ÚTPÁLYASZERKEZETI ESETTANULMÁNYOK: A FELÜLET EGYENLETESSÉGE

1. A JÓ ÚT NEM RÁZ (BEVEZETÉSFÉLE)

A jó út (utca) számomra az volt, amelyen feles kerékpárommal (nem volt semmi rugózva) ülve is tudtam bringázni. A város utcáit hamar feltérképeztem és igyekeztem azokon hajtani, a forgalomtól meg lehetett, mert az a mai értelemben még nem létezett. Kerültem a vasúttal párhuzamos utcát (nagykockakő), a külső részek portalanított makadámjai helyenként kátyúsak voltak, a pergő zúzalék kellemetlen volt. A kiskockák és az akkor még döntően öntöttaszfalt néhány utca voltak a kedvenceim. Apámmal beszélgetve javasolta, hogy adjak jegyeket az utcáknak, annak alapján, hogy mennyire ráznak… és elkészült Kaposvár első PSI értékelése, persze én a legjobbat ötös osztályzattal jutalmaztam.

2. MILYEN A JÓ ÚT?

Azt, hogy erre a kérdésre az érintettek, azaz az úthasználók válaszoljanak, nem igazán van hazánkban intézményesített formája.

1. ábra (forrás: internet)

Ugyanakkor az úthasználóknak van szuverén véleményük, legfeljebb „partizán” módszerekkel hozzák az érintettek tudomására. Az USA – ban az 50 – es évek végén alkották meg a szubjektív állapotfelvétel nagyon egyszerű módszerét. Az alap a 2. ábrán látható kérdőív, amit különböző klaszterekbe tartozó úthasználókkal töltettek kis és azt tapasztalták, hogy az értékelés kellően kis szórással azonos. Az egy szakaszra ezek után az értékelések átlagát fogadták el PSI értéknek (Present Serviceability Index). A „pillanatnyiság” egyben azt is jelentette, hogy az állapotváltozás követése is lehetségessé vált.

2. ábra (forrás: internet)

Az eljárást Németországban, Csehszlovákiában és dr. Tóth Ernő jóvoltából hazánkban is kipróbálták, mindez már elég régen volt…

3. MÉRHETŐ JELLEMZŐK

Az útállapot megbízható megállapításához a közvélemény-kutatás egyrészt kissé bonyolult, másrészt, nem tudjuk meg, milyen, fizikailag is mérhető jellemző befolyásolja a szubjektív értékítéletet.

Az út felületén különböző érzékelhető sajátosságokat mérve, a mérési eredményeket kapcsolatba hozva a szubjektív értékkel megállapítottak összefüggést, amit gyakorlati célra is alkalmasnak találtak.

A független változók voltak:

• felületi egyenletesség (speciális formában)
• keréknyomok
• repedések, hálós repedések
• kátyúk, kátyúhelyek

Az összefüggésben a felületi egyenletesség mintegy 95% – os mértékben meghatározó, ezért a gyakorlat a PSI – nek ezzel való kapcsolatát használja.

Kicsit előreugorva az egyenletesség ma legfontosabb mérőszáma és a PSI közötti kapcsolatot az 1. diagramon tanulmányozhatjuk.

1. diagram

Megjegyzendő, hogy ahol a PSI-t érdemben használják, ott számos korrelációt hoztak létre ezért több összefüggés is található a szakirodalomban.

4. UTAZÁS A FELÜLETI EGYENLETESSÉG KÖRÜL

Amióta a kereket felfedezték, a közlekedés és a szállítás egyre nagyobb hányadánál a pálya egyenletesség fontossága nyilvánvalóvá vált.

Két szempontnak van jelentősége:

• az egyenletesség nagymértékben meghatározza a menetellenállást, így a vonóerőn keresztül a vontatási költséget, egyszerűen a közlekedési üzemköltség jelentős részét
• az egyenletesség – viszonylag nagyobb sebességnél – meghatározza a járműre, rakományra, szállított személyre ható gyorsulásokat, ennek minden fiziológiai, közlekedés és rakománybiztonsági következményeivel együtt.

Ezeket a kérdéseket már nagyon régóta felismerték, vizsgálták, néhány érdekességről most beszámolok.

4.1. AZ EGYENLETESSÉG MÉRÉSE

Az egyenletesség mérésére számtalan eszközt konstruáltak az ügyes mérnökök, néhányukról képet mutatok a következő ábrán.

Az eszközök alapvetően három csoportba sorolhatók:

• a „léc – ék” típusú eszközök, azaz a valamilyen bázishosszon húrmagasságot a burkolatfelület érintésével mérő készülékek.
• az „inerciális” eszközök, ahol valamilyen gépkocsi (vagy imitációjának) gyorsulásait mérik
• a burkolatfelület profilját távolból (pl. lézerrel) letapogató berendezések

A fejlesztéseknél a mérés pontosságán túl fontos szempont volt a „termelékenység” (mérési sebesség), továbbá a forgalom és a mérő személyzet biztonsága.

3. ábra (forrás: internet)

4.2. AZ IRI MEGALKOTÁSA

Az IRI (International roughness index) nem egy új mérési eszköz, hanem egy olyan dinamikus modell („negyedautó”), amelynek meghatározott dinamikai tulajdonságai vannak (m₁, m₂, K₁, K₂, C₁, C₂), ismert és adott a rendszerfelépítés (a 4. ábrán látható).

4. ábra (forrás: internet)

Az IRI az az útprofilhoz tartozó egyenetlenség (mm/m dimenzióban) ami a „negyedautó” lényeges (utazáskényelemmel és járműbiztonsággal összefüggő) rezgéseit okozza. A dinamikailag kiérlelt modellnek az a tulajdonsága, hogy a metrológiailag korrekt különböző eszközök eredményeit át lehet számítani a releváns rezgéseket okozó útprofil egyenetlenségre. Ezzel lehetőség van különböző eredmények reális összevetésére. Nem mellékesen ezzel a járműkonstruktőrök kiváló adatbázishoz jutottak a járművek viselkedésének megtervezéséhez.

4.3 AZ EGYENLETESSÉG VÁLTOZÁSA

A pályaszerkezetek leromlása – egyebek között – az egyenletesség romlásával jár. Hazai – nagyon hosszú – megfigyelések (Dr. Gáspár) eredményeit mutatja a következő diagram.

2. diagram

3. diagram

Egy hazai autópálya egy szakaszán folyamatos mérések alapján az IRI a következő változást mutatta, a 3. diagram tanúsága szerint.

A viszonylag rövid idősorok jól mutatják a nagyobb terhelés hatását, mind értékben, mind tendenciában (figyeljük meg az IRI kiinduláskori abszolút értékét, ez a hazai színvonalas körülmények között akár etalonnak is tekinthető …).

Léteznek előrebecslő modellek (számos található a szakirodalomban), összevetve a tapasztalati értékekkel a becslés egész elfogadhatónak tűnik … mindenesetre Dr. Gáspár megfigyelései alapján nem okozna gondot egy használható hazai modell kifejlesztése.

4. diagram

4.4 AZ EGYENLETESSÉG KAPCSOLATA MÁS PÁLYASZERKEZETI JELLEMZŐKKEL

Kézenfekvő, hogy a pályaszerkezetek állapotát jellemző különböző ismérvek között új állapotban nincs, vagy nem értelmezhető a kapcsolat. Ugyanakkor „használt” állapotban ezek a kapcsolatok érdekesek lehetnek. Az 5. diagramon a mért IRI és a behajlások kapcsolatát tanulmányozhatjuk.

5. diagram

Szemre van egyfajta meghatározottság, statisztikailag is értelmezhető a kapcsolat, ami ebben a formában további kérdéseket vet fel, konkrétan azt, hogy hogyan jön létre ez a kapcsolat az út működése során?

6. diagram

Megvizsgálva a két halmaz homogenitását a CUMSUM módszerrel, a kapcsolat nagyon is erős.

Nem részletezve túlságosan a kérdést, tapasztalataim azt mutatják, hogy a felületi egyenletesség minden, a pálya felületén mérhető, tapasztalható tulajdonsággal – legalább a homogén szakasz szintjén – kapcsolatban van.

Miután az országos közúthálózaton a rendszeres állapotfelvételek gyakorlatilag minden útra kiterjednek, az IRI adatokkal jól lehet „szűrni” a beavatkozásra kijelölendő szakaszokat.

4.5. A KAPCSOLAT OKA

Az út állapotparamétereinek alakulása a járműterhelés és a környezeti hatások függvénye. Ha kapcsolatokat tapasztalunk az állapotparaméterek (főleg a homogén szakaszok) között egy szakaszon, a környezeti hatásokat első körben bízvást kizárhatjuk, figyelmünket a járműterhelésre fordíthatjuk.

4.5.1. A JÁRMŰDINAMIKA HATÁSA A TERHELÉSRE

Az IRI „negyedautójának” dinamikai modelljével számítható a rezgőmozgásból keletkező többleterő ami a pályaszerkezetre hat.

7. diagram

A számításhoz használt modell sztochasztikus, azaz ismételt végrehajtás esetén az eredmény változik, a diagramon a számítások eredménye ismétlések átlagából keletkezett.

Tanulmányozva a diagramot a következők állapíthatók meg:

• az input IRI értékek a hazai előírások jó – nem megfelelő sávjában helyezkednek el (ezek útkategóriánként vannak megadva)
• még a „jó” IRI esetben is mintegy 3% többleterő jelentkezik, ez az „5” hatványos képlettel 15 – 20 % többlet terhelést jelent

Azaz, még a „jó”, vagy „megfelelő” felületi egyenletesség esetén is lokálisan túlterhelés jelentkezik.

Itt meg kell jegyezni, hogy a dinamika „visszafelé” is működik, azaz szükségképpen vannak „alulterhelt” helyek, de az egyenletesség – behajlás kapcsolat ebből jól érthető.

4.5.2. LOKÁLIS HIBA

Az egyenletesség hiányának hatását a többlet terhelésre nagyon jól lehet vizsgálni a meglévő utak felületén, különösen a közműszerelvények környezetében. Néhány jellemző szituációt az 5. ábrán lehet látni. A már említett dinamikai modell segítségével 10 – 30 mm „lépcső” esetén számítottam a többleterőt, ezt lehet a 8. diagramon tanulmányozni.

5. ábra (forrás: internet)

8. diagram

A hatás mértéke a képeken tapasztaltakat elég erősen megmagyarázza.

4.6. AZ EGYENLETESSÉG HATÁSA A KÖZLEKEDÉSBIZTONSÁGRA

A közlekedésbiztonság nem igazán a szakterületem, de egy járműdinamikai számítással hozzájárulok a kérdéshez. Az eddigi számítások 80 km/ó sebességgel történtek, itt 120 km/ó járműsebességnél számítottam azokat a hosszakat, amelyeknél a járműkerék terhelés 10% – al kisebb (azaz a súrlódási erő is).

9. diagram

Természetesen a korszerű járművek fékrendszerei sok mindent kompenzálnak, de kritikus helyzetben ezek a tényezők is szerepet kapnak, kaphatnak.

4.7. KÖZLEKEDÉSÜZEMI KÖLTSÉGEK

Az IRI kifejlesztése egyebek között azt a célt is tartalmazta, hogy a közlekedésfejlesztések gazdasági elemzését is lehetővé tegye.

10. diagram

Egy ilyen tanulmány (NUP, 2008) az országos közúthálózat felújításának különböző változatainál meghatározta az eredményként jelentkező közlekedés üzemköltség megtakarítást. A 10. diagramon ezt tanulmányozhatjuk, megjegyzendő, hogy a számításoknál az ún. HDM (Highway development method) modellt használták, amit a Világbank készíttetett. A modell mellesleg számítja az üzemanyag megtakarítás nagyságát is, ezáltal a környezetvédelmi szempontok is mérlegelhetővé válnak.

5. BEFEJEZÉSFÉLE

Sok – sok évvel ezelőtt, bőven a Világbank kezdeményezte IRI kifejlesztése előtt, az UKI és az ATUKI (ezek az akkori KTI „szétszedett” elemei voltak) egy nagy kutatást hajtott végre, aminek célja az utak felületi egyenletességének és a jármű üzemköltségek kapcsolatának megállapítása. Az eredményt a következő diagram mutatja.

11. diagram

A kutatás során az egyenletességet egy 400 mm bázishosszúságú húrmérővel (Varga András „Viaméter” – e) vizsgálták, ami gyors vizsgálattal ismételhető eredményt adott. Vegyük észre, hogy a dimenzió egyezik az IRI dimenziójával, ami a korabeli hazai és nemzetközi gyakorlattól eltért. A vizsgálatnál valós járműköltségekkel számoltak (az állami fuvarozóvállalat adatai segítségével). Azaz, akkor, amikor egy kisfiú az út minőségét kezdte valamilyen rögzített formában értékelni, szorgalmas és alkotó magyar mérnökök a világszínvonalat érték el.

Nem látom semmilyen akadályát annak, hogy – az eddigiekből láthatóan – fontos kérdésben érdemi kutatásokat végezzenek ma is.

Ezeket nagymértékben megkönnyítheti, hogy a lényeges alapadatok elektronikus formában elérhetők (RST mérések idősorokban), a már említett hosszú távú adatvizsgálatnál vannak KUAB idősorok is, léteznek feldolgozások (GPS koordinátákkal) a fontosabb meteorológiai adatokról sok évre visszamenőleg, csak hogy a digitalizáció hozadékait soroljam.

Kétségtelenül kell hozzá olyan felelős vezető is, aki felismeri a hozamok fontosságát, ez már nehezebb kérés, mert szakmánk felső vezetésének szervezeti formái sűrűn változnak.

Végül, persze kellenek a kutatás nehézségeit is elviselő, elkötelezett mérnökök is.

Ez az írás kicsit azért is született, hogy biztatást és példát adjon a feltörekvő nemzedékeknek.