A feszített vasbeton hidak fejlődéstörténete és jelenlegi állapota Németországban BOZSAKY Dávid, PhD hallgató Széchenyi István Egyetem, Győr, Egyetem tér 1., Műszaki Tudományi Kar, Doktori Iskola, Tel: (+36)-96/503-400, 3490 mellék. Honlap: http://mmtdi.sze.hu, e-mail:
[email protected] Kulcsszavak: feszített, vasbeton, híd, fejlődés, történet, állapotfelmérés, repedés, korrózió, előregyártás Összefoglalás: A németországi feszített vasbetonból készült hidak sikere a második világháború előtti kísérletekkel indult meg. A háború után történt hat alapfelfedezés vezetett ahhoz, hogy a következő húsz évben, 1945-1965 között, széles körben elterjedjenek. Az 1970-es évektől a műszaki szabályozás továbbfejlődése, a méretezési technikában bekövetkezett újítások, valamint a kivitelezéssel kapcsolatos szabályozások (pl. betonfedés növelése) eredményezték a feszített betonszerkezetekkel kapcsolatos ismeretek teljessé válását. Az 1985-1995 közti konszolidációs időszakot követően az új betonminőségek megjelenése és az építményszerkezetek tartóssága iránti igény felerősödése újabb innovációs periódust indítottak be. Az így készült feszített betonhidak alkotják a Németországi hidak többségét. Ezekről a hidakról készült a 2000-es évek elején egy tanulmány, amely a német utófeszített betonhidak állapotának felmérése érdekében készült, és a teljes híd-állományt reprezentáló mintát vizsgált meg. Az általános jellegű információk mellett elsősorban a felépítmény-szerkezet károsodását ellenőrizték olyan mérvadó paraméterek segítségével, mint a repedések szélessége, a feszítőrendszer sérülései, lerögzítések, korróziós károk, szabadon lévő vasalások és nedves helyek állapota. Végezetül egyes hídelemek (csapágyak, csatlakozások) károsodásait vizsgálták. Jelentős különbségek adódtak a régebbi (80-as évek előtt épült) és a fiatalabb (80-as évek után épült) szerkezetek között, és megállapította, hogy a régebbi hidakon elvégzett korszerűsítések, fejújítások többsége eredményesnek bizonyult. 2030-ig megbecsülte a németországi feszített betonhidak állapotát, valamint a várható fenntartási és korszerűsítési tevékenységek növekedését jelezte.
1. A történeti fejlődés 1.1. Alapelvek tisztázása és az első fejlődési periódus (1886-1945) 1886 és 1912 között született meg és írták le szabadalomban a beton előfeszítésének ötletét. A szabadalomhoz az a gondolat vezetett, hogy elkerüljék a betonban a repedések keletkezését. C. F. W. Dörings terjesztette elő elsőként a feszített vasalatú beton építőelemek gyári készítését. 1896-ban Julius Mandl (1861-?) fejtegette először az Österreichischen Ingenieur- und Architekten-Vereins című tanulmányában, hogy a vasalást betonozás előtt meg kellene feszíteni. Jens Gabriel Lund (1874-1951) vetette fel elsőként, hogy a közbenső födémek szélső mezőit feszített acélbetétekkel lássák el. Az amerikai Charles R. Steiner is javasolta a beton zsugorodásából származó repedések elkerülése végett, hogy a fővasalást a beton friss állapotában helyezzék el és feszítsék meg. Őket követte Walter Wilson, aki egy vasbeton lemezben a normál hálós vasalás mellett függesztőműszerűen vezetett huzalokat alkal-
mazott, melyeket a beton megkötése előtt megfeszített. A vasbeton gerendák repedéseinek kiküszöbölésének kérdése a következő évek során egyre jobban előtérbe került. A Német Vasúti Igazgatóság részéről John Labes (18511919) foglalkozott a feladat megoldásával. Az „Ideiglenes előírások mérnöki létesítmények tervezése és kivitelezése a berlini Vasúti Igazgatóság körzetében” című kiadványában, a betonban keletkező húzóerőkkel szemben az előírt biztonságot 1,5 és 2,5 közötti értékben határozta meg. Az ilyen biztonság mellett számított feszültéség súlyos követelmény volt, amely veszélyeztetni látszott a vasbeton további fejlődését. és alkalmazását a különböző szerkezetekben. Labes tevékenységét követően Matthias Koenen (1849-1924) hozta nyilvánosságra javaslatát a vasalás megfeszítésére. Kigondolt egy eljárást, amely alkalmas volt arra, hogy a beton húzott övében kezdeti nyomófeszültséget létesítsen. Az eljárás abból állt, hogy a betonozás megkezdése előtt a húzott oldalon elhelyezett vasbetéteket feszítő berendezés segítségével megfeszítették, és ezt csak a betonozás és a beton megszilárdulása után távolították el. Az ily módon szabaddá tett
vasbetétek ekkor összehúzódtak, s az őket körülvevő betonréteget tapadófeszültségek útján összenyomták. Koenen eljárását egy lemezes gerendán mutatta be, melyben az acélbetéteket megfeszítette hidraulikus sajtókkal és csavaranyákkal rögzítette a lehorgonyzó lemezek között. Egyéb feszítési elképzelésein kívül Koenen 1912-ben megkísérelte, hogy a zsugorodás hatását is figyelembe vegye, s szabadalmaztatott egy eljárást, mely szerint a már megszilárdult és zsugorodás folyamatában lévő húzott övre a nyomott övet utólag hordják fel. Koenen javaslatai alapján a következő évek folyamán kísérleteket végeztek. Az eredményekről Carl von Bach (1847-1931) tudósított és megállapította a repedésképződés csökkenését. Ezek a módszerek már a feszített beton igazi alapgondolatát tartalmazták, de nem követték további próbálkozások, mivel a gyakorlati megvalósítás lehetőségét nem látták. Részben emiatt, részben pedig a beton lassú alakváltozásának ismeretlen volta miatt lényegileg kudarcot vallott az összes addig végzett előfeszítési kísérlet. Kizárólag Eugène Freyssinet (1879-1962) volt az, aki kezdettől fogva tántoríthatatlanul kitartott a feszítés gondolata mellett, és univerzális módon mind elméletileg, mind gyakorlatilag megfogta a kérdés lényegét. Tanítómestere, Charles Rabut (1852-1925) ösztönzésére már 1907-ben tanulmányozta a beton alakváltozását. Felfedezte a beton lassú alakváltozását, és 1914-ben már közel járt az elméleti elképzelések gyakorlati megvalósításához, amikor a háború kitörése megszakította tanulmányait. E késleltetés miatt csak 1926-ra tudta tisztázni az alakváltozásra vonatkozó ismereteket. Az építőanyagok fizikai tulajdonságainak kutatásával egyidejűleg Freyssinet a gyakorlati kérdések megvalósítását is elősegítette. Gépi segédeszközöket szerkesztett és 1929-ban megépítette első feszített beton sajtóját. Freysinnet ismerte fel a nagy szilárdságú acél szükségét a beton előfeszítéséhez egy 50 m-es kísérleti ív alapján. A kísérleti ív feszítőpászmái hidegen húzott, magas folyáshatárú huzalokból álló acélból készültek, melyeket párosan feszített meg, és ékkel rögzített egy acéllemezen. A betonban fekvő feszítő elemekkel Freysinnet megszabadította a betont az íves kényszertől, és kezdettől meghatározta a feszített beton hidak alakját. Az „előfeszített húzott vasalás” 76 db összekötött 10 és 14 mm-es, kiváló minőségű mangán köracélból állt. Ma már különlegességnek számít, hogy „a repedések elkerülése végett" a kengyeleket is előfeszítették. A Wayss & Freytag A. G. cég elsőnek ismerte fel az új építésmód nagy lehetőségét, s ő lett a vasbeton németországi bevezetésének és továbbfejlesztésének fő részese is. A cég 1935-
ben megvásárolta Freyssinet szabadalmainak gyártási engedélyét Németország számára, és hozzákezdett nagyméretű kísérleti tartók előállításához és vizsgálatához. Az aláfeszített gerendák elvét Franz Dischinger (1887-1953) dolgozta ki a Dyckerhoff & Widmann A. G. nevű céggel együttműködve. A Dischinger-féle elcsúsztató, köracélból készült függesztőművel történő építésmód 1928-ban alakult ki, s az első ilyen rendszerű műtárgy és egyben az első feszített betonhíd az Aue-i közúti híd volt. Dischinger ötletét továbbfejlesztve Finsterwalder a kétrészes feszített szalag előfeszítését magával a felépítménnyel állította elő. Észrevétlenül szerkesztette Willy Stöhr (1905-1997) kormányzói építőmester, Dischinger különleges javaslatával támogatva Posennél az első nagy fesztávú hidat feszített betonból. Dischinger és Stöhr tanultak a gyorsan jelentkező hibákból. A háromrészes átmenő tartóhoz, melynek középső fesztávja 80 m volt, megtartották a formatartó, előfeszített acél ötletét, de csak „nagyszilárdságú, zárt hídkábelt irányoztak elő „feszítő szalagként". Így úrrá lettek a külső „függőhevederek" nagy nyúlási mozgása fölött, és a szükséges utófeszítést a minimumra csökkentették. A feszített beton fejlődését innováció-barát mérnököknek a következőkben ismertetett fejlesztési ötletei vitték előre. 1.2. Az orientálódás időszaka (1945-1965)
és
a
verseny
1.2.1. A Wayss & Freytag A.G. mérnökei A Wayss & Freytag A.G. cég mérnökei kihasználták az 1942 előtti információs előnyüket, és Freyssinet szabadalmának megvételét több hídszerkezet építési beruházásánál is. Míg az ulmi Herdbrücke feszítőelemei még egyenes vezetésűek voltak, az új heilbronni Kanalhafenbrücke feszítőelemei már részben zárt feszítőcsatornákban követik a nyomaték alakulását. A folyási- és zsugorodási veszteségek kiszámításának fáradságát a mérnökök továbbra is az acél feszültségének általányozott 1500 2 kp/cm -es csökkentésével intézték el. Ez 18,75 % (Herdbrücke) és 18 % (Új Kanalhafenbrücke) közötti feszítő erő-veszteségnek felelt meg. 1.2.2. A Dyekerhoff & Widmann A.G. Berlin München cég főmérnöke, Ulrich Finsterwalder. 1948 körül találta meg Finsterwalder a Krupp művek St90 jelű természetes kemény acéljában a megfelelő anyagot a rúdszerkezetek feszítőbetétei számára. Közel dupla folyáshatárával az acél nem volt érzékeny a rideg-
szakadásra és a feszültségkorrózióra. Finsterwaldernak sikerült a 26 mm vastag rudakra menetet hengerelni, és ezzel a lehorgonyzásokhoz és a csatlakozásokhoz alkalmassá tenni, melyeket zseniálisan egyszerűen lemezből, karmantyúból és csavarokkal kötött össze. Finsterwalder módszerének előnye volt, hogy a feszítő prések levételével közel csúszás nélkül maradtak a betétek. A módszer segítségével épület meg a 62 m fesztávú Lahnbrücke, mely az első olyan híd a világon, melyet szabadon feszített betonból készítettek el. A szabad előre építésnél a híd a támasztékokon és az építés területén betonozott ellensúlyokon feküdt. A feszített beton öt éven belül elkezdte az acélszerkezet építés nagy fesztávú hidakban való uralkodását kiszorítani. 1.2.3. Fritz Leonhardt (1909-1999), Wolfhart Andrä (1914-1996) és Willi Baur (1913-1978) tanácsadó mérnökök Stuttgartból Freyssinet „Line Revolution dans l'Art de Bâtir" című cikkétől felvillanyozva utazott Fritz Leonhard 1943-ban Párizsba, hogy Freyssinetnél, Yves Guyon (1899-1975) főmérnökénél és Edmé Campenon (1872-1962) építési vállalkozónál a feszített beton lényegét megértse és megtanulja. Leonhard, aki 1938 és 1941 között a KölnRodenkircbeni függőhíd építési vezetője volt, Willi Baur közreműködésével egy szétrombolt rajnai függőhíd kötélsodronyait használták feszítőacélnak, és főzőfazékhoz hasonló befogófejeket hidraulikus présnek, hogy megvalósították első projektjüket. Eredménye a Bleibach melletti Elz folyón átívelő egymezős, csuklós ágyazású lemezhíd lett 1949-ben.
Az előfeszítésnél fellépő súrlódási erők bizonytalansága nem hagyta nyugodni Baurt és Leonhardot, ezért megfigyeléseket végeztek a kábelmozgások terén. Fritz Leonhardt és Willi Baur a Leoba-feszítőelemekkel egy további sikeres feszítési eljárást fejlesztettek ki, ami kezdetben kiegészítésnek, kis terhelésekhez alkalmazott koncentrált feszítőelemekhez szántak. Magasépítésben és az útpálya keresztirányú feszítéséhez alkalmazták. Azonban nem a mérnököket mai napig is foglalkoztató korrózióvédelem vitte a fejlesztéseket előre, hanem a súrlódási ellenállás bizonytalansága volt a korai építőmérnökök központi, megoldásra váró kérése. A komplex feszítési technika beszerzésére, a zsaluzatra, a laza feszítőacélra, és a jó minőségű hidak készítésére koncentrálódott a fejlesztés. Ezek a fejlesztések és kutatások tették meg az egyik fontos lépést a feszített betonhidak a sikeréhez. 1.2.4. A dél-német fejlesztőmérnökök: Heinrich Stöhr és társai Heinrich Stöhr (1905–1997) profitált a hídépítés korábbi mérnökeihez fűzött barátságból. Ápolta azt a szokást, hogy rendszeres tapasztalatcserét folytatott a betonhíd építők úttörőivel. Önálló mérnökként tervezte meg a Herdbrückét Ulmban. További személyiségek is felfedezhetők ebben a korszakban, de a versenyben való előnyszerzés bevallásának veszélye miatt névtelenek maradtak. Az építtetők mérnökei számára a feszített beton kezdetben csupán egy hétköznapi, gazdaságos építőanyag volt, mely Freyssinet elméletei alapján repedésmentes, hosszú életű és kevés karbantartást igénylő, kiváló minőségű építményeket tett lehetővé. Később azonban rá kellett jönniük, hogy a feszített beton egy új korszak kifejezése is. 1.2.5. Hans Wittfoht a Polensky und Zöllner A. G. mérnöke, a STRABAG BauA.G. mérnökeivel karöltve
1. ábra: a Bleibach melletti Elz-híd
Az Elz-hídnál már nagy feszítőbetétkötegeket alkalmaztak. Ez a feszítési módszer Baur-Leonhard-féle eljárásként került be a köztudatba. A nagy feszítőbetét-kötegekkel teljes egészükben feszítették meg a hidakat. Később kiszerelhető, speciális 5 MN feszítő erőre képes prések pótolták a háború utáni korai idők főzőfazékszerű befogópofáit.
Helmut Homberg (1909-1990) mutatta meg az utat, hogy hogyan kell egy ferde hidat kiszámítani egyszerűsített rács segítségével. Hans Wittfohtnak köszönhető, hogy a feszített betonból egy közúti híd vonalvezetését tetszőleges alaprajzzal és magasságban meg lehetett valósítani. Ez egy olyan versenyelőny, melyet az acél- és acélkötésű hidak nélkülöznek. A Hohensyburg híd (1955) egy hurokba maga alá vezető utat foglal magába, hogy a Ruhl-völgybe kerülhessen (2. ábra) Az út vonalvezetésének biztosításához a felépítménynek vízszintesen egy 56 m-es sugarat kellett
követnie. Wittfoht ehhez egy karcsú, 65 cm vastag lemezt választott, melyet a harmadoló pontoknál keresztkeret támasztott alá. A szabadalmaztatott feszítési eljárás PZ 88 feszítőpászmákkal rendelkezett, mindegyik 0,4 MN terhelő erővel, és követték vízszintesen a görbületi sugarat. Az erős alaprajzi görbület következményeként a belső és a külső szélen fellépő különböző nyúlási alakváltozások a számítások szerint alakultak.
2. ábra: a Hohesyburg híd (1955)
Az 1956-ban előreirányozott autópályaépítési terv a növekvő közlekedési igények kielégítésére, racionális építési eljárásokra irányította az építőmérnökök figyelmét. A fejlődés a cégeket egy olyan építési módszerhez vezette, melyhez alátámasztás-mentes acélállványt lehetett használni, mely egy komplett hídmező megfeszítésére szolgál és az építést szigorúan a vasalásra, betonozásra, előfeszítésre és a betolásra ütemezi. Az állványzat alátámasztásának elhagyásával Wittfoht egyfázisú rendszerré leegyszerűsítette a STRABAG betolható állványát. A betolási állványzatok magas beruházási költségei arra késztették az építőipari cégeket, hogy szervezetet alapítsanak a gépesített felszerelések fejlesztésére. 1.2.6. Leonhardt szakaszos előretolásos módszere lezárja az orientálódás és verseny időszakát A Leoba-feszítőelemek kifejlesztése után Leonhardt Andrä-val és később Göhlerrel egyszerű, és nagy beruházási költséget mellőző építési eljárás kidolgozásával folytatták fáradozásaikat. Ehhez Leonhardt elődeit vette
alapul, akik már 100 évvel korábban nagy acél áthidalásokat a talajon szereltek össze és a pilléreken toltak be. Finsterwalderrel és Wittfohttal szemben az állványt a híd felépítményének végleges helyén történő betonozásához eltolhatóvá tették, a betont és a felépítmény előfeszítését közvetlenül a saru mögötti helyi zsaluzathoz, a szakaszos betoló-állomáshoz rögzítették, és a fél mezőhosszra legyártott felépítményt ideiglenes csúszócsapágyon és hidraulikus présekkel heti ciklusban a végleges helyzetébe tolták. Ez jelentős feszítőacél szükségletet jelentett, valamint a hangsúlyt adott a kompakt, egycellás üreges szekrényszerkezetre. A betolásnál fellépő konzolnyomatékok csökkentésére elöl könnyű acéltartóból előépítmény-csőrt építettek. A tömeg optimálása helyett Leonhardtnak sikerült a befektetési költségeket csökkenteni. A betolási szerkezetek sikere más országokban történő alkalmazásra inspirálta a szakaszos előretolásos eljárás feltalálóit. A Rio Caronin átvezető híd Venezuelában volt az első híd, melyet szakaszos előretolásos eljárással építettek. A feszített beton hidak építésének a munkafázisok szigorú szakaszolásával történő optimálása, és a zsaluzatok, valamint az állványzat ismételt felhasználása a formabeszéd elszegényedéséhez vezetett. Azonos támasztávolságok, párhuzamos hevederű felépítmények, és a kevés keresztmetszeti típus kezdték a hidakat egymás közt cserélhetővé tenni, és zavarban hagyták a társadalmat. 1.3. A teljessé válás szakasza (19651985) és a konszolidálódás (1985-1995) Mialatt kezdetben a felépítmény fejlődésénél a karcsú, magas főtartóval, teherelosztó kereszttartóval és keresztirányban előfeszített útpályából állt, mindig gyakrabban alkalmaztak fekvő keresztmetszeteket tiszta hosszirányú előfeszítéssel. Itt az építtető által bevezetett minőségbiztosítási szabvány, a mérnöki létesítmények kiegészítő műszaki feltételei, jelentették 1976-ban a jelentős paradigma-váltást. A Blasbachtal-hídnál jelentős repedések léptek fel. Az építtető és a megbízó közti vitát a bíróságnak kellett rendezni. Az írott szavakat követve és a repedések műszaki okait nem tisztázva, a bírók az építő cégek által propagált repedés- és karbantartás nélküli építményt követelték. A Frankfurti Felső Tartományi bíróság ítélete megdöbbenést keltett, de az ítélet, 75 évvel Labes után arra kényszeríttette a mérnököket, hogy reálisan közelítsék meg a masszív hidak karbantartási ráfordítását, és tisztázzák a repedés keletkezését és irányítását. A Freyssinet-féle elvek teljes repedésmentességében való hite teljesen nélkülözte a szigetelést ko-
rábbi feszített beton építményekben. Ezen kívül a nem kielégítő mastix-szigetelést alkalmazták. A teljes felületen alkalmazott téli csúszásmentesítő anyag ellen való védelemre kiváló szigetelőrendszerek alkalmazása, a tüskés abroncsok tilalma a 70-es évek közepétől, és a műszaki szabályozások továbbfejlődése voltak a teljesülés szakaszának központi feladatai. Még fejcsóválva hallgatták Friedrich Standfuß beszédét 1979-ben a Német Betonnap alkalmából a hidak fenntartásával és tartósságával kapcsolatban. Standfuß a közlekedési utak építményein keletkezett károk vizsgálatát kezdeményezte. A minőségbiztosítás egyes fontos kérdéseiben egyelőre nem tudta érvényesíteni magát az építtető. A Tartományok hídreferensei erre összefoglalták követelményeiket a konstruktív kiképzés és építési kivitelezés minőségével kapcsolatban. Így először 1980-ban gondoskodtak a feszített és nem feszített vasalások kielégítő betonfedéséről. Ma a mért karbonátosodásmélységek és klorid szennyeződés igazolja az 1980-ban intuitív és gazdaságtalanak bírált döntést. 1985 és 1995 között a feszített beton hídépítés konszolidálódott az építésben és az elméletben, már nem fejleszti tovább a formáit. A meglévő masszív hidak gazdagságához betonjavítási és pótló rendszereket fejlesztenek. A konszolidációs szakaszra esik az hídmenedzserrendszer felépítésének az elindítása, melynek célja, hogy az építmény állapotát objektumra vonatkoztatva lehessen kiértékelni. 1.4. A második 1995-től
innovációs
szakasz
A vasbetonépítés a modern hídépítés impulzusadójává virágyott fel Németországban, anélkül, hogy elérné a Franciaországban szokásos piaci részesedést, mert a német közbeszerzési jog miatt a közepes és kisebb fesztávolságok mellet a gazdaságosság elmarad. A 40 m és a 60 m közötti fesztávú gerendahidaknál az újraegyesítés előtt fejlesztett külső előfeszítés marad a piacvezető. Az új innovációs szakasz fontos lépése volt új betonminőségeket megjelenése az 1990es évek elején. Az öntömörítő beton, a nagy- és ultra-nagy szilárdságú beton kevésbé a nagyobb teherbírás, mint az építményszerkezetek tartóssága iránti igényt ébresztik fel. A nagyszilárdságú betonok előállítását az egyrészt az 1970-es években a beton adalékanyagainak fejlődése lehetővé tette, melynek segítségével a víz-cementtényezőt a 0,4-es érték alá csökkentsék, másrészt a szilícium tartalmú adalékanyagok bevezetése. Ezeket a betonokat az 1980-as években az USA-ban kezdték el alkalmazni, először a magasépítésben. A beton
nagyobb szilárdsága lehetővé tette, hogy a függőleges teherhordó szerkezetek (oszlopok és falak) szélességi méretét csökkenteni lehessen. Az új technológia első fontosabb alkalmazására Németországban a Trianon Hochhaus építésénél került sor 1990-ben. Azóta ez a technológia széles körben elterjedt. 1995-ben hozták nyilvánosságra a németországi vasbetonszerkezetekkel foglalkozó szabvány kiegészítését. A DIN 1045-1,2,3 szabályozta a nagyszilárdságú betonok alkalmazását a C80-95-ös szilárdsági osztálytól egészen a C100/115-ös osztályig.. Az ily módon szabályozott nagyszilárdságú betonok felhasználása egy évtized alatt megduplázódott. Az évtized második felében Németországban kutatások kezdődtek, hogy megfelelő mértékben alátámasszák a nagyszilárdságú betonok hídépítésben való alkalmazhatóságát. A magasépítéssel szemben a hídépítésben nagy szabadon álló és az időjárás viszontagságainak kitett betonfelületek keletkeznek. Ezért fontos minőségbiztosítási követelmény, hogy körültekintő legyen a gyártás és az utókezelés ellenőrzése. Így érhető el, hogy a nagyobb szilárdság mellett a beton tartóssága is javuljon. Végül 1998-ban a tudományos ismereteket BadenWürttenbergben és Bajorországban a gyakorlatba is átültették két kísérleti beruházással, a Sasbach melletti és a Buchloe melletti híddal. A Sasbach melletti híd egynyílású hídszerkezete egy országút felett ível át 16 m-es fesztávval 6 m-es magasságban. A teljes keresztmetszeti mérete 0,55 m. A felépítmény tartószer3 kezetébe 45 m B85-ös betont dolgoztak be. A műtárgy költségei egy hagyományos szerkezettel összevetve jóval magasabbak voltak. A nagyszilárdságú beton miatti többletköltség a kivitelezőt terhelte.
3. ábra: a Sasbach melletti híd
A Buchloe melletti híd háromtámaszú felépítménye a München – Lindau közti autópálya felett ível át 2x21,50 m-es fesztávjával 6 m magasságban. A szerkezet keresztmetszeti vastagsága 0,80 m, melynek alátámasztó pilléreibe 120 3 m B85-ös nagyszilárdságú betont építettek be.
A 2000-es évben épült a Griesbach-híd. Az egynyílású közúti híd az észak-bajorországi Bad Griesbach mellett található. A 28,74 m-es támaszközű és 11,25 m széles pályalemeze 4 db előregyártott B85-ös nagyszilárdságú betonból készült elemből áll. A monolit beton kiegészítéseket B45-ös betonból készítették. Az előregyártott elemeket tapadásmentes feszítőpászmákkal feszítették meg, amik cserélhetők. A 2001-ben épült Freihamer Allee híd készítése során már felhasználták a Buchloe és a Griesbach melletti híd építésekor szerzett tapasztalatokat, ezáltal sikerült optimalizálni a minőségbiztosítást. A háromnyílású híd egy mezőgazdasági utat vezet át a München – Lindau közti autópálya felett. A támaszközei: 25,50 m – 20,00 m – 19,60 m. Magassága 6 m, a keresztmetszeti magassága 0,75 m és 1,05 m 3 közt változik. A szerkezetbe 185 m nagyszilárdságú betont dolgoztak be egy munkafázis alatt.
2. A feszített betonhidak állapota 2.1. A probléma felvetése A hidak lényeges elemeit képezik a német távolsági útrendszernek, amelynek felépítése mindenekelőtt a viszonylag fiatal feszített betonos építésmódnak köszönhető. A feszített betonból készült német hidak túlnyomó részét 1965 és 1980 között építették. Szinte mindegyik építmény a kezdetektől egészen mind a mai napig betölti funkcióját. Néhány – a nem pontos tudásszintre visszavezethető – problémás területet az évek során a tapasztalatok és a kutatások, valamint az építészeti megvalósítások, megoldások révén vagy el lehetett kerülni, vagy karbantartási intézkedések révén messzemenően ki lehetett egyenlíteni. Mindeddig a feszített betonból készült felépítmények egyetlen hordozóműve sem mondta fel a szolgálatot az üzemelés során. Azonban az egyre öregebbekké váló építményállomány miatt egy vizsgálat során reprezentatív szúrópróbákkal vizsgálták a feszített betonból készített hidak állapotát a német távolsági utak mentén. 2.2. A szúrópróba kiválasztása
4. ábra: Freihamer Allee híd
2004-ben épült a legújabb németországi feszített beton híd, amely Gars melletti ível át az Inn folyó felett 12,25 m magasságban. A hatnyílású hídszerkezetet 21,75 m – 4x28,62 m – 21,75 m támaszközökkel készítették. Kéttámaszú lemezeinek keresztmetszeti magassága 1,00 m. A műtárgyat hat szakaszban betonozták, ösz3 szesen 1200 m nagyszilárdságú B85-ös beton felhasználásával. Látható tehát, hogy az elmúlt hat évben épült németországi hidak kivétel nélkül nagyszilárdságú betonból készültek. Minden projekt azt mutatta, hogy körültekintő tervezés és előkészítés, valamint gondos kivitelezés mellett ez a technológia alkalmazható. A projekt résztevőinek jó együttdolgozása, a kiváló minőségre való törekvés, és az építőanyagokkal kapcsolatos ismeretek megléte elengedhetetlen a sikerhez. A német feszített beton hídépítés példásan mutatja az építéskutatás, az építőipar és az építménykezelés hármasának teljesítőképességét az innovációk tekintetében. Érezhetően nagy a német és francia mérnökök pozíció-előnye, amit nem szabad az építőanyagok és a koordinálás oltárán feláldozni.
A kiválasztásnál megpróbálták figyelembe venni az ország teljes feszített beton hídállományát, és az eloszlást a következő szempontok szerint kísérelték meg meghatározni és a szúrópróbát ennek megfelelően végezni: építési mód, konstrukció alakja (lemez-oszlop, szekrénykeresztmetszet), építési év és területiregionális. Különösen részletes tárgyalták a felépítményen található károkat, ha voltak ilyenek. Minden egyes hídmezőre ki kellett tölteni munkalapokat, melyeken meg kellett adni a károkat (pl. repedések, átnedvesedés, betonlepattogzások, szabadon fekvő burkolócső), a méretükkel és kereszt- és hosszirányban az építményen elfoglalt helyzetükkel együtt. Az aktuális adatgyűjtés mellett figyelembe vették az 1980-as évek közepén végzett hasonló vizsgálatok eredményeit. 2.3. Teherbírási szempontból állapot elemzése és értékelése
fontos
A feszített betonból készült hidak károsodásainak vizsgálata során különösen a repedésképződés, a betonkárosodások (mint például a lepattogzások és betonhibák), az előfeszítő rendszer komponensein tapasztalt károk, valamint átnedvesedések álltak a középpontban, a jelenségek okaival egyetemben. Ezek a károk befolyásolhatják a tartószerkezet teherbírását és tartósságát.
2.3.1. Repedések a betonban Az 1977 előtt emelt, feszített betonból készült hidak csatlakozó fugái gyakran lényeges tényezői a kifáradásból fakadó töréseknek. A fellépő nyomatékok szerepét korábban alábecsülték ezen a területen. 1969-ben megemelték a minimális betonacél-vasalás mértékét. 1977-től módosításokat vezettek be a csatlakozási fugák területének számítása terén. A1980-as években elvégzett vizsgálatok alapján a csatlakozó fugákkal rendelkező hidak már akkoriban is jelentős különbségeket mutatott az építési év függvényében. Az 1970-es építési évtők kezdődően, tehát nem sokkal a minimális vasalási szint megemelése után, továbbá 1977től kezdve (a méretezés módosítása után) jelentős ugrások jöttek létre a viselkedés terén. A felmérés szerint a károsnak tekintett 0,2 mm w 0,5 mm repedés-szélességű csatlakozó fugák részaránya az 1980-as években emelt építményeknél is még csak 4 % volt, míg az 1990-es évek építményeinél csak 1 %. A fiatalabb építmények esetében megállapított repedésszélességek ugrásszerű csökkenésének megfigyelése összhangban áll a feszített betonból készült hidak vasalás-mennyiségének növekedésével a műszaki szabályozókban. A megfigyelésekből, és az ezen túlmenő részletes vizsgálatokból azt a következtetést lehet levonni, hogy az új építményeknél a csatlakozó fugák problematikáját már megoldották. Az öregebb hidaknál alkalmazott csatlakozó fugák azonban további rendszeres felügyeletet igényelnek. Megfelelő karbantartási módszernek bizonyult az utólagos külső előfeszítéssel történő megerősítés. A 3. ábra a szúrópróba eredményét mutatja a mezők csatlakozó fugás területeiről. A vízszintes tengely az építés befejezésének évét, a függőleges tengely a csatlakozó fugás mezők részarányát jelöli %-ban. Az egyes jelölések: a) repedések nélkül, b) 0,2 mm, c) 0,2-0,5 mm, d) 0.5 mm.
5. ábra
Összefoglalóan megállapítható, hogy a repedések szélességét tekintve az elmúlt 25 évben a műszaki szabályozás előrehaladása és ezeknek a gyakorlati megvalósítása olyan segítséget nyújtott, hogy szakszerű méretezéssel és kivitelezéssel, nagy valószínűséggel (kb. 95 %-os kvantilis értéknél) nem várható w 0,2 mm-nél nagyobb repedési szélesség. Az idősebb építmények széles repedéseit epoxigyantával kiöntötték, ezáltal a feszítő acél korróziójának veszélyét kiküszöbölték. 2.3.2. Betonlepattogzások, szabadon lévő vasalás és a betonfugák károsodásai A beton bizonyos előfeltételek teljesülése esetén helyenként lepattoghat a betonépítmény felületéről. Ilyenkor a beton fedőréteg vastagságának csökkenése miatt veszélybe kerülhet az előfeszítő rendszer komponenseinek korrózióvédelme. A betonlepattogzások a felülethez közeli vasalás korróziós folyamatának folytán létrejövő térfogat-növekedés következtében lépnek fel. Ezeken a helyeken a beton felső burkoló része ezeknek az ugrásszerű hatásoknak a következtében lepattan, és szabaddá válik a rozsdásodó vasalás. A korróziós folyamat közvetlen összefüggésben áll az építmény korával, a vasalatot lefedő betonréteg vastagságával és tömörségével. A korróziós folyamathoz nincs szükség repedésképződésre. A nagymérvű vasalással rendelkező területeken a hiányos tömítés vagy a kedvezőtlen összetételű beton alkalmazása ahhoz vezethet, hogy a vasalást nem veszi teljesen körbe a beton. A szabadon maradó vasalás védelem nélkül áll a külső behatásokkal szemben, és jelentősen meggyorsítja a korrózió folytán az építmény ezen részének további meggyengülését. Az ilyesféle, a hidak rendszeres ellenőrzése során könnyen felismerhető károsodásokra manapság már megfelelő és kielégítő hatású karbantartási eljárások állnak rendelkezésre, amelyek a betonépítményt ezeken a helyeken tartósan meg képesek védeni. A lepattogzások és szabad vasalatok tükrözte károsodásokra mértékadónak a betonburkolórész tervezett vastagsága tekinthető. Az 1980-as évek elejéig a külső betonrészek esetében 20 mm beton-burkolórész volt szükséges. A „Kiegészítő műszaki előírások műépítményekhez – 1980. évi kiadás” bevezetésével a vasalást fedő betonréteg vastagságára vonatkozó előírást legalább 40 mm-re emelték, valamint rögzítették az egy négyzetméter betonfelületre eső távtartók minimális számát. Ezek az intézkedések rendkívül pozitívan hatottak a szabadon maradó vasalási helyek számára, amit a fiatalabb élet-
korra visszavezethető csökkenéstől függetlenül ugrásszerű visszaeséssel lehetett leírni. 2.3.3. A feszítőrendszer károsodásai
elemeinek
Az előfeszítő rendszer elemei alapvető statikai feladatokat látnak el, ezáltal közvetlen kihatással bírnak a teherbírásra. Ezért e részeket hosszú távon különösen gondosan kell óvni a korróziós behatások ellen. Az előfeszítő rendszer elemei közé kell sorolni a feszítőtagok lehorgonyzásait, valamint a szabad hosszra feszítő acélokat a besajtolt habarccsal és a burkoló csövekkel együtt, továbbá a feszítést végző acél csatlakozásait. A károsodások közt is különbséget kell tenni. A lepattogzások vagy az üreges helyek a szabadon maradt burkolócsöveknél, a lehorgonyzásoknál és a csatlakozásoknál „kisebb károsodás”-nak tekinthető, míg azokat a helyeket, ahol a burkolócsövek helyenként nincsenek besajtolással teljes mértékben védve vagy ahol a feszítőacél korrodált, „közepes károsodás”-ként határozták meg. A „súlyos károsodás” kategóriába akkor sorolunk egy károsodást, ha egy helyi feszítőacél-törés lépett fel.
A 4. ábra bal oldala olyan diagramot mutat, amelyen a vizsgálatba bevont építmény átlagos részaránya látható az építmény korának függvényében. Vízszintes tengelyén az építés befejezésének éve, függőleges tengelyén az építmények részaránya látható. A jelölések balról jobbra: a) károsodások nélkül, b) kisebb károsodások, c) közepes károsodások, d) súlyos károsodások A jobboldali ábra mutatja az előfeszítő rendszeren tapasztalt károsodási helyek eloszlását a károsodások fajtája szerint. Itt az a lényeges, hogy milyen ritkán, ezáltal helyileg behatároltan lép fel egy-egy nagy kihatású hiba, például egy feszítőacél-törés. Ennek a károsodási kategóriának a részaránya csak 2 %. A károsodási helyek valamivel több, mint egyharmadánál lehetett a feszítőacél korrózióját vagy be nem takart burkolócsövet megfigyelni. Az összes károsodási hely 60 %-nál is nagyobb hányadával a legnagyobb részarányt a „kisebb károsodások” csoportja képviselte. A szabadon fekvő burkolócsövek, valamint a horgonyok és csatlakozások a rendszeres karbantartásokkal könnyen felis*merhetők, valamint könnyen karbantarthatók, ily módon a feszítőacélok tökéletes védelmét könnyen helyre lehet állítani.
6. ábra: repedések szélessége a csatlakozások területén
2.3.4. Nedves helyek Az építményeket az átnedvesedett helyek jelenlétére vonatkozóan is megvizsgálták. A nedves beton gyors ionszállítást és ioncserét tesz lehetővé, és mindenekelőtt a repedésekkel kapcsolatban magas korróziós potenciált képvisel a belül elhelyezkedő vasalatokra, valamint az előfeszítő rendszerre nézve. Az átnedvesedés a fagyásokkal váltakozva – és mind a harmat okozta só-kiválással, mind anélkül – a betonfugák elroncsolódásához vezethet. Az átnedvesedések a híd kialakításánál elkövetett hibák következményei. Különösen nagy veszé-
lyeztetési potenciál áll fenn akkor, ha a sóoldat huzamosabb időn keresztül hatást tud kifejteni a beton felületére, és nem folyik le. Ilyen helyek az útpályák tömítései és az útpálya-lemezek közötti részek, valamint a lefolyás és lejtés nélküli helyek. A víztelenítő rendszer különösen érzékeny területét képezik a csepp-elvezetők. A túl rövid kiálló részek vagy a korrózió a kinyúló tartókon található betonban átnedvesedésekhez és kivirágzásokhoz vezet. Az átnedvesedés a beton károsodásához és az acél betétek tönkremeneteléhez vezethet. Napjaink rendszereit többrétegű tömítésekkel látják el, amelyek az úttest-
lemezekhez a felületen le vannak ragasztva. A tömítésben lévő helyi sérülés így tehát azt eredményezi, hogy az agresszív közegek lokálisan ráömlenek az úttest-lemezre. Az úttest burkolata, a tömítés és a vízelvezető berendezések idővel öregednek és elkopnak, ezért rendszeres időközönként megfelelő karbantartást kell végezni rajtuk. A megvizsgált építmények közül nyolcnak az esetében még mindig olyan tömítés található, ami alá be tud hatolni a víz. A vizsgálatok alapján megállapítható, hogy az építmények kb. 60 %-ánál semmilyen nedves hely nem volt található. Mindenekelőtt azon károsodások mértékének ismeretlen volta alapján, melyeket a tömítetlen tömítő rendszerre lehet visszavezetni, a károsodások okait és mértékét meg kellett állapítani. A vizsgált építményeknél megállapított átnedvesedéseket 80 %ban a vízelvezető rendszer károsodására és ezen belül is különösen a sérült lecsöpögtető helyekre lehet visszavezetni. A károsodási helyek kb. 90 %-a a kinyúló tartóknál vagy az úttest-lemezek aljánál lépett fel. Különösen az úttest-lemezben fekvő keresztirányú feszítőpászmák, valamint a felső keresztmetszeti területen található hosszirányú feszítőtagok vannak veszélynek kitéve. A vízelvezető rendszer károsodásai az álló, pangó felületi vizet bevezetik az üreges szekrényekbe. Ebben az esetben a mező területén mélyen bevezetett feszítőpászmák is veszélyben vannak. 2.3.5. Csapágyak szerkezetek
és
átmeneti
A feszített betonból készült hidak hídcsapágyainak károsodásait a múltban gyakran a nem megfelelő anyag választása, vagy a híd fellépő mozgásának hibás méretezése okozta. A legnagyobb károk olyan hidaknál keletkeztek, melyek felületen edzett nemesacél-görgőkön mozogtak. Ezek több hídszerkezetnél tapasztalhatóan minden előzetes jel nélkül eltörtek. Amikor a görgők kinyomódtak a helyükből, akkor a felépítmény közvetlenül az oszlopra ült rá. Ennek az lett a következménye – a felépítményen létrejövő repedéseken kívül –, hogy a feszítőpászmákk egészen a folyáshatárig nyúltak, vagy a mellettük elhelyezkedő csapágyak túlterhelődtek. Az 1968 előtt gyártott görgőscsapágyak részben a konstrukciójuk miatt azért is veszélyt jelentenek, mert a gördülési felület külső szélén kifuthatnak. Az ebből származó hosszváltozás a rendkívüli hőmérsékleti feltételek révén a zsugorodást, valamint az altalaj egyenlőtlen ülepedésével kapcsolatosan a beton kúszását, lassú alapváltozását okozhatja. Ezért megnövelték a szükséges csapágyazásmozgásméreteket.
A különböző csapágyfajták hibamegoszlásának értékelése után a csapágykiesésből származó károsodások besorolása és értékelése következett. A következtetés: Az útkezelő szervezetek a rendszeresen elvégzendő hídellenőrzések során megbízhatóan fel tudják ismerni, és ki tudják cserélni a megsérült, károsodott csapágyakat. 2.3.6. Előregyártott hidak sajátosságai A németországi hidak esetében az előregyártott részekből összeállított hidak részaránya az összes hídnak mindössze 5 %-át teszi ki. A rövidebb építmények (például autópályaátvezetések) esetében nagyon gyakori alkalmazás miatt azonban érdemes volt részletesebb vizsgálatot végezni. Az ilyen hidak legtöbbjét az 1970-es és az 1980-as években emelték. A károsodások rendkívül széles köre figyelhető itt meg, a lehető legkülönfélébb okok miatt. Az előregyártott elemekből épített hídkonstrukciók egyik hátránya, hogy a konstrukcióban lévő szisztematikus hibák számos építményt érintenek. 1993-tól kezdve az előregyártott elemek alkalmazását a hidak esetében oly módon korlátozták, hogy csak a 100 m teljes hossznál rövidebb hidaknál lehetett őket alkalmazni. Az előregyártott elemes építmények vizsgálata mindenekelőtt azt mutatta, hogy a múltban az előregyártott betonban lévő fugák minősége jobb volt, mint a monolit betonnal készült építményeké. Az egyik tapasztalat, hogy az előregyártottelemes építési mód esetében nagyobb százalékban fordul elő olyan építmény, amely teljesen repedésmentes, mint a monolit beton alkalmazása esetén. A vizsgált előregyártottelemes építmény több mint 50 %-ánál egyáltalán nem láthatók repedések, ezzel szemben a monolit betonépítményeknél kb. 20 % az ilyen hibák aránya. Az akkoriban tervszerűen kevesebb betontakarás azonban itt is betonlepattogzásokhoz és a vasalat korróziójához vezetett. A rések következtében fellépett, a repedésekkel kapcsolatos feszítőerőknek a csapágyazások területére történő bevezetési területén a repedések szélessége szinte minden esetben a 0,2 mm érték alá korlátozódott, ami kellően kis érték. 2.4. Az előrejelzés Az összes adat felvétele után összehasonlításokat végeztek a teljes német hídállományra vonatkozóan. Noha a DIN 1076 szerint elvégzett hídellenőrzések alapján az osztályozásba a teherbíró képesség szempontjából fontos állapotot messzemenően egy olyan „megfoghatatlan” tényező képviselte, mint a „közlekedésbiztonság”, a vizsgálatok eredményei
nemcsak a múltbeli, szerkezettől függő gyenge helyek negatív következményeit állapították meg, hanem arra is utaltak, hogy a károsodások gyakorisága közvetlenül az építmény életkorától is függ. A 2005 és 2030 közötti időszakra az az előrejelzés adódik, hogy a feszített betonból készült hidak állománya évente 10 építménnyel fog növekedni. Ha az építmények közepes életkorát tekintjük a hidak karbantartását, javítását és pótlását megszabó intézkedések alapjának, akkor az életkor „szerkezeti összetételétől” erősen függő átlagos életkor-növekedésnek megfelelően a tevékenységek „robbanásszerű” fokozását kell elvárni, amennyiben az építmények szakmai állapotát a jövőben is összehasonlítható szinten kívánják tartani. Az ellenállás-oldal (tartószerkezet) mellett a behatás-oldal (terhelések) is befolyásolja a feszített betonból készült hidak állapotát. Az elmúlt évtizedekben a terheléseknek mind az intenzitása (pl. a tengelyterhelés), mind a gyakorisága folyamatosan növekedett. Ennek következtében nem csodálható, hogy a feszített betonból készült hidakat az eredetileg tervezett használati idő elérése előtt karban kell tartani, rajtuk javításokat és cseréket kell végezni. A terhelések szempontjából például a hidak aránytalanul nagy és növekvő terhelése az engedélyköteles különleges szállításokat meg kell fontolni. 3. Felhasznált irodalom M. Hennecke: Hochleistungsbeton im Brückenbau in Deutschland, Bauingenieur (79), 0708/2004, pp. 347-349 E. Pelke: Entwicklung der Spannbetonbrücken in Deutchland – der Beginn, Bauingenieur (82), 06/2007, pp. 262-269. E. Pelke: Entwicklung der Spannbetonbrücken in Deutchland – früher Elfolg und weitere Perioden, Bauingenieur (82), 07-08/2007, pp. 318-325. K. Zilch, H. Weiher: Sicherheit von Spannbetonbrücken – Zustand von Grossbrücken im Zuge von Bundesfernstrassen, Bauingenieur (82), 01/2007, pp. 14-24.
