Betongerendás híd
Háttér
Az Egyesült Államokban közel 590 000 közúti híd ível át vízi utakon, szárazföldi mélyedéseken, egyéb utakon és vasutakon. A leglátványosabb hidak olyan összetett rendszereket használnak, mint az ívek, kábelek vagy háromszöggel kitöltött tartógerendák, amelyek fenséges oszlopok vagy tornyok között viszik az utat. Az autópályahídrendszer munkagépe azonban a viszonylag egyszerű és olcsó beton gerendahíd.
A gerendahíd más néven gerendahíd, a gerendahíd egy vízszintes, mindkét végén alátámasztott födémből áll. Mivel a födém (és a födémen lévő tárgyak) teljes súlya függőlegesen kerül át a tartóoszlopokra, az oszlopok kevésbé masszívak lehetnek, mint az ívhidak vagy függőhidak támaszai, amelyek a súly egy részét vízszintesen adják át.
Az egyszerű gerendahidat általában legfeljebb 76,2 m (250 láb) távolság áthidalására használják. Nagyobb távolságokat úgy lehet áthidalni, hogy egyszerű gerendahidak sorozatát kötik össze egy úgynevezett folyamatos fesztávú hídddá. A világ leghosszabb hídja, a louisianai Lake Pontchartrain Causeway egy pár párhuzamos, kétsávos, folyamatos gerendahíd, amely majdnem 38,4 km (24 mérföld) hosszú. A két híd közül az elsőt 1956-ban fejezték be, és több mint 2000 különálló pillérből áll. A testvérhíd (amely most az északi irányú forgalmat bonyolítja) 13 évvel később készült el; bár 228 lábal hosszabb, mint az első híd, csak 1500 támaszból áll.
A hídnak három fő eleme van. Először is, az alépítmény (alapozás) adja át a híd terhelt súlyát a talajra; olyan elemekből áll, mint az oszlopok (más néven pillérek) és a támaszok. A támaszpont a híd vége és a föld közötti kapcsolat; ez biztosítja a híd végszelvényeinek alátámasztását. Másodszor, a híd felépítménye a vízszintes platform, amely az oszlopok közötti teret fedi. Végül a híd fedélzete a felépítményhez hozzáépített közlekedésre alkalmas felület.
történelem
Az őskori ember a természet utánzásával kezdett hidakat építeni. Mivel hasznosnak találta, hogy egy patak fölé dőlt fán járjon, elkezdett fatörzseket vagy kőlapokat elhelyezni ott, ahol át akart kelni a patakokon. Amikor szélesebb patakot akart áthidalni, kitalálta, hogyan rakjon köveket a vízbe, és fából vagy kőből készült gerendákat fektessen ezen oszlopok és a part közé.
Az első dokumentált hidat Hérodotosz írta le i. e. 484-ben. Kőoszlopokra támasztott fákból állt, és mintegy 300 évvel korábban építették át az Eufrátesz folyón.
A rómaiak leginkább kőből és betonból készült ívhídjaikról híresek, de gerendahidakat is építettek. Valójában a legkorábbi ismert római hidat, amely i. e. 620-ban épült a Tiberis folyón, Pons Subliciusnak nevezték, mert fagerendákból (sublicae) készült. A római hídépítési technikák közé tartozott a kazettás gátak használata a pillérek építése során. Ezt úgy tették, hogy faoszlopok körkörös elrendezését verték a földbe a tervezett oszlop helye körül. Miután a fából készült gyűrűt agyaggal kibélelték, hogy vízhatlan legyen, kiszivattyúzták a vizet a burkolatból. Így tudták kiönteni az oszlopalap betonját.
A hídépítés 1717-ben kezdett művészetből tudománnyá válni, amikor Hubert Gautier francia mérnök írt egy értekezést a hídépítésről. 1847-ben egy Squire Whipple nevű amerikai megírta az A Work on Bridge Building című művét, amely tartalmazta az első analitikus módszereket a hídban fellépő feszültségek és feszültségek kiszámítására. A “tanácsadó hídépítés” az 1880-as években alakult ki szakterületként az építőmérnöki szakmán belül.
A gerendahídépítés további fejlődése elsősorban az építőanyagok fejlesztésének köszönhető.
Az építőanyagok és fejlődésük
A legtöbb autópálya gerendahíd betonból és acélból épül. A rómaiak mészből és pozzalanából (vörös, vulkáni por) készült betont használtak a hídjaikhoz. Ez az anyag gyorsan szilárdult, még víz alatt is, erős és vízálló volt. A középkorban Európában helyette mészhabarcsot használtak, de az vízben oldódó volt. A ma népszerű portlandcementet, amely mészkő és agyag különleges keveréke, 1824-ben találta fel egy Joseph Aspdin nevű angol kőműves, de az 1900-as évek elejéig nem használták széles körben alapanyagként.
A beton jó szilárdsággal bírja a nyomást (nyomóerőt), de nem olyan erős a húzást (húzóerőt). A tizenkilencedik században Európában és az Egyesült Államokban több kísérlet is történt arra, hogy a betont úgy erősítsék meg, hogy feszültségálló vasat ágyaztak bele. Az 1880-as években Franciaországban Francois Hennebique fejlesztette ki a jobb változatot, aki acélból készült betonvasakat használt. Az Egyesült Államokban a vasbeton első jelentős hídépítési alkalmazása a San Francisco-i Golden Gate Parkban található Alvord Lake híd volt; az 1889-ben elkészült és ma is használatban lévő híd Ernest L. Ransome tervező által kitalált, csavart acélból készült merevítő rudakkal épült.
A betonépítés következő jelentős előrelépése az előfeszítés kifejlesztése volt. A betongerendát úgy feszítik elő, hogy a gerendán keresztülfutó acélrudakat meghúzzák, majd a rudak végeit a gerenda végeihez rögzítik. Ez nyomóerőt fejt ki a betonra, ellensúlyozva a gerendára terheléskor ható húzóerőket. (Egy vízszintes gerendára nyomott súly hajlamos a gerendát középen lefelé hajlítani, ami a gerenda tetején nyomóerőket, a gerenda alján pedig húzóerőket hoz létre.)
A feszítés alkalmazható a gyárban előregyártott, az építkezés helyszínére szállított és daruval a helyére emelt betongerendára; vagy alkalmazható a helyben öntött betonra, amelyet a gerenda végleges helyére öntenek. Az acélhuzalokat vagy -rudakat a beton kiöntése előtt megfeszíthetik (előfeszítés), vagy a betont a megfeszítetlen acélt tartalmazó csövek köré önthetik, amelyekre a beton megszilárdulása után alkalmazzák a feszültséget (utófeszítés).
Tervezés
Minden hidat egyedileg kell megtervezni, mielőtt megépítik. A tervezőnek számos tényezőt kell figyelembe vennie, többek között a helyi domborzati viszonyokat, a vízáramlásokat, a folyók jégképződési lehetőségeit, a széljárást, a földrengési potenciált, a talajviszonyokat, a tervezett forgalom nagyságát, az esztétikát és a költségkorlátokat.
A hidat továbbá úgy kell megtervezni, hogy szerkezetileg szilárd legyen. Ez magában foglalja az elkészült híd egyes elemeire ható erők elemzését. Háromféle terhelés járul hozzá ezekhez az erőkhöz. A holtteher magának a hídnak a súlyára utal. Az élő terhelés a hídra nehezedő forgalom súlyára utal. A környezeti terhelés olyan egyéb külső erőkre utal, mint a szél, az esetleges földrengések és a forgalom esetleges ütközése a hídtartókkal. Az elemzést a holtteher statikus (helyhez kötött) erőire és az élő és környezeti terhek dinamikus (mozgó) erőire végzik.
A hatvanas évek vége óta széles körben elfogadott a redundancia értéke a tervezésben. Ez azt jelenti, hogy egy hidat úgy terveznek, hogy bármelyik tag meghibásodása ne okozza az egész szerkezet azonnali összeomlását. Ezt úgy érik el, hogy más tagok elég erősek ahhoz, hogy kompenzálják a sérült tagot.
A gyártási folyamat
Mivel minden hidat egyedileg, egy adott helyszínre és funkcióra terveznek, az építési folyamat is hídról hídra változik. Az alábbiakban ismertetett folyamat egy viszonylag tipikus, egy sekély folyón átívelő vasbeton híd építésének főbb lépéseit mutatja be, a folyóban elhelyezett közbenső betonoszlop-tartókkal.
A szemléltetés megkönnyítése érdekében a következő leírásban számos hídelem példaméretei szerepelnek. Néhányat a beszállítók brosúráiból vagy ipari szabványos specifikációkból vettünk. Mások egy 1993-ban az új-mexikói Albuquerque-ben, a Rio Grandén átívelő autópályahíd részletei. Az 1245 láb hosszú, 10 sávos híd 88 pilléren nyugszik. A szerkezetben 11 456 köbméter beton, a burkolatban pedig további 8 000 köbméter beton található. Ezenkívül 6,2 millió font betonacélt tartalmaz.
Szerkezet
- 1 A folyómederben minden egyes pillér helye körül kazettás gátat építettek, és a vizet a burkolaton belülről szivattyúzzák. Az alapozás egyik módszere az, hogy a folyómederben aknákat fúrnak az alapkőzetig. Miközben egy fúrócsiga felhozza a földet az aknából, agyagiszapot pumpálnak a lyukba a talaj pótlására és az akna összeomlásának megakadályozására. A megfelelő mélység elérésekor (pl. kb. 80 láb vagy 24,4 m) egy hengeres betonacél ketrecet (betonacél) engednek le az iszappal töltött aknába (pl. 72 hüvelyk vagy 2 m átmérőjű). A betont az akna aljára szivattyúzzák. Ahogy az akna betonnal megtelik, az iszapot az akna tetejéből nyomják ki, ahol összegyűjtik és megtisztítják, hogy újra felhasználható legyen. Az egyes oszlopok föld feletti részét vagy megformázzák és a helyükre öntik, vagy előregyártják, majd a helyükre emelik és az alaphoz rögzítik.
- 2 A híd támaszait a folyóparton készítik el, ahol a híd vége támaszkodni fog. A partfal teteje és a folyómeder között beton hátfalat alakítanak ki és öntenek; ez a hídvégen túli talaj támfala. A hátfal tetején kialakítanak egy párkányt (ülőfelületet), amelyre a hídvég támaszkodik. Szárnyfalakra is szükség lehet, amelyek a hátsó falból kifelé nyúlnak a folyópart mentén, hogy visszatartsák a töltött földet a híd megközelítéséhez.
- 3 Ebben a példában a híd minden támaszponton egy-egy oszloppáron nyugszik. Az alépítményt a híd irányára merőlegesen elhelyezett sapkával (vasbeton gerenda) egészítik ki, amely az egyik oszlop tetejétől a társa tetejéig ér. Más konstrukciókban a híd különböző támaszkonfigurációkon nyugodhat, például egy hídszélességű téglalap alakú pilléren vagy egyetlen, T alakú oszlopon.
Fölépítmény
- 4 A híd teljes hosszában daru segítségével acél vagy feszített beton gerendákat állítanak az egymást követő pillércsoportok közé. A gerendákat a pillérsapkákhoz csavarozzák. Az albuquerque-i autópályahíd esetében minden egyes gerenda 1,8 m magas és akár 40 m hosszú is lehet, súlya pedig eléri az 54 tonnát.
- 5 A gerendák fölé acéllemezeket vagy előregyártott betonlapokat fektetnek, hogy szilárd platformot képezzenek, ezzel befejezve a híd felépítményét. Az egyik gyártó például 4,5 hüvelyk (11,43 cm) mély hullámlemezt kínál nehéz (7 vagy 9 vastagságú) acélból. Egy másik alternatíva egy helyben maradó acél zsalu a később kiöntött betonfedélzethez.
Fedélzet
- 6 A felépítmény platformjának tetejére egy nedvességgátlót helyeznek. Melegen felhordott polimerrel módosított aszfaltot használhatnak például.
- 7 A nedvességzáró réteg tetején egy betonacél rudakból álló rácsot építenek; ezt a rácsot később betonlemezbe burkolják. A rács háromdimenziós, egy betonacél réteggel a födém alján és egy másikkal a tetején.
- 8 A betonburkolatot kiöntik. Egy autópálya esetében 8-12 in (20,32-30,5 cm) vastagságú betonburkolat megfelelő. Ha a felépítmény platformjaként helyben maradó formákat használtak, a betont ezekbe öntik. Ha nem használtak zsalukat, a beton felhordása csúszós betonozó géppel történhet, amely egyetlen folyamatos műveletben teríti, szilárdítja és simítja a betont. Mindkét esetben a friss betonlapon csúszásgátló textúrát helyeznek el kézzel vagy mechanikusan, ecsettel vagy durva anyaggal, például zsákvászonnal történő pontozással. Az útburkolat repedésének megakadályozása érdekében körülbelül 5 méterenként oldalsó hézagokat helyeznek el; ezeket vagy a betonöntés előtt adják hozzá a formákhoz, vagy a csúszóformázott födém megszilárdulása után vágják ki. A fugák tömítésére rugalmas tömítőanyagot használnak.
minőség-ellenőrzés
A híd tervezésének és építésének meg kell felelnie a több ügynökség által kidolgozott szabványoknak, beleértve az American Association of State Highway and Transportation Officials, az American Society for Testing and Materials és az American Concrete Institute szabványait. A különböző anyagokat (pl. betontételek) és szerkezeti elemeket (pl. gerendák és kapcsolatok) az építés előrehaladtával tesztelik. További példaként az albuquerque-i hídprojektnél statikus és dinamikus szilárdsági vizsgálatokat végeztek egy, a helyszínen épített mintaoszlop-alapozáson, valamint két gyártási aknán.
A jövő
Számos kormányzati ügynökség és ipari szövetség szponzorál és végez kutatásokat az anyagok és építési technikák javítása érdekében. Az egyik fő cél a könnyebb, erősebb és tartósabb anyagok kifejlesztése, mint például az újratervezett, nagy teljesítményű beton; a szálerősítésű, polimer kompozit anyagok, amelyek egyes alkatrészeknél a betont helyettesítik; epoxi bevonatok és elektrokémiai védelmi rendszerek az acél betonacél korróziójának megelőzésére; alternatív szintetikus erősítő szálak; és gyorsabb, pontosabb vizsgálati technikák.
Hol lehet többet megtudni
Könyvek
Brown, David J. Bridges. New York: Macmillan, 1993.
Hardesty, E. R., H. W. Fischer, R. W. Christie, and B. Haber. “Bridge”. In McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. New York: McGraw-Hill Book Company, 1987, pp. 49-58.
Troitsky, M.S. Planning and Design of Bridges. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1994.
Más
“Általános információk a betonburkolatról”. Amerikai Betonburkolat Szövetség. http://www.pavement.com/general/conc-info.html (1998. febr. 24.).
“Beam Bridge”. Nova Online “Szuper híd”. 1997. november. http://www.pbs.org/wghb/nova/bridge/meetbeam.html (1998. febr. 24.).
-Loretta Hall