Hajlékony és félmerev pályaszerkezetek méretezése Ausztráliában

Pdf: Hajlékony és félmerev pályaszerkezetek méretezése Ausztráliában

Bevezetés

Az Austroads az ausztráliai közúti közlekedési és forgalmi hatóságok, szervek szövetsége, melynek célja, hogy Ausztrália és Új-Zéland közlekedésének, valamint közlekedési létesítményeinek fejlesztése, miközben szem előtt tartják az úthálózat biztonságos és hatékony kezelésének, használatának támogatását, a nemzeti tervezési és méretezési eljárások kidolgozásnak elősegítését, továbbá szakmai tanáccsal látják el a tagszervezeteket (jelenleg 11 tagja van). Az Austroads, a tagok egyetértésével, teszi közzé az úthálózat tervezésére, fenntartására és üzemeltetésére vonatkozó előírásokat, útmutatókat, illetve feladatai közé tartozik az előírások és kutatási eredmények ismertetése és széles körű elterjesztése. A most bemutatásra kerülő hajlékony és félmerev pályaszerkezetek méretezésére vonatkozó útmutatót utoljára 2012-ben frissítették és publikálták (Austroads, 2012).

Az ausztrálok a pályaszerkezet méretezési módszerüket úgy alkották meg, hogy a feltételezett forgalmi terhelésnek megfelelő szolgáltatási szintet biztosítsák a leggazdaságosabb pályaszerkezet vastagság kiválasztása mellett. Mechanikai méretezést végeznek, azonban vékony aszfalt réteggel ellátott és kötőanyag nélküli szemcsés alaprétegű pályaszerkezetek esetén az empirikus méretezést is megengedik. A méretezés első lépéseként összegyűjtik a bemeneti paramétereket, majd kiválasztanak egy próba pályaszerkezetet (a felhasználni kívánt anyagokat és a rétegvastagságokat). Az említettek ismeretében meghatározzák a megengedhető forgalom nagyságát az adott pályaszerekezethez és ha ez nagyobb, mint a tervezési forgalom, akkor a próba pályaszerkezetet véglegesítik. A méretezéshez a következő bemeneti adatok szükségesek:

• megbízhatósági szint,
• környezeti terhelés,
• altalaj jellemzői,
• pályaszerkezeti rétegek anyagjellemzői,
• méretezési forgalom,
• építés, fenntartás, felújítás ütemezése.

A méretezésnél használt pályaszerkezeti modell vázlatát az alábbi ábra mutatja. Az kritikus igénybevételeket az aszfaltréteg alján, a hidraulikus alapréteg alján, valamint az altalaj felső szálában számítják.

Pályaszerkezeti modell, (Austroads, 2012)

Megbízhatósági szint

Minden projekthez egy megbízhatósági szintet rendelnek, ami az útkategória és forgalmi terhelés függvényében változik. A megbízhatósági szint egy olyan valószínűség, amelynél a pályaszerkezet a tervezési forgalmat a tervezett élettartamán belül jelentősebb beavatkozás nélkül elviseli. A definiált megbízhatósági szintek:

• 95,0 – 97,5 %: autópálya; gyorsforgalmi út, ahol az ÁNF > 2000 / forgalmi sáv
• 85,0 – 95,0 %: gyorsforgalmi út, ahol az ÁNF < 2000 / forgalmi sáv; főút, ahol az ÁNF > 500
• 80,0 – 85,0 %: egyéb út, ahol az ÁNF < 500.

Pályaszerkezeti rétegek anyagjellemzői

A pályaszerkezet anyagtulajdonságairól azt feltételezik, hogy homogének, rugalmasan viselkednek és izotrópok, kivételt képeznek a szemcsés anyagok és a földmű.

Altalaj

Ausztráliában a földmű anyagok jellemzésére általában a California Bearing Ratio (CBR) eljárást használják, ezért CBR érték és a talajok, kötőanyag nélküli szemcsés rétegek modulusa közötti kapcsolat fontos részét képezi a mechanikai méretezési eljárásnak. (Austroads 2012). Az ausztrál méretezési eljárás szerint a talaj modulusa és a CBR érték közötti összefüggés:

\[E=10\dot{}CBR\]

Ezt az összefüggést több ok miatt ajánlják:

• széles körben ismert összefüggés,
• egyszerű forma,
• többféle talajtípusnál is jól alkalmazható.

A méretezési útmutató az altalajok esetében maximalizálja az  altalaj modulusát, E ≤ 150 MPa.

Cementtel kezelt rétegek tulajdonságai

A cementtel kezelt rétegek funkciójuk szerint lehetnek alaprétegek, vagy alsó alaprétegek, melyeket a táblázatban található értékekkel lehet figyelembe venni a méretezésnél.

Aszfaltrétegek tulajdonságai

Az aszfaltrétegek méretezési modulusait (MPa) szintén táblázatban foglalták össze, azonban a földrajzi elhelyezkedés (hőmérséklet), a forgalomsebessége, a bitumentartalom és modifikált bitumen alkalmazása esetén ezek az értékek módosulhatnak. A modulusok jellemző értékei ki vannak emelve. Megjegyezzük, hogy Ausztráliában a bitumeneket a 60°C hőmérsékleten mért viszkozitás alapján jellemzik, például a C170 bitumen viszkozitása 140 és 200 Pa.s érték között kell hogy legyen. Ezeket a bitumeneket közvetlenül nem lehet megfeleltetni az európai bitumeneknek, melyeket a penetráció és lágyulás pont alapján szabályoznak.

Évszaki és környezeti hatások

Ausztráliában a környezeti hatások közül a nedvességnek és hőmérsékletnek van legjelentősebb hatása a pályaszerkezetre. A méretezési eljárás nem foglalkozik a fagyási-olvadási ciklusokkal, mert ezen jelenség Ausztráliában meglehetősen ritka. Bár az új-zélandi kiegészítésben megjegyzik, ha fagyveszély áll fenn, akkor az építéshez csak olyan anyagot használhatnak, amelyek nem érzékenyek a fagyási-olvadási ciklusok hatásaira. (Land Transport New Zealand, 2008).

Méretezési forgalom

A méretezési forgalom számításakor kiválasztják a tervezési sávot, ami jellemzően mindig az a sáv, amelyiken a legnagyobb nehézgépjármű forgalom áthalad. Ez többsávos irányok esetén általában a külső, vagyis a bal oldali sávot jelenti.

Ausztráliában a járműveket 12 járműosztályba lehet sorolni. Különlegességként megemlítendő, hogy a közúthálózat bizonyos szakaszain (többnyire sűrűn lakott területeken kívül) megengedett a hosszú-, illetve kombinált járművontatmányok közlekedése. A méretezés során az 1. és 2. osztályba tartozó könnyű járműveket nem veszik figyelembe. Az ausztrál közúti közlekedésben a super single (nagyterhelésű egyes abroncs) alkalmazása tiltott.

Járműosztályok (Austroads, 2012)

A méretezési útmutató a következő tengelysúly és abroncs elrendezések között tesz különbséget pályaszerkezet tervezéskor:

• egyes tengely, egyes abronccsal (kormányzott kerék)
• egyes tengely, ikerabronccsal
• kettős tengely, egyes abronccsal
• kettős tengely, ikerabronccsal
• hármas tengely, ikerabronccsal
• négyes tengely, ikerabronccsal.

A méretezési forgalmat úgy határozzák meg, hogy az első év forgalomnagyságát összeszorozzák a tervezési időtartamra meghatározott összegzett forgalomfejlődési szorzóval. A kumulált forgalomfejlődési szorzót csak abban az esetben kell számítani, ha feltételezhető éves forgalomnövekedés.

Méretezési forgalom számítása

\[N_{DT}=365*ADT*DF*HV%*N_{HVAG}*LDF*CGF\]

Kumulált forgalomfejlődési szorzó:

\[CGF=\frac{(1+0,01GR)^{DP}-1}{0,01GR}\]

Ausztráliában a pályaszerkezet méretezéshez szükséges átlagos nehézgépjármű tengelyszámot a weigh-in-motion (WIM) mérésekből is megadhatják.  A WIM rendszereket elsősorban túlméretes vagy a megengedett tengelysúlyt túllépő tehergépjárművek szűrésére fejlesztették ki. Az útpályaszerkezetre telepített mérőrendszer a járművek megállítása nélkül automatikusan észleli és azonosítja a detektorokon áthaladó járműveket, azok hosszát, tengelyterhelését, járműosztályát, stb. Ezeknek a rendszereknek általában három fő egysége van, a súlymérő egység, a járműazonosító rendszer és az adatrögzítő számítógép-terminál. A mérés első lépéseként pályaszerkezetbe épített hurokérzékelők segítségével mérik a szenzorok felett haladó jármű tengelyterhelését és súlyát. A jármű osztályozását és azonosítását (pl.: rendszám, hossz, szín, stb.) a forgalmi sáv fölé elhelyezett kamerák képei alapján végzi a rendszer. Az adatokat számítógép rögzíti. (Austroads, 2000)

WIM mérés folyamata 1. (www.esit.com.tr)

WIM mérés folyamata 2. (www.esit.com.tr)

WIM mérés folyamata 3. (www.esit.com.tr)

A pályaszerkezet méretezési útmutató definiál egy ún. méretezési egységtengelyt. A méretezési egységtengely egy 80 kN-os terhelésű, ikerabroncsokkal felszerelt tengely, a kerekek nyomása 750 kPa. Az egymás mellett lévő ikerabroncsok középpontjai közötti távolság 330 mm, a két-két ikerabroncs középpontja között 1800 mm távolság van. A méretezési egységtengely értékét az eltérő pályaszerkezeti rétegek esetén különböző módon kell figyelembe venni, mert a pályaszerkezeti rétegek forgalmi terheléssel szembeni ellenállása, fáradása különböző. Az egyes tengelycsoportok és azokhoz tartozó kerékelrendezések is más-más igénybevételt jelentenek a pályaszerkezet szempontjából.

Egy tengelycsoport és kerékelrendezés esetén a behajlási kritérium alapján meghatározták, hogy az adott tengelycsoport mekkora tengelyterhelés mellett jelent ugyanakkora igénybevételt, mint amit a méretezési egységtengely okozna. A tengelycsoportonkénti egységi terhelést a táblázat foglalja össze.

Méretezési egységtengely ismétlési számot tengelycsoportonként szükséges megadni a következő módon:

\[SAR=\left(\frac{L_{i}}{SL_{i}}\right)^{m}\]

Az útmutató szerint a méretezési forgalom azt a méretezési egységtengely áthaladási számot (ESA) értik, amely a tervezési időtartam alatt azonos károsodást okoz, mint a kumulált forgalom.

\[DESA=\frac{ESA}{HVAG}*N_{DT}\]

\[DSAR_{m}=\frac{SAR_{m}}{ESA}*DESA\]

Mintapélda

AADT:5350 db

DF:0,5

HV%:4 %

LDF:1,0

GR:4 %

DP:20 év

\[CGF=\frac{(1+0,01GR)^{DP}-1}{0,01GR}\]
\[CGF=\frac{(1+0,01*4)^{20}-1}{0,01*4}=29,78\]
\[N_{DT}=365*ADT*DF*HV%*N_{HVAG}*LDF*CGF\]
\[N_{DT}=365*5350*0,5*4/100*N_{HVAG}*1,0*29,78\]
\[N_{DT}=1,16*10^{6}*N_{HVAG}\]

Az összes tengelycsoport közötti megoszlás értékét vagy az útmutatóban megadott általános értékek alapján (államonként városi vagy külterületi bontásban) vagy eredeti WIM mérésekből lehet meghatározni. A lenti táblázatban egy, az útmutatóból származó általános eloszlást közlünk példaként.

900,11826,374113,23286,75966,5257

Azon járműveknek az aránya, amelyek egyes abronccsal rendelkeznek: 0,38 + 0,02 = 0,40. 100 db nehéz gépjárműből 40 db-nak van egyes abroncsa, így a járművek száma N_HVAG = 100/40 = 2,5.

\[N_{DT}=1,16*10^{6}*2,5=2,9*10^{6}\]

A következő lépésben a WIM mérések alapján meghatározzuk az SAR értékeket a négyféle anyagfáradás szerint. A tengelycsoportonkénti és fáradásonkénti átlagos SAR érték az egyes WIM mérési eredmények, a hozzájuk tartozó SAR értékek és a tengelycsoportok között megoszlás szorzatainak összegeként számítható ki. A példában a következő értékeket kaptuk:

• aszfalt fáradása (SAR5/HVAG): 0,96
• kötőanyag nélküli szemcsés réteg károsodása (SAR7/HVAG): 1,67
• cement kötőanyagú réteg fáradása (SAR12/HVAG): 18,95.

Átlagos SAR/ESA értékek:

• aszfalt fáradása (SAR5/ESA): 0,96/0,80 = 1,2
• kötőanyag nélküli szemcsés réteg károsodása (SAR7/ESA): 1,67/0,80 = 2,1
• cement kötőanyagú réteg fáradása (SAR12/ESA): 18,95/0,80 = 23,7.

Tervezési forgalom egységtengelyben:

\[DESA=\frac{ESA}{HVAG}*N_{DT}=0,8*2,9*10^{6}=2,3*10^{6}\]

Fáradás típusonkénti tervezési forgalom, melyet a méretezés során figyelembe kell venni a megengedhető igénybevételek számitásához:

aszfalt fáradása (DSAR5):1,2*2,3*10⁶ = 2,8 *10⁶

kötőanyag nélküli szemcsés réteg károsodása (DSAR7): 2,1*2,3*10⁶ = 4,8 *10⁶

cement kötőanyagú réteg fáradása (DSAR12): 23,7*2,3*10⁶ = 5,5*10⁶.

Pályaszerkezeti rétegek igénybevételeinek meghatározása

Altalaj

A méretezés folyamat során általában az altalaj a legkritikusabb elem, ezért a méretezés során erre külön gondot szükséges fordítani. Az altalaj függőleges fajlagos megnyúlását a következőképpen kell számítani:

\[N=\left(\frac{9300}{\mu\epsilon}\right)^{7}\]

Cementtel kezelt réteg

A cementtel kezelt réteg megengedett vízszintes fajlagos megnyúlásának számítása:

\[N=RF\left[\frac{\frac{11300}{E^{0,804}}+191}{\mu\epsilon}\right]^{12}\]

Aszfalt réteg

Az aszfalt réteg megengedett vízszintes fajlagos megnyúlásának számítása:

\[N=RF\left[\frac{6919*(0,856V_{b}+1,08)}{S_{mix}^{0,36}\mu\epsilon}\right]^{5}\]

Hajlékony és félmerev pályaszerkezet méretezése, igénybevételek számítása

A méretezési útmutatóban szereplő igénybevételek (feszültségek és alakváltozások) számítására a MinCad System kifejlesztette a CIRCLY szoftvert, mely az elmúlt két évtizedben világszerte bevált tervezőeszközzé vált a többrétegű hajlékony pályaszerkezetek méretezésénél. Az alkalmazott pályaszerkezeti modell és terhelés jellemzői:

• többrétegű pályaszerkezet
• izotróp és anizotróp anyagtulajdonságok
• alaprétegnek automatikusan szemcsés anyagot állít be
• teljesítmény (fáradási) kritériumok széles skáláját tartalmazza, de saját kritériumokat is beállíthatunk
• a járműtípusok és a terhelési módok száma nincs korlátozva, bármilyen kombináció felvehető
• fékezésből származó terhelés is számítható

Előnye, hogy az egyes rétegekben keletkező igénybevételeket a megengedett igénybevételekkel azonnal összehasonlítja, ezért nincs szükség a külön számításokra a megengedett és tényleges igénybevételek értékeléséhez. A program számos tervezési lépést magába foglal, ezáltal a méretezés időtartam jelentősen rövidíthető. A szoftver tartalmaz ez költségelemző funkciót, amely a pályaszerkezeti rétegek vastagságának változtatásával lehetővé teszi az építési és fenntartási költségek minimalizálását. A program a pályaszerkezet optimális vastagságát a másodperc tört része alatt képes meghatározni. A CIRCLY a Miner hipotézist alkalmazva az eredményjelző panelen megjeleníti a károsodás mértékét, és amennyiben ez nem megfelelő, azonnal módosítható a pályaszerkezeti modell és újrafuttatható a számítás, amivel meggyorsítható az iteratív folyamat.

Felhasznált irodalom:

Austroads 2012, Guide to Pavement Technology Part 2: Pavement Structural Design, AGPT02/12, Austroads, Sydney

Land Transport New Zealand, 2008: Adaptation of the Austroads Pavement Design Guide for New Zealand Conditions; Report 305

Austroads 2000; Weigh-In-Motion Technology, AP-R168-00

Fi et al. 2012; Útburkolatok méretezése, Terc Kft., pp. 159-172.