BOLTOZATOS VASÚTI HIDAK REHABILITÁCIÓJA REHABILITATION OF RAILWAY ARCH BRIDGES Papp Miklós műszaki igazgató Vertikor-Alpin Kft. ÖSSZEFOGLALÁS A boltozatos hidak fontos részét képezik az európai közlekedési rendszernek. Ezen szerkezetek tervezése tapasztalati szabályokon és a korabeli vasúti terheléseken alapultak, olyan szerkezeteket eredményezve, melyek magukban hordozzák a nagyobb terhelések és extrém időjárási körülmények elviselését is. Manapság sok boltozatos híd visel olyan terhelést, mely jelentősen különbözik azoktól, melyekre az építésük korszakában tervezték. A boltozatos hidak jelenlegi állapota széles skálán mozog, ennek ellenére tartóssága bizonyított, életciklus költsége pedig jelentősen gazdaságosabb, mint a legtöbb egyéb szerkezeté. Továbbá sok téglaboltozatú hidat műemlékként tartanak számon és ezek helyettesítését, felújítását vagy megerősítését különös körültekintéssel kell végezni. ABSTRACT Arch bridges form an integral part of the European transport infrastructure. The design of these structures was based on empirical rules and contemporary railway loads, which has resulted in structures with an inherent ability to withstand greater loads and extreme weathering conditions. Today many arches carry a load that is radically different from that which existed when they were constructed. The current condition of arch bridges varies from good to very bad but nevertheless they have proven durability with life-cycle costs significantly more economical than for the majority of other structure types. In addition, many arches belong to our historical heritage and their substitution or refurbishment requires careful consideration with maintenance strategies adopted to promote solutions that preserve and restore these structures instead of their replacement. KULCSSZAVAK/KEYWORDS boltozatos híd, rehabilitáció, élettartam arch bridges, structure, refurbishment
BEVEZETÉS Előadásomban régi tégla, valamint kőanyagú vasúti boltozott hidak megerősítésére mutatok be egy eljárást, amelynek fő alapelve a meglévő szerkezeti kapacitás minél nagyobb mértékű kihasználása. 1. BOLTOZATOS SZERKEZETEK ISMERTETÉSE A tégla, illetve kőanyagú boltozott hidak még mindig igen jelentős részét képezik a hazai vasúti hídállománynak. A mintegy 30 db hazai boltozaton végzett munkáink során szerzett tapasztalataink is azt mutatják, hogy ezen hidak általában jóval nagyobb teherbírási tartalékkal rendelkeznek, mint arra a számítások alapján következtetni lehetne. Az építési technológia és természetes szerkezeti forma összhangja a mai kor mérnökei számára is meglepően tartós szerkezeteket eredményezett (1. 2. és 3. kép) 1. kép Ókori római vízvezeték 2. kép Középkori kőboltozatú híd
3. kép 19. századi kőboltozatú híd A boltozott hidak szerkezeti viselkedésének és a teherbírási tartalékának megbízható ismerete kulcsfontosságú a hídgazdálkodás számára mivel a felújítások ütemezése mellett lehetőséget biztosít az optimális megerősítési megoldások és stratégiák kialakítására. Nemcsak a számítások igazolják, hogy a leggazdaságosabban úgy lehet régi boltozott szerkezetek teherbírását hosszútávon biztosítani, ha segítünk nekik az évtizedek alatt jól működő statikai rendszer fenntartásában és a rejtett teherbírási tartalékok mobilizálásában. Így nem az a cél, hogy minél jobban áthárítsuk az eredetileg viselt terheket egy új teherviselő elem beépítésével, hanem az, hogy meggátoljuk a régi statikai rendszer átalakulását egy labilisabb, tönkremenetel szempontjából kockázatosabb rendszerré. Ennek kulcsa a káros szerkezeti mozgások korlátozása, valamint a lokális jellegű tönkremeneteli folyamatok hátráltatása. 2. DIAGNOSZTIKAI VIZSGÁLATOK A számítási modellek finomodásával egyre pontosabban tudjuk megállapítani azt, hogy melyek azok a szerkezeti- és anyagjellemzők, amelyek különös jelentőséggel bírnak a boltozatok teherbírása és használati teher alatti viselkedése szempontjából. Ez esetenként változó lehet, nagymértékben függ a boltozat alakjától, az áthidalt fesztávtól, a feltöltés magasságától, a boltozat repedezettségtől, stb. A pontosabb modell azonban mit sem ér, ha a bemenő paraméterek értékei nagy bizonytalanságot tartalmaznak. Különösen lényeges tehát a kulcsfontosságú paraméterek minél megbízhatóbb ismerete. Ehhez a meglévő diagnosztikai módszerek tökéletesítésére és új, hatékony eljárások alkalmazására van szükség. A boltozott hidak a környezetükkel (pl. háttöltés, feltöltés, altalaj) kölcsönhatásban alakították ki teherviselő rendszerüket, amely rendszer egy jelentős része takarva van a szokványos diagnosztikai eljárások számára. Sajnálatos módon ennek az eltakart résznek a tulajdonságai jelentős hatással vannak a boltozat viselkedésére, így a megbízható szerkezeti modellezéshez nem lehet eltekinteni bizonyos rejtett tulajdonságok vizsgálattal történő meghatározásától. Az utóbbi időben egyre szélesebb körben terjed az ún. roncsolásmentes szerkezetdiagnosztikai módszerek alkalmazása. Tégla és kő boltozatú hidakra is sikerrel alkalmaztak már többek között szeizmikus, ultrahangos, szonikus eljárásokat, valamint az alépítmény felméréseknél már korábban bevezetett georadaros vizsgálatokat. Ezek nemcsak
az alkotóanyagok szilárdsági tulajdonságairól, hanem a boltozat belső kapcsolati rendszeréről is felvilágosítást adhat. A meglévő teherbírás megbízható megállapítóságának hiányában, a boltozat károsodásai sok esetben már elegendő okot szolgáltattak arra, hogy ne bízzunk tovább a boltozat teherviselésében. Ezzel a megközelítéssel összefüggésben fejlődött ki az a többször előszeretettel használt megerősítési megoldás, miszerint a meglévő boltozat terheit (vagy annak túlnyomó részét) egy újonnan beépített kéregnek adjuk át. Ez lehet például a boltozat fölé beépített vasbeton nyereg, vagy a külső felületen kialakított viszonylag vastag, dupla vasalással ellátott, kellően lealapozott lőttbeton bélelés. Mindkét megoldás arra irányul, hogy a boltozatot gyakorlatilag mentesítse az eredeti teherviselési funkciója alól. Mivel a merev vasbeton kéreg és a lágyabb boltozati felület együttdolgozása nem biztosítható hatékonyan, ezért az új kérget önálló teherviselő boltozatként illik méretezni. Mindez meglehetősen költséges megoldást eredményez, nem beszélve arról, hogy a meglévő szerkezeti rendszerbe drasztikusan beavatkozunk úgy, hogy a régi boltozat teherbírásáról szinte teljes egészében lemondunk. Ugyancsak kérdéses, hogy valójában mikor veszi át az új betonkéreg a terheket a régi boltozattól tekintettel a zsugorodásból származó feszültségekre, a még le nem zajlott lassú alakváltozásokra illetve talajkonszolidációra. Más erőtani megfontolásokon alapszanak a következőkben vázolt megoldások, melyekben a megerősítés célja nem a szerkezet kiváltása és a boltozatra ható terhek átvétele, hanem a meglévő teherviselési kapacitás minél nagyobb mértékű kihasználása. 3. A TEHERBÍRÁSI TARTALÉK KIAKNÁZHATÓSÁGA Régi tégla és kőanyagú boltozott hidak teherbírási tartaléka elsődlegesen magában az anyagi összetételben keresendő. A boltozat ugyanis viszonylag merev blokkokból (tégla, kő), valamint a blokkok közötti lágyabb anyagból (habarcs) áll. Régi hidak esetében a fúgahabarcs porozitása révén jóval lágyabb anyagú, mint a blokkokat alkotó téglák, kövek, ezenfelül rendelkezik számos más olyan tulajdonsággal is amely a szerkezet számára lehetővé teszi nagymértékű alakváltozások különösebb károsodás nélküli elviselését, illetve túlterhelés esetén magában rejti a gyors feszültségátrendeződés lehetőségét. A kedvezően nagy alakváltozó képesség nagyobb energia elnyelésre teszi alkalmassá a boltozatot. Mindehhez adódik a feltöltés ill. háttöltés támasztó hatása, különösen nagy terhelések esetén passzív ellenállás formájában, valamint a homlokfalak merevítő hatása. Az említett teherbírási tartalék azonban csak abban az esetben mobilizálható, ha a szerkezetnek lehetősége van oly módon alakváltozni amely révén ez a képlékeny energia elnyelő képesség kihasználható. Amennyiben a boltozat kritikus helyein nagymértékű károsodások vannak jelen (pl. repedések, zárványok, mély kifagyások, blokkok közötti nem megfelelő kapcsolat, stb.), úgy a szerkezet hajlamossá válik rideg módon végbemenő tönkremenetelre, jelentősen lecsökkentve ezzel a szerkezeti biztonságot. Hasonlóan romlik a helyzet abban az esetben is amikor a boltozat nincs oldalirányban kellően megtámasztva, illetve ha az alapok egyenlőtlen süllyedése következtében az említett energia elnyelő képesség nagy része már a süllyedések áthidalására fordítódott. 4. MEGERŐSÍTÉS A MEGLÉVŐ KAPACITÁS KIHASZNÁLÁSÁVAL A meglévő szerkezeti kapacitás kihasználásához általában csak arra van szükség, hogy helyreállítsuk a boltozat azon kedvező tulajdonságát miszerint képlékeny alakváltozásokra képes és erősen túlterhelt állapotban sem ridegen megy végbe a törési folyamat. A megerősítés kulcseleme így a deformációk kontrollálására és nem a külső terhekből származó igénybevételek felvételére irányul. A gyakorlatban a mértékadó tönkremeneteli mechanizmusok kialakulását kell hátráltatnunk azáltal, hogy a kritikus helyeken gátoljuk a káros alakváltozásokat. Ez lehetséges egyrészt azáltal, hogy a megfelelő helyeken (pl. képlékeny csuklók várható kialakulási helyei) magának a boltozati anyagnak a duktilitását növeljük meg például injektálással, másrészt olyan szerkezeti elemek utólagos beépítésével
(pl. acélcsapok, horgonyok, nagy energia elnyelő képességű vékony kéreg, stb.), amelyek saját deformációjuk révén képesek a boltozat káros mértékű elmozdulásainak gátat szabni. A teherbírás és a szerkezeti biztonság növelése mellett további megfontolásokat igényel a használati terhek alatti megfelelőség biztosítása. Itt elsősorban azt kell biztosítanunk, hogy ne alakuljanak ki túlzott mértékű alakváltozások illetve repedés megnyílások. Kiindulhatunk abból a megfigyelésből, hogy jól működő boltozott hidaknak általában nagyon kicsiny (általában néhány tized mm) lehajlása van használati teher hatására. A rehabilitáció során célunk tehát az, hogy az eredeti, sértetlen statikai rendszert minél jobban helyreállítsuk. Nagyon hatékony megoldást jelent e tekintetben a gyengült, repedezett részek környezetének megfelelő anyaggal történő injektálása, valamint az alapok süllyedésének, eltávolodásának korlátozása pl. mikrocölöpözéssel. További kedvező hatása lehet a keresztirányú merevséget növelő részek (homlokfal, felfalazások) újra együttdolgoztatása a boltozattal, ezen kívül a háttöltés, feltöltés támasztó hatásának erősítése talajinjektálással. A boltozattal együttdolgozni képes vékony, lőttbeton kéreg a szerkezet merevségének kismértékű növelése mellett egy áthidaló szerepet is betölt, amely a sérült, berepedt részek teherviselésbe való jobb bevonását és a boltozat térbeli rendszerként való hatékonyabb működését eredményezi. A megerősítés megtervezésekor nem szabad megfeledkezni arról, hogy a járműteher változó intenzitású, sőt akár változó előjelű feszültségeket okozhat a boltozatban. Mindez fárasztó igénybevételt jelent a boltozatot alkotó anyagok számára. Amennyiben az anyagok képlékeny kapacitását már a használati terhek szintjén kihasználjuk, akkor ez könnyen fáradási tönkremenetelhez vezethet, ugyanis képlékeny állapotba jutott anyag előbb fárad. Célszerű ezért a megerősítés révén azt is biztosítani, hogy a használati terhek lehetőleg ne okozzanak képlékeny tartomány közeli feszültségeket. Tekintettel arra, hogy a régi tégla/kő boltozatok több évtized, esetleg évszázad óta harmonikus egyensúlyban működnek környezetükkel, nem célszerű olyan anyagok alkalmazása, amely ezt a rendet felboríthatja. A megfelelő együttdolgozás szempontjából elengedhetetlen az erősítő kéreg jó repedés áthidaló képessége. A javítóbeton magas hajlító-húzó szilárdsága mellett talán még fontosabb, hogy nagy szívóssággal rendelkezzen, illetve legyen képes a húzószilárdság kimerülését követően is bizonyos mértékű húzófeszültség felvételére. Ez a tulajdonság elsősorban szálerősítés alkalmazásával érhető el és a repedések korlátozása mellett a meglévő felülethez és a vasaláshoz való jobb tapadást is elősegíti. Célszerű emellett olyan vasalási rendszert kialakítani - feltéve, ha a szálerősítés mellett erre szükség van -, ami kellő képlékeny alakváltozó és a betonban való jó lehorgonyzódó képességgel rendelkezik, emellett vékony erősítő kéregben hatékonyan korlátozza a repedéseket. Kiemelt jelentősége van a megfelelő felület előkészítésnek is. Elsősorban a laza, könnyen leváló részek eltávolításáról kell gondoskodni, például homokszórással. Bár a homokszórás jelentősen javíthatja a lőttbeton, vagy lőtthabarcs kéreg felületi tapadását, a továbbiakban jelentkező esetleges átázások miatt erre a hatásra csak óvatosan szabad számítani. Jóval hatékonyabb felületi lehorgonyzást eredményez a vékony kéregnek a külső, laza fugázat eltávolítása révén keletkező hézagokba való beékelődése és a megfelelő sűrűségű bekötő csapok elhelyezése. A bekötések szerepe elsősorban a felületi kapcsolat csökkenése, azaz a tapadószilárdság kimerülése és a kapcsolati réteg betonjának elnyíródása után érvényesül, ezért a tartósan jó együttdolgozás szempontjából a kéregbeton magas nyírószilárdsága mellett az is fontos, hogy annak kimerülése ne hirtelen, rideg módon menjen végbe. Ugyancsak fontos, hogy a meglévő boltozat páravándorlási folyamatait lehetőleg minél kevésbé akadályozzuk a kéreg erősítéssel. Ehhez az alacsony rétegvastagság mellett alacsony páradiffúziós ellenállást lehetővé tevő szemszerkezetre van szükség, de a feladat így sem egyszerű. A boltozat injektálásával lényegében kétféle kedvező hatást érhetünk el. A repedések, folytonossági hiányok valamint a meggyengült fugázatú részek kipótlásával növelhető a
boltozat homogenitása, másrészt csökken a vízáteresztő képessége. Az injektálás során a falazat szilárdságának növelése helyett inkább a folytonosság helyreállítását, valamint az elváló részek együttdolgozásának elősegítését kell megcélozni. Kedvező hatásként jelentkezik emellett, hogy az injektált falfelület jobb tapadást biztosít a felületre kerülő lövellt beton, vagy habarcs kéreg számára. Az injektáló anyagok megválasztásakor rendkívül körültekintően kell eljárni annak érdekében, hogy biztosítható legyen a meglévő szerkezettel való kompatibilitás a fizikai, kémiai és mechanikai jellemzőkben, illetve a megfelelő injektálhatóság. Az injektálást követően is meg kell őrizni a szerkezet eredendően jó képlékeny alakváltozó képességét. Nem szabad olyan anyagokat használni amely hirtelen merevségváltozásokhoz vezethet, mert így fennáll a veszélye további repedések kialakulásának és a rideg tönkremenetelnek. Lényeges, hogy a meglévő falazat anyagaival (tégla, kő, fúgázat) jó tapadás tudjon kialakulni, amely nedvesedés és dinamikus hatások mellett is időtálló. Fontos továbbá, hogy az injektálás révén ne avatkozzunk be túlságosan a szerkezet meglévő páraháztartásába. Az említett követelményeknek eleget tevő, nem túl magas költségigényű injektáló rendszer alakítható ki többek között hidraulikus mész és trassz alapú anyagok felhasználásával. A boltozat megerősítés hatékonyságának egyik kulcseleme a vízszigetelés helyreállítása. Mivel a boltozat feletti ágyazat és feltöltés ideiglenes eltávolítására a legtöbb esetben nincs lehetőség, ezért a vízszigetelés megoldásának egy lehetséges módja a feltöltés, valamint háttöltés intrados felőli injektálása, például poliuretán habbal. Az injektáló anyag összetételének, mennyiségének megállapítását, valamint az injektálási helyek megtervezését célszerű próbainjektálással és diagnosztikai módszerekkel előkészíteni. A Vertikor-Alpin Kft. egy konzorciumot alapított a Pécsi Tudományegyetemmel a téglaboltozatú hidak értékelésére, vizsgálatára és megerősítésére vonatkozó komplex metodika fejlesztésére. Az új technológiák magukba foglalják a nagy teljesítőképességű anyagok alkalmazását, úgymint szálerősítésű műanyagok, szálerősítésű lőttbeton, rozsdamentes spirálacél megerősítés és nagy hatékonyságú injektálóanyagok. Ezen munka eredményeként társaságunk 2007 évben kidolgozott egy Komplex boltozat rehabilitációs eljárást tégla-, kő- és beton anyagú boltozott hidak rehabilitációjára. Az eljárást mint irányelvet a MÁV Zrt. elfogadta, jóváhagyta és elrendelte. Az irányelvben vázolt technológiai megoldások célja a boltozatok élettartamának és teherbírásának szükség szerinti növelése a szerkezetek meglévő teherbírásának kihasználásával és a meglévő szerkezeti anyagokkal és statikai rendszerrel kompatíbilis anyagok felhasználásával. Az eljárás magában foglalja a szerkezetek állapot értékelésének, diagnosztikájának, teherbírás számításának, a beavatkozások megtervezésének, a kivitelezés technológiájának és minőségellenőrzésének komplex folyamatát.