Kábelpályás hidak

Kifejlődés, eredmények és lehetőségek

A kötélpályás szerkezetek a legfiatalabb, leggyorsabban fejlődő és legígéretesebb hídrendszerek.

A kötélpályás hidak a függesztett szerkezetek egyik alkategóriája. A kábeles híd a függőhidakhoz hasonlóan tornyokkal és kábelekkel alátámasztott fedélzeti gerendával rendelkezik, azonban az átlós kábelek a függőleges terheket a fedélzetről közvetlenül a tornyokra vezetik át. Így a kábeles híd fő fedélzeti gerendája úgy működik, mint egy folyamatos, kábeltartókon nyugvó gerenda (amely rugalmasabb, mint a pillértartók), és az egész fedélzeten további nyomóerőt fejt ki. A kábeles híd egyben előfeszített rendszer is, mivel a kábeltámaszok kiegészítőleg megfeszülnek, hogy ellensúlyozzák a fő fedélzeti gerendára ható függőleges terhek jelentős részét.

A svédországi Strömsund hidat, amely 1956-ban készült el 182 méteres főtávval, az első modern kábeles hídnak tekintik. Az elkövetkező 65 évben a kábeles hidak drámai növekedést mutattak mind az új szerkezetek számában, mind a nagy fesztávolságú eredményekben. 1995-ben még csak 3 darab 500 méternél (1640 láb) hosszabb fesztávolságú ferde kábeles híd létezett; 25 évvel később már 67 darab 500 méternél hosszabb fesztávolságú ferde kábeles híd van (köztük három 1000 méternél (3280 láb) hosszabb). Jelenleg további 29 500 métert meghaladó fesztávolságú híd építése van folyamatban.

A kábeles hidak hatékony tartománya a még nagyobb fesztávolságok felé halad. Nincs más hídszerkezeti rendszer, amely ilyen gyors fejlődést mutatna. A legtöbb függőfolyosós híd vizuálisan gyönyörű, és néhány közülük a legimpozánsabb mérnöki teljesítmények közé tartozik.

Eredet és előzmények

A függőfolyosós rendszer ötletét talán a középkori várak felvonóhídjai és a magas hajók kötéllel merevített árbocai ihlették. A legelső dokumentált kép egy kábeles hídról Fausto Veranzio 1615-ben megjelent Machinae Novae című könyvében található.

A modern kábeles hidak elődjei a 19. században jelentek meg a felfüggesztési rendszerek különböző hibrid kombinációi formájában, további átlós egyenes kábelekkel, mint például az egyesült királyságbeli Albert-híd (1873) esetében. E hibrid szerkezetek közül a legismertebb a Brooklyn híd, New York, 1883, 486 méteres főtávval (1594 láb), amelynél John Roebling átlós kábeleket használt a szerkezet merevítésére.

Az 1960-as és 1970-es években a rendszert továbbfejlesztették, hogy a második világháborúban Németországban elpusztult hidak közül sokat pótolhassanak. Ebben az időszakban a rendszert az épületek hosszú, oszlopmentes tereit igénylő tetőszerkezeteknél is alkalmazták. Kezdetben a kábeles szerkezeteket 60-250 méteres (196-820 láb) hídfőknél használták, de ma már sokkal nagyobb távolságokat is lefednek, és az egyetlen olyan rendszer, amely a szuperhosszú fesztávú függőhidakkal vetekszik. Fesztávolságuk 1959-ben a Severin-híddal (Németország) 302 méterre (990 láb), 1974-ben a Saint Nazaire-híddal (Franciaország) 404 méterre (1325 láb), 1995-ben pedig Michel Virlogeux Normandia-hídjával (Franciaország) 856 méterre (2880 láb) nőtt. Ma a Russzkij-szigeti híd (Oroszország) rendelkezik a rendszer leghosszabb fesztávolságával, a 2012-ben elért 1 104 méterrel (3 622 láb) (1. ábra).

Az Egyesült Államokban megemlíthetjük a második Sunshine Skyway Bridge-t 366 méteres (1 200 láb) fesztávolsággal 1987-ben (Florida), a Dames Point Bridge-t 396 méteres (1 300 láb) fesztávolsággal Floridában, és az Arthur Ravenel Bridge-t 471 méteres (1 545 láb) fesztávolsággal 2005-ben (Dél-Karolina).

A rendszer sajátosságai

A kábeles híd fő elemei a tornyok vagy pilonok, a fedélzeti gerenda(k), a kábeltartók, a rögzítések és az alapozás. A torony és a pilon felcserélhető kifejezések; a könnyebb, karcsúbb tornyokat gyakran pilonoknak nevezik. A klasszikus ferde kábeles hidak szimmetrikusak, egy középső, két oldalsó fesztávolsággal és két toronnyal; ilyen a legtöbb 600 méter feletti fesztávolságú ferde kábeles híd. A tartalék kábelek több oldaltartón is áthúzódhatnak.

Az aszimmetrikus ferdekábeles hidaknak egy fő- és egy oldaltartója van, egyetlen toronnyal. A többnyílású ferdekábeles hidaknak két vagy több (általában egyenlő) főnyílásuk van. Több példa látható a 2. ábrán.

A kábeles fagerendás hidaknál néhány alosztályt használnak: kihelyezett, aláfeszített (fedél alatti), bölcső, fordított Fink-feszítő és feszítőelemes. A tornyoknál a kábelek párhuzamos (hárfa), legyező, csillag vagy vegyes elrendezésűek lehetnek. A tornyoknál különböző szerkezeti megoldásokat alkalmaznak: egyszerű pilonok, kétlábú portálok (függőleges, enyhén ferde, szabadon álló vagy portálkeretként összekapcsolt, “A”, “H”, “Y” vagy fordított “Y” alakú ívekkel).

A tornyok lehetnek folytonosak a fedélzet felett és alatt, amelyek a fedélzetet és a kábeleket is megtámasztják, vagy a felső rész csak a kábeleket támaszthatja meg, míg a fedélzeti gerendát közvetlenül a pillérek támasztják meg. Példák a 3. ábrán láthatók.

A kábeles hidaknál használt elsődleges építőanyagok a következők:

• Fedélzethez: vasbeton vagy feszített beton, összetett beton-acél vagy ortotróp acélfedélzet;
• Fedélzet-tartókhoz:
• Tornyokhoz: acél, vasbeton vagy feszített beton, kompozit acél-beton;
• Kábelekhez: nagyszilárdságú acélhuzalok, általában 270-es minőségű (270 ksi, vagy 1860 MPa), 7 drótból készült, ⅜ hüvelykes (9.5 milliméteres) szálakból az ASTM A886 szabvány szerint, más, magasabb minőségű acélhuzalokból, szénszál-erősítésű polimerekből (CFRP) vagy kompozitokból. Előfeszített betont használtak a múltban, de kerülni kell, mivel ez egyes meghibásodásoknál, például a Morandi hídnál nem bizonyult biztonságosnak;
• pilléreknél és alapozásnál: vasbeton cölöpökkel vagy anélkül, a talajtól függően.

Nagy fesztávolságú hidaknál, puha talajon lévő alapozásnál vagy magas szeizmikus területeken lévő hidaknál előnyösebb túlnyomórészt acélszerkezeteket használni az önsúly és a kapcsolódó földrengési erők csökkentése érdekében.

Koncepciótervezés

A hídtervezés legfontosabb része a szerkezet és elemeinek átfogó koncepciója: a híd számára megfelelő szerkezeti rendszer kiválasztása, figyelembe véve a konkrét funkciót, a helyszín elhelyezkedését és a szükséges fesztávolságokat. A jól megválasztott koncepció meghatározza a híd hatékonyságát és gazdaságosságát, megtakarítja az anyagokat, a költségeket és az építési időt. A jó tervezési koncepciók minimalizálják a problémákat és a jövőbeli nehézségeket mind a tervezőirodában, mind az építkezésen.

A korai kábeles pillérhíd tervezésekor a mérnökök viszonylag kevés kábelt használtak. A nagyobb tapasztalatszerzés után és a szerkezettervezési szoftverek bevezetésével a mérnökök nagyobb számú kábelrudat tudtak használni, ami csökkentette a fedélzeti gerenda igénybevételét, és nagyobb hatékonyságot és hosszabb fesztávolságot eredményezett.

A kábeles hídtervezés alapjai a következők: a fedélzet függőleges terheléseit átlós kábelrudak viselik, amelyek ezeket a terheket a tornyokra továbbítják. A tornyoknál a főtartónál a kábelek vízszintes komponensei egyensúlyban vannak az oldalsó/szomszédos fesztávok kábeleinek vízszintes komponenseivel. A tornyok támogatják és továbbítják a függőleges terhelést az alapokra. Hasonlóképpen, a főtartókból származó terhek összesített nyomóirányú vízszintes komponensei egyensúlyban vannak az oldalsó fesztávok nyomóirányú terhelési komponenseivel. Ezért a teljes hídrendszer egyensúlyban van a tornyokban és a fedélzeti rendszerben uralkodó nyomóerőkkel, valamint a kábelkötegekben fellépő húzóerőkkel. A rendszer önegyensúlyban van, feltéve, hogy minden elemet helyesen terveztek meg, hogy a terhek lehető legnagyobb kombinációjából származó maximális igénybevételnek megfeleljen.

A tervezőmérnök számára az a kihívás, hogy a tornyok, a kábelrudak elrendezésének és a fedélzeti rendszereknek a több lehetséges variációjából megfelelő kombinációt válasszon. Mint minden függesztett szerkezet, a kábeles hidak is érzékenyek a deformációkra, és a rendszer deformált állapotát minden terhelési kombináció esetén ellenőrizni kell, beleértve az építés különböző fázisaiban bekövetkező deformációkat is.

A mai szerkezettervezési szoftverek nagyban segítik a mérnököket a kábeles hidak számításában. A rendszer fő paramétereinek kiválasztása után elengedhetetlen a fedélzet-tartó, a kábelek és a tornyok indulási méreteinek és szelvényeinek meghatározása. Egy egyszerű tervezési megközelítés segít ezeknek a méreteknek a megállapításában.

Kezdésként a tervező használhat egy helyettesítő egyszerűen alátámasztott gerendát a főtartók fedélzet-tartójának közelítő hajlítónyomatékainak meghatározásához. A felfelé irányuló kábeltartók előfeszítése ellensúlyozhatja a fedélzetre ható állandó terhekből származó nyomatékok nagy részét. Ez a főelemek felállítása után a kábelek további megfeszítésével érhető el az állandó terhek ellensúlyozására, ami minimális függőleges hajlítást eredményez a fedélzet-gerendán. A kábeleket a lefelé irányuló ideiglenes terhek (élőterhek, szél, hó, hó, jég és földrengés) együttes 50%-ának ellensúlyozására kiegészítően kell megfeszíteni. Ily módon a fedélzetgerenda üzemi hajlítónyomatékai a működés során körülbelül a pozitív (a legrosszabb ideiglenes terhek kombinációjából származó) pozitív nyomatékok 50%-a és az ideiglenes terhekből származó negatív nyomatékok 50%-a között változnak. Ez az “első lépés” határozza meg a főtávtartó fedélzeti gerenda tervezési nyomatékait. A fedélzeti gerendán a kábeltartók vízszintes komponenseiből eredő összenyomódás ezen komponensek kumulatív összege, amely a főtartókra ható összes függőleges terhelés körülbelül 55-65%-a, a fesztávolságtól, a kábelek számától és a toronyban lévő kábelcsatlakozások magasságától függően. A fedélzet-tartóban fellépő összesített nyomóerő (ΣPc) megegyezik a fedélzeten lévő kábelcsatlakozásoknál fellépő összes nyomóerő Pci összegével (4. ábra): a húzó kábelerő Pcable = Pv/sin α,

Pci a fedélzet-gerendában a kábelerő vízszintes komponenséből származó nyomóerő,

Pvi a fedélzet-gerendánál lévő kábelcsatlakozásnál alkalmazott függőleges DL + LL erő plusz a ráadásul alkalmazott húzóerő függőleges komponense,

Li az e csatlakozás és a torony közötti vízszintes távolság, és

Ht ennek a kábelcsatlakozásnak a magassága a toronynál a fedélzet felett.

A kumulatív nyomóerő egyszerűsített kezdeti számítása a következő:

hol:

ΣPc a fedélzet-tartóban fellépő kumulatív nyomóerő, amely a tornyoknál maximális,

ΣPv a főtávtartó fedélzetre ható összes lefelé irányuló függőleges erő összege,

Lmax a főtávtartó hossza,

Ht a kábelcsatlakozások magassága a toronynál a fedélzet felett, amint az a 4. ábrán látható legyező vagy hárfa kábelkonfiguráció esetén, és

Lgr a kábelcsoport teljes hossza hárfa konfiguráció esetén.

A toronynál (a főtartónál) az összes kábel vízszintes erőinek összege megegyezik a főtartónál a fedélzeti gerendában lévő összesített nyomóerővel, amelyet az ellenkező oldalon azonos erő ellensúlyoz.

Ezek a számítások lehetővé teszik a tervező számára, hogy meghatározza a kábelek, a fedélzeti gerenda és a torony kezdeti tervezési méreteit, amelyeket a számítógépes modellben a rendszer további beállításaihoz és finomításaihoz használhat. A fedélzeti gerendát a kábel-rudazat rendszerből eredő nyomásra és hajlításra, valamint a hídpálya tipikus kialakításának függőleges holt- és élőterhelésére kell megtervezni. A fent leírt kezdeti megközelítés segít a kívánt végső cél gyorsabb elérésében.

Hatékonyság és gazdaságosság

A kábeles pilléres hidak hatékonyak a költségek, az anyagok és az építési idő szempontjából. Jobb hatékonysággal rendelkeznek, mint más hídrendszerek, amelyeknek egyetlen versenytársa a függesztett rendszerek, miközben egyszerűbb építési módszereket tesznek lehetővé. A kábeles hidak további előnye, hogy nagyobb a hatékony fesztávolságuk a 100 méteres fesztávolságtól (328 láb) az 1000 métert meghaladó fesztávolságig (3280 láb).

A rendszer lehetőségeinek sokasága számos tervezési lehetőséget biztosít a mérnököknek és építészeknek. A “közepes hosszúságú” szerkezetek több kreativitást, eredetiséget és lehetőséget biztosítanak az innovatív munkához. Egy kábeles hídnak nem kell extravagánsnak lennie. A legegyszerűbb, “őszinte” szerkezetű híd gyakran a legjobb, és általában elegáns és vonzó.

A kábeles hidak az elegancia, a karcsúság és a robusztusság érzetének kombinációjával rendelkeznek. A nemzeti infrastruktúra több híd iránti igénye megköveteli a hatékonyság és a gazdaságosság elsőbbségét.

A mérnöki művészet kreativitást és fantáziát igényel, de a mérnököknek kerülniük kell az ismétlődő és logikátlan formákat. A kreativitás elengedhetetlen, de a “túlzott eredetiség” csak indokolt kivételekben fordulhat elő (pl, Christian Menn és Michel Virlogeux).

Előnyök és hátrányok

A rendszer fő előnyei a következők:

• Gyors és viszonylag egyszerű építés, kevesebb időt igényel a kivitelezés
• Kisebb költség
• Sokféle tervezési lehetőség
• Nagy hatékony fesztávolság
• Elhúzható és rugalmas szerkezetek
• A vonzó megjelenés

A főbb rendszerhátrányok a következők:

• A szuperhosszú fesztávolságú hidaknál még mindig gyengébbek a függőhidaknál
• Minden körülmények között szükséges a deformációk ellenőrzése
• Szükséges a tervezési és építési tapasztalat

Továbbfejlesztés

A többi hídrendszerhez hasonlóan a kábeles hidakat is folyamatosan fejlesztik a nagy szilárdságú anyagok és az új építési technológiák fejlesztése alapján. A mérnökök számára értékesebbek a bevált szerkezeti rendszerek és az újabb alrendszerek módosításai. A nagyobb fesztávolságú (600 méter vagy kb. 2000 láb feletti) kábeles ferde hidak számának növekedése mellett a rendszert egyre gyakrabban alkalmazzák gyalogos hidakra is. Az alacsonyabb terhelések és a rövidebb fesztávolságok lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy új megközelítéseket vizsgáljanak, így e hidak építése az innováció kísérleti laboratóriumává válik. Mint ilyenek, figyelembe vehetjük az extradosed, under-spanning és inverted Fink truss sub-bridge rendszereket, amelyek mind a jobb hatékonyság felé orientálódnak.

A továbbfejlesztés egyik területe a kábeles és függőhídrendszerek kombinációinak/hibridjeinek keresése a szuperhosszú fesztávolságok elérése érdekében. Az elképzelés a függesztett fesztáv hosszának csökkentése a függesztési támaszpontok befelé történő áthelyezésével a fesztáv mentén. Ez nemcsak a függesztett fesztáv hosszát, hanem a szükséges toronymagasságot is csökkenti, miközben hosszabb szabad fesztávot tesz lehetővé. Ezt a hídtornyoknál a “kábeltámaszos konzolos alternatívákkal” érik el, “fedélzeti” kábeltámaszos pillérek hozzáadásával (5. ábra). A 3000 méteres teljes szabad fesztávolság mindkét oldalán alkalmazott 500 méteres (1640 láb) konzolos és kábeles “fedélzeti” pillérekkel a felfüggesztési rész 2000 méterre (6561 láb) csökken. Ez a csökkentés lehetővé tenné az olyan méretű és típusú fő függesztőkábelek használatát, mint amilyeneket már olyan hidaknál használnak, mint az Akashi-Kaikyo 1991 méteres (6532 láb), egy sokkal hosszabb főfesztávolság esetén.

Következtetések

A jelenlegi műszaki fejlődés és a gyors fejlődés alapján a kábeles hidak rövid időn belül elérhetik a 2400-2600 méteres fesztávolságot; az ilyen kialakításhoz körülbelül 500-570 méter magas tornyokra lesz szükség, ami a már elkészült felhőkarcoló szerkezeteket figyelembe véve megvalósítható. Ez a kábeles hidak hatékonysági tartományát 2000 méter feletti, nagyon nagy fesztávolságú hidakra fogja kiterjeszteni. Egy hibrid kábeles- és függőhidas rendszer még hosszabb, akár 3.000-3.400 méteres (9.842-11.000 láb) fesztávokat tenne lehetővé, amelybe egy “csak” 2.200-2.400 méteres (7.218-7.874 láb) “tiszta” függőhíd lenne beépítve.

A kábeles szerkezetek hatékonyságára és előnyeire alapozva az amerikai mérnököknek és közlekedési ügynökségeknek több kábeles hidat kellene figyelembe venniük az új projektek tervezésekor. A kábeles hidak nagyobb mértékű alkalmazása korszerűsítheti az infrastruktúrát ezekkel a hatékony, gyorsabban megépíthető és elegáns szerkezetekkel. A kábeles hidak népszerűbbé tétele segíthet abban is, hogy a hídmérnöki szakmánk visszanyerje vezető pozícióját a nagy fesztávolságú hidak tervezése és építése terén.■