Wpływ zmienności natężeń ruchu pojazdów ciężkich oraz temperatur na trwałość zmęczeniową konstrukcji nawierzchni drogowej

Wpływ zmienności natężeń ruchu pojazdów ciężkich oraz temperatur na trwałość zmęczeniową konstrukcji nawierzchni drogowej dr inż. Malwina Spławińska dr inż. Piotr Zieliński dr inż. Piotr Burnos

PLAN PREZENTACJI I. Analiza zmienności natężeń ruchu oraz temperatur (podział terytorium polski na grupy jednorodne ruchowo i temperaturowo) - dr inż. Malwina Spławińska - PK II. Analiza trwałości zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni (z uwzględnieniem zmienności ruchu i temperatur ) - dr inż. Piotr Zieliński - PK III. Systemy dynamicznego ważenia pojazdów - dr inż. Piotr Burnos - AGH

CHARAKTERYSTYKA PROBLEMATYKI BADAWCZEJ 1. Projektowanie konstrukcji nawierzchni opiera się na wielu założeniach dotyczących np.: agresywności poszczególnych sylwetek pojazdów, współczynników wzrostu ruchu dla celów prognostycznych, doboru temperatur ekwiwalentnych i rozkładów ruchu w poszczególnych okresach analizy czy doboru kryteriów zmęczeniowych 2. W Polsce obliczenia trwałości zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni można wykonywać w zależności od źródła, dla temperatur ekwiwalentnych: rocznych (10 C wg KWiPNPiP i 13 C wg KTKNPiP) lub sezonowych (wg Dziennika Ustaw Nr 43: -2 C dla zimy, +10 C dla wiosny i jesieni oraz +23 C dla lata); przyjmując, że rozkład ruchu ciężkiego na okresy w roku wynosi: 20% dla okresu zimy, 50% dla okresu wiosny i jesieni oraz 30% dla okresu lata.

CHARAKTERYSTYKA PROBLEMATYKI BADAWCZEJ Dane potrzebne do projektowania nawierzchni są coraz częściej dostarczane przez systemy WIM, które umożliwiają bardziej szczegółowe analizy jej trwałości Celem niniejszego artykułu jest rozwinięcie dotychczasowych badań dotyczących sezonowej zmienności natężeń ruchu pojazdów ciężkich w połączeniu ze zmiennością temperatur w ciągu roku na trwałość zmęczeniową podatnych nawierzchni drogowych obciążonych ruchem KR4 Dodatkowo przeanalizowano wpływ zmienności temperatur i natężeń w dobie na trwałość zmęczeniową przedmiotowych nawierzchni. We wnioskach odniesiono się do zasadności ujednolicenia temperatury ekwiwalentnej, przyjmowanej do projektowania konstrukcji nawierzchni w Polsce. 15-1-27

BUDOWA BAZ DANYCH Źródła wykorzystanych danych Zmienność natężeń ruchu: 34 stacji ciągłego pomiaru ruchu (Golden River) zlokalizowanych na terenie całego kraju z lat 2000 2010

BUDOWA I WERYFIKACJA BAZ DANYCH Źródła wykorzystanych danych Zmienność temperatur: 21 stacji meteorologicznych (bazy danych serwera NCDC) zlokalizowanych na terenie całego kraju z lat 1981 2010 Zmienność temperatur w dobie: Dane pochodzące z system HS WIM (lokalizacja - Gardawice), który został zbudowany w Katedrze Metrologii i Elektroniki AGH w Krakowie, z roku 2007

PODZIAŁ SIECI DRÓG NA ODCINKI JEDNORODNE RUCHOWO 1. określenie wpływu kierunków ruchu na zmienność sezonową natężeń ruchu (test par), MAPE 2. określenie wskaźników sezonowej zmienności profili natężeń (zgodnie z definicją GDDKiA): W SDR j m SDR SDR SDR SDR SDR m SDR k1 lub k 2 m k1 lub k 2 100% 3. określenie zmienności wskaźników w kolejnych latach przy wykorzystaniu analizy wariancji ANOVA (test Browna-Forsytha, wizualna analiza skategoryzowanego wykresu normalności, test post-hoc test rozsądnej istotnej różnicy /RIR/ Tukeya). m SDR

PODZIAŁ SIECI DRÓG NA ODCINKI JEDNORODNE RUCHOWO 4. określenie kryteriów podziału sieci dróg: a) metoda ilościowa - analiza skupień: algorytm aglomeracji (metoda pojedynczego wiązania, odległość miejska (city block),

PODZIAŁ SIECI DRÓG NA ODCINKI JEDNORODNE RUCHOWO 4. określenie kryteriów podziału sieci dróg: a) metoda ilościowa - analiza skupień: algorytm aglomeracji (metoda pojedynczego wiązania, odległość miejska (city block), algorytm grupowania metodą k średnich (maksymalizacja odległości skupień, zasada odwróconej analizy wariancji) 1,3 1,2 1,1 Skupien. 1 Skupien. 2 Skupien. 3 Wykr. średnich każd. skupienia 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 2 4 6 8 10 12 Przyp

PODZIAŁ SIECI DRÓG NA ODCINKI JEDNORODNE RUCHOWO 4. określenie kryteriów podziału sieci dróg: b) metoda jakościowa - przynależność funkcjonalno/geograficzna podział na podstawie lokalizacji odcinków przynależnych do danego skupienia (profilu natężeń), przypisanie cech funkcjonalno/geograficznych (region Polski, strefa oddziaływania portów, strefa przygraniczna).

PODZIAŁ SIECI DRÓG NA ODCINKI JEDNORODNE RUCHOWO 5. podział sieci dróg krajowych na odcinki jednorodne ruchowo:

PODZIAŁ SIECI DRÓG NA ODCINKI JEDNORODNE TEMPERATUROWO 1. określenie kryteriów podziału sieci dróg (analizy prowadzono dla głębokości przyjmowania temperatury nawierzchni z = 10.3 cm ): a) metoda ilościowa - analiza skupień: algorytm aglomeracji (metoda pojedynczego wiązania, odległość miejska (city block),

PODZIAŁ SIECI DRÓG NA ODCINKI JEDNORODNE TEMPERATUROWO 1. określenie kryteriów podziału sieci dróg (analizy prowadzono dla głębokości przyjmowania temperatury nawierzchni z = 10.3 cm ): a) metoda ilościowa - analiza skupień: algorytm aglomeracji (metoda pojedynczego wiązania, odległość miejska (city block), algorytm grupowania metodą k średnich (maksymalizacja odległości skupień, zasada odwróconej analizy wariancji)

PODZIAŁ SIECI DRÓG NA ODCINKI JEDNORODNE TEMPERATUROWO 3. określenie kryteriów podziału sieci dróg: b) metoda jakościowa - przynależność funkcjonalno/geograficzna

ZMIENNOŚĆ TEMPERATUR W DOBIE Wyznaczenie średnich temperatur godzinowych warstw asfaltowych, na głębokości 5 cm (wyniki pomiarów z roku 2007).

ZMIENNOŚĆ TEMPERATUR W DOBIE Wyznaczenie średnich temperatur godzinowych warstw asfaltowych, na głębokości 5 cm (wyniki pomiarów z roku 2007).

DANE WEJŚCIOWE DO ANALIZ TRWAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ Do analiz przyjęto następujące rodzaje konstrukcji asfaltowych nawierzchni podatnych dla KR 4 w tabeli: Typ A1 - z podbudową z mieszanki niezwiązanej Typ B - z podbudową z betonu asfaltowego l.p. warstwa Typ konstrukcji nawierzchni Zawartość obj. A1 B asfaltu [%] 1 ścieralna 4 cm SMA S 50/70 2 wiążąca 6 cm AC W 35/50 3 Podbudowa zasadnicza górna 4 Podbudowa zasadnicza dolna 10 cm AC P 35/50 20 cm MN, E=400 MPa 4 cm SMA S 50/70 8 cm AC W 35/50 14 cm AC P 35/50 - - Zawartość wolnych przestrzeni [%] 16,0 3,0 10,5 6,0 10,0 7,0 5 Podłoże ulepszone E 2 = 100 MPa - - -

DANE WEJŚCIOWE DO ANALIZ TRWAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ Do analiz trwałości zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni przyjęto następujący rozkład liczby równoważnych osi standardowych (L): Dla poszczególnych miesięcy: skupienie 1: 5.7%, 6.6%, 7.6%, 8.5%, 9.0%, 9.5%, 9.7%, 9.5%, 9.7%, 8.9%, 8.3%, 7.0% skupienie 2: 5.3%, 6.0%, 7.0%, 8.3%, 9.0%, 9.8%, 10.2%, 10.0%, 9.7%, 9.2%, 8.3%, 7.2% Dla poszczególnych sezonów (IV-VI i X-XII, VII-IX, I-III): 52%, 30%, 18% (wartość średnia ze stacji Golden River), 50%, 30%, 20% (udziały zgodne z Dziennikiem Ustaw Nr 43). Dla poszczególnych okresów doby: 30.7%, 43.2%, 11.6% i 14.5% (profil DC w-c 1), 24.7%, 37.5%, 15.6% i 22.2% (profil DC w-c 2).

DANE WEJŚCIOWE DO ANALIZ TRWAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ Ekwiwalentne temperatury przyjęto w odniesieniu do: miesięcy, sezonów i poszczególnych pór doby w kolejnych miesiącach (zgodnie z tabelą) oraz w odniesieniu do całego roku (+10 C i +13 C). Miesiąc/ sezon Skupienie 1 Skupienie Stacja WIM Gardawice 2 6:00-11:00 11:00-18:00 18:00-22:00 22:00-6:00 24h I 0.3 1.8 2.3 4.2 2.7 1.9 2.7 II 1.1 3.0 1.3 4.2 1.9 0.7 2.0 III 5.1 6.9 5.4 9.6 5.7 3.7 6.0 IV 11.6 12.9 11.2 23.9 16.1 9.3 14.8 V 17.6 18.7 16.8 27.8 21.3 15.3 19.8 VI 20.8 21.8 20.9 32.7 25.8 19.2 24.1 VII 23.4 24.4 19.7 29.6 25.0 19.1 22.8 VIII 22.6 23.7 20.0 31.0 25.0 19.0 23.2 IX 17.5 18.6 13.7 17.6 14.7 13.2 14.5 X 12.0 13.3 9.3 10.1 7.2 6.2 8.0 XI 6.1 7.4 2.3 2.9 1.3 0.7 1.7 XII 1.6 3.0 0.3 0.9-0.1-0.6 0.1 IV VI I X - XII 11.7 12.8 - - - - 11.4 VII - IX 21.2 22.2 - - - - 20.1 I - III 2.2 3.9 - - - - 3.6

ANALIZA TRWAŁOŚCI ZMĘCZENIOWEJ KONSTRUKCJI NAWIERZCHNI 1. Obliczenia stanu naprężeń i odkształceń w nawierzchni przeprowadzono z wykorzystaniem programu BISAR 2. Trwałość zmęczeniową przedmiotowych konstrukcji nawierzchni wyznaczono wykorzystując kryterium zmęczeniowe warstw asfaltowych wg Instytutu Asfaltowego 3. Z uwagi na stosunkowo grube warstwy asfaltowe nie analizowano kryteriów nośności podłoża. 4. Obliczono ważone trwałości zmęczeniowe nawierzchni, gdzie wagami były udziały ruchu pojazdów ciężkich: w poszczególnych miesiącach (skupienie 1, skupienie 2 i WIM Gardawice), w poszczególnych porach dnia dla każdego miesiąca dla stacji WIM Gardawice (6:00 11:00, 11:00 18:00, 18:00-22:00 i 22:00 6:00), w poszczególnych porach roku (wg DU i Golden River) 15-1-27

Trwałości zmęczeniowe nawierzchni typu A1 dla temperatur miesięcznych 15-1-27

Trwałości zmęczeniowe nawierzchni typu A1 dla temperatur sezonowych 15-1-27

Trwałości zmęczeniowe nawierzchni typu B dla temperatur miesięcznych 15-1-27

Trwałości zmęczeniowe nawierzchni typu B dla temperatur sezonowych 15-1-27

Wnioski z analiz zmęczeniowych rozkład ruchu ciężkiego Uzyskane wyniki wskazują na bardzo mały wpływ badanych empirycznych rozkładów ruchu ciężkiego w poszczególnych okresach (pory dnia, miesiące, sezony) na wyznaczone trwałości zmęczeniowe analizowanych konstrukcji nawierzchni, nie przekraczający 3%. W praktyce oznacza to możliwość wykorzystywania jednego uśrednionego rozkładu ruchu ciężkiego w poszczególnych okresach analizy do wyznaczania trwałości zmęczeniowej nawierzchni. 15-1-27

Wnioski z analiz zmęczeniowych rozkład temperatur dla poszczególnych lokalizacji dla analiz sezonowych wyższe trwałości uzyskano dla lokalizacji wg skupienia 1 (7% do 9,5%), dla analiz miesięcznych wyższe trwałości uzyskano dla stacji WIM Gardawice (12 % do 17%), trwałość nawierzchni wyznaczona w analizach uwzględniających podział ruchu ciężkiego na 4 okresy doby jest o 4 6,5 % niższa w stosunku do wyników uzyskanych dla analiz miesięcznych, wyniki obliczeń dla temperatury ekwiwalentnej 10 C dają trwałość niższą w stosunku do obliczonej wg DU o ok. 5% (dla nawierzchni typu A1) i o ok. 10% (dla nawierzchni typu B), dla temperatury ekwiwalentnej 13 C wyznaczono najniższą trwałość zmęczeniową nawierzchni, dającą spadek w stosunku do obliczonej wg DU o ok. 23% (dla nawierzchni typu A1) i o ok. 50% (dla nawierzchni typu B). 15-1-27

Wnioski praktyczne z analiz zmęczeniowych W przypadku wykonywania obliczeń trwałości zmęczeniowej nawierzchni z wykorzystaniem temperatur dla poszczególnych sezonów zaleca się wykorzystanie danych empirycznych, np. wg profili temperatury pomierzonych w systemie WIM. Biorąc do obliczeń temperatury sezonowe wg DU uzyskujemy trwałości zmęczeniowe znacznie zawyżone w stosunku do obliczonych dla empirycznych rozkładów temperatury i obciążenia ruchem. W przypadku prowadzenia analiz dla temperatury ekwiwalentnej dla całego roku bezpieczne jest przyjęcie tej temperatury wg nowego Katalogu Typowych Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych tj. 13 C. 15-1-27

Sposoby ważenia pojazdów Kontrola wagi pojazdów najcięższych może być realizowana: Statycznie (Wagi stacjonarne), Dynamicznie (Systemy Weigh In Motion).

Dynamiczne ważenie pojazdów Zalety: brak ograniczenia V, duża efektywność, koszty. Wady: mała dokładność ważenia.

Dynamiczne ważenie pojazdów WIM - proces estymacji nacisków statycznych na podstawie pomiarów dynamicznych nacisków kół pojazdu na podłoże

Dynamiczne ważenie pojazdów Interfejs użytkownika Internet Nadrzędny układ cyfrowy Modem GSM Kamera Układ analogowy Czujnik temperatury Server ftp Pojazd Czujniki nacisku Czujnik indukcyjnościowy

Dynamiczne ważenie pojazdów Oprócz ważenia dynamicznego systemy WIM mogą być wykorzystane do : zapewnienia warunków uczciwej konkurencji między firmami przewozowymi w tym między różnymi formami transportu, analizy struktury rodzajowej ruchu drogowego oraz identyfikacji nacisków osi pojazdów ciężarowych, projektowania i zarządzania infrastrukturą drogową, zarządzania ruchem drogowym i optymalizacji przepływu tego ruchu, pobierania opłat za użytkowanie autostrad.

Dynamiczne ważenie pojazdów Administracyjne systemy WIM wysoka i znana dokładność, stały nadzór metrologiczny, nieprzerwany, automatyczny sposób działania. Klaster ITS: AGH w Krakowie, GUM, GITD, Kistler, Kapsch, CAT Traffic, TRAX Elektronik.