Mérnökök mérnököknek

Horváth Adrián, dr. Dunai László

 

Előzmények

A Széchenyi lánchídnak, kora kiemelkedő alkotásának, a Regensburg alatti Duna-szakasz első és sokáig egyetlen állandó hídjának megépítésére vonatkozó szerződést 1839-ben írták alá. Az 1849. november 20-i átadásakor a világ legnagyobb fesztávolságú lánchídja volt. A hidat 250 kg/m2 megoszló teherre, illetve a közvetlen terhelést viselő pályatartókat és függesztőrudakat 2 x 2,5 tonnás (!) „járó” teherre tervezték. A láncok hossza a maiaknak mintegy fele, így a felfüggesztések, ezzel a kereszttartók sűrűsége a ma ismertnek a kétszerese volt. A kereszttartó felfüggesztések két oldalán fa „öv-és rácsrudakkal”, öntvény oszlopokkal kialakított „rácsos tartó” készült. Ez a szerkezet nem látta, nem láthatta el a mai értelemben vett merevítő tartó szerepét, teherelosztó hatása néhány függesztő elemre korlátozódott. A faszerkezetek kopása és a merevítés elégtelensége miatt a lengések erősödését tapasztalták, az öntvény kereszttartókban törések keletkeztek. A károsodások miatt a Margit híd átadását követően a nehéz járműveket elterelték a hídról. A hidat okvetlenül át kellett építeni, de a végső döntést csak akkor hozták meg, amikor már Kherndl Antal műegyetemi tanár – az Erzsébet híd tervezéséhez – kidolgozta a függesztő lánc és a merevítő tartó együttes számítását lehetővé tevő grafosztatikai eljárást.

A híd felszerkezetének bontását 1914. február 3-án kezdték el, az átépített hidat 1915. november 27-én helyezték forgalomba. A sokkal erősebb, acélszerkezetből készült merevítőtartó, és a szintén acél hossztartókkal kialakított zórévasas pályaszerkezet súlyát az eredeti láncok nem bírták volna el. Az láncok keresztmetszeti területét kétszeresére növelték: a lánclemezek magassága 260mm-ről 360mm-re, a lemezkötegek vastagsága 60 cm-ről 70 cm-re változott. Az újlánctagok hossza az előzőek mintegy kétszerese lett, ezzel a kereszttartókat 3,6 méterenként függesztették fel (egy eredeti és egy új lánctag látható kiállítva a Műegyetem K épületében, a Hidak és Szerkezetek Tanszék előtti folyosón). A híd méretezési terhe 400 kg/m2 egyenletesen megoszló és 2 x 12 t tengelyű járműteher volt. A II. világháborúban felrobbantott híd felszerkezetéből csak a láncok 76%-át lehetett újra felhasználni. A Dunából kiemelt láncokat Diósgyőrbe vitték, ott a deformálódott elemeket síkra hengerelték, és rendkívül alapos, minden részletre kiterjedő vizsgálatokkal ellenőrizték épségüket. A merevítőgerendákat újra gyártották a helyreállítás során. A második Lánchíd megjelenését szinte mindenben megtartó módon, de a pályaszerkezetét illetően korszerűbben, hegesztett tartókkal és a hossztartókkal együtt dolgozó vasbeton pályalemezzel újjáépített hidat 1949. november 20-án adták át a forgalomnak. Ezután a hidat először 1973-74-ben vizsgálták meg részletesen, amelynek eredményeképpen szegecseket cseréltek a szerkezetben, az acélszerkezeteket újra mázolták, a károsodott kőburkolatokat javították.

A következő felújítás 26 évvel később kezdődött: 1987-89-ben új korrózióvédelmet kapott az acélszerkezet, szigetelték a pályaszerkezetet, a járdák vasbeton lemezét elbontották és újjáépítették, műgyanta szigetelése egyben a járófelület is lett, a pályaszint alatti függesztőrudakat kicserélték, és javították a kőburkolatot. A ’80-as években végzett javítási munkák közben megkísérelték megakadályozni a további vízszivárgást a lánckamrákba, de – különösen a pesti oldalon – nem teljes sikerrel. A lánccsatornában átvezetett láncszakaszokat megtisztították, és a lehorgonyzás előtti lánctagokon 5 x 5 cm-es hálózati osztásban vastagságmérést végeztek. A korrózió okozta legnagyobb keresztmetszeti fogyás 10% volt. 2002-ben újra megmérték a lánccsatornában a láncok vastagságát. A legnagyobb szelvényfogyást 13%-ra becsülték az eredeti mérethez képest.

A megtisztított láncszakaszokon új korrózióvédő festékbevonatot készítettek. A felújítás tervezésének megkezdése előtt még egy fő- és célvizsgálat történt a hídon 2011-ben. Ez a vizsgálat a lánccsatornában vezetett láncok korrózióvédelmi bevonatát – így a láncok korróziós helyzetét – gyakorlatilag megfelelőnek találta. A vizsgálat megállapításai szerint a híd alapozása tökéletes, a főtartók jó, a pályaszerkezet rossz, illetve veszélyes (szélső hossztartók, vasbeton pályalemez), a gyalogjárdák jó, a járdák szigetelése rossz, a saruk, dilatációs szerkezetek és a víztelenítő rendszer rossz állapotban voltak. A híd felújítási munkáinak tervei 2013-17. között készültek el.

Már évekkel azelőtt felmerült, hogy a lánccsuklók némelyike megszorult. Az akkori vizsgálatok ezt nem cáfolták, de nem is erősítették meg. Így a felújítási tervekhez készített erőtani számításban a megszorult csuklókkal is számítottuk a szerkezet viselkedését. A láncok keresztmetszeti felületét az eredeti 85%-ában vettük figyelembe. A jelenlegi szerkezet így is képes a rendeltetésszerűen rá ható terheket (gyalogosok, kerékpárosok, személygépkocsik és a BKK buszai) szabványos biztonsággal hordani, csak a tömegteherre haladják meg a feszültségek a megengedett értéket. A terv szerint átépített állapotra azonban, mely szerint a vasbeton pályalemezt ortotróp acél pályalemez váltja fel, pontosított modellen alapuló vizsgálatokkal igazolhatóvolta megfelelő teherbírás, befeszült csuklókkal és a mért korróziós állapot esetén is, igaz maximális kihasználtsággal, 2018-ban felmerült a járda szélesítésének igénye a kerékpáros közlekedés körülményeinek javítása érdekében, ezért újabb vizsgálatot kértek a szélesítés megvalósíthatóságáról. Ennek megítéléséhez ellenőrizni kellett a lánccsuklók tényleges viselkedését. Ezt egy célvizsgálattal, helyszíni próbaterheléses méréssel végeztük el 2018 októberében. A vizsgálat igazolta, hogy a csuklók a mértékadó teherre nem fordulnak el, a budai pilon koronasarui nem rendeltetésszerűen működnek, az alkalmazott teherszinten vízszintes erőt vesznek fel, azaz többlet terhet ebben az állapotban nem lehet a hídon alkalmazni, így a járda kiszélesítése a főtartószerkezet megerősítése nélkül nem lehetséges.

 

A híd állapotát feltáró újabb vizsgálatok és eredményeik

A kivitelezői árajánlatok hosszabb elbírálásának lehetősége érdekében 2019 szeptemberében kérte a BKK a véleményünket a híd állapotáról, és a szükséges teendőkről a híd biztonságos használhatósága érdekében, a megbízástól számított egy évig. A láncok helyzetét és teherbírását nem egészen egy évvel azelőtt vizsgáltuk, ezért az előzmények alapján mindaddig a legnagyobb tönkremeneteli veszéllyel fenyegetőnek tartott pályaszerkezetre irányítottuk a figyelmünket. A híd pályaszerkezetét alulról szemrevételezéssel vizsgálva kerestük a leginkább károsodott helyeit a vasbeton pályalemeznek és az acél hossztartóknak. A vasbeton pályalemez legsúlyosabban károsodott helyein magmintákat vettünk, feltártuk a vasalását, megállapítottuk a betonacélok átmérőjét, helyzetét, kiosztását és korróziós állapotát. A beton magminták laboratóriumi töréstesztje alapján meghatároztuk az anyag nyomószilárdságát. A vizsgálat néhány szélső acél I tartó öveinek 50%-os, egy helyen a gerinc 80%-os fogyását állapította meg. A Lánchíd 1947-49-es helyreállításához készült kiviteli tervei és a feltárások eredményei alapján megbízhatósági analízist készítettünk a pályalemez teherbírási tartalékainak, illetve tönkremeneteli kockázatának megállapítására. A pályalemez két különböző viselkedésű helyén számítottuk a teherbírást:

– általános helyen, ahol a hossztartók és a pályalemez folytatólagosan halad a kereszttartókhoz kapcsolva, illetve a fölött;

– és az 1949-ben kialakított pályamegszakítások melletti mezőben, ahol a hossztartók és a pályalemez megszakad a kereszttartónál. A számítások első részében a pályaszerkezetet a mért geometriai méretekkel és anyagszilárdságokkal számoltunk a magyar szabványban ajánlott, és általában alkalmazott hagyományos eljárással: a határállapot koncepció alapján, a parciális tényezők módszerével. Ebben a számításban a régebbi magyar szabványban előírt 20 t össztömegű C jelű járművolt a teher, amelynek a hatása kis mértékben majorálja a vizsgálni kért (BKK) buszterhek hatását. Ezzel a számítással egyrészt meghatároztuk a pályaszerkezet szabvány szerinti biztonságát, másrészt megállapítottuk a mértékadó tönkremeneteli módot és az ahhoz tartozó mértékadó teherelrendezést. Ezzel a számítással nem lehet figyelembe venni az anyagjellemzők, a korrózió miatt nagy szórású geometriai adatok bizonytalanságát, és nem lehet meghatározni a szerkezet megbízhatóságát, tönkremeneteli kockázatát. Ezért – az utóbbiak megállapítása érdekében – a számítás második részében megbízhatósági analízis alapú teherbírás-vizsgálatot készítettünk, amelyben sztochasztikus vizsgálattal, matematikai statisztikai módon követtük a valójában valószínűségi változóként figyelembe vehető anyagtulajdonságok változékonyságának a hatását a szerkezet teherbírására. A vizsgálatot egyéves időtávra végeztük el, a szerkezet egy éven belüli megfelelését célul kitűzve. Ezt a számítási eljárást, mint alkalmazható módszert, a hatályos magyar szabvány (MSZ EN 1990) tartalmazza, ezért a számítás egyéb paramétereit is ennek a szabványnak az előírásainak megfelelően vettük fel.

Megjegyezzük, hogy az Útügyi Műszaki Előírás nem rendelkezik erről a pontosabb számítási módszerről. A sztochasztikus számításban a korrózió miatt fogyott szelvényméreteket (övvastagság, illetve gerinclemez vastagság), a szerkezeti acél, a betonacélok, és a beton pályalemez anyagának szilárdsági tulajdonságait tekintettük valószínűségi változónak. Az eloszlás- és sűrűségfüggvényeket szakirodalmi adatokra támaszkodva vettük fel. A számítást Monte Carlo szimulációval hajtottuk végre, amihez latin hiperkocka mintavételezési eljárással határoztuk meg a valószínűségi változók aktuális értékeit. A nagyon sokszori számítást igénylő szimulációt a determinisztikus számításokban mértékadónak bizonyult terhelési esetre hajtottuk végre. A vizsgált buszok közül a legnagyobb tengelyterhelésű VOLVO 7700 A jelű járművet választottuk kifigyelembe veendő teherként. A szokásos determinisztikus számítások szerint a pályalemez szabványosbiztonsággal megfelel a C jelű teherre az általános helyeken is és a pályamegszakítás melletti mezőben is. A biztonság szintje ez utóbbi helyen/helyeken – a volt pályamegszakítások melletti mezőben – mindemellett jellemzően kisebb, mint az általános keresztmetszetekben.

A számítás szerint a tönkremenetel a szélső hossztartó gerinclemezének horpadásával indul el. Ekkor a vasbeton pályalemez fokozatosan konzolos viselkedéssel kezd átvenni terheket a szélső hossztartótól, ami egyébként még további terheket képes felvenni a tönkremenetel jellegéből és az anyagtulajdonságokból következő ún. felkeményedés következtében. A determinisztikus számítás tehát azt mutatja, hogy a szerkezet mai állapotában és korróziós mértékében még szabványos biztonsággal képes hordani terheit.

A sztochasztikus számításban – a módszer alapelvéből következően – biztonsági (parciális) tényezőt nem, de dinamikus tényezőt 1,40 értékkel figyelembe vettünk. A sztochasztikus számítás eredményeinek nagyon nagy szórása van, ami a korróziós modell és a korróziós anyagfogyás mértékében lévő nagy bizonytalanság következménye. Az eredmények szerint a pályamegszakítás melletti mezőben a pályaszerkezet megbízhatósági β indexe 2,43 értékű, ami 1:100 valószínűségű tönkremenetelnek felel meg. Megjegyezzük, hogy a hídszerkezetek tönkremenetellel szemben elvárt biztonsága – teljes élettartamra vonatkozóan – β=4,27, ami 1:100000 tönkremeneteli valószínűséggel egyenértékű kritérium. Hangsúlyoznunk kell azonban: a számítás eredményét nem úgy kell értelmezni, hogy minden századik tengely áthaladásakor tönkremenetel várható. Ez a számítási eredmény arra hívja fel nagyon markánsan a figyelmet, hogy ezen a helyen a korróziós állapotra nagyon érzékeny a szerkezet. Az észlelt vastagságok és a mért anyagtulajdonságok mellett a szerkezet még éppen képes az elvárt biztonsággal hordani a terheket, de azt tudomásul kell vegyük, hogy minden ponton nem tudjuk megállapítani a szelvényméreteket, tehát azokat a maguk változékonyságában, a korróziós jelenség hatásának ismeretében nagy eltérésekkel igaznak (nagy szórásúnak) kell elfogadjuk. Nem tekinthetünk el attól sem, hogy a szerkezetnek nem csak a vizsgálat, az észlelés időpontjában kell megfelelő teherbírásúnak lennie, hanem az azt követő elvárt időtartamban is, ami esetünkben egy év (a vizsgálattól a beavatkozásig). A sztochasztikus számítás eredményei tehát arra mutattak rá: bár rövid távon szabványosan kis valószínűségű a pályaszerkezet tönkremenetele a buszok tengelyterhe alatt, de a szerkezetet minél hamarabb ki kell szabadítani ebből az állapotából. A kiviteli tervek elkészültek ennek az egy kritikus helynek a megerősítésére, a kivitelezőt is kiválasztották. A javítás hamarosan megtörténik, utána nincs tönkremeneteli veszély a következő egy évben a pályaszerkezetben.

A pálya alatti vizsgálat nem várt nagyszámú betonleválást észlelt a járdák vékony vasbeton lemezének alsó felületéről. A vasbeton lemez alsó vasalásának duzzadó rozsdája feszítette le magáról az alsó betontakarást. A leeséssel fenyegető betondarabokat a kezelő eltávolította a járdák alól. A korrózió sebességéből következően a kéthavi vizsgálat elegendő arra, hogy az esetleges újabb leválásokat észleljék, és eltávolítsák. Így leeső betondarabok nem jelentenek közvetlen veszélyt a híd alatti forgalomra. Ezek az alsó síkról lefeszített betondarabok kagylós repedésképpel válnak el a vasbeton lemeztől, az amúgy is vékony lemez helyenként akár 3-4 cm-re is elvékonyodhat(ott). Ezeken a helyeken a lemez átlyukadhat, különösen, ha a felső sor betonacél is lefeszíti magáról a felső betontakarást. Ez ellen a veszély ellen csak kettőt tehetünk: vagy át kell építeni a járdalemezt, vagy ideiglenes védelemről kell gondoskodni. A közeli teljes felújítás előtt nincs értelme külön versenyeztetni a kivitelezőket a járda átépítésére, és a munkát külön elvégezni, ezért azt javasoltuk, hogy a kritikus helyeket acél bordáslemezzel fedjék át.

 

Összefoglalás

A Lánchíd felszerkezete súlyos korróziós károkat szenvedett, ezért nagyon rossz állapotban van. A teherviselő szerkezetek alapos vizsgálatai azt mutatják, hogy jelenleg nincs tönkremeneteli veszély a hídon, ami a rajta vagy az alatt zajló forgalmat veszélyeztetné. A korrózióvédelmi bevonatok azonban évek óta nem töltik be a szerepüket, a korrózió folyamatosan pusztítja az acél (és közvetetten a beton) teherviselő szerkezeteket. A híd egyéb részei is rossz vagy súlyos állapotban vannak, például a vízszint alatt kiüregelődött pillértestek, a merevítőtartók sarui, a pillér körüli járdák alatti dísz öntvényeket tartó szerelvények, a korlátbekötések stb. A híd felújítása már régen esedékes, de többokból is sürgető:

– Pillanatnyilag az eleve vékony vasbeton járdalemezek állapota igényli a legnagyobb figyelmet a balesetveszély megelőzésére. A helyenként nagyon elvékonyodott vasbeton járdalemez átlyukadását provizórikus acéllemez áthidalással lehet elhárítani. A duzzadó rozsda által lefeszített betondarabok leesésénekmegelőzése érdekében sűrű vizsgálat, és időnként alpinisták beavatkozása szükséges. Mindez fölösleges idő és költség, a maga kockázataival.

– A pályaszerkezet még megfelelő teherbírása csak korlátozott ideig állhat fenn, igaz, hogy a veszélyessé váló részek könnyen javíthatók.

– Az összetett szelvényekből álló merevítőtartók lemezei között is megjelent a duzzadó rozsda. Amennyiben engedjük terjedni a rozsdát a lemezek között, az összetett szelvényeket meg kell majd bontani, és lemezeket kell cserélni a merevítő tartóban. Szintén nagy korróziós szelvényfogyást láttunk a kereszttartók bekötésének környezetében a főtartóba. Egyelőre ezt még javíthatónak látjuk a kereszttartók cseréje nélkül. Ha ezek a romló folyamatok tovább haladhatnak és további szerkezeti elemekre is kiterjednek, az nagy költségnövekedést okozna az eddig tervezett beavatkozások költségéhez képest.

– A csuklóknál összefekvő láncszemek között megjelent a duzzadó rozsda. Ennek nyomása a csuklók mozgását már ma is meggátolja. A rozsda egyre mélyebbre terjed és egyre nagyobb szelvényfogyást okoz. Különösen súlyos a helyzete a legnehezebben megközelíthető, legkevésbé kezelhető, a sós víznek leginkább kitett láncszakaszoknak a lánccsatornában. A sok lemez együttese gyakorlatilag nem javítható, ezeken a helyeken nem vizsgálható, és a károsodás mértéke nem megállapítható. Ha minél korábbi beavatkozással a láncok közötti korróziót meg tudjuk állítani, akkor a Lánchíd szerkezete megmaradhat még legalább 30 évig. A felújítás halogatásával a láncok várható élettartama fog egyre inkább rövidülni, ami belátható időn belül a híd felszerkezetének kényszerű átépítésére fog vezetni.