Bevezetés

Az útpályaszerkezet méretezésének célja a szerkezet oly módon történő kialakítása, hogy az a teljes tervezési élettartam alatt megfeleljen a forgalomból származó terhelésnek. Ez azt jelenti, hogy a pályaszerkezetben az összes igénybevétel, illetve alakváltozás, amelyet a forgalom – a klimatikus hatások és a földmű vagy altalaj adottságainak következményeivel együttesen figyelembe véve – okoz, nem lép túl bizonyos határértékeket. A vastagsági méretezés esetében a nemzetközi gyakorlatnak megfelelően a pályaszerkezetben és a földmű egyes rétegeinek a jellemző forgalmi és időjárási igénybevételre (feszültségek és megnyúlások) jellemző anyag-fáradása szolgál.

Az aszfaltburkolatú utaknál általában az aszfaltrétegek alján fellépő, változó húzó igénybevételt és a földmű tetején kialakuló függőleges nyomó igénybevételt tekintik mértékadónak. A forgalomból származó ciklikus húzó igénybevételek az anyag fáradásához vezetnek, és az aszfaltszerkezet alján repedések alakulnak ki, amelyek felfelé terjednek („bottom-up cracking”). Ennek következtében a különálló repedések összeérnek, és hálós repedések alakulnak ki, ami a teljes szerkezet teherbírásának gyors és egyre nagyobb mértékű csökkenését okozza.

Az utak méretezését Ausztriában jelenleg az RVS 03.08.62 (FSV 2016a) nemzeti irányelv szabályozza, amely 10 forgalmi terhelési osztályra és aszfaltburkolatú pályaszerkezetek esetén 5-féle típus-pályaszerkezetre kidolgozott méretezési katalógust tartalmaz. Ezeket a típus-pályaszerkezeteket olyan forgalomspecifikus adatok alapján lehet kiválasztani, mint az „i” járműkategória napi forgalmának éves átlaga (JDTVi, jährlich durchschnittliche tägliche Verkehrsstärke) vagy a napi teherforgalom éves átlaga (JDTLV, jährlich durchschnittlichen täglichen Lastverkehrsstärke). Ezek a típus-pályaszerkezetek olyan általános érvényű fizikai és mechanikai törvényszerűségekre épülnek, amelyek szemi-empirikus modellek (Litzka et al., 1996; Molzer et al., 1996; Blab et al., 1998) segítségével írják le az útpályaszerkezet egyes külső terhelésekre (mint pl. forgalom, időjárási viszonyok stb.) adott reakcióját.

Az RVS 03.08.63 (FSV 2016a) irányelvben található méretezési módszertan segítségével igen gyorsan és egyszerűen választható ki a kivitelezendő pályaszerkezet. A méretezési katalógus előírásával azonban jelentős korlátozásokkal kell élni a felhasznált építőanyagok anyagparamétereinek figyelembevételénél, így nagy biztonsági tartalékok szükségesek.

Aszfaltburkolatú utak számításos méretezése Ausztriában

Ahhoz, hogy a felhasznált anyagok mechanikai tulajdonságait jobban figyelembe tudjuk venni a méretezés során, s ezáltal jobban kihasználhassuk a méretezési tartalékokat, az osztrák aszfaltburkolatú utakhoz egy új számításos méretezési eljárást fejlesztettünk (Blab et al., 2014). Ez nem csupán gazdaságosabb építési módokat tesz lehetővé, hanem azt a célt is szolgálja, hogy az aszfaltkeverékek és pályaszerkezeti rétegek teljesítményi tulajdonságainak a méretezési eljárásban történő figyelembevételével támogassa az innovációt az új kötőanyagok és az aszfaltkeverékek fejlesztése terén. Ez a módszertan az új RVS 03.08.68 (FSV 2016b) osztrák irányelv formájában fog megjelenni.

Méretezési eljárás

A méretezés a teherforgalom-kategóriához tartozó megengedett terhelési ciklusok számának (N_{zul}), azaz a meghatározott tervezési élettartam alatt várható átgördülések számának (N_{erw}), azaz a terhelésnek az összehasonlításával történik, így az

N_{zul}\geq N_{erw}

(1)

elvet követi. A terhelési ciklusok N_{erw} várható száma pedig az alábbi összefüggésből határozható meg:

N_{erw}=JDTLV\cdot V\cdot S \cdot 365\cdot n \cdot z

(2)

ahol:
JDTLV a napi teherforgalom éves átlaga (nehéz tehergépjárművek száma)
V a sávszorzó, amely a teherforgalom több forgalmi sávra történő elosztását írja le
S sávon belüli kerékvándorlást figyelembe vevő szorzó
n tervezési élettartam (év)
z pedig a forgalomfejlődési szorzó

A forgalomfejlődési szorzó amely a következő formában adható meg:

z=\frac{q^{n}-1}{n(q-1)}

(3)

ahol q = 1 + p/100 és p pedig az éves forgalomnövekedés %-ban.

Az útpályaszerkezet külső terhelésekre adott reakcióját, és ezzel a terhelési ciklusok N_{zul} megengedett számát általános érvényű fizikai és mechanikai törvények írják le. A forgalomterhelés mint (mértékadó teherforgalom-kategória) bemeneti paraméter, valamint a merevség és fáradási ellenállás mint aszfaltmechanikai jellemzők számára az eljárás különböző méretezési szinteket vezet be, amelyek a rendelkezésre álló adatok részletezettségétől függően (forgalomszámlálás vagy anyagvizsgálatok eredményei stb.) választhatók ki a méretezendő szakaszhoz. Ezzel biztosítható, hogy a bemeneti paraméterek növekvő pontosságával – ami egyúttal a szükséges biztonsági tartalékok csökkenését is jelenti – a méretezés gazdaságosabbá váljon.

Ezen határfeltételek figyelembevételével Burmister (1945) többrétegű rugalmas lemezelmélete segítségével meghatározhatók a mértékadó elsődleges igénybevételek (feszültségek és megnyúlások) a pályaszerkezetben. A szerkezetet egy többrétegű rugalmas féltér írja le, ahol a féltér minden pontjára ki lehet számítani az adott pontban ható elsődleges igénybevételeket (feszültségek: \sigma_{1}, \sigma_{2}, \sigma_{3} és megnyúlások: \epsilon_{1}, \epsilon_{2}, \epsilon_{3}). A számított háromdimenziós feszültségállapot a módosított nyírófeszültség-hipotézis (Leon, 1934; Hagemann, 1980; Altenbach, 1993) alkalmazásával áttranszformálható egy σV ekvivalens egytengelyes összehasonlítási feszültségállapotra. Ezen összehasonlítási feszültség figyelembevételével egy, a fáradási függvényre (2.4.4 fejezet) épülő károsodási modell adja meg az útpályaszerkezetnek a terhelő járműkategória által okozott károsodását. Eközben a járműkategória (2.2 fejezet) minden j járművének minden i tengelyéhez tartozó C_{ijk} részkárosodást meghatározzuk minden statisztikailag előforduló össztömeghez, valamint az év 12 darab (az aszfaltrétegek hőmérséklet-eloszlásától függő) k részperiódusára. Az egyes járművek a teljes forgalomhoz viszonyított p_{j} arányának, illetve az egyes hőmérsékleti periódusok egy teljes évhez viszonyított p_{k} arányának figyelembevételével súlyozhatjuk, és a szuperpozíció elve alapján összesíthetjük ezeket részkárosodásokat a méretezési időtartamra (lásd [4]-es képlet). Ezzel meghatározható a méretezési időtartam.

\frac{1}{N}_{zul}=C_{zul}=\sum_{i}\sum_{j}\sum_{k}p_{j}\cdot p_{k}\cdot C_{ijk}

(4)

A méretezési eredmények minősége és megbízhatósága jelentősen függ a bemeneti paraméterek meghatározásának pontosságától és azok méretezési eljárásban történő figyelembevételétől. Általánosságban 4 kategóriára oszthatók ezek a bemeneti paraméterek:

  • forgalom;
  • altalaj/földmű teherbírása;
  • klimatikus hatások;
  • aszfaltmechanikai tulajdonságok (aszfaltmerevség, fáradási viselkedés).

Mértékadó forgalom

Az út mértékadó forgalmának ismerete a pályaszerkezet méretezésének egyik központi kérdése. Ha nem állnak rendelkezésre forgalommal kapcsolatos adatok, akkor pontosan ezen okból döntő az úttervezők számára, hogy egy olyan méretezési kategóriára hagyatkozhat, amely a lehető legpontosabban képezi le az aktuális forgalmat. A származtatott reprezentatív teherforgalmi csoportot mindig olyan aktuális forgalomszámlálási adatokkal (pl. az útdíjellenőrző rendszer automata számlálóállomásai) kombinálva kell alkalmazni, amelyek a teherforgalmat 3 járműcsoportra osztják (2, 3 és 4 vagy többtengelyes járművek). Az osztrák gyorsforgalmi úthálózaton az útdíj-ellenőrzés adatai általában kiváló minőségben és az egész országot lefedően állnak rendelkezésre. A járműosztályok (járműtípusok) hozzárendelése és az összsúly eloszlása, valamint a tengelyterhelés-eloszlás csak helyenként áll rendelkezésre. Ezt a körülményt számításba véve – a rendelkezésre álló adatoktól függően – három, az 1. táblázatban található méretezési szintet határoztunk meg.

Háromszintű méretezési eljárás a tervezési forgalom meghatározásához
Méretezési szint Rendelkezésre álló adatok
Járműcsoportok aránya Járműosztályok aránya Összsúly- és tengelyterhelés-eloszlás
1 Rendelkezésre áll Nem áll rendelkezésre Nem áll rendelkezésre
2 Rendelkezésre áll Rendelkezésre áll Nem áll rendelkezésre
3 Rendelkezésre áll Rendelkezésre áll Rendelkezésre áll

A háromszintű méretezési eljárás lehetővé teszi, hogy szükség szerint és a kívánt mértékben lehessen egy reprezentatív teherforgalom-csoportra, illetve saját gyűjtésű forgalmi adatokra hagyatkozni. Ez az eljárás így biztosítja, hogy a mértékadó forgalom meghatározásának részletezettségét a rendelkezésre álló adatok alapján egyedileg lehessen maximalizálni.

Az 1. méretezési szint az általános alkalmazási eset. Ebben az esetben sem a járműosztályok gyakorisági eloszlásáról, sem az egyes járműosztályok összsúlyeloszlásáról nem állnak rendelkezésre adatok. Ezért a statisztikailag meghatározott és központilag biztosított teherforgalmi csoportot és a hozzá tartozó összsúly- és tengelyterhelés-eloszlásokat kell használni.

A reprezentatív teherforgalmi csoport járműosztályainak (GW, Gesamtgewicht) összsúlyai a következő összefüggéssel adhatók meg:

GW=g_{1}\cdot N_{1}(\mu_{1}, \sigma_{1}) + g_{2}\cdot N_{2}(\mu_{2}, \sigma_{2})

(5)

ahol:
GW az összsúly [kN]
g1,g2 súlyozó tényezők [-]
N1,N2 normál eloszlás [-]
μ1, μ2 N1 és N2 normál eloszlások középértékei [kN]
σ1, σ2 N1 és N2 normál eloszlások szórásai [kN]

A reprezentatív teherforgalmi csoport egyes járműkategóriáinak L_i tengelyterheléseire a következő összefüggés vonatkozik:

L_i=\beta_{i}+\alpha_{i}\cdot {GW}

(6)

ahol:
Li az i-edik tengely tengelyterhelése [kN]
GW (5)-ös egyenlet szerinti összsúly [kN]
α11 a vizsgált járműosztály i-edik tengelyének tengelyterhelési együtthatói [-]

A 2. táblázat példaként mutatja a statisztikailag meghatározott, a tengelymérési adatok kiértékeléséből származó paramétereket, amelyből egy nyerges vontató mértékadó összsúly- és tengelyterhelés-eloszlásai származtathatók.

Az összsúly- és a tengelyterhelés-eloszlás származtatására szolgáló paraméterek (nyergesvontató esetére, VC = Vehicle Class)
Teherjárműosztály Összsúlyeloszlás meghatározásához szolgáló paraméterek
 

g1 μ1 σ1 g2 μ2 σ2
0,62 407,10 34,94 0,62 305,70 88,79
Tengelyterhelés-eloszlás meghatározásához szolgáló paraméterek
α1 α2 α3 α4 α5
0,0716 0,2457 0,2293 0,2260 0,2277
1 β2 β3 β4 β5
46,4333 1,3700 -16,7000 -15,5667 -15,4667

A 2. méretezési szint abban különbözik az 1. méretezési szinttől, hogy kézi vagy automata, a járműtípusokat megkülönböztető forgalomszámlálásokból ismert a járműosztályok gyakorisági eloszlása. Ezzel növekszik a részletezettség mértéke a méretezéskor. A reprezentatív teherforgalmi csoport összsúly- és tengelyterhelés-eloszlását hozzávéve ki lehet számítani az adott esetben jellemző forgalmi csoport által okozott átlagos károsodásokat.

A 3. méretezési szint nyújtja a legpontosabb igénybevételi előrejelzést. A járműcsoportok eloszlásának és a járműosztályok előfordulási gyakoriságának ismerete mellett tengelyterhelés-mérésekből a járműosztályok összsúly- és tengelyterhelés-eloszlásai is ismertek. Ebben az esetben a lehető legnagyobb mértékű részletezettséggel lehet számolni a méretezés során.

A földmű teherbírása és a hőmérséklet-eloszlás

A földmű teherbírása erősen függ a helyi időjárási és hidrológiai viszonyoktól. Ezért az évet 4 különböző merevségi tényezőkkel jellemezhető periódusra osztjuk. Míg a földmű és az altalaj teherbírása télen, fagyott talajnál éri el maximumát, addig a merevség a tavaszi olvadási időszakban minimálisra csökken. A pályaszerkezet nem kötött alsó és felső rétegeinél a réteg vastagságától és a felhasznált anyagtól függően változó rugalmassági modulusokat alkalmazunk a földmű, illetve az alatta levő rétegek jellemzéséhez.

Az Ausztriában uralkodó időjárási viszonyokból adódóan az aszfaltrétegekben hőmérséklet-ingadozások jelentkeznek, amelyek módosítják a merevségi tulajdonságokat. A bemutatott méretezési eljárásnál (Wistuba, 2003) hőmérsékleti modelljét vesszük figyelembe, amely hosszú távú, ausztriai meteorológiai vizsgálatokon alapszik. Ennek segítségével meghatározhatók az útburkolatok valósághű hőmérséklet-eloszlásai Ausztria különböző klímájú térségeihez. Ennek során 6 időjárási periódusra osztjuk az évet, ahol megkülönböztetjük a nappalt és az éjszakát (Mais, 1973). Így egy évre 12 hőmérsékleti periódus adódik, amelyekhez az aszfaltrétegekben kialakuló jellemző hőmérséklet-eloszlások tartoznak (3. táblázat). Egy ilyen hőmérsékleti eloszlást mutat be az 1. ábra az ausztriai alpesi területeinek példájával (I-es hőmérsékleti zóna).

Reprezentatív hőmérséklet-eloszlások a aszfaltrétegek 12 hőmérsékletperiódusára (I. klímazóna, alpesi területek)

 

Hőmérsékletperiódusok és azok egy teljes évhez viszonyított pk aránya
Évszak 12.16. – 3.15. 3.16. – 5.15. 5.16. – 6.15. 6.16. -  9.15. 9.16. - 10.15. 10.16. - 12.15.
A teljes évhez viszonyított hányad 0,24 0,17 0,09 0,25 0,08 0,17
Hőmérséklet-periódus 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
pk Nappal Éjszaka Nappal Éjszaka Nappal Éjszaka Nappal Éjszaka Nappal Éjszaka Nappal Éjszaka
0,16 0,08 0,11 0,06 0,06 0,03 0,17 0,08 0,05 0,03 0,11 0,06

Aszfaltmechanikai tulajdonságok

Aszfaltkeverékekkel és -rétegekkel szemben támasztott teljesítménykövetelmények

Az RVS 08.16.06 (FSV 2013a) és RVS 08.97.06 (FSV 2013b) irányelvek bevezetése óta Ausztriában lehetőség van az aszfaltkeverék funkcionális tulajdonságait figyelembe vevő megközelítés (GVO, gebrauchsverhaltensorientiert ) alapján történő pályázati kiírásokra. Ez – ellentétben az empirikus megközelítéssel – lehetővé teszi, hogy funkcionális követelményeket állítsunk fel a keverékkel szemben. A használati tulajdonságok közé tartozik a plasztikus deformációval szembeni ellenállás magas hőmérsékleteken (nyomvályúsodással szembeni ellenállóság), a fáradással szembeni ellenállóság ciklikus (forgalmi) terhelés esetén, valamint a hőmérséklet- és terhelésfüggő anyagmerevség illetve a termikus repedések képződésével szembeni ellenállás alacsony hőmérsékleteken. A kopó (alacsony hőmérséklettel szembeni ellenállás követelményei, R: Rissbeständigkeit)), kötő- (alakváltozással szembeni ellenállás követelményei, V: Verformungsbeständigkeit) és alap (fáradással szembeni ellenállás követelményei, E: Ermüdungbeständigkeit) aszfaltrétegekkel szemben támasztott GVO-követelményeket osztályokba soroljuk, amelyek határértékeket tartalmaznak az egyes rétegek speciális követelményeihez. A 2. ábra áttekintést nyújt a GVO megközelítés alapján tervezhető keveréktípusokról, és azok lényeges használati tulajdonságairól.

Keveréktípusok és azok lényeges használati tulajdonságai (FSV 2013b)

- R (repedésekkel szembeni ellenállás alacsony hőmérsékleteknél): Ez a megnevezés arra utal, hogy olyan kopórétegekhez való keveréktípusról van szó, amelyet első sorban alacsony hőmérsékletek melletti repedésekkel szembeni ellenállásra terveztek, és öt típusra osztanak (R1, R2, R3, R4 és R5).

-V (alakváltozással szembeni ellenállás magas hőmérsékleteken): Ez a megnevezés arra utal, hogy olyan kötőrétegekhez való keveréktípusról van szó, amelyet elsősorban magas hőmérsékletek melletti maradandó alakváltozásokkal szembeni ellenállásra terveztek, és négy típusra osztanak (V1, V2, V3 és V4).

- E (fáradással szembeni ellenállás): Ez a megnevezés arra utal, hogy olyan alaprétegekhez való keveréktípusról van szó, amelyet első sorban fáradási repedésekkel szembeni ellenállásra terveztek, és négy típusra osztanak (E1, E2, E3 és E4).

A fáradási ellenállással szemben az alaprétegek aszfaltjainál (E1–E4 típusok), és a kötőrétegekbe szánt aszfaltoknál (V1 és V2) is támasztunk minimális követelményeket, ÖNORM EN 12697-24 (ONI 2012) szerinti, 4 pontos hajlított gerendán végzett fáradási vizsgálatokból 106 terhelési ciklus után meghatározott megnyúlás (\epsilon_{6}) formájában. A gyártónak továbbá minden kopó, kötő- és alaprétegbe szánt aszfaltkeveréknél meg kell adnia az ÖNORM EN 12697-26 (ONI 2004) szerinti, 4 pontos hajlított gerendán meghatározott S_{min} minimális merevséget. A gyártó által garantált fáradással szembeni ellenállás és minimális merevség ezt követően megadott teljesítményjellemzőkként beépülnek a számításos méretezésbe.

Minimumkövetelmények a méretezéshez

A mértékadó használati időszak koncepciója alapján kidolgoztunk egy összefüggést az időjárási peremfeltételek (az uralkodó levegőhőmérséklet-maximumok, illetve -minimumok 95%-os kvantilise), illetve a forgalomfüggő mechanogén igénybevétel és a keverékkel szemben támasztott RVS 08.97.06 szerinti GVO-követelmények (R-, V-, E-osztályok) között, amely (minimál-) követelménymátrix formájában adható meg (4-6. táblázat). Klímatérképek (lásd pl. Wistuba et al., 2001) felhasználásával egyes útszakaszokhoz az aktuális, illetve becsült forgalom figyelembevételével hozzárendelhető a tervezett aszfaltrétegek keverékeivel szemben támasztott összes GVO-követelmény.

Javasolt minimális követelmények kopó rétegek esetén (R-osztály az alacsony hőmérsékletek melletti viselkedéshez)
Tmax 95% ≤ 30 °C ≤ 30 °C > 30 °C > 30 °C
Tmin 95%  ≥-10 °C < -10 °C ≥ -10 °C < -10 °C
JDTLV > 1300 R2 R1 R2 R1
JDTLV ≤ 1300 R4 R3 R4 R3
Javasolt minimumkövetelmények kötőrétegek esetén (V-osztály az alakváltozáshoz)
Tmax 95% ≤ 30 °C ≤ 30 °C > 30 °C > 30 °C
Tmin 95% ≥-10 °C < -10 °C  ≥-10 °C < -10 °C
JDTLV > 1300 V2 V1 V2 V1
JDTLV ≤ 1300 V4 V3 V4 V3
Javasolt minimumkövetelmények alaprétegek esetén (E-osztály fáradási viselkedéshez)
Tmax 95% > 30 °C ≤ 30 °C
JDTLV > 1800 E1 E3
JDTLV ≤ 1800 E2 E4

Aszfaltmerevség valósághű leképezése

Az aszfalt hőmérséklet- és frekvenciafüggő merevségi viselkedése anyagmodellt alkalmazva becsülhető a felhasznált bitumen tulajdonságaiból és a keverék térfogati jellemzőiből. A bemutatott eljárásban a bécsi modell (Blab et al., 2014), (lásd [7]-es és [8]-as egyenlet) került alkalmazásra, amely a Hirsch-féle megközelítésére (Anderson-Christensen, 1991) épül. A modell segítségével az aszfalt merevsége |E*|(T,f) (N/mm2-ben) az ásványi anyag VMA szabadhézag aránnyal (%-ban), a VFB kötőanyag kitöltöttségi aránnyal (%-ban) és a kötőanyag nyírási modulusával |G*bit|(T,f) (N/mm2-ben) meghatározható T hőmérsékletre és f frekvenciára.

\arrowvert{E}^{\ast}\arrowvert(T,f)=\frac{p_{c}}{145,0377}\left[a\left(1-\frac{VMA}{100}\right)+145,0377\cdot3\arrowvert{G}\arrowvert^{\ast}_{bit}\arrowvert(T,F)\left(\frac{VFB\cdot{VMA}}{10,000}\right)\right]+\frac{(1-p_{c})}{145,0377}\left[\frac{1-\frac{VMA}{100}}{a}+\frac{VMA}{VFB\cdot145,0377\cdot3\arrowvert{G}\arrowvert^{\ast}(T,f)}\right]

(7)

ahol

p_{c}=\frac{\left(b+\frac{VFB\cdot145,0377\cdot3\arrowvert{G}\arrowvert^{\ast}(T,f)}{VMA}\right)^{c}}{d+\left(\frac{VFB\cdot145,0377\cdot3\arrowvert{G}\arrowvert^{\ast}\arrowvert(T,f)}{VMA}\right)^{c}}

(8)

Az a, b, c és d paraméterek meghatározására elkészült egy ezen paramétereket tartalmazó adatbázis, amely kb. 1 500, az általában használt anyagokon végzett merevségi mérések eredményén alapul. A paramétereket a kiválasztott bitumenfajta (hagyományos útépítési vagy polimerrel modifikált bitumen) és a biztonsági szint függvényében lehet megválasztani.

A tervezési forgalom 2.2 fejezetben leírt meghatározása mellett az aszfaltmerevség figyelembevételénél is egy többszintű rendszert alkalmazunk. Az elvégzett vizsgálatok terjedelmének függvényében különböző pontossággal lehet figyelembe venni a felhasznált keverék tényleges tulajdonságait. Ennek során – ahogyan azt a 3. ábra mutatja – 3 méretezési szintet különböztetünk meg, ahol mind a részletezettség, mind a vizsgálat igény minden szinttel növekszik.

Háromszintű méretezési eljárás az aszfaltmerevség bemeneti paraméterhez
Méretezési szint Rendelkezésre álló adatok
Térfogat-összetétel |G*Bitumen|

DSR-vizsgálatokból (EN 14770)

Aszfaltmerevség Smin@ 20°C (EN 13108)
1 Rendelkezésre áll Nem áll rendelkezésre Nem áll rendelkezésre
2 Rendelkezésre áll Rendelkezésre áll Nem áll rendelkezésre
3 Rendelkezésre áll Nem áll rendelkezésre Rendelkezésre áll

Az 1-es méretezési szintben a felhasznált keveréknek (hézag- és kötőanyag-tartalom, illetve a kőváz és a keverék sűrűsége) csak a térfogati adatai állnak rendelkezésre. Ebben az esetben egy modellbitumen (|G*bit|) anyagtulajdonságaira kell hagyatkozni. A térfogati adatokból származtathatók a bécsi modell VMA és VFB paraméterei, és a megfelelő a, b, c és d paraméterek megválasztása után megbecsülhető az aszfalt merevsége. Annak ellenére, hogy megkülönböztetjük az útépítési és polimerrel modifikált bitumenes keverékeket, ezen a szinten csak a tényleges térfogati jellemzőkre hagyatkozunk. Ezért viszonylag nagy méretezési tartalékokat kell hagyni.

A bécsi modell a, b, c és d paramétereit a kiválasztott bitumentípus és a megkövetelt megbízhatósági szint függvényében a 7. táblázat tartalmazza.

Bécsi modell a, b, c és d paraméterei az útépítési és polimerrel modifikált bitumen megbízhatósági szintjei függvényében
Modellparaméter a b c d
Megbízhatósági szint EN 12591 szerinti útépítési bitumen
85% 5 041 315,00 310,19 0,92 41 376,03
90% 4 025 792,00 747,43 1,07 151 858,30
95% 3 918 366,00 687,25 1,05 135 252,80
Megbízhatósági szint EN 14023 szerinti polimerrel modifikált bitumen
85% 7 079 529,00 12 131,20 1,12 838 934,40
90% 7 194 946,00 12 207,70 1,12 852 557,90
95% 8 289 791,00 9 997,08 1,01 309 265,80

7. táblázat: Bécsi modell a, b, c és d paraméterei az útépítési és polimerrel modifikált bitumen megbízhatósági szintjei függvényében

A modellbitumen T hőmérséklettől (°C) függő |G*bit|(T,f) merevsége a következő alakú függvénnyel írható le (9):

\arrowvert{G}^{\ast}\arrowvert(T,f)=\frac{1}{1 000 000}\cdot exp\left(y_{0}+\frac{m}{1+\frac{(T+273,15)}{x_{0}}^{n}}\right)

(9)

Az m, n, x_{0} és y_{0} paramétereket 8 Hz-es frekvenciához (80 és 100 km/h közötti haladási sebességnek felel meg) a 8. táblázat adja meg.

 

A merevséget a megbízhatósági szint függvényében leíró m, n, xo és yo paraméterek útépítési és polimerrel modifikált módosított (modell-) bitumenhez (f = 8 Hz)
Modellparaméter m n x0 y0
Megbízhatósági szint EN 12591 szerinti útépítési bitumen
85% 21,42 11,00 320,91 0,00
90% 20,42 14,00 314,86 0,51
95% 19,80 14,00 313,37 1,14
Megbízhatósági szint EN 14023 szerinti polimerrel modifikált bitumen
85% 17,86 9,00 324,04 2,81
90% 16,02 10,00 321,09 4,11
95% 15,64 10,00 322,12 4,31

Amennyiben a térfogati adatok mellé ÖNORM EN 14770 (CEN, 2012) szerint végzett DSR-vizsgálatokból a bitumen |G*bit| merevsége is ismert, a 2-es méretezési szint alkalmazható. Ez esetben a bécsi modell segítségével, de modellbitumen alkalmazása nélkül határozható meg a keverék merevsége.

A 3-as méretezési szintet akkor alkalmazzuk, ha a merevség leírására szolgáló S_{min} (N/mm2) GVO-paraméter ismert az ÖNORM EN 12697-26 (ONI 2004) szerinti, négypontos hajlított gerendán végzett merevségi vizsgálatokból 20 °C-os hőmérsékleten és 8 Hz-es frekvencián. Ezt az értéket a keverék gyártójának kell meghatároznia és megadnia. Az 1. szinten leírt módszertannal meghatározható az aszfalt merevsége, amelyet egy KFS korrekciós tényezővel (lásd [10]-es egyenlet) igazítunk hozzá az alkalmazott keverék tényleges, mért merevségéhez. Az E_{p} értéket a kiválasztott bitumentípus (hagyományos útépítési bitumen, polimerrel modifikált bitumen) és a p biztonsági szint függvényében lehet megválasztani.

KFS=\frac{S_{min}}{E_{p}}

(10)

A p megbízhatósági szinttel statisztikailag meghatározott Ep érték megfelel a tényleges térfogati jellemzők, a modellbitumen (útépítési bitumen vagy polimerrel modifikált bitumen) 20 °C-on vett nyírási modulusának és a kiválasztott p megbízhatósági szint figyelembevételével a bécsi modell alapján becsült merevségének. Magasabb rendű úthálózatok (autópálya, gyorsforgalmi utak) útjainál mindenképpen 95%-os megbízhatósági szintet kell választani. A kötőanyag és hőmérsékletfüggő rétegmerevségeket, illetve a megbízhatósági szintet a 8. táblázat tartalmazza. Az S_{min} hőmérsékletfüggő rétegmerevséget ezután a bécsi modell alapján, az a, b, c, és d paraméterek alkalmazásával és a KFS korrekciós tényezővel történő szorzással határozhatjuk meg.

Vizsgált méretezési változatok
Változat Méretezési eljárás Forgalom Anyag merevsége Anyag fáradása
1 RVS 03.08.63 méretezési katalógus JDTLV=2200 tgk/24 h - -
2 RVS 03.08.68 számításos méretezés 1. Méretezési szint (JDTLV=2200 tgk/24 h) 1. Méretezési szint

(PmB, VMA, VFB)

e6 ≥ 190 mm/m
3 1. Méretezési szint

(JDTLV=2200 tgk/24 h)

3.Méretezési szint (Smin=4500 N/mm2) e6 ≥ 190 mm/m
4 1. Méretezési szint

(JDTLV=2200 tgk/24 h)

1. Méretezési szint (PmB, VMA, VFB) e6 ≥ 260 mm/m

Az aszfalt fáradásának figyelembevétele

A fáradás leírására egy

N=\frac{k_{1}(T)}{F(\epsilon_{6})}\cdot\left(\frac{\arrowvert{E^{\ast}}\arrowvert^{\ast}(T,f)}{\sigma_{v}}\right)^{k_{2}(T)}

(11)

formájú, átdolgozott fáradási kritériumot alkalmaz a méretezési eljárás (Blab et al., 2014). Ezen összefüggés segítségével meghatározható a szerkezet fáradásáig elviselhető terhelési ciklusok száma, amely a σV összehasonlítási feszültségből, az |E*| merevségből (2.4.3 fejezet), valamint a

k_{1}(T)=10^{-(0,0077*{T}^{2}?{0,4859}\cdot{T}+17,602)}

(12)

és

k_{2}(T)=0,0015\cdot{T}^{2}-{0,0875}\cdot{T}+6,1803

(13)

fáradási paraméterekből adódik. A (11)-es egyenletben szereplő F_{(\epsilon_{6})} tényező függ a fáradást leíró ε6 (µm/m) GVO-paramétertől, amelyet az ÖNORM EN 12679-24 (ONI 2012) szerinti, négypontos hajlított gerendán végzett fáradási vizsgálatokkal lehet 20 °C-os hőmérsékleten és 30 Hz-es frekvencián meghatározni. Az F tényező az

F_{(\epsilon_{6})}=1,6833-0,5256\cdot\frac{\epsilon_{6}}{100}

(14)

összefüggésből számítható.

Méretezési példa

Ennek a módszernek az előnye abban rejlik, hogy segítségével a túlméretezés jelentősen csökkenthető, amennyiben a bemeneti paraméterekről részletesebb leírás áll rendelkezésre, és ezáltal növelhető a számított élettartam, amelyet a gazdaságossági értékelés keretében lehet figyelembe venni. Ezt a következő példák hivatottak bemutatni. Egy, a salzburgi repülőtér közelében elhelyezkedő T_{max,95\%}=32,3°C, T_{min,95\%}=−9,8°C útszakaszt vizsgálunk, amelynek forgalma 2 200 tgk/24 h. Az aszfalt alapréteget AC22 típusú aszfaltból (VMA = 20,9%, VFB = 83,7%) kívánjuk készíteni PmB45/80-65 polimerrel modifikált kötőanyaggal. A merevség és a fáradás leírására szolgáló, ÖNORM EN 12697-26 (ONI 2004) és ÖNORM EN 12697-24 (ONI 2012) szerinti négypontos hajlítási vizsgálatokból az S_{min}=4 500 N/mm2 és \epsilon_{6}=260 µm/m GVO-paraméterek adódtak.

20 éves tervezési élettartamot és évenkénti 3%-os forgalomnövekedést figyelembe véve az osztrák RVS 03.08.63 (FSV 2016a) méretezési katalógus szerinti méretezés LK25-ös terhelési osztály szerinti szerkezetet eredményez. Az AS1 típus-pályaszerkezet esetén például 30 cm vastag kötőanyag nélküli alsó alaprétegből, 20 cm vastag kötőanyag nélküli felső alaprétegből és 25 cm vastag aszfaltréteg-szerkezetből felépülő burkolat adódik. Ez az eredmény nem függ a kiválasztott aszfaltkeverék keverék tulajdonságaitól (3. ábra).

Vizsgált pályaszerkezet

Ezt a kialakítást megvizsgáltuk a bemutatott számításos méretezési eljárással, és meghatároztuk a számított élettartamot.

A forgalomhoz használhatjuk az 1. méretezési szintet, ahol az egyes járműtípusok, illetve azok összsúly- és tengelyterhelés-eloszlásának előfordulási valószínűségére statisztikailag biztosított, reprezentatív eloszlásokat alkalmazunk. Mivel a keverék térfogati összetétele ismert, és polimerrel modifikált kötőanyagot használunk, alkalmazhatjuk az 1-es méretezési szintet a merevségre is. A modellbitumen mechanikai viselkedését figyelembe véve a (7)-es egyenlet alkalmazásával megbecsülhető a merevség hőmérsékletfüggése. A 4. és 6. táblázatból leolvashatók az RVS 08.97.06 (FSV 2013b) szerinti R2, V2, és E1 GVO-követelmények. A fáradás tekintetében ez azt jelenti, hogy teljesülnie kell az ε6 ≥ 190 µm/m feltételnek. Ezekből a feltételezésekből 20 éves számított élettartam adódik a 4. ábrán látható felépítésre.

Mivel az S_{min} GVO-paramétert négypontos hajlítási vizsgálatból határozták meg 20 °C-on, a felhasznált keverék merevségére alkalmazható a 3. méretezési szint, a merevség hőmérsékletfüggése pedig a KFS segítségével a (10)-es egyenlettel illeszthető. A forgalomhoz az 1. méretezési szintet és az \epsilon_{6} ≥ 190 µm/m feltételt figyelembe véve 22 éves számított élettartam adódik.

A fáradással szembeni ellenállást leíró {\epsilon_{6}} GVO-paraméternek a négypontos hajlítási vizsgálatból történő meghatározása lehetővé teszi az alkalmazott keverék fáradási viselkedésének figyelembevételét. Amennyiben a gyártó az AC alap aszfalt alaprétegre {\epsilon_{6}} ≥ 260 µm/m fáradással szembeni ellenállást ad meg és garantál, az F_{\epsilon_{6}} meghatározható a (14)-es egyenletből. Mind a forgalomra, mind a merevségre az 1. méretezési szintet alkalmazva már 27 éves számított élettartam adódik a vizsgált burkolatra.

Az előre jelzett műszaki élettartamot az 5. ábra hasonlítja össze. A számításos méretezési módszer alkalmazásával a hagyományos méretezési megközelítéshez képest akár 30%-kal is nőhet a becsült használati időtartam. Az anyagtulajdonságok részletesebb leírása tehát hatékonyabb méretezést és gazdaságosabb építési típusokat tesz lehetővé.

Vizsgált élettartamok összehasonlítása

Összefoglalás

Az aszfaltburkolatú utak Ausztriában jelenleg alkalmazott méretezésénél szemiempirikus méretezési modelleket használnak, amelyek ugyan könnyen alkalmazhatók, azonban nem biztosítanak elegendő mozgásteret ahhoz, hogy a tényleges jellemzőket (forgalom, a használt aszfalt anyagtulajdonságai stb.) lehessen figyelembe venni az egyes méretezendő útszakaszokhoz. Különösen kritikusnak tekintendő azon lehetőség hiánya, hogy a nagyobb teljesítményű aszfaltok használata kihatással legyen a méretezés eredményére, ami visszafogja az anyagok fejlesztését célzó innovációt.

Ezért az osztrák aszfaltburkolatú utak számára számításos méretezési eljárást dolgoztunk ki, amely a meglévő eljárás továbbfejlesztésének és optimalizálásának tekinthető. Az eljárásban többszintű méretezési felépítést alkalmaztunk, amelyek lehetővé teszik a méretezendő szakasz aktuálisan rendelkezésre álló adatainak (forgalmi adatok, anyagvizsgálatok eredményei stb.) figyelembevételét. A bemeneti paraméterek nagyobb pontossága ugyan átfogóbb vizsgálatokat igényel, azonban ezzel minimalizálhatók a méretezési tartalékok, és gazdaságosabb burkolatok készíthetők.

A bemutatott eljárás tehát modern, figyelembe veszi a használati szokásokat, továbbá gazdaságos méretezést tesz lehetővé az aszfaltburkolatú utaknál. Előreláthatólag az új RVS 03.08.68 (FSV 2016b) osztrák irányelvként fog megjelenni.

Irodalmi hivatkozások

Altenbach, H., 1993. Einführung in die Werkstoffmechanik, Leipzig–Stuttgart, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie.

Anderson, D. A.; Christensen, D.W., Rheological evidence concerning the molecular architecture of asphalt cements. Proceedings of Chemistry of Bitumen 2, 1991 Rome.

Blab, R.; Eberhardsteiner, L.; Haselbauer, K.; Marchart, B.; Hessmann, T., 2014. OBESTO – Implementierung des GVO- und LCCA-Ansatzes in die österreichische Bemessungsmethode für Straßenoberbauten. Wien.

Blab R., Litzka, J.; Molzer, C., 1998. The new Austrian standard for pavement design. Proceedings of the Fifth International Conference on the Bearing Capacity of Roads and Airfields. Trondheim, 6–8 Juli 1998, 1, 619–628.

Burmister, D. M., 1945. The general theory of stresses and displacements in layered systems. Journal of Applied Physics, 16.

CEN 2012. EN 14770: Bitumen és bitumenes kötőanyagok. A komplex nyírási modulus és a fázisszög meghatározása. Dinamikus nyíróreométer (DSR) Brüsszel.

FSV 2013a. RVS 08.16.06 – Anforderungen an Asphaltschichten – Gebrauchsverhaltensorientierter Ansatz. Wien.

FSV 2013b. RVS 08.97.06 – Anforderungen an Asphaltmischgut – Gebrauchsverhaltensorientierter Ansatz. Wien: Österreichische Forschungsgesellschaft Straße-Schiene-Verkehr.

FSV 2016a. RVS 03.08.63 – Oberbaubemessung. Wien: Österreichische Forschungsgesellschaft Straße-Schiene-Verkehr.

FSV 2016b. RVS 03.08.68 – Rechnerische Dimensionierung von Asphaltstraßen. Wien: Österreichische Forschungsgesellschaft Straße-Schiene-Verkehr.

Hagemann, R., 1980. Ein Verfahren zur Beurteilung flexibler Fahrbahnbefestigungen unter Berücksichtigung von Festigkeitshypothesen für Asphalte.

Leon, A., 1934. Über die Rolle des Trennbruchs im Rahmen der Mohrschen Anstrengungshypothese. Der Bauingenieur, 15.

Litzka, J.; Molzer, C.; Blab, R., 1996. Modifikation der Österreichischen Bemessungsmethode zur Dimensionierung des Straßenoberbaus, Wien, Bundesministerium für wirtschaftliche Angelegenheiten.

Mais, R., 1973. Zur Beanspruchung von bituminösen Fahrbahnbefestigungen. Ein Beitrag zur Ermittlung standardisierter Fahrbahnbefestigungen mit Hilfe der Mehrschichtentheorie, Bonn.

Molzer, C.; Fußeis, W., Litzka, J.; Steierwald, G., 1996. Auswirkungen von Achslastenerhöhung auf das Bundesstraßennetz, Wien, Bundesministerium für wirtschaftliche Angelegenheiten.

ONI 2004. ÖNORM EN 12697-26: Aszfaltkeverékek. Meleg aszfaltkeverék vizsgálati módszerei. 26. rész: Merevség.

ONI 2012. ÖNORM EN 12697-24: Aszfaltkeverékek. Meleg aszfaltkeverék vizsgálati módszerei. 24. rész: Fáradási ellenállás.

Wistuba, M. 2003. Klimaeinflüsse aus Asphaltstraßen – Maßgebende Temperatur für die analytische Oberbaubemessung in Österreich, Wien, Technische Universität Wien.

Wistuba, M.; Litzka, J.; Blab, R., 2001. Klimakenngrößen für den Straßenoberbau in Österreich, Wien, Bundesministerium für wirtschaftliche Angelegenheiten.