Projekt rychlodráhy na magnetickém polštáři Mnichov hl. n. - letiště a vývoj nových nosníků, část I.

V současné době probíhá projekt rychlodráhy na magnetickém polštáři (Transrapid) mezi mnichovským hlavním nádražím a letištěm. Plánovaná dráha je dlouhá 38 km a bude po Šanghaji druhou komerčně provozovanou trasou na světě. Jednou z největších překážek většího rozšíření Transrapidu je poměrně vysoká cena jízdní dráhy, která je mimo jiné způsobená extrémně vysokými požadavky na její přesnost. Z tohoto důvodu vyvíjí několik firem nové druhy nosníků s cílem snížení ceny a aplikace vlastního řešení na komerčních trasách.

Úvod

Idea vozidla pohybujícího se na magnetickém polštáři sahá do roku 1934, kdy německý inženýr Hermann Kemper toto řešení patentoval. Skutečný vývoj této technologie nastal až počátkem 70. let 20. století. V letech 1980-1987 byl postupně postaven zkušební okruh o délce 31,5 km u městečka Lathen, na kterém se testují jak nové typy vozidel a nosníků. Na počátku 90. let 20. století zařadila německá vláda mezi výhledové projekty 292 km dlouhou trať mezi Berlínem a Hamburgem. Při změně vlády v roce 2000 byl však projekt zrušen. Téhož roku bylo rozhodnuto o stavbě Transrapidu v Šanghaji, kde rychlovlak spojuje letiště s městem. V roce 2003 byl zahájen komerční provoz této 30 km dlouhé trati. V současné době se připravuje její prodloužení o 200 km do města Chang-čou. V Mnichově se nyní plánuje trasa mezi hlavním nádražím a letištěm, konečné rozhodnutí o její realizaci však ještě nepadlo.

Princip pohonu a požadavky na jízdní dráhu

Princip pohonu Transrapidu je znázorněn na obr.1. Vozidlo obepíná konzolovité rozšíření horní části nosníku, na jejíž spodní straně je umístěno trojfázové vinutí tvořící stator elektromagnetického pohonu. Na podvozku vozidla se v úrovni statoru nachází magnety fungující jako rotor. Vpuštěním trojfázového proudu do vinutí jsou tyty magnety jednak přitahovány elektromagnetickou silou, takže se vozidlo nadzvedne, jednak taženy ve směru vln elektromagnetického pole, čímž se vozidlo pohybuje ve zvoleném směru.

Obr. 1 Příčný řez nosníku jízdní dráhy a umístění magnetů

K zajištění polohy vozidla ve vodorovném směru slouží boční vodící plechy umístěné po stranách konzolovitého rozšíření nosníku a protilehlé boční vodící magnety na podvozku. Mezi magnety a plechem se vytváří magnetické pole a magnety jsou k plechu přitahovány. Velikost těchto sil na obou stranách nosníku je regulována tak, aby nedošlo ke kontaktu mezi magnetem a plechem. Vlak se pohybuje po nosníku bezkontaktně, takže se vlastně vznáší. V případě výpadku proudu či poruchy vozidlo dosedne nouzovými lyžinami na kluznou plochu na horní straně nosníku.
Vzdálenost mezi magnety a plechy respektive vinutím je 20 až 30 mm a musí být velmi přesně dodržena. Především vzdálenost vodících plechů navzájem (rozchod) a vzdálenost mezi kluznou plochou a vinutím musí být provedeno s přesností desetin milimetru. Uvážíme-li, že niveleta komerčních tras většinou není přímá nýbrž zakřivená jak ve vodorovném tak ve svislém směru, představuje zachování těchto tolerancí značný technický a technologický problém a vede k prodražení nosníků jízdní dráhy.

Kromě výrobních tolerancí jsou i dovolené průhyby velmi malé. Například:
Od tíhy vozidla (28 kN/m): w_z / L ≤ 1/ 4800
Od svislého teplotního rozdílu (17 °C) w_z / L ≤ 1/ 8000
Od vodorovného teplotního rozdílu (10 °C) w_y / L ≤ 1/ 5800
Od dotvarování a smršťování (t=∞): w_z ≤ ±1,0 mm
Dosavadní nosníky (ať už betonové nebo ocelové) se vyznačovaly tím, že byly vyrobeny kompletně v prefě respektive mostárně, převezeny na staveniště a uloženy na kalotová rektifikovatelná ložiska. Případné nepřesnosti nad mez tolerancí se řešily obroušením plechů a obnovením protikorozní ochrany. Všechna tato řešení mají pro komerční trasu s různorodou niveletou následující nevýhody:

• Každý nosník má jinou geometrii a je tudíž originál. To komplikuje prefabrikaci a vícenásobné opakování technologických postupů, použití stejného bednění atd.
• Vzhledem k velmi malým dovolený deformacím od dotvarování a smršťování musí být při výrobě betonových prefabrikátů velmi striktně zachovány konstantní receptury, stálá teplota a vlhkost vzduchu a časové harmonogramy pro předpínání, odbednění a montáž. V Šanghaji musely být pro zajištění těchto podmínek výrobní haly klimatizovány. I striktní, neflexibilní časový harmonogram je pro komerční liniovou stavbu nevýhodný.

Vývoj nových druhů nosníků

Vzhledem k vysoké ceně všech dosavadních nosníků vypsalo německé spolkové ministerstvo dopravy v roce 2002 veřejnou soutěž na vývoj nových, cenově efektivnějších nosníků, přičemž úspora musela dosáhnout aspoň 20%. Soutěž byla rozdělena do dvou skupin – pro nosníky nadzemní uložené na sloupech a nosníky uložené celoplošně na zemině. V každé skupině bylo 5-6 uchazečů. Soutěž probíhala v 6 fázích. Ve fázi 1a byla představena hlavní idea nového řešení, ve fázi 1b bylo toto řešení podrobnější rozpracováno se zohledněním připomínek odborné poroty. Na konci této fáze byl vybrán vítěz každé skupiny, který získal zakázku na prováděcí projekt (fáze 2) a po jeho úspěšném zpracování na stavbu dvou prototypů na testovací trase (fáze 3), vyhodnocení rozsáhlých měření během testovacích jízd a certifikaci (fáze 4). Inženýrská kancelář SSF vytvořila společně s třemi stavebními firmami (Fa. Wiebe, Wittfeld a Ludwig Freitag) tzv. „sdružení středně velkých firem“ BgmU (Bietergemeinschaft mittelständischer Unternehmen). Toto sdružení se stalo vítězem 1. skupiny.

Nové druhy nosníků musí vyhovovat následujícím trasovým parametrům:
Poloměr oblouku:   H 350 m ≤ R_H ≤ ∞
Příčné naklonění nosníku: α ≤ 12°
Maximální rychlost: v = 520 km/h

Navržené řešení se vyznačuje tím, že využívá principu stavebnice (obr. 2), přičemž každý díl má jiné požadavky na přesnost, ale jeho geometrie zůstává stále stejná, takže je možná jejich sériová výroba. Rozlišují se dvě třídy přesnosti AE1 (běžná přesnost) a AE2 (vysoká přesnost). Vhodným sestavením dílů se docílí libovolná niveleta trasy.

Obr. 2 Princip a postup montáže nosníku jízdní dráhy

Primární nosnou konstrukci v podélném směru tvoří prefabrikovaný komůrkový nosník (FWLT), který má běžné požadavky přesnost (AE1), takže ho dokáže vyrobit prakticky kterýkoli kompetentní výrobce prefabrikátů. Na tento podélný nosník se na staveništi osadí 3-metrové segmenty, které jsou tvořeny dvěma ocelovými svařovanými nosníky (SKT) spojenými 3 pražci (QT). Plechy nosníků SKT vytváří boční vodící plech, kluznou plochu pro lyžiny a plochu pro montáž vinutí. Tyto tři roviny musí vykazovat maximální přesnost ±0,1 mm (AE2), což však pro výrobce ocelových konstrukcí není velký problém. Pražce zajišťují exaktní rozchod bočních vodících plechů, který činí 2800 mm. QT je tvořen 4 betonářskými pruty ztuženými příhradovinou s betonovými hlavami na koncích. Spojení pražce a SKT je realizováno vysokopevnostními šrouby 10.9.