Hídtágulási Hézagok

Fogalommeghatározás és Cél

A hídtágulási hézag egy mechanikus szerkezet, amelyet a szomszédos híd pályalemez-szakaszok között, vagy a pályalemez és a hídfő között szándékosan hagyott résbe építenek be. Célja, hogy a felszerkezet szabadon tágulhasson és összehúzódhasson a hőmérséklet-ingadozások, a beton kúszása és zsugorodása, a hasznos teher okozta lehajlások és a szeizmikus elmozdulások hatására, miközben tömíti a rést víz, jégmentesítő vegyszerek és törmelék ellen. A hézagnak simán kell átvinnie a kerékterheket a rés felett, anélkül hogy elfogadhatatlan ütőerőket, zajt vagy utazási kényelmetlenséget okozna.

A tágulási hézag által befogadott elsődleges mozgás a hőtágulás és -összehúzódás. A hídanyagok tágulnak, amikor a hőmérséklet emelkedik, és összehúzódnak, amikor a hőmérséklet csökken. Az acél hőtágulási együtthatója körülbelül 6,5 × 10⁻⁶ per Fahrenheit-fok, míg a normál súlyú betoné körülbelül 6,0 × 10⁻⁶ per Fahrenheit-fok. Az AASHTO LRFD Hídtervezési Előírások 3.12 szakasza szerint a tervezési hőmérséklet-tartományok mérsékelt éghajlaton körülbelül 80°F-tól hideg éghajlaton 150°F-ig terjednek acél felszerkezetek esetén. Egy 200 láb hosszú acélgerenda-nyílás esetén hideg éghajlaton a hőmozgás önmagában meghaladhatja a 2 hüvelyket a nyári és téli szélsőségek között.

Másodlagos mozgások közé tartozik a beton kúszása és zsugorodása előfeszített beton gerendákban. A hosszú távú kúszás és zsugorodás jellemzően 0,0003–0,0006 hüvelyket ad hozzá a teherhordó nyíláshossz hüvelykenként az élettartam során. Egy 200 láb hosszú előfeszített gerenda esetén ez körülbelül 0,72–1,44 hüvelyk mozgást jelent a hézagnál, amely az építést követően több év alatt halmozódik fel. A hasznos teher okozta gerendavég-elfordulás hosszirányú elmozdulást eredményez a csapágynál, ami jellemzően 0,1–0,3 hüvelyknyi többletet jelent közúti terheléseknél a csapágy eltolási geometriájától függően. A szeizmikus elmozdulást is figyelembe kell venni aktív zónákban.

A hézag vízzáróságát vagy egy integrált elasztomer tömítés (tömítőbetét, szalagzáró tömítés, moduláris tömítés), egy öntött tömítőanyag (szilikon vagy polimer), vagy egy vízelvezető vályú biztosítja, amely összegyűjti és elvezeti a vizet (ujjlemezes hézagok). Azokat a hézagokat, amelyek vízelvezető vályúra támaszkodnak integrált tömítés helyett, nyitott hézagoknak nevezzük, és a vízzáróságot a hézag nyílása alatti gyűjtő- és elvezetőrendszer biztosítja. A zárt hézagok olyan tömítést tartalmaznak, amely közvetlenül akadályozza meg a víz áthaladását.

A Florida Közlekedési Minisztérium (FDOT) Híd Karbantartási Kézikönyve szerint a hibás híd pályalemez hézagok hozzájárulnak a híd minden fő alkatrészének — pályalemez, felszerkezet és alépítmény — romlásához azáltal, hogy korrozív olvasztósókat, vizet és törmeléket engednek át a résen. A pályalemez végek, gerendavégek, hídfőülések, pillérfejek és csapágyak mind veszélyeztetettek. A hídhézagok jó állapotban tartásának fontosságát nem lehet eléggé hangsúlyozni.

Hézag Kiválasztása Mozgástartomány és Ferdeség Alapján

A megfelelő tágulási hézagrendszer kiválasztása egyetlen kritikus paraméterrel kezdődik: a teljes számított mozgástartománnyal. A teljes mozgás a hőmozgás, a kúszás és zsugorodás, a hasznos teher okozta elfordulás, adott esetben a szeizmikus elmozdulás és egy biztonsági tényező (állami DOT gyakorlat szerint általában 1,25) összege. A hézagot ezután a névleges mozgáskapacitása alapján határozzák meg, amelynek meg kell haladnia vagy egyenlőnek kell lennie ezzel a teljes értékkel.

Az öt rendszercsalád meghatározott mozgástartományokhoz kapcsolódik:

A hőmozgás alapképlete ΔT = α × L × (Tmax − Tmin), ahol α a hőtágulási együttható, L a hézaghoz tartozó teherhordó nyíláshossz, és (Tmax − Tmin) a tervezési hőmérséklet-tartomány. Egy 200 láb hosszú előfeszített beton gerenda esetén mérsékelt éghajlaton, 100°F hőmérséklet-tartománnyal, a hőkomponens 1,44 hüvelyk. Hozzáadva 0,96 hüvelyket a kúszáshoz és zsugorodáshoz, valamint 0,20 hüvelyket a hasznos teher okozta elforduláshoz, a részösszeg 2,60 hüvelyk. Az 1,25-ös biztonsági tényező 0,65 hüvelyket ad hozzá, így a teljes tervezési mozgás körülbelül 3,25 hüvelyk — a szalagzáró kapacitás felső határán. A tervező egy 4 hüvelykes szalagzárót választana, vagy egy egyszerű moduláris rendszerre váltana.

A ferdeségi szög jelentősen befolyásolja a hézag kiválasztását és méretezését. Ferde hidakon a hézag a hézagvonalal párhuzamos ferde elmozdulást is tapasztal a nyitáson és záráson kívül. A WisDOT Híd Kézikönyv előírja, hogy 30 fokos ferdeség felett a tényleges ferde elmozdulást a tömítés névleges kapacitásának 60 százalékára kell korlátozni. 45 fokos ferdeség felett a határ 50 százalékra csökken. A szalagzárókat túlméretezni kell a ferde elmozdulás kompenzálására nagy ferdeségeknél, és egyes gyártók 5 hüvelykes tömítéseket kínálnak olyan beépítésekhez, amelyek 4 hüvelyk mozgást igényelnek nagy ferdeségű szerkezeteken.

A híd lejtése szintén befolyásolja a hézag kiválasztását. A meredek lejtésű hidak hézagai eltérő mozgást tapasztalnak a magas és az alacsony oldalon, és fokozott vízelvezetési megoldásokat igényelhetnek. Az aszfalt-töltésű hézagok körülbelül 140°F felett meglágyulnak, és meredek lejtőkön a nehéz, lassan haladó teherautók terhelése alatt megvetemedhetnek, korlátozva ezzel alkalmazásukat meredek felhajtókon. A szalagzáró hézagok akár 5 százalékos lejtést is kezelni tudnak megfelelő tömítésméretezéssel.

A forgalom nagysága és sebessége befolyásolja a választást a szintben lévő hézagok (APJ, tömítőbetét) és a szabad acélsínekkel rendelkező hézagok (szalagzáró, moduláris) között. A nagy sebességű autópályák sima átmeneteket igényelnek botlásveszély nélkül. Az ujjlemezes hézagok kiváló utazási kényelmet biztosítanak nagy sebességnél, mert a kerék soha nem halad át nyitott résen — átmenetileg egymást fedő acélon halad. A moduláris hézagok, bár vízzáróak, több zajt és vibrációt okoznak nagy sebességnél az ujjlemezekhez képest, ezért az ujjlemezek továbbra is előnyben részesített választások maradnak a nagy sebességű forgalmat szállító hosszú acélhidakon.

Hézag Típusok Részletesen

Szalagzáró Tágulási Hézagok

A szalagzáró hézag a tipikus rövid–közepes nyílású hidak munkagépe. Két acél élvezetőből áll — jellemzően extrudált vagy öntött acél —, amelyeket beton pályalemez fejgerendákba horgonyoznak, közöttük egy folyamatos elasztomer tömítéssel (EPDM vagy neoprén), amely mechanikusan van rögzítve közöttük. A tömítés V-alakban hajlik, ahogy a hézag nyílik, és laposra záródik, ahogy a hézag záródik. A tömítés a kopó alkatrész; a vezetők a szerkezeti elemek, amelyek a kerékterheket a pályalemezre továbbítják.

A szalagzáró hézagok az 1–4 hüvelykes mozgástartományban dominálnak, mert egyszerűek, gyorsan beépíthetők, és a tömítés cserélhető anélkül, hogy az acél vezetőket el kellene távolítani vagy megzavarni. A tömítéscsere egy tipikus sávon egy műszakos éjszakai lezárást igényel. Maguk a vezetők jellemzően 20–30 évig maradnak üzemben. A WisDOT szabványok szerint az új építésű szalagzáró minimális mérete 4 hüvelyk, és a minimális keresztirányú útpálya-nyílás az extrudálások között 1,5 hüvelyk kell legyen a tömítés beépítésének megkönnyítése érdekében.

A tömítés teljesítménye a megfelelő beépítéstől függ. A WisDOT Híd Kézikönyv szerint az üzemben lévő szalagzáró hézagok teljesítményértékelései azt mutatják, hogy a tömítések nem mindig kerülnek megfelelően beépítésre. Gyakori hibák közé tartozik a neoprén fül mindkét fülének elmulasztása az acél extrudálásba történő behelyezésekor, és a tömítés fejjel lefelé történő beépítése. A gyártóknak a szállítás előtt fel kell tüntetniük a “Topside” (Felül) jelölést a neoprén tömítéseken. A beépítés során alkalmazott kenőanyag-ragasztó kezdetben kenőanyagként hat, majd megkötve ragasztóréteget képez az érintkező felületek között.

A szalagzáró hézagokat fel kell ívelni a szegély- és mellvéd szakaszokba, a keletkező mélyedéseket fedőlemezekkel lefedve. A középső sávok és járdaszakaszok szintén fedőlemezeket igényelnek. A Wisconsin DOT szabvány részletei előírják, hogy 45 fokos ferdeség feletti szalagzáró beépítéseknél a tömítést túl kell méretezni a ferde elmozdulás kompenzálására.

Moduláris Hídtágulási Hézagok (MBEJ)

A moduláris tágulási hézag lényegében egy felskálázott szalagzáró. Több párhuzamos közbenső gerenda helyezkedik el a két élvezető között, mindegyiket egy elasztomer tömítés választja el a következőtől. Minden egyes rés a teljes mozgás egy részét fogadja be, megszorozva a cellák számával. Egy 4 cellás MBEJ 4 hüvelykes cellánkénti kapacitással 16 hüvelyk teljes mozgást biztosít.

A közbenső gerendákat keresztirányú tartóvasak hordozzák, amelyek az alépítménybe horgonyzott csapágyházakon keresztül csúsznak. Két tervezési filozófia dominál: az egyszeres tartóvas (SSB) rendszerek gerendánként egy rudat használnak, amely egyetlen csapágyon csúszik oldalanként, egyszerűbb kinematikát és kevesebb kopófelületet biztosítva. A többszörös tartóvas (MSB) rendszerek minden gerendának saját dedikált tartóvasat biztosítanak rugókkal és egyenlő távolságot biztosító eszközökkel, nagyobb redundanciát kínálva fárasztó terhelés alatt. Mindkét kialakítást használják jelentős DOT-ok; a választás a fárasztási kategória követelményeitől és az ügynökség preferenciájától függ.

Az MBEJ-ek a legdrágább hézagcsalád lineáris lábanként és a legzavaróbbak a cserét illetően. A csere megköveteli a pályalemez kiöntési részének elbontását, a tartóvas csapágy szerelvény eltávolítását és a fejgerenda beton újraöntését az új egység körül. A többhetes szakaszos építés forgalomtereléssel a megszokott. A proaktív karbantartás — tömítéscsere és csapágyvizsgálat — elengedhetetlen a teljes csere esemény késleltetéséhez.

A moduláris hézagokra az AASHTO LRFD 6. szakaszának fárasztási kategóriái vonatkoznak a hegesztett közbenső gerenda-tartóvas kapcsolatra. A hasznos teher besorolása az AASHTO HL-93 tervezési járműkövetelményei, valamint a projektspecifikus engedélyezési terhek szerint történik. A moduláris geometria jelentős ferdeséget tolerál megfelelő sarokrészletezéssel.

Ujjlemezes Hézagok

Az ujjlemezes hézagok két egymásba kapcsolódó acél konzolos ujjkészletet használnak, amelyeket a pályalemez fejgerendába horgonyoznak. Az ujjak kis hézaggal fedik egymást, és elcsúsznak egymás mellett, ahogy a hézag mozog. A kerékterhek közvetlenül az acélfelületen haladnak, és a vízzáróságot külön kezeli egy elasztomer vízelvezető vályú, amely az ujjak alatt van felfüggesztve.

Két ujjlemez típus létezik: a konzolos ujjak, amelyek csak a horgonyzott gyökérnél vannak megtámasztva (általános akár 4 hüvelyk mozgásig), és a támasztott vagy csúszó ujjak, ahol a hegyek egy tartópolcon ülnek összenyomódáskor, kiküszöbölve a konzolos hajlítást (4–12+ hüvelyk mozgáshoz használják erősen terhelt pályalemezeken). Az ujj hossza és foggeometriája a nyíláshosszhoz és a forgalmi követelményekhez igazodik. Egyes ügynökségek maximum ¾ hüvelykes ujjrést írnak elő a forgalmi iránnyal párhuzamosan a motoros és kerékpáros kompatibilitás érdekében.

Az ujjlemezek utazási kényelmi előnye jelentős. A kerék soha nem halad át nyitott résen — átmenetileg egymást fedő acélon halad. Ez teszi az ujjlemezeket előnyben részesített hézagtípussá a hosszú acélgerendás hidakon, ahol az utazási kényelem és a zajcsökkentés elsődleges követelmény. A WisDOT Híd Kézikönyv szerint az ujj- és csúszólemez részleteket jelenleg csak a hézag karbantartásához és felújításához tartják fenn; új szerkezetekhez vízzáró tágulási eszközök, például szalagzáró és moduláris típusok ajánlottak.

Az ujjak alatti vízelvezető vályú a tényleges vízszigetelő elem és a leggyakoribb meghibásodási pont. A vályúk eltömődnek olvasztósó-üledékkel, útpálya-maradékokkal és szeméttel. A tisztító hozzáférés oldalsó paneleken keresztül és a lejtős-elvezetéses részletezés kritikus tervezési jellemzők. Egy eltömődött vályú a lefolyást közvetlenül a csapágyakba irányítja, meghiúsítva az egész rendszert.

Tömítőbetétes Hézagok

A tömítőbetét egy előformázott polikloroprén (neoprén) extrudátum, amelyet olyan hézagrésbe préselnek, amely tartósan keskenyebb, mint a tömítés megkötetlen szélessége. A tömítés vízzáró marad azáltal, hogy a teljes hőciklus során nyomás alatt marad. Két típus létezik: a nyitott cellás tömítések belső hálózattal, amely lehetővé teszi az összenyomódást, miközben stabil kapcsolatot tart fenn a pályalemez végével, és a zárt cellás hab tömítések, amelyek alacsony sűrűségű etilén-vinil-acetát polietilénből készülnek, kétkomponensű epoxi ragasztóval kötve.

A nyitott cellás tömítőbetétek akár 2,5 hüvelyk mozgást tesznek lehetővé. Mivel teljes mértékben a nyomásra támaszkodnak a vízzáróság érdekében, a méretezés kritikus — a tömítésnek elég nagynak kell lennie a leghidegebb hőmérsékleten szükséges hézag nyíláshoz. A zárt cellás hab tömítések körülbelül 60 százalékos összenyomás és 30 százalékos feszítés tartományában működnek, egyes termékekkel akár 4 hüvelyk mozgást is lehetővé téve. Az epoxi ragasztás azt jelenti, hogy a zárt cellás hab tömítések nem kizárólag a nyomásra támaszkodnak a vízzáróság érdekében.

Az AASHTO M 297 szerint a tömítőbetét anyagainak hídalkalmazásokhoz meg kell felelniük bizonyos fizikai tulajdonságokra vonatkozó követelményeknek. A WisDOT Híd Kézikönyv megjegyzi, hogy a tömítőbetétek már nem ajánlottak tágulási hézagokhoz az idővel történő szivárgási hajlamuk miatt; csak hosszirányú építési hézagokhoz vagy felújítási projektekhez használják, ahol a meglévő tömítés kihúzódott.

A beépítés megköveteli a hézagfelületek alapos tisztítását, kenőanyag-ragasztó felvitelét a tömítés oldalaira és a hézagfelületekre, megfelelő beépítő szerszámokat (kézi vagy gépi eszközök, amelyek összenyomják és kilökik a tömítést — csavarhúzók és feszítővasak nem megengedettek), és a nyújtás maximum 5 százalékra korlátozását. A tömítést a burkolatfelület alatt kell beépíteni, legalább ¼ hüvelykes mélyedéssel.

Aszfalt-töltésű Hézagok (APJ)

Az aszfalt-töltésű hézag egy rugalmas, helyszínen kialakított hézag, amelyet úgy készítenek, hogy egy kiöntési részt vágnak a pályalemezbe (jellemzően 45–60 cm széles és 5–7,5 cm mély), a pályalemez rést egy acéllemezzel áthidalják, és a kiöntési részt polimerrel módosított aszfalt kötőanyaggal töltik ki, egységes méretű adalékanyaggal. Az eredmény egy szintben lévő, burkolatszerű felület, amely mindkét pályalemez fejgerendához kötődik.

Az APJ-k körülbelül 1,5 hüvelyk teljes mozgást kezelnek, és leginkább 60 láb alatti, egyetlen rögzített csapággyal rendelkező hidakhoz alkalmasak. A kötőanyag körülbelül 140°F felett meglágyul, így a nehéz, lassan haladó teherautók terhelése alatti vetemedés a domináns meghibásodási mód. Az élettartam 7–12 év között van — rövidebb, mint az acél alapú rendszereké, de ellensúlyozza a gyors beépíthetőség.

Az APJ felújításként ragyog. Egy meghibásodott szalagzáró vagy tömítőbetét egy rövid hídon kivágható, a kiöntési rész megtisztítható, és egy új APJ beépíthető egyetlen éjszakai vagy hétvégi lezárás alatt. Nincs szükség új fejgerendákra, horgonyfúrásra, beton kötésére várni. A minimális forgalmi hatás gyakran indokolja a rövidebb életciklust a sok kis hidat kezelő karbantartási programok számára.

A meghibásodási módok közé tartozik a vetemedés nehéz teherautó terhelés alatt meleg időben, hosszirányú repedés az áthidaló lemez szélénél, leválás a pályalemez fejgerendáról a kiöntési rész szélénél, és az adalékanyag kiválása ismételt kerékütés hatására.

Csúszólemezes Hézagok

A csúszó acéllemez hézagok fél-nyitott hézagok, ahol egy acéllemez csúszik a rés fölé, ahogy a hézag nyílik és záródik. Víz és könnyű törmelék áthaladhat a hézagon. A hézagba helyezett tömítőanyag megakadályozza a víz áthaladását és megakadályozza a törmelék felhalmozódását, amely blokkolhatná a mozgást. A modern gyakorlat a szalagzáró hézagokat részesíti előnyben a csúszólemezes hézagokkal szemben új építésnél, de a csúszólemez részleteket megtartják a meglévő beépítések felújításához.

Hézag és Pályalemez Vízszigetelés Integráció

A tágulási hézagok a híd vízszigetelő rendszerének legsebezhetőbb pontjai. Magának a hézagnak vízzárónak kell lennie, de a vízzáróság függ a hézag és a pályalemez vízszigetelő membrán közötti kapcsolat integritásától is. Ha a membrán a hézag előtt véget ér, a kopóréteg felől bejutó víz megkerüli a hézag tömítését, és lefolyik a fejgerenda felületén.

Az integráció a fejgerendával vagy orr-résszel kezdődik — az a pályalemezhez és a felhajtólaphoz kötött anyag, amely függőleges felületet biztosít a hézag rögzítéséhez és ellenáll a kerékterheknek. A fejgerendák jellemzően hidraulikus cementbetonból vagy elasztomer betonból (polimer beton) készülnek. Az elasztomer beton fejgerendák kiváló tartósságot, gyorsabb kötési időt és jobb kötést biztosítanak a tömítőanyagokhoz. Az FDOT Híd Karbantartási Kézikönyv szerint a polimer beton fejgerendák ajánlottak szalagzáró és moduláris hézag beépítésekhez, mert sűrű, alacsony áteresztőképességű alapanyagot biztosítanak, amely ellenáll a klorid behatolásnak és a kipattogzásnak.

A vízszigetelő membránnak el kell érnie a hézag fejgerendájához, és a csatlakozásnál átlapolva vagy lezárva kell lennie. A meglévő vízszigetelő rendszer fölé helyezett aszfalt-töltésű hézagok esetén a membránnak épnek kell lennie a kiöntési rész vágott széleinél. Bármilyen membránkárosodás a kiöntési rész kerületénél utat nyit a kloridokkal terhelt víz számára a pályalemezhez.

Ujjlemezes hézagok esetén a vízelvezető vályú a kritikus vízszigetelő elem. A vályúkat a tervezési vihar esemény kezelésére kell méretezni, lejtéssel kell ellátni a vízelvezetési pontokhoz (jellemzően hídfőüléseknél vagy lefolyókön keresztül), és tisztító hozzáférési panelekkel kell ellátni. Egy eltömődött vályú funkcionálisan egy nyitott hézagnak felel meg.

Moduláris hézagok esetén a tömítőrendszer biztosítja az elsődleges tömítést, de a redundanciát a tartóvas csapágyházak adják, amelyek gyakran úgy vannak kialakítva, hogy összegyűjtsék és elvezessék az elsődleges tömítésen átszivárgó vizet. A csapágyházakat évente ellenőrizni kell szivárgás jelei szempontjából.

Az AASHTO LRFD Hídtervezési Előírások megkövetelik, hogy a hézag részleteit úgy tervezzék, hogy megakadályozzák a víz eljutását az alépítményhez. Ez magában foglalja a csöpögő élek kialakítását a hézag alján, megfelelő túlnyúlás biztosítását és a pozitív vízelvezetés garantálását a hézag területétől elfelé.

Hézag Beépítési Minőség

A beépítés minősége közvetlenül meghatározza a hézag élettartamát. A rosszul beépített hézagok idő előtt meghibásodnak, függetlenül az alkatrészek minőségétől. A hézag beépítése több kritikus lépést foglal magában, mindegyik sajátos minőség-ellenőrzési követelményekkel.

Fejgerenda előkészítés a hézag teljesítményének alapja. A beton vagy elasztomer beton fejgerendának tiszta, ép, függőleges felületekkel kell rendelkeznie. Bármilyen kipattogzást, méhsejtszerkezetet vagy a fejgerenda felületén kilátszó betonacélt meg kell javítani a hézag beépítése előtt. Szalagzáró és moduláris hézagok esetén a fejgerenda méreteinek meg kell egyeznie a gyártó előírásaival a vezető rögzítéséhez. A fejgerendát a megadott szilárdságra kell kötni hagyni a hézag terhelése előtt.

Előre beállított nyílás az egyik legkritikusabb beépítési paraméter. Egy hézag, amelyet egy meleg napon túl szélesre állítanak be, egy hideg téli reggelen a névleges tartományán túli összenyomódásba kerül. A gyártó egy előre beállított táblázatot biztosít, amely meghatározza a beépítési rést a beépítéskori környezeti hőmérséklet függvényében. A WisDOT Híd Kézikönyv specifikus hézag nyitási méreteket biztosít 45°F átlaghőmérsékleten a wisconsini beépítésekhez, utasításokkal a hőmérsékleti táblázatok tervrajzokon való feltüntetésére 230 lábat meghaladó tágulási hosszok esetén.

Rögzítés beépítése az acél vezetők és páncéllemezek esetén a gyártó előírásai szerint kell történjen. A hegesztett nyírási csapoknak salakmentesnek és megfelelő hosszúságúnak kell lenniük. A görbült vagy hajlított nyírási csapokat (ami gyakori, ahol betonacél zsúfoltság van) a szerződéses dokumentumok szerint ki kell cserélni. Az FDOT kézikönyv megjegyzi, hogy az alsó nyírási csapok és a diafragmák K-rúdjai közötti ütközések ismétlődő probléma, amely gondos részletezést igényel a megoldáshoz.

Neoprén tömítés beépítése szalagzáró és moduláris hézagok esetén megfelelő kenést, a tömítés mindkét fülének megfelelő elhelyezését az extrudálási csatornákban, és annak megerősítését igényli, hogy a tömítés nincs fejjel lefelé beépítve. A tömítés 5 százaléknál nagyobb mértékű nyújtása nem megengedett. A tömítést egy folyamatos hosszban kell beépíteni bármely adott hézag alkalmazáshoz.

Tömítőanyag elhelyezése öntött hézagok esetén egy háttöltő rudat igényel, hogy a tömítőanyag ne essen át a résen. A tömítőanyag nem ragadhat a háttöltő rúdhoz. A tömítőanyag profiljának a közepén vékonyabbnak kell lennie, mint a pályalemez végeinél — ez a homokóra alak biztosítja, hogy ahogy a hézag nyílik, a tömítés a legvékonyabb keresztmetszeténél, a közepén nyúljon, nem pedig a végeinél, ahol leválhat a fejgerendáról.

Kötési idő a forgalmi terhelés előtt a gyártó által meghatározott tömítőanyagokhoz és a beton előírásai szerint a fejgerendákhoz. A hézag forgalom előtti megnyitása megfelelő kötés előtt a fejgerenda idő előtti kipattogzásának és a tömítés leválásának gyakori oka.

Hézag Károsodás

A hídtágulási hézagok a szerkezet egyik leginkább igénybe vett és kitett alkatrészei. Közvetlen kerékütésnek, hőciklusoknak, ultraibolya sugárzásnak, jégmentesítő vegyszerhatásoknak és törmelékfelhalmozódásnak vannak kitéve. Az alábbi károsodási módokat az FDOT Híd Karbantartási Kézikönyv és az FHWA Híd Megőrzési Útmutató dokumentálja.

Szivárgás a legjelentősebb hézagkárosodás. A szivárgás lehetővé teszi, hogy víz és kloridok jussanak a csapágyakhoz, gerendavégekhez, végdiafragmákhoz és hídfőülésekhez. Az FDOT kézikönyv példákat mutat be, ahol a szivárgás súlyos károsodást okozott acél gerendavégekben, beton végdiafragmákban és csapágyakban. A szivárgás történhet magán a tömítésen keresztül (tömítésszakadás, tömítőbetét relaxációja, tömítőanyag leválása), a tömítés-vezető kapcsolaton keresztül (nem megfelelő tömítés ülés) vagy a fejgerenda-pályalemez kapcsolaton keresztül (fejgerenda kipattogzás vagy zsugorodási repedés).

A hézag melletti útpályafelület állapota kritikus. A felhajtólap és a híd pályalemez közötti eltérő süllyedés egy bukkanót hoz létre a hézagnál, amely ütésszerű terhelést indukál. A háttöltés felhajtólap süllyedése olyan ütőerőket hajt, amelyek törik a fejgerenda betont, elmozdítják a páncélozást és károsítják a tömítéseket. Ez a károsodás egy visszacsatolási hurkot hoz létre — a bukkanó súlyosbítja a hézagkárosodást, ami súlyosbítja a bukkanót.

Tömítés állapotát értékelni kell neoprén tömítések, tömítőbetétek és öntött tömítőanyagok esetén. A neoprén tömítések ózon repedés, törmelék okozta kopás, hőöregedés és vegyszerhatás miatt hibásodnak meg. A tömítőbetétek relaxáció (nyomóerő elvesztése), extrudálás vagy ragasztó kötés meghibásodása miatt hibásodnak meg. Az öntött tömítőanyagok leválás, kohezív hasadás vagy megkeményedés miatt hibásodnak meg. Az FHWA Híd Megőrzési Útmutató a tömítés cseréjét ajánlja az áthatoló repedés első jelénél.

Törmelék felhalmozódása a hézag résben a hézag beszorulásának és szerkezeti károsodásának elsődleges oka. Az összenyomhatatlan anyagok (kavics, tört beton, gumiabroncs darabok, hóeke kaparék) a hézagba tömörödve megakadályozzák a normál záródást. Amikor a pályalemez hideg hőmérsékleten próbál záródni, a csapdába esett törmelék nyomás alá helyezi a pályalemez, potenciálisan károsítva a fejgerendát, kipattogtatva a betont a hézag szélénél, vagy kihajlítva az acél páncélozást.

Fejgerenda anyag romlása magában foglalja a kipattogzást a hézag szélénél ütésszerű terhelésből, repedést zsugorodásból vagy hőciklusokból, és szétesést fagyás-olvadás hatására olvasztósókkal kombinálva. Amint a fejgerenda kezd leépülni, a hézag rögzítése veszélybe kerül, és az egész hézagrendszer instabillá válik.

Acél páncélozás és vezető állapotát ellenőrizni kell korrózió, keresztmetszet-veszteség, hegesztési repedés, rögzítés meglazulása és fárasztási repedés szempontjából a hegesztett kapcsolatoknál. Moduláris hézagok esetén a tartóvasak és csapágyházak különös figyelmet igényelnek. A tartóvas korrózió és a csapágy kopás csökkenti a közbenső gerendák közötti egyenlő távolságot, egyenetlen mozgáseloszlást és potenciális beszorulást okozva.

Ütésszerű károsodás hóeke lapátoktól, nehéz berendezésektől vagy leesett terhektől törheti a fejgerenda betont, hajlíthatja a páncélvezetőket, nyírhatja le a rögzítő csapokat és szakíthatja a tömítéseket. Az ütésszerű károsodás jellemzően lokalizált, de azonnali javítást igényel a továbbterjedés megakadályozása érdekében.

Hézag Vizsgálat és Állapot Besorolás

A hídtágulási hézagokat a rutin hídvizsgálatok részeként vizsgálják a Nemzeti Hídvizsgálati Szabványok (NBIS) szerint, az állapotbesorolást a hídkészletben a hézagok tételeinek kódjai alatt jelentik. Az FHWA Rögzítési és Kódolási Útmutató szabványos állapotbesorolási kritériumokat biztosít 9-től (kiváló) 0-ig (meghibásodott).

A vizsgálat a következő elemekre terjed ki minden hézagtípus esetén:

Minden hézagtípusra: szivárgás jelei a hézag alatti alépítményen; a gördülőfelület megközelítésének állapota; törmelék felhalmozódás; fejgerenda állapot; rögzítés állapota.

Szalagzáró hézagokra: tömítés állapota (repedés, szakadás, beülés az extrudálási csatornákban); vezető állapota (korrózió, kopás, rögzítés integritása); tömítés csere előzményei.

Moduláris hézagokra: tömítés állapota minden cellában; közbenső gerendák egyenlő távolsága; tartóvas csapágy állapota; vízelvezetési útvonalak a csapágyházakon belül; tartóvas korrózió.

Ujjlemezekre: ujjrés méretek; ujjhegy állapota (kopás, repedés, hegy törés); vízelvezető vályú állapota (korrózió, eltömődés, lyukadások); vályú tisztító hozzáférés; víz vályú megkerülésének jelei.

Tömítőbetétekre: tömítés összenyomódása (minden hőmérsékleten nyomás alatt kell lennie); tömítés extrudálás; ragasztó kötés állapota; tömítés mélysége a burkolatfelület alatt.

Aszfalt-töltésű hézagokra: felület állapota (vetemedés, repedés, kavicskiválás); leválás a kiöntési rész széleinél; kötőanyag állapota (lágyulás, kiválás); áthidaló lemez állapota (korrózió, elmozdulás).

Csúszólemezes hézagokra: lemez állapota (korrózió, kopás, elmozdulás); tömítőanyag állapota; vályú állapota ha jelen van.

Az FDOT Híd Karbantartási Kézikönyv azt ajánlja, hogy a vizsgálati megállapításokat fényképekkel és mérésekkel dokumentálják. A hézagrés szélességét a vizsgálat időpontjában meg kell mérni és rögzíteni kell, mivel ez alapadatokat biztosít a mozgás nyomon követéséhez. A vizsgálat időpontjában a hőmérsékletet is rögzíteni kell.

Hézag Karbantartás és Csere

A proaktív hézag karbantartási program jelentősen meghosszabbítja a hézag élettartamát és késlelteti a költséges teljes csere eseményt. Az FHWA Híd Megőrzési Útmutató hangsúlyozza, hogy a tágulási hézagok megelőző karbantartása költséghatékonyabb, mint a reaktív javítások.

Rutin tisztítás a legalapvetőbb és legfontosabb karbantartási tevékenység. A törmelék eltávolítása a hézag résből, a vízelvezető vályúkból és a csapágyházakból megakadályozza az összenyomhatatlan anyagok felhalmozódását, amelyek blokkolhatják a mozgást és szerkezeti károsodást okozhatnak. Ujjlemezes hézagok esetén az FDOT kézikönyv a vályú szerelvény tisztítását rutin feladatként írja elő. Tömítőbetétek és szalagzárók esetén a gumiabroncs erők általi öntisztító hatás, amely összenyomja a tömítést, a törmelék ki- és felpattogását okozza — de ez csak akkor működik, ha a törmelék nem tömörödik a tömítés üregeibe.

Tömítés csere a szalagzárók elsődleges karbantartási tevékenysége. A tömítések jellemzően 10–15 évig tartanak a forgalomtól, a jégmentesítő vegyszerektől és az UV-sugárzástól függően. A tömítéscsere egy sávszintű művelet, amely egyetlen éjszakai lezárás alatt elvégezhető. A régi tömítést kihúzzák az extrudálási csatornákból, a csatornákat megtisztítják, és az új tömítést kenőanyaggal ellátva benyomják egy gumikalapács típusú szerszámmal.

Tömítőbetét csere megköveteli a régi tömítés eltávolítását (gyakran vágással és húzással), a hézagfelületek tisztítását, és az új tömítés beépítését megfelelő kenéssel és összenyomással. Az FDOT kézikönyv egy hézag számoló módszertant biztosít, ahol a szükséges tömítésszélesség egyenlő a várható maximális hézag nyílás és egy túlméretezési tényező összegével — jellemzően minimum ½ hüvelyk.

APJ csere egy vágás-és-töltés művelet. A régi töltést eltávolítják a kiöntési részen belül, a kiöntési részt megtisztítják, szükség esetén új áthidaló lemezt helyeznek be, és a polimerrel módosított kötőanyagot adalékanyaggal együtt helyezik el és tömörítik a gördülőfelülettel egy szintben. A teljes művelet 8–12 óra alatt elvégezhető egy egysávos hézag esetén.

Fejgerenda javítás a hézag szélénél kipattogzott vagy elhasználódott betont kezeli. A polimer beton (elasztomer beton) az előnyben részesített javítóanyag, mert gyorsan köt (jellemzően 1–3 óra), jól köt a meglévő betonhoz, és nagy tartósságot biztosít ütés alatt. Az FDOT kézikönyv polimer betont ír elő a fejgerenda cseréhez szalagzáró és moduláris hézagokon.

Teljes hézag csere akkor szükséges, amikor az acél alkatrészek (vezetők, közbenső gerendák, tartóvasak) javíthatatlanul elhasználódtak, a fejgerendák súlyosan károsodtak, vagy a hézagtípus frissítésre szorul. A cserét jellemzően egy tervezett lezárás során végzik szakaszos építéssel és forgalomtereléssel. A költség és időtartam jelentősen változik a hézagtípus szerint — a szalagzáró csere egy hétvégi művelet, míg a moduláris hézag csere több hetet is igényelhet.

A Hézag Meghibásodásának Következményei

A hídtágulási hézag meghibásodásának következményei messze túlmutatnak magán a hézagon. A szivárgó hézagokat következetesen a hidak alépítményének széleskörű romlásának elsődleges okaként azonosítják, amint azt az FHWA, az AASHTO és számos állami DOT hídvizsgálati kézikönyv dokumentálja.

Az alépítmény romlása akkor kezdődik, amikor a kloridokkal terhelt víz áthalad egy meghibásodott hézag tömítésen, és lefolyik a gerendavégeken, csapágyakon és hídfőüléseken. A kloridionok behatolnak a betonba, depassziválják a betonacélt, és korróziót indítanak el. A korróziós termékek körülbelül 2–4-szeresére tágulnak az eredeti acél térfogatához képest, húzófeszültségeket generálva, amelyek megrepesztik és kipattogtatják a fedőbetont. Acél felszerkezeteken a víz korróziót okoz a gerendavégeken, a csapágy szerelvényeken és a kapcsolólemezeken.

Csapágy meghibásodás a hézag szivárgásának gyakori következménye. A csapágyülésen felhalmozódó víz és törmelék felgyorsítja a csapágy alkatrészek korrózióját. Elasztomer csapágyak esetén a víz az elasztomer rétegek delaminációját okozhatja. Acél csapágyak esetén a csapok, billenők és csúszófelületek korróziója korlátozza a mozgást és nem kívánt erőket indukál a felszerkezetben.

Végdiafragma romlás ott fordul elő, ahol a hézag szivárgás a gerendavégeknél koncentrálódik. A végdiafragma — a keresztirányú gerenda a hídfőnél — összegyűjti a lefolyó vizet és gyorsan romlik. Az FDOT kézikönyv esettanulmányokat mutat be, ahol a hézag szivárgás a beton végdiafragmák teljes romlását okozta, teljes cserét igényelve.

Hídfőülés erózió ott fordul elő, ahol a hézagon átfolyó víz erodálja a hídfő háttöltőfalát és ülését. Idővel ez az erózió alááshatja a csapágy támasztékát és a felszerkezet süllyedését okozhatja. A hídfő mögött talajerózió is előfordulhat, üregeket hozva létre, amelyek veszélyeztetik a felhajtólap támasztását.

Szerkezeti biztonsági vonatkozások akkor merülnek fel, amikor a korrózió előrehaladott állapotba kerül, keresztmetszet-veszteséget okozva az elsődleges teherhordó elemekben. A híd teherbírás-besorolását csökkenteni kellhet. Szélsőséges esetekben a hidat csökkentett terhelési határértékre kell korlátozni vagy teljesen le kell zárni a javítások elvégzéséig.

Életciklus költség hatása jelentős. A meghibásodott hézag cseréjének plusz az alépítményi elemek korróziós károsodásának javításának költsége 5–10-szerese lehet a proaktív hézag karbantartás és időben történő csere költségének. Az AASHTO Kis Híd Tágulási Hézagok Útmutató kifejezetten foglalkozik a költséghatékony karbantartási stratégiákkal a hézaggal kapcsolatos problémák eszkalálódásának megelőzésére.

Hézagmentes Hidak

A leghatékonyabb megközelítés a tágulási hézag meghibásodásának kiküszöbölésére magának a hézagnak a megszüntetése. A hézagmentes hídépítés integrált vagy fél-integrált hídfőket használ a folyamatos szerkezeti rendszer létrehozásához tágulási hézagok nélkül. Az FHWA Átfogó Tervezési Példa Előfeszített Beton Gerendákhoz kijelenti, hogy az integrált hídfőket kifejezetten a tágulási hézagok eltávolítására tervezték a hidak végein, hézagmentes hidakat létrehozva, amelyek hosszú távú szolgáltatási képességet, minimális karbantartási igényt, gazdaságos építést és jobb esztétikát biztosítanak.

Integrált hídfők mereven kapcsolják a pályalemezt a hídfőhöz, amelyet egyetlen sor rugalmas cölöp (jellemzően acél H-cölöp) támaszt meg. Amikor a híd tágul vagy összehúzódik, a hídfő vízszintesen elmozdul, és a cölöpök meghajlanak a mozgás befogadására. Mivel mindkét véghídfő ellenáll a földnyomásnak a felszerkezeten keresztüli összenyomódás révén, a cölöpöket nem kell földterhelésre tervezni. Ez egy egyszerűbb, robusztusabb szerkezeti rendszert hoz létre.

Az FHWA tervezési útmutatója elmagyarázza, hogy az integrált hídfőket általában egyenes hidakhoz használják, a hídhossz korlátai 4 hüvelyk teljes hőmozgáson alapulnak (2 hüvelyk végenként). Ez maximum körülbelül 600 láb hosszúságot eredményez betonhidaknál és 400 lábat acélhidaknál mérsékelt éghajlaton. A hideg éghajlatok rövidebb korlátokat szabnak. Az integrált hídfők szelektált szemcsés feltöltést igényelnek a hídfő mögött, könnyen tömörítve, hogy minimális ellenállással tegyék lehetővé az elmozdulást. A meredek ferdeségi szögek korlátozottak, mert a ferde hídfőkre ható földnyomás erők egy nyomatékot hoznak létre, amely a hidat alaprajzban elcsavarja.

Fél-integrált hídfők egy hézagot használnak a hídfő felületénél, de kiküszöbölik a csapágyakat. A pályalemez egy háttöltőfalhoz kapcsolódik, amely a felszerkezettel együtt mozog, míg a hídfő szára álló helyzetben marad. Ez a kialakítás csökkenti a mozgási igényt a felhajtólapnál, és alkalmas közepes hosszúságú hidakhoz, ahol a teljes integrált működés nem kivitelezhető.

Összekötő lemezek egy hézagmegszüntetési technika folyamatos többnyílású hidakhoz. A pillér feletti hézag helyett egy vasalt beton összekötő lemezt öntenek folyamatosan a pillér felett, egy kötésmegszakítóval egy meghatározott hosszon az elfordulás lehetővé tételéhez. A nyírási csapok ki vannak iktatva az összekötő lemez zónájában a szükséges elfordulás biztosításához. Az FHWA és FDOT kézikönyvek mindegyike részletes összekötő lemez tervezési és építési útmutatást biztosít, beleértve a sikeres összekötő lemez alkalmazások esettanulmányait is.

A háttöltőfal feletti pályalemez kivitelezés megszünteti a hídfő hézagot azáltal, hogy a pályalemez vízszintesen túlnyúlik a hídfő háttöltőfalán. A pályalemez egy csapágyfelületen csúszik, ahogy a híd tágul és összehúzódik. Ezt a részletet elsősorban rövid nyílású hidakon használják, ahol a hőmozgások kicsik. Az FDOT kézikönyv építési fényképeket biztosít a háttöltőfal feletti pályalemez beépítésekről, bemutatva a háttöltőfal vasalási konfigurációját és a kész híd korlátlezárást.

Felhajtólapok a hézagmentes hídrendszerek lényeges alkotóelemei. Az FHWA tervezési példa előírja, hogy a felhajtólapokat polietilén lemezekre öntsék a súrlódás minimalizálása érdekében, egyik végén a hídfőhöz kötve, a másik végén egy alátámasztó lemezre támaszkodva. Egy zsugorodási hézag a hídfő-felhajtólap kapcsolatnál szabályozott repedési helyet biztosít. A felhajtólap áthidalja a hídfő mögött kialakuló feltöltés süllyedési zónát, amely a hídfő mozgása és a forgalom tömörítése miatt alakul ki.

Az AASHTO LRFD Hídtervezési Előírások nem tartalmaznak részletes tervezési kritériumokat az integrált hídfőkre, ezért az egyes államok saját tervezési irányelveiket fejlesztették ki a múltbeli tapasztalatok alapján. Ez két megközelítéshez vezetett: az egyik csoport a cölöpöket csak gravitációs terhek ellenállására tervezi, figyelmen kívül hagyva a vízszintes elmozdulás hatásait; a másik figyelembe veszi a gravitáció és a vízszintes elmozdulás együttes hatásait a cölöpterhelésekre és -ellenállásra. Mindkét megközelítést sikeresen alkalmazták a saját hossz- és geometriai korlátaikon belül.

A hézagmentes hídépítés egyre népszerűbbé vált az Egyesült Államokban, mert megszünteti a híd karbantartási költségek domináns forrását — a tágulási hézag meghibásodását. A Colorado DOT Híd Tervezési Kézikönyv kifejezetten kijelenti, hogy a meglévő tágulási hézagok eltávolítása a felújítás során csökkenti a jövőbeli vizsgálati és karbantartási igényeket, megszünteti a jövőbeli hézag meghibásodás lehetőségét, és javíthatja az utazási kényelmet. A Szövetségi Autópálya Hivatal (FHWA) továbbra is népszerűsíti a hézagmentes hídtervezést a megőrzési programjain és kutatási kezdeményezésein keresztül.