Komplex hídfő- és hídmodellezés

A komplex modellezés sikerének alapja a hídfőhöz csatlakozó töltés építésének és konszolidációjának korrekt számítása. Koch PhD-értekezésében ezt vizsgálta, feltárta a felkeményedő talaj (hardening soil) és a puha talaj (soft soil) fejlett anyagmodellek alkalmazhatóságát, és kidolgozta különböző töltésalapozási módszerek (mélykeveréses talajjavítások, lépcsős építés, túltöltés, drénezés stb.) modellezését [16, 17].
Időközben az első talajmodellt a kis alakváltozások tartományában jellemző nagyobb talajmerevség, a másodikat a kúszás figyelembevételével fejlesztették tovább. A HS-small talajmodellel megoldja a geotechnika régi bizonytalanságát, nem kell a határmélységet többé-kevésbé önkényesen felvenni, mert a feszültségeknek a térbeli szétterjedésükkel járó csökkenésével az alakváltozások a növekvő merevség következtében „maguktól” elenyésznek [3]. A 4. ábrán ez jól érzékelhető, egy bizonyos mélységben a süllyedés lényegében zérus lett, holott a talaj ugyanolyan, mint e szint fölött. Észlelhető az is az ábrán, hogy milyen nagy a jelentősége a hídfő körüli földtest alakjának, illetve az ezt kezelni tudó 3D modellezésnek: a hídfőfal vonalában a süllyedés legfeljebb fele a folyópályáénak, az előrézsű lábánál pedig már egészen kicsi.

A Plaxis 3D szoftvert a HS-small talajmodellel alkalmazva jól le lehet írni a hídfőknél gyakori töltésvisszabontási, -újraépítési folyamatokat és az ismétlődő terheléseket. A szoftver outputja szolgáltatja a cölöpök és a hídfőfalak igénybevételeit, amelyek alapján azok méretezhetők. Mód van arra is, hogy a felszerkezet szintén megjelenjen a modellben, ha nem is olyan részletezettséggel, hogy e modell futtatása alapján azt méretezni lehessen. Mindenesetre így kiválóan elemezhetők a különböző szerkezeti változtatások, a lehetséges töltésalapozási módszerek és építésütemezési változatok, felkutathatók az optimumok. Értékelhető a különböző sebességgel haladó járművek dinamikus kerékterhelése, ami hozzájárult a hídfő mögötti átmeneti szakasz kialakításának javításához is. A vázolt témakörökben végzett vizsgálódásokat és eredményeiket ismertetik a [3, 18–22] publikációk.  
Korábban elképzelhetetlen lehetőségek nyíltak meg tehát a geotechnikai modellezésben, de látnivaló, hogy a prognózisok megbízhatósága továbbra is nagyban függ a talajok parmetrizálásának minőségétől. A GINOP keretében egy közúti hídnál lehetőség nyílt a megszokottnál sokkal részletesebb és igényesebb laborvizsgálatokra, valamint sokirányú monitoringra. A laborvizsgálatok alapján végzett Plaxis 3D modellezés a maximális süllyedésre ~32 cm-t adott ki. Az első időszakban mért és a modellezés által prognosztizált idő/süllyedés görbe összevetése azt mutatta, hogy ez az érték túlbecsült. A talajparamétereket ekkor úgy igazítottuk, hogy a bemért szakaszra vonatkozóan a számított görbe jól illeszkedjen a mértre. Az ezekkel végzett új számítások görbéjével később nagyon jól egyezett a mért görbe, pedig viszonylag bonyolult volt az építési folyamat. A maximális süllyedés végértéke 23,5 cm lett, és ezt összevetve a 32 cm-rel, megállapítható, hogy a fejlett modellezéssel feltétlenül együtt kell járnia a talajparametrizálás fejlesztésének.
Ennek egyik útja lehet új laborvizsgálatok bevetése, különös tekintettel az olyan paramétereket illetően, mint például HS-small anyagmodellben szereplő G0 és γ0,7 paraméterek. Ezekkel kapcsolatban kevés tapasztalat van, ugyanakkor a „parameter study”-k szerinti eredmények nagyon érzékenyek rájuk. Szilvágyi a Ray által kifejlesztett rezonanciás és torziós nyíróvizsgálattal ezeket elemezte hazai folyami kavicsokra, és adott olyan tapasztalati összefüggéseket, amelyek lehetőséget adnak arra, hogy talajmechanikai paraméterekből becsüljük az értéküket. A kutatás eredményei a [23, 24] cikkekben tanulmányozhatók.
 A másik lehetőséget az előbbiekben már érzékeltettük: a monitoring kezdeti fázisa alapján korrigálhatók a paraméterek, így a prognózis javulhat, és tapasztalatok gyűjthetők jellegzetes talajok paramétereiről. A GINOP-ban süllyedéseket, szerkezetdőléseket, szerkezeten belüli nyúlásokat, hőmérsékleteket és földnyomásokat regisztráltunk folyamatosan korszerű mérőeszközökkel [3, 25]. A mérések még folynak, teljes körű feldolgozásuk folyamatban van. A fejezet eddigi része a hídfők komplex modellezéséről szólt, bár megjelent már a modellekben a felszerkezet is. A felszerkezetet vagy a teljes hídszerkezetet – mint utaltunk rá – Magyarországon általában AxisVM-szoftverrel végzett modellezés alapján tervezik [3]. Ebben a hídtervezők háromféle módon jelenítik meg az altalajt, illetve az alapozást:

• a cölöpök palástjához bizonyos távolságokra függőleges és kétirányú vízszintes rugókat illesztenek, a talphoz pedig csak függőlegeset, amelyekkel lényegileg a talajt szimulálják, bár a rugóállandók függenek a cölöp jellemzőitől is;
• a cölöpöket egyenként modellezik, egy-egy függőleges és két-két vízszintes rugóval ezeket a cölöpösszefogó szerkezethez kapcsolva, s a rugóállandóik lényegében cölöp-próbaterhelési diagramokat jelképeznek;
• az alépítményeket (a hídfőt vagy a közbenső támaszt) modellezik egy-egy függőleges és két-két vízszintes rugóval, ezeket a felszerkezethez illesztve, s ezek ru­góállandói az alépítmények komplex reakcióját fejezik ki.

Általában az első változatot preferálják, mert így egyetlen modellben tudnak vizsgálni minden tartószerkezeti elemet, beleértve a cölöpöket is, ami vonzónak tetszik. Amint azonban arra már utaltunk, ez a modell a legkevésbé helyes, mert nem képes érvényesíteni a szerkezetek egymásra hatását, az időbeliséget, a hídfőhöz csatlakozó töltés hatásait stb. (Hozzá kell tenni, hogy sajnos még ezt a modellezési módot is sokan végletekig leegyszerűsítik, például az ágyazási tényezőket függetlenül a lokális talajadottságoktól mindig azonos értékekkel veszik föl.)
A felszerkezet modellezése szempontjából valójában a harmadik változat a leghelyesebb, mert a támaszt szimuláló rugókban elvileg megjeleníthetők a megnevezett hatások, amennyiben azokat Plaxis 3D számításokkal határozzuk meg. Ezt a lehetőséget, amelyet már a [12] irodalomban is vizsgáltunk, úgy foghatjuk fel, mintha egy hídfő próbaterhelési görbéjét állítanánk el. Az 5. ábrán látható görbéket úgy kaptuk, hogy különböző időrendet írtunk elő a hídfő építésére, majd különböző időpontokban a sarujára ugyanannyi idő alatt növekvő függőleges és vízszintes erőt működtettünk, szimulálva a felszerkezet önsúlyából és a járművekből adódó függőleges és az utóbbiból adódó vízszintes terheket, az arányokat a példában 1:10-re véve. Kirajzoltattuk az erő/elmozdulás görbéket, amelyek különbségei a még különböző intenzitással zajló konszolidációból és az eltérő mechanikai állapotból ered. (Ha markánsabban különböző építési technológiákat szimuláltunk volna, akkor nagyobb különbségek is adódnának.) Ilyen görbéket a szerkezettervező egy releváns terhelési tartományra egyenesekkel helyettesítve, annak hajlásaként megállapíthatja a felszerkezeti modellbe bevihető rugóállandókat. Érdemes kiemelni, hogy ily módon a különböző irányú rugóállandók – helyesen – nem lesznek függetlenek egymástól, mint ahogy azokat intuitív alapon felvéve gyakorta vélelmezik, mert a komplex geotechnikai modell a talajkörnyezet komplex mechanikai állapotából határozza meg a hídfő tetejének mozgását.

Konstrukciós kérdések

A bevezetőben említett GINOP és a Vasúti hídszabályzat korszerűsítésének keretében előtérbe került a hídfők konstrukciós fejlesztése is.
E területen az utóbbi két évtizedben teret nyert az integrált hídszerkezet és az erősített talajtámfalas hídfőszerkezet, illetve a kombinációjuk is. Ezeknél, de a hagyományos típusoknál is, jóval nagyobb figyelmet szentelnek továbbá a hídfő és a folyópálya közötti átmenet kialakításának, azt célozva, hogy ne alakuljon ki pályaszinttorzulás a hídfőnél, és folytonos alátámasztást kapjanak a sínek a folyópálya és a híd átmeneti szakaszán.
Az integrált hídszerkezet lényege a felszerkezet és a hídfőfal (vagy -gerenda) egybeépítése vagy csak vízszintes erő, vagy nyomaték átadására is képes kapcsolattal [3]. A fő célja az, hogy ne legyen szükség dilatációs szerkezetre, illetve csökkenjenek a vágányt terhelő dilatációs erők, de ha a kapcsolat nyomatékbíró, akkor a felszerkezet nyomatékainak csökkenése is fontos. Ilyesféle szerkezetet tapasztalati alapon több országban régóta építenek (alkalmasint Magyarországon is, ha nem is így hívják), a szerkezetek engedélyezésében szigorúbb országokban azonban csak azóta, amióta a tervezők számítással tudják igazolni az alkalmasságukat. Az a kulcskérdés, hogy miként lehet áthárítani a dilatációs erőt a hídfőfallal (-gerendával) és a cölöpökkel a háttöltésre és az utóbbival az altalajra is, megengedve valamennyi mozgást, hogy az erő kisebb legyen, de korlátozva is azt, hogy ne képződjön hézag köztük és a talaj között. Nyilvánvaló, hogy ez a talaj/szerkezet kölcsönhatás minnél pontosabb számítását igényli, amire eddig a rugómodellt használták, kísérleti alapon felvett rugóállandókkal.
Az elv működéséhez konstrukciós megoldások is kapcsolódnak:

• a közvetlen háttöltést cementtel javított szemcsés anyaggal állítják be a kívánt modulusúra;
• georáccsal erősítik, hogy képes legyen a felszerkezet rövidülésekor fellépő húzóerők felvételére;
• geohabot építenek be a hídfőfal és a töltés közé rugalmas réskitöltésként.

Érdemes hangsúlyozni, hogy az integrált híd csak a vázolt működéssel igazán gazdaságos. Így, ha cölöpök is készülnek, akkor törekedni kell arra, hogy egyetlen cölöpsorral a cölöpök palástján adjuk át a vízszintes terhet a talajra, ne pedig két cölöpsorral, azt és a hídfőfal egészét méretezve a dilatációs erőre.
Említést érdemel, hogy a cölöpök és a hídfőgerenda kapcsolatát úgy is formálják, hogy a cölöpök egy bizonyos mélységig oldalirányban szabadon mozoghassanak, így túlzottan nagy nyomaték ne terhelje őket. Említendő az is, hogy olyan szerkezetet is építenek, amelyekben a felszerkezet a hídfőn elgördülhet (elcsúszhat). Ezek végeihez mélyre lenyúló keresztgerenda csatlakozik, és ez támaszkodik oldalirányban a töltésre a dilatációs erő közvetítésére. A dilatációs szerkezet így is anélkül elmaradhat, hogy a hídfőre lényegi vízszintes erő hatna. Ezt a szerkezetet szokás félig integrált hídnak nevezni.
Idehaza az utóbbi időben épültek integrált hidak (főként félig integráltak), de nem feltétlenül a vázolt elvek jegyében. Értékelésük a [3] irodalomban megtalálható.
Az erősített talajtámfalas szerkezetek alkalmazása a hídfőben régi keletű. A konvencionális megoldás az erősített földtest és az azt lezáró homlokfal, valamint a híd alátámasztásának elválasztása. Újabban azonban épülnek nagy számban olyan kéttámaszú hidak is, amelyekben a felszerkezetet az erősített töltés tetejére fektetett vasbeton gerendára mint síkalapra helyezik. Ezzel a hídszerkezet és a háttöltés közötti süllyedéskülönbség lényegében elhárítható. Németországban építettek ilyen szerkezetet műszerekkel felszerelve kísérleti céllal is, és erre támaszkodva kidolgozták a szerkezet szemiempirikus méretezési módszerét. Mi magunk végeztünk végeselemes számításokat is egy ilyen szerkezetre.
Sajnos Magyarországon – mint említettük – a vasalt hídfők egy teljesen téves konstrukciójának és hanyag építésének nyomán bekövetkezett kudarca után a hídtervezők elzárkóztak mindenféle ilyen szerkezettől, lemondva azokról az óriási előnyökről, amelyeket ezek kínálnak.