2018/2: csomópont, vasút, közút, híd, alapozás, szerkezetmegerősítés, támfal, metró, városi vasút, aluljáró, rehabilitáció, alagút, csővezeték, akna, vízzáróság, betontechnológia, vízépítési műtárgy, rekonstrukció, mérnök
2018. december 10.

Szerző:
Németh Tamás szerkezetépítő mérnök nemeth.tamas@fomterv.hu Főmterv Zrt.


Egyszerű, gyors, költséghatékony építési mód

Integrált hidak építése geoszintetikus anyaggal erősített hídfővel

E cikk tárgya integrált hídszerkezet geoszintetikus anyaggal erősített hídfővel való alkalmazása feltételeinek, jellemző kialakításának és építési tapasztalatainak áttekintő jellegű bemutatása egy konkrét, már megépült szerkezet, Budapesten a XI. kerületben épült Muskétás utcai, a Hosszúréti-patakon átívelő híd kapcsán.


Az alkalmazott szerkezeti kialakítás adott körülmények között rendkívül versenyképes megol­dást ad az egyszerű, gyors és költ­ség­hatékony építési módnak köszönhetően, melyet a bemutatott konkrét hídszerkezeteken szerzett tapasztalatok igazoltak, így szélesebb körű alkalmazása indokolt.

Követelmények

Általánosságban véve a műszaki létesítmények létrehozásánál egyszerre kell kielégíteni az egymással ellentétes hatású műszaki megfelelés és a minél alacsonyabb költségszint feltételeit, azaz műszaki és vállalkozási szempontokat. A beruházó által elvárt szolgáltatási színvonalat előzetesen a műszaki diszpozícióban kell meghatározni, melybe beletartozhat az esetleg kiemelt esztétikai igény is, ami a szolgáltatási színvonalat emeli.
A továbbiakban egy olyan hídfőépítési megoldást ismertetünk, mely a műszaki követelményeknek megfelel, ugyanakkor költséghatékony megoldás mind beruházói, mind vállalkozási szempontból. Tekintettel arra, hogy az alépítmények egy híd esetében, a körülményektől függően, kb. 40%-át teszik ki a teljes bekerülési költségeknek, egy alkalmas megoldás a teljes beruházási költségre kedvező hatású.

Alkalmazási terület

Műszaki szempontból a bemutatott meg­­ol­dás elsődleges alkalmazási területe a támfalszerkezet: Geoszintetikus erősítésű talaj, angol elnevezéssel GRS – Geosynthetic Rein­forced Soil –, és bizonyos határok között kiválóan alkalmas hídfőként való megépítésre integrált híd alépítményeként, angol nevén IBS – Integrated Bridge System.
Korlátait egyrészt az alkalmazott anyagok határteherbírása, másrészt a szerkezetre jellemző alakváltozások határozzák meg, melyeket alapos elméleti megfontolások és nagymintakísérletek sorozata igazolt, és melyeket részletes dokumentációk támasztanak alá.

Hídfőként való alkalmazási köre a hídszerkezetek egy jól körülírható szegmensét fedi le, melynek főbb paraméterei az alábbiak:

Korlátok:

  • Fesztáv: 30 m (max. 42 m)
  • Hídfőmagasság: 9 m
  • Sarunyomás: 200 kN/m2
  • Függőleges alakváltozás: 0,5%
  • Vízszintes alakváltozás: 1%

Az áthidalt akadály szempontjából a közúti/vasúti pályák feletti áthidalásokon túl alkalmas a nem nagy sodrású vízfolyások felett, így például a Magyarországon jellemző síkvidéki vízfolyások esetén.
Vállalkozási szempontból az építéshez szükséges aránylag alacsony technológiai és szakemberigény a jellemző. Az építés egyszerű anyagokból, kis gépparkkal (markoló, lapvibrátor stb.), betanított jellegű szerelési munkákkal kivitelezhető, bonyolult technológiára nincs szükség, kézzel, kis elemekből építhető. Betonalapozást (nedves technológiát) nem feltétlenül igényel, ezért egyedi, nehezebben megközelíthető helyeken is jól alkalmazható.
Mivel a terhek altalajnak való átadása nagy felületen történik, a mélyalapozás kiváltható síkalapozással, mely szintén az építéstechnológia egyszerűsítése irányába hat.

Kedvező gépparkigény

További előnye – a nedves technológia hiánya miatti rövid technológiai időknek köszönhetően – a gyors építési idő és az esetleg szükséges útzár rövidsége. A rövid építési idő az építés időjárási körülményeknek való kitettségét is csökkenti.
A szerkezet jellegéből adódóan az építés során a nem várt helyszíni viszonyokhoz rugalmasan alakítható. Mivel belülről kifelé halad az építési mód, a munkaterület védettebb, így biztonságosabb munkakörülmények biztosíthatók.
A környezettudatosság jegyében előnye, hogy környezeti szempontból kevesebb káros hatással, csökkentett építési és karbonlábnyommal párosul.
Fenntartási szempontból a kevesebb szerkezeti elem miatt egyszerűbb fenntartási feladatokat von maga után.
Mindezek az építési költségek jelentős csökkenését eredményezik.

Építés kézi erővel

Szerkezeti kialakítás, működési elv

A geoszintetikus erősítésű talaj (GRS) kompozit viselkedésű szerkezet, alapelemei a következők:

  • sűrű (max. 30 cm) sortávolságú geo­ráccsal (vagy geotextíliával) erősített,
  • tömörített szemcsés háttöltés adalékanyag,
  • beton falazóblokk homlokelemekkel (zsaluzatként szolgál, nem teherviselő).

A GRS tömb egy belsőleg stabilizált kompozit anyag. Mind a tömörített szemcsés kitöltő anyag, mind az erősítőrétegek oldalirányban a rendszer tönkremeneteléig együtt torzulnak a függőleges terhek hatására.
A geoszintetikus erősítőrétegek biztosítják a kompozit szerkezetben fellépő húzófeszültségek felvételét, korlátozzák az oldalirányú alakváltozást, ezáltal korlátozzák a talaj függőleges irányú alakváltozását is. Azzal, hogy a talajnak látszólagos kohéziót adnak, további szerepük, hogy növelik a kompozit duktilitását, és csökkentik a talaj finom alkotóelemeinek a mozgását.
A GRS külsőleg nem igényel megtámasztást, azaz a tervezés során a homlokelemeket nem kell a teherhordó szerkezet részeként figyelembe venni. A homlokelemek és a georácsok (geotextília) kapcsolóelem nélkül csatlakoznak egymáshoz, ahol az erőátadás súrlódással történik. A homlokelemekre ható földnyomás mértéke így nem jelentős, ezért a kapcsolat tönkremenetelét nem szükséges lehetséges határállapotként vizsgálni.
A geoszintetikus erősítésű talaj, mint szerkezeti elem, kis fesztávolságú, kéttámaszú integrált hídszerkezetnél (IBS) alkalmazható hídfőként, a homlokelemek alapozásaként, illetve integrált útcsatlakozásként.

Tervezési kritériumok

A kellően teherbíró és tartós szerkezet elérésének három alapkritériuma van:

  1. A szerkezet globális paramétereinek előírt korlátok között tartása.
  2. Az alkalmazott alkotóelemek, leginkább a kitöltőanyagként szolgáló szemcsés adalékanyag paramétereinek és beépítési feltételeinek szigorú betartása.
  3. A feszültségek és alakváltozások korlátozását biztosító szerkesztési szabályok megfelelő alkalmazása és betartása.

A fenti kritériumok következetes betartása biztosítja, hogy a bemutatott szerkezeti kialakítás megfelelő biztonsággal azon értelmezési tartomány határán belül marad, melyet a kellő számú kísérlet, a már megépült szerkezeteken szerzett megalapozott tapasztalatok és az ezeken alapuló számítási módszerek igazoltak. A szemcsés anyagokra és az erősítőrétegre előírt feltételek betartása esetén az erősítőréteg kúszása nem áll elő a fellépő terhek hatására, így a kúszásra vonatkozóan nem kell külön egyedi csökkentő tényezőt alkalmazni az erősítésre, a tervezési biztonság elegendő.
A fenti tervezési és kivitelezési kritériumok betartása érdekében a minőség-ellenőrzésnek kiemelt jelentősége van.

A kitöltőanyagként szolgáló szemcsés adalékanyag

Tekintettel arra, hogy a fő teherhordó szer­kezet a georáccsal együtt dolgozó kitöltőanyag, mely nem hagyományos értelemben vett gyártási termék, hanem természetes anyag közvetlen feldolgozásának eredmé­­nye­ként forgalomba kerülő, minőség-ellen­őrzött építési alapanyag, alkalmazása külö­nös gondosságot igényel, a vele szemben támasztott követelmények általánosságban az alábbiak:

  • Szerkezeti (teherbíró) elem nyomószilárdsága a statikai számítással összhangban;
  • Zúzott, kemény, időálló, fagyálló;
  • Útépítésnél alkalmazott kőzúzalék szokásosan megfelelő;
  • Szerves anyagoktól mentes;
  • Súrlódási szög min. 38°;
  • Előírt szemeloszlási görbe;
  • Legnagyobb névleges szemnagyság (D) nem lehet több a rétegvastagság egyharmadánál;
  • Tömörítés T = min. 95%.

Például: FZKA 0/65 frakciójú, éles szemcséjű zúzottkő 17 cm-nél nagyobb rétegvastagság esetén.

Számítási alapelvek

Az igazoló számítás során az alábbi vizsgálatokat kell elvégezni.

Külső stabilitásvizsgálat: szokásos eljárás súlytámfalként ellenőrizve (nem mértékadó):

  • Elcsúszás,
  • Altalaj-teherbírás,
  • Felbillenés,
  • Globális stabilitás (csúszólap).

Belső stabilitásvizsgálat:

  • Függőleges határteherbírás:
    • kísérleti úton: 5%-os függőleges alakváltozáshoz tartozó teher;
    •  analitikus úton, nagymintakísérletek alapján meghatározott tényezők alkalmazásával.
  • Alakváltozások:
    • Függőleges: kísérleti görbékből (önsúlyra lejátszódik);
    • Vízszintes: analitikusan, térfogatállandóság elve alapján.
  • Erősítés húzószilárdsága.
A híd szerkezeti elemei

Szerkesztési szabályok

A szerkesztési szabályoknál különösen a fel­szerkezet alépítményre támaszkodásánál – a támaszköz méretétől függően – kell gondosan eljárni annak érdekében, hogy az erőátadás során kialakuló nyomó- és húzófeszültségek eloszlása összhangban legyen a számítási elvekkel. Ugyanezen az alapon kell az erőbevezetés környezetében sűríteni a georácsok elhelyezését, illetve tehermentesített zónát kialakítani a felszerkezet alatt a homlokfal környezetében.
A homlokfalat falazóelemekből kötésben kell kialakítani, lehetőleg egy- vagy többelemenként lépcsőzve hátradöntve, ami mind statikailag, mind esztétikailag kedvező. Az alsó elemsorokat tömör vagy kibetonozott üreges elemekből kell építeni a magasság függvényében, illetve vízfolyások áthidalása esetén. A felső elemeket, illetve a sarkokat teljes magasságban függőleges egyenes betonacélokkal kell erősíteni.
A felsorolt szerkesztési szabályok nem teljes körűek, csupán azt demonstrálják, hogy alkalmazásuk elengedhetetlen a szerkezetszerű működéshez.

Muskétás utcai integrált hídszerkezet, geoszintetikus anyaggal erősített hídfővel

A Muskétás utcai híd egy meglévő, leromlott állapotú híd helyére épült, melyet előtte el kellett bontani.
Az új híd megépítése egy ütemben, teljes forgalomzár mellett valósulhatott meg. Tekin­tettel a Hosszúréti-patak, mint áthidalt akadály, jelentős vízhozamára, a bontási, építési munkák ütemezését kisvíz melletti időszakban kellett elvégezni.
Az új híd támaszköze 9,30 m, a szabadnyílás (a szerkesztési szabályok betartásával) 7,00 m, szélessége 9,45 m, a keresztezési szög 90°.
A műtárgy teherbírása az e-UT 07.01. 11:2011 szerinti A osztályú.

Alapozás

Az alapozás 35 cm vastagságú, minden oldalán geotextíliába (pl. WG80 szőtt polipropilén geotextília, 85/75 kN/m húzószilárdság) csomagolt, jól tömöríthető háttöltésanyag (RSF rendszerű alaptest). A víz beszivárgásának megakadályozására a geotextília minimális átlapolása 1,0 m. A töltésanyagot max. 15 cm-es rétegekben kellett tömöríteni. A felső síkját a beton zsalukő fogadására alkalmasan, egyenletes és vízszintes felülettel kellett kialakítani. Az alapozás mindkét irányban, a felmenő zsalukőfaltól és a georács hátsó síkjától 50-50 cm-re túlnyúlva épült.
A homlokelemek első sora – az alaktartás biztosítása érdekében – beton indítógerendára került, mely az RSF rendszerű alaptestbe ékelődött. Biztosítani kellett a fogadófelület egyenletes süllyedési feltételeit, nehogy a homlokelemek a visszabontott hídfőfalazat megmaradó részére felüljenek és megbillenjenek. Ezért a visszabontott hídfőfalazat előtti földtömeget az RSF falazat alatt a megmaradó beton alaptest felső síkjáig CKT-ra kellett cserélni az alapozási sík és az építési talajvízszint függvényében.

Felmenőszerkezet

A hídfők georácsokkal erősített talajszerkezetből és az ezt határoló zsalukövekből U alakban épültek fel. A hídfők magassága 2,09 m, 11 zsalukősorból álltak. A hídfő meredeksége 85,5°-os, amit 3 × 2 soronként, majd 5 × 1 soronként 3 cm-es lépcsőzéssel értünk el. A szárnyfalaknál ugyanez a visszaugratás 4 × 2 soronként, majd 1 × 5 soron­ként 3 cm-es lépcsőzéssel, összesen (4 + ­1-1) × 3 = 12 cm.
A tervezett zsalukőelemek magassága 19 cm, szélessége 42 cm, mélysége pedig 30 cm.
A georácsok az egymásra merőleges irányban eltérő szilárdságúak, így elhelyezésüknek irányhelyesnek kellett lennie. A 3,0 m hosszú georácsokat az elemek közötti stiftekhez kellett rögzíteni felváltva hossz- (hídtengellyel párhuzamos) és keresztirányban (hídtengelyre merőleges), azaz 19 cm-enként.
A felszerkezet feltámaszkodása alatti erőbeviteli zónában az elsődleges, a felső három, homlokfalba bekötő réteg közé a magasság felezőjébe közbenső hosszirányú georácsot kellett elhelyezni, melynek hossza 1,60 m.
A legfelső erősítő georácsréteg a teherelosztó gerenda alatt 19/2 = 9,5 cm-re helyezkedett el. A felszerkezetről átadódó vízszintes terhek elosztása érdekében közvetlenül a teherelosztó gerenda alá 2 réteg geotextília épült a zsalukőfalazat mögött közvetlenül visszahajtva, 3,0 m hosszon.
A teherelosztó gerenda fogadó síkját a felszerkezet keresztirányú túlemelésének megfelelően kellett megépíteni.
Építés közben a zsalukőfalat szintenként ki kellett betonozni. Összetüskézni a sarkokat és a sarkoktól 2-2 elemig, a felső három sort 12-es átmérőjű vasbetétekkel volt szükséges.
A beépítendő anyagokkal szemben megkövetelt paramétereket, melyeket a hídfők statikai számításánál figyelembe vettünk, a fenti előírásokkal összhangban tettük meg.

Gerendák beemelése

A georács paramétereire a statikai számításnál igazolt paramétereket írtunk elő az alábbiak szerint:

  • merevség: min. 250 kN/m;
  • szakítószilárdság: 200 kN/m;
  • 5%-os megnyúláshoz tartozó szilárdság: min. 140 kN/m;
  • hosszú távú szakítószilárdság 100 évre: min. 117 kN/m;
  • teherátadási tényező a háttöltésanyag és a georács között min. 1,0.

Fentiekre javasolt Secugrid 200/40 R6 georács a felsorolt követelményeknek megfelelt.
A háttöltésbe szivárgó vizek elvezetésére dréncsöveket kellett beépíteni a hát­töl­tés­anyagba, a hídnyílás felé lejtetve.

Építéstechnológia

A meglévő híd elbontása után a terepet elő kellett készíteni az alapozáshoz, majd a geotextíliával körülvett két rétegben tömörített háttöltésanyagból az alapozást elkészíteni. Ezután lehetett a zsalukőből a falat építeni, rétegenként tömörítve a háttöltést, és felváltva hossz- és keresztirányban fektetve a georácsot, megépíteni a háttöltést. Az első réteg georács hosszirányban futó, és közvetlenül az alaptest geotextíliájára került rá.
A georácsokra nem volt szabad közvetlenül munkagéppel vagy tömörítőgéppel ráhajtani. A háttöltés terítésére használt munkagép nem közelíthette meg 2,0 m-en belül a homlokfal síkját, illetve a kiselemektől számított 1 m-en belül max. 250 kg-os lapvibrátort lehetett alkalmazni, míg az 1–2 m közötti tartományban max. 400 kg-ost.
A georács terítését a kiselemsor homloksíkjától kellett kezdeni a georács beakasztásával a homlokelem stiftjébe, majd a georácsot a terv szerinti hosszban le kellett teríteni és megfeszíteni a háttöltés felső síkján úgy, hogy az teljesen kifeszített állapotba kerüljön. Ennek érdekében rögzítőtüskékkel javasoltuk a georácsok széleinek rögzítését.
A kiselemek kötésben, félelemes eltolással, szárazon, habarcs nélkül épültek az alatta lévő sorra. A legfelső 3 elemsor belső üregeibe 12-es átmérőjű függőleges betonvasat kellett elhelyezni, és betonnal kitölteni.

Teherelosztó lemez

A hídfő tetejére 80 cm széles, előregyártott teherelosztó lemez épült a felszerkezet fogadására. Célja, hogy a kiselemes előregyártott felszerkezet kellő pontossággal megépíthető legyen, illetve hogy a háttöltésen a nedves technológiát (betonozás) lehetőség szerint elkerüljük. További előnye volt, hogy a fel­szerkezeti gerendák beemelésével azonos körülmények között volt helyre tehető, kisebb technológiai időigénnyel.

Felszerkezet

A felüljáró felszerkezetét üzemben előregyártott vasbeton FP hídgerendákkal együtt dolgozó helyszíni vasbeton lemezzel kialakítva terveztük.

Környezetbe illő kialakítás

Az elkészült hídszerkezet beváltotta mind a kivitelező, mind a beruházó várakozásait, a szokásos építéstechnológiához képest lényegesen rövidebb idő alatt, zökkenőmentesen, az elvárt műszaki színvonalnak megfelelően, költséghatékonyan épült meg, és szolgálja a közlekedők igényeit.•

Beruházó: Budapest Közút Zrt.
Vállalkozó: Korrózió-2001 Kft.
Szakalvállalkozó: ViaCon Kft.
Mérnök: FŐBER Zrt.
 
Innotéka Mélyépítés