Degradačná funkcia priečnej nerovnosti

• Foto

ÚVOD
Kvalitná, bezpečná a udržiavaná cestná infraštruktúra zohráva významnú úlohu v ekonomickom, sociálnom, hospodárskom a v neposlednom rade aj turistickom rozvoji sledovaného územia. Spolu s aktuálnymi požiadavkami členských krajín EÚ i požiadavkami odbornej verejnosti na znižovanie nehodovosti, sa stáva práve bezpečná cestná infraštruktúra jedným z najdôležitejších faktorov a snáh celej spoločnosti. S neustále narastajúcim počtom vozidiel a najmä prepravovaných nákladov, sa údržba a optimalizácia prevádzky cestných komunikácií stáva základným pilierom v snahe o zvyšovanie bezpečnosti na nich.

Celkovo kvalitatívne charakteristiky cestnej siete popisuje prevádzková spôsobilosť vozoviek, ktorá je súhrnom vlastností vozovky zabezpečujúcich rýchlu, plynulú, hospodárnu a predovšetkým bezpečnú jazdu motorových vozidiel.

Z dôvodu optimálnej údržby a vhodne zvolenej budúcej rekonštrukcie a obnovy je preto dôležité sledovať priebeh a vývoj spomenutých parametrov prevádzkovej spôsobilosti, v našom prípade priečnej nerovnosti. Sledovanie sa týka kvalitatívneho poklesu hodnôt parametrov v dôsledku viacerých faktorov, na ktoré bude upretá naša pozornosť. Následne po realizácií analýz sa vytvárajú už konkrétne matematické predpisy, pomocou ktorých, vo väčšine prípadov na základe počtu návrhových náprav, vieme určiť hodnotu riešeného parametra v ľubovoľnom časovom intervale.

PRIEČNA NEROVNOSŤ
Hodnotenie rovnosti cestných vozoviek v priečnom smere spočíva v meraní priečnych nerovností ako odchýlok od teoretického stavu. Priečna nerovnosť vozovky je nerovnosť povrchu vozovky v smere kolmom na smer jazdy dopravných prostriedkov. Vyjadruje sa ako rozdiel medzi skutočným a teoretickým priečnym profilom cesty; kde skutočným stavom rozumieme priamo odmeranú nerovnosť na vozovke a teoretickým stavom, údaj odčítaný z projektu riešeného profilu vozovky.

Meranie a hodnotenie priečnej nerovnosti sa vykonáva za účelom stanovenia kvality krytu vozovky z hľadiska trvalých deformácií, prezentovaných predovšetkým v tvare vyjazdených koľají. Určené je pre preberacie konanie úsekov ciest, zber dát pre využitie v Systéme hospodárenia s vozovkami a opakované merania z hľadiska stanovenia
vývojových funkcií parametra [1]. 

Pri meraní priečnej nerovnosti sú hodnotené nasledovné veličiny:

• hĺbka koľaje /HK/ – vyjadrená zvislou vzdialenosťou medzi spojnicou vrcholov vlny a najnižšieho bodu vlny,
• trvalá deformácia /TD/ – vyjadrená zvislou vzdialenosťou medzi prvým a posledným bodom meraného profilu a najnižším bodom vlny,
• hĺbka vody /HV/ – vyjadrená zvislou vzdialenosťou medzi vodorovnou rovinou preloženou v mieste najnižšieho vrcholu vlny a najnižším bodom vlny (obr. 1).

Z hľadiska povrchových vlastností a ich vplyvu na prevádzkovú spôsobilosť vozoviek je rozhodujúcim hodnotiacim faktorom hĺbka koľaje, ktorá je taktiež základným faktorom hĺbky vody [1].

TRVALÉ DEFORMÁCIE
Ako už bolo spomenuté, priečna nerovnosť je vo väčšine prípadov prezentovaná ako trvalá deformácia. Tá sa najčastejšie vyskytuje vo forme vĺn, ktoré môžu mať tvar vyjazdených koľají a vytlačenej asfaltovej zmesi nad úroveň povrchu obrusnej vrstvy. Podľa mechanizmu, miesta a zdroja vzniku trvalej deformácie a v neposlednom rade podľa ich tvaru sa rozlišujú dva základné typy, ktoré prezentujú tvary znázornené na obr. 2 schematicky a na obr. 3 na asfaltových vzorkách odobratých priamo z analyzovanej vozovky.

Prvý typ trvalej deformácie na obrázkoch na ľavej strane sa týkajú celej konštrukcie vozovky. Tieto deformácie vznikajú predovšetkým v podloží, v niektorých prípadoch aj vo viacerých vrstvách súčasne prevažne pod asfaltovými vrstvami.

Miesto vzniku tohto typu deformácie je najčastejšie v nestmelenej ochrannej vrstve. Táto deformácia je vyvolávaná zväčša malou únosnosťou podložia alebo nesprávnym návrhom vozovky. Nebezpečenstvo vzniku a následného prehĺbenia koľaje narastá v prípade, ak nie je zabezpečené dostatočné zhutnenie, pevnosť, hrúbka, spojenie vrstiev vozovky a ak je pevnosť týchto vrstiev alebo podložia znížená vlhkosťou. V prípade deformácií celej konštrukcie vznikajú nerovnosti najskôr v týchto vrstvách, ktoré sa pretransformujú do horných asfaltových vrstiev.

Druhý typ trvalej deformácie (obr. 3 vpravo) je charakteristický vyjazdenými koľajami formujúcimi sa v horných asfaltových vrstvách. Rozdiel oproti prvému prípadu deformácie je v zdvíhaní po stranách, inak povedané vo vytláčaní zmesi. Ich vznik je prítomný prevažne v kryte vozovky. Pri oboch prípadoch vzniku trvalých deformácií je najháklivejším obdobím leto a najmä extrémne vysoké teploty, počas ktorých je v spolupôsobení veľkého dopravného zaťaženia prehlbovanie vyjazdených koľají najčastejšie.

Vznik neslávne známych vyjazdených koľají je následkom prevažne dvoch hlavných aspektov; v prvom prípade nadlimitným dopravným zaťažením a prejazdom neúmernej intenzity vozidiel a v druhom prípade odstavovaním a parkovaním ťažkých vozidiel na neprispôsobených povrchoch vozovky – najmä nevhodne zvolených obrusných vrstvách [1].

Háklivým obdobím sú najmä horúce letné, z dôvodu veľmi vysokých teplôt, ale aj jarné obdobia, kedy sa účinkom mrazu a najmä rozmrazovania, výraznou mierou znižuje pevnosť jednotlivých vrstiev. Vypovedá o tom aj obr. 4, na ktorom je medzinárodná vozovka E75 (I/11). Podobný problém, predovšetkým v dôsledku stáleho brzdenia a rozbiehania autobusových súprav je zreteľný na zastávkach MHD, a to ako už bolo spomenuté najmä v jarnom a letnom období v spolupôsobení so zaťažením vozidiel MHD (obr. 5). Problematický kryt vozovky, realizovaný v minulosti je buď dláždený alebo asfaltový (obr. 5).

V súčasnosti sa tieto problematické kryty vymieňajú za cementobetonové, ktoré vykazujú vo všeobecnosti väčšiu pevnosť, výrazne lepšie deformačné charakteristiky, menšie riziko tvorby vyjazdených koľaji a predovšetkým dlhšiu životnosť (obr. 6).

Dôležitú úlohu pri stanovovaní optimálnej údržby, rekonštrukcie resp. obnovy zohráva predikcia jednotlivých parametrov prevádzkovej spôsobilosti. Predikcií parametra priečnej nerovnosti sa venujeme na základe tvorby a analyzovania degradačných funkcií tohto parametra. Pri neustále rastúcej tendencií počtu ťažkých nákladných vozidiel na našich vozovkách a súčasne vzhľadom k významnej polohe Slovenska a Českej Republiky, je nesmierne dôležité stanoviť modely porušenia a následnej prognózy stavu vozoviek. Práve preto sa stanovenie degradačných funkcií a modelov stáva aktuálnou a pálčivou problematikou diagnostiky vozoviek nielen u nás ale i v zahraničí. Prognostické modely zohrávajú podstatnú a nezastupiteľnú funkciu v systéme hospodárenia s vozovkami [4, 12].

DEGRADAČNÉ FUNKCIE
Pod degradáciou povrchu vozovky rozumieme postupné zhoršovanie stavu povrchových vlastností vplyvom vonkajších podmienok. Výraznou mierou sa na nej podieľa starnutie materiálu a jeho únavové charakteristiky. Predovšetkým u materiálov krytu vozovky je to prechod od pružného do plastického stavu až po dosiahnutie medze porušenia. V procese degradácie jednotlivé parametre strácajú svoju schopnosť v plnom rozsahu zabezpečovať prevádzkovú spôsobilosť a výkonnosť vozovky, čím výrazne znižujú jej kvalitu [2, 6, 7, 13].

Proces tvorby degradačných modelov je časovo veľmi náročný nielen na analyzovanie ale i na samotnú reprodukciu výsledkov. Spočíva v niekoľkoročnom opakovanom meraní príslušného parametra na pokusnom úseku. Sledované parametre sú štatisticky vyhodnocované prostredníctvom zmeny strednej, príp. inej váženej hodnoty v závislosti od času alebo dopravného zaťaženia. Následne je vyjadrená vývojová funkcia, z čoho vyplýva, že matematické vyjadrenie degradácie používa vzťahy medzi relatívnymi hodnotami parametrov. Asi najproblematickejším prvkom stanovenia degradácie je meranie parametra rovnakou metódou a zariadením, pričom musia byť rovnaké aj okrajové podmienky merania (teplota, počasie), teda by mali byť splnené podmienky rerprodukovateľnosti a opakovateľnosti. Na obr. 7 je znázornený časový priebeh priečnej nerovnosti piatich dlhodobo sledovaných úsekov ciest I. triedy. Vodorovnú os predstavuje časový priebeh zaznamenávania hodnôt priečnej nerovnosti (v tomto prípade od roku 1999); zvislá os predstavuje hĺbku koľaje v mm.

Z grafu je zrejmé, že stúpajúci trend je prítomný na všetkých sledovaných úsekoch a to najmä v druhej polovici sledovaného obdobia.

Najdôležitejším faktorom zmeny hĺbky koľaje je hodnota dopravného zaťaženia, resp. nárast dopravného zaťaženia na pozorovaných úsekoch. Pri zovšeobecňovaní výsledkov treba však zohľadňovať aj typ konštrukcie vozovky a klimatické podmienky, predovšetkým výskyt vysokých teplôt, ktoré pri spolupôsobení s dopravným zaťažením môžu negatívne ovplyvniť hodnoty priečnej nerovnosti. Na obr. 8 je vykreslená závislosť od dopravného zaťaženia, presnejšie od nárastu počtu návrhových náprav (prepočet ťažkých nákladných vozidiel). Graf je vytvorený na základe odfiltrovaných údajov hodnôt vyjazdených koľají zo spomenutých piatich sledovaných úsekov, ktoré sú konštrukčne veľmi podobné a dosahované priemerné teploty na nich sa nelíšia o viac ako 1,5 °C. Dôvodom filtrácie je prítomnosť chybných odmeraných údajov, ktoré vznikajú počas merania spôsobené rôznymi faktormi, ako napr. posunutie bodov profilu, alebo nesplnenie niektorých okrajových podmienok.

Graf na obr. 8 charakterizuje závislosť nárastu hodnoty priečnej nerovnosti od nárastu počtu návrhových náprav. Zvislá os predstavuje nárast hĺbku koľaje počítaný od prvého sledovaného obdobia, vodorovná os potom nárast počtu návrhových náprav, ktorý prislúcha danému obdobiu, resp. danej hĺbke koľaje. Z obr. vyplýva skutočnosť, že do určitého nárastu počtu návrhových náprav sa hodnota vyjazdenej koľaje zväčšuje len nepatrne, resp. je dokonca konštantná, ale od určitej hodnoty počtu návrhových náprav (cca 5,5 mil.) sa hodnota prudko zväčšuje. Tento jav môže byť spôsobená viacerými faktormi (napr. dohutnením), ktoré sú momentálne predmetom nášho výskumu medziiným aj pomocou merania analyzovaných úsekov georadarom.

Ako už bolo spomenuté, dôležitú rolu pri vypracovaní samotných závislostí a následne modelov zohráva filtrácia údajov vyjazdených koľají. Pri nedodržaní okrajových podmienok, ako je teplota vzduchu, vozovky, či zachytenie totožnej stopy, vznikajú chybné údaje, ktoré by bez filtrácie negatívnym spôsobom ovplyvnili celú analýzu.

Na obr. 9 je program Profilograph, pomocou ktorého vyhodnocujeme údaje z rovnomenného meracieho zariadenia a zároveň filtrujeme nepresné a nesprávne odmerané údaje priečnej nerovnosti.

Na Slovensku sa používa na meranie priečnej nerovnosti meracím zariadením PROFILOGRAPH GE. Merania sa realizujú na sledovaných úsekoch ciest I., II. triedy, diaľnic a rýchlostných ciest v pravidelných časových intervaloch každý rok, vždy v jarnom a jesennom období. Tieto časové intervaly sú zvolené na základe teoretickej podstaty, kedy, ako už bolo spomenuté, je najrizikovejšími obdobiami pre vznik vyjazdených koľají horúce letné a chladné zimné teplotné extrémy.

Graf na obr. 10 poukazuje na rozdielne hodnoty v jarnom a jesennom období počas meracieho intervalu 11 rokov (rok 1999 – rok 2010). Je zrejmé, že jesenné hodnoty sú radovo o 5 – 10 % väčšie než jarné hodnoty priečnej nerovnosti. Spôsobené je to faktom, že letné extrémne teploty majú o niečo väčší vplyv na prehlbovanie koľají než zimné chladné teploty. Následným a zároveň finálnym krokom pri tvorbe degradačnej funkcie je interpretácia matematického predpisu danej závislosti, čomu sa momentálne venujeme.

ZÁVER
Jedným z najdôležitejších a najpodstatnejších faktorov a charakteristík priamo ovplyvňujúcich hospodárnu, pohodlnú a predovšetkým bezpečnú premávku po cestných komunikáciách predstavujú a zastupujú parametre prevádzkovej spôsobilosti. Ich dôležitosť má podstatný význam nielen z pohľadu vhodne zvolenej údržby, rekonštrukcie či plánovanej obnovy ale ich sledovanie a analyzovanie dopomáha k celkovej diagnostike cestnej siete. Tento článok chcel stručnou formou predstaviť základné charakteristiky jeden z významných parametrov prevádzkovej spôsobilosti – priečnu nerovnosť.

Podľa [3], [5] je takmer na všetkých úsekoch ciest I. triedy na území SR nevyhovujúci stav minimálne v jednej tretine celkovej dĺžky týchto ciest, vo viacerých prípadoch (cesty I/51, I/64, I/72, I/75) tvoria nevyhovujúce úseky polovicu celkovej dĺžky sledovaných ciest z pohľadu priečnej nerovnosti. Aj tento fakt je ďalším dôkazom toho, že meranie, sledovanie vývoja a analyzovanie parametrov prevádzkovej spôsobilosti má opodstatnený význam.

Článok poukazuje aj na nutnosť ďalšieho sledovania a analyzovania spomenutých parametrov v snahe o vytváranie degradačných funkcií a modelov, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu pri predikcií analyzovaných parametrov do budúcnosti a tým priamo dopomáhajú k rozvoju a snahe o skvalitnenie našej cestnej siete.

LITERATÚRA:
[1] ČELKO J. a kol.: Povrchové vlastnosti vozoviek (Prevádzková spôsobilosť vozoviek), EDIS Žilina, 2000. ISBN 80-7100-774-9.
[2] Molenaar, A.: Principles of Pavement Management Systems, Planning on Network and Project Level. Basic Steps in Pavement Management Systems, TU Delft, 02/1992. 7-92-411-1.
[3] Celkový prehľad stavu vozoviek cestných komunikácií SR, stav siete cestných komunikácií k 1.1.2012, Bratislava, 2012.
[4] Kováč M. a kol.: Diagnostika parametrov prevádzkovej spôsobilosti vozoviek, EDIS Žilina 2012. ISBN 978-80-554-0568-1.
[5] TP14/2006, Meranie a hodnotenie drsnosti vozoviek pomocou zariadením SKIDDOMETER BV11 a PROFILOGRAPH GE.
[6] GSCHWENDT I. a kol.: Diagnostika vozoviek – degradačné modely. Správa z úlohy 04-95-97. STU Bratislava, Stavebná fakulta, KDS. Bratislava 1997.
[7] DECKÝ, M. – GAVULOVÁ, A. – PUTIRKA, D. – PITOŇÁK, M. – VANGEL, J. – ZGÚTOVÁ, K.: Navrhovanie a rozpočtovanie asfaltových vozoviek. Vysokoškolské skriptá, Stavebná fakulta ŽU, 2010, s. 300, ISBN 978-80-970388-0-9.
[8] http://books.google.sk/books?id=jwtwNDPwnAsC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false. 
[9] http://www.pavementinteractive.org/article/laboratory-wheel--tracking-devices/. 
[10] ZEMAN K., PETRŮ, J., KRAMNÝ, J. Nebezpečné přejezdy vozidel MHD zastávkami v Žilině, In: Sborník prací k mezinárodní konferenci STRUCTURA 2012, Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, Fakulta stavební, 2012, s. 87-92. ISBN 978- 80-2879-4.
[11] ZEMAN K., PETRŮ, J., KRAMNÝ, J. Řešení problematických míst při průjezdu vozidel MHD v Žilině, Dopravní infraštruktúra v mestác In: Dopravná infraštruktúra v mestách, 8. Medzinárodná konferencia [CD]., Žilina: Žilinská univerzita v Žilině, Stavebná fakulta, 2012. ISBN 978-80-554-0577-3.
[12] SEIDLER, T., M.MIHOLA a D. CIHLÁŘOVÁ. Analysis of Road Repairs in Undermined Areas. In: World Academy of Science, Engineering and Technology. An international Journal of Science, Engineering and Technology, 2011, 0060(2011), s. 501-504. pISSN 2010-376X, eISSN 2010-3778. (http://www.waset.org/journals/waset/v60.php)
[13] Řezáč, M., Cihlářová, D. a T. Seidler. Možnosti zvýšení výkonnosti pozemních komunikací v území. In:Silnice a železnice, 2013, II(8), 79–81, ISSN 1801-822X.

Degradation Function of Transverse Unevenness
Surface properties among which transverse unevenness can be mentioned fully reflect operational capability of roads and at the same time, secure to a large degree also one of the most important and monitored factors – traffic safety. Owing to the prediction of future reconstructions, repairs and maintenance, it is vital to know value development of individual parameters of the surface properties depending on traffic load and time. Transverse unevenness expressed by a depth of a rut represents a crucial road quality factor. In order to get to know value development of these factors, their measurements are implemented every year in selected sections of long-term monitored highway and class I and II roads. Due to continuously changing conditions affecting values of monitored parameters, it is necessary to continue in measurements and subsequent analyses in order to create degradation function.

Autor

• Slabej Martin