K.Błażejowski, E.Filipczyk "Wpływ jasnych nawierzchni na trwałość nawierzchni, bezpieczeństwo i komfort uczestników ruchu"

Transkrypt

1 Wpływ jasnych nawierzchni na trwałość nawierzchni, bezpieczeństwo i komfort uczestników ruchu oraz na obniżkę kosztów energii elektrycznej do oświetlenia dróg dr inż. Krzysztof Błażejowski Erwin Filipczyk (Śląskie Kruszywa Naturalne sp. z o.o.) Konferencja Jasne nawierzchnie jako istotny czynnik znaczącego zwiększenia oświetlenia dróg. Doświadczenia w Europie i w Polsce. Chorzów, r. Po co oświetlamy drogi? Aby zwiększyć bezpieczeństwo użytkowników dróg (kierowców, pieszych, rowerzystów itd.) i ograniczyć liczbę wypadków drogowych. Poprawne oświetlenie drogi pozwala: widzieć więcej, łatwiej określać dystans do innych pojazdów, przeszkód i pieszych zwiększyć czas na reakcję kierowcy, Aby zwiększyć bezpieczeństwo osobiste (napady, kradzieże, rozboje itd.) Aby uzyskiwać specjalne efekty w zabudowie miejskiej oraz polepszyć jakość życia mieszkańców. 2 1

2 Dobre oświetlenie drogi... Poziom luminancji drogi odpowiedni poziom luminancji ma wpływ na widoczność jaką dysponuje kierowca (dostrzeżenie przeszkody na pasie ruchu). Luminancja odzwierciedla to, co widzi kierowca (odczuwanie jasności nawierzchni). Równomierność luminancji drogi zapewnienie w miarę stałej luminancji wzdłuż osi i w przekroju poprzecznym drogi (bez ciemnych stref) polepsza warunki jazdy i uniemożliwia ukrycie przeszkody przed wzrokiem kierowcy Ograniczenie olśnienia u kierowcy dobór odpowiednich opraw oświetleniowych. Prowadzenie wzrokowe kierowcy dobór opraw oświetleniowych, rodzaju oświetlenia, barwy światła itd., które prowadzą kierowcę i umożliwiają mu z pewnym wyprzedzeniem odczytać przebieg drogi i ukształtowania np. skrzyżowania czy węzła drogowego. źródło [6, 7] 3 Oświetlenie drogi... Oświetlenie ulic to ważny element infrastruktury zapewniających bezpieczeństwo użytkownikom dróg, a to jest ważny element polityki UE. Jest to także element bezpieczeństwa mieszkańców, stąd presja społeczna na instalację systemów oświetlenia ulicznego jako elementu zapobiegania przestępczości. Prostą konsekwencją rozbudowy oświetlenia ulicznego jest znaczący wzrost kosztów w budżecie każdego samorządu lub zarządcy drogi. A więc względy bezpieczeństwa i społeczne coraz częściej będą wymuszały modernizację oświetlenia ulic. Nieunikniony jest wzrost kosztów. Czy jedynym wyjściem są lepsze źródła światła i nowocześniejsze oprawy oświetleniowe? A może jest szansa, aby jasne nawierzchnie drogowe były sposobem na znaczące oszczędności energii elektrycznej? 4 2

3 Nawierzchnia drogi... Nawierzchnia drogowa jest układem warstwowym. W zakresie interesującego nas tematu właściwe jest rozpatrywanie wyłącznie materiału i charakterystyki warstwy powierzchniowej (tzw. warstwy ścieralnej). W sensie materiałowym możemy wyróżnić warstwy ścieralne: z mieszanki mineralno-asfaltowej, z betonu cementowego. Nawierzchnie z betonu cementowego są zwykle jaśniejsze niż nawierzchnie asfaltowe. Ponieważ jednak oświetlenie dróg najczęściej stosowane jest na terenie zabudowanym z infrastrukturą podziemną pod nawierzchnią, a dominującym typem nawierzchni w takich obszarach są nawierzchnie asfaltowe, w dalszej części prezentacji odniesiono się do asfaltowych warstw ścieralnych. 5 Nawierzchnia drogi... wymagane cechy Wymagania wobec nawierzchni z punktu widzenia użytkownika drogi związane są głównie z bezpieczeństwem i komfortem jazdy: równość poprzeczna i podłużna szorstkość (wsp. tarcia) niska głośność dobra widoczność jezdni (szczególnie o zmroku i przy mokrej nawierzchni) Zarządzający drogami do tych wymagań dodaje jeszcze: maksymalna trwałość odporność na koleinowanie i odkształcenia trwałość zmęczeniowa brak spękań zimowych ekonomiczna opłacalność: relacja kosztów budowy do efektywności (koszty eksploatacji, naprawy, remonty) 6 3

4 Nawierzchnia drogi... wymagane cechy Złożenie obu punktów widzenia prowadzi do określenia końcowych wymagań wobec nawierzchni. Warunki jazdy: równość, szorstkość, dobra widoczność. Efektywność ekonomiczna: długowieczność nawierzchni, niski koszt budowy, utrzymania i eksploatacji. Przez ostatnie kilkadziesiąt lat w Polsce nie zwracano uwagi na aspekt koloru nawierzchni w sensie trwałości konstrukcji i komfortu jazdy kierowców. Nie brano także pod uwagę faktu, że rozjaśnienie warstwy ścieralnej może przynieść wymierne efekty techniczne i ekonomiczne. 7 Jasna nawierzchnia drogi...? Jasność nawierzchni rozumiemy jako zdolność nawierzchni do odbijania światła dziennego lub sztucznego. Zdolność do odbijania światła przez nawierzchnię zależy od: Stopnia jasności powierzchni warstwy ścieralnej (jaka ilość światła padającego zostaje odbita). Rodzaju odbicia światła - rzeczywiste odbicie jest wypadkową czterech składowych: rozproszonej, kierunkowej idealnej, kierunkowej rzeczywistej, powrotnej. Nawierzchnia asfaltowa (również betonowa), nie rozprasza światła równomiernie i charakteryzują się one kierunkowo-rozproszonym charakterem odbicia. 8 4

5 Jasna nawierzchnia drogi...? Jasne nawierzchnie, szczególnie o rozwiniętej makroteksturze wykazują znaczący wzrost wskaźnika odbicia dyfuzyjnego (rozproszonego). światło padające światło odbite korzystne niekorzystne 9 Jasna nawierzchnia drogi...? Przykład wpływu makrotekstury na odbicia światła od nawierzchni. fot. K.Błażejowski 10 5

6 Jasna nawierzchnia drogi Parametry związane z jasnością nawierzchni: Luminancja - odzwierciedla ilość światła, która jest widziana przez obserwatora. Wszystko, widzimy posiada określoną luminancję. Współczynnik odbicia światła zdolność danej powierzchni do odbijania światła, inaczej jest to jasność nawierzchni, zawiera dwie składowe odbicia: składową kierunkową ρk (odbicie kierunkowe) składową rozproszoną ρr (odbicie rozproszone, dyfuzyjne) Średni współczynnik luminancji q 0 [cd/m2 lx] stanowi iloraz wartości luminancji nawierzchni i natężenia oświetlenia w danym punkcie nawierzchni. Jest zależny od kierunku padania promienia świetlnego oraz od kierunku obserwacji. Współczynnik odbicia lustrzanego (niem. Spiegelfaktor) kp - miara stopnia odbicia lustrzanego 11 Jasna nawierzchnia drogi... jak uzyskać Sposoby uzyskania efektu jasnej nawierzchni asfaltowej: stosowanie jasnych kruszyw (pełen efekt rozjaśnienia następuje dopiero po około 1,5 roku eksploatacji nawierzchni), stosowanie syntetycznych lepiszczy (bezbarwnych lub barwionych jasnymi pigmentami), stosowanie jasnych kruszyw do uszorstniania nawierzchni (pokrycia klasycznej, ciemnej warstwy ścieralnej) na etapie układania warstwy ścieralnej, piaskowanie (ew. zmywanie wodą pod ciśnieniem) nawierzchni przed oddaniem do ruchu, w celu uzyskania natychmiastowego efektu rozjaśnienia np. w tunelach polega na mechanicznym zdjęciu warstwy ciemnego lepiszcza z powierzchni ziaren jasnego kruszywa (uwaga - możliwość zniszczenia powierzchni i uszkodzenia materiału!). 12 6

7 Jasna nawierzchnia drogi... jak uzyskać Przykład użycie jasnego kruszywa w mieszance mineralno-asfaltowej 13 Jasna nawierzchnia drogi... jak uzyskać Przykład użycie syntetycznego lepiszcza fot. K.Błażejowski 14 7

8 Jasna nawierzchnia drogi... jak uzyskać Przykład użycie jasnych kruszyw do uszorstniania nawierzchni 15 Jasna nawierzchnia drogi... jak zbadać Jasność nawierzchni drogi można zmierzyć np. aparatem Memphis. Memphis to nowy sposób pomiaru charakterystyki odbiciowej nawierzchni drogowej materiały firmy Schreder 8

9 Jasna nawierzchnia drogi... jak zbadać Szybki pomiar (w ciągu 12s) Pomiar terenowy, metoda nieinwazyjna, możliwość wykonania przez całą dobę. materiały firmy Schreder 17 Jasna nawierzchnia drogi... jak klasyfikować Klasyfikacja jasności nawierzchni asfaltowych wg Norddeutsche Expertengruppe für aufgehellte Asphaltdeckschichten: Praktische Hinweise für den Bau von hellen Asphaltdeckschichten [1] Kategoria q 0 (cd/m 2.lx) Opis warstwy nawierzchni D I >0,11 Bardzo rozjaśnione nawierzchnie D II 0,09 Rozjaśniane nawierzchnie D III 0,07 Jasne nawierzchnie D IV <0,07 Ciemne nawierzchnie Wymagania wobec jasności nawierzchni asfaltowych wg FGSV Arbeitspapier Reflexionseigenschaften von Gesteinskörnungen und Oberflächen aus Asphalt. Ausgabe [4] q 0 Range (cd/m 2.lx) Przykład zastosowania A 0,09 Tunele B 0,07 Drogi przejazdowe w terenie zabudowanym C Brak specjalnych wymagań 18 9

10 Jasna nawierzchnia drogi... jak klasyfikować Przyporządkowanie nawierzchni do klas wg normy DIN 5044 oraz Publikacji Międzynarodowej Komisji ds. Oświetlenia CIE (Commission Internationale d Eclairage) Przedział k p (współczynnik odbicia lustrzanego) Standard wg DIN 5044 Standard wg CIE 0,22 R 1 C1 (odb. rozproszone) 0,22 < k p 0,33 R 2 0,33 < k p 0,44 R 3 C 2 (odb. lustrzane) 0,44 < k p 0,55 R 4 19 Jasna nawierzchnia drogi oczekiwane efekty: - trwałość - redukcja wysp gorąca - bezpieczeństwo i komfort jazdy - oszczędność energii elektr

11 Jasna nawierzchnia drogi wpływ na trwałość Roczne amplitudy temperatury powietrza w Polsce sięgają ok. 65 C, co przekłada się na zakres temperatury warstwy ścieralnej od -30 C do +50 C. Wiemy, że ciemne powierzchnie nagrzewają się w lecie do znacznie większej temperatury niż jasne. Z tym zjawiskiem związane jest zwiększenie temperatury warstw asfaltowych i obniżenie ich odporności na koleinowanie. Przeprowadzone badania wykazały, że dzięki rozjaśnieniu warstwy ścieralnej możliwe jest obniżenie temperatury lepiszcza asfaltowego i zmniejszenie ryzyka koleinowania. Rozjaśnienie powierzchni drogi powoduje obniżenie najwyższych wartości temperatury od 5 do 10 C w stosunku do nawierzchni ciemnych. Innym aspektem obniżenia temperatury warstw asfaltowych w lecie jest możliwość zastosowania nieco bardziej miękkiego lepiszcza, a co za tym idzie o lepszej odporności na spękania w zimie. 21 Jasna nawierzchnia drogi wpływ na trwałość Rozkład temperatury w nawierzchni na różnych głębokościach: - wpływ bezpośredniego nasłonecznienia - wpływ długości okresu z dniami gorącymi - wpływ amplitudy temperatury między dniem a nocą 22 11

12 Koleinowanie, % K.Błażejowski, E.Filipczyk "Wpływ jasnych nawierzchni na trwałość nawierzchni, Jasna nawierzchnia drogi wpływ na trwałość Przykład badań Instytutu Badawczego Dróg i Mostów w Warszawie, w których porównano wpływ wysokiej temperatury na wynik badania koleinowania z kruszywami o różnej jasności [2]: Cykle Bazalt w 60C Gabro w 60C Gabro w 50C Rys. 1. Wyniki badania koleinowania LCPC mieszanek SMA z gabro i bazaltem 23 Jasna nawierzchnia drogi wpływ na trwałość Przykład drogi z kruszywami o różnej jasności (DK nr 46 Opole Częstochowa. Stan nawierzchni: mokra) 24 12

13 Jasna nawierzchnia drogi wpływ na trwałość Badania porównawcze zbudowanej nawierzchni z dwóch typów kruszyw, jasnych i ciemnych [2] Kilometraż, położenie obwodnica Opola, przed skrzyżowaniem z DK nr 4, SMA gabro DK nr 4 przed skrzyżowaniem z obwodnicą Opola, BA bazalt Współczynnik odblasku R L mcd/m 2 lx (widzialność nocna) średnio średnio 7 Wyniki pomiarów Współczynnik luminancji =0,079 =0,078 =0,078 =0,080 śr. =0,079 =0,047 =0,048 =0,047 =0,049 śr. =0, Jasna nawierzchnia drogi wpływ na trwałość Podsumowanie: rozjaśnienie nawierzchni ma wpływ na zwiększenie trwałości nawierzchni asfaltowych przez obniżenie ich temperatury w okresie lata (szacunkowo do 10 C), bezpośrednim efektem jest zmniejszenie ryzyka koleinowania w wysokiej temperaturze, dodatkowo, istnieje potencjalna możliwość zastosowania bardziej miękkich lepiszczy asfaltowych o lepszej odporności na spękania niskotemperaturowe

14 Jasna nawierzchnia drogi wpływ na klimat w mieście Rozgrzewanie dużych, ciemnych powierzchni w mieście niesie za sobą także inne efekty niż wyłącznie drogowe. Podczas słonecznego dnia ciemne nawierzchnie nagrzewają się do wysokiej temperatury, a przez kolejne godziny ciepło jest oddawane do otoczenia sprawiając, że w mieście temperatura powietrza nie spada znacząco w nocy (różnica między miastem a otoczeniem w nocy sięga C). Efektem są tzw. miejskie wyspy gorąca, które mają znaczący i negatywny wpływ na jakość życia mieszkańców miast: wyższe koszty klimatyzacji negatywny wpływ na zdrowie spadek sprawności i wydajności u ludzi wzrost ryzyka wypadkowości 27 Jasna nawierzchnia drogi... a bezpieczeństwo i komfort użytkowników drogi Rozkład luminancji nawierzchni o wskaźnikach: q 0 = 0,05 cd/m 2 i q 0 = 0,10 cd/m 2 Jasność nawierzchni drogi przekłada się bezpośrednio na lepszą widzialność przeszkód na drodze w warunkach słabszego oświetlenia (kontrast pomiędzy przeszkodą a nawierzchnią). Podobnie, lepiej widoczne są krawędzie jezdni lub granica między poboczem a nawierzchnią, co ułatwia prowadzenie pojazdów. Większa jasność nawierzchni wpływa także na równomierną luminancję drogi

15 Jasna nawierzchnia drogi... a koszty oświetlenia Skoro jasne nawierzchnie (lub rozjaśnione) mają wpływ na trwałość nawierzchni, komfort i bezpieczeństwo jazdy, to na ile są w stanie także polepszyć efektywność finansowania oświetlenia dróg? Poniżej porównano koszty oświetlenia odcinka 1 km drogi z nawierzchniami o różnej jasności. Porównanie dla instalacji oświetleniowej drogi jednojezdniowej przy założeniu L= 1 cd/m 2.lx zgodnie z DIN EN W analizie: zmniejszono moc lamp, liczbę źródeł światła na 1 km oraz wsk. luminancji nawierzchni 29 Jasna nawierzchnia drogi... a jakość i koszty oświetlenia Porównanie dla instalacji oświetleniowej autostrady miejskiej przy założeniu L= 2 cd/m 2 zgodnie z DIN/DIN EN Współczynnik luminacji q 0 (cd/m 2.lx) 0,07 0,09 0,11 Odległość pomiędzy masztami (m) 30,5 39,5 46,00 Średnia luminacja L m (cd/m 2 ) 2,01 2,00 2,10 Równomierność oświetlenia U o 0,52 0,50 0,48 Równomierność oświetlenia wzdłużna U l 0,84 0,73 0,70 Wzrost wartości progowych TI (%) 10,60 9,30 8,20 Ilość żródeł światła na km 65,57 50,63 43,48 Moc przyłącza (kw/km) 18,033 13,924 11,957 Roczne zużycie prądu kw/h na km (przy 4200 godzinach świecenia) Porównanie kosztów utrzymania 100 % 77,2 % 66,3 % Porównanie kosztów zużycia prądu w odniesieniu na 2 cd/m % 76,8 % 63,5 % Lampy: 2 źródła światła na słup, żarówki sodowe 250 W, wysokość źródeł światła 14 m, odległość pomiędzy słupami zmienna. Źródło: [5] 30 15

16 Jasna nawierzchnia drogi... a jakość i koszty oświetlenia Podsumowanie: Stosowanie jasnych lub rozjaśnionych naiwerzchni generuje konkretne efekty ekonomiczne dla Zarządcy drogi. Pojawiają się znaczące oszczędności w kosztach oświetlenia dróg i ulic o jasnych nawierzchniach o 25-40%, poprzez np.: przy już istniejącej infrastrukturze: zmniejszenie mocy, zmniejszenie liczby źródeł światła optymalne projektowanie infrastruktury oświetleniowej na nowych drogach: zmniejszenie mocy, zwiększenie odległość pomiędzy źródłami światła. Ewentualne wyższe/dodatkowe nakłady amortyzują się po dość krótkim czasie. 31 WNIOSKI Poprzez zastosowanie jasnych kruszyw możliwe jest uzyskanie jasnych nawierzchni o wskaźniku luminancji q o > 0,07 cd/m 2.lx Jasne nawierzchnie wpływają znacząco na obniżenie kosztów oświetlenia ulicznego. Optymalne zaprojektowanie oświetlenia w przypadku dróg nowobudowanych pozwala obniżyć nie tylko koszty energii, ale również koszty utrzymania. Jasne nawierzchnie wpływają na zwiększenie odporności nawierzchni asfaltowych na koleinowanie. Istnieje możliwość stosowania asfaltów o wyższej penetracji tzw. miękkich, co zredukuje liczbę spękań niskotemperaturowych. Powstanie rzeczywiste obniżenie kosztów budowy, utrzymania i eksploatacji dróg

17 WNIOSKI Zwiększa się bezpieczeństwo uczestników ruchu: Znacznie lepsza widoczność w porze nocnej lub/i w przypadku mokrych nawierzchni. Zwiększenie kontrastowości, a przez to lepsza rozpoznawalność obiektów na drodze. Jest to szczególnie istotne przy ciemnych obiektach na ciemnych nawierzchniach. Zmniejszenie efektu oślepienia ze względu na odbicia lustrzane światła padającego od reflektorów pojazdów. Zwiększenie efektywności oświetlenia reflektorów pojazdu. Znaczące zwiększenie bezpieczeństwa poprzez wyeliminowanie problemu koleinowania i stąd także spadek wypadkowości. 33 WNIOSKI Asfaltowe warstwy ścieralne z jasnym kruszywem umożliwiają wykonywanie trwalszych, bardziej ekonomicznych a przede wszystkim bezpieczniejszych nawierzchni na wszystkich drogach publicznych w Polsce

18 DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ Kontakt: Krzysztof Błażejowski: Erwin Filipczyk: tel BIBLIOGRAFIA [1] Norddeutsche Expertengruppe für aufgehellte Asphaltdeckschichten: Praktische Hinweise für den Bau von hellen Asphaltdeckschichten Praktyczne Wskazówki do Budowy Jasnych Nawierzchni Asfaltowych, [2] Dariusz Sybilski, Robert Mularzuk, IBDiM: Wpływ zastosowania kruszywa gabro na właściwości nawierzchni asfaltowej. [3] Peter Pohlmann: Helle Decken verbessern den Verformungschutz. Bitumen 1/96. Jasne nawierzchnie poprawiają odporność na deformacje. Bitumen 1/96 [4] FGSV Forschungsgesellschaft für Strassen- und Verkerswehsen; Arbeitspapier Reflexionseigenschaften von Gesteinskörnungen und Oberflächen aus Asphalt. Ausgabe Dokument roboczy: Właściwości Refleksyjne Kruszyw i Nawierzchni Asfaltowych. Wydanie [5] Dr Hans Meseberg: Gutachten G 04/2011 zu Ermittlung des optimalen Leuchtdichtekoeffizienten q 0 von Fahrbahnoberflechen hinsichtlich Energieeinsparung ortsfest beleuchtete Strassen, Standfestigkeit von Fahrbandecken und Kontrastverhältnissen nicht ortsfeste beleuchtete Strassen. Ekspertyza nr G 04/2011 w celu ustalenia optymalnego wskaźnika luminescencji q 0 nawierzchni dróg pod kątem oszczędności energii elektrycznej stałego oświetlenia dróg, trwałości nawierzchni i poprawy warunków kontrastowości dróg nieoświetlonych. Berlin [6] Przemysław Oziemblewski. Wprowadzenie do oświetlenia drogowego. [7] Przemysław Oziemblewski. Dlaczego luminancja drogi, a nie jej natężenie oświetlenia?