mert így a két híd oldalnézetben takarja egymást.
A főtartók egymástól való távolsága mindkét változat esetén a híd hossza mentén egységesen 6,00 m. Így biztosíthatók a szabadon tartandó térre vonatkozó előírások. A hídon a vágány ívben halad, ezért az űrszelvény méreteit a 720 m sugarú ívnek megfelelően – Az országos közforgalmú vasutak pályatervezési utasítása alapján – mindkét irányban 50 mm-es ívpótlékkal kellett megnövelni. Figyelemmel kellett lenni arra is, hogy a hidak alatt forgalom van, a közúti űrszelvényt a híd alatt biztosítani kell.
Mind a közelítő, mind a részletes számítás során az Eurocode előírásait alkalmaztam. Néhány vizsgálat és tényező megválasztása esetén a Vasúti hidak méretezésének általános előírásai című H.1.2.-es MÁV-utasítás volt a mérvadó. Az alkalmazott hasznos teher SW/2. Ennek alkalmazása azért indokolt, mert a híd nemzetközi vasútvonal része.
A fáradásvizsgálatokhoz az LM71-es terhet vettem figyelembe. A közelítő számításoknál az igénybevételeket síkbeli végeselem-modell segítségével határoztam meg. A merevítőtartó keresztmetszete esetén a shear-lag hatást figyelembe vevő effektív keresztmetszetet alkalmaztam. Az ívstabilitást azonban nem e modellek, hanem a szakirodalomban fellelhető közelítő eljárások alapján végeztem. Ezek a kihajlási tényező meghatározásán alapulnak. A vizsgált szerkezeti elemek különböző kihasználtságai a közelítő számítás során 80-90% között mozognak.


A változatok összehasonlítása

A második változatnál az ágyazatátvezetés hiánya mind a kereszttartó, mind a főtartó szempontjából jelentős változást okozott. Ugyanis ebben az esetben az ágyazat kedvező teherelosztó hatása nem jelentkezik, és így a hasznos teher a pályalemezen és a kereszttartókon koncentráltan hat. Emiatt növekednek az igénybevételek. Hasonló okok miatt az ágyazat hiányából származó hátrány a kereszttartók közelítő fáradásvizsgálatánál is jelentkezik. Mivel a vágány a hídon ívben helyezkedik el, ezért a sínszálak között túlemelés kialakítása szükséges. Ennek az értéke 20 mm. Ezt a túlemelést az ágyazatátvezetéses esetben a vasúti pályát építő gépek könnyedén beszabályozzák. Közvetlen sínleerősítés esetén az ív külső oldali sínszálának EDILON leerősítése alá egy kiegészítő, 20 mm vastag lemezt kell elhelyezni, mely biztosítja a sínkoronaszintek közti túlemelést.
A két változat az ívstabilitás szempontjából is különbözik egymástól. Az ágyazatátvezetéses esetben az ívek kapuzattal és vízszintes szélrács rendszerrel vannak megmerevítve és egymáshoz kapcsolva. Ebben az esetben a síkbeli ívstabilitás-vesztés a mértékadó. Mértékadó lehet továbbá a portál (kapuzat) stabilitása is. Ennek vizsgálatát a részletes VEM modell tartalmazza. Közelítő számítás szinten vizsgáltam a portál előtti ívszakasz kihajlását. A második esetben az ívek nincsenek merevítve oldalirányban, ezért ebben az esetben a térbeli stabilitásvesztést is vizsgálni kell.
A szerkezetek közös sajátossága az ív és merevítőtartó 1,31 m-es külpontossága, és az, hogy az ebből származó támasz feletti nyomatékot mindkét esetben megfelelő módon figyelembe kell venni. Az acélfelhasználás tekintetében az első változat a kedvezőtlenebb.
A két változat közül az előnyök és hátrányok mérlegelése alapján végül a konzulensekkel egyetértésben úgy döntöttem, hogy az első vázlattervi változatot, az ágyazatátvezetéses szerkezet részletes statikai számítását dolgozom ki.


A kiválasztott szerkezet részletes számítása

A részletes számításhoz a fent ismertetett szerkezetre egy térbeli végeselem-modellt építettem, és az egyes szerkezeti elemeket ez alapján vizsgáltam. A modellt az AXIS VM10 statikai méretező és számító programrendszer segítségével készítettem el, mely összességében egy rúd-héj modell. Ennek a felépítése a következő: a pályalemez a programban héjelemként lett definiálva. Ehhez csatlakoznak bordaelemként a súlypontok külpontosságainak megfelelő beállításával a hosszbordák, a két merevítőtartó, a vég- és a közbenső kereszttartók. Az ívet és a merevítőtartót a külpontosság miatt merevelem köti össze. A függesztőrudak az ívhez és a merevítőtartóhoz erős tengelyük körül befogottként, gyenge tengelyük körül csuklósként csatlakoznak.
A szélrács rendszer és kapuzati keresztkötés rúdelemként lett definiálva. A hasznos teher megadásánál a szabvány szerint figyelembe vettem az ágyazat teherelosztó hatását, valamint a vágány ívességét is. Ahol lehetett, és érdemes volt, ott az igénybevételek alakulását követtem a keresztmetszetek megfelelő megválasztásával. A VEM modell felépítése és a mértékadó globális kihajlási alak
a 4. ábrán látható.

4. ábra. VEM modell – globális kihajlás
A műtárgy kapcsolatait (5., 6., 7. ábra) tekintve mind hegesztett, mind csavarozott megoldásokat is alkalmaztam. Az ív egyen-teherbírású hevederes csavarozott kapcsolattal csatlakozik a merevítőtartó oldalához hegesztett csomólemezhez.

5. ábra. Függesztőrúd és merevítőtartó kapcsolata6. ábra. Ív és függesztőrúd kapcsolata7. ábra. Ív és merevítőtartó kapcsolata
Az ívek ugyanígy csatlakoznak egymáshoz a harmadolópontba tervezett szelvényváltásnál is, amely egyúttal azok szerelési egységeinek határa is. A szelvényváltás miatt az övben hézagolólemez alkalmazása szükséges. A függesztőrudak övlemezét sarokvarrattal kell az ív gerincének belső éléhez hegeszteni. A függesztőrudak továbbá egyen-teherbírású hevederes csavarozott kapcsolattal csatlakoznak a merevítőtartó oldalához rögzített T alakú bordákhoz.
A fáradásvizsgálatot a kár egyenértékűségi módszerrel végeztem el. A vizsgálat során kritikus volt a hosszbordákban ébredő feszültségek megfeleltetése. A használhatósági határállapotok vizsgálata alapján
a tartó a rugalmas viselkedés, a lehajlás, a támaszponti szögelfordulás, a vízszintes eltolódások és a sajátfrekvenciák tekintetében is megfelelő. A maximális lehajlás az ívhidakra jellemző féloldalas terhelésből adódik, és értéke 49 mm.
A rendkívüli állapotok közül földrengésvizsgálatra ellenőriztem a tartót. A földrengésszámításhoz a végeselem-modellt a hídfőkkel is kiegészítettem a felszerkezet megfelelő megtámasztási viszonyainak kialakításával. A vizsgálat eredményeképpen a felszerkezet egyik elemében sem keletkezett teherbírási határállapotnál nagyobb igénybevétel. A szerkezetet Maurer-típusú acéllemez betétes neoprén saruk támasztják alá. A részletes számításban ezeknek a szabvány szerinti méretezésére is kitértem. Így azok képesek az acélhidak esetén előírt +50 °C és –30 °C közötti ±40 °C-os hídmozgásból származó eltolódás elviselésére, továbbá megfelelnek a hídtengely irányú és a hídtengelyre merőleges eltolódásból származó szögtorzulásra vonatkozó korlátokra is.


Építéstechnológia

Fontos, hogy az építkezés a közúti és villamosforgalmat lehetőleg csak csekély mértékben akadályozza. Ezért az építést segédjármok segítségével kell megoldani. A híd három fázisban épül meg (8. ábra). Az első fázisban segédjárom alátámasztással a merevítőtartó készül el. Ehhez a harmadolópontokban helyszíni hegesztett illesztés kialakítása szükséges. A következő fő fázisban az ív szerelési egységeit kell beépíteni. Ehhez újabb, a hídra épített állványzat felépítése szükséges, mely az ívszakaszokat a harmadolópontokban alátámasztja. Ezek az egységek – az előző pontban leírtaknak megfelelően – helyszíni NF csavaros kapcsolattal csatlakoznak a merevítőtartóhoz. Ezek után a szélső harmadokban a függesztőrudak beszerelése következik. A harmadik építési fázisban a középső ívszakasz beépítése szükséges. Ez helyszíni NF csavaros kapcsolattal csatlakozik a megelőző ívszakaszhoz. Ezek után a középső szakaszon szükséges a függesztőrudak beszerelése. Az állványzat elbontása után a híd szigetelése a feladat. Ez Servidek/Servipak rendszerű. Végezetül következhetnek a vasútépítési munkálatok (ágyazatterítés, vágányépítés). A vágány megépítését követően megtörténhet a híd Vasúti Hídszabályzat szerinti hídvizsgálata, próbaterhelése. Ezt követően a műtárgy forgalomba helyezhető, s azon a vasúti forgalom megindítható.

8. ábra. Építéstechnológia


Irodalomjegyzék
Udvarhelyi Ádám: Bartók Béla úti vasúti híd bővítése új acélszerkezetű ívhíddal. Diplomamunka, BME, 2012)
Vasúti hidak a Budapesti Igazgatóság területén. Vasúti Hidak Alapítvány, 2007.

A cikk folytatódik, lapozás:1
A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2013 / 2. számában.
A lapszám PDF dokumentumként való letöltéséhez kattintson ide!
Ha szeretne rendszeresen hozzájutni a legfrisebb számokhoz, fizessen elő a folyóiratra.
A hozzászólások megtekintéséhez vagy új hozzászólás írásához be kell jelentkeznie!
Sínek Világa A Magyar Államvasútak Zrt. pálya és hídszakmai folyóirata
http://www.sinekvilaga.hu | ©