A BME Út és Vasútépítési Tanszék részéről kutatási jelleggel pályaméréseket végeztünk a 100-as számú vasútvonal 1974+37 szelvényében lévő Keleti-főcsatorna hídjának próbaterhelése során, Hajdúszoboszlónál. A kutatás célja a pálya-híd kölcsönhatás meghatározása a járműterhek hatására bekövetkező hosszirányú elmozdulások és erők tekintetében, Edilon rendszerű pályaátvezetés esetén. Vizsgálatunk végső célja annak megállapítása, hogy elhagyható-e, és ha igen, milyen feltételekkel a síndilatációs készülék 40,0 m támaszköz fölött.
A híd bemutatása
A híd felszerkezete egyvágányú, kéttámaszú, alsópályás, szélrács nélkül kialakított acél rácsostartó. Az acélszerkezet hossza 48,00 m, a támaszköz 47,00 m, a hídszerkezet dilatáló hossza 47,50 m. A sínrendszer 60E2, a sínleerősítés Edilon Corkelast VA60 rendszerű kiöntött, folytatólagos, rugalmas ágyazású. Az Edilon leerősítéshez szolgáló acél sínvályúcsatornák csavarozott kapcsolattal vannak az ortotróp pályalemezhez erősítve. A vasúti pálya tervezési sebessége 160 km/h. A híd fix saruja a Kaba (Püspökladány), a mozgó saruja a Hajdúszoboszló (Debrecen) felőli hídvégnél van elhelyezve. A hídhoz csatlakozó pályaszakasz zúzottkő-ágyazatú, keresztaljas, a sínrendszer szintén 60E2. A hídhoz csatlakozó zúzottkő-ágyazatú szakaszon, a kezdőpont felőli oldalon ±100 mm nyitású B60VM rendszerű, a végpont – Debrecen – felőli oldalon 2 × ±100 mm nyitású B60 VM-D rendszerű iker síndilatációs készülék van beépítve, így a híd és a csatlakozó szakaszok egymástól függetlenül tudnak dilatálni. A híd az 1. ábrán, jellegrajza a 2. ábrán látható.
1. ábra. A híd képe 2. ábra. A híd jellegrajza
A vizsgálatok végrehajtása
A próbaterhelés a 628-157 és a 628-163 (M62) pályaszámú, hattengelyes, 1160 kN önsúlyú összekapcsolt mozdonyokkal történt. A terhelési esetek:
statikus terhelés,
konstans sebességű áthaladás V = 5, 15, 40 és 80 km/h sebességgel,
fékezés.
Méréseink során meghatároztuk a híd mindkét végénél, a bal sínszálnál
a hídszerkezet pályalemezének hosszirányú mozgását a hídfőhöz (fixponthoz) képest;
a hídon lévő sínszál hosszirányú mozgását a hídfőhöz képest;
a kezdőpont (fix saru) felőli síndilatációs készülékben a hídhoz erősített síncsúcs és a zúzottkő-ágyazatú pályaszakaszhoz hegesztett fősín egymáshoz viszonyított mozgását;
a végpont (mozgó saru) felőli síndilatációs készülékben a hídhoz erősített fősín és az iker síndilatációs készülék híd felőli síncsúcsának egymáshoz viszonyított mozgását.
Az elmozdulásmérésekhez Hottinger Baldwin Messtechnik (HBM) gyártmányú, WA-20MM-T rendszerű, 20 mm méréshatárú, tapintócsúcsos induktív útadókat használtunk. Az adatgyűjtő és mérőerősítő HBM Spider 8 rendszerű 8 csatornás mérőelektronika, a mérő és kiértékelő szoftver a Catman AP/Easy volt. A mintavételi frekvencia a statikus terhelésnél, valamint V ≤ 15 km/h sebességű futamoknál 50 Hz, a V ≥ 40 km/h sebességű futamoknál és a fékezéseknél 200 Hz volt. A méréseknél használt útadók elhelyezését a 3. ábra szemlélteti. A próbaterhelés időpontja 2018. augusztus 7.
3. ábra. Útadók elhelyezése a végpont felőli hídvégnél
Mérési eredmények
A híd statikus terhelésekor a járművek Debrecen – a mozgó saru – felől haladtak fel a hídra, majd tartózkodás után a fix saru irányába, Püspökladány felé lehaladtak. A 4. ábra a mozgó saru felőli hídvégnél, az 5. ábra pedig a fix saru felőli hídvégnél tünteti fel a pályalemez és a sín vízszintes hosszirányú elmozdulását a hídfőhöz mint fixponthoz képest
A híd pályalemeze a mozgó saru felőli hídfőnél 1,37 mm-t, a fix saru felőli hídfőnél 1,31 mm-t mozdult el hosszirányban. A sín hosszirányú elmozdulása a mozgó sarunál 0,72 mm, a fix sarunál 0,61 mm volt. Valamennyi elmozdulás a mozgó saru irányába következett be, a statikus teher hatására a híd Debrecen felé mozdult.
4. ábra. A sín és a híd hosszirányú elmozdulása a híd mozgó saru felőli végénél 5. ábra. A sín és a híd hosszirányú elmozdulása a híd fix saru felőli végénél
A 40 km/h sebességű mozdonyáthaladás során mért elmozdulásokat a 6–9. ábrák tüntetik fel. A mozgó saru felől a fix saru irányába történő haladás esetében a híd pályalemeze a mozgó saru felőli hídfőnél 1,12 mm-t, a fix saru felőli hídfőnél szintén 1,12 mm-t mozdult el hosszirányban. A sín hosszirányú elmozdulása a mozgó sarunál 0,64 mm, a fix sarunál 0,58 mm volt (6–7. ábra). A fix saru felől a mozgó saru felé haladás esetében a pályalemez hosszirányú elmozdulása a mozgó sarunál 1,05 mm, a fix sarunál 1,22 mm, a sín elmozdulása a mozgó sarunál 0,65 mm, a fix sarunál 0,77 mm volt (8–9. ábra). A futamok iránya csupán kismértékben befolyásolja a pályalemez és a sín hosszirányú elmozdulását, az eltérés gyakorlati szempontból nem jelentős. A pályalemez és a sín a járműáthaladások hatására a mozgó saru – Debrecen – felé mozdult a mozgó sarunál is és a fix sarunál is.
6. ábra. A sín és a híd hosszirányú elmozdulása a híd mozgó saru felőli végénél, irány: M → F 7. ábra. A sín és a híd hosszirányú elmozdulása a híd fix saru felőli végénél, irány: M → F 8. ábra. A sín és a híd hosszirányú elmozdulása a híd mozgó saru felőli végénél, irány: F → M
A 8. ábrán megfigyelhető, hogy amikor a mozdonyok a fix saru felől haladtak a mozgó saru irányába, a mozgó sarunál a pályalemez és a sín elmozdulásdiagramja valamelyest „lapultabb”, kvázi két csúcsa van. A lapultság nagyságrendileg mindössze egy-két tizedmilliméter, gyakorlati jelentősége valószínűleg nincs. Ez a jelenség azonban megfigyelhető valamennyi konstans, V = 5, 15, 40 és 80 km/h sebességű futamnál.
Más konstans sebességgel történő mozdonyáthaladásoknál a mért elmozdulásdiagramok hasonlóak, mint 40 km/h esetében. A mért eredményeket az 1. táblázat foglalja össze. V = 5 km/h sebességgel – a mozgó saru felől a fix saru felé – történő mozdonyáthaladás során a mozgó sarunál a pályalemez 1,21 mm-t, a sín 0,64 mm-t, a fix sarunál a pályalemez 1,24 mm-t, a sín pedig 0,61 mm-t mozdult el hosszirányban. 80 km/h sebességnél – a fix sarutól a mozgósaru felé haladásnál, a mozgó sarunál – a pályalemez 1,65 mm-t, a sín 1,43 mm-t, a fix sarunál a pályalemez 1,49 mm-t, a sín pedig 0,87 mm-t mozdult el hosszirányban. 5 és 40 km/h között a sebesség gyakorlatilag nem befolyásolta az elmozdulások nagyságát, 80 km/h-nál azonban nagyobb elmozdulások adódtak.
9. ábra. A sín és a híd hosszirányú elmozdulása a híd fix saru felőli végénél, irány: F → M
Vizsgálataink részét képezte a fékezés hatására bekövetkező elmozdulások meghatározása, amelyet két különböző járműmozgás mellett végeztünk el:
fékezés és megállás a hídon;
a hídon fékezve történő áthaladás.
A 10–15. ábrák feltüntetik azokat az elmozdulásdiagramokat, amelyeket akkor mértünk, amikor a mozdonyok intenzív fékezéssel a hídon álltak meg.
10. ábra. A sín és a híd hosszirányú elmozdulása a híd mozgó saru felőli végénél, irány: F → M 11. ábra. A sín és a híd hosszirányú elmozdulása a híd fix saru felőli végénél, irány: F → M
A 10–11. ábrák azt az esetet mutatják, amikor a mozdonyok a fix saru felől haladtak a mozgó saru irányába – 1. táblázat szerinti 10. futam –, a fékezőerő tehát a mozgó saru (Debrecen) felé hatott. Eredményeink a következők: – A pályalemez elmozdulása a mozgó sarunál a megállás előtti pillanatban 2,33 mm, közvetlenül a megállás után 1,16 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 1,33 mm volt a mozgó saru felé. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 2,33–1,16 = 1,17 mm volt.
– A sín elmozdulása a mozgó sarunál a megállás előtti pillanatban 2,10 mm, közvetlenül a megállás után 1,18 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 1,22 mm volt a mozgó saru felé. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 2,10–1,18 = 0,92 mm volt.
12. ábra. A mozdony gyorsulása (fékezés és megállás), F → M
– A pályalemez elmozdulása a fix sarunál a megállás előtti pillanatban 2,25 mm, közvetlenül a megállás után 1,14 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 1,35 mm volt a mozgó saru felé. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 2,25–1,14 = 1,11 mm volt. – A sín elmozdulása a fix sarunál a megállás előtti pillanatban 1,46 mm, közvetlenül a megállás után 0,88 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 0,95 mm volt a mozgó saru felé. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 1,46–0,88 = 0,58 mm volt. A mozdony gyorsulását, illetve lassulását a 12. ábra tünteti fel. Narancssárga szín jelzi az eredeti, 100 Hz mintavételi frekvenciával regisztrált gyorsulásadatokat, piros a 0,1 s ablakszélességgel számított mozgóátlagokat, kék szín pedig az 1 s ablakszélességgel számított mozgóátlagokat. A mozdonyok 47 s mérési időnél álltak meg, ebben a pillanatban nem értelmezhető az 1 s ablakszélességgel számított mozgóátlag, mert ez „kisimítja” a csúcsokat. A 0,1 s szélességű mozgóátlaggal számított csúcsérték közvetlenül a mozdony megállása előtt –2,3 m/s2, a megállás után a lengésekből kifolyólag pedig +0,6 m/s2. A 628-as (M62) sorozatú mozdonyok tömege 116 t. A megállás pillanatában 2 × 2,3 × 116 = 533,6 kN hosszirányú erő hatott a hídra, ez idézte elő a 10–11. ábrákon a 36 s relatív mérési időnél kialakult elmozduláscsúcsokat. A híd elmozdulását, valamint a mozdony gyorsulását két külön mérőrendszerrel mértük, ez eredményezi, hogy más mérési időnél alakultak ki a csúcsértékek. A futamnál a két M62-es mozdony 2320 kN önsúlya és 533,6 kN fékezőereje is a mozgó saru felé mozdították a pályalemezt és a sínszálat. A két hatás együtt 2,33 mm-rel mozdította el a pályalemezt a mozgó saru (Debrecen) felé. A statikus teher 1,33 mm-rel, a fékezőerő önmagában 2,33–1,33 = 1,00 mm-rel tolta a pályalemezt a mozgó saru felé. Az önsúlyból és a mozgó saru felé ható fékezőerőből kialakuló hosszirányú elmozdulások összeadódtak.
13. ábra. A sín és a híd hosszirányú elmozdulása a híd mozgó saru felőli végénél, irány: M → F 14. ábra. A sín és a híd hosszirányú elmozdulása a híd fix saru felőli végénél (fékezés és megállás), irány: M → F
A 13–14. ábrákon feltüntetett mérések során a mozdonyok a mozgó saru (Debrecen) felől haladtak a fix saru (Püspökladány) irányába – 1. táblázat szerinti 11. futam –, a fékezőerő tehát Püspökladány irányába hatott. A mozdonyok 62,6 s relatív mérési időnél álltak meg.
A mért elmozdulások a következők: – A pályalemez elmozdulása a mozgó sarunál a megállás előtti pillanatban 0,16 mm, közvetlenül a megállás után 1,09 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 0,88 mm volt a mozgó saru felé. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 1,09–0,16 = 0,93 mm volt. – A sín elmozdulása a mozgó sarunál a megállás előtti pillanatban 0,02 mm, közvetlenül a megállás után 0,58 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 0,47 mm volt a mozgó saru felé. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 0,58–0,02 = 0,56 mm volt. – A pályalemez elmozdulása a fix sarunál a megállás előtti pillanatban 0,29 mm, közvetlenül a megállás után 1,17 mm, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 1,00 mm volt a mozgó saru felé. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 1,17–0,29 = 0,88 mm volt. – A sín elmozdulása a fix sarunál a megállás előtti pillanatban –0,23 mm a fix saru (Püspökladány) felé, közvetlenül a megállás után 0,43 mm a mozgó saru (Debrecen) felé, majd a lengés lecsillapodása után a statikus teher hatására 0,30 mm volt Debrecen felé. A megállás pillanatában a hosszirányú lengés 0,43+0,23 = 0,66 mm volt. A mozdony gyorsulását, illetve lassulását a 15. ábra tünteti fel, a mintavételi frekvencia ebben az esetben is 100 Hz volt. A piros színnel jelölt 0,1 másodperc ablakszélességű mozgóátlag alapján a mozdony gyorsulása a megállás előtti pillanatban –2,2 m/s2, a megállás utáni pillanatban a lengések miatt +0,6 m/s2 volt. A mozdonyok fékezőereje révén mintegy 2 × 2,2 × 116 = 510,4 kN hosszirányú erő hatott a hídra, ez idézte elő a 13–14. ábrákon a 62,6 másodperc relatív mérési időnél kialakult elmozduláscsúcsokat.
15. ábra. A mozdony gyorsulása (fékezés és megállás), irány: M → F 16. ábra. A sín és a híd hosszirányú elmozdulása a híd mozgó saru felőli végénél, fékezve áthaladás a hídon, irány: F → M
A pályalemezt és a sínt a függőleges teher a mozgó saru (Debrecen) felé, a fékezőerő pedig a fix saru (Püspökladány) felé mozdította. Fix saru felé történő fékezéskor az önsúlyból keletkező hosszirányú elmozdulás és a fékezőerőből keletkező elmozdulás ellentétes irányú, ezek csökkentik egymás hatását. A 13–14. ábrák alapján az önsúlyból nagyobb hosszirányú elmozdulás keletkezett, mint a fékezőerőből, így a két hatásból az eredő elmozdulás a mozgó saru (Debrecen) felé alakult ki, a fékezés irányával ellentétesen. A 16. ábra példaként feltüntet olyan elmozdulásdiagramokat, amelyeket akkor mértünk, amikor a mozdonyok fékezve haladtak át a hídon, és a híd után álltak meg. A mozdonyok a fix saru felől haladtak a mozgó saru irányába – 1. táblázat szerinti 12. futam –, tehát a jármű önsúlya és a fékezőerő is Debrecen felé mozdította a hidat. A pályalemez hosszirányú elmozdulása a mozgó sarunál 1,61 mm, a fix sarunál 1,75 mm, a sín elmozdulása a mozgó sarunál 1,30 mm, a fix sarunál 1,21 mm volt. A mozdonyok Debrecen felől Püspökladány felé – tehát a mozgó sarutól a fix saru felé – történő fékezésekor a mozgó sarunál a pályalemez 0,59 mm-t, a sín 0,64 mm-t, a fix sarunál a pályalemez 1,24 mm-t, a sín pedig 0,61 mm-t mozdult el hosszirányban.
Összefoglalás
Vizsgálatainkat eddig összesen három, Edilon sínkörülöntéses felépítményű hídon végeztük el:
A szolnoki Zagyva-hídon, annak eredményeit a Sínek Világa 2017. évi 1. és 2. számában részletesen bemutattuk.
A Keleti-főcsatorna hídján Hajdúszoboszlónál.
A Nádor–Sárvíz-csatorna hídján Rétszilasnál.
A Nádor–Sárvíz-csatorna hídja egyvágányú, ortotróp pályalemezes, szélrács nélküli, kéttámaszú rácsos tartó. Az acélszerkezet hossza 48,00 mm. A híd előtt és után síndilatációs készülékek vannak beépítve. A vizsgálatokat és az eredményeket részletesen a Győri Közlekedéstudományi Konferencián, 2019. március 22-én ismertettük, itt – összefoglalás céljából – csak a szélsőértékeket közöljük. A három hídon végzett vizsgálataink alapján az egyes futamtípusoknál kapott legnagyobb elmozdulásokat a 2. táblázat foglalja össze.
A 2. fejezetben bemutatottak alapján az MSZ EN1991-2:2006 szabvány ágyazatátvezetéses hidak esetében meglehetősen nagy tartományon belül ad meg hosszirányú mozgásokra vonatkozó határértékeket, ágyazatnélküli hidaknál pedig külön kell előírni a határértékeket. Mérési adatainkkal ez a tartomány pontosítható. Az eredmények a pálya-híd kölcsönhatás modellezésénél használhatók fel.
Köszönetnyilvánítás
A Keleti-főcsatorna hídján a vizsgálatok előkészítését és végrehajtását dr. Mansour Kachichiannal, a BME Hidak és Szerkezetek Tanszék adjunktusával és Ugró Lászlóval, a BME Út és Vasútépítési Tanszék laboránsával végeztem, munkájukat ezúton megköszönöm. Köszönetet mondok továbbá Molnár Imre Máténak, a NIF Nemzeti Infrastruktúra Fejlesztő Zrt. projektvezetőjének, valamint Takács Dezsőnek, az RV2020 Konzorcium konzorciumi műtárgyreferensének, akik lehetővé tették a mérések végrehajtását.
