Vliv měřicí rychlosti na protismykové vlastnosti povrchu vozovky

ÚVOD
Protismykové vlastnosti povrchu vozovky se v České republice postupně dostaly do popředí zájmu odborné veřejnosti, protože bylo již několikrát prokázáno, že jejich kvalita má významný vliv na bezpečnost provozu na pozemních komunikacích [1], [2]. Protismykové vlastnosti povrchu vozovky jsou sledovány na nových i stávajících površích pozemních komunikací. Jako základní je používána měřicí rychlost 60 km/h, přestože dovolená rychlost na pozemních komunikacích je často 90 km/h nebo i 130 km/h. Na úseku délky 5,18 km na rychlostní silnici R48 bylo provedeno měření protismykových vlastností povrchu vozovky několika měřicími rychlostmi a měření střední hloubky profilu povrchu vozovky (MPD). Oba parametry byly podle přílohy A, ČSN 73 6177 [3] hodnoceny v celém rozsahu klasifikačních stupňů 1 (velmi dobré) – 5 (havarijní). Výsledky jsou uvedeny v grafu na obrázku 1. Při měřicí rychlosti 60 km/h by byl celý úsek vyhovující, tedy hodnocený nejhůře klasifikačním stupněm 3 (vyhovující), zatím co při měřicí rychlosti 120 km/h by 19 % délky úseku bylo hodnoceno klasifikačním stupněm 4 (nevyhovující) nebo 5. Část úseku hodnocená klasifikačním stupněm 1 se při změně měřicí rychlosti z 60 km/h na 120 km/h zmenšila téměř na polovinu, přestože hodnocení součinitele podélného tření je při vyšších rychlostech mírnější (viz tabulka 1).

Tabulka 1 – Hodnocení protismykových vlastností (F_p) podle přílohy A, ČSN 73 6177[3] 

Zjišťování protismykových vlastností při měřicí rychlosti 60 km/h tedy nemusí být vhodné pro všechny typy komunikací, lepší by bylo použití více měřicích rychlostí. Takové měření by ale bylo finančně nákladnější a za běžného provozu obtížně proveditelné nebo nebezpečné. Proto vznikla myšlenka přepočtu součinitele podélného tření pro různé rychlosti na základě hodnot makrotextury povrchu vozovky, které jsou v dnešní době snadno zjistitelné.

VLIV TEXTURY POVRCHU VOZOVKY NA PROTISMYKOVÉ VLASTNOSTI
Kvalita protismykových vlastností je ovlivněna stavem mikrotextury a makrotextury povrchu vozovky [3]. Mikrotextura je dána velikostí a tvarem výstupků jednotlivých zrn kameniva a ovlivňuje protismykové vlastnosti při všech jízdních rychlostech. Makrotextura je tvořena hrubými a jemnými frakcemi kameniva nebo povrchovou úpravou CB krytů a její vliv na protismykové vlastnosti povrchu vozovky roste se zvyšující se jízdní rychlostí. Zásadním způsobem také ovlivňuje drenážní schopnosti povrchu vozovky. Při kontaktu běhounu pneumatiky s mokrým povrchem vozovky je voda vytlačována ze styčné plochy, vznikají tak tři zóny interakce – spojitý vodní film, přerušovaný vodní film a kvazisuchý kontakt (viz obrázek 2). Se zvyšující jízdní rychlostí se zvětšuje zóna 1 a zóny 2 a 3 se úměrně tomu zmenšují. Při určité rychlosti, v závislosti na kvalitě makrotextury povrchu vozovky, výšce vzorku pneumatiky a tloušťce vodního filmu, mohou zóny 2 a 3 zcela vymizet a dojde k aquaplaningu [4], [5]. Na úsecích s dobrou makrotexturou je voda na kontaktu pneumatika/vozovka vytlačována snadněji a zóna suchého kontaktu se při rostoucí rychlosti zmenšuje pomaleji. Tedy i součinitel podélného tření, který charakterizuje protismykové vlastnosti povrchu vozovky, klesá s rostoucí rychlostí méně.

V grafu na obrázku 3 je znázorněn průběh součinitele tření povrchu vozovky v závislosti na rychlosti a na kvalitě mikrotextury a makrotextury povrchu [6].

STANOVENÍ SOUČINITELE PODÉLNÉHO TŘENÍ PRO RŮZNÉ MĚŘICÍ RYCHLOSTI
Pro určení vztahu mezi součinitelem podélného tření a makrotexturou povrchu vozovky bylo vybráno 82 zkušebních úseků s různým typem obrusné vrstvy a rozdílnými hodnotami makrotextury (různé asfaltové směsi, betonové kryty s různými povrchovými úpravami). Na úsecích byl změřen součinitel podélného tření fp pomocí dynamického měřicího zařízení [3] a hodnota makrotextury povrchu vozovky MPD (Mean Profile Depth) pomocí laserových profilometrů [7]. Výjimečně byla makrotextura zjištěna i odměrnou metodou MTD (Mean Texture Depth) [8]. Naměřené hodnoty MTD byly přepočítány na MPD podle rovnic uvedených v ČSN P CEN/TS 13036‑2 [9]. Všechny zkušební úseky byly homogenní, takže bylo možné použít průměrné hodnoty nejnižších ročních hodnot součinitele podélného tření Fp a makrotextury MPD za celý měřený úsek.

Závislost součinitele podélného tření na rychlosti lze vyjádřit pomocí rovnice podle ČSN 73 6177 [3], která slouží k vyrovnání naměřeného součinitele podélného tření na danou měřicí rychlost:

F_p’ = a . e^b.v (2.1)

kde:

F_p’ – vyrovnaná hodnota součinitele podélného tření,
a, b – parametry exponenciální funkce,
e – e = 2,718,
v – měřicí rychlost [km/h].

Pro výpočet parametrů _{a, b} exponenciální funkce je nutné provést měření součinitele podélného tření _fp při minimálně třech měřicích rychlostech. Všechny zkušební úseky proto byly změřeny třemi nebo čtyřmi různými měřicími rychlostmi (40 km/h, 60 km/h, 80 km/h, 100 km/h, 120 km/h). Získané závislosti součinitele podélného tření na rychlosti jsou zobrazeny v grafu na obrázku 4. Hodnoty byly vyrovnány na F_p = 0,62 při rychlosti 60 km/h, aby byl zřetelnější různý sklon křivek v závislosti na hodnotě makrotextury MPD. Na úsecích s velmi nízkou makrotexturou klesá součinitel tření nejrychleji (nejtmavší křivky), naopak na úsecích s dobrou makrotexturou je pokles minimální (nejsvětlejší křivky).

Pomocí vyhodnocovacího programu zařízení TRT byl zjištěn parametr b exponenciální funkce pro jednotlivé úseky. Poté byla provedena regresní analýza mezi hodnotami b a MPD (viz obrázek 5). Získaná funkce má dostatečný koeficient determinace (R² = 0,752). Přesnější by bylo vyjadřovat parametr b na větší počet desetinných míst, ale vyhodnocovací program to zatím neumožňuje.

Úpravou rovnice 2.1 pro vyrovnání součinitele podélného tření byla získána rovnice pro přepočet součinitele podélného tření na požadovanou rychlost (rovnice 2.1). Pro výpočet je nutné znát hodnoty součinitele tření změřené při rychlosti 60 km/h a parametr b’, který se vypočte z hodnoty makrotextury povrchu vozovky MPD pomocí rovnice získané z regresní analýzy (rovnice 2.3). Předpokládá se konstantní hodnota parametru a pro vyhodnocovaný úsek, což je ve většině případů možné, protože podle normy ČSN 73 6177 se při vyhodnocování měření používají dvacetimetrové úseky.

F_v = F₆₀ . e^b’(v-60) (2.2)

b’ = 0,003978 . ln(MPD) - 0,002732 (2.3)

kde:

F_v – součinitel podélného tření pro požadovanou měřicí rychlost,
F₆₀ – naměřený součinitel podélného tření pro rychlost 60 km/h,
b’ – parametr vypočtený z hodnoty MPD,
e – e = 2,718,
v – požadovaná měřicí rychlost [km/h],
MPD – střední hloubka profilu povrchu vozovky. Rovnice je použitelná pro hodnoty součinitele podélného tření zjištěné národním referenčním zařízením nebo pro hodnoty zjištěné jiným zařízením a přepočítané na hodnoty národního referenčního zařízení.

ZÁVĚR
Provedená měření prokázala, že zjišťování součinitele podélného tření pouze při měřicí rychlosti 60 km/h může být zavádějící. V některých případech je součinitel tření při měřicí rychlosti 60 km/h hodnocen jako vyhovující, ale při měřicí rychlosti 120 km/h může hodnocení klesnout až na klasifikační stupeň 5. Výsledky prezentované v článku opět potvrzují, že změna součinitele tření povrchu vozovky při zvyšující se rychlosti je přímo závislá na kvalitě makrotextury povrchu. Orientační výpočet součinitele tření pro vyšší měřicí rychlosti je možné provést pomocí rovnic 2.2 a 2.3 uvedených v článku. Je nutné znát hodnotu součinitele podélného tření pro rychlost 60 km/h a hodnotu makrotextury povrchu vozovky MPD. Tyto parametry se v současnosti sledují na dálnicích, rychlostních silnicích a části silnic I. třídy pro Ředitelství silnic a dálnic, oddělení silniční databanky Ostrava.

Před použitím rovnic pro přepočet součinitele podélného tření je nutné je zpřesnit a ověřit. Parametr b exponenciální funkce bude možné vyjadřovat na větší počet desetinných míst, protože bude upraven vyhodnocovací program zařízení TRT. Přesnější by také bylo měřit součinitel podélného tření a makrotexturu MPD jedním zařízením. Při měření různými zařízeními není možné zaručit stejnou jízdní stopu a také lokalizace naměřených dat není příliš přesná. Inovované měřicí zařízení TRT bude zjišťovat oba parametry současně.

Makrotexturu povrchu vozovky je vhodné vyjadřovat přímo parametrem MPD a nepoužívat přepočet z hodnot MTD. Přesnější by bylo zjišťovat přímo drenážní schopnosti povrchu vozovky, protože dostatečná makrotextura nemusí být vždy zárukou dobrých drenážních schopností povrchu vozovky. Například texturování cementobetonových krytů podélnými drážkami nezaručuje při stejné hodnotě MPD tak dobré drenážní schopnosti jako drážkování příčné. Je možné měřit přímo vodorovné drenážní vlastnosti povrchu vozovky OT_p, ale v České republice se toto měření běžně neprovádí. Drenážní vlastnosti povrchu vozovky lze měřit i kontinuálně [10].

Tento výsledek byl získán za finančního přispění Technologické agentury ČR, projekt TA04031769 [11].

LITERATURA:
[1] KUDRNA, J., HALÁSKOVÁ, J., MALIŠ, L. Vliv protismykových vlastností povrchů vozovek na nehodovost. In: Pragoprojekt. Odpověd. red.: MOTLOVÁ, J.. AV ‚07, Konference Asfaltové Vozovky 2007, 27. – 28. listopadu 2007, České Budějovice = Conference Asphalt Pavements 2007. Vyd. 1. Praha, 2007. ISBN 9788090392502. ISSN 978‑80‑903925‑0‑2.
[2] KUDRNA, J., DAŠKOVÁ, J., NEKULA, L., MALIŠ, L., URBANEC, K. Snížení dopravní nehodovosti v ČR je úspěchem nebo neúspěchem? Silnice Železnice. Ostrava: KONSTRUKCE Media, s.r.o., 2011, roč. 6, č. 2, s. 37 – 45. ISSN: 1801‑822X.
[3] ČSN 73 6177. Měření a hodnocení protismykových vlastností povrchů vozovek. Září 2009.
[4] ROE, P. G., A. R. PARRY a H. E. VINER. PAVEMENT ENGINEERING GROUP, HIGHWAYS AGENCY. High and low speed skidding resistance: the influence of texture depth. Transport Research Foundation Group of Companies, 1998, 26 s. ISSN 0968‑4107.
[5] Dupák, F.: Klasifikace povrchu vozovky na základě použití nového experimentálního zařízení. Kandidátská disertační práce, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemních komunikací, Brno 1988.
[6] TP 14/2006. Meranie a hodnotenie drsnosti vozoviek pomocou zariadení SKIDDOMETER BV11 a PROFILOGRAPH GE. Ministerstvo dopravy, pôšt a telekomunikácií, Sekcia dopravnej infraštruktúry, December 2006.
[7] ČSN EN ISO 13473‑1. Popis textury vozovky pomocí profilů povrchu – Část 1: Určování průměrné hloubky profilu. Listopad 2004. 
[8] ČSN EN 13036‑1. Povrchové vlastnosti vozovek pozemních komunikací a letištních ploch – Zkušební metody – Část 4: Měření hloubky makrotextury povrchu vozovky odměrnou metodou. Listopad 2010.
[9] ČSN P CEN/TS 13036‑2. Povrchové vlastnosti vozovek pozemních komunikací a letištních ploch – Zkušební metody – Část 2: Stanovení protismykových vlastností povrchu vozovky pomocí dynamických měřicích zařízení. Říjen 2010.
[10] BRENGARTH, M. – LAGANIER, R. Bulletin de liaison des laboratoires des ponts et chaussées. Drainoroute: Mesure du pouvoir drainant de la texture d’une surface routière. č. 123. ISSN 0458‑5860.
[11] TA04031769 Vývoj adaptivního interaktivního systému pro zvýšení bezpečnosti osádky vozidel a jeho využití pro hodnocení povrchových vlastností vozovek. Poskytovatel: Technologická agentura České republiky (TA ČR), Hlavní příjemce: Vysoké učení technické v Brně/Fakulta stavební, Spoluřešitelé: ŠKODA AUTO a.s., Ústav teorie informace a automatizace AV ČR, v. v. i. Období řešení projektu: 2014 – 2017.
[12] NEKULOVÁ, P. Součinitel tření povrchu vozovky a Skid Resistance Index. Brno, 2014. 59 s., 40 s. příl. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemních komunikací. Vedoucí práce prof. Ing. Jan Kudrna, CSc.

Measuring Speed Influence on Skid Resistance of Road Pavement Surface
The paper describes the influence of measuring speed on the longitudinal friction coefficient of road pavement surface. Presented results show that the decrease of the longitudinal friction coefficient is strongly affected by the macrotexture of pavement surface. High quality of road pavement surface skid resistance is very important for road safety and reduction of accidents. Skid resistance should be measured in the speeds, which are close to the permitted speeds on the roads. Skid resistance properties of road surface, that are sufficient at 60 km/h, can be insufficient at 120 km/h.

Autoři

• Ing. Dašková Jaroslava Ph.D.
• Nekula Leoš
• Ing. Nekulová Pavla
• Ing. Krčmová Iva