Cementobetónové vozovky v dopravnej infraštruktúre

• Foto

ČLENENIE CEMENTOBETÓNOVÝCH VOZOVIEK
Presnejšie zadefinovanie a odporúčanie, kde vozovky cementového betónu v dopravnej infraštruktúre navrhovať a realizovať sa nachádza v norme STN 73 6123 „Stavba vozoviek. Cementobetónové kryty“. Cementobetónové vozovky sa členia z hľadiska kvalitatívnych parametrov do troch základných skupín s označením CB I, CB II a CB III.

Do skupiny „CB I“ sú špecifikované pohybové plochy letísk, diaľnice a rýchlostné cesty (zodpovedá trieda dopravného zaťaženia podľa STN 73 6114 – DZ I – II). V skupine „CB II“ sú zaradené vozovky cestách I. a II. triedy, miestne komunikácie funkčnej triedy A1, odstavné a parkovacie plochy pre nákladné vozidlá nad 3,5 t, plochy na termináloch (zodpovedá trieda dopravného zaťaženia podľa STN 73 6114 – DZ II, III, IV).Do skupiny „CB III“ sú zadelené cesty II. a III. triedy, miestne komunikácie funkčnej triedy A2, účelové komunikácie, odstavné a parkovacie plochy pre vozidlá do 3,5 t (zodpovedá trieda dopravného zaťaženia podľa STN 73 6114 – DZ IV, V a VI).

Cementobetónové vozovky sa pre tieto skupiny zaťaženia môžu navrhovať ako jednovrstvové alebo dvojvrstvové, nevystužené alebo vystužené.

DOPRAVNÉ ZAŤAŽENIE
Všeobecne sa hovorí, že cementobetónové vozovky sú vozovky pre veľké zaťaženie, ale čo to vlastne v skutočnosti znamená? Pri dimenzovaní a posudzovaní vozoviek má dopravné zaťaženie vozoviek cestnej a leteckej infraštruktúry isté špecifiká.

Dopravné zaťaženie je všeobecne chápané ako zaťaženie konštrukcie vozovky statickými a dynamickými účinkami dopravných prostriedkov, charakterizované je množstvom, skladbou a parametrami náprav dopravných prostriedkov. Detailnejšie definovanie dopravného zaťaženia je v konkrétnych návrhových metódach.

Na vozovkách cestnej infraštruktúry podľa Technickej smernice TS 0803 [2] sa dopravné zaťaženie uvažuje ako silový účinok s rozlíšením pre jednorázové a opakované zaťaženie. Pre jednorázové zaťaženie je to účinok nápravy s najväčšou prípustnou hmotnosťou (115 kN), pre opakované zaťaženie je to účinok návrhovej nápravy (100 kN). Opakované zaťaženie návrhovou nápravou sa stanovuje na základe výsledkov buď z celoštátneho sčítania dopravy alebo na základe dopravno-inžinierskych prieskumov. Na základe celoročného priemeru počtu prejazdov ťažkých nákladných vozidiel (TNV) v obidvoch smeroch za 24 hod. sa podľa STN 73 6114 stanovuje trieda dopravného zaťaženia a charakterizuje sa zaťaženie.

Zaťaženie charakterizované ako veľmi ťažké, reprezentuje triedu dopravného zaťaženie I (DZ I) vtedy, ak je ročný počet prejazdov TNV za 24 hod. viac ako 3 500. Dopravné zaťaženie II (DZ II) charakterizované ako ťažké je vtedy, ak sa počet prejazdov TNV nachádza v intervale od 1 501 do 3 500.

Stanovenie dopravného zaťaženia pre vozovky leteckej infraštruktúry je špecifický problém. Môže sa uvažovať ako normové, ekvivalentné alebo zaťaženie návrhovým lietadlom. Dopravné zaťaženie je všeobecne definované maximálnou vzletovou hmotnosťou návrhového lietadla, geometrickým usporiadaním kolies podvozku a hustením pneumatík. Celkový počet pohybov jednotlivých lietadiel sa následne prepočítava na počet opakovaní zaťažení návrhovým lietadlom a stanovuje sa počet prejazdov lietadiel za návrhové obdobie.

NAPÄTIA V CEMENTOBETÓNOVÝCH VOZOVKÁCH NA CESTNÝCH KOMUNIKÁCIÁCH A NA LETISKOVÝCH PLOCHÁCH
Cementobetónový kryt tuhých vozoviek svojimi vlastnosťami (tuhosť a vysoký modul pružnosti) preberá podstatnú časť napätia od zaťaženia a od teplotných rozdielov, a len malý zvyšok napätia sa prenáša na podkladové vrstvy. Veľkosť napätia závisí od veľkosti a polohy dopravného zaťaženia. Dopravné zaťaženie vzhľadom na náhodilosť jazdy sa môže nachádzať v strede dosky, na jej priečnej alebo pozdĺžnej hrane.

Pre výpočet napätí a priehybov v cementobetónových doskách sa môže použiť viacero postupov a metód (vzorce Westergaarda, vplyvové plochy ohybových momentov Picketta a Raya, výpočtový program Laymed – riešenie pružného viacvrstvového systému, metóda konečných prvkov – program Nexis). Jednotlivé metódy a postupy definujú vozovku z hľadiska mechanického pôsobenia výpočtovým modelom. Výpočtový model vozovky je definovaný geometricky, výpočtovými hodnotami deformačných parametrov materiálov jednotlivých vrstiev a tiež mierou spolupôsobenia na jednotlivých stykoch vrstiev, náročnosť zodpovedá jednotlivým metódam a postupom výpočtu, na obr. 1 je ukážka výpočtového modelu so výpočtovými parametrami pre výpočtový program NEXIS.

V súčasnej dobe sa využíva na stanovenie napätí viacero výpočtových programov na základe metódy konečných prvkov. Získané výstupy sú dostatočne presné, je možné robiť rôzne simulácie a porovnania.

Na vozovkách cestnej infraštruktúry sa odporúča hrúbka dosky podľa STN 73 6123 podľa skupín vozoviek, pre skupinu „CB I“ v rozmedzí od 240 mm do 400 mm, pre skupinu „CB II“ v rozmedzí od 220 mm do 280 mm a skupinu „CB III“ v rozmedzí od 180 mm do 220 mm.

Pre cementobetónovú dosku o hrúbke 240 mm bola spracovaná analýza veľkosti a priebehu napätí od účinku návrhovej nápravy (100 kN) a od nápravy s najväčšou prípustnou hmotnosťou (115 kN) pre polohu zaťaženia v strede dosky, na pozdĺžnej a priečnej hrane. Príklad veľkosti napätí pre všetky polohy zaťaženia a hodnoty priehybov sú uvedené v tabuľke.

Najväčšie napätia sa zistili pri polohe zaťaženia na pozdĺžnej a priečnej hrane. Napätia sú cca 2x väčšie ako napätie pri zaťažení v strede dosky. Príklad rozloženia napätia v strede dosky a na pozdĺžnej hrane dosky od nápravy s najväčšou prípustnou hmotnosťou (115 kN) je na obr. 2. Zaťaženie je na pozdĺžnej hrane situované v strede dĺžky dosky.

Na diaľnicach, rýchlostných cestách, cestách I. triedy a na miestnych komunikáciách funkčnej triedy A1, A2, A3 sa prevádzky zúčastňujú aj nákladné vozidlá s neštandardnou nápravou (3P = 240 kN). Priebeh napätia v cementobetónovej doske hrubej 240 mm od neštandardnej nápravy umiestnenej v strede dosky je na obr. 3.

Špecifickým problémom sú cementobetónové vozovky na pohybových plochách letísk, kde veľké dopravné zaťaženie sa prenáša do konštrukcie viackolesovými podvozkami (max. vzletová hmotnosť lietadla môže dosahovať hodnoty viac ako 300 t, potom zaťaženie na jednu nohu sa pohybuje v hodnotách nad 180 kN).

Dopravné zaťaženie spolu v kombinácií s teplotnými namáhaniami vyvoláva v doske z cementového betónu napätia v ťahu pri ohybe, ktoré sa posudzujú vybranými postupmi a metódami. Priebeh napätia v jednovrstvovej nevystuženej doske od lietadla so štvorkolesovým podvozkom, maximálnou hmotnosťou 157 t a prepočítaným zaťažením na jedno koleso podvozku 176,63 kN je na obr. 4 pod označením a). Rozdiel vo veľkosti a rozložení napätí, ak sa uvažuje aj pôsobenie teplotných namáhaní je na obr. 4 pod označením b).

Vyvolané napätia od zaťaženia a od teploty sa posudzujú z pohľadu súčtu napätí, z hľadiska bezpečnosti, z hľadiska jednorázového a opakovaného zaťaženia, z pohľadu životnosti. Všetky postupy a hodnotenie dávajú odpoveď či je správne navrhnutá konštrukčná hrúbka cementobetónovej dosky a či zodpovedá požiadavkám spoľahlivosti.

Tabuľka – Napätia od zaťaženia nápravou s najvyššou prípustnou hmotnosťou pomocou metódy konečných prvkov (program NEXIS)

ZÁVER
Cementobetónové vozovky majú svoje opodstatnenie na úsekoch dopravnej infraštruktúry najmä tam, kde sú prevádzkované ťažké nákladné vozidlá, neštandardné vozidlá a lietadlá. Vozovky z cementového betónu sa odporúča navrhovať aj pri nižšom dopravnom zaťažení najmä tam, kde sú dlhé stúpania a klesania, kde sa jazdí nízkou rýchlosťou, a kde sa tvoria zápchy. Ďalej je to na úsekoch, kde sa musia zaistiť zvýšené požiadavky na požiarnu bezpečnosť a svetelnosť (cestné tunely). Významné miesto majú cementobetónové vozovky aj na plochách pre statickú dopravu, na križovatkách a zástavkách mestskej hromadnej dopravy.

Modelovanie zaťaženia a zisťovanie priebehu a veľkosti napätí od dopravného zaťaženia a od teploty je základným podkladom pre zdôvodňovanie potreby návrhu cementobetónových vozoviek v uvedených miestach. Napätia vyvolané dopravným zaťažením a teplotou nesmú prekročiť pevnosť materiálu, inak vzniká v danom mieste ťahová trhlina a porušenie pevnosti materiálu. V extrémne namáhaných úsekoch dopravnej infraštruktúry sú to práve cementobetónové vozovky, ktoré spĺňajú túto podmienku.

Príspevok bol spracovaný v rámci vedeckého projektu VEGA č.1/0401/10 „Energeticky ekonomicky úsporné a environmentálne únosné pozemné komunikácie a dopravné plochy“ riešeného na Katedre dopravných stavieb Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

LITERATÚRA:
[1] STN 73 6114 Vozovky pozemných komunikácií. Základné ustanovenia pre navrhovanie. SÚTN, Bratislava 1997
[2] Navrhovanie cementobetónových vozoviek na pozemných komunikáciách. Technická smernica TS 0803, MDPaT Bratislava, 2003
[3] STN EN 73 6123 Stavba vozoviek. Cementobetónové kryty. SÚTN, Bratislava 2010
[4] Bartošová, Ľ.: Hodnotenie spoľahlivosti letiskových vozoviek. In. Edícia vedeckých prác, STU v Bratislave, SvF, Bratislava 2004

Cement-concrete Pavements in Transport Infrastructure
Cement-concrete pavements have their reason in the transport infrastructure sections especially with operation of heavyduty trucks, non-standard vehicles and airplanes. Pavements from cement concrete are recommended to be designed also for lower traffic load especially with long uphill gradient and downhill gradient, on places with low driving speed and where traffic jams occur. Further it is on sections with necessity to ensure increased requirements for fire safety and light intensity (road tunnels). The cement-concrete pavements have a significant place also on places for static traffic, on intersections and public transport stops.

Autor

• (red)