A feladat általános bemutatása

A Budapest–Hegyeshalom–Rajka vasútvonal egy szakaszának bővítése miatt új vasúti hidak építése szükséges. A feladatom a Bartók Béla út feletti Langer-tartós híd mellé új vasúti híd tervezése volt.

Kiindulási adatok [1], a híd kialakítást befolyásoló tényezők:
Bp.-Keleti–Bp.-Kelenföld pályaudvarok között a meglévő két vágányt egy továbbival egészítik ki, így az új szerkezet egyvágányú lesz;

• a híd 500 m sugarú ívben fekszik, a fő­tartó íves kialakítású, legyártása ma már nem okoz nehézséget, és így a pálya vonalvezetése a főtartóval jól követhető. Poligonális vagy egy egyenes főtartó esetén a terhek változó és nagy külpontossága nagyobb anyagfelhasználást jelentett volna.
• a szerkezeti magasság korlátozott. Egyrészt a meglevő hídszerkezet me­re­ví­tő­tar­tójának magassága, másrészt a meglévő vasútvonal magassági vonalvezetése szab határt. Mivel a hidak alatt forgalom zajlik, a szerkezet alsó éle is kötött. Ha a meglévő hídon kialakított pályaszintet vesszük figyelembe, akkor a szerkezeti magasság 1,60 m-re adódik, ez azonban statikai szempontból, mint várható volt, kevésnek bizonyult, és a szerkezeti magasság emelésére volt szükség.
• a korlátozott szerkezeti magasság miatt Edilon-rendszerű közvetlen sínleerősítést választottam (ez zajterhelés szempontjából egyenértékűnek tekinthető az ágyazatátvezetéses megoldással, ami lakott területen belül fontos szempont);
• mivel a szerkezet ívben helyezkedik el, túlemelésre van szükség, a közvetlen sín­leerősítés miatt ezt a pályalemez megdöntésével kell biztosítani;
• a híd építését összekötik a közúti csomópont körforgalommá alakításával (1. ábra), ez meghatározza a támaszok helyét és a lehetséges támaszközöket;
• mivel a híd az országon áthaladó nemzetközi vonalon található, az SW/2 ne­héz­jár­mű­terhet is figyelembe kell venni.

A tartószerkezet típusának, a statikai váznak a megválasztásaAz előzetes látványtervek alapján csak gerendahíd jöhet szóba a meglévő Langer-tartós híd párjaként, még egy ugyanolyan íves kialakítás is előnytelen képet nyújtana.
Mivel a nyíláskiosztás viszonylag szabadon felvehető, ezért egy adott hosszra meghatároztam az optimális támaszközöket (a számítás során szimmetrikus kialakítást és a hossz mentén állandó inerciát tételeztem fel). Az önsúlyból és hasznos terhekből – ezek többféle arányának és a mértékadó leterheléseknek a figyelembevételével – a legkisebb maximális nyomatékra törekedtem. Megállapítottam, hogy a hasznos és állandó terhek arányától csak csekély mértékben függ az optimális támaszkiosztás. Ahhoz, hogy az elérhető legkisebb nyomatéktól legfeljebb 5%-ban térjünk el, a 2. ábrán látható támaszkiosztást kell felvenni. (A számítás részletei a [2]-es forrásban találhatók.)
A statikai váz (támaszkiosztás) keresésekor – a fent említett szempontoknak meg­felelően – igyekeztem a legkedvezőbb megoldást megtalálni. Sok változatot megvizsgáltam, a korábban említett statikailag (nyomatéki szempontból) legkedvezőbb és esztétikailag legelőnyösebb kialakítások azonban nem estek egybe. Utóbbit a meglévő Langer-tartós híd befolyásolta leginkább.

---

Látvány szempontjából a két híd pillérjeinek azonos pontba helyezése lenne a legkedvezőbb, így azonban a közbenső támaszköz 67 m-esre adódna, ami a korlátozott szerkezeti magasság miatt lehajlási szempontból nem bizonyult megoldhatónak. A nagy nyílású kialakítást közbenső támasz környéki alsó betonövvel, valamint kibetonozott zárt iker főtartókkal kialakítva is vizsgáltam, mindkét esetben a lehajlási korlátot jóval meghaladó eredmények adódtak (a szerkezeti magasságot 2,20 m-ig emeltem). Az alsó betonövet végigfut­tatva és repedésmentesnek feltételezve (feszítéssel oldható meg) a lehajlási követelmények teljesíthetők, azonban a konzulensekkel egyetértésben elvetettem az acélgerincű hibrid szerkezet lehetőségét, mivel ez részben más sajátosságokat mutat, mint egy öszvértartó. Vizsgálatára és további irodalomgyűjtésre már nem állt rendelkezésre elegendő idő. Így végül a 3. ábrán felül látható támaszkiosztást választottam, mely kompromisszum a statikai, esztétikai és geometriai szempontok között [3], [4].

A közelítő számítást a következő három szerkezettípusra hajtottam végre: klasszikus iker főtartós, klasszikus szekrényes, kettős betonövű öszvérhíd. A szá­mítások eredményeinek rövid összefoglalása:
Mindhárom kialakítás esetén az SW/2-es nehézjármű karakterisztikus értékéből származó lehajlás volt a mértékadó, az ha­tározta meg a szükséges keresztmetszeti méreteket. Habár néhány esetben a közelítő számítás során – egyes hatások elhanyagolása miatt – meghatározott csökkentett szilárdsági határt megközelítő feszültségek adódtak, azonban ezt az építési metódus gondos megválasztásával vagy magasabb anyagminőségi osztállyal kezelni tudjuk, míg a lehajlás csak az inercia növelésével oldható meg.
Jelen feladat kiinduló feltételei (a nagy hasznos teher, korlátozott szerkezeti magasság) alapján megállapítható, hogy a klasszikus megoldások közül a szekrényes megoldás szinte minden tekintetben kedvezőbb a két I főtartós kialakításnál. Kisebb övvastagságok adódtak, nincs szükség alsó szélrácsra, valamint esztétikailag is tetszetősebb megjelenésű. A szekrényes megoldás esetén jobb, hogy egy zárt, nagy csavarási merevségű keresztmetszetünk van (jóllehet vasúti hidak esetén nem igazán jellemző igénybevétel a csavarás), így az kedvezőbb kereszteloszlást eredményez. Összességében azonban nem túlságosan előnyös kialakítás, mivel a nyírási deformációk miatt az alsó acélöv dolgozó szélessége csökken.

---

A kettős betonövű kialakítás előnyei:

• a támasz környéki betonövnek kedvező hatása van a híd keresztirányú viselkedésére;
• azonos hajlító merevségek esetén 8%-os szerkezeti acél megtakarítása érhető el a klasszikus iker főtartós változathoz képest;
• a negatív nyomatéki zónában az alsó beton növeli a keresztmetszet merevségét.

hátrányai:

• a felszerkezet súlya megnövekszik, ezért a saruk, alépítmények terhe nagyobb;
• az alsó betonöv együttdolgoztató kapcsolatát is ki kell alakítani;
• megnövekedett zsaluzási munka.

További részletes vizsgálatra a kettős betonövű szerkezetet választottam (4. ábra), ennek rövid leírása:
A főtartók a vasúti pálya vízszintes vonalvezetésének megfelelően 500 m sugarú körívdarabok. Egyszeresen szimmetrikus hegesztett I szelvények állandó keresztmetszettel, a közbenső támaszok környékén alsó betonövvel. A főtartók távolsága 2700 mm, kissé szélesebb, mint a tipikus megoldások. A híd főtartóit aszimmetrikusan érő napsütés miatt jelentős igénybevételek ébrednek a szerkezetben, a főtartók távolabb helyezésével ezt a hatást igyekeztem csökkenteni.

A részletes számítást a dél-koreai midas Civil végeselemes szoftverrel végeztem el, melyet kifejezetten hidak, műtárgyak vizsgálatára és méretezésére fejlesztettek. Az alábbiakban azokat a sajátságait emelem ki, amelyek a Magyarországon tipikusan használt általános célú AxisVM programtól megkülönböztetik, és az analízis során használtam:

• a beton időfüggő jelenségeinek (kúszás, zsugorodás, rugalmassági modu­lus ~ nyo­mószilárdság szilárdulási fo­­lya­mat során történő növekedése) időbeli lefolyásukkal való követése (a felhasználó által megkívánt méretű időlépésekben), az elsődleges, illetve másodlagos hatások automatikus számításba vétele;
• az építési fázisok követése (a terhek felkerülésének, valamint a szilárduló beton teherviselésbe való bekapcsolódásának modellezése);
• a vasalás figyelembevétele a feszültségek, alakváltozások és a beton zsugorodásában. illetve kúszásában (gátló hatás) [5];

A szoftver alkalmas mindezen hatások és építési állapotok egyetlen modellben történő figyelembevételére.
A részletes számítás során két építési metódust is megvizsgáltam, egy „ráklépéses” és egy „ugrálós” technikát. Előbbi esetén az egyes szakaszokat folyamatosan egymás után betonozzák, viszont a betonozás iránya szigorúan kötött, a távolabbi hídfőtől indulva a kiindulási hídfő felé halad valamennyi.

A megoldás előnyei:

• nem kell a támasz fölé visszamenni a betonozással;
• szervezésileg egyszerűbb, mert folyamatos munkaterületet biztosít;
• a munkahézag akkor záródik, amikor a pályalemez önsúlyára az alakváltozás létrejön;
• a szerkezet szempontjából homogén, a szilárdulási folyamat szempontjából monoton változó pályalemezt eredményez.

Az „ugrálós” technika (5. ábra) erőtani szempontból előnyösebb, a betonozási lépésekkel a kritikus negatív nyomatéki zónában igyekeztem kedvezőbb feszültségeloszlást elérni. Az eredmények alapján – statikai előnyei okán – az „ugrálós” módszert választottam a kivitelezéshez, vállalva az építéstechnológiából származó hátrányokat.
Az elvégzett vizsgálatok ismeretében kijelenthető, hogy az új típusú öszvérhídnak kedvezőek a tulajdonságai, valamint az együttdolgozó szerkezetek jellemző összetett erőjátéka célszoftverekkel jól követhető, így alkalmas lehet a gyakorlati alkalmazásra is.