A cikk szerzője:

Dr. Koch Edina egyetemi docens
Széchenyi István Egyetem

Vasúti hídfők komplex geotechnikai modellezése

A cikkben a szerző bemutatja az újabb kutatásainak az eredményeit, amelyek a hídfőszerkezetek, beleértve az alapozásukat is, a csatlakozó töltés és a köztük kialakítandó átmeneti szakasz fejlesztésére irányulnak. E komplex, a hídfők és az átmeneti szakasz szerkezeti kialakítása által is befolyásolt rendszer viselkedését a legkorszerűbb térbeli, véges elemes, nemlineáris anyagmodellel dolgozó szoftverrel modellezte, s figyelembe vette a vonatterhelés dinamikáját is. Kiemelt figyelmet fordított a háttöltés kialakításának a szerepére.


A 11. ábra a hídfőn bekövetkező elmozdulások növekményét mutatja a járműteher hatására az 1. változatra. Az ábra alapján megállapítható, hogy a hídfő teljes elmozdulásának a növekménye u ≈ 1 mm. A teteje jellemzően ux ≈ 0,9 mm-t a nyílás felé mozdul, és uz ≈ 0,6 mm-t süllyed. A terepszint alatt a kifelé irányuló mozgás csak 0,4 mm körüli. A háttöltés vége felé ~10 mm-es többletmozgások keletkeznek, amiből több a függőleges komponens. Megjegyzem, hogy a 2. változatra is nagyon hasonló eredmények adódtak.

11. ábra. Az elmozdulások növekményének iránya a forgalmi terhelés hatására
A számított mozgások reálisak, kedvezők és elfogadhatók, hiszen általában igyekszünk olyan alapozást tervezni, hogy 1 cm-nél sokkal nagyobb elmozdulások a szerkezetek alatt ne legyenek. Ennyit még a statikailag határozatlan szerkezetek is bizonyosan elviselnek, sőt ez az elvárás talán az esetükben is feleslegesen szigorú. A jelen esetben – lévén kéttámaszú tartóról szó – jóval nagyobb is megengedhető volna.

Az alapozással kapcsolatos eredmények

Mindkét változatot illetően megvizsgáltam a cölöpök függőleges és vízszintes mozgását, illetve az igénybevételeiket a 17. és 18. építési fázisban. A 3. táblázatban a teher felvitele utáni állapotra számított értékeket foglaltam össze. Általánosságban elmondható, hogy a cölöpök függőleges elmozdulása 2 cm körüli, a vízszintes irányú mozgás kevesebb, ~ 1 cm, a maximális normálerő 2000 kN alatt van, a maximális nyomaték 600 kNm körüli.


A 12. ábra az 1. változat töltés felőli, egyik szélső cölöpjének vízszintes elmozdulását és igénybevételeit mutatja. A táblázat és az ábrák alapján a következőket állapítottam meg:
A cölöpfejek végleges függőleges elmozdulásait elsősorban az jellemzi, hogy a töltés felőli cölöpök elmozdulásai nagyobbak. Ezek 6 mm-rel többet süllyednek a nyílás felőli cölöpökhöz képest, ami összhangban van a hídfő hátradőlésével. A nyílás felőli cölöpsor 1,6 cm-t, a töltés felöli 0,9 cm-t süllyed. A végleges süllyedéseket és süllyedéskülönbségeket tehát a töltések terhe határozta meg, a járműteher a süllyedéseket viszonylag kismértékben és csaknem egyenletesen növelte.
A cölöpök vízszintes értelemben a nyílás felé mozdulnak el – lefelé csökkenően. Felül az összefogás okán az elmozdulás azonosan 4 mm, a talpaknál a szélső cölöpök 1,5, a belsők 2 mm-t mozdulnak el. A járműteher hatására a vízszintes elmozdulástöbblet a fejtömb síkjában 0,5 mm körüli, s értelemszerűen azonos. A nyílás felőli cölöpsor talpa gyakorlatilag e hatásokra nem mozdult el. A töltés felőli cölöpök elmozdulása is csupán 0,2 mm, s ez a töltés felé irányult.
A legnagyobb normálerő a nyílás felőli szélső cölöpök fején keletkezik, 1813 kN, a töltés felőli sorban a középső cölöpfejre kevesebb erő jut, 1132 kN.

12. ábra. Töltés felőli szélső cölöp vízszintes elmozdulása és igénybevételei (1. változat)
A talpra jutó maximális erő 390–895 kN között változik, a töltés felőli szélső cölöpökön a legnagyobb, a nyílás felőli középső cölöpökön a legkisebb.
A töltés felőli cölöpök felső ~4 m-es szakaszán ~300 kN negatív köpenysúrlódás hat. (Ez azt is jelzi, hogy a földterhek alapvetően a szárnyfalakon és a hídfőhátfalon súrlódva adódnak át a cölöpökre.) Alatta viszont a palástellenállásnak köszönhetően rohamosan csökken a cölöpben működő normálerő a talpra jutó 390–895 kN erőkig. A nyílás felőli cölöpökön negatív köpenysúrlódás nem jelentkezik, de a cölöpök felén nem csökken a normálerő, tehát a palástellenállás nem mobilizálódik, a cölöpök és a talaj együtt mozdulnak lefelé.
A járműteher hatására a normálerő ~5%-os növekedése figyelhető meg, a talpon ennél valamelyest kisebb.
A nyomatéki csúcsértékek a cölöpfej alatt 1-2 m-re adódnak. A nyílás felőli cölöpsorban nagyobbak az értékek: 616 kNm, a töltés felőli cölöpsoron ~400 kNm nyomaték keletkezik. A nyomatékok mélység szerinti változásai és ezen értékek aránya összhangban vannak a vízszintes elmozdulások görbületváltozásával.

Következtetések

A tanulmány egy jellegzetes cölöpalapozású vasúti hídszerkezet és a gyenge altalajon épült csatlakozó töltés építésének és terhelésének modellezését és annak eredményeit mutatta be különböző hídfő- és háttöltés-kialakítási változatokra. A vizsgálódás alapján több, a gyakorlat számára is hasznos következtetést vonhatunk le:
A bemutatott eredmények értelmezhetősége, reális nagyságrendje, egymáshoz viszonyított arányai alapján megállapítható, hogy a Plaxis 3D szoftver a HS-small anyagmodellel és a dinamikus vonatterhelés modellezésének lehetőségével alkalmas eszköz a vizsgált probléma mélyreható analízisére.
A térbeliség és a talaj/szerkezet kölcsönhatás korrekt kezelése mellett a HS-small anyagmodellből természetes módon adódó kisebb és reálisnak látszó határmélységek azt eredményezik, hogy a hídfő környezetére vonatkozóan már az állandó terhekből származó süllyedésekre is sokkal kedvezőbb eredményeket nyerhetünk annál, mintha erre is a folyópályára kidolgozott analitikus módszerekkel vagy 2D modellezéssel számított eredményeket vonatkoztatnánk.
Az ilyen modellezéssel képesek lehetünk a hídfő és az átmeneti szakasz szerkezeti kialakításának az optimalizálására. Jelen tanulmány példái azt mutatták, hogy a cementtel javított háttöltés folytonosabb átmenetet biztosít, érdemes ilyet betervezni.    A rövid idejű és a kis alakváltozások tartományában maradó vonatterhelés okozta többletsüllyedések számítására is alkalmasnak látszik az alkalmazott modellezési eljárás.  
A kedvező eredmények további számításokra biztatnak, más talajadottságok, más hídfőszerkezetek, más kialakítású átmeneti szakaszok és más építési eljárások modellezése után lehet/szabad majd igazán átfogóan értékelni a modellezés helyességét és módszereit. A sok változó miatt nem indokolt abban bízni, hogy az ilyen futtatások alapján nagyon egyszerű méretezési eljárásokat lehet majd kidolgozni. Hosszabb távon is arra érdemes berendezkedni, hogy az itt bemutatott módon modellezük majd a konkrét eseteket, s keressük az adott körülményekre megfogalmazható optimumfüggvények szélső értékeit.

A cikk folytatódik, lapozás:« Előző1234

Irodalomjegyzék

  • [1] Horvát F, Koch, Major Z. Híd és vasúti folyópálya közötti átmeneti szakaszok kialakítása. Sínek Világa 2018;LX(4-5): 89-97.
  • [2] Brinkgreve RBJ, Vermeer PA. PLAXIS-Finite element code for soil and rock analyses, Plaxis 3D. Manuals, Delft University of Technology, Plaxis bv, The Netherlands. 2010
  • [3] H.1. Vasúti Hídszabályzat, H.1.6. Utasítás, Vasúti hidak és egyéb műtárgyak geotechnikai tervezése, MÁV, 2018.
  • [4] Hudacsek P, Koch E, Szilvágyi Zs, Wolf Á. Kis nyílású műtárgyak csatlakozó szakaszainak vizsgálata dinamikus teherre. Sínek Világa 2017; (2):32-36.
  • [5] Koch E. Vasúti híd és pályacsatlakozás modellezése Plaxis 3D szoftverrel. Sínek Világa 2018;(2):7-12.
  • [6] H.1. Vasúti Hídszabályzat H.1.2. Utasítás Vasúti hidak és egyéb műtárgyak méretezésének általános előírásai. Budapest: MAÚT, 2019.
  • [7] Koch E. Hídépítés ütemezésének geotechnikai hatásvizsgálata. Sínek Világa 2019;(3):9-17.
A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2020 / 6. számában.
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 | ©