Hídtartók — Típusok, Károsodási Módok, Vizsgálat és Teherbírás-besorolás

A hídtartó definíciója és szerkezeti szerepe

A hídtartó a híd felépítményének elsődleges vízszintes teherhordó eleme. A függőleges támaszok – a hídvégeken lévő hídfők és a közbenső pillérek – között feszül, és közvetlenül támasztja alá a hídpályát. A tartó ellenáll a hajlítónyomatékoknak (hajlítás) és nyíróerőknek, amelyeket az állandó terhek (a tartó önsúlya, pályaszerkezet, kopóréteg, közművek, korlátok) és a hasznos terhek (járműforgalom, gyalogosok) okoznak. A tartók ezeket a terheket csapágyakon keresztül továbbítják az alépítményhez, majd végső soron az alapozáshoz.

A tartó szerkezeti funkcióját az ellenállási mechanizmusa határozza meg. Egy egyszerűen alátámasztott tartóban a felső öv nyomott, az alsó öv húzott a gravitációs terhek hatására, míg a gerinclemez nyírásnak ellenáll. A több pilléren áthidaló folyamatos tartókban a hajlítónyomaték előjelet vált a támaszok felett – a felső öv húzott, az alsó öv nyomott a pillérek feletti negatív nyomatéki zónában. A feszültségek ezen előjelváltása kritikus szempont mind a tervezésben, mind a vizsgálatban, mivel különböző fáradásra hajlamos részletek és károsodási mechanizmusok érvényesülnek a pozitív és negatív nyomatéki zónákban.

Az AASHTO LRFD Hídtervezési Előírások a tartókat elsődleges felépítményi elemekként osztályozzák. Az FHWA Hídvizsgálói Kézikönyv (BIRM) a tartókat a felépítmény állapotfelmérését meghatározó elemekként azonosítja. Az AASHTO Hídelem-vizsgálati Kézikönyvben (MBEI) a tartókat különálló elemtípusokként tartják nyomon meghatározott elemszámokkal: 110-es elem – Acél nyitott tartó/gerenda, 111-es elem – Acél zárt tartó/doboztartó és 109-es elem – Előfeszített beton tartó. Minden elemet lineáris lábban mérnek, és a vizsgálat során négy állapotállapotban határozzák meg a mennyiségeket.

A különböző tartótípusok fesztávtartománya jelentősen eltér. A hengerelt acélgerendák (W-profilok) körülbelül 30 m (100 láb) fesztávig gazdaságosak. A hegesztett lemeztartók a gazdaságos tartományt 60 m-re (200 láb) vagy többre növelik. Az előfeszített beton AASHTO I-tartókat 15 m-től (50 láb) körülbelül 45 m-ig (150 láb) használják, míg a hagymafejű tee szelvények elérik az 55 m-t (180 láb). Az acél doboztartókat és csatornatartókat 30 m-től (100 láb) 90 m feletti (300 láb) fesztávokig használják íves és nagy fesztávú alkalmazásokban. A beton doboztartókat, jellemzően helyszínen betonozott utófeszített kivitelben, 25 m-től (80 láb) 200 m feletti (650 láb) fesztávokig használják szegmentális építésben.

Tartótípusok

A hídtartókat anyag (acél, előfeszített beton, vasbeton) és keresztmetszeti alak (I-alak, doboz, csatorna, T-alak, hagymafejű tee) szerint osztályozzák. Az alábbiak a modern autópálya-hidakban használt elsődleges tartótípusok.

Acél I-tartó (hengerelt gerenda). Az acél I-tartó acélművekben gyártott szabványos hengerelt széleskarimájú (W-profil) szelvényből készül. A hengerelt gerendák körülbelül 1100 mm (44 hüvelyk) mélységig kaphatók, és a hengermű kapacitása korlátozza őket. Gyakori minőségek közé tartozik az ASTM A709 Grade 50 (50 ksi folyáshatár) és a Grade 50W (időjárásálló acél). A hengerelt I-tartók a leggazdaságosabb megoldást jelentik rövid és közepes fesztávokra, mivel nem igényelnek a kapcsolólemezeken és merevítőkön túli gyártási hegesztést. Többtartós rendszerekben használják őket, tipikus 1,8–3,7 m-es (6–12 láb) távolsággal, amelyek egy helyszínen betonozott vasbeton pályát támasztanak alá, amely nyírási kapcsolóelemeken keresztül együtt dolgozik. Az SNBI fesztávolság-típus kódja a hengerelt acélgerendákhoz: G02.

Acél lemeztartó (hegesztett I-tartó). Amikor a fesztáv- és terhelési igények meghaladják a hengerelt profilok kapacitását, a lemeztartókat acéllemezek – egy gerinclemez és két övlemez – I-alakú keresztmetszetté történő összehegesztésével gyártják. A lemeztartók összeépített szelvények, amelyek optimalizálhatók adott tervezési követelményekre, beleértve a változó magasságot és változó övvastagságot. A gerinclemez mélysége elérheti a 3 m-t (10 láb) vagy többet, korlátozva csak a szállítási korlátok és a csavarási-kihajlási szempontok által. Az övlemezek vastagsága elérheti a 100 mm-t (4 hüvelyk). A lemeztartók általában keresztirányú merevítőket használnak, amelyeket a gerinclemezhez hegesztenek a gerinchorpadás megakadályozására, és csapágy merevítőket a támaszpontokon a koncentrált reakciók átadására. A közbenső keresztirányú merevítők tervezhetők csapágymerevítőként vagy közbenső merevítőként nyírási ellenállásra. Az AASHTO LRFD előírások megkövetelik, hogy a lemeztartók, amelyeknek a gerinckarcsúsági aránya (D/tw) meghalad bizonyos határértékeket, keresztirányú merevítőkkel rendelkezzenek. Hosszirányú merevítőket néha nagyon mély tartókhoz adnak a nyomott öv hajlítási kihajlásának szabályozására. Az SNBI fesztávolság-típus kódja az összeépített hegesztett lemeztartókhoz: G01.

Előfeszített beton I-tartó. Az előregyártott, előfeszített beton I-tartók az Egyesült Államok egyik leggyakoribb hídelemei közé tartoznak. Az AASHTO szabványos I-tartó formákat – I–VI. típusok – az AASHTO LRFD Hídtervezési Előírások határozzák meg, növekvő magasságokkal 710 mm-től (28 hüvelyk) az I. típushoz 1830 mm-ig (72 hüvelyk) a VI. típushoz. A PCI hagymafejű tee szelvények (BT-54, BT-63, BT-72) jobb hatékonyságot kínálnak szélesebb felső övvel, amely növeli a nyomási felületet és nagyobb pályabetonozási felületet biztosít. A hagymafejű tee szelvények magassága 1370 mm (54 hüvelyk), 1600 mm (63 hüvelyk) és 1830 mm (72 hüvelyk). Az előfeszítést hét eres, kis relaxációjú sodronyok (Grade 270 vagy Grade 250) biztosítják, 12,7 mm (0,5 hüvelyk) vagy 15,2 mm (0,6 hüvelyk) átmérővel. A sodronyokat a beton elhelyezése előtt a szakítószilárdságuk körülbelül 75%-ára feszítik meg (előfeszítés). Az előfeszítő erő a betonhoz kötéssel adódik át, miután a beton eléri az előírt kioldási szilárdságot, jellemzően 5000–6000 psi. A leválasztott sodronyokat a tartóvégeknél használják a húzófeszültségek szabályozására a kioldáskor. Az ívesített sodronyok (középen lenyomva) optimalizálják az előfeszítés eloszlását a tartó hossza mentén. Az SNBI fesztávolság-anyag kódja az előfeszített betonhoz: C06, a fesztávolság-típus kódja: S05.

Acél doboztartó (zárt doboz). Az acél doboztartó egy zárt keresztmetszet, amely jellemzően két vagy három gerinclemezből áll, felső és alsó övekkel, téglalap vagy trapéz alakú dobozt képezve, amely csavarási merevséggel rendelkezik. A zárt doboztartókat íves hidaknál használják, ahol az ívből származó csavarási terhek jelentősek, nagy fesztávú hidaknál, ahol az aerodinamikai stabilitás fontos, és olyan hidaknál, ahol szűk a függőleges távolság, és a zárt doboz sekélyebb szerkezeti magassága előnyös. A doboztartók acéllemezből készülnek hegesztett kötésekkel, és a felső öv jellemzően együtt dolgozik a helyszínen betonozott betonpályával. A doboztartó zárt belseje hozzáférési nyílásokat, szellőzést és páramentesítő rendszereket igényel a korrózió megelőzésére, és a vizsgálatok zárt térbe lépési protokollokat tesznek szükségessé. Az SNBI fesztávolság-típus kódja az acél doboztartókhoz: G04.

Acél csatornatartó (trapéz doboz). Az acél csatornatartó – más néven trapéz doboztartó – egy felül nyitott trapéz keresztmetszet, amely a betonpálya elhelyezésekor zárt szelvénnyé válik. A csatornatartók egyesítik a doboz csavarási hatékonyságát az I-tartó építhetőségi előnyeivel. Az alsó öv trapéz alakú (alul szélesebb), két ferde gerinclemezzel. A gerinclemezeket jellemzően hossz- és keresztirányú merevítőkkel merevítik. A csatornatartókat esztétikai megjelenésük miatt választják – a sima, megszakítás nélküli keresztmetszet vizuálisan kedvezőbb –, valamint kiváló csavarási merevségük miatt íves hidakhoz. A sajtolt csatornatartók egy speciális változat, amelyet acéllemez hideghajlításával állítanak elő sekély csatornaformákra, jellemzően rövidebb fesztávokhoz (15–30 m). Az FHWA a csatornatartókat hatékony megoldásként ismeri el közepes fesztávú íves hidakhoz, jelentős előnyöket kínálva a fesztávtartományban, merevségben és tartósságban. Az AISC Acélhíd Tervezési Kézikönyv átfogó tervezési útmutatást nyújt a kompozit acél csatornatartó hidakhoz.

Tartótípus-összehasonlító táblázat.

Acéltartó-károsodások

Az acél tartók több különböző mechanizmus révén károsodnak, amelyek csökkentik a szerkezeti kapacitást. Minden károsodási módnak jellemző vizuális indikátorai, mérési paraméterei és súlyossági besorolásai vannak, amelyeket a vizsgálat során használnak.

Korrózió. A korrózió a leggyakoribb károsodási mód az acél hídtartókban. Ez egy elektrokémiai folyamat, amelyben az acélban lévő vas oxigén és nedvesség jelenlétében vas-oxidokká (rozsda) oxidálódik. A korrózióból származó keresztmetszet-veszteség csökkenti az effektív teherhordó keresztmetszetet. A tartókorrózió kritikus helyszínei: csapágyzónák, ahol víz és jégmentesítő vegyszerek gyűlnek össze az alsó övön és a gerincen, pályahézag-szivárgási területek, ahol a hézagtömítés meghibásodása lehetővé teszi, hogy kloridtartalmú elfolyó víz csepegjen az alatta lévő tartóra, fröccsenési zónák az útpálya vízelvezetése közelében, ahol a járművek által felvert víz nedvességet és sókat rak le, valamint zsebek, ahol törmelék halmozódik fel a tartó ellenében, csapdába ejtve a nedvességet. A korrózió osztályozása: felületi korrózió (enyhe, esztétikai, 10% alatti keresztmetszet-veszteség), keresztmetszet-veszteséggel járó korrózió (10–30% keresztmetszet-veszteség, ultrahangos vastagságméréssel mérhető) és súlyos keresztmetszet-veszteség (30% feletti keresztmetszet-veszteség, amely lyukakat is tartalmazhat a gerincen vagy az övön). Az FHWA Acélhíd Korrózió Értékelési Útmutatója egy 5 kategóriás osztályozást biztosít az 1. kategóriától (nincs korrózió) az 5. kategóriáig (lyukak a tartóban). Az időjárásálló acél (A709 Grade 50W) védő patinaréteget fejleszt, amely csökkenti a korrózió sebességét, de gyorsított korrózió (a patina leválása) alakulhat ki tartós nedvességnek, kloridterhelésnek vagy rossz vízelvezetésnek kitett környezetben.

Fáradási repedés. A fáradási repedés a legkritikusabb acéltartó-károsodás, mivel hirtelen, katasztrofális töréshez vezethet. A fáradási repedések feszültségkoncentrációs pontokon indulnak, ahol a ciklikus húzófeszültségek meghaladják az anyag fáradási ellenállását. Az AASHTO a fáradási részleteket A-tól E’-ig terjedő kategóriákba sorolja a részlet fáradási ellenállása alapján, ahol az A kategória a legellenállóbb (sima hengerelt acél) és az E’ kategória a legkevésbé ellenálló (vastag fedőlemezek keresztirányú véghegesztésekkel). Az acél tartók leginkább fáradásra hajlamos helyei: a keresztirányú merevítők hegesztési lábai, a hegesztési lezárások a kivágásoknál, a fedőlemez-végek (E kategória 20 mm-nél kisebb övvastagság esetén, E’ kategória 20 mm-nél nagyobb vastagság esetén), a kapcsolólemezek a keresztkötésekhez és diafragmákhoz, a blokk-kivágások a tartóvégeknél, valamint a hornyolt varratok az övillesztéseknél. A fáradási repedések jellemzően a hegesztési lábnál indulnak, és a fő húzófeszültségre merőlegesen terjednek az alapfémben. Az alakváltozásból eredő fáradás – amelyet a tartógerincek síkjából kilépő hajlítása okoz a szomszédos tartók közötti differenciális lehajlás miatt a keresztkötéseknél – jelentős probléma a ferde támaszú és hajlékony gerincű hidakban. Az FHWA-NHI-16-016 kézikönyv a fáradásról és törésről acélhidakban átfogó útmutatást nyújt a fáradási repedések azonosításához, vizsgálatához és javításához.

Keresztmetszet-veszteség. A keresztmetszet-veszteség acél tartókban korrózióból, mechanikai kopásból vagy ütközési károkból ered. A keresztmetszeti terület elvesztése közvetlenül csökkenti a keresztmetszeti moduluszt (S = I / c, ahol I a tehetetlenségi nyomaték és c a semleges tengelytől a szélső szálig mért távolság), amely a hajlítási kapacitást szabályozza. A húzott öv keresztmetszet-vesztesége a legkritikusabb, mivel a teljes övfelület hozzájárul a húzási erőpárhoz. A nyomott öv keresztmetszet-vesztesége helyi horpadást idézhet elő csökkentett feszültségszinteken. A gerinc keresztmetszet-vesztesége csökkenti a nyírókapacitást, és nyírási horpadáshoz vezethet. A mért keresztmetszet-veszteséget az eredeti méretek százalékában fejezik ki. Az ultrahangos vastagságmérések a leginkább korrodált keresztmetszetnél adják meg a megmaradt vastagságot, amelyet az AASHTO MBE 6. szakasza szerinti teherbírás-besorolási számításokban használnak.

Ütközési károk. Ütközési károk akkor keletkeznek, amikor a magassági korlátozást meghaladó járművek alacsony függőleges távolságú helyeken a tartók alsó övének ütköznek. Az ütközés okozhat meghajlott öveket, horpadt gerinceket, repedt hegesztéseket, eltolódást, és súlyos esetekben törést a tartóelemekben. Az ütközési károk leggyakoribbak vasúti aluljáróknál, kis magasságú útszakaszokon és hídfeljáróknál, ahol az útpálya süllyedése csökkentette az effektív függőleges távolságot. Az ütközött tartók vizsgálata méretméréseket igényel az övtorzulás számszerűsítésére, gerincsíkság-ellenőrzést horpadásra, valamint roncsolásmentes vizsgálatot (festékbevonatos vagy mágneses részecskés vizsgálat) a hegesztéseken az ütközési zónában a repedések kimutatására. Az ütközési károk azonnali forgalomkorlátozást tehetnek szükségessé az értékelésig.

Beton tartó károsodások

Az előfeszített beton tartók károsodásokat szenvednek a betonanyag leromlásával, az előfeszítés veszteségével és a vasalás korróziójával kapcsolatos különböző mechanizmusok révén.

Hajlítási repedés. A hajlítási repedések az előfeszített beton tartókban függőleges vagy közel függőleges repedések, amelyek az alsó (húzott) övben indulnak a pozitív nyomatéki zónában (fesztáv közepén), és felfelé terjednek a gerincben. Hasznos terhek alatt a megfelelően tervezett előfeszített tartóknak repedésmenteseknek kell maradniuk (U osztály az AASHTO szerint) vagy korlátozott repedésszélességgel kell rendelkezniük (C osztály). A 0,010–0,014 hüvelyk (0,25–0,35 mm) feletti repedésszélességek agresszív környezetben túlterhelést (a hasznos teher meghaladja a tervezettet), előfeszítés-veszteséget (csökkent nyomás a relaxációból, kúszásból és zsugorodásból) vagy keresztmetszet-veszteséget (leválás csökkenti az effektív keresztmetszetet) jeleznek. A hajlítási repedések közvetlen utakat biztosítanak a kloridok és nedvesség számára az előfeszítő sodronyok eléréséhez, korróziót indítva el. A repedések távolságát és szélességét mérni és dokumentálni kell, és a korábbi vizsgálati feljegyzésekkel való összehasonlítás azonosítja a progressziót.

Nyírási repedés. A nyírási repedések a tartóvégek közelében jelennek meg, ahol a nyírófeszültségek a legnagyobbak. Ezek átlós repedések, amelyek körülbelül 45°-os szöget zárnak be a hossztengellyel, jellemzően a gerinc területén. A nyírási repedés azt jelzi, hogy a gerincben a fő húzófeszültség meghaladja a beton húzószilárdságát. Előfeszített tartókban a ferde előfeszítő sodronyok (ívesített sodronyok) függőleges összetevője hozzájárul a nyírási ellenálláshoz. A gerincrepedés, amely metszi az ívesített sodronyok útját, különösen aggasztó, mert gerinchasadást jelezhet az előfeszítő erő radiális összetevőjéből. A támaszok közelében lévő átlós repedések, amelyek a csapágyzónában az alsó övig terjednek, csökkenthetik a nyíróerő-átadási kapacitást. Az AASHTO MBE kritériumokat biztosít a repedezett előfeszített tartók nyírókapacitásának értékeléséhez.

Leválás és rétegleválás. A leválás a betonfedés elvesztése a vasalás vagy az előfeszítő sodronyok felett. Akkor következik be, amikor a besüllyesztett acél korróziója táguló rozsdatermékeket hoz létre, amelyek belső húzófeszültségeket gyakorolnak a környező betonra, meghaladva a húzószilárdságot, és a fedőbeton leválását okozva. A tartóvégeknél történő leválás az előfeszítő sodronyokat környezeti hatásoknak teszi ki. A korrózió által kiváltott leválás a sodronyok helyén kritikus állapot, mert aktív sodronykorróziót jelez. A rétegleválás (síkszerű elválás a felülettel párhuzamosan) megelőzheti a leválást, és lánchúzással vagy kalapácsos kopogtatással mutatható ki. A leválás csökkenti a nyomó- és húzófeszültségek ellenállására rendelkezésre álló keresztmetszeti területet, és megszünteti azt a fedést, amely védi a sodronyokat a további korróziótól.

Előfeszítés-veszteség és sodronykorrózió. Az előfeszítés vesztesége az előfeszített beton tartókban három mechanizmuson keresztül következik be: rugalmas megrövidülés (azonnali az átadáskor), beton kúszása (időfüggő alakváltozás tartós előfeszítés alatt), beton zsugorodása (időfüggő térfogatváltozás) és acél relaxációja (a sodronyfeszültség csökkenése állandó alakváltozás mellett). A hosszú távú előfeszítés-veszteségek jellemzően a kezdeti előfeszítés 15%-a és 25%-a között mozognak. A sodronykorrózió a legveszélyesebb állapot, mivel egyetlen sodronytörés a sodrony hozzájárulásával csökkenti az előfeszítő erőt (jellemzően 15–20 kip sodronyonként a 0,6 hüvelykes sodronyoknál). A hidrogénridegedés egy meghibásodási mechanizmus a nagy szilárdságú előfeszítő acélban, ahol az atomi hidrogén be diffundál az acél rácsába, csökkentve a szívósságot és rideg törést okozva a folyáshatár alatti feszültségeken. A jégmentesítő sókból származó kloridok a sodronykorrózió elsődleges okai a hídtartókban. A rozsdafoltok a tartófelületeken, a hosszirányú repedések a sodronyok mentén vagy a kitárt korrodált sodronyok kritikus leletek, amelyek azonnali értékelést és potenciális terheléskorlátozást tesznek szükségessé.

FHWA SNBI Felépítményértékelés

Az Országos Hídleltári Előírások (SNBI), amelyet az FHWA 2022 márciusában tett közzé (FHWA-HIF-22-017), meghatározza az adatszolgáltatási követelményeket az Egyesült Államokban a nyilvános forgalom előtt nyitva álló összes autópálya-híd számára. A tartó állapotát a Felépítmény Állapotértékelés (B.C.02 adatelem) és az elem-szintű állapotadatok révén jelentik.

Felépítmény Állapotértékelés (B.C.02) egy 0-tól 9-ig terjedő kódolási skálát használ. Az értékelés komponens-alapú, ami azt jelenti, hogy a felépítmény egészének állapotát írja le, figyelembe véve az összes elsődleges elemet. Az SNBI C. függelékének értékelési útmutatója szerint a felépítmény állapotértékelési kódjai a következőképpen vannak meghatározva:

Az SNBI elem-szintű adatokat is előír (B.E adatkészlet) az Országos Autópálya-rendszer (NHS) hídjaihoz. Minden elemet négy állapotállapotban jelentenek: 1. állapotállapot (CS 1) – Védett/jó, 2. állapotállapot (CS 2) – Kisebb leromlás/megfelelő, 3. állapotállapot (CS 3) – Előrehaladott leromlás/gyenge, 4. állapotállapot (CS 4) – Súlyos leromlás, beavatkozást igényel. Acél nyitott tartók (110-es elem) esetében a CS 1 nem jelez korróziót vagy fáradást; a CS 2 felületi korróziót vagy kisebb pontszerű korróziót ír le; a CS 3 10%-ig terjedő keresztmetszet-veszteséget vagy 2 hüvelyknél kisebb fáradási repedéseket; a CS 4 10%-ot meghaladó keresztmetszet-veszteséget vagy 2 hüvelyknél nagyobb fáradási repedéseket.

Az SNBI A. függelékében szereplő példa adatkészlet az 15558X hídszámhoz egy 5-ös (Elfogadható) Felépítmény Állapotértékelést mutat, 4-es (Gyenge) Hídtartó-csapágyak Állapotértékeléssel és 2-es (Kritikus) Hídhézagok Állapotértékeléssel. Ezek a komponens-értékelések együttesen átfogó képet adnak a felépítmény állapotáról, a tartó állapota lévén az elsődleges tényező a felépítmény értékelésében.

Tartóvizsgálat

A hídtartók vizsgálata az Országos Hídvizsgálati Szabványok (NBIS) , az AASHTO Hídértékelési Kézikönyv (MBE) és az FHWA Hídvizsgálói Kézikönyv (BIRM) által meghatározott követelményeket követi. A tartók vizsgálata rutinvizsgálatként (rendszeres időközönként, jellemzően 12–24 hónap), mélyreható vizsgálatként (kézi vizsgálat, jellemzően hozzáférési berendezést igényel), töréskritikus vizsgálatként (húzott elemeknél, amelyek meghibásodása a híd összeomlását okozná) vagy különleges vizsgálatként (károsodás vagy leromlás által kiváltva) osztályozzák.

Szemrevételezés. A szemrevételezés az elsődleges vizsgálati módszer minden tartótípus esetében. A vizsgáló megvizsgálja az egyes tartósorok teljes hosszát, dokumentálva az összes észlelhető károsodást. Acél tartók esetében a vizsgáló értékeli a korrózió mértékét és súlyosságát, a fáradási repedéseket a hegesztett kapcsolatoknál, a csavarok állapotát a helyszíni illesztéseknél, a festékrendszer állapotát (ASTM D610 rozsda fokozat) és az ütközési károkat. Beton tartók esetében a vizsgáló értékeli a repedés szélességét, hosszát és mintázatát; a leválás méreteit és mélységét; a kitárt sodronyok állapotát; a rozsdafoltokat és a kivirágzást. A vizsgálatot szabványos hídvizsgálati űrlapokon (vagy elektronikus adatgyűjtő rendszereken) dokumentálják, amelyek rögzítik az egyes elemek mennyiségét az egyes állapotállapotokban az AASHTO MBEI elemdefiníciói szerint. Kézi vizsgálat karral elérhető távolságon belül minden kritikus részletnél szükséges a töréskritikus elemek (FCM) esetében. A szemrevételezéshez szükséges hozzáféréshez híd alatti vizsgáló járművekre (kukás teherautók), létrákra, állványzatra vagy csónakos hozzáférésre lehet szükség vízátvezetéseknél.

Roncsolásmentes vizsgálat (NDT). Az NDT módszereket akkor alkalmazzák, amikor a szemrevételezés további értékelést igénylő állapotokat azonosít. Az FHWA és az AASHTO meghatározza az NDT módszereket acél és beton tartókhoz. Acél tartók esetében az elsődleges NDT módszerek: ultrahangos vizsgálat (UT) a hegesztésekben és alapfémben lévő belső repedések kimutatására, mágneses részecskés vizsgálat (MT) a ferromágneses acél felületi és közeli felületi repedéseinek kimutatására, festékbevonatos vizsgálat (PT) a felületig hatoló repedések kimutatására, ultrahangos vastagságmérés a megmaradt öv- és gerincvastagság mérésére korrodált területeken, és radiográfiai vizsgálat (RT) a hegesztésvizsgálathoz, ahol a hozzáférés kizárja az UT-t. Beton tartók esetében a módszerek közé tartozik: ultrahangos impulzussebesség (UPV) a belső üregek kimutatására és a betonminőség értékelésére, impact-echo vizsgálat a rétegleválás és a feszítőbetét-csatornák üregeinek kimutatására, talajradar (GPR) a besüllyesztett sodronyok helyének meghatározására és a nedvességbehatolás kimutatására, valamint félcellás potenciáltérképezés a besüllyesztett acél korróziós aktivitásának értékelésére. Az FHWA Acélhíd Vizsgálati Programja értékelte az NDE technológiákat a fáradási repedések kimutatására, meghatározva a kimutatási valószínűségi (POD) görbéket a különböző módszerekhez.

Drónos vizsgálat. A pilóta nélküli légijárműveket (UAV vagy drón) egyre gyakrabban használják tartóvizsgálatra, különösen vízfolyások, mély völgyek vagy forgalom feletti nagy magasságú hidaknál, ahol a kukás teherautókkal való hozzáférés nehéz vagy veszélyes. A nagy felbontású kamerákkal (20+ megapixel) , optikai zoom lencsékkel (30x vagy nagyobb) és világítórendszerekkel felszerelt drónok részletes képeket készíthetnek a tartók alsó öveiről, gerinceiről és kapcsolatairól minden szögből. LiDAR-ral felszerelt drónok 3D pontfelhő modelleket hozhatnak létre a felépítményről méretmérések és alakváltozás-észlelés céljából. A drónokon lévő hőkamerák észlelhetik a nedvességbehatolást, a rétegleválást és a rejtett korróziót. Az SNBI tartalmazza a B.IE.12 Vizsgálati Berendezés tételt az I3 kóddal a “Drón vagy pilóta nélküli légijármű (UAV)” számára, amelyet a vizsgálat során használnak. A drónos vizsgálati adatok integrálhatók a TarmacView digitális ikerplatformjába a károsodási helyek térbeli regisztrálásához és az időbeli változások észleléséhez.

Fáradásra hajlamos részletek

Az acél hídtartók fáradási repedését az AASHTO fáradástervezési kategóriái szabályozzák, amelyeket az AASHTO LRFD Hídtervezési Előírások 6.6.1. cikke határoz meg. A kategóriák a hegesztett és csavarozott részleteket fáradási vizsgálati adatok alapján osztályozzák, minden kategóriához hozzárendelve egy állandó amplitúdójú fáradási határértéket (CAFL) . A kategóriák a legmagasabbtól a legalacsonyabb fáradási ellenállásig:

Töréskritikus elemek (FCM) olyan acél húzott elemek, amelyek meghibásodása a híd összeomlását okozná. Acél tartóhidak esetében a tipikus FCM-ek közé tartozik a kéttartós rendszer (minden tartó FCM), a kötött ívek és a rácsos tartók húzott elemei. Az FCM-ek kézi vizsgálatot igényelnek a híd FCM vizsgálati tervében meghatározott időközönként. Az SNBI a B.IR.01 — NSTM Vizsgálat Szükséges (nem redundáns acél húzott elem) révén jelenti, hogy szükséges-e töréskritikus vizsgálat.

Az alakváltozásból eredő fáradás a keresztkötések gerincrészének területén széles körben elterjedt probléma az acél többtartós hidakban. Amikor a szomszédos tartók között differenciális lehajlás következik be, a keresztkötés erői a tartógerinc síkjából kilépő hajlítását okozzák a kapcsolólemez-hegesztés lezárása és az övhegesztés közötti kis résben. Ez a síkból kilépő torzulás másodlagos feszültségeket generál, amelyek fáradási repedést okozhatnak a hegesztési lábnál. Az AASHTO most megköveteli, hogy a kapcsolólemezeket közvetlenül mindkét övhöz hegesszék (vagy pozitív kapcsolatot biztosítsanak) a gerincrész torzulásának kiküszöbölésére. A meglévő hidak vizsgálatakor ezekre a kapcsolólemez-gerinc hegesztésekre kell összpontosítani az alakváltozásból eredő repedés jelei szempontjából.

Csapágyak állapota

A hídtartó-csapágyak a tartók és az alépítményi egységek közötti kapcsolatot képezik. Három funkciót töltenek be: a függőleges terhek átadása a felépítményből az alépítménybe, az állandó teherből és a hasznos teher lehajlásából származó elfordulás lehetővé tétele, valamint a hőtágulásból és összehúzódásból származó vízszintes mozgás lehetővé tétele. Az SNBI a Hídtartó-csapágyak Állapotértékelését (B.C.07) ugyanazzal a 0-tól 9-ig terjedő kódolási skálával jelenti.

A tartókkal használt csapágy típusok közé tartozik: elasztomer csapágyak (sima neoprén lapok vagy réteges neoprén acéllemezekkel), billenő csapágyak (acél billenők, amelyek a hosszirányú mozgáshoz billennek), görgős csapágyak (egy vagy több acélgörgő), csúszólemezes csapágyak (PTFE rozsdamentes acélon alacsony súrlódás érdekében), pot csapágyak (elasztomer betét acél hengerben), mechanikus csapágyak (csapos vagy rögzített) és nagy terhelésű, többirányú csapágyak.

A csapágyak károsodási módjai közé tartozik: az acél csapágyalkatrészek (billenőkarok, görgők, kőzetlemezek, talplemezek) korróziója, befagyás (a mozgásképesség elvesztése korrózió vagy törmelékfelhalmozódás miatt), eltolódás (a billenő dőlése meghaladja a tervezési határértékeket, jellemzően 10°), elasztomer leromlása (elasztomer csapágylapok repedése, hasadása, kipréselődése vagy elvesztése), horgonycsavar meghibásodása (nyírt, korrodált vagy hiányzó horgonycsavarok), kőzetlemez korróziója a csapágyülékkel való kapcsolódási felületen, valamint talplemez kapcsolat meghibásodása (hegesztett vagy csavarozott kapcsolat a tartó alsó övéhez).

Az AASHTO Hídelem-vizsgálati Kézikönyv a csapágyakat külön elemként tartja nyomon (310-es elem – Elasztomer csapágy, 311-es elem – Mozgó csapágy, 312-es elem – Zárt/rejtett csapágy, 313-as elem – Rögzített csapágy, 314-es elem – Pot csapágy). A csapágy állapota közvetlenül befolyásolja a tartó teherátadását. Egy befagyott dilatációs csapágy hőhatásból származó erőket indukál a tartókban, amelyeket a tervezés során nem vettek figyelembe. Egy meghibásodott csapágy egy támasznál rést hoz létre a tartó és a csapágyülés között, átosztva a reakciókat a szomszédos támaszokra. A BIRM részletes vizsgálati ellenőrző listákat biztosít minden csapágytípushoz.

A tartó leromlásának teherbírás-besorolási következményei

A tartó leromlása közvetlenül csökkenti a híd teherbírás-besorolását – a szerkezeti kapacitás és az alkalmazott terhek arányát. A teherbírás-tényező (RF) az AASHTO MBE 6. szakasza szerint a következőképpen számítható:

RF = (C - A1 × D) / (A2 × L × (1 + I))

Ahol C a kapacitás, A1 az állandó teher tényezője, D az állandó teher hatása, A2 a hasznos teher tényezője, L a hasznos teher hatása, és I az ütéstényező. A leromlás csökkenti a C kapacitást, ami csökkenti az RF-et.

Acél tartók esetében a hajlítási kapacitás M_n = F_y × S_x (folyásnál) vagy M_n = M_p (plasztikus nyomaték, korlátozva a csavarási-kihajlási hatások által). A keresztmetszet-veszteség csökkenti a rugalmas keresztmetszeti moduluszt (S_x) és a plasztikus keresztmetszeti moduluszt (Z_x). A megmaradt kapacitást a mért keresztmetszeti tulajdonságok alapján számítják a leginkább leromlott keresztmetszetnél. Például az alsó övfelület 15%-os csökkenése korrózió miatt körülbelül 10–15%-kal csökkenti a keresztmetszeti moduluszt, ami arányosan csökkenti az RF-et. A tartó nyírókapacitása V_n = 0,58 × F_y × D × t_w × C (ahol C a gerinchorpadást veszi figyelembe). A gerinc keresztmetszet-vesztesége közvetlenül csökkenti a gerincvastagságot, arányosan csökkentve a nyírókapacitást.

Előfeszített beton tartók esetében a hajlítási kapacitást a használhatósági határállapotban a megengedett húzófeszültségek szabályozzák. Az előfeszítés vesztesége növeli a nettó húzófeszültséget hasznos teher alatt, és ha a húzófeszültség meghaladja a megengedett határértéket (jellemzően 0,0948√f’c a C osztályú elemeknél), repedés következik be. A szilárdsági határállapotban a sodronykorrózió, amely csökkenti a sodrony keresztmetszetét, csökkenti a végső nyomatéki kapacitást. Egy sodrony elvesztése egy 40 sodronyt tartalmazó tartóban körülbelül 2,5%-kal csökkenti a kapacitást. Azonban több sodrony vagy azonos sorban lévő sodronyok elvesztése jelentősebben csökkentheti a kapacitást az előfeszítő erő eloszlásának elvesztése miatt.

Az SNBI 5. szakasza megköveteli a Leltári Teherbírás-tényező (B.LR.05) , az Üzemi Teherbírás-tényező (B.LR.06) és az Irányadó Jogi Teherbírás-tényező (B.LR.07) jelentését. Amikor az Üzemi Besorolás 1,0 alá esik, a hidat súlykorlátozással kell ellátni az állam jogi terhelési konfigurációja szerint (B.EP.01). Az SNBI példa adatkészlete az 15558X hídszámhoz egy 0,30-as Leltári Teherbírás-tényezőt és egy 0,50-es Üzemi Teherbírás-tényezőt mutat, 15–30 tonna közötti korlátozási értékekkel a jogi terhelési konfigurációtól függően.

Az AASHTO MBE 6. szakasza specifikus eljárásokat biztosít a leromlott tartók teherbírás-besorolásához. Acél tartók esetében egy megmaradt vastagsági felmérés ultrahangos vastagságméréssel 5 láb (1,5 m) intervallumokban a teljes tartóhossz mentén meghatározza a minimális megmaradt keresztmetszetet. Beton tartók esetében egy részletes repedésfelmérés, amely dokumentálja a repedés szélességét, hosszát, távolságát és helyét, kombinálva egy sodronyfelméréssel a leválási területeken, meghatározza az effektív előfeszítés-veszteséget. A teherbírás-besorolási mérnök ezeket a terepi adatokat használja a leromlott teherbírás-besorolás kiszámításához, amely súlykorlátozást vagy a híd megerősítésének vagy cseréjének követelményét eredményezheti.

Összefoglalás

A hídtartók a felépítmény elsődleges teherhordó elemei, amelyek több konfigurációban állnak rendelkezésre – acél I-tartók, hegesztett lemeztartók, előfeszített beton I-tartók (AASHTO és hagymafejű tee szelvények), acél doboztartók és acél csatornatartók. Minden típusnak jellemző károsodási módjai vannak: acél tartók korróziót szenvednek (különösen a csapágyhelyeken és pályahézagoknál), fáradási repedést (a hegesztett részleteknél, amelyeket az AASHTO A–E’ kategóriái szabályoznak), keresztmetszet-veszteséget és ütközési károkat; beton tartókban hajlítási és nyírási repedések, sodronykorrózióból származó leválás és az anyagok hosszú távú hatásaiból eredő előfeszítés-veszteség alakul ki. Az SNBI a tartó állapotát a Felépítmény Állapotértékelés (B.C.02) révén értékeli 0-tól 9-ig terjedő skálán, valamint elem-szintű állapotállapot-mennyiségeken keresztül. A vizsgálati módszerek közé tartozik a szemrevételezés (elsődleges módszer), az NDT (UT, MT, PT, UPV, impact-echo) és a drón alapú vizsgálat nagy magasságú hidak esetében. A tartó leromlása közvetlenül csökkenti a teherbírás-besorolási értékeket a keresztmetszet-veszteség és az előfeszítés-veszteség révén, ami súlykorlátozást tehet szükségessé a híd biztonságának garantálása érdekében. A tartótípusok, a károsodási mechanizmusok és a vizsgálati követelmények megértése elengedhetetlen a hídtulajdonosok, vizsgálók és mérnökök számára az autópálya-hídleltár biztonságának és üzemképességének fenntartásához.