Co to są dane o ruchu drogowym do projektowania i oceny nawierzchni?

Ruch jako obciążenie nawierzchni

Dane o ruchu są najważniejszą zmienną w strukturalnym projektowaniu nawierzchni, obok nośności podłoża. Cała konstrukcja nawierzchni, warstwa ścieralna, podbudowa zasadnicza, podbudowa pomocnicza i podłoże, jest wymiarowana tak, aby wytrzymać skumulowane uszkodzenia spowodowane wielokrotnymi obciążeniami pojazdów w okresie projektowym. Bez dokładnej charakterystyki obciążenia ruchem nawierzchnia jest albo niedowymiarowana (przedwczesne zniszczenie), albo przewymiarowana (nadmierny koszt początkowy).

Przewodnik projektowy AASHTO 1993 (Część III, Rozdział 5) definiuje obciążenie ruchem jako skumulowaną liczbę przejazdów równoważnego obciążenia pojedynczej osi (ESAL) w okresie projektowym. Równanie projektowe wykorzystuje człon W18, skumulowaną liczbę przejazdów pojedynczej osi o obciążeniu 18 000 lb (80 kN) oczekiwaną na pasie projektowym w okresie eksploatacji nawierzchni. Oblicza się to jako:

w18 = DD × DL × W18

Gdzie DD to współczynnik rozkładu kierunkowego (zazwyczaj 0,50 dla dróg dwukierunkowych), DL to współczynnik rozkładu pasów (od 1,00 dla dróg jednopasmowych do 0,50–0,75 dla dróg z czterema lub więcej pasami w każdym kierunku), a W18 to skumulowana liczba ESAL w obu kierunkach.

Współczynnik rozkładu pasów uwzględnia fakt, że nie cały ruch korzysta z pasa projektowego. Załącznik D normy AASHTO 1993 podaje standardowe współczynniki rozkładu pasów: dla 1 pasa w każdym kierunku: 100% ruchu ciężarowego korzysta z tego pasa, dla 2 pasów: 80–100%, dla 3 pasów: 60–80%, dla 4 lub więcej pasów: 50–75%. Współczynniki te odzwierciedlają tendencję ciężkich pojazdów ciężarowych do koncentrowania się na prawym (wolnym) pasie na drogach wielopasmowych.

Dane o ruchu mają również kluczowe znaczenie dla oceny nawierzchni. Podczas przeglądów stanu i ocen strukturalnych porównanie rzeczywistego skumulowanego ruchu z projektowanym ruchem stanowi pierwszą wskazówkę diagnostyczną. Jeśli nawierzchnia wykazuje poważne uszkodzenia po zgromadzeniu zaledwie 40% projektowanych ESAL, przyczyną jest prawdopodobnie nadmierne obciążenie (przeciążone pojazdy), niewystarczająca nośność konstrukcyjna lub wady materiałowe/wykonawcze, a nie tylko wiek.

Program Long-Term Pavement Performance (LTPP) amerykańskiej Federalnej Administracji Drogowej (FHWA) utrzymuje najbardziej kompleksową bazę danych łączącą obciążenie ruchem z zachowaniem nawierzchni. Dane LTPP pokazują, że obciążenie ruchem wyjaśnia 40–60% zmienności tempa degradacji nawierzchni podatnych w USA i Kanadzie.

Klasyfikacja pojazdów, klasy FHWA od 1 do 13

Klasyfikacja pojazdów jest podstawą zbierania danych o ruchu, ponieważ różne typy pojazdów powodują bardzo różne poziomy uszkodzeń nawierzchni. System klasyfikacji FHWA składający się z 13 kategorii zdefiniowany w Traffic Monitoring Guide (wydanie 2013) kategoryzuje pojazdy mechaniczne na podstawie liczby osi i ich układu.

13 klas FHWA definiuje się następująco:

Klasa 1, Motocykle: Dwulub trzykołowe pojazdy silnikowe z dwiema osiami. Powodują pomijalne strukturalne uszkodzenia nawierzchni. Typowy rozstaw osi: 1,00–5,99 stóp.

Klasa 2, Samochody osobowe: Sedany, coupé, kombi i minivany. Dwie, trzy lub cztery osie (w tym przyczepy). Przyczyniają się do mniej niż 0,001 ESAL na przejazd. Typowy rozstaw osi: 6,00–10,10 stóp.

Klasa 3, Inne pojazdy dwuosiowe, czterokołowe, jednoczłonowe: Pick-upy, SUV-y, vany, kampery, samochody kempingowe, karetki, karawany i minibusy z jedną tylną osią wyposażoną w pojedyncze (nie podwójne) opony. Pomimo tej samej liczby osi co klasa 2, pojazdy te często ciągną przyczepy, tworząc konfiguracje 3- lub 4-osiowe. Rozstaw osi: 10,11–23,09 stóp.

Klasa 4, Autobusy: Dwulub trzyosiowe tradycyjne autobusy komunikacji miejskiej i szkolne. Minimalna masa całkowita: 12 000 lb. Rozstaw osi: 23,10–40,00 stóp.

Klasa 5, Dwuosiowe sześciokołowe samochody ciężarowe jednoczłonowe: Pojazdy ciężarowe z dwiema osiami i podwójnymi kołami tylnymi. Są to najczęściej spotykane samochody ciężarowe jednoczłonowe w miejskich flotach dostawczych. Zasady klasyfikacji LTPP wymagają minimalnej masy osi 1 wynoszącej 2,5 kipa i minimalnej masy całkowitej pojazdu wynoszącej 8,0 kipa dla tej klasy.

Klasa 6, Trzyosiowe samochody ciężarowe jednoczłonowe: Pojazdy ciężarowe z trzema osiami i bez przyczepy. Minimum osi 1: 3,5 kipa. Minimalna masa całkowita pojazdu: 12,0 kipa.

Klasa 7, Cztero- lub więcejosiowe samochody ciężarowe jednoczłonowe: Pojazdy ciężarowe jednoczłonowe z czterema, pięcioma, sześcioma lub siedmioma osiami. Obejmuje specjalistyczne wywrotki z osiami podnoszonymi.

Klasa 8, Cztero- lub mniejosiowe samochody ciężarowe z pojedynczą przyczepą: Dwuosiowy samochód ciężarowy lub ciągnik siodłowy ciągnący jedno- lub dwuosiową przyczepę. Łącznie: trzy lub cztery osie.

Klasa 9, Pięcioosiowe samochody ciężarowe z pojedynczą przyczepą: Klasyczna „18-kołówka" lub konfiguracja „3S2", dwuosiowy ciągnik siodłowy ciągnący trzyosiową naczepę. Jest to dominujący typ pojazdu ciężkiego w ruchu autostradowym w USA i zazwyczaj odpowiada za największy udział całkowitego obciążenia ESAL na autostradach międzystanowych. Rozstaw między osiami 1–2: 6,00–30,00 stóp, osie 2–3: 2,50–6,29 stóp, osie 3–4: 6,30–65,00 stóp, osie 4–5: 2,50–11,99 stóp. Minimalna masa całkowita: 20,0 kipa.

Klasa 10, Sześcio- lub więcejosiowe samochody ciężarowe z pojedynczą przyczepą: Obejmuje konfiguracje z dodatkowymi osiami w celu uzyskania większej dopuszczalnej masy całkowitej (np. pojazdy sześcioosiowe poruszające się na specjalnych zezwoleniach w stanach takich jak Michigan, gdzie dopuszczalna masa całkowita pojazdu wynosi 164 000 lb, a większa liczba osi ogranicza obciążenie osi do 13 000 lb).

Klasy 11, 12 i 13, Samochody ciężarowe z wieloma przyczepami: Pojazdy ciągnące dwie lub więcej przyczep. Klasa 11: pięć lub mniej osi, Klasa 12: sześć osi, Klasa 13: siedem lub więcej osi. Konfiguracje te są powszechne na dedykowanych korytarzach towarowych.

Zasady klasyfikacji LTPP (przyjęte w marcu 2006 r. przez Grupę Zadaniową Ekspertów ds. Ruchu) wykorzystują cztery zmienne do automatycznej klasyfikacji: liczba osi, rozstaw osi, masa pierwszej osi i masa całkowita pojazdu. Jest to niezbędne, ponieważ same klasyfikatory oparte na liczbie osi i rozstawie nie są w stanie odróżnić pojazdów klasy 3 (pojedyncze opony tylne) od klasy 5 (podwójne opony tylne), ponieważ oba mają dwie osie o podobnym rozstawie, ale bardzo różnym potencjale uszkodzenia nawierzchni.

Praktyczne znaczenie: W projektowaniu nawierzchni tylko pojazdy ciężarowe klas 5–13 FHWA mają znaczący wpływ na uszkodzenia strukturalne. Pojedynczy pięcioosiowy pojazd ciężarowy klasy 9 załadowany do masy całkowitej 80 000 lb generuje około 2,5 do 3,0 ESAL na przejazd, podczas gdy samochód osobowy klasy 2 generuje około 0,0004 ESAL. Oznacza to, że jedna ciężka ciężarówka powoduje tyle samo uszkodzeń nawierzchni, co około 6 000 do 7 500 samochodów osobowych.

Spektra obciążeń osi

Nowoczesne projektowanie nawierzchni odchodzi od podejścia opartego na pojedynczej wartości ESAL w kierunku spektrów obciążeń osi, szczegółowej charakterystyki rozkładu obciążeń osi według typu osi (kierownicza, pojedyncza, tandem, tridem, quad) dla każdej klasy pojazdów. System AASHTOWare Pavement ME Design (mechanistyczno-empiryczny) wykorzystuje spektra obciążeń jako podstawowe dane wejściowe dotyczące ruchu, a nie ESAL.

Spektrum obciążeń osi jest zwykle przedstawiane jako histogram pokazujący procent całkowitej liczby przejazdów osi, które mieszczą się w każdym przedziale obciążenia (zwykle co 2 000 lb lub 4,45 kN) dla każdej konfiguracji osi. Na przykład rozkład obciążenia osi kierowniczej pięcioosiowego pojazdu ciężarowego klasy 9 może osiągać szczyt przy 10 000–12 000 lb, tandem napędowy przy 30 000–34 000 lb, a tandem naczepy przy 28 000–32 000 lb.

Baza danych LTPP zawiera spektra obciążeń osi z setek stacji WIM w Ameryce Północnej, stanowiąc podstawę domyślnych rozkładów obciążeń w systemie Pavement ME. Spektra te różnią się znacząco w zależności od:

• Typu pojazdu ciężarowego (chłodnie ładują się inaczej niż cysterny lub platformy)
• Regionu geograficznego (międzystanowe korytarze towarowe vs. lokalne drogi wiejskie)
• Rodzaju ładunku (towary masowe vs. towary pakowane)
• Pory roku (sezony żniw rolniczych generują większe obciążenia)

Spektra obciążeń osi rejestrują pełny rozkład obciążenia, a nie pojedynczą wartość średnią. Dwie lokalizacje mogą mieć tę samą całkowitą liczbę ESAL, ale bardzo różne tempo degradacji, ponieważ jedna z nich ma wyższy procent obciążeń bliskich maksimum prawnemu. Wynika to z faktu, że funkcja uszkodzenia nie jest liniowa, tandem 34 000 lb powoduje znacznie więcej niż 34/30 razy większe uszkodzenia niż tandem 30 000 lb.

Spektra obciążeń specyficzne dla danej lokalizacji są zalecane w przypadku głównych projektów nawierzchniowych. Przewodnik monitorowania ruchu FHWA zawiera wytyczne dotyczące opracowywania spektrów specyficznych dla danej lokalizacji na podstawie co najmniej 3 do 7 dni ciągłych danych WIM, ze współczynnikami korekty sezonowej w celu ekstrapolacji na roczne obciążenie.

Koncepcja i obliczanie ESAL

Równoważne obciążenie pojedynczej osi (ESAL) jest standardową jednostką wyrażania uszkodzenia nawierzchni spowodowanego ruchem. Jeden ESAL reprezentuje uszkodzenie spowodowane jednym przejazdem pojedynczej osi 80 kN (18 000 lb) z podwójnymi oponami. Wszystkie inne obciążenia i konfiguracje osi są przeliczane na ESAL przy użyciu współczynników równoważności obciążenia (LEF).

Koncepcja ESAL wywodzi się z testów AASHO Road Test (1958–1960) przeprowadzonych w Ottawa w stanie Illinois, najbardziej wszechstronnego pełnoskalowego testu nawierzchni, jaki kiedykolwiek przeprowadzono. W teście poddano ponad 200 odcinków nawierzchni kontrolowanemu obciążeniu ruchem o znanych obciążeniach osi i rejestrowano liczbę powtórzeń obciążenia do zniszczenia. Na podstawie tych danych naukowcy wyprowadzili empiryczną zależność między obciążeniem osi a uszkodzeniem nawierzchni, która jest stosowana do dziś.

Współczynniki równoważności obciążenia (LEF) z AASHTO 1993 (przy założeniu docelowego wskaźnika sprawności operacyjnej pt = 2,5, liczby strukturalnej SN = 5 dla nawierzchni podatnych, głębokości płyty D = 9 cali dla nawierzchni sztywnych):

Zasada czwartej potęgi jest użytecznym przybliżeniem: współczynnik uszkodzenia równa się (rzeczywiste obciążenie / standardowe obciążenie) podniesione do czwartej potęgi. Dla pojedynczej osi 30 000 lb: (30 000/18 000)⁴ = (1,667)⁴ = 7,72, co jest bliskie wartości LEF AASHTO wynoszącej 7,9. Oznacza to, że pojedyncza oś 30 000 lb powoduje około 8 razy więcej uszkodzeń niż oś 18 000 lb i ponad 26 000 razy więcej uszkodzeń niż oś 2 000 lb.

Procedura obliczania ESAL (AASHTO 1993, Załącznik D):

1. Określenie natężenia ruchu według klas pojazdów (AADT dla każdej klasy FHWA)
2. Określenie rozkładów obciążenia osi dla każdej klasy (z danych WIM lub wartości domyślnych)
3. Zastosowanie współczynników równoważności obciążenia do każdego przedziału obciążenia osi
4. Zsumowanie udziałów uszkodzeń dla wszystkich osi i klas pojazdów
5. Zastosowanie rozkładu kierunkowego (DD = zazwyczaj 0,50)
6. Zastosowanie rozkładu pasów (DL = zależy od liczby pasów)
7. Zastosowanie współczynnika wzrostu w celu prognozy skumulowanych ESAL w okresie projektowym

Współczynnik pojazdów ciężkich (Truck Factor) to uproszczone podejście: liczba ESAL na pojazd ciężarowy dla danej klasy pojazdów. Dla pojazdów klasy 9 współczynnik ten zazwyczaj wynosi od 1,0 do 3,0 ESAL na pojazd ciężarowy, w zależności od warunków obciążenia. Pomnożenie współczynnika pojazdów ciężkich przez liczbę pojazdów ciężarowych daje całkowitą liczbę ESAL.

W pełni załadowana duża furgonetka pasażerska generuje około 0,003 ESAL, podczas gdy w pełni załadowany ciągnik siodłowy z naczepą może wygenerować do około 3 ESAL. Pojedyncza oś 80 kN powoduje ponad 3 000 razy więcej uszkodzeń niż oś 8 kN (1,000/0,0003 ≈ 3 333). Pojedyncza oś 133,3 kN powoduje około 67 razy więcej uszkodzeń niż pojedyncza oś 44,4 kN (7,9/0,118 ≈ 67).

Norma AASHTO 1993 zaleca mnożnik 1,5 do konwersji ESAL dla nawierzchni podatnych na ESAL dla nawierzchni sztywnych (lub 0,67 do konwersji nawierzchni sztywnych na podatne) przy porównywaniu równoważnego ruchu między typami nawierzchni.

Systemy ważenia w ruchu (WIM)

Ważenie w ruchu (WIM) to technologia pomiaru dynamicznych sił opon poruszającego się pojazdu z prędkością autostradową oraz szacowania statycznych obciążeń osi i masy całkowitej pojazdu. Systemy WIM są złotym standardem w zbieraniu danych o ruchu, ponieważ jednocześnie rejestrują obciążenia osi, klasyfikację pojazdów i natężenie ruchu.

ASTM E1318-09, „Standardowa specyfikacja dla drogowych systemów ważenia w ruchu (WIM) z wymaganiami użytkownika i metodami badań" określa wymagania wydajnościowe dla systemów WIM:

Elementy danych generowanych przez systemy WIM (zgodnie z ASTM E1318-94, Tabela 1): obciążenie koła, obciążenie osi, obciążenie grupy osi, masa całkowita pojazdu, prędkość, rozstaw osi (od środka do środka), klasa pojazdu, identyfikacja lokalizacji, pas i kierunek jazdy, data i godzina, kolejny numer rekordu pojazdu, rozstaw osi, ESAL oraz kod naruszenia (do wykrywania przeciążenia).

Typy czujników WIM obejmują:

• Czujniki z płytą zginaną: Instalowane wyłącznie w nawierzchniach z betonu cementowego (PCC). Mierzą odkształcenie spowodowane przejazdem osi.
• Czujniki tensometryczne (load cell): Instalowane wyłącznie w PCC. Wykorzystują hydrauliczne lub tensometryczne ogniwa obciążnikowe.
• Czujniki piezokwarcowe: Instalowane w PCC lub betonie asfaltowym (AC). Generują ładunek proporcjonalny do przyłożonej siły.
• Czujniki piezopolimerowe: Tańsza opcja dla nawierzchni AC. Mniej dokładne w skrajnych temperaturach.
• Czujniki taśmowe tensometryczne: Instalowane w PCC lub AC.

Kryteria wyboru lokalizacji (Poradnik WIM FHWA, FHWA-PL-18-015):

• Krzywizna pozioma: Na 200 stóp przed i 100 stóp za czujnikami, promień ≥ 5 700 stóp
• Nachylenie podłużne: ≤ 2% dla typów I, II, III, ≤ 1% dla typu IV
• Grubość nawierzchni AC: minimum 4 cale, zalecana wierzchnia warstwa z mieszanki wysokowydajnej o grubości 1,5–2 cali
• Długość płyty PCC zbrojonej w sposób ciągły: Długość płyty (stopy) = 2,93 × (prędkość pojazdu w mph) + 150 stóp, minimum 300–400 stóp dla prędkości autostradowych
• Przyszłe przebudowy nie powinny być planowane w ciągu 5 lat

Automatyczne klasyfikatory pojazdów (AVC) wykorzystują czujniki osi (taśmy piezoelektryczne lub pętle indukcyjne) do pomiaru liczby osi i wzorca rozstawu osi w celu określenia klasy pojazdu FHWA. Systemy AVC są prostsze i tańsze niż WIM, ale nie mogą dostarczyć danych o obciążeniu osi. Zasady klasyfikacji LTPP integrują progi masy osi w celu rozwiązania niejednoznaczności klasyfikacji, na przykład odróżnienie pustego pojazdu ciężarowego klasy 5 (jednostka, podwójne opony) od pick-upa klasy 3 (jednostka, pojedyncze opony) wymaga danych o masie, ponieważ oba mają dwie osie o podobnym rozstawie.

Wskaźnik wzrostu ruchu i prognozowanie

Natężenie ruchu i obciążenie pojazdów ciężarowych rzadko pozostają stałe w okresie eksploatacji nawierzchni. Wskaźnik wzrostu ruchu uwzględnia wzrost zarówno natężenia ruchu, jak i obciążenia pojazdów ciężarowych w czasie. Tabela D20 w Załączniku D normy AASHTO 1993 zawiera mnożniki dla danych wskaźników wzrostu i okresów projektowych.

Średni dobowy ruch roczny (AADT) jest podstawową miarą natężenia ruchu, całkowite roczne natężenie ruchu podzielone przez 365 dni. Przyszły AADT oblicza się jako:

Przyszły AADT = AADT_bieżący × (1 + r)^n

Gdzie r = roczny wskaźnik wzrostu (ułamek dziesiętny), a n = liczba lat w okresie prognozy.

Wskaźniki wzrostu różnią się znacząco w zależności od klasy pojazdów. Ruch samochodów osobowych może rosnąć o 1–3% rocznie na obszarach miejskich, podczas gdy ruch ciężkich pojazdów ciężarowych może rosnąć o 3–6% na głównych korytarzach towarowych. Władze regionalne określają odpowiednie wskaźniki wzrostu na podstawie analizy historycznych danych o ruchu z ciągłych stacji liczących.

Przykład wzrostu w rzeczywistych warunkach: Autostrada międzystanowa I-5, mila słupka 176,35 w stanie Waszyngton, przenosiła około 200 000 ESAL rocznie, gdy została zbudowana w 1965 roku, a do 1994 roku wzrosła do około 1 000 000 ESAL rocznie, pięciokrotny wzrost w ciągu 30 lat, co odpowiada rocznemu wskaźnikowi wzrostu wynoszącemu około 6%.

Czynniki specjalne wpływające na prognozy ruchu (wytyczne TxDOT):

• Ulice stające się głównymi trasami arteryjnymi dla autobusów miejskich lub szkolnych
• Drogi obsługujące nowo rozwinięte centra dystrybucyjne lub logistyczne
• Autostrady, na które wpływają nowe drogi łączące
• Trasy, na których następuje spadek ruchu z powodu otwarcia obwodnic
• Wzrost ruchu spowodowany wierceniami pól naftowych/gazowych lub pozwoleniami na turbiny wiatrowe

Okresy projektowe: AASHTO 1993 określa, że prognozy ruchu powinny obejmować pełny okres projektowy, zazwyczaj 20 lat dla nawierzchni podatnych i 30 lat dla nawierzchni sztywnych. Dłuższy okres projektowy dla nawierzchni sztywnych odzwierciedla ich wyższy koszt początkowy i dłuższy oczekiwany okres eksploatacji.

Obliczanie wzrostu ruchu jest niezbędne, ponieważ samo pomnożenie pierwotnej liczby pojazdów przez okres projektowy w latach rażąco zaniża całkowitą liczbę ESAL. Dla 30-letniego okresu projektowego z 4% rocznym wzrostem całkowity ruch jest 56 razy większy niż ruch w pierwszym roku, a nie 30 razy.

Koncepcja niezawodności AASHTO uwzględnia niepewności w prognozach ruchu, właściwościach materiałowych i wykonawstwie. Dla tras o wysokim priorytecie (autostrady międzystanowe) określa się poziomy niezawodności 90–99%, wymagające grubszych warstw nawierzchni, aby zabezpieczyć się przed możliwością przekroczenia prognoz przez rzeczywisty ruch.

Porównanie ruchu rzeczywistego i projektowego

Porównanie rzeczywistego skumulowanego ruchu z projektowanym ruchem jest kluczowym krokiem w kryminalistycznej ocenie nawierzchni. Podczas inspekcji stanu nawierzchni inspektor powinien określić:

1. Rzeczywiste skumulowane ESAL na nawierzchni od czasu budowy lub ostatniej rehabilitacji (z danych WIM, liczników ruchu lub rejestrów poboru opłat)
2. Projektowane ESAL, skumulowany ruch, jaki nawierzchnia została zaprojektowana przenosić w okresie jej eksploatacji
3. Stosunek rzeczywistych do projektowanych ESAL wyrażony w procentach

To porównanie dostarcza pierwszych dowodów diagnostycznych:

• Jeśli nawierzchnia wykazuje poważne uszkodzenia, ale rzeczywisty ruch jest znacznie poniżej projektowanego (<50%), przyczyną są prawdopodobnie czynniki materiałowe (słabe wykonawstwo, odspajanie, problemy z trwałością), środowiskowe (cykle zamrażania-rozmrażania, pękanie termiczne) lub strukturalne (niewystarczająca grubość dla rzeczywistych warunków podłoża).
• Jeśli nawierzchnia wykazuje poważne uszkodzenia, a rzeczywisty ruch jest bliski projektowanemu lub go przekracza (≥100%), nawierzchnia osiągnęła swój strukturalny okres projektowy i wymaga rehabilitacji.
• Jeśli nawierzchnia wykazuje uszkodzenia zgodne z normalnym starzeniem, ale rzeczywisty ruch znacznie przekracza projektowany (znacznie powyżej 100%), nawierzchnia została niedowymiarowana dla rzeczywistego obciążenia, częsta sytuacja na trasach, gdzie wzrost ruchu przekroczył prognozy.

Model strukturalny nawierzchni TxDOT opisuje uszkodzenie nawierzchni jako skumulowane i nieodwracalne. Każde indywidualne obciążenie powoduje określoną ilość uszkodzeń, a gdy suma osiągnie wartość maksymalną, nawierzchnia osiąga koniec swojego okresu użytkowania. Porównanie ruchu rzeczywistego z projektowanym określa, gdzie na tej krzywej uszkodzeń znajduje się nawierzchnia.

W przypadku wykrywania przeciążeń porównanie wykracza poza całkowitą liczbę ESAL i obejmuje rozkład obciążeń osi. Lokalizacja, w której osiągnięto 100% projektowanych ESAL, ale 30% pojazdów ciężarowych jest przeciążonych (przekracza dozwolone limity osi), będzie wykazywać znacznie więcej uszkodzeń niż lokalizacja z tą samą liczbą ESAL, ale 5% pojazdów przeciążonych. Inspektor powinien przeanalizować dane WIM pod kątem proporcji pojazdów legalnych i przeciążonych.

Ruch a uszkodzenia nawierzchni, przeciążenie przyspiesza pękanie i koleinowanie

Zależność między obciążeniem ruchem a uszkodzeniem nawierzchni ma charakter zarówno jakościowy, jak i ilościowy. Niektóre typy uszkodzeń są bezpośrednio związane z obciążeniem, ich nasilenie i zakres silnie korelują ze skumulowanym obciążeniem ruchem.

Pękanie zmęczeniowe (pękanie siatkowe) jest typowym uszkodzeniem wywołanym ruchem. Zgodnie z Podręcznikiem identyfikacji uszkodzeń LTPP (FHWA-HRT-13-092, wydanie 5), pękanie zmęczeniowe definiuje się jako serię połączonych spękań spowodowanych zmęczeniowym zniszczeniem powierzchni z betonu asfaltowego pod wpływem powtarzającego się obciążenia ruchem. Rozpoczyna się jako podłużne pęknięcia w śladzie kół i przechodzi w połączony wzór siatki. Mechanizmy: powtarzające się obciążenie ruchem wywołuje naprężenia rozciągające na spodzie warstwy asfaltowej. Każde przyłożenie obciążenia powoduje mikropękanie, które kumuluje się, aż do powstania widocznych pęknięć. Pojedyncza oś 80 kN powoduje ponad 3 000 razy więcej uszkodzeń zmęczeniowych niż oś 8 kN. Pojedyncza oś 44,4 kN musi być przyłożona ponad 12 razy, aby spowodować takie same uszkodzenia jak jedno powtórzenie pojedynczej osi 80 kN.

Koleinowanie to podłużne obniżenie powierzchni w śladzie kół, zwykle spowodowane zagęszczeniem lub konsolidacją jednej lub więcej warstw nawierzchni pod wpływem ruchu. Podręcznik LTPP DIM określa koleinowanie jako uszkodzenie związane z obciążeniem. W nawierzchniach podatnych koleinowanie występuje, gdy skumulowane odkształcenie trwałe od powtarzającego się obciążenia ruchem przekracza dopuszczalne granice. Przeciążone pojazdy ciężarowe nieproporcjonalnie przyspieszają koleinowanie, ponieważ odkształcenie trwałe w warstwach niespojonych i podłożu jest również związane z poziomem naprężeń funkcją potęgową.

Pękanie blokowe jest spowodowane głównie skurczem mieszanki mineralno-asfaltowej (MMA) i cyklami termicznymi, a nie obciążeniem ruchem. Pękanie poprzeczne w nawierzchniach podatnych jest wywołane głównie termicznie (pękanie niskotemperaturowe), a nie związane z obciążeniem. Pękanie krawędziowe jest wpływane zarówno przez obciążenie ruchem, jak i słabe podparcie krawędzi.

Dopuszczalne limity obciążenia osi (federalne w USA): pojedyncza oś, 20 000 lb, tandem, 34 000 lb, masa całkowita pojazdu, 80 000 lb. Wzór mostowy (Bridge Formula) (W = 500 × [L × N / (N-1) + 12N + 36]) ogranicza obciążenia grup osi, aby zapobiec przeciążeniu mostów. Pojazdy przekraczające te limity powodują nieproporcjonalne uszkodzenia nawierzchni, pojedyncza oś 30 000 lb (50% powyżej prawnego limitu 20 000 lb) powoduje około (30/20)⁴ = 5,1 razy więcej uszkodzeń niż legalna oś 20 000 lb.

Unikalne podejście stanu Michigan dopuszcza masę całkowitą pojazdu wynoszącą 164 000 lb w porównaniu z normalnym maksimum 80 000 lb w innych stanach, ale przy większej liczbie osi ograniczającej maksymalne obciążenie osi do 13 000 lb na pojedynczej osi, w porównaniu z 18 000 lb gdzie indziej. Pokazuje to, że liczba osi jest tak samo ważna jak masa całkowita, rozłożenie obciążenia na więcej osi wykładniczo zmniejsza uszkodzenia na oś.

Ruch lotniskowy, mieszanka statków powietrznych, typy podwozia i przejazdy

Projektowanie nawierzchni lotniskowych wykorzystuje zasadniczo inną charakterystykę ruchu niż projektowanie nawierzchni drogowych. Obciążenie statku powietrznego charakteryzuje się przez przejazdy (liczbę przejazdów statku powietrznego przez dany punkt), konfigurację podwozia (pojedyncze koło, podwójne koło, podwójny tandem, podwójny tandem w wózku 6-kołowym), ciśnienie w oponach (wpływa na naprężenia w warstwie ścieralnej) oraz obciążenie koła (wpływa na głębokość strukturalną).

Okólnik Doradczy FAA 150/5320-6G (7 czerwca 2021 r.) zawiera wytyczne dotyczące projektowania i oceny cywilnych nawierzchni lotniskowych. Program FAARFIELD (FAA Rigid and Flexible Iterative Elastic Layer Design) wykorzystuje warstwową teorię sprężystości dla nawierzchni podatnych oraz warstwową teorię sprężystości połączoną z trójwymiarową metodą elementów skończonych dla nawierzchni sztywnych, z krzywymi zniszczenia skalibrowanymi w National Airport Pavement Test Facility (NAPTF).

Protokół ICAO ACR-PCR (Ocena Klasyfikacji Statku Powietrznego / Ocena Klasyfikacji Nawierzchni) zastąpił starszą metodę ACN-PCN. PCR (Ocena Klasyfikacji Nawierzchni) musi być określona dla wszystkich nawierzchni przeznaczonych dla statków powietrznych o masie większej niż 5,7 tony. PCR jest raportowany w skali od 0 do 1000.

Kluczowe zmienne dla charakterystyki ruchu lotniskowego:

• Mieszanka statków powietrznych: Konkretne typy statków powietrznych, które będą korzystać z nawierzchni (Boeing 737, Airbus A320, Boeing 777 itp.), każdy o różnych masach, konfiguracjach podwozia i ciśnieniach w oponach.
• Roczna liczba startów: Liczba operacji startu dla każdego typu statku powietrznego rocznie. Krytycznym statkiem powietrznym jest ten, który wymaga największej grubości nawierzchni.
• Przejazdy: Liczba przejazdów statku powietrznego przez dany punkt. W przypadku pasów startowych najbardziej krytyczną strefą jest zazwyczaj koniec pasa, gdzie statki powietrzne są nieruchome przed startem.
• Typ podwozia: Pojedyncze koło (małe lotnictwo ogólne), podwójne koło (samoloty regionalne, wąskokadłubowe), podwójny tandem (szerokokadłubowe), podwójny tandem z wózkiem 6-kołowym (Boeing 777), konfiguracja podwozia określa rozkład naprężeń w konstrukcji nawierzchni.
• Ciśnienie w oponach: Wpływa na wymagania dotyczące warstwy ścieralnej. Wyższe ciśnienia w oponach nowoczesnych statków powietrznych wymagają wyższej jakości mieszanek ścieralnych.
• Wędrówka (wander): Statki powietrzne nie poruszają się idealnie po jednym śladzie jak pojazdy drogowe. Boczny rozkład przejazdów zmniejsza maksymalne uszkodzenia w porównaniu z ruchem skanalizowanym.

Historycznie nawierzchnie lotniskowe sprawdzały się dobrze przez 20 lat (DOT/FAA/AR-04/46). FAA stosuje kryteria zniszczenia skalibrowane w NAPTF w celu określenia dopuszczalnej liczby przejazdów dla danej konstrukcji nawierzchni i obciążenia statku powietrznego.

Cztery elementy konstrukcji nawierzchni zidentyfikowane w FAA AC 150/5320-6G: podłoże (naturalnie występująca gleba), materiały nawierzchniowe (warstwa ścieralna, podbudowa zasadnicza, podbudowa pomocnicza), obciążenia przyłożone (masa, ciśnienie w oponach, lokalizacja, częstotliwość) oraz klimat (wysokie/niskie temperatury, opady deszczu, cykle zamrażania-rozmrażania). Obciążenie ruchem oddziałuje ze wszystkimi innymi elementami przy określaniu trwałości nawierzchni.

Dane o ruchu w analizie trendów PCI

Wskaźnik stanu nawierzchni (PCI) to numeryczna ocena od 0 (zniszczona) do 100 (doskonała), która określa ilościowo stan nawierzchni na podstawie rodzaju, nasilenia i ilości uszkodzeń. Analiza trendów PCI wykorzystuje zależność między PCI a obciążeniem ruchem do przewidywania przyszłego stanu, planowania utrzymania i diagnozowania problemów strukturalnych.

Norma ASTM D6433 definiuje metodologię obliczania PCI. Dla danego odcinka nawierzchni PCI oblicza się poprzez:

1. Pomiar gęstości (zasięgu) każdego typu uszkodzenia na każdym poziomie nasilenia
2. Zastosowanie wartości odliczeń (deduct values) z ustalonych krzywych
3. Odjęcie całkowitego odliczenia od 100

Dane o ruchu wchodzą do analizy PCI na wiele sposobów:

• Segmentacja: Nawierzchnie dzieli się na odcinki zarządzania o jednolitym obciążeniu ruchem, historii budowy i typie nawierzchni. Natężenie ruchu (AADT i procent pojazdów ciężarowych) jest podstawowym kryterium segmentacji.
• Modelowanie degradacji: Krzywe degradacji PCI są opracowywane dla kombinacji typu nawierzchni, strefy klimatycznej i poziomu ruchu. Na przykład droga arteryjna z AADT wynoszącym 10 000 i 15% pojazdów ciężarowych będzie degradować się szybciej niż ulica osiedlowa z AADT wynoszącym 500 i 2% pojazdów ciężarowych.
• Przewidywanie wydajności: Badanie FHWA-HRT-18-065 wykorzystało bazę danych LTPP do opracowania modeli predykcyjnych PCI. Przeanalizowano 942 przykłady dróg asfaltowych z 14 atrybutami, w tym natężeniem ruchu. Modele drzew decyzyjnych przewidywały PCI z dokładnością >70%, identyfikując obciążenie ruchem jako jeden z najistotniejszych atrybutów.
• Priorytetyzacja utrzymania: Odcinki z dużym obciążeniem ruchem i szybko spadającym PCI są priorytetyzowane do interwencji, aby maksymalizować korzyść na wydaną złotówkę.

Równania PCI według Iowa DOT (opracowane w ramach badań ISU) wykorzystują regresję statystyczną do powiązania PCI z pomiarami uszkodzeń. Różne atrybuty przyczyniają się do PCI w zależności od rodzaju i nasilenia występujących uszkodzeń. Obciążenie ruchem jest używane jako zmienna niezależna w tych modelach.