Čo sú dopravné údaje pre navrhovanie a hodnotenie vozoviek?

Doprava ako vstupné zaťaženie vozovky

Dopravné údaje sú najkritickejšou premennou v konštrukčnom navrhovaní vozoviek spolu s únosnosťou podložia. Celá konštrukcia vozovky, obrusná vrstva, podkladová vrstva, podklad a podložie, je dimenzovaná tak, aby odolala kumulatívnemu poškodeniu spôsobenému opakovaným zaťažením vozidlami počas návrhovej životnosti. Bez presnej charakteristiky dopravného zaťaženia je vozovka buď poddimenzovaná (predčasné zlyhanie) alebo predimenzovaná (nadmerné počiatočné náklady).

Sprievodca navrhovaním AASHTO 1993 (Časť III, Kapitola 5) definuje dopravné zaťaženie ako kumulatívny počet aplikácií ekvivalentného zaťaženia jednotlivej nápravy (ESAL) počas návrhového obdobia. Návrhová rovnica používa výraz W18, kumulatívny počet aplikácií zaťaženia jednotlivej nápravy 18 000 lb (80 kN) očakávaný v návrhovom jazdnom pruhu počas návrhovej životnosti vozovky. Vypočíta sa ako:

w18 = DD × DL × W18

Kde DD je faktor smerového rozdelenia (zvyčajne 0,50 pre obojsmerné cesty), DL je faktor rozdelenia jazdných pruhov (pohybuje sa od 1,00 pre jednopruhové cesty do 0,50 – 0,75 pre cesty so štyrmi alebo viacerými pruhmi v jednom smere) a W18 je kumulatívny počet ESAL v oboch smeroch.

Faktor rozdelenia jazdných pruhov zohľadňuje skutočnosť, že nie všetka doprava používa návrhový jazdný pruh. AASHTO 1993, Dodatok D, poskytuje štandardné faktory rozdelenia jazdných pruhov: pre 1 jazdný pruh v každom smere: 100 % nákladnej dopravy používa tento pruh, pre 2 pruhy: 80 – 100 %, pre 3 pruhy: 60 – 80 %, pre 4 alebo viac pruhov: 50 – 75 %. Tieto faktory odrážajú, že ťažké nákladné vozidlá sa na viacpruhových diaľniciach sústreďujú do pravého (pomalého) pruhu.

Dopravné údaje tiež riadia hodnotenie vozoviek. Počas prieskumov stavu a konštrukčných hodnotení poskytuje porovnanie skutočne nahromadenej dopravy s návrhovou dopravou prvú diagnostickú stopu. Ak vozovka vykazuje vážne poškodenie po nahromadení iba 40 % návrhových ESAL, príčina pravdepodobne spočíva v nadmernom zaťažení (preťažené nákladné vozidlá), nedostatočnej konštrukčnej kapacite alebo nedostatkoch materiálu/konštrukcie, nielen veku.

Program Long-Term Pavement Performance (LTPP) Federálneho úradu pre diaľnice (FHWA) udržiava najkomplexnejšiu databázu spájajúcu dopravné zaťaženie s výkonom vozoviek. Údaje LTPP ukazujú, že dopravné zaťaženie vysvetľuje 40 – 60 % variability v rýchlostiach zhoršovania pružných vozoviek v USA a Kanade.

Klasifikácia vozidiel, FHWA triedy 1 až 13

Klasifikácia vozidiel je základom zberu dopravných údajov, pretože rôzne typy vozidiel spôsobujú výrazne odlišnú mieru poškodenia vozovky. Klasifikačný systém FHWA s 13 kategóriami definovaný v príručke Traffic Monitoring Guide (vydanie 2013) kategorizuje motorové vozidlá na základe počtu náprav a usporiadania náprav.

13 tried FHWA je definovaných takto:

Trieda 1, Motocykle: Dvoj- alebo trojkolesové motorové vozidlá s dvoma nápravami. Prispievajú zanedbateľným konštrukčným poškodením vozovky. Typický rozstup náprav: 1,00 – 5,99 ft.

Trieda 2, Osobné automobily: Sedany, kupé, kombi a minivany. Dve, tri alebo štyri nápravy (vrátane prívesov). Prispievajú menej ako 0,001 ESAL na jeden prejazd. Typický rozstup náprav: 6,00 – 10,10 ft.

Trieda 3, Ostatné dvojnápravové štvorkolesové jednostupňové vozidlá: Pick-upy, športovo-úžitkové vozidlá, dodávky, obytné vozidlá, motorhomey, sanitky, pohrebné vozy a minibusy s jednou zadnou nápravou vybavenou jednoduchými (nie dvojitými) pneumatikami. Napriek rovnakému počtu náprav ako trieda 2 tieto vozidlá často ťahajú prívesy, čím vznikajú konfigurácie s 3 alebo 4 nápravami. Rozstup náprav: 10,11 – 23,09 ft.

Trieda 4, Autobusy: Dvoj- alebo trojnápravové tradičné diaľkové a školské autobusy. Minimálna hranica celkovej hmotnosti: 12 000 lb. Rozstup náprav: 23,10 – 40,00 ft.

Trieda 5, Dvojnápravové šesťkolesové jednostupňové nákladné vozidlá: Nákladné vozidlá s dvoma nápravami a dvojitými zadnými kolesami. Sú to najbežnejšie jednostupňové nákladné vozidlá v mestských rozvozových flotilách. Pravidlá klasifikácie LTPP vyžadujú minimálnu hmotnosť nápravy 1: 2,5 kip a minimálnu celkovú hmotnosť vozidla 8,0 kip pre túto triedu.

Trieda 6, Trojnápravové jednostupňové nákladné vozidlá: Nákladné vozidlá s tromi nápravami bez prívesu. Minimum nápravy 1: 3,5 kip. Minimálna celková hmotnosť vozidla: 12,0 kip.

Trieda 7, Jednostupňové nákladné vozidlá so štyrmi alebo viacerými nápravami: Jednostupňové nákladné vozidlá so štyrmi, piatimi, šiestimi alebo siedmimi nápravami. Zahŕňa špecializované sklápače so zdvíhacími nápravami.

Trieda 8, Nákladné vozidlá so štyrmi alebo menej nápravami a jedným prívesom: Dvojnápravové nákladné vozidlo alebo ťahač ťahajúci jedno- alebo dvojnápravový príves. Celkovo: tri alebo štyri nápravy.

Trieda 9, Päťnápravové nákladné vozidlá s jedným prívesom: Klasické „18-kolesové" vozidlo alebo konfigurácia „3S2", dvojnápravový ťahač ťahajúci trojnápravový náves. Toto je dominantný typ ťažkého vozidla v americkej diaľničnej doprave a zvyčajne predstavuje najväčší podiel celkového zaťaženia ESAL na medzištátnych diaľniciach. Rozstup medzi nápravami 1-2: 6,00 – 30,00 ft, nápravy 2-3: 2,50 – 6,29 ft, nápravy 3-4: 6,30 – 65,00 ft, nápravy 4-5: 2,50 – 11,99 ft. Minimálna celková hmotnosť: 20,0 kip.

Trieda 10, Nákladné vozidlá so šiestimi alebo viacerými nápravami a jedným prívesom: Zahŕňa konfigurácie s ďalšími nápravami pre vyššiu kapacitu celkovej hmotnosti (napr. šesťnápravové nákladné vozidlá prevádzkované na základe špeciálneho povolenia v štátoch ako Michigan, kde sú povolené celkové hmotnosti vozidiel 164 000 lb s viacerými nápravami obmedzujúcimi zaťaženie náprav na 13 000 lb).

Triedy 11, 12 a 13, Nákladné vozidlá s viacerými prívesmi: Vozidlá ťahajúce dva alebo viac prívesov. Trieda 11: päť alebo menej náprav, Trieda 12: šesť náprav, Trieda 13: sedem alebo viac náprav. Tieto konfigurácie sú bežné na špecializovaných nákladných koridoroch.

Pravidlá klasifikácie LTPP (prijaté v marci 2006 expertnou skupinou pre dopravu) používajú štyri premenné pre automatizovanú klasifikáciu: počet náprav, rozstup náprav, hmotnosť prvej nápravy a celkovú hmotnosť vozidla. Je to nevyhnutné, pretože klasifikátory založené len na počte náprav a rozstupe nedokážu rozlíšiť medzi vozidlami triedy 3 (jednoduché zadné pneumatiky) a triedy 5 (dvojité zadné pneumatiky), pretože obe majú dve nápravy s podobným rozstupom, ale výrazne odlišným potenciálom poškodenia vozovky.

Praktický význam: Pre navrhovanie vozoviek sú jedinými vozidlami, ktoré významne prispievajú ku konštrukčnému poškodeniu, nákladné vozidlá v triedach FHWA 5 až 13. Jedno päťnápravové nákladné vozidlo triedy 9 naložené na celkovú hmotnosť 80 000 lb generuje približne 2,5 až 3,0 ESAL na jeden prejazd, zatiaľ čo osobný automobil triedy 2 generuje približne 0,0004 ESAL. To znamená, že jedno ťažké nákladné vozidlo spôsobí toľko poškodenia vozovky ako približne 6 000 až 7 500 osobných automobilov.

Spektrá zaťaženia náprav

Moderné navrhovanie vozoviek sa odkláňa od prístupu jednej hodnoty ESAL smerom k spektrám zaťaženia náprav, podrobnej charakteristike rozdelenia zaťaženia náprav podľa typu nápravy (riadiace, jednoduché, tandemové, tridemové, štvorité) pre každú triedu vozidla. Systém AASHTOWare Pavement ME Design (mechanicko-empirický) používa spektrá zaťaženia ako primárny dopravný vstup, nie ESAL.

Spektrum zaťaženia náprav sa zvyčajne prezentuje ako histogram zobrazujúci percento celkových prejazdov náprav, ktoré spadajú do každého intervalu zaťaženia (zvyčajne intervaly po 2 000 lb alebo 4,45 kN) pre každú konfiguráciu nápravy. Napríklad rozdelenie zaťaženia riadiacej nápravy päťnápravového nákladného vozidla triedy 9 môže vrcholiť pri 10 000 – 12 000 lb, jeho hnacej tandemovej nápravy pri 30 000 – 34 000 lb a tandemovej nápravy návesu pri 28 000 – 32 000 lb.

Databáza LTPP obsahuje spektrá zaťaženia náprav zo stoviek lokalít WIM v celej Severnej Amerike, čo poskytuje základ pre predvolené rozdelenia zaťaženia v systéme Pavement ME. Tieto spektrá sa výrazne líšia podľa:

• Typu nákladného vozidla (chladiace dodávky sa nakladajú inak ako cisterny alebo plošiny)
• Geografického regiónu (medzištátne nákladné koridory oproti miestnym vidieckym cestám)
• Typu nákladu (hromadné komodity oproti balenému tovaru)
• Ročného obdobia (sezóny poľnohospodárskej žatvy produkujú ťažšie náklady)

Spektrá zaťaženia náprav zachytávajú úplné rozdelenie zaťaženia namiesto jednej priemernej hodnoty. Dve lokality môžu mať rovnaký celkový počet ESAL, ale veľmi rozdielne rýchlosti zhoršovania, pretože jedna má vyššie percento zaťažení blízkych zákonnému maximu. Je to preto, že funkcia poškodenia nie je lineárna, 34 000 lb tandemová náprava spôsobuje výrazne viac ako 34/30-násobok poškodenia 30 000 lb tandemovej nápravy.

Lokálne špecifické spektrá zaťaženia sa odporúčajú pre významné projekty vozoviek. Príručka FHWA Traffic Monitoring Guide poskytuje návod na vývoj lokálne špecifických spektier z nepretržitých údajov WIM z najmenej 3 až 7 dní, s faktormi sezónneho prispôsobenia na extrapoláciu na ročné zaťaženie.

Koncept ESAL a jeho výpočet

Ekvivalentné zaťaženie jednotlivej nápravy (ESAL) je štandardná jednotka na vyjadrenie poškodenia vozovky dopravou. Jeden ESAL predstavuje poškodenie spôsobené jedným prejazdom 80 kN (18 000 lb) jednotlivej nápravy s dvojitými pneumatikami. Všetky ostatné zaťaženia a konfigurácie náprav sa prevádzajú na ESAL pomocou faktorov ekvivalencie zaťaženia (LEF).

Koncept ESAL vznikol z cestného testu AASHO (1958 – 1960) vykonaného v Ottawe, Illinois, najkomplexnejšieho testu vozoviek v plnom rozsahu, aký bol kedy vykonaný. Test vystavil viac ako 200 úsekov vozoviek kontrolovanému dopravnému zaťaženiu so známymi zaťaženiami náprav a zaznamenával počet opakovaní zaťaženia do zlyhania. Z týchto údajov výskumníci odvodili empirický vzťah medzi zaťažením nápravy a poškodením vozovky, ktorý sa používa dodnes.

Faktory ekvivalencie zaťaženia (LEF) z AASHTO 1993 (za predpokladu indexu konečnej prevádzkyschopnosti pt = 2,5, konštrukčného čísla SN = 5 pre pružné vozovky, hrúbky dosky D = 9 palcov pre tuhé vozovky):

Pravidlo štvrtej mocniny je užitočná aproximácia: pomer poškodenia sa rovná (skutočné zaťaženie / štandardné zaťaženie) umocnené na štvrtú. Pre 30 000 lb jednotlivú nápravu: (30 000/18 000)⁴ = (1,667)⁴ = 7,72, čo sa tesne približuje faktoru LEF AASHTO 7,9. To znamená, že jedna 30 000 lb náprava spôsobuje približne 8-krát viac poškodenia ako 18 000 lb náprava a viac ako 26 000-krát viac poškodenia ako 2 000 lb náprava.

Postup výpočtu ESAL (AASHTO 1993, Dodatok D):

1. Stanovte objem dopravy podľa triedy vozidla (AADT pre každú triedu FHWA)
2. Stanovte rozdelenie zaťaženia náprav pre každú triedu (z údajov WIM alebo predvolených hodnôt)
3. Aplikujte faktory ekvivalencie zaťaženia na každý interval zaťaženia náprav
4. Sčítajte príspevky poškodenia zo všetkých náprav a tried vozidiel
5. Aplikujte smerové rozdelenie (DD = zvyčajne 0,50)
6. Aplikujte rozdelenie jazdných pruhov (DL = líši sa podľa počtu pruhov)
7. Aplikujte faktor rastu na projektovanie kumulatívnych ESAL počas návrhovej životnosti

Faktor nákladných vozidiel (Truck Factor) je zjednodušený prístup: počet ESAL na nákladné vozidlo pre danú triedu vozidla. Pre nákladné vozidlá triedy 9 sa faktor nákladných vozidiel zvyčajne pohybuje od 1,0 do 3,0 ESAL na vozidlo v závislosti od podmienok zaťaženia. Vynásobením faktora nákladných vozidiel počtom vozidiel získame celkové ESAL.

Plnne naložená veľká osobná dodávka generuje približne 0,003 ESAL, zatiaľ čo plne naložený ťahač s návesom môže generovať až približne 3 ESAL. 80 kN jednotlivá náprava spôsobuje viac ako 3 000-krát viac poškodenia ako 8 kN náprava (1,000/0,0003 ≈ 3 333). 133,3 kN jednotlivá náprava spôsobuje približne 67-krát viac poškodenia ako 44,4 kN jednotlivá náprava (7,9/0,118 ≈ 67).

AASHTO 1993 odporúča násobiteľ 1,5 na prevod pružných ESAL na tuhé ESAL (alebo 0,67 na prevod tuhých na pružné) pri porovnávaní ekvivalentnej dopravy medzi typmi vozoviek.

Systémy váženia za pohybu (WIM)

Váženie za pohybu (WIM) je technológia na meranie dynamických síl pneumatík pohybujúceho sa vozidla pri diaľničných rýchlostiach a odhadovanie statických zaťažení náprav a celkovej hmotnosti vozidla. Systémy WIM sú zlatým štandardom pre zber dopravných údajov, pretože súčasne zachytávajú zaťaženie náprav, klasifikáciu vozidiel a objem dopravy.

ASTM E1318-09, „Štandardná špecifikácia pre diaľničné systémy váženia za pohybu (WIM) s požiadavkami používateľov a skúšobnými metódami" definuje požiadavky na výkon systémov WIM:

Položky údajov produkovaných systémami WIM (podľa ASTM E1318-94, Tabuľka 1): zaťaženie kolesa, zaťaženie nápravy, zaťaženie skupiny náprav, celková hmotnosť vozidla, rýchlosť, rozstup náprav od stredu k stredu, trieda vozidla, identifikácia miesta, jazdný pruh a smer jazdy, dátum a čas, poradové číslo záznamu vozidla, rázvor, ESAL a kód porušenia (pre detekciu preťaženia).

Typy snímačov WIM zahŕňajú:

• Doskové ohybové snímače: Inštalujú sa len do vozoviek z portlandského cementového betónu (PCC). Merajú deformáciu pri prejazde nápravy.
• Snímače s tenzometrickými silomermi: Inštalujú sa len do PCC. Používajú hydraulické alebo tenzometrické silomery.
• Kremenné piezoelektrické snímače: Inštalujú sa do PCC alebo asfaltového betónu (AC). Generujú náboj úmerný pôsobiacej sile.
• Polymérové piezoelektrické snímače: Lacnejšia možnosť pre AC vozovky. Menej presné pri extrémnych teplotách.
• Pásové tenzometrické snímače: Inštalujú sa do PCC alebo AC.

Kritériá výberu miesta (FHWA WIM Pocket Guide, FHWA-PL-18-015):

• Horizontálne zakrivenie: 200 ft pred a 100 ft za snímačmi, polomer ≥ 5 700 ft
• Pozdĺžny sklon: ≤ 2 % pre typy I, II, III, ≤ 1 % pre typ IV
• Hrúbka AC vozovky: minimálne 4 palce, vrchná vrstva z vysokovýkonnej zmesi hrúbky 1,5 – 2 palce je preferovaná
• Dĺžka súvisle vystuženej PCC dosky: dĺžka dosky (ft) = 2,93 × (rýchlosť nákladného vozidla v mph) + 150 ft, minimálne 300 – 400 ft pre diaľničné rýchlosti
• Budúce preasfaltovanie by nemalo byť plánované do 5 rokov

Automatické klasifikátory vozidiel (AVC) používajú snímače náprav (piezoelektrické pásy alebo indukčné slučky) na meranie počtu náprav a vzoru rozstupu náprav na určenie triedy vozidla podľa FHWA. Systémy AVC sú jednoduchšie a lacnejšie ako WIM, ale neposkytujú údaje o zaťažení náprav. Pravidlá klasifikácie LTPP integrujú prahové hodnoty hmotnosti náprav na vyriešenie nejasností v klasifikácii, napríklad rozlíšenie prázdneho nákladného vozidla triedy 5 (jednostupňové, dvojité pneumatiky) od pick-upu triedy 3 (jednostupňové, jednoduché pneumatiky) vyžaduje údaje o hmotnosti, pretože obe majú dve nápravy s podobným rozstupom.

Miera rastu dopravy a projekcia

Objemy dopravy a zaťaženie nákladných vozidiel málokedy zostávajú konštantné počas návrhovej životnosti vozovky. Miera rastu dopravy zohľadňuje nárast objemu dopravy aj zaťaženia nákladných vozidiel v čase. AASHTO 1993, Dodatok D, Tabuľka D20, poskytuje násobitele pre dané miery rastu a návrhové obdobia.

Priemerná denná intenzita dopravy za rok (AADT) je základná miera objemu dopravy, celkový ročný objem dopravy vydelený 365 dňami. Budúci AADT sa vypočíta ako:

Budúci AADT = AADT_aktuálny × (1 + r)^n

Kde r = ročná miera rastu (desatinné číslo) a n = počet rokov projekčného obdobia.

Miery rastu sa výrazne líšia podľa triedy vozidla. Doprava osobných automobilov môže rásť o 1 – 3 % ročne v mestských oblastiach, zatiaľ čo doprava ťažkých nákladných vozidiel môže rásť o 3 – 6 % na hlavných nákladných koridoroch. Regionálne orgány určujú vhodné miery rastu pomocou analýzy historických dopravných údajov na nepretržitých sčítačích staniciach.

Príklad rastu z reálneho sveta: Diaľnica Interstate 5 pri míľovom stĺpiku 176,35 v štáte Washington niesla približne 200 000 ESAL ročne, keď bola postavená v roku 1965, čo sa do roku 1994 zvýšilo na približne 1 000 000 ESAL ročne, päťnásobný nárast za 30 rokov, čo zodpovedá ročnej miere rastu približne 6 %.

Špeciálne faktory ovplyvňujúce projekcie dopravy (usmernenie TxDOT):

• Ulice sa stávajú hlavnými tepnami pre mestské alebo školské autobusy
• Cesty obsluhujúce novo vyvinuté distribučné alebo nákladné centrá
• Diaľnice ovplyvnené novými pripojovacími cestami
• Trasy zaznamenávajúce pokles dopravy v dôsledku otvorenia paralelných obchvatiek
• Nárasty dopravy z vŕtania ropných/plynových polí alebo povolení na veterné generátory

Návrhové obdobia: AASHTO 1993 stanovuje, že projekcie dopravy by mali pokrývať celé návrhové obdobie, zvyčajne 20 rokov pre pružné vozovky a 30 rokov pre tuhé vozovky. Dlhšie návrhové obdobie pre tuhé vozovky odráža ich vyššie počiatočné náklady a dlhšiu očakávanú životnosť.

Výpočet rastu dopravy je nevyhnutný, pretože jednoduché vynásobenie pôvodného počtu dopravy návrhovou životnosťou v rokoch hrubo podhodnocuje celkové ESAL. Pre 30-ročné návrhové obdobie so 4 % ročným rastom je celková doprava 56-násobok dopravy prvého roka, nie 30-násobok.

Koncept spoľahlivosti AASHTO zohľadňuje neistoty v prognózach dopravy, vlastnostiach materiálov a konštrukcii. Pre prioritné trasy (medzištátne diaľnice) sú stanovené úrovne spoľahlivosti 90 – 99 %, čo vyžaduje hrubšie vrstvy vozovky ako ochrana pred možnosťou, že skutočná doprava presiahne projekcie.

Porovnanie skutočnej a návrhovej dopravy

Porovnanie skutočne nahromadenej dopravy s návrhovou dopravou je kritickým krokom pri forenznom hodnotení vozovky. Počas kontroly stavu vozovky by mal inšpektor určiť:

1. Skutočne nahromadené ESAL na vozovke od výstavby alebo poslednej rehabilitácie (z údajov WIM, sčítania dopravy alebo mýtnych záznamov)
2. Návrhové ESAL, kumulatívnu dopravu, na ktorú bola vozovka navrhnutá počas svojej návrhovej životnosti
3. Pomer skutočných k návrhovým ESAL v percentách

Toto porovnanie poskytuje prvý diagnostický dôkaz:

• Ak vozovka vykazuje vážne poškodenie, ale skutočná doprava je ďaleko pod návrhovou (< 50 %), príčina je pravdepodobne v materiáli (slabá konštrukcia, odlupovanie, problémy s trvanlivosťou), v prostredí (mráz a rozmrazovanie, tepelné praskanie) alebo v konštrukcii (nedostatočná hrúbka pre skutočné podmienky podložia).
• Ak vozovka vykazuje vážne poškodenie a skutočná doprava je blízko alebo nad návrhovou (≥ 100 %), vozovka dosiahla svoju konštrukčnú návrhovú životnosť a vyžaduje rehabilitáciu.
• Ak vozovka vykazuje poškodenie zodpovedajúce normálnemu starnutiu, ale skutočná doprava výrazne presahuje návrhovú (výrazne nad 100 %), vozovka bola poddimenzovaná pre skutočné zaťaženie, bežná situácia na trasách, kde rast dopravy prekonal projekcie.

Konštrukčný model vozovky TxDOT opisuje poškodenie vozovky ako kumulatívne a nezvratné. Každé jednotlivé zaťaženie spôsobuje určité množstvo poškodenia, a keď celkové množstvo dosiahne maximálnu hodnotu, vozovka dosiahla koniec svojej užitočnej životnosti. Porovnanie skutočnej a návrhovej dopravy kvantifikuje, kde sa vozovka nachádza na tejto krivke poškodenia.

Pre detekciu preťaženia presahuje porovnanie rámec celkových ESAL a zahŕňa rozdelenie zaťažení náprav. Miesto so 100 % návrhových ESAL, kde je však 30 % nákladných vozidiel preťažených (presahujúcich zákonné limity náprav), bude vykazovať podstatne viac poškodenia ako miesto s rovnakým počtom ESAL, ale s 5 % preťažených vozidiel. Inšpektor by mal preskúmať údaje WIM na zistenie podielu legálnych a preťažených vozidiel.

Doprava a poškodenie vozovky, preťaženie urýchľuje praskanie a vyjazdenie koľají

Vzťah medzi dopravným zaťažením a poškodením vozovky je kvalitatívny aj kvantitatívny. Niektoré typy poškodenia sú priamo spojené so zaťažením, ich závažnosť a rozsah silne korelujú s kumulatívnym dopravným zaťažením.

Únavové praskanie (aligátorové praskanie) je quintesenčným poškodením spôsobeným dopravou. Podľa príručky LTPP Distress Identification Manual (FHWA-HRT-13-092, 5. vydanie) je únavové praskanie definované ako séria vzájomne prepojených trhlín spôsobených únavovým zlyhaním asfaltovej betónovej obrusnej vrstvy pri opakovanom dopravnom zaťažení. Začína ako pozdĺžne trhliny v stope kolies a postupuje do vzájomne prepojeného aligátorového vzoru. Mechanizmy: opakované dopravné zaťaženie vyvoláva ťahové napätie na spodnej strane asfaltovej vrstvy. Každá aplikácia zaťaženia spôsobuje mikropraskanie, ktoré sa kumuluje, až kým sa nevytvoria viditeľné trhliny. 80 kN jednotlivá náprava spôsobuje viac ako 3 000-krát viac únavového poškodenia ako 8 kN náprava. 44,4 kN jednotlivá náprava musí byť aplikovaná viac ako 12-krát, aby spôsobila rovnaké poškodenie ako jedna aplikácia 80 kN jednotlivej nápravy.

Vyjazdenie koľají (ruting) je pozdĺžna depresia povrchu v stope kolies, zvyčajne spôsobená zhutnením dopravou alebo konsolidáciou jednej alebo viacerých vrstiev vozovky. Príručka LTPP DIM identifikuje vyjazdenie koľají ako poškodenie spojené so zaťažením. V pružných vozovkách nastáva vyjazdenie koľají, keď kumulovaná trvalá deformácia z opakovaného dopravného zaťaženia presiahne prípustné limity. Preťažené nákladné vozidlá neúmerne urýchľujú vyjazdenie koľají, pretože trvalá deformácia v nesúdržných zrnitých vrstvách a podloží súvisí s úrovňou napätia tiež mocninovou funkciou.

Blokové praskanie je primárne spôsobené zmršťovaním HMA a teplotným cyklovaním, nie dopravným zaťažením. Priečne praskanie v pružných vozovkách je primárne tepelne indukované (praskanie pri nízkych teplotách) a nie je spojené so zaťažením. Okrajové praskanie je ovplyvnené dopravným zaťažením aj slabou okrajovou podporou.

Zákonné limity zaťaženia náprav (federálne USA): jednotlivá náprava, 20 000 lb, tandemová náprava, 34 000 lb, celková hmotnosť vozidla, 80 000 lb. Mostný vzorec (Bridge Formula) (W = 500 × [L × N / (N-1) + 12N + 36]) obmedzuje zaťaženie skupín náprav, aby sa zabránilo nadmernému namáhaniu mostov. Vozidlá presahujúce tieto limity spôsobujú neúmerné poškodenie vozovky, 30 000 lb jednotlivá náprava (50 % nad zákonným limitom 20 000 lb) spôsobuje približne (30/20)⁴ = 5,1-krát viac poškodenia ako zákonná 20 000 lb náprava.

Jedinečný prístup Michiganu povoľuje celkové hmotnosti vozidiel 164 000 lb v porovnaní s normálnym maximom 80 000 lb v iných štátoch, ale s viacerými nápravami obmedzujúcimi maximálne zaťaženie nápravy na 13 000 lb na jednotlivých nápravách oproti 18 000 lb inde. To demonštruje, že počet náprav je rovnako dôležitý ako celková hmotnosť, rozloženie zaťaženia na viac náprav exponenciálne znižuje poškodenie na jednu nápravu.

Letisková doprava, mix lietadiel, typy podvozkov a prejazdy

Navrhovanie letiskových vozoviek používa zásadne odlišnú charakteristiku dopravy ako navrhovanie diaľničných vozoviek. Zaťaženie lietadlami je charakterizované prejazdmi (počet prejazdov lietadla cez daný bod), konfiguráciou podvozku (jednoduché koleso, dvojité koleso, dvojité tandemové, dvojité tandemové v šesťkolesovom podvozku), tlakom v pneumatikách (ovplyvňuje napätie v obrusnej vrstve) a zaťažením kolesa (ovplyvňuje konštrukčnú hĺbku).

FAA Advisory Circular 150/5320-6G (7. júna 2021) poskytuje usmernenie pre navrhovanie a hodnotenie civilných letiskových vozoviek. Program FAARFIELD (FAA Rigid and Flexible Iterative Elastic Layer Design) používa vrstevnatú elastickú teóriu pre pružné vozovky a vrstevnatú elastickú teóriu kombinovanú s 3D teóriou konečných prvkov pre tuhé vozovky, s krivkami zlyhania kalibrovanými v Národnom testovacom zariadení pre letiskové vozovky (NAPTF).

Protokol ICAO ACR-PCR (hodnotenie klasifikácie lietadla / hodnotenie klasifikácie vozovky) nahradil staršiu metódu ACN-PCN. PCR (hodnotenie klasifikácie vozovky) musí byť stanovené pre všetky vozovky určené pre lietadlá s hmotnosťou väčšou ako 5,7 tony. PCR sa uvádza na stupnici od 0 do 1 000.

Kľúčové premenné pre charakterizáciu letiskovej dopravy:

• Mix lietadiel: Konkrétne typy lietadiel, ktoré budú používať vozovku (Boeing 737, Airbus A320, Boeing 777 atď.), každé s rôznymi hmotnosťami, konfiguráciami podvozkov a tlakmi v pneumatikách.
• Ročné odlety: Počet vzletových operácií na typ lietadla za rok. Kritické lietadlo je to, ktoré vyžaduje najväčšiu hrúbku vozovky.
• Prejazdy: Počet prejazdov lietadla cez daný bod. Na dráhach je najkritickejšia zóna zvyčajne na konci, kde sú lietadlá v kľuči pred vzletom.
• Typ podvozku: Jednoduché koleso (malé všeobecné letectvo), dvojité koleso (regionálne prúdové lietadlá, úzkotrupé), dvojité tandemové (širokotrupé), dvojité tandemové so šesťkolesovým podvozkom (Boeing 777), konfigurácia podvozku určuje rozdelenie napätia v konštrukcii vozovky.
• Tlak v pneumatikách: Ovplyvňuje požiadavky na obrusnú vrstvu. Vyššie tlaky v pneumatikách moderných lietadiel vyžadujú kvalitnejšie povrchové zmesi.
• Rozptyl (wander): Lietadlá nesledujú dokonale jednu stopu ako diaľničné vozidlá. Bočné rozdelenie prejazdov znižuje maximálne poškodenie v porovnaní s kanalizovanou dopravou.

Historicky letiskové vozovky dosahovali dobrú životnosť 20 rokov (DOT/FAA/AR-04/46). FAA používa kritériá zlyhania kalibrované na NAPTF na stanovenie prípustných prejazdov pre danú konštrukciu vozovky a zaťaženie lietadlom.

Štyri zložky konštrukcie vozovky identifikované v FAA AC 150/5320-6G: podložie (prirodzene sa vyskytujúca pôda), stavebné materiály (obrusná vrstva, podklad, podložný podklad), aplikované zaťaženia (hmotnosť, tlak v pneumatikách, umiestnenie, frekvencia) a klíma (vysoké/nízke teploty, zrážky, mráz/rozmrazovanie). Dopravné zaťaženie interaguje so všetkými ostatnými zložkami pri určovaní životnosti vozovky.

Dopravné údaje v analýze trendu PCI

Index stavu vozovky (PCI) je numerické hodnotenie od 0 (zlyhaná) do 100 (vynikajúci), ktoré kvantifikuje stav vozovky na základe typu, závažnosti a množstva poškodenia. Analýza trendu PCI využíva vzťah medzi PCI a dopravným zaťažením na predpovedanie budúceho stavu, plánovanie údržby a diagnostiku konštrukčných problémov.

ASTM D6433 definuje metodiku výpočtu PCI. Pre daný úsek vozovky sa PCI vypočíta takto:

1. Meraním hustoty (rozsahu) každého typu poškodenia na každej úrovni závažnosti
2. Aplikovaním hodnôt odpočtu z etablovaných kriviek
3. Odčítaním celkového odpočtu od 100

Dopravné údaje vstupujú do analýzy PCI viacerými spôsobmi:

• Segmentácia: Vozovky sú rozdelené do úsekov správy s jednotným dopravným zaťažením, históriou výstavby a typom vozovky. Objem dopravy (AADT a percento nákladných vozidiel) je primárne kritérium segmentácie.
• Modelovanie zhoršovania: Krivky zhoršovania PCI sú vyvinuté pre kombinácie typu vozovky, klimatickej zóny a úrovne dopravy. Napríklad tepna s 10 000 AADT a 15 % nákladných vozidiel sa bude zhoršovať rýchlejšie ako obytná ulica s 500 AADT a 2 % nákladných vozidiel.
• Predikcia výkonu: Štúdia FHWA FHWA-HRT-18-065 použila databázu LTPP na vývoj predikčných modelov PCI. Bolo analyzovaných 942 príkladov asfaltových ciest so 14 atribútmi vrátane objemu dopravy. Modely rozhodovacích stromov predpovedali PCI s presnosťou > 70 %, pričom identifikovali dopravné zaťaženie ako jeden z najvýznamnejších atribútov.
• Prioritizácia údržby: Úseky s vysokým dopravným zaťažením a rýchlo klesajúcim PCI sú prioritizované pre zásah, aby sa maximalizoval prínos na vynaložený dolár.

Rovnice PCI Iowa DOT (vyvinuté výskumom ISU) používajú štatistickú regresnú analýzu na vzťah PCI k meraniam poškodenia. Rôzne atribúty prispievajú k PCI v závislosti od typu a závažnosti prítomného poškodenia. Dopravné zaťaženie sa v týchto modeloch používa ako nezávislá premenná.