Bevezetés

Pályaszerkezeteink teherhordó szerkezetek, igénybevételeiket a járműforgalomból és a meteorológiai hatásokból kapják.
A járműforgalom hatása azonban korántsem mennyiségi kérdés, számít többek között a járműsebesség is.
Jelen írásnak a célja a járműsebességből eredő hatások számszerűsítése, egy konkrét nagy forgalmú autópálya szakasz esetében.
Ez egyben egy másik, fontos kérdés része, mit tudunk megállapítani meglévő aszfaltszerkezeteink méretezési tulajdonságairól, de erről csak a végén.

Elméleti alapok

Sajnálatos módon a probléma értelmezéséhez szükségesek némi elméleti alapok is, ezeket itt foglalom össze.

Az aszfalt merevségének terhelési idő (sebesség) függése

Útpályaszerkezeteink aszfaltja viszkózus tulajdonságokkal (is) rendelkezik, ez-egyebek között – az aszfaltok merevségének terhelési idő függésében nyilvánul meg, 1. ábra.

Aszfaltkeverékek merevségének terhelési idő (sebesség) függése

Jól megfigyelhetők a következők:

• a terhelési idő függés a viszkózus tulajdonságok „hordozójától” a kötőanyagtól függ
• egy viszonylag alacsony járműsebességtől kezdve a függés gyakorlatilag lineáris (ezt jeleztem pontozott vonallal)
• a merevség a haladási sebesség csökkenésével lényegében arányosan csökken, a kisebb merevség nyilvánvalóan az alacsonyabb élettartam irányába hat

Haladási sebesség, terhelési idő, frekvencia

A terhelési idő, a haladási sebesség és a terhelési frekvencia között képletszerű összefüggés van, amit a 2. ábrán láthatunk.

Terhelési idő, frekvencia és jármű sebesség függése

Pályaszerkezet élettartam

A pályaszerkezet élettartamát – egyszerűsítve – azonosnak veszem az aszfaltszerkezet alsó szálában keletkező megnyúlásból meghatározhatóval, megjegyzem, ennél lényegesen komplexebb élettartam kritérium is figyelembe vehető.

Aszfaltnyúlás számítása

A meglévő pályaszerkezetekben keletkező megnyúlások meghatározására számos eljárást dolgoztak ki, alapvetően az FWD technológia elterjedésének hatására.
(Van Gurp, 1997) számos regressziót fejlesztett a konkrét probléma megoldására, köztük két nagyon gyakorlatias és egyszerű megoldást, amit a továbbiakban alkalmazni fogunk, ezért részletesebben ismertetjük.
Az aszfaltszerkezet alsó szálában keletkező megnyúlást – 150 mm – nél vastagabb aszfaltszerkezetek esetében – a következő képlettel lehet meghatározni:
\[LOG_{(10)\epsilon}=0,481+0,881*LOG_{(10)}SCI\]

ahol:
\(\epsilon\) a keletkező aszfaltnyúlás, microstrain
\(SCI\) a központi és a 300 mm távolságban mért behajlás különbsége, microméter

Az aszfaltszerkezet felső szálában az összefüggést Van Gurp a következők szerint állapította meg:
\[\epsilon_{b}=194,895-20,7769*SCI^{0,5}\]

ahol:
\(\epsilon_{b}\) a burkolatfelületen keletkező aszfaltnyúlás, microstrain
\(SCI\) a központi és a 300 mm távolságban mért behajlás különbsége, microméter

A kétféle megnyúlásértek kapcsolatát az SCI értékkel a 3. ábra mutatja.

Aszfaltnyúlás az SCI függvényében

Jól megfigyelhető, hogy az SCI növekedésére (a központi terheléshez illeszthető görbületi sugár csökkenésére) az aszfaltréteg alsó szálában nő a megnyúlás, a felső szálban csökken.

SCI érték frekvenciafüggése

Az SCI értékekből, mint látjuk, lehetséges számítani az aszfaltnyúlásokat.
Nyilvánvaló, hogy mivel az aszfaltrétegek merevsége függ a terhelési időtől, a pályaszerkezeten mérhető/számítható SCI értéknek is kell, hogy kapcsolata legyen ezzel, 4. ábra.

25 és 60 ms terhelési időnél érvényes SCI értékek kapcsolata

(Van Gurp, 1995) – ez egy nyughatatlan holland mérnök, mindig csinál valamilyen érdekes dolgot – regressziós összefüggést fejlesztett ki a KUAB típusú ejtősúlyos behajlásmérők esetére.
Az összefüggés a 25 ms terhelési idő alatti behajlási teknőparaméterek meghatározására vonatkozik a 60 ms (normál) KUAB terhelési időből kiindulva.
A regressziós összefüggés alapszerkezete a következő:
\[d25_{i}=a_{i}+b_{i}*d60_{0}+c_{i}*d60_{300}+d_{i}*d60_{600}+e_{i}*d60_{900}+f_{i}*d60_{1200}\]

ahol:
\(d25_{i}\) lehajlás az FWD-től i mm távolságra, 25 ms terhelési impulzus mellett, microméter
\(d60_{i}\) lehajlás az FWD-től i mm távolságra, 60 ms terhelési impulzus mellett, microméter
\(a_{i} – f_{i}\) regressziós tényezők a következő táblázat szerint
Regressziós tényezők
Távolság, mm ai bi ci di ei fi
0 20,544 1,08 -0,631
300 27,268 1,153 -0,675
600 22,021 -0,39 1,205 -0,223
900 2,605 0,64
1200 4,697 0,644
1500 4,468 0,627
1800 6,794 -0,35 1,133 -1,323 1,161

A kapcsolatot egy méréssor alapján a 4. ábrán mutatom be.

A halmozott károsodások törvénye

Útpályaszerkezeteink a forgalomból és a környezeti hatásokból (ezek főleg meteorológiai jellegűek) eredő igénybevételek hatására fokozatosan, fáradási tönkremenetelt szenvednek el.
Ez a tapasztalt tönkremeneteli formák nagyon nagy részénél (repedések alulról felfelé, repedések felülről lefelé, keréknyomképződések különböző formái) mind igaz, legfeljebb az egyes tönkremeneteleket előidéző ismétlésszám különbözik jelentősen.
A pályaszerkezettel foglalkozó mérnök számára a problémát az jelenti, hogy a forgalomból és a környezetből keletkező igénybevételek nagyságai jelentősen különböznek.
A különböző nagyságú (vagy különböző feltételek mellett ható) igénybevételek összesített károsító hatásának számítására a Palmgren – Miner nevéhez fűződő összefüggés használata általános.
Az összefüggés a következők szerint írható le:
\[\frac{n_{1}}{N_{1}}+…+\frac{n_{i}}{N_{i}}+…+\frac{n_{n}}{N_{n}}=x\]

ahol:
\(n_{i}\) az adott terhelési szinthez tartozó tényleges teher-ismétlésszám
\(N_{i}\) az adott terhelési szinthez tartozó, tönkremenetelt okozó teher-ismétlésszám
\(x\) a tönkremenetel valószínűsége

Az esettanulmány

Bizonyos, alább ismertetett események miatt egy gyorsforgalmú útszakasz kezelője kíváncsi lett a járműsebesség változásának az élettartamra gyakorolt hatására.

A szabályozás és következményei

A gyorsforgalmi utakra 2010 – ben új szabályozás jelent meg, lényege az alábbiakban olvasható:
„(6) Tilos előzni az azonos irányú forgalom számára két forgalmi sávval rendelkező autópályán és autóúton – 6 és 22 óra között – a 7500 kg-ot meghaladó megengedett legnagyobb össztömegű tehergépkocsival, vontatóval, valamint e járműből és pótkocsiból álló járműszerelvénnyel.
(7) A (6) bekezdésben meghatározott előzési tilalom esetén a tilalom hatálya alá tartozó járműveknek olyan követési távolságot kell tartaniuk, hogy közéjük legalább egy – az abban meghatározott előzési tilalom hatálya alá tartozó – járműszerelvény biztonságosan besorolhasson.”

Tapasztalatok

A szakaszon rendelkezésre álltak járműszám és sebességmérési adatok, kiválasztottunk két azonos hosszúságú időperiódust (2010 illetve 2011 évekből) és megvizsgáltuk a nehéz járművek forgalmi sávok közötti eloszlását és az átlagsebességek alakulását a szabályozásváltozás előtt és után, ennek a vizsgálatnak az eredményét az 5-7. ábrákon láthatjuk.
A következő megállapítások tehetők:
a) az alapvetően forgalombiztonsági okok miatt keletkezett szabályt betartják
b) a nehéz forgalom gyakorlatilag teljesen a haladósávra került
c) a járműsebességek nagymértékben csökkentek, az átlagsebesség több, mint 10 % – al.

Nehéz forgalom megoszlása
Nehéz járművek átlagsebessége
Nehézjármű sebességek sűrűségfüggvényei

A kiválasztott szakasz merevségének sebességfüggése

A tényleges vizsgálat egy hosszabb szakaszra terjedt ki, amelyet – statisztikai módszerekkel – a merevségfüggés szempontjából homogén alszakaszokra bontottam.
A továbbiakban ezen alszakasz eredményeit ismertetem, 8-9. ábra.

25 és 60 ms terhelési időnél érvényes SCI értékek kapcsolata
Az SCI érték járműsebesség függése

A 8. ábrán az ejtősúlyos behajlásmérés eredményeiből számított terhelési idő függés látható, ebből számoltam az SCI teknőparaméter sebességfüggését a vizsgált szakaszra.

A halmozott károsodások számítása

A már ismertetett Palmgren – Miner törvény alapján végrehajtottam a sebességeloszlás megfelelően választott osztályközeiben az egyedi károsodások számítását, a szabályozás előtti és utáni sebességek esetére.
A számításnál a szabályozás előtti állapotot vettem 100% – nak, hogy az összehasonlítás plasztikus legyen, 10. ábra.

Halmozott károsodások 116+200 – 118+596

Megvizsgálva az eredményt, a következő megállapítások tehetők:

• a kisebb sebességek kb. 11% – al nagyobb károsodást, következésképpen ennyivel rövidebb élettartamot jelentenek.
• a károsodásnövekedés az összes szakaszon tapasztalható volt, mértéke eltérő, ezt megvizsgálhatjuk a következő diagramon
• mindenképpen meg kell jegyezni, hogy a megengedett megnyúlás értéket – egyéb forrásokra támaszkodva, egy mérnöki becsléssel, de azonosnak tételeztem fel
• miután adott esetben a csökkenés kritikus is lehet, adott esetben célszerű további vizsgálatok végrehajtása is, ezek a frekvenciafüggés és a szintén megállapítható hőmérsékletfüggés ismeretében (kvázi ismerjük a mestergörbét) a tényleges fáradási tulajdonság meghatározására irányulhat
• ez utóbbi számítás elvégzése lehetséges, én két olyan komplex kutatást is ismerek (Medani, 2006), (Jacobs 1995) amelyek alapján végrehajtható, hangsúlyozottan aszfaltmechanikai vizsgálatok nélkül

Hátralévő élettartam csökkenés a vizsgált teljes szakaszon

Összefoglalás

Ezzel a kissé hosszabbra sikerült írással azt kívántam érzékeltetni, hogy a pályaszerkezetek világa ugyan elég komplex, de igazából némi szorgalommal a komplex problémák is megoldhatók.

Irodalomjegyzék

Van Gurp. C.A.P.M.; Wennink, P.M. : Design, structural evaluation an overlay design of rural roads (in Dutch) KOAC – WMD consultans; Apeldoorn, 1997

Christ van Gurp,Characterization of seasonal influences on asphalt pavements with the use of falling weigh deflectometers PHD disszertáció, Delft 1995

Tarig Obeid Medani; Design Principles of Surfacings on Orthotropic Steel Bridge Decks PHD disszertáció, Delft 2006

Mathias Maria Johannes Jacobs; Crack Growth in Asphaltic Mixes, PHD disszertáció, Delft 1995