Vasalt talajtámfalas hídfők Szilvágyi Zsolt Széchenyi István Egyetem, 9026 Győr, Egyetem tér 1. Multidiszciplináris Műszaki Tudományi Doktori Iskola Tel: +3630 5304204 E-mail:
[email protected] Kivonat:
A vasalt talajtámfalak építése a nemzetközi építőipari gyakorlatban nagy múltra tekint vissza. Az eljárás bevezetését követően az 1960-as évektől napjainkig számos ezen az elven alapuló támfal készült. Jelen tanulmányban a vasalt talajtámfalak hídfő szerkezetként való alkalmazásának lehetőségeit kívánjuk bemutatni, valamint áttekintjük a nemzetközi tervezési, kivitelezési tapasztalatokat, végül bemutatunk néhány megvalósult hídfőt.
Kulcsszavak:
vasalt talajtámfal, hídfőtervezés
1. Bevezetés Magyarországon az elmúlt évek nagy infrastruktúra fejlesztési programjai kapcsán rendkívül sok közúti és vasúti hídépítési feladat volt. E feladatokban a felszerkezet típusának megválasztása mellett az adott építési helyszín geotechnikai adottságainak figyelembe vétele és az alapozás ezzel összhangba kerülő, gazdaságos megoldása is kiemelt fontosságú. A szerkezet terheit az altalajra a közbenső pillérek és a hídfők, azaz a híd támaszai vezetik le. A közbenső pillérek alapozása az egyszerűbb statikai viselkedés miatt az elvárt alapvető funkcionális, gazdaságossági és ütemezési szempontokat is figyelembe véve könnyebben megtervezhető. Ezzel szemben a hídfők rendkívül érzékeny, nagy körültekintést igénylő szerkezetek, hiszen itt – gyakran gyenge altalajon – találkozik a rendszerint nagy terhelésű és általában süllyedésre érzékeny felszerkezet és a gyakran magas, nagy süllyedést okozó háttöltés. Az egymásrahatások statikai következményei mellett az altalaj elhúzódó konszolidációja miatt sokszor ütemezési problémákat is meg kell oldani. Jelen tanulmányban a vasalt talajtámfalas hídfők alkalmazásának lehetőségei, valamint a tervezés menete kerül röviden bemutatásra. 1.1. Jellemző hazai hídfőszerkezetek A hazai gyakorlatban régebben a síkalapozású, súlytámfalas hídfőket alkalmazták a leggyakrabban, ezáltal rövidebb, olcsóbb felszerkezet készülhetett, az alépítmény viszont gyakran szükségtelenül nagy és drága lett. Ennél a megoldásnál főleg a felszerkezetről átadódó vízszintes erőkre való tervezés és az alap építéséhez szükséges munkagödör kialakítása jelentett geotechnikai nehézséget.
1
A közelmúltban ezzel szemben szinte már egyetlen típusmegoldásként a rejtett hídfős kialakítást alkalmazták. Ebben az esetben a hídfő a háttöltésben kialakított lavírsíkról kerül lealapozásra, rendszerint két, újabban inkább egysoros cölöpalapozással, a hídfő elé pedig előtöltés kerül. A közvetlenül érintkező, általában 6-10 m magasságú háttöltés és hídszerkezet ennél a megoldásnál eltérő alapozású, hiszen míg a háttöltés síkalapként az eredeti terepszín közelében adja át terheit, addig a cölöpök a felszerkezet teljes terhét az általában mélyebben fekvő teherbíró alaprétegig továbbítják. Az eltérő alapozási mód eltérő alakváltozási viselkedést eredményez, ezáltal jelentős süllyedéskülönbségek alakulhatnak ki hídfő és háttöltés között. A süllyedéskülönbség hatása csökkenthető ugyan kiegyenlítő lemezzel, de teljesen nem szüntethető meg. További problémát jelent, hogy a szoros építési határidők miatt legtöbbször nincs idő kivárni a háttöltés konszolidációját, így cölöpözés után a töltés alatti altalaj még gyakran jelentős összenyomódásokat szenved, ezáltal negatív köpenysúrlódást ébreszt a cölöpökön. E hatást elkerülendő gyakran speciális mélyépítési eljárásokat alkalmaznak, melyek jellemzően időigényesek és ráadásul nagyon költségesek. Tervezési nehézségként megemlítendő még a felszerkezetről érkező vízszintes erő, hiszen ebben az esetben cölöpökkel kell felvennünk ezt az erőt, ill. nyomatékot. A nyomaték miatt indokolt több soros cölöpcsoportot alkalmazni és emellett általában meg kell erősíteni a cölöpök vasalását is. Egyre gyakoribb azonban, hogy takarékossági okok miatt egysoros cölöpkiosztást terveznek, ami még nagyobb cölöpigénybevételekkel jár. Mindezekből látható, hogy a rejtett hídfős megoldások nem problémamentesek, kizárólagos alkalmazásuk egyáltalán nem indokolt. Sok esetben alternatívája lehetne ennek pl. a vasalt talajtámfalas hídfő, mely világszerte elterjedt, és bár már a hazai gyakorlatban is alkalmazták, a későbbiekben részletezendő okok miatt Magyarországon eddig széleskörűen nem tudott elterjedni. 1.2. Vasalt talajtámfalak alapelve A vasalt talajtámfal egy olyan megtámasztó szerkezet, amelynél a megtámasztó hatást acél (vagy műanyag) szalagokkal együttdolgoztatott talajtömeg fejti ki. A szerkezet homlokfala egy jellemzően vékony (10-20 cm) előregyártott vasbeton elemekből összeálló fal, amelynek hátoldalán acél vagy műanyag elemekhez rögzítenek acélszalagokat, vagy műanyag szalagokat, esetleg rácsokat.
1. ábra: Vasalt talajtámfalas hídfő Stoneybrook-ban (USA) 2
A homlokfal egy kiegyenlítő monolit beton gerendán áll, melynek tartószerkezeti szerepe nincs, csupán a homlokelemek megfelelő helyzetét biztosítja. Az egyes homlokelemek hornyokkal ill. csapokkal kapcsolódnak egymáshoz, lezárásként pedig egy előregyártott vasbeton elem kerül a fal felső élére. Az elemek kapcsolódásánál a talaj esetleges kipergését geotextília akadályozhatja. 1.3. Vasalt talajtámfalak építése A támfal építése a következő lépésekben foglalható össze: • • • • •
a kiegyenlítő gerendára leállítják az első sor homlokelemet, rögzítik az elemek hátlapjához a legalsó szalagokat, feltöltik és tömörítik a támfal mögött az első réteg kitöltő szemcsés anyagot, a betöltött rétegre lefektetik és a homlokfalhoz rögzítik a következő sor szalagot, majd ismétlik a betöltést és szalagok behelyezését, miközben folyamatosan szintenként emelik homlokfalat is.
2. ábra: Vasalt talajtámfal építése A kitöltő szemcsés anyag kiválasztása és tömörítése fontos minden vasalt támfal esetén, de különösen az, ha hídfőként épül. A homlokfal közelében azonban rendkívül körültekintően kell tömöríteni, hogy a szalagok sérülése a rögzítésnél elkerülhető legyen.
2. Vasalt talajtámfalas hídfők kialakítása 2.1. A hídfők alakja Két fő típust különböztethetünk meg vasalt talajtámfalas hídfők esetében: • •
zárt hídfőket párhuzamos szárnyfallal és nyitott hídfőket merőleges vagy ferde szárnyfallal.
A típus kiválasztását a helyi körülmények, helyszínrajzi adottságok befolyásolják. Zárt hídfőnél a hídra vezető háttöltést is vasalt talajtámfallal támasztják meg, ez
3
hosszabb, magasabb háttöltések esetén különösen kedvező megoldás. A homlokfal és a szárnyfal élénél speciális sarokelemmel biztosítható az együttdolgozás.
3. ábra: Zárt hídfő párhuzamos szárnyfalakkal A szárnyfalak futhatnak a híd tengelyére merőlegesen, vagy a tengellyel (bizonyos korlátok között) tetszőleges szöget bezáróan, ebben az esetben nyitott hídfőről beszélhetünk. A hídfő lehet íves kialakítású, vagy törtvonal alaprajzú, igazodva az átvezetett út vagy vasút vonalvezetéséhez.
4. ábra: Nyitott hídfő íves szárnyfalakkal Törtvonalú nyitott szárnyfalak esetén külön előny, hogy egy esetleges utólagos pályaszélesítés vagy újabb híd melléépítése könnyen megvalósítható.
4
5. ábra: Nyitott hídfő törtvonalú szárnyfalakkal 2.2. Teherátadás síkalappal A vasalt talajtámfalas hídfők egyik legnagyobb előnye, hogy a legtöbb esetben síkalappal adható át a felszerkezet terhe a megerősített vasalt talajtömegre. A felszerkezet támasza így közvetlenül a háttöltésre kerül, mely „vasalásának”, együttdolgozásának segítségével képes a terheket az altalajra továbbítani. Ezáltal a háttöltés és a híd támaszaként szolgáló síkalap alakváltozásai nem térnek el egymástól, süllyedéskülönbségek nem alakulnak ki. Jó anyagválasztással és gondos beépítéssel a töltés tömörödéséből származó süllyedések nagysága minimális lehet, de természetesen az altalaj összenyomódásával számolni kell. Kedvező altalajon és statikailag határozott felszerkezet esetén azonban nem kell a felszerkezet károsodásától tartani, a háttöltés és a síkalap pedig mindenképpen együtt mozog. A következőkben a nemzetközi gyakorlatból összegyűjtött konstrukciós elveket tekintjük át és bemutatjuk a jellemző kialakításokat. Brüggemann (2010) ajánlásai szerint a szerkezeti gerenda méretezésekor törekedni kell az egyenletes talpfeszültségeloszlásra és arra, hogy a talpfeszültség az állandó terhekből lehetőleg ne haladja meg a 150-200 kPa-t. A síkalap középvonala legalább 1,0 m-re kerüljön a hídfő homlokfalától. Ezek a megfontolások tapasztalatokon alapulnak és általuk minimalizálható a szerkezeti gerenda süllyedése. Nagy fesztávolságú és nagy terhelésű hidak esetén a szerkezeti gerendát érdemes térdfallal kiegészíteni (6a. ábra), mely a híd dilatációs szerkezetének elhelyezését is lehetővé teszi. Szükség esetén a térdfalhoz csatlakoztatható kiegyenlítő lemez, de mivel az előbb említettek szerint a szerkezeti gerenda maga is a vasalt talajtöltésre van állítva, a hídfő és a háttöltés között számottevő süllyedéskülönbség nem alakulhat ki, ezért az úszólemez a legtöbb esetben elhagyható. Kisebb hidaknál a gerendákat összefogó végkereszttartót ráültethetik a síkalapon elhelyezett sarukra (6b ábra).
5
6. ábra: Szerkezeti gerenda térdfallal és anélkül Mint minden hídfőtípus esetén a gerendáknál (végkereszttartónál) itt is kellő helyet kell biztosítani a fenntartási munkákhoz szükséges hidraulikus emelőknek. Megjegyzendő azonban, hogy amennyiben az emelés helye nem a szerkezeti gerenda tengelyére esik, az emelés speciális terhelést jelent, melyet a szerkezet méretezése során figyelembe kell venni. A vasalt talajtámfal töltésanyagának megválasztása és a beépítés során a kellő tömörség biztosítása kiemelt fontosságú a süllyedések csökkentése érdekében. Nyilvánvaló, hogy vízre érzékeny töltésanyagok alkalmazása esetén a kivitelezést csak száraz időben szabad végezni, és a síkalap alatti, valamint a közvetlenül a homlokfal mögötti zónát, ahol csak könnyű tömörítő eszközöket szabad alkalmazni, érdemes vékonyabb rétegekben beépíteni. Rendkívül fontos az útpályáról a dilatációs szerkezeten esetlegesen befolyó vizek megfelelő összegyűjtése és elvezetése. Meg kell akadályozni, hogy a szerkezeti gerenda alá víz folyhasson be, hiszen az kimoshatja a finomszemcséket, ami mozgásokhoz vezethet. Ezért a szerkezeti gerenda felületét megfelelő lejtéssel és vízelvezető csatornákkal kell kialakítani (7. ábra). E csatornákat a híd üzemelése alatt időközönként ellenőrizni, tisztítani kell, ehhez a zsompokat, szerelőnyílásokat megközelíthető helyeken kell elhelyezni.
7. ábra: Vízelvezetés lehetséges megoldásai 6
Ha a hídfő helyén az altalaj kompresszibilis, a szerkezet építése előtt speciális eljárásokkal javíthatjuk a kritikus talajrétegek teherbíró képességét. A geotechnikai viszonyoktól függően alkalmazható előtöltés, talajcsere, kavicscölöpözés, jet-grouting, meszes talajstabilizáció, vagy egyéb talajjavítási technológiák. Ezek célja elsődlegesen a süllyedések mértékének csökkentése és időbeni elhúzódásuk korlátozása. 2.3. Teherátadás cölöpökkel A legtöbb esetben tehát – esetleg az altalaj javítása után – síkalapos hídfő készülhet az erősített vasalt talajtámfalas töltésen. Speciális esetekben, pl. rendkívül gyenge talajkörnyezet vagy süllyedésre igen érzékeny szerkezet esetében azonban cölöpalapozású hídfőoszlopokkal is kombinálható a vasalt talajtámfalas szerkezet. E megoldásban a vasalt talajtámfal feladata csupán a háttöltés megtámasztása, mint hagyományos támfalak esetén, a felszerkezet terheit pedig oszlopok közvetítésével cölöpök továbbítják az altalajra. A két alaptípust különböztethetünk meg: • •
az oszlopok olyan távol vannak a homlokfaltól (akár előtte, akár mögötte elhelyezve), hogy statikai viselkedésük attól függetlenedik, az oszlopok közvetlenül a homlokfal mögött helyezkednek el, így egymásrahatásukat is figyelembe kell venni.
A 8. ábrán a homlokfal elé kihozott megoldások láthatók. Ez a kialakítás a felszerkezet hosszcsökkenését eredményezi, ami összességében általában gazdaságosabb. A cölöpök tengelye és a vasalt talajtámfal homlokfala közötti távolságot befolyásolja a cölöpösszefogó gerenda mérete (egy- vagy többsoros cölöpcsoport), ill. a kivitelezéshez szükséges hely. A felmenő szerkezet lehet egy sor oszlop, felül egy fejgerendával összefogva, vagy egy zárt vasbeton fal (hídfőfal) is, mely karcsúbb lehet a hagyományos hídfőknél alkalmazottaknál, hiszen a háttöltés megtámasztásának feladatát itt a vasalt talajtámfal látja el.
8. ábra: Homlokfal elé kihozott felmenő szerkezet megoldási lehetőségei Esztétikai és szerkezeti okokból az oszlopok (és alattuk a cölöpök, ha azon állnak) esetenként a vasalt talajtámfal homloksíkja mögé kerülnek. A szalagokat ilyenkor az oszlopok között kell elvezetni, ami körültekintő tervezést és kivitelezést igényel. Ennek a megoldásnak a hátránya, hogy az oszlopokat jóval a homlokfal mögé kell állítani, 7
hogy elegendő hely legyen a cölöpösszefogó gerenda és a támfal készítésére, ezáltal viszont megnő a felszerkezet hossza. E probléma elkerülésére kellő teherbírású altalaj esetén alkalmazható a 9. ábrán vázolt megoldás. Ebben az esetben a homlokfal és a felmenő szerkezet (pillérek) egy közös síkalapra kerül. A homlokfal elemei ilyenkor speciális előregyártott elemek, melyekhez monolit vasbeton pillérek kapcsolódnak. A monolit vasbeton pilléreket a támfal elkészülte után betonozzák, mikor az esetleges süllyedések már kialakultak. A kibetonozás után azonban a homlokfal és a pillér merev szerkezetként együttdolgozik, így utólagos süllyedések a homlokfalban másodlagos igénybevételeket okozhatnak. Ezt a megoldást emiatt csak jó teherbírású altalaj esetén alkalmazzák. A vízszintes erők felvételére a szerkezeti gerendához is csatlakoztatnak szalagokat, így azok által a felszerkezetről érkező vízszintes erők azonnal és közvetlenül átadódnak a töltésre, anélkül, hogy a pilléreket terhelnék. Mivel e típust csak kedvező altalaj esetén alkalmazzák, a kiegyenlítő lemez rendszerint elhagyható.
9. ábra: Homlokfal és felmenő szerkezet egy közös síkalapon
3. Vasalt talajtámfalas hídfők méretezése Bár az általános méretezési és kivitelezési alapelvek a támfalként történő alkalmazástól lényegében nem térnek el, hídfők esetén különös figyelmet kell fordítani a híd támaszáról átadódó függőleges és vízszintes koncentrált erőbevezetés hatásaira, valamint a gyakran süllyedésérzékeny felszerkezet miatt az alakváltozásokra is. A nagy felszíni terhek miatt a szalagokban ébredő feszültségek eloszlása is eltérhet attól, amit a támfalak esetében megszoktunk. Hídfők esetén is igazodni kell a felépítmény szerkezetéből, a kivitelezés ütemezéséből és a geotechnikai adottságokból adódó peremfeltételekhez. A nemzetközi gyakorlatban általában alkalmazott, hagyományos földstatikai elveken nyugvó eljárást a következőkben Brüggemann (2010) nyomán mutatjuk be. Lényegében ugyanezt a módszert alkalmazza az amerikai gyakorlat is (Wu és tsai, 2006). Megjelent viszont e szerkezetek méretezésében is a véges elemes analízis (Wu és tsai, 2006; Detert és Alexiew, 2010) is.
8
3.1. Hagyományos méretezési eljárás 3.1.1. A méretezés alapjai Miután számos igen magas és nagy terhelésű támfalszerkezet épült vasalt talajtámfalként, az 1960-as évek végén hídfőszerkezetek építésére is elkezdték alkalmazni az eljárást, felismervén a szerkezet azon előnyét, hogy alakja eléggé szabadon formálható és igazítható a hídfő csatlakozó részeihez. Modellkísérletek, próbabeépítések (Bastick és Segrestin,1993; Kuibboer, 1993, Wu és tsai, 2006), megépült szerkezetek monitoringja (Buseck és Thamm, 1981; Sondermann, 1983), valamint az említett számítógépes szimulációk alapján dolgozták ki a méretezés módszerét. Ezt fogjuk a következőkben Brüggemann (2010) nyomán ismertetni. Sok megépült és használat alatt álló vasalt talajtámfalas hídfőnél előzetesen mérőműszereket (nyúlásmérőket, feszültségmérőket stb.) helyeztek el a támfalban és mérték a felszerkezetről átadódó koncentrált erők hatásait. Hasonló mérési programok már korábban is voltak a hagyományos vasalt talajtámfalaknál. Ezáltal lehetőség nyílt az egyes szalagokban a terhelés hatására létrejövő húzófeszültségek terhelés előtti és utáni mérésére, s ezek eredményeit össze tudták vetni a hasonló elrendezésű támfalban lévő szalagok mérési eredményeivel is. A legigényesebb méréssorozatra 1984-ben Amersfoortban, Hollandiában került sor egy használatban lévő hídfőn. Itt 42 mérőpontot osztottak ki 8 szalagra, s megállapították, hogy a mérési eredmények kiválóan illeszkednek az elméleti számításokkal meghatározott értékekre (10. ábra). 1984-85-ben kiterjedt végeselemes számításokat végeztek, vizsgálták a vasalt talajtámfalas hídfő magasságának, a szalagok hosszának és kiosztásának, valamint a terhelés nagyságának és helyének hatását. Az eredmények grafikus összevetésével képet kaptak a tehernövekedés hatására a szalagokban létrejövő feszültségek alakulásáról, valamint azonos teherszinteken az említett geometriai és terhelési paraméterek hatásairól.
10. ábra: Húzófeszültségek mérése egy hídfőnél Amersfoortban, Hollandiában 3.1.2. Teherfelvétel A modellkísérletek és a numerikus számítások eredményei is azt mutatták, hogy a szalagfeszültségek a híd terheiből és a háttöltés okozta földnyomásokból származó hatások szuperpozíciójaként számíthatók.
9
A híd függőleges terheinek hatását hasonlóan vizsgálhatjuk, mint egy „keskeny” teher alatt a végtelen féltérnek tekintett altalajban ébredő feszültségeket. Boussinesq megoldása erre kielégítő eredményt ad mind a homlokfallal párhuzamos, mind a homlokfalra merőleges eloszlás tekintetében (felvéve egy ekvivalens-szimmetrikus terhelést a fal síkja elé is).
11. ábra: Függőleges feszültségek a hídfő függőleges terhéből Boussinesq képlete szerint Mivel a híd terheiből keletkező függőleges feszültségek a mélységgel szétterjednek, az eredőjük támadáspontja egyre távolabb kerül a homlokfal síkjától. Ezáltal a mélységgel egyre növekvő nyomaték keletkezik, melyet a szerkezet stabilitásvizsgálata során figyelembe kell venni (11. ábra). A híd felépítményéről átadódó vízszintes erők és a térdfalra ható földnyomások egyaránt növelik ezt a nyomatékot, még ha ezek az erők túlnyomórészt közvetlenül a felső szalagokra adódnak is át. A támfal talajmegtámasztó hatásából keletkező feszültségeket a vasalt talajtámfalaknál alkalmazott hagyományos módszer szerint lehet megállapítani (pl. Wichter és Brüggemann, 2007). A számítás során figyelembe kell venni az együttdolgozó földtömeg önsúlyát és az arra a töltésről átadódó aktív földnyomást. Ezeket végül a hídról átadódó vízszintes és függőleges terhekből származó eredőkkel kell összegezni. 3.1.3. Törési mechanizmus Az egyes szalagokban tehát az előbbiekben vázolt két fő hatásból származnak a húzófeszültségek. A támfal megtámasztó hatásából a szokványos vasalt talajtámfalakban már megfigyelt helyeken lép fel a szalagok legnagyobb húzóereje, ehhez tartozik egy lehetséges törési felület, csúszólap. Széles síkalap (szerkezeti gerenda) esetén e csúszólap a homlokfal síkjától eltávolodik, a síkalap hátsó éléig tolódik. Ez a csúszólap azonban mindig a Coulomb-féle földéken belül helyezkedik el. A híd támaszán átadódó terhek hatására is kialakul egy potenciális csúszólap, mely nagyjából a síkalap középvonalától indul és az alap méretétől függően a homlokfalon bizonyos magasságban metsződik ki. Viszonylag keskeny alapszélesség esetén tehát a szalagok legnagyobb húzófeszültségei a homlokfal közelében keletkeznek (12. ábra).
10
12. ábra: Potenciális csúszólapok keskeny és széles szerkezeti gerenda esetén 3.1.4. A szalagokra jutó feszültségek A kísérletekből nyert eredmények bizonyították, hogy a legnagyobb húzóerő nagysága (Tm) mind a két lehetséges csúszólap esetén azonos helyen ébred és a teljes függőleges feszültségtől függ: (1) ahol N a homlokfal egy négyzetméterére eső szalagok száma, a K szorzó pedig a támfal felső 6 méterén a nyugalmi és az aktív földnyomási szorzó (K0 és Ka) között változik. Mivel két lehetséges törési felület alakulhat ki, ahol a szalagokban a húzófeszültség lokális maximumot érhet el, a szalagok dolgozó hosszának megfelelőségét mind a két esetre ellenőrizni kell. Viszonylag keskeny, közvetlenül a támfal homlokfala mögött elhelyezett szerkezeti gerendával tervezett hídfők esetén az alábbiakban részletezett gyakorlati méretezési eljárás alkalmazható.
13. ábra: Erők összegzése a számításhoz
Minden felszerkezetről származó terhet egy Fh vízszintes koncentrált eredőerővé és egy q függőleges megoszló eredőerővé redukálunk, mely a síkalap csökkentett alapfelületén hat. Ezt a függőleges terhet és a térdfal mögötti töltés függőleges terhét 11
(ahogyan a hagyományos vasalt talajtámfalak esetén is) egy q0 egyenletesen megoszló teherrel és további pozitív és negatív megoszló terhekkel helyettesítjük, amelyek összegezve visszaadják az eredeti terheket. Ezután mindegyik megoszló teherösszetevőből számítjuk a szalagokra jutó feszültségeket (13. ábra). A szalagok hossz menti feszültségeloszlása Boussinesq képletével számítható: (2) Az egyes teherösszetevőket összegezve mindegyik szalagra megkapjuk a homlokfal mögötti x távolság függvényében a rá ható függőleges feszültséget: (3) A függőleges feszültség vízszintes szétterjedésének számításához felvehető egy csonkagúla, melyet oldalról a szárnyfalak korlátozhatnak. Ebből az eloszlásból számítható egy i csökkentő tényező a σiv feszültséghez (14. ábra). A megoszló terhek szétterjedését egy y0 mélységig kell figyelembe venni, ahol a legnagyobb teljes feszültség működik, azaz . A gyakorlatban y0 az alábbi képlettel számítható: (4) ahol b a homlokfal hátsó síkja és a szerkezeti gerenda hátsó éle közötti távolság, e pedig a fal megtámasztó hatásának vizsgálatából számítható külpontosság. A fölnyomásból és a felszerkezet vízszintes terhéből keletkező nyomatékhoz hozzá kell adni az egyes megoszló terhekből a feszültségszétterjedés hatásra létrejövő nyomatékokat (11. ábra): (5) ahol és
.
E nyomaték miatt az összes függőleges erő eredője külpontos lesz (kivéve a teljes felületen megoszló q0 terhelést), a külpontosság e. Ebből számítható egy egyenletesen megoszló ekvivalens függőleges feszültség, amellyel a további számításokat végezzük: (6) A függőleges feszültségek összege az alábbi képlet szerint számítható (15. ábra): (7)
12
14. ábra: Vízszintes feszültségszétterjedés
15. ábra: Függőleges feszültségek összegzése 3.1.5. Potenciális csúszólapok Gyakorlati számításokban az egyik vizsgálandó csúszólap a szerkezeti gerenda közepétől indul függőlegesen, majd az alapszélesség kétszeresének megfelelő mélységben fut bele a homlokfalba. A másik csúszólap a vasalt talajtámfalaknál alkalmazott hagyományos számítások szerint vehető fel esetleg a szerkezeti gerenda hátsó élétől indulhat.
16. ábra: A két vizsgálandó potenciális csúszólap A szalagokban ébredő húzóerő az alábbi képlettel számítható mind a két csúszólaphoz: (8) Az első csúszólapra α1=1,0 a síkalap középvonala alatti függőleges szakaszon. A homlokfalon α0=T0 / Tm, azaz adott mélységben a támfalaknál alkalmazott érték érvényes. A kettő között pedig α lineárisan interpolálható. A második csúszólapnál mindenhol α2=1,0-val számíthatunk. A homlokfal hátsó síkján az alábbi képlet érvényes:
13
(9) A β tényező a síkalap alatti függőleges szakaszon 0,85, majd a 2b mélységig lineárisan nő 1,0-ig. K értéke a terepszíntől 6 m mélységig K0 és Ka közt változik. A síkalap alatti b mélységbe eső szalagokban a számított húzóerő az alábbi taggal megnövelendő: (10) A szalagok keresztmetszetének méretezésénél a korróziós hatásokat is figyelembe kell venni (lásd pl. Nürnberger, 1991). 3.1.6. Kihúzódásvizsgálat A szalagok kihúzódásának vizsgálatánál mindkét potenciális csúszólapra igazolni kell a megfelelő La szalaghosszt a hozzá tartozó Tm1 és Tm2 húzóerőkkel: (11) Bordázott, nagy tapadású szalagoknál az f* súrlódási tényező a szalag hossza mentén (12) függvényében változik: • • •
f* = 2,2 ha σv = 0 és a háttöltés anyagára igaz, hogy Cu > 10, d = 0,063 mm-nél finomabb frakció kevesebb, mint 12%; f* = tan φ, ha σv ≥ 120 kPa (6,0 m mélység alatt), a kettő között lineáris interpoláció alkalmazható.
A legkedvezőtlenebb a kihúzódás szempontjából az az építési állapot, mikor a feltöltés csak a homlokfal felső síkjáig készült el, de a teljes hídteher már rákerül a síkalapra.
4. Esettanulmányok Nyugat-Európában a vasalt talajtámfalas hídfők ugyanannyira elterjedtek, mint a hagyományos vasbeton vagy szádfalas hídfőszerkezetek. A következőkben néhány megvalósult hídon mutatjuk be a rendszer sokszínűségét és variálhatóságát. Franciaországban 2007-ben épült az A41-es autópályán a 17. ábrán látható vasalt talajtámfalas hídfővel tervezett híd. A hídfőkhöz 14-18 cm vastag svájci kereszt formájú elemekből álló íves homlokfalat alkalmaztak, a homlokfal legnagyobb magassága 23,8 m, a híd fesztávolsága 35,0 m.
14
17. ábra: Íves vasalt talajtámfalas hídfő Franciaországban (La Ravoire) 2000-ben, szintén Franciaországban az A85-ös autópályán hat hídfő is vasalt talajtámfalas szerkezetként készült az SNCF vasútvonal feletti hidaknál, a legnagyobb fesztávolság 28,9 m, a legnagyobb hídfőmagasság 10,1 m volt. A 18. ábrán látható, hogy a hídfők egy része párhuzamos szárnyfallal, a többi pedig íves nyitott hídfőként épült.
18. ábra: Vasalt talajtámfalas hídfők vasút felett autópálya átvezetésére Amerikai példákat mutat a következő két kép. A 19. ábrán egy New Mexico-i íves híd párhuzamos szárnyfalú hídfőjét látjuk, az elemek felülete rusztikus, mely esztétikus látványt ad az amúgy robosztus, nagy magasságú hídfőnek.
19. ábra: New Mexico-i párhuzamos szárnyfalú hídfő
15
A 20. ábrán látható floridai gyalogos hídnál is a szép felületképzést érdemes megfigyelni.
20. ábra: Gyalogos híd vasalt talajtámfalas hídfője Floridában Magyarországon is épültek már vasalt talajtámfalas hídfők, főképpen autópályák hídjaihoz, de készült főúton és vasúti felüljárónál is. Egy jellemző hazai kialakítás látható a 21. és 22. ábrán. A nemzetközi gyakorlattól eltérően nálunk nyitottabb, Halakú elemeket alkalmaztak, a terheket a homlokfal mögé épített oszlopok továbbították sík- vagy cölöpalapokkal az altalajra, a vasalást pedig üvegszál erősítésű poliészter szalag biztosította.
21. ábra: Vasalt talajtámfalas hídfő egy magyarországi autópályán
16
eggyakrabban mazott hídfőtípus
fal a jó talajra állított n alig süllyedt.
és a szalagok süllyedése uha talajon nagyobb volt.
tt szalagok külpontos aptak.
yi szalagot az oszlopok kellett hagyni.
22. ábra: A hazai hídfőtípus metszete Sajnos a hazai tapasztalatok nem igazán kedvezőek, mivel számos hídfőnél több kisebb tervezési (konstrukciós) és kivitelezési hiba egymásra halmozódása miatt néhány hídnál a megépítést követő pár év elteltével káresetek következtek be, több hídfő leomlott, ill. tönkremenetelhez közeli állapotba került. A hibák és okok felkutatása jelen tanulmánynak nem célja, megemlítendő azonban, hogy a káresetek hatására a hazai hídszabályzatban megtiltották, hogy hídfőt vasalt talajtámfallal alakítsanak ki. Remélhetőleg a nemzetközi építőipari gyakorlatban gazdaságossága és rugalmas alkalmazhatósága, valamint esztétikus megjelenése miatt széles körben elterjedt hídfőtípus a közeljövőben Magyarországon is ismét alkalmazható lesz.
5. Összefoglalás Vasalt talajtámfalas hídfőket világszerte nagy számban alkalmaznak. A szerkezet jól igazítható a helyszínrajzi és szerkezeti kötöttségekhez, s kedvezőtlen talajmechanikai körülmények között is megbízható és gazdaságos hídfő alakítható ki vele. A megerősített háttöltés képes a ráhelyezett síkalap terheinek továbbítására, így elhárítható vele a hídfők egyik legnehezebben megoldható problémája, a háttöltés és a hídfő között létrejövő süllyedéskülönbség. Kedvező altalaj esetén ez által nincs szükség költséges cölöpalapozásra, valamint elmaradhat a hagyományos hídfőknél a süllyedéskülönbségek csökkentésére szolgáló kiegyenlítő lemez. Ha az altalaj kedvezőtlen, illetve a szerkezet 17
süllyedésérzékeny, a háttöltés megtámasztásának és a felszerkezeti terhek továbbításának feladata szétválasztható, s ilyenkor cölöpalapozással kombinált hídfő készülhet. A vasalt talajtámfalas hídfők tervezése jól kidolgozott, a nemzetközi gyakorlat kipróbált méretezési eljárásokat alkalmaz. Igényes kivitelezéssel tartós és igen gazdaságos szerkezeteket készítenek. A falak formája, az elemek felülete változatos és látványos lehet, így esztétikus megjelenésűkkel hozzájárulhatnak a hidak formavilágának megújításához is. A hazai fejlesztésű vasalt talajtámfalas hídfők kudarcára aránytalan válasz volt az ilyen szerkezetek teljes elvetése. Az erősített támfalak hazai alkalmazásának sikerei, valamint a számos nemzetközi példa a hídfőként való alkalmazás újragondolását indokolják.
Irodalomjegyzék [1] Bastick, M., Schlosser, F., Segrestin, P., Amar, S., Canepa, Y.: Experimental reinforced Earth structure of Bourron Marlotte: Slender wall and abutment test, Reinforcement Des Sols: Experimentations en Vraie Grandeur des Annees 80, Symposium de Paris, ENPC pp. 201–228, Paris, 1993. [2] Buseck, H., Thamm, B.: Messungen an einer Stützwand der Bauweise „Bewehrte Erde“, Bundesanstalt für Straßenwesen, pp.1-11, Köln, 1981. [3] Brüggemann, M.: Langjährige Erfahrungen des Tragverhaltens von BewehrteErde-Brückenwiderlagern, Bautechnik, pp. 61-72, Februar 2010. [4] Detert, O., Alexiew D: Physical analyses of geogrid-reinforced soil system for bridge abutments, From research to design praxis. Danube-European Conference. Bratislava, pp.1-8, 2010. [5] Kuibboer, C. P., Bastick, M., Segrestin, P.: Monitoring of a Reinforced Earth Bridge Abutment at Amersfoort, Symposium de Paris, ENPC, The Netherlands pp.1-11, 1993. [6] Nürnberger, U.: Korrosionsverhalten feuerverzinkter und schwarzer Bewehrungsbänder bei Bauwerken aus Bewehrter Erde, pp. 573-575, Bauingenieur 66, 1991. [7] Sondermann, W.: Spannungen und Verformungen bei Bewehrter Erde, Mitteilungen des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik, Technische Universität Braunschweig, Heft 12, pp.1-11, 1983. [8] Szepesházi, R.: Hídalapozások fejlesztése, 50. Jubileumi Hídászkonferencia, előadás anyag, ff. 1-42 Siófok, 2009. [9] Wichter, L.: Entwurf und Bemessung von Stützkonstruktionen aus stahlbewehrten Erdkörpern, Straße und Autobahn, pp. 377-383, 2010. [10] Wu, J. T. H., Lee, K. Z. Z., Helwany, S. B., Ketchart, K.: Design and construction guidelines for geosynthetic-reinforced soil bridge abutments with a flexible facing, NHCRP Report 556., pp.1-152 Washington DC, 2006.
18
