Analiza techniczno-ekonomiczna

Transkrypt

1 dr inż. Tomasz Rudnicki, mgr inż. Dawid Trzonkowski, Wojskowa Akademia Techniczna Analiza techniczno-ekonomiczna cichych nawierzchni drogowych cz. II Hałas jest jednym z największych problemów ekologicznych współczesnego świata, i stale przejawia tendencję wzrostową. Najpopularniejszą metodą walki z hałasem są ekrany akustyczne, jednak poza ogromną liczbą zalet są one również obarczone pewnymi wadami. W odpowiedzi na rosnące wymagania związane z klimatem akustycznym rozpoczęto poszukiwania nawierzchni, które w trakcie kontaktu z oponą wytwarzałyby mniej hałasu. Nawierzchnie te, popularnie zwane cichymi, są już obecne na polskich drogach, a dzięki ich szerszemu zastosowaniu można by ograniczyć liczbę ekranów akustycznych i poprawić komfort życia ludzi zamieszkujących tereny w pobliżu hałaśliwych dróg. Zasadne staje się więc sprawdzenie efektywności technicznej i ekonomicznej tego typu rozwiązań. Summary Technical and economical analysis of quiet road pavements part II Noise is one of the biggest ecological problems of the modern world, and it constantly tends to increase. The most common method of noise reduction are noise barriers, however, alongside numerous benefi ts, they have some disadvantages. In response to the growing demands related to the acoustic climate, the search has begun for pavements which would produce less noise in the course of contact with a tire. These pavements, popularly called quiet pavements, are already present on Polish roads, and their wider use could reduce the number of noise barriers and improve the quality of life of people living near noisy roads. Checking the technical and economical effectiveness of these solutions becomes reasonable. Keywords: noise, quiet road pavements, economics, analysis 6

2 - -6 db Rys.. Efekt obniżenia hałasu dla poszczególnych wariantów,,, 8, 6,,,, Rys.. Koszty wykonania wariantów dla drogi o szerokości 8 m [tys. zł] 8,,,, 8, 6,,,, ,,,, 8, 6,,,, Rys.. Koszty wykonania wariantów dla drogi o szerokości m [tys. zł] Rys.. Koszty wykonania wariantów dla drogi o szerokości m [tys. zł] W tej części artykułu zostaną opisane badania i ich wyniki poprawy parametrów mieszanki mineralno-asfaltowej poprzez udoskonalanie jej składu. Badania Przed przystąpieniem do analizy wybrane zostały kryteria, dla których będzie ona przeprowadzana. Kryteria wyselekcjonowano, tak by można było wskazać mocne i słabe strony poszczególnych rozwiązań, a jednocześnie rzetelnie i wiarygodnie ocenić ich efektywność zarówno w kwestiach technicznych, jak i ekonomicznych. Wybrane kryteria to: koszty wykonania, koszty utrzymania, trwałość, niezbędne zabiegi utrzymaniowe, wpływ na bezpieczeństwo ruchu, wpływ na środowisko naturalne. Dla każdego z kryteriów przyznano, w oparciu o przeprowadzoną analizę, oceny w skali od do, przy następujących założeniach: dla każdego wariantu grubość warstwy ścieralnej wynosi cm, zgodnie z obowiązującymi standardami, pomijane są koszty wbudowania, ponieważ w praktyce są identyczne dla każdej z mieszanek, dla każdego wariantu ekran akustyczny będzie miał jednakowe parametry, będzie to ekran panelowy, z tworzywa sztucznego o wysokości m, analiza wariantów przeprowadzona zostanie dla fikcyjnego odcinka drogi o długości m i trzech wariantów szerokości nawierzchni: 8 m, m, m, co odpowiada przekrojom drogowym x, +, oraz x. Zasadniczą dla prowadzonych rozważań kwestią jest wartość wskaźnika obniżenia hałasu dla poszczególnych wariantów, został on przyjęty w oparciu o zaproponowaną przez profesora W. Gardziejczyka klasyfikację nawierzchni pod względem hałaśliwości dla wariantów,, i. Jeżeli zaś chodzi o wariant, czyli mieszankę z dodatkiem gumy, przyjęto, że będzie charakteryzować się hałaśliwością zredukowaną o db, na podstawie []. Następnie obliczono łączne koszty wykonania warstwy ścieralnej i zabezpieczenia w postaci ekranów przeciwhałasowych. Rozpatrywano dwa przypadki obliczeniowe; w pierwszym przyjęto, że łączna długość ekranów na analizowanym odcinku dla wariantu wyniesie m, czyli połowę całkowitej długości odcinka, zaś dla pozostałych wariantów będzie ona zależna od współczynnika x (określającego procentowe zmniejszenie liczby ekranów przy obniżeniu poziomu hałasu o db. Przy obliczeniach korzystano ze wzoru: A n = (K n L D) + (h e C E (L E (% (H n x))) () A n suma kosztów wykonania ekranów akustycznych i warstwy ścieralnej dla danego wariantu, K n koszt wykonania m warstwy ścieralnej dla danego wariantu, L długość analizowanego odcinka drogi, D szerokość analizowanego odcinka drogi, h e wysokość ekranu akustycznego, C E koszt wykonania m ekranu akustycznego, L E łączna długość ekranów akustycznych dla danego wariantu, H n wskaźnik obniżenia poziomu hałasu dla danego wariantu, x procentowy współczynnik zmniejszenia długości ekranów. 6

3 6,, 6,,,,,,,,,,,, Rys.. Koszty wykonania wariantów dla drogi o szerokości 8 m [tys. zł] Obliczenia zostały przeprowadzone w arkuszu kalkulacyjnym programu Microsoft Excel, wyniki przedstawione zostały na rys. -. Wartości na wykresach zdominowane są przez koszty wykonania ekranów akustycznych, gdyż poza nimi uwzględniono jedynie koszt wytworzenia warstwy ścieralnej, dzięki temu jednak wyraźnie zauważalne są ekonomiczne korzyści stosowania cichych nawierzchni względem konwencjonalnych. W praktyce wartość współczynnika procentowej redukcji długości ekranów przy obniżeniu poziomu hałasu o db wynosi od % do % []. Dzięki tak przeprowadzonej analizie w przypadku dostosowania jej parametrów do sytuacji rzeczywistej możliwe jest określenie realnych korzyści ekonomicznych bądź też strat płynących z zastosowania konkretnego rozwiązania. W drugim przypadku obliczeniowym założono stałą wartość procentowego współczynnika zmniejszenia długości ekranów przy obniżeniu hałasu o db, wynoszącą 6,7%, przyjętą na podstawie wyników badań przeprowadzonych przez Departament Ochrony Środowiska GDDKiA [], zmienną natomiast jest długość ekranów akustycznych. W związku z tym, że ekrany mogą być lokalizowane po jednej stronie drogi bądź obustronnie, długości ekranów dla wariantu wynosić będą od do % w stosunku do długości analizowanego odcinka drogi. Przy obliczeniach korzystano ze wzoru: Kryterium Koszt wykonania, Koszty utrzymania,,7 Trwałość,6 Niezbędne zabiegi utrzymaniowe Wpływ na bezpieczeństwo ruchu Wpływ na środowisko Tab.. Zestawienie ocen wariantów Kryterium Waga kryterium [%] Koszt wykonania Koszty utrzymania Trwałość Niezbędne zabiegi utrzymaniowe Wpływ na bezpieczeństwo ruchu Wpływ na środowisko Tab.. Przyjęte wagi kryteriów Rys. 6. Koszty wykonania wariantów dla drogi o s zerokości m [tys. zł] 6,,,,,,, 7 7 Rys. 7. Koszty wykonania wariantów dla drogi o szerokości m [tys. zł] B n = (K n L D) + (h e C E (L (y (H n x))) () Bn suma kosztów wykonania ekranów akustycznych i warstwy ścieralnej dla danego wariantu. Obliczenia zostały przeprowadzone w arkuszu kalkulacyjnym programu Microsoft Excel dla wariantów szerokości drogi: 8, i m. Wyniki przedstawione zostały na rys. -7. W praktyce nie sposób określić wymaganą liczbę ekranów przeciwhałasowych dla drogi bez dogłębnej analizy map akustycznych sporządzanych w ramach prac projektowych. Realizowane w ostatnich latach inwestycje drogowe charakteryzowały się bardzo dużą rozbieżnością w tym zakresie, można jednak przyjąć, że statystycznie liczba ekranów akustycznych będzie się najczęściej zawierać w przedziale od do % w stosunku do długości odcinka drogi. Wyniki przeprowadzonych obliczeń świadczą o liniowym charakterze analizowanych zależności. W celu rzetelnej i sprawiedliwej oceny wszystkich wariantów w dalszej części wykorzystano łączne koszty wykonania ekranów akustycznych i warstwy ścieralnej dla odcinka drogi o długości m i szerokości 8 m (przekrój x ), przy założeniu, że długość ekranów dla wariantu ( długość wyjściowa ) wynosi % długości odcinka, zaś współczynnik redukcji długości ekranów 6,7% na każdy decybel obniżenia poziomu hałasu. Następnie przyznane zostały oceny proporcjonalnie do otrzymanych kosztów wykonania, które przedstawiono na rys. 8. Koszty utrzymania Koszty utrzymania obliczone zostały dla trzech okresów eksploatacji wynoszących odpowiednio:, i lat. Podobnie jak w przypadku kosztów wykonania, obliczenia przeprowadzono dla fikcyjnego odcinka drogi o długości m i szerokości 8 m (prze- 6

4 , Rys. 8. Zestawienie ocen wariantów w kryterium kosztów wykonania,,,,,,,, lat lat lat Rys. 9. Zestawienie kosztów utrzymania wariantów [tys. zł],,7 Rys.. Zestawienie ocen wariantów w kryterium kosztów utrzymania 8 6 Rys.. Trwałość wariantów w latach 6,6 Rys.. Zestawienie ocen wariantów w kryterium trwałości Rys.. Zestawienie ocen wariantów w kryterium zabiegów utrzymaniowych krój x ), długość ekranów akustycznych dla wariantu (długość wyjściowa) wynosi % długości odcinka, zaś współczynnik redukcji długości ekranów 6,7% na każdy decybel obniżenia poziomu hałasu. Otrzymane wyniki przedstawiono w postaci wykresu na rys. 9. Następnie dla każdego wariantu przyznana została ocena proporcjonalna do kosztów utrzymania, przy czym pod uwagę wzięto jedynie koszty dla -letniego okresu eksploatacji, ze względu na trwałość warstw ścieralnych, ponieważ po tym czasie dla każdego z wariantów konieczna będzie wymiana wierzchniej warstwy nawierzchni. Zestawienie ocen sporządzono w formie wykresu na rys.. Trwałość nawierzchni przyjęta została w oparciu o Katalog Przebudów i Remontów Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych, następnie na jej podstawie przyznano wariantom proporcjonalne oceny. Oceny dla kryterium niezbędnych zabiegów utrzymaniowych przyznano, uwzględniając: liczbę, pracochłonność i koszty koniecznych zabiegów utrzymaniowych. Przy czym największe znaczenie miały: dla wariantu lepsze parametry lepiszcza modyfikowanego gumą, większa trwałość oraz odporność na spękania, zaś dla wariantu wrażliwość nawierzchni na zabrudzenia i konieczność przeprowadzania kosztownych zabiegów oczyszczania. W kryterium bezpieczeństwa ruchu wzięto pod uwagę lepsze parametry pracy lepiszczy modyfikowanych gumą w szerokim zakresie temperatur oraz to, że charakteryzują się znacznie lepszą przyczepnością z oponami kół pojazdów samochodowych (krótsza droga hamowania) [], zaś w przypadku nawierzchni porowatych pozytywny wpływ na bezpieczeństwo wynikający z właściwości drenażowych, dzięki którym nawierzchnie te szybciej odprowadzają wodę w trakcie opadów, w związku z czym nie dochodzi do zjawiska akwaplanacji. Jeżeli chodzi o wpływ na środowisko naturalne, to w stosunku do wariantu największe znaczenie ma obniżenie hałasu, dzięki któremu droga w znacznie mniejszym stopniu oddziałuje negatyw- nie na pobliskie tereny, ponadto dzięki mniejszej liczbie ekranów ograniczona zostaje ingerencja w krajobraz oraz zanieczyszczenie środowiska związane z wytworzeniem, wbudowywaniem oraz eksploatacją zabezpieczeń przeciwhałasowych. Ocena wariantu poza akustyką uwzględnia również kwestię ponownego wykorzystania zużytych opon samochodowych, które stają się coraz większym problemem ekologicznym. Następnie, by rzetelnie i sprawiedliwie porównać warianty pomiędzy sobą, uwzględniając oceny we wszystkich kryteriach, wprowadzone zostały procentowe wagi dla każdego z nich, zgodnie z ich rzeczywistym znaczeniem dla użytkowników dróg oraz zarządców infrastruktury drogowej. Za pomocą wzoru obliczone zostały oceny wariantów uwzględniające wagi kryteriów: P k = W k () P k punktacja wariantu uwzględniająca wagę kryterium, ocena wariantu, W k waga kryterium. Po zsumowaniu wyników otrzymano końcowe oceny wariantów dla wszystkich kryteriów uwzględniające ich wagę, które przedstawiono na wykresie na rys. 6. Podsumowanie Najkorzystniejszy z punktu widzenia przyjętych kryteriów okazał się wariant, czyli mieszanka SMA z asfaltem modyfikowanym gumą z oceną,. Następne w kolejności były wariant, czyli mieszanka SMA8 z drobniejszym kruszywem z oceną,, oraz wariant, czyli mieszanka PA8 z oceną,. Wszystkie warianty z nawierzchnią o zredukowanej hałaśliwości okazały się lepsze niż wariant z nawierzchnią o hałaśliwości normalnej, który został oceniony na, pkt, czyli o wiele gorzej niż tzw. ciche nawierzchnie. Świadczy to o ogromnym potencjale tego typu rozwiązań, które bez wątpienia powinny częściej pojawiać się na drogach 6

5 Rys.. Zestawienie ocen wariantów w kryterium wpływu na bezpieczeństwo ruchu Rys.. Zestawienie ocen wariantów w kryterium wpływu na środowisko,,,, Rys. 6. Zestawienie ocen końcowych w Polsce. Podsumowanie wyników oraz danych zebranych w trakcie przygotowania analizy pozwala na sformułowanie kilku istotnych dla poruszanego tematu wniosków:. Hałas jest powszechnym i bardzo szkodliwym zjawiskiem, niestety jego znaczenie jest często bagatelizowane, co negatywnie wpływa na środowisko i ludność narażoną na jego działanie.. Szczególnym rodzajem hałasu jest hałas drogowy, który we współczesnym świecie w związku z gęstością dróg i ulic oraz liczbą różnego rodzaju pojazdów poruszających się po nich stał się jednym z głównych problemów ekologicznych.. Ochrona przed hałasem w otoczeniu dróg i ulic nie musi być realizowana tylko i wyłącznie przez instalację ekranów akustycznych, ponieważ istnieją sposoby pozwalające ograniczyć ich wymaganą liczbę częściowo lub nawet całkowicie.. Dużą wagę do kwestii związanych z akustyką powinno się przykładać już na etapie projektowania dróg, ma to olbrzymi wpływ na koszty zarówno budowy, jak i utrzymania inwestycji drogowych.. Prawna ochrona środowiska i ludzkości przed hałasem drogowym jest podstawą jakichkolwiek działań w tym zakresie, stąd nie może być zbyt rygorystyczna lub zbyt delikatna, rozwiązania prawne powinny uwzględniać rzeczywistość i spełniać oczekiwania ludności narażonej na hałas, ekologów oraz zarządców dróg. 6. Pomiary hałasu są bardzo trudne, kosztowne i czasochłonne, ze względu na fizykę tego zjawiska, które zależy od wielu czynników i charakteryzuje się dużą zmiennością w czasie. Należy jednak dążyć do wypracowania metod charakteryzujących się jak największa dokładnością i powtarzalnością wyników, tak by możliwa była precyzyjna ocena hałasu, będąca podstawą do późniejszego projektowania rozwiązań ochronnych. 7. Projektowanie zabezpieczeń akustycznych powinno opierać się na analizach potwierdzających słuszność zastosowania danego rozwiązania, uwzględniających zależne od sytuacji kryteria i stawiane instalacji wymagania, mogą to być np.: koszty wykonania, koszty utrzymania, trwałość, skuteczność akustyczna, walory estetyczne. 8. Ciche nawierzchnie są skuteczną, a przy tym efektywną zarówno technicznie, jak i ekonomicznie metodą walki z hałasem drogowym, ich stosowanie w zależności od warunków może całkowicie lub częściowo wyeliminować konieczność budowy ekranów przeciwhałasowych, ponadto mają wiele zalet pozaakustycznych. 9. Rozwój technologii cichych nawierzchni i ich szersze zastosowanie z pewnością wpłyną pozytywnie na klimat akustyczny w pobliżu dróg oraz obniżą koszty ich budowy i utrzymania. Należy więc podjąć działania w kierunku poszukiwania innowacyjnych rozwiązań w tym zakresie oraz doskonalenia już istniejących, np. poprzez współpracę z zagranicznymi ośrodkami badawczymi, ponieważ zyski płynące z tych działań są nie do podważenia. Hałas drogowy stanowi duży problem, który niestety stale rośnie, należy więc szukać skutecznych metod walki z tym zjawiskiem, które nie będą obarczone negatywnymi skutkami. Nie bez znaczenia są również koszty związane z ochroną przeciwhałasową, które stawiają ten temat w kręgu zainteresowań inwestorów i zarządców dróg. Podnoszone w Polsce kwestie zasadności budowy ekranów akustycznych mają często słuszne podstawy, dlatego szczególną uwagę należy zwrócić na cichych nawierzchni, które jak wynika z analizy w wielu przypadkach mogą stanowić doskonałą alternatywę dla innych rozwiązań, i bez wątpienia wpłyną pozytywnie zarówno na klimat akustyczny w pobliżu dróg, jak i koszty związane z budową i utrzymaniem infrastruktury drogowej. Piśmiennictwo. Buczek P.: Zmiana kosztów budowy zabezpieczeń akustycznych w związku z wejściem w życie Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia października r. Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad,.. Czernek D.: Asfaltowe polskie drogi jakość, ekologia, innowacje. Transport i Komunikacja, /.. Gardziejczyk W.: Hałas od przejeżdżającego pojazdu w zależności od jego prędkości i charakterystyki nawierzchni drogowej. Magazyn Autostrady, 7/.. Gardziejczyk W.: Metody pomiaru i oceny hałaśliwości nawierzchni drogowych wybrane aspekty. Zakopane.. Król J., Radziszewski P.: Asfalty drogowe modyfi kowane gumą doświadczenia i perspektywy stosowania. Magazyn Autostrady, /. 6. Nielsen C.: Durability of porous asphalt International experience. Danish Road Institue, Piłat J., Radziszewski P., Nawierzchnie asfaltowe. Warszawa. 8. Ruttmar I.: Eksploatacja i utrzymanie nawierzchni z asfaltu porowatego. Zakopane. 9. Sexton T., Uhlmeyer J.: Quieter pavement performance in Washington. Washington State Department of Transportation,.. Zasadność budowy ekranów akustycznych i przepustów (przejść dla zwierząt) na autostradzie A i innych wybranych odcinkach dróg. Najwyższa Izba Kontroli, Warszawa