A cikk szerzője:

Dr. Szepesházi Róbert ny. egyetemi docens
Széchenyi István Egyetem Győr

Hídalépítmények fejlesztésére irányuló kutatások

A dolgozat bemutatja a Széchenyi István Egyetemen 2005 óta folyó, a hidak alépítményének fejlesztésére irányuló kutatásokat. Ismerteti a kutatások hátterét, indokait, céljait és eszközeit. Tárgyalja a cölöpök teherviselésére vonatkozóan nyert eredményeket, a hídfők Plaxis 3D modellezését, továbbá az alépítmény szimulálását a hidak felszerkezetének méretezésében. Kitér a korszerű hídfőkonstrukciókra és ezeknek az új vasúti hídszabályzatbeli megjelenésére.

A híd a leglátványosabb, legizgalmasabb mérnöki szerkezetek egyike. A hídszerkezetek szépségét a laikusok is megcsodálják, tervezőik büszkék rájuk, és nemcsak a konstrukcióra, hanem szakmai körökben a méretezésükre is. A hidak méretezése régóta a statika fejlődésének hajtóereje. A csak részben látható alépítmények érthetően kevesebb figyelmet kapnak.
A talajkörnyezet megismerésével, modellezhetőségével kapcsolatos kétségek sokáig arra késztették a tervezőket, hogy robusztus alaptestekkel, hídfőfalazatokkal előzzék meg a későbbi hibákat. Ez a bizonyos körökben még manapság is uralkodó „konzervatív” megközelítés azonban mindinkább tarthatatlanná vált, mert:

  • az alapozás, a hídfők költségaránya túlzottan megnövekedett a felszerkezethez képest;
  • gyakran e szerkezetek építésének bizonytalan időigénye határozza meg az építésütemezést, miközben a határidők mind szigorúbbak;
  • megoldást kellett keresni a folyópálya és a híd csatlakozásánál levő határterületen fellépő utazáskényelmi és -biztonsági elvárásokra, amelyek jelentősége a sebességnövekedéssel fokozódik.

E jelenségek kezelésére sokféle megoldással próbálkozunk, bevetve a geotechnikai szerkezetek és technológiák egyre bővülő eszköztárát.
Geotechnikusi szemszögből tekintve alighanem a hídfő lett a legizgalmasabb szerkezet, mert itt találkozik bonyolult kölcsönhatásban:

  • az altalaj, részben gyakran előzetesen javítva;
  • az alapozás, jobbára cölöpök, csoportban egymásra is hatva;
  • a hídfőfal vagy -oszlopok a szárnyfalakkal együtt;
  • a háttöltés, részben esetleg erősítve;
  • a felszerkezet, önsúlyával és a hő­tá­gu­lá­sá­val;
  • a vasúti felépítmény (vagy útpálya);
  • a járművek, dinamikus súlyterhükkel és fékező- vagy indítóerővel.

Ez talán a legkomplexebb megjelenése a talaj/szerkezet kölcsönhatásnak, amelynek korrekt, a tényleges merevségeket figyelembe vevő számbavétele napjainkban válik a mérnöki gondolkodás alapelvévé. Ez a megközelítés megjelenik a 2010-ben bevezetett európai geotechnikai alapszabványban, az Eurocode 7-ben is [1].
A győri Széchenyi István Egyetem Szerkezetépítési és Geotechnikai Tanszékén (az egykori, Klatsmányi Tibor által vezetett Hídépítési Tanszék és a Varga László vezette Geotechnikai Tanszék közös utódján) ~2005 óta folynak kutatások a hídalépítmények tárgykörében. Ezek előbb a Kooperációs Kutató Központ égisze alatt a HBM Kft.-vel, a Hídépítő Vállalattal és más, azóta megszűnt cégekkel való együttműködésben folytak, és alapvetően a cölöpalapozások fejlesztésére irányultak. Idővel mindinkább kibővültek, és a hídfők, sőt a hidak és más szerkezetek (például cölöppel gyámolított lemezalap, töltés, áteresz) egészének tervezésére fókuszáltak. A cél az lett, hogy a talaj/szerkezet kölcsönhatás geotechnikai végeselemes modellezését a gyakorlatba bevezessük, eredményeit hasznosítsuk. Ennek keretében több PhD-értekezés született és van készülőben jelenleg is. Kapcsolódott ez a munka a Közlekedésépítési Tanszéken Horvát Ferenc által vezetett, a folyópálya és a híd közötti átmeneti szakasz fejlesztésére irányuló kutatásokhoz [2].
2017 óta a munka az A-Híd Zrt.-vel konzorciumban egy GINOP (Gazdaságfejlesztési és innovációs operatív program) keretében folytatódott és záródik ebben az évben. Ennek esszenciája a [3] irodalomban olvasható, az ott megjelent nyolc dolgozatra a következőkben e szám alatt hivatkozunk. A vasúti hidak vonatkozásában fontos állomás volt, hogy 2017-2018-ban csoportunk készítette el a MÁV Zrt. megbízásából a Vasúti hídszabályzat geotechnikai kötetét [4], és ebben megjelenítettük az addigi kutatások eredményeit.
A jelen dolgozat a másfél évtizedes kutatást tekinti át. Értelemszerűen nem térhet ki a részletekre, azok tanulmányozhatók a megnevezett publikációkban. A közölt ábrák is inkább csak illusztrációul, munkánk érzékeltetésére szolgálnak. Lehetőségeket mutatunk be, ajánlásokat fogalmazunk meg, amelyek javíthatják a hidak geotechnikai tervezését, de jelezzük a nehézségeket is, amelyekkel szembesülnünk kell a módszerek alkalmazásakor.

Feladatmeghatározás, célkijelölés

Az előbbiekben vázoltuk a hídalépítmények, főleg a hídfők fejlesztésével kapcsolatos nehézségeket. Az ezredforduló táján megindult nagyszabású hídépítési program megvalósításakor ezek sokféleképen jelentek meg [3, 5]. Tekintsük át ezeket!
A hidak alapozásában dominánssá vált a cölöpalapozás, ám a hosszú cölöpök teherbírásának megállapítására a korábban használt, földstatikai megfontolásokon alapuló képletek alkalmazhatósága, megbízhatósága a próbaterhelések tanúsága szerint elégtelen volt.
Elterjedtek a nagyobb teherbírású fúrt és CFA-cölöpök, amelyekből a hídfőkben a függőleges teherviselésre általában egy sor is elegendőnek bizonyul, ám így nagy jelentőséget kap a vízszintes terhek felvétele, aminek igazolására nincs igazán bevált analitikus számítás.
A cölöpök vízszintes teherviselésének modellezési bizonytalansága megnehezíti a függőleges teherviselés szempontjából egyértelműen hatékonyabb csavart, talajkiszorításos cölöpök alkalmazását, mert azok nyomatékbírása a kisebb átmérő miatt gyengébb.
Kétségek ébredhetnek a furatba betonozott és a visszavéséskor esetleg megrepedő CFA-cölöpök hajlítási merevségét és nyomatékbírását illetően.
A vízszintes teherviselés vázolt ellentmondásait gyakran túlvasalással igyekeznek kompenzálni, ami nemcsak gazdaságtalan, de kivitelezési nehézségeket is okoz.
A hídfőkre ható vízszintes erők számításba veendő értéke ugyanakkor növekszik a földrengésnek az Eurocode-ok szerinti szigorúbb kezelése, a dilatációs szerkezetek elhagyásának szándéka és a fékező- és indítóerők növekedése okán.
A hídfők cölöpjei a földmű okozta altalaj-összenyomódás következtében a negatív köpenysúrlódás révén többletterhelést kapnak, amelynek a konszolidációval változó nagyságát analitikus eljárásokkal nehéz követni.
Már a hídfők abszolút süllyedéseit sem lehet a hagyományos „kézi” számításokkal megbízhatóan prognosztizálni, minthogy a hídfő földtestjének alakzata sajátos térbeli feszültségi és alakváltozási állapotot idéz elő az altalajban, amelyet még az alépítmény és a mélyre lenyúló alapok is befolyásolnak.
Az előbbiek miatt az a nagyon óvatos gyakorlat alakult ki a konszolidáció kezelésére, hogy a hídfő felmenő szerkezeteinek építését csak egy alacsony süllyedési sebességnél szabad megkezdeni. Ennek bizonytalansága viszont súlyosan megnehezíti az építésütemezést, és szerződéses konfliktusokhoz is vezethet.
A gyenge altalaj esetében kézenfekvő töltésalapozási mód az előzetes talajjavítás lehetne, ám ezeket – beleértve a méretezési eljárásaikat – inkább csak a speciális mélyépítő cégek szakemberei ismerik, így ezek az eljárások nehezen kerülhetnek be egy projektbe.  
A gazdaságossága folytán világszerte előtérbe kerülő erősített talajtámfalas hídfők magyarországi alkalmazását a hídtervezők, a 2000 előtti évtizedben épült néhány ilyen szerkezet károsodása után, gyakorlatilag leállították, holott azt olyan hibák okozták, amelyek egyáltalán nem a szerkezettípus lényegéből fakadtak.
A felszerkezet és a hídfők egybeépítésével létrejövő integrált hidat hazánkban – szemben a világ számos országával – csak a legutóbbi időkben építettek, pedig az számos előnye miatt sokkal gazdaságosabb lehet.
A hazai hídtervezésben a tartószerkezeti szoftvereket úgy alkalmazzák, hogy a talajok (illetve az alépítmények vagy az alapok a talajok által determinált) reakcióját tapasztalati alapon felvett állandójú lineáris rugóval szimulálják, amit a talajok komplex viselkedésének leírására nyilvánvalóan durva közelítésnek kell minősítenünk. Ezek a szoftverek is felkínálják a nemlineáris rugók alkalmazását, de a hazai gyakorlat e lehetőséggel nemigen él.
A felsorolt problémák egy részének kezelése konstrukciós és technológiai fejlesztéseket kíván, de értelemszerűen ezekhez is kapcsolódnia kell a modellezés fejlesztésének, a problémák többségének megoldásában pedig ez lehet a kulcs.
Általánosságban: fel kell(ett) ismernünk, hogy a konvencionális analitikus és a lineáris végeselemes számítási módszerekkel korlátozott az előrelépés lehetősége, olyan fejlett modellezésre van szükség, amely képes leírni:

  • a szerkezetek és a talajkörnyezet térbeli jellegét;
  • az építési, a terhelési és a deformációs folyamatok időbeliségét;
  • a talajok nemlineáris viselkedését;
  • a talajok és a szerkezetek kölcsönhatását.

2010 táján azt lehetett látni, hogy a geotechnikai szoftverek, jelesül az Európában terjedő Plaxis 3D geotechnikai végeselemes szoftver ezekre alapvetően alkalmas, amint azt az 1. ábra érzékelteti, bár benne a tartószerkezetek és a terhelések modellezése még nem igazán felhasználóbarát [3, 6].

1. ábra. Egy szokványos vasúti hídfő Plaxis 3D modelljeA tartószerkezeti szoftverek, így a Magyarországon legnépszerűbb AxisVM a talajviselkedés modellezésének említett leegyszerűsítésével önmagukban nyilvánvalóan nem jelenthetnek megoldást, miközben a tartószerkezetek és a terhelések vonatkozásában nagyban segítik a tervezőket. Ezért azt az aktuális (minimális) célt fogalmaztuk meg, hogy a Plaxis 3D szoftverrel végzett számítások eredményei alapján állapítsuk meg az AxisVM-ben használandó rugóparamétereket, amelyek így valamennyire tartalmazhatják a felsorolt jelenségeket. A Plaxis 3D-vel végzett modellezés természetesen nemcsak ezt a célt szolgálhatja, hanem alapeszköze lehet a hídfőknél felmerülő összes geotechnikai kérdés elemzésének, az optimális megoldások feltárásának.

A cikk folytatódik, lapozás:1234Következő »

Irodalomjegyzék

  • [1] MSZ EN 1997-1:2006. Eurocode 7: Geotechnikai tervezés 1. rész: Általános szabályok. Budapest: Magyar Szabványügyi Testület; 2006.
  • [2] Horvát F, Koch E, Major Z. Híd és vasúti folyópálya közötti átmeneti szakaszok kialakítása. Sínek Világa 2018;4-5:89-97.
  • [3] Borsos A. Hatékonyabb és fenntarthatóbb építőipari megoldások a kockázatmenedzsment és a műszaki kutatás eszközeivel. GINOP-221 VKE. Győr: Széchenyi István Egyetem; 2021.
  • [4] Vasúti hídszabályzat. Vasúti hidak és egyéb műtárgyak geotechnikai tervezése. Budapest: Magyar Államvasutak Zrt.; 2018.
  • [5] Szepesházi R. Hídalépítmények tervezésének fejlesztése. 50. Jubileumi Hídmérnöki Konferencia. Siófok, 2009.
  • [6] Szepesházi R, Honti I, Schell P, Wolf Á, Mahler A, Szilvágyi Zs, Lődör K, Móczár B, Szepesházi A, Koch E. Geotechnikai végeselemes modellezés. Budapest: Magyar Geotechnika Egyesület; 2018.
  • [7] Szepesházi R. Cölöpalapok méretezése az Eurocode 7 követelményei szerint. PhD-értekezés. Miskolc: Miskolci Egyetem; 2011.
  • [8] Hudacsek P, Koch E, Scheuring F, Szepesházi A, Wolf Á. Egyedi cölöp merevségének meghatározása. Geotechnika 2020 Konferencia, Herceghalom.
  • [9] Nepusz A. Meszes agyag talajkörnyezetben készült cölöpök teherbírásának vizsgálata. Geotechnika 2019 Konferencia. Velence.
  • [10] Szepesházi R. Az osztott cölöpös (VUIS-típusú) próbaterhelés feldolgozásának fejlesztése. Kutatási jelentés. Kézirat. Győr: Kooperációs Kutató Központ; 2005.
  • [11] Hudacsek P, Kanizsár Sz, Koch E, Szepesházi R, Szilvágyi Zs, Wolf Á. A MOL CAMPUS alapozásának vizsgálata. Geotechnika 2020 Konferencia. Herceghalom.
  • [12] Kanizsár Sz. Back analysis of Osterberg-cell pile load test by means of three-dimensional geotechnical modeling. Civil Engineering Journal, Faculty of Civil Engineering.
  • Czech Technical University in Prague, 2021.
  • [13] Szép J. Hídszerkezetek modellezése a talaj és a szerkezet kölcsönhatásának figyelembevételével. PhD-értekezés. Győr: Széchenyi István Egyetem; 2014.
  • [14] Ray, PB. An optimized elastoplastic subgrade reaction for modeling the response of a nonlinear foundation for a structural analysis. Slovak Journal of Civil Engineering, September 2015.
  • [15] Wolf Á. Cölöpalapok viselkedése szeizmikus terhelés hatására szemcsés talajkörnyezetben. PhD-értekezés. Győr: Széchenyi István Egyetem; 2018.
  • [16] Koch E. Töltésalapozási eljárások modellezése. PhD-értekezés. Győr: Széchenyi István Egyetem; 2014.
  • [17] Koch E, Szepesházi R. Laboratory tests and numerical modeling for embankment foundation on soft chalky silt using deep-mixing. Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris, 2013.
  • [18] Koch E. Vasúti híd és pálya csatlakozás modellezése Plaxis 3D szoftverrel. Sínek Világa 2018;2:7-12.
  • [19] Koch E, Szepesházi R. 3D modelling of train-track interaction at bridge transition. Proceedings of the XVI. Danube European Conference on Geotechnical Engineering, Skoje, 2018.
  • [20] Koch E. Hídépítés ütemezésének geotechnikai hatásvizsgálata. Sínek Világa 2019;3:9-17.
  • [21] Koch E. Finite element analysis of bridge transition zone for investigating the effect of moving loads. Proceedings of the XVII European Conference on Geotechnical Engineering, Reykjavik, 2019.
  • [22] Koch E. Vasúti hídfők komplex geotechnikai modellezése. Sínek Világa 2020;6:2-8.
  • [23] Szilvágyi Zs. Dunai homokok dinamikus talajparaméterei. PhD-értekezés. Győr: Széchenyi István Egyetem; 2018.
  • [24] Ray RB, Szivágyi Zs, Wolf Á. Talajdinamikai paraméterek meghatározása
  • és alkalmazása. Sínek Világa 2014;1:32-6.
  • [25] Hudacsek P, Sándor Cs. Rezgőhúros érzékelőalapú geotechnikai és szerkezetmonitoring-rendszerek fejlesztése. Geotechnika 2020 Konferencia, Herceghalom.
  • [26] Szepesházi R, Szép J. Modelling of soil-structure interaction in bridge design. 19th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Seoul, 2018.
A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2021 / Különszámában.
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 | ©