Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Katedra Inżynierii Drogowej

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Katedra Inżynierii Drogowej"

Konrad Kowalik
7 lat temu
Przeglądów:

1 Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Katedra Inżynierii Drogowej WPŁYW POJAZDÓW PRZECIĄŻONYCH NA TRWAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWĄ NAWIERZCHNI PODATNYCH ORAZ NA KOSZTY ICH UTRZYMANIA dr inż. Dawid Ryś prof. dr hab. inż. Józef Judycki dr inż. Piotr Jaskuła

2 Plan prezentacji 1. Wprowadzenie - przyczyny badań 2. Analiza danych z ważenia pojazdów w ruchu (WIM) 3. Ocena oddziaływania pojazdów ciężkich na nawierzchnie podatne współczynniki równoważności 4. Analiza wpływu ruchu pojazdów przeciążonych na trwałość zmęczeniową i na okres eksploatacji 5. Oszacowanie kosztów wynikających z ruchu pojazdów przeciążonych 6. Podsumowanie 2

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Łączna długość [km] 1.

3 Łączna długość [km] 1. WPROWADZENIE 3000 Rozwój sieci dróg ekspresowych i autostrad w Polsce po roku Rok 3 3

4 Czynniki wpływające na trwałość zmęczeniową nawierzchni Ruch pojazdów ciężkich Warunki klimatyczne Technologia i materiały drogowe 4

5 Stacja ważenia pojazdów w ruchu (WIM) Kamery, czujniki optyczne Pętle indukcyjne rozpoznanie typu pojazdu, prędkości i długości Czujniki obciążenia osi 5

6 2. ANALIZA DANYCH Z WAŻENIA POJAZDÓW W RUCHU Dane zawierają informacje o: masie całkowitej obciążeniach poszczególnych osi odległościach między osiami prędkości rodzaju pojazdu 6

7 Dane wykorzystane w analizie Gdańsk S7 Przejazdowo Szczecin Zielona Góra Bydgoszcz Poznań A2 Emilia Olsztyn DK22 Nieżywięć DK1 Włocławek Warszawa Białystok 11 stacji WIM Okres pomiaru od roku do 3 lat Ponad 12 milionów pojazdów ciężkich DK94 Sucha Wrocław Opole Łódź Lublin DK11 Byczyna Kielce DK46 Grodziec Katowice DK7 Miechów DK79 Rudawa Kraków Rzeszów DK4 Wola Dębińska DK75 Tęgoborze 7

8 Udizał pojazdów przeciążonych Udział pojazdów przeciążonych w ruchu 25% 20% 15% 10% 5% 0% A2 (115) S7 (115) DK1 (115) DK4 (115) DK7 DK11 DK22 DK46 DK75 DK79 Stacja ważenia i dopuszczalne obciążenie osi DK94 Drogi o dopuszczalnym obciążeniu osi 115 kn Drogi o dopuszczalnym obciążeniu osi 100 kn Drogi o dopuszczalnym obciążeniu osi 100 kn, udział pojazdów 8

9 Udział osi [%] Rozkłady obciążenia osi 8,0% 7,0% 6,0% 5,0% 4,0% 3,0% 2,0% 1,0% 0,0% Obciążenie osi osi [kn] [kn] Rozkład dyskretny Rozkład normalny 1 Rozkład normalny 2 Rozkład złożony 9

3. OCENA ODDZIAŁYWANIA POJAZDÓW CIĘŻKICH NA NAWIERZCHNIE PODATNE Liczba pojazdów lub osi Współczynnik x równoważności = obciążenia Liczba równoważnych osi

10 3. OCENA ODDZIAŁYWANIA POJAZDÓW CIĘŻKICH NA NAWIERZCHNIE PODATNE Liczba pojazdów lub osi Współczynnik x równoważności = obciążenia Liczba równoważnych osi standardowych F j = W ts W tj F j W ts W tj współczynnik równoważności obciążenia osi Liczba osi standardowych Q s w danym czasie t Liczba osi o obciążeniu Q j w danym czasie t 10

11 Metody określania współczynników równoważności obciążenia Empiryczna (np. wzór czwartej potęgi) F j = Mechanistyczno empiryczna (na podstawie analizy szkód zmęczeniowych d) Q j Q s n F j = d j d s 11

12 Metoda mechanistyczno - empiryczna Wielowarstwowa półprzestrzeń sprężysta Obliczenia naprężeń i odkształceń h 1 h 2 0 2a q E 1, ν 1 E 2, ν 2 y Wyznaczenie punktów krytycznych Obliczenia szkody zmęczeniowej kryterium spękań zmęczeniowych z dołu do góry MEPDG 2004 h i h n E n, ν n z E i, ν i ε yy ε xx ε zz ε zz ε xx ε yy Wyznaczenie współczynników równoważności obciążenia 12

13 Udział pojazdów w szkodzie zmęczeniowej Udział pojazdów przeciążonych w szkodzie zmęczeniowej 100% 80% 60% 40% 20% 0% A2 (115) S7 (115) DK1 (115) DK4 (115) DK7 DK11 DK22 DK46 DK75 DK79 DK94 Stacja WIM i dopuszczalne obciążenie osi Pojazdy przeciążone Pojazdy obciążone prawidłowo 13

14 Współczynnik równoważności obciążenia pojazdu F 4. ANALIZA WPŁYWU RUCHU POJAZDÓW PRZECIĄŻONYCH NA TRWAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWĄ Model regresji liniowej pomiędzy udziałem pojazdów (R 2 >0.69, błąd standardowy < 7.1%) Modele regresji opracowano dla każdej ze stacji 1,2 1 0,8 0,6 0,4 F = 2,63 UP + 0,33 R² = 0,836 0,2 0 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% Udział pojazdów przeciążonych UP 14

15 Udział osi [%] 4. ANALIZA WPŁYWU RUCHU POJAZDÓW PRZECIĄŻONYCH NA TRWAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWĄ Uogólniony model regresji (R 2 >0.82, błąd standardowy < 7.9%) Cztery parametry modelu: udział pojazdów przeciążonych UP i parametry rozkładów obciążenia osi X 1, X 2, X 3 12% F UP = a 1 X 1 + a 2 X 2 + a 3 X 3 + a 4 UP 10% 8% 6% 4% 2% 0% X 1 =9,0% X 2 =30,9% X 3 =46,5% X 4 =13,6% Obciążenie zastępcze osi [kn] 15

16 Spadek trwałości zmęczeniowej DFL [%] DFL [%] 4. ANALIZA WPŁYWU RUCHU POJAZDÓW PRZECIĄŻONYCH NA TRWAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWĄ Wzrost udziału pojazdów przeciążonych z 0% do 20% powoduje Wzrost współczynnika równoważności o 100% Spadek trwałości zmęczeniowej o połowę 55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0% 5% 10% 15% 20% Udział pojazdów OV przeciążonych DK79 - max average średnia A2 - min 17

17 Okres trwałości T [lata] 4. ANALIZA WPŁYWU RUCHU POJAZDÓW PRZECIĄŻONYCH NA OKRES EKSPLOATACJI np. dla stacji S7 obecny UP=22%, dla UP=22% przyjęto T=20 lat 0% 5% 10% 15% 20% 25% Udział pojazdów przeciążonych UP [%] Stacja WIM A2 S7 DK4 DK7 DK11 DK22 DK46 DK75 DK79 DK94 18

18 Zmiana okresu ΔT [lata] 4. ANALIZA WPŁYWU RUCHU POJAZDÓW PRZECIĄŻONYCH NA OKRES EKSPLOATACJI Skrócenie T Wydłużenie T T0=10 lat 5 T0=15 lat 0 T0=20 lat % -10% -5% 0% 5% 10% 15% Zmiana udziału pojazdów przeciążónych ΔUP [%] 19

19 5. OSZACOWANIE KOSZTÓW WYNIKAJĄCYCH Z RUCHU POJAZDÓW PRZECIĄŻONYCH Analiza kosztów życia nawierzchni Life Cycle Cost analysis Koszty administracji Koszty użytkowników Metody obliczeń Deterministyczne Probabilistyczne 20

20 Stan nawierzchni Okres trwałości nawierzchni a kalkulacja kosztów Budowa nowej drogi Wzmocnienie nawierzchni Granica stanu krytycznego Okres projektowy nowej nawierzchni Lata eksploatacji 40-letni okres analizy 21

21 Stan nawierzchni Wydłużenie okresu eksploatacji a utrzymanie drogi Granica stanu krytycznego Lata eksploatacji letni okres analizy 40 Alt A Obecny udział pojazdów przeciążonych Alt B Zredukowany udział pojazdów przeciążonych 22

22 Koszty utrzymania przykład obliczeniowy Droga krajowa jednojezdniowa, dwupasowa SDR = 8000, Ruch ciężki 20% (Kategoria ruchu KR4) Konstrukcja wg katalogu, typ A1 Okres analizy: 40 lat Strategii utrzymania dróg (alternatywy): 1. Przebudowa konstrukcji na pełną głębokość po osiągnięciu stanu krytycznego nawierzchni 2. Wzmocnienie frezowanie z nakładką (12 cm) (wariant droższy, dłuższy okres trwałości) 3. Wzmocnienie nakładka (8cm) (wariant tańszy, krótszy okres trwałości) 4. Przebudowa recykling na gorąco warstw asfaltowych 23

23 Koszty utrzymania przykład obliczeniowy Dwa warianty: A. Obecny udział pojazdów przeciążonych B. Udział pojazdów przeciążonych zredukowany o 12% Jednakowe koszty początkowe i koszty zabiegów utrzymaniowych dla wariantu A i B, Różne okresy trwałości dla wariantów A i B Ceny wg. opracowania IBDiM Stopa inflacji 2,5% 24

24 Oszacowanie całkowitych kosztów budowy i utrzymania w okresie 40 lat Strategia utrzymania 1 Przebudowa na pełną głębokość 2 Wzmocnienie nakładka 12 cm 3 Wzmocnienie nakładka 8 cm 4 Recykling na gorąco Koszty budowy i utrzymania ponoszony przez administrację drogową w okresie 40 lat mln PLN na 1 km drogi Wariant A (obecny udział pojazdów przeciążonych) Wariant B (udział pojazdów przeciążonych zredukowany o 12%) Różnica między A i B 6,3 mln zł 5,5 mln zł 0,8 mln zł 13% 6,1 mln zł 5,4 mln zł 0,7 mln zł 11% 6,0 mln zł 5,2 mln zł 0,8 mln zł 12% 5,9 mln zł 5,3 mln zł 0,6 mln zł 10% 25

25 6. WNIOSKI 1) Ruch pojazdów przeciążonych jest poważnym problemem w Polsce. Udział pojazdów przeciążonych w ruchu ciężkim wynosi od 14% do 23% 2) Pojazdy przeciążone wywołują od 35 do 70% całkowitej szkody zmęczeniowej nawierzchni 3) Wzrost udziału pojazdów przeciążonych z 0% do 20% powoduje wzrost współczynnika równoważności obciążenia średni o 100% i spadek trwałości o średnio połowę 4) Zmniejszenie udziału pojazdów przeciążonych spowoduje wydłużenie okresu trwałości 5) Dla rozpatrywanego przykładu zmniejszenie udziału pojazdów przeciążonych o 12% zredukuje całkowite koszty utrzymania o ok 12% 26

Podobne dokumenty

WPŁYW RÓWNOŚCI NAWIERZCHNI I DYNAMICZNEGO ODDZIAŁYWANIA POJAZDÓW CIĘŻKICH NA TRWAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWĄ NAWIERZCHNI PODATNYCH

WPŁYW RÓWNOŚCI NAWIERZCHNI I DYNAMICZNEGO ODDZIAŁYWANIA POJAZDÓW CIĘŻKICH NA TRWAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWĄ NAWIERZCHNI PODATNYCH Dawid Ryś, Józef Judycki, Piotr Jaskuła Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Katedra