BME Vásárhelyi Pál Építőmérnöki és Földtudományi Doktori Iskola  

BME Építőmérnöki Kar, Hidak és Szerkezetek Tanszék

Témavezető: Dr. Vigh László Gergely

Magyarországi közúti hidak szeizmikus viselkedése és károsodáselemzése 

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Kutatásomban magyarországi közúti hidak szeizmikus viselkedését vizsgálom. A célom valószínűségelméleti módszerekkel kimutatni különböző károsodási szintek bekövetkezésének kockázatát egy esetleges földrengés esetén. Az általam alkalmazott eljárás alkalmas a kritikus hídkomponensek meghatározására és azok megerősítési módjainak hatékonyságának elemzésére, így optimális gazdasági döntések meghozatalára is. Egy olyan keretrendszert dolgoztam ki, mellyel a kockázatelemzés automatizálható, akár a teljes magyarországi hídállományra.

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatásomat a Hidak és Szerkezetek Tanszéken végzem, mely a szerkezet-építőmérnöki ágazat tervezési tárgyainak oktatásáért felelős. Akkreditált szerkezetvizsgáló laboratóriumában jelentős kutatási folyik. A tanszék emellett erős ipari partner szakértőként, társtervezőként, független ellenőrként. Témavezetőm, Dr. Vigh László Gergely a földrengési kutatócsoport vezetője, tagja a földrengés-tervezési szabványon dolgozó (Eurocode 8 [1,2]) ECCS-TC13 bizottságának.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Magas szeizmicitású övezetekben, mint amilyen például az USA nyugati partvidéke, Japán, Új-Zéland, Európa Mediterrán-tenger vidéke, az emberek évtizedek óta fel vannak készülve nagyobb erejű földrengésekre. A mérnöki tervezésben a földrengési hatások tudatosan megjelennek, azokra tervezik, méretezik a mérnöki szerkezeteket. Ezzel szemben az alacsony és mérsékelt szeizmicitással jellemezhető régiókban (USA keleti partvidéke, Európa Mediterrántól északra fekvő része) ez a felfogás körülbelül csak a 90-es évektől kezdett beszivárogni a mindennapos gyakorlatba. A tervezés hiánya miatt már egy kisebb intenzitású földrengés is olyan károkat okozhat ezeken a területeken is, mely jelentős gazdasági következményekkel járhat. Ennek tudatában a hatályos egységes európai szabvány (Eurocode 8) előírja minden új vagy megerősítendő hídszerkezet szeizmikus vizsgálatát mérsékelt (pl. Magyarországon) vagy alacsony szeizmicitás esetén is. A korábbi magyar szabvány (ÚT [3]) csak az 50 méternél nagyobb nyílású hidak esetén követelte meg ezt, így a hidak túlnyomó többsége a szeizmikus hatás figyelembe vétele nélkül lett megtervezve. Az utóbbi időben számos új híd építése vagy megerősítése során derült fény a szeizmikus tervezés hiányosságaira. Az eddigi eredmények alapján valószínűsíthető, hogy a szabvány által előírt intenzitású földrengés esetén egyes hidaknál jelentős károsodások keletkezhetnének.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések.

A korábbi eredmények mellett a saját tervezési és kutatási tapasztalatok [S1,S2,S3,S4] is azt mutatták, hogy bizonyos hidak esetén a földrengési teher mértékadó lehet a szeizmikus tervezés hiánya miatt. A hidak szeizmikus viselkedésének megismerése így elsődleges feladat. A kutatás célja egy egységes, egész országra kiterjedő vizsgálati rendszer kidolgozása és megvalósítása. Hasonló, teljes hídállományra kiterjedő vizsgálatot hajtottak végre például az USA keleti partvidékén [4], Olaszországban [5], Törökországban [6], azonban Európán belül, mérsékelt szeizmikus övezetben hasonló kutatás még nem volt. A szeizmikus viselkedésre adott szerkezeti válasz bizonytalanságainak legfőbb forrása a szeizmikus teher bizonytalansága, így a vizsgálatok elvégzésében kulcsfontosságú szerepe van a teher megfelelő felvételének. A teljes hídállomány kiértékeléséhez szükséges egy, a meglévő hidakat magába foglaló közúti hídadatbázis, melynek kialakítását, illetve a szükséges adatok körét meg kell határozni. Az adatbázis elemzésével a hidak csoportosíthatóak, a típusszerkezetek főbb adatai statisztikailag kiértékelhetőek. Ezen adatok birtokában meg kell határozni egyszerűsített paraméteres vizsgálatokkal, hogy mely hídtípusok, kialakítások esetén mely hídkomponensek (felszerkezet, pillérek stb.) lehetnek kritikusak. Ezek a vizsgálatok felvázolják a veszélyeztetett szerkezetek körét, azonban a hidak károsodásának gazdasági következménye csak a károsodás kockázatának számításával értékelhető ki. Ehhez valószínűségelméleti alapokon nyugvó analízist kell végrehajtani, melynek rendszerét egységesen kell kidolgozni, hogy az a teljes hídállományra végrehajtható legyen. Utolsó lépésként a magas kockázatú hidak esetén megerősítési alternatívák kidolgozását és azok összehasonlítását kell elvégezni; meg kell határozni, hogy miként és milyen mértékben csökkenthető a kockázat különböző beavatkozásokkal.

Módszerek

Közúti hídadatbázis létrehozása, numerikus modellek kidolgozása

A Közlekedésfejlesztési Koordinációs Központtal (KKK) együttműködve kaptam meg az általuk fejlesztett Egységes Hídnyilvántartási Rendszer (EHR) adatait, melyből saját adatbázist hoztam létre. A magasabb rendű utakon lévő hidakat (1.a ábra) besoroltam szerkezeti rendszer, anyag, fajlagos előfordulás és érték alapján. Az országos hálózatban legnagyobb számban vasbeton, azon belül előregyártott gerendás hídjaink vannak többségben (1.b ábra).

 

 

1. ábra a) Magasabb rendű utakon lévő hidak besorolása. b) Besorolt hidak megjelenítése országos térképen (feketével az előregyártott gerendás hidak).

 

2. ábra Tipikus előregyártott gerendás autópályahíd numerikus modellje.

 

A kutatás célja nem csak a vizsgálati módszerek kidolgozása, hanem azok automatizálhatóságának biztosítása. A földrengésvizsgálatokhoz, szimulációkhoz szükséges az egyes hidak numerikus végeselemes modellje [S5,S6]. Egy integrált rendszert hoztam létre MySQL, Matlab [7] és OpenSees [8,S7] segítségével, mely az adatbázisból lekérdezi az adatokat, majd hidanként automatikusan megépíti a szerkezet modelljét és végrehajtja a kiválasztott analízist. Egy tipikus autópályahíd numerikus modelljét mutatja a 2. ábra. Az üzemeltetési céllal készült EHR nem elegendő a hidak pontos modellezéséhez, így megépült hidak terveinek és a tervezési szokások elemzésével becsültem a hiányzó paramétereket.

 

Földrengési teher meghatározása

A földrengésvizsgálat végrehajtható a frekvenciatérben válaszspektrum-analízis segítségével, vagy az időtérben mesterséges vagy valós földrengésrekordokkal időtörténeti vizsgálatot alkalmazva. A szabványos válaszspektrum pontosításához valószínűségi szeizmikus veszélyeztetettségi vizsgálatot [9] hajtottam végre, mellyel meghatároztam a helyszínre jellemző veszélyeztetettségi görbét. Ez a spektrális intenzitások túllépési valószínűségeit adja meg (3.a ábra). Azonos túllépési valószínűséghez (a szabványos érték 10% 50 év alatt) tartozó spektrális értékekből meghatároztam a helyszínre jellemző válaszspektrumot több helyszínre is. Az 3.b ábra alapján a pontosított spektrum kisebb szeizmikus terhet jelent, mint a szabványos eset. A válaszspektrum pontosítása mellett kidolgoztam egy olyan algoritmust [S4,S8], mely a kiválasztott spektrumra illesztve generál mesterséges rekordokat az időtörténeti vizsgálathoz. Ezek a rekordok illeszkednek a spektrumra, de más intenzitási jellemzőikben, pl. energiatartalmukban eltérhetnek a valós földrengésektől. Továbblépésként egy rekordkiválasztó algoritmust adaptáltam [10,11] magyarországi viszonyokra. Több ezer meglévő rekord közül kiválasztottam azokat a rekordokat, melyek intenzitásjellemzői (nem csak spektrális, hanem pl. energiatartalmat mérő jellemzők is) a helyszínre számolt eloszlást követnek. Ilyen kiválasztott rekordokat mutat a 3.b ábra.

3. ábra a) Veszélyeztetettségi görbe Komárom térségére. b) Szabványos és helyszínre számolt válaszspektrumok és kiválasztott földrengésrekordok.

 

Kritikus kialakítások és károsodások kockázatának elemzése

A kritikus konfigurációk és komponensek meghatározását paraméteres vizsgálat keretében válaszspektrum-analízis segítségével hajtottam végre [S9,S10]. A válaszspektrum analízis gyors és hatékony eszköz, mellyel széles paramétertartomány fedhető le; egy felső becslés adható a kialakuló belső erőkre és elmozdulásokra. A vizsgálat középpontjában a legnagyobb számban előforduló, előregyártott gerendás autópályahidak álltak. A bemenő paramétereket az adatbázis statisztikai elemzésével határoztam meg. A károsodások megbízható kiértékeléséhez az elemek tényleges ciklikus-képlékeny viselkedését legjobban megközelítő anyagmodellek felvétele szükséges. A végeselemes modellt ennek tükrében fejlesztettem tovább, szem előtt tartva az automatizálhatóságot is. A károsodások kialakulásának valószínűségét szeizmikus kockázatanalízissel határoztam meg (4. ábra).

4. ábra Szeizmikus kockázatanalízis illusztrálása.

 

A szerkezetről megépített anyagi nemlineáris numerikus modellen kellő számú időtörténeti analízist hajtunk végre különböző intenzitási szinteken. Ezután a maximális válaszok (belső erők, deformációk stb.) és az adott károsodási szint kapacitásának összevetésével meghatározzuk a károsodás túllépési valószínűségét az intenzitás függvényében. A kapott törékenységi görbe feltételes valószínűséget ad meg, a teljes kockázat az intenzitások bekövetkezési valószínűsége ismeretében (lásd 3.a ábra) számítható a törékenységi és veszélyeztetettségi görbe szorzatintegráljaként. Egy tipikus autópályahíd törékenységi görbéit mutatja az 5.a ábra. A komponensekhez tartozó görbék alapján számítható, hogy mely hídkomponens a legérzékenyebb a földrengési teherre, a teljes szerkezet törékenységi göbéjéből pedig a híd várható károsodásának kockázata számítható.

Eddigi eredmények

Közúti adatbázis kibővítése

A közúti adatbázis jelen állapotában hiányos, pontosított analízisre nem, csak a főbb bemenő paraméterek felvételére alkalmas. A kutatásom során elemeztem a meglévő adatbázis rendszerét, meghatároztam a szükséges, hiányzó adatok körét, valamint megterveztem a kibővített adatbázis struktúráját és ütemezését [S9].

 

Szeizmikus teher meghatározása

A helyszínre jellemző spektrumok létrehozásával pontosítottam a szeizmikus terhet, majd különböző spektrumokra illesztett rekordokkal elvégzett vizsgálatokkal (5.b ábra) igazoltam, hogy ezzel csökkenthető a számított károsodási kockázat [S8].

 

5. ábra a) Tipikus autópályahíd törékenységi görbéi teljes károsodás esetén b) Szabványos és helyszínre jellemző spektrumhoz kiválasztott földrengésrekordokkal előállított törékenységi görbék pillér hajlítási tönkremenetelére.

 

A várható földrengési intenzitások meghatározása során kimutattam, hogy a szabvány által Magyarországra javasolt 10 másodpercnél kisebb mértékadó időtartamok jellemzik a földrengéseket [S8]. Ez képlékeny rendszerek esetén csökkentheti a számított tönkremeneteli kockázatot a halmozódó képlékeny alakváltozások várható csökkenése miatt.

 

Autópályahidak rendszerszintű kiértékelése

Az előregyártott gerendás autópályahidak esetén kimutattam, hogy a pillérek nyírási teherbírása, valamint a felszerkezet és hídfők közötti kapcsolat kritikus. Az adatbázis alapján a főbb paraméterek függvényében meghatároztam az egyes kialakítások és komponensek maximálisan megengedhető intenzitásait, majd ezeket összevetve az országra jellemző tervezési talajgyorsulási térképpel (6.a ábra) a híd pozíciója alapján meghatároztam a kritikus komponensek számát (6.b ábra). Ezek alapján a többnyílású hidak pillérjeinek nyírási teherbírása a hidak több mint felénél nem megfelelő. A vizsgálat nagyságrendben vázolja a kritikus elemek és hidak számát; a hidak elhelyezkedése információt szolgáltat egy megerősítési tervhez; rendszerben gondolkodva pedig az indirekt kockázatok számítása is lehetővé válik [S10].

6. ábra a) Pillér nyírási teherbírása alapján kritikus (piros) és megfelelő (zöld) hidak a szabványos maximális talajgyorsulási térképen ábrázolva. b) Kritikus komponensek százalékos előfordulása többnyílású hidra.

 

Meglévő autópályahidak kockázatanalízise

Eddigi munkámban 30 előregyártott gerendás autópályahídon végeztem el a kockázatanalízist. A vizsgálatok igazolták ezen hidak pillérjeinek nyírási teherbírásának elégtelenségét, míg a hajlítási teherbírás az esetek többségében megfelelő mértékű. A teljes szerkezetre vonatkozó törékenységi görbe alapján számítottam a teljes rendszer tönkremenetelének kockázatát, majd kimutattam, hogy a kockázat csökkenthető csupán a pillérek nyírási teherbírásának növelésével. Három különböző alternatív megerősítési módot vizsgálva kimutattam, hogy a szálerősítésű műanyaggal való köpenyezés a leggazdaságosabb megoldás [S11].

Várható impakt, további kutatás

A földrengési teher pontosításával gazdaságosabb szerkezetek tervezhetőek. Cél, hogy a pontosított helyszíni spektrum az egész ország területére meghatározásra kerüljön. Terveink szerint ezt, valamint a mesterséges rekordgeneráló és a rekordkiválasztó programot is szeretnénk webes felületen elérhetővé tenni a jövőben a gyakorló mérnökök számára. A paraméteres vizsgálatok kirajzolták az egyes hidak kritikus komponenseinek körét, a maximálisan megengedhető intenzitásértékekből kiindulva a tervezőmérnökök megbecsülhetik, hogy az adott tervezési helyszínen mire kell odafigyelniük a tervezés során. A hidak károsodási szintjeinek kockázatával gazdasági elemzések végezhetőek, optimális döntés születhet egy esetleges beavatkozás, megerősítés tervezésekor. Ezek az elemzések nemzetgazdasági szintűek lehetnek, a megfelelő adatok birtokában rendszerszintű vizsgálat hajtható végre a kidolgozott keretrendszer segítségével. Fontos kiemelni, hogy a kutatás gyakorlati alkalmazásra irányul, az eredmények a későbbiekben a szabványokba közvetlenül beépülhetnek. Az általam kidolgozott rendszer gyakorlati alkalmazására is sor került a meglévő Hárosi Duna-híd megerősítésének tervezésekor [S12]. További cél az adatbázis általunk megtervezett bővítése, ezáltal egy olyan egységes rendszer kialakítása, mellyel a teljes hídállományra automatikusan lehet végrehajtani nem csak az eddigiekben bemutatott vizsgálatokat, hanem bármilyen más szerkezeti analízist (pl. nehézgépjárművek útvonaltervezésére) is.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája.

 

[S1] Simon J, Vigh LG. (2013). Hidak megerősítése szeizmikus hatásokkal szemben. Építményeink védelme 2013. Ráckeve, Magyarország. pp. 1–15., ISBN:978–963–89016–5–1.

[S2] Simon J, Martinovich K, Dani B, Ájpli B, Sapkás Á, Vigh LG. (2013). Hidak állékonyságának biztosítása szeizmikus terhekre – esettanulmányok. Útügyi Lapok 1:(1). Paper 2.

[S3] Simon J, Vigh LG. (2012). Seismic assessment of Hungarian highway bridges – A case study. Proceedings of the First international conference for PhD students in Civil Engineering. Kolozsvár, Románia, 2012., pp. 155–162. ISBN:978–973–757–710–8.

[S4] Simon J, Vigh LG. (2013). Seismic assessment of an existing Hungarian highway bridge, Acta Technica Napocensis – Civil Engineering and Architecture 56:(2), pp. 43–57.

[S5] Simon J. (2012). Numerical model development for seismic assessment of continuous girder bridges. Proc. of Conference of Junior Researchers in Civil Engineering, BME, Budapest, pp. 34–41, ISBN 978–963–313–061–2.

[S6] Simon J. (2013). Parameter identification for dynamic analysis of pile foundation using non-linear p-y method. Proceedings of the Second Conference of Junior Researchers in Civil Engineering, Budapest, pp. 161–170.

[S7] Simon J, Vigh LG. (2014). Multi modal response spectrum analysis implemented in OpenSEES. OpenSees Days Portugal 2014: Workshop on Multi-Hazard Analysis of Structures using OpenSees, Porto, Portugália, pp. 39–42.

[S8] Simon J, Vigh LG. (2015). Seismic Vulnerability Assessment of an Existing Hungarian Highway Bridge Using Hazard Compatible Ground Motions. 12th Hungarian Conference on Theoretical and Applied Mechanics. Miskolc.

[S9] Simon J, Vigh LG. (2015). Magyarországi hídadatbázis alkalmazhatósága meglévő közúti hidak földrengésvizsgálatához. Útügyi Lapok. 5: pp. 1–24.

[S10] Simon J, Vigh LG. (2015). Parametric seismic analysis of prestressed multi-girder bridges in Hungary, Bulletin of Earthquake Engineering, (beküldve).

[S11] Simon J, Vigh LG. (2015). Preliminary seismic vulnerability assessment of pre-code multi-girder bridges in Hungary. SECED 2015 Conference: Earthquake Risk and Engineering towards a Resilient World, Cambridge, Egyesült Királyság.

[S12] Simon J, Vigh LG, Horváth A, Pusztai P. (2015). Application and assessment of equivalent linear analysis method for conceptual seismic retrofit design of Háros M0 highway bridge. Periodica Polytechnica Civil Engineering, 59:(2) pp. 109–122.

 

Hivatkozások listája.

 

[1] European Committee for Standardization (CEN). (2008a). EN 1998-1:2008 Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance – Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings, CEN.

[2] European Committee for Standardization (CEN). (2008b). EN 1998-1:2008 Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance – Part 2: Bridges, CEN.

[3] ÚT. (2004). Útügyi Műszaki Előírás ÚT 2-3.401 Közúti hidak tervezése, Általános előírások. Magyar Útügyi Társaság.

[4] Nielson BG. (2005). Analytical Fragility Curves for Highway Bridges in Moderate Seismic Zones. PhD dissertation, School of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology.

[5] Borzi B, Ceresa P, Franchin P, Noto F, Calvi GM and Pinto PE. (2014). Seismic Vulnerability of the Italian Roadway bridge stock. Earthquake Spectra, (nyomdában).

[6] Avşar Ö, Yakut A and Caner A. (2011). Analytical Fragility Curves for Ordinary Highway Bridges in Turkey. Earthquake Spectra 27(4):971–996.

[7] MATLAB (2010). The MathWorks, Inc. Natick, Massachusetts, United States.

[8] McKenna F, Scott MH and Fenves GL. (2010). Nonlinear Finite-Element Analysis Software Architecture Using Object Composition. Journal of Computing in Civil Engineering 24(1):97–105.

[9] Cornel CA. (1968). Engineering seismic risk analysis. Bulletin of the Seismological Society of America, 58(5), 1583–1606.

[10] Bradley BA. (2010). A generalized conditional intensity measure approach and holistic ground-motion selection. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 39:1321–1342.

[11] Bradley BA. (2012). A ground motion selection algorithm based on the generalized conditional intensity measure approach. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 40(2012) 48–61.