Димензионисање коловозних конструкција KОЛОВОЗНЕ КОНСТРУКЦИЈЕ VIII предавање Димензионисање коловозних конструкција Анализа саобраћајног оптерећења шк. 2016/17 год. Типови коловозних конструкција Флексибилне Полу-круте Круте Флексибилне боље носиво тло (CBR min > 5 %) Круте слабије носиво тло (CBR min > 3 %) Димензионисање коловозних конструкција Димензионисање коловозних конструкција застор Слој Тип коловозне конструкције Флексибилна Полу-крута Крута горња подлога Застор АБ, СМА АБ, СМА Цементбетонска плоча Крута коловозна конструкција Флексибилна коловозна конструкција доња подлога постељица Горња подлога Доња подлога Постељица БНС ДБНС, невезани дробљени или природни агрегат БНС цементна стабилизација, невезани агрегат Цементна стабилизација, БНС, невезани агрегат Преношење оптерећења од точка Оптерећење од точка Одговор флексибилног коловоза под оптерећењем Оптерећење од точка Асфалтни застор Асфалтна подлога Доња подлога Асфалтни слојеви Невезана подлога ε t ε r δ o Постељица Постељица, дипл.инж. 1
Основна оштећења флексибилних коловоза пукотине услед замора Основна оштећења флексибилних коловоза - колотрази Основна оштећења флексибилних коловоза термичке и рефлект. пукотине Димензионисање коловозних конструкција Где се тренутно налазимо? State-of-Practice State-of-the-Art Емпиријске Аналитичкоемпиријске Аналитичке Тренутна пракса?? (Schwartz, 2001) Димензионисање коловозних конструкција Димензионисањем се одређују: Распоред и дебљина слојева Врста и квалитет материјала Стандардизоване методе за димензионисање у Србији SRPS U.C.012 (AASHTO/72 и RoadNote 29) SRPS U.C.01 (AASHTO/93, круте кк) SRPS U.C.015 (AASHTO/93, флексибилне кк AASHO Road Test (1) 1958-1961 Извор: Highway Research Board Special Report 61A-G, дипл.инж. 2
AASHO Road Test Опитне деонице Изградња: Август 1956 - Септембар 1958 Опитни саобраћај: Октобар 1958 - Новембар 1960 Специјалне студије: Пролеће и рано лето 1961 Извор: Highway Research Board Special Report 61A-G Опитне деонице Климатске карактеристике локације Средња температура (Јул) 2 C Средња температура (Јануар) -3 C Просечна годишња количина падавина 860 mm Просечна дубина смрзавања 700 mm (за ситнозрно тло) Извор: Highway Research Board Special Report 61A-G Карактеристике материјала у флексибилним коловозима Застор Асфалт-бетон 85-100 pen битумен Горња подлога Дробљени кречњак 10% пролаз на ситу 0.075 mm Просечни CBR = 107.7 % Доња подлога Шљунковито/песковити материјал 6.5% пролаз на ситу 0.075 mm CBR = 28 51 % Постељица A-6 тло(прашинаста глина) 82% пролаз на ситу 0.075 mm Просечни CBR = 2.9 % Оптимални садржај воде w c = 13% Структура флексибилних коловоза Асфалтни слојеви 2.5 15 cm Невезана горња подлога 0 23 cm Невезана доња подлога 0 0 cm Најдебља конструкција 15 cm асфалтни слојеви 23 cm нев. горња подлога 0 cm нев. доња подлога За тешко оптерећење Индекс употребљивости 2.6-3.6 PSI на крају опита Најтања конструкција 2.5 cm застор За лако оптерећење 8-25 СО до лома, дипл.инж. 3
Понашање флексибилних коловоза Већина пропала Чак и најдебље деонице претрпеле значајна оштећења Већина пропала током пролећног отапања ледених сочива у тлу Дејство мраза један од највећих утицаја Дебља горња и доња подлога помогле да се умањи штетно дејство мраза Опитни камиони Извор: Highway Research Board Special Report 61A-G Промена носивости постељице Опитне деонице и камиони данас Извор: Highway Research Board Special Report 61A-G NCAT Test Track Димензионисање коловозних конструкција Пројектни параметри Основни параметри: Пројектни период Ниво услуге (возна способност на крају пројектног периода) Саобраћајно оптерећење Климатско-хидролошки услови Квалитет постељице Квалитет материјала у слојевима коловозне конструкције Пројектни период Максимално 20 година (према SRPS U.C.012/1981) Етапна изградња мин. дужина етапе 5 год. Анализа саобраћајног оптерећења У анализи се узимају само тешка теретна возила (ТТВ) возила са осовинским оптерећењем већим од 20 kn, дипл.инж.
Саобраћајно оптерећење Анализа саобраћајног оптерећења Утиче на оштећење и пропадање коловозне конструкције ni 1 Минерово правило i Ni n i стварни број прелаза осовинског оптерећења категорије i N i век коловоза изражен преко броја прелаза осовинског оптерећења категорије i Пројектно саобраћајно оптерећење се изражава преко: Стандардног осовинског оптерећења Спектра оптерећења (нови AASHTO MEPDG Guide) Век коловоза Изражава се преко обима оштећења које може настати пре него коловоз има неприхватљиву употребљивост Анализа саобраћајног оптерећења На оштећења коловозне конструкције утичу: Број, тип и размак осовина возила Величина осовинског оптерећења и оптерећења појединих точкова Величина и облик контактне површине пнеуматика и коловоза Расподела притиска на додирној површини Време трајања оптерећења Укупни број прелаза појединих осовинских оптерећења Расподела саобраћајног оптерећења у попречном профилу Број, тип и размак осовина Број осовина Тип осовина Једнострука Двострука (размак 1-2 m, најчешће 1.35 m) Трострука... Тип пнеуматика Распоред осовина и пнеуматика Стандардни, Super-Single и Super Super-Single, дипл.инж. 5
Расподела притиска и облик контактне површине ПГДС ПГДС Репрезентативне категорије возила: -ПА - путничка возила -БУС -ЛТ - лака теретна возила -СТ - средња теретна возила -ТТ - тешка теретна возила -АВ аутовоз (камион са приколицом или полуприколицом) Просечан годишњи дневни број ТТВ Учешће репрезентативних типова ТТВ у саобраћају Просечна годишња стопа раста у пројектном периоду На основу дугорочне студије саобраћајне мреже 2 5 % Стопе раста могу бити различите за различите категорије возила Прогнозиране стопе раста зависе од предвиђеног економског развоја и могу бити променљиве током пројектног периода Распоред у попречном профилу по тракама Зависи од: Броја саобраћајних трака Геометријских елемената пута (успон или пад нивелете) Укупног броја свих моторних возила на путу Пропусне моћи саобраћајнице..., дипл.инж. 6
Распоред у попречном профилу по тракама Број саобраћајних трака у попречном профилу пута Једна саобраћајна трака (једносмеран саобраћај) Две саобраћајне траке (двосмеран саобраћај) Четири саобраћајне траке (двосмеран саобраћај) Четири саобраћајне траке нивелета пута у успону u > %, (двосмеран саобраћај) Расподела саобраћајног оптерећења ТТВ по саобраћајним тракама, у % 100 50 50 5 5 5 5 5 5-50 Репрезентативне категорије возила Правилник о подели моторних и прикључних возила и техничким условима за возила у саобраћају на путевима (важи од 19.9.2010. године) Категорије теретних возила N1 Лако теретно возило, маса < 3.5 t N2 Средње теретно возило, маса 3.5 12 t N3 Тешко теретно возило, маса > 12 t Категорије прикључних возила O1 мало прикључно возило, маса < 0.75 t O2 лако прикључно возило, маса 0.75 3.5 t O3 средње прикључно возило, маса 3.5 10 t O велико прикључно возило, маса > 10 t Категорије О2, О3 и О: Полуприколице све осовине иза тежишта возила Приколице Приколице са централном осовином Репрезентативне категорије возила - ограничења Највећа дозвољена дужина скупа возила износи: тегљача са полуприколицом 16.50 m вучног возила са приколицом 18.75 m скуп возила намењен за превоз контејнера или возила 21.00 m Највећа дозвољена укупна маса моторног возила и скупа возила -0 t (t за мултимодални транспорт). Ограничења масе репрезентативних категорија возила Укупна маса моторног возила не сме да прелази следеће вредности: Двоосовинско моторно возило - 18 t Троосовинско моторно возило - 26 t Четвороосовинско моторно возило са две управљајуће осовине - 32 t при чему максимално осовинско оптерећење било које осовине не прелази 9.5 t Троосовински зглобни аутобус - 28 t Укупна маса приколица не сме да прелази: Једноосовинска приколица - 10 t Двоосовинска приколица - 18 t Троосовинска приколица - 2 t Укупна маса скупа возила не сме да прелази: Скуп возила са 5 или 6 осовина -0 t троосовински тегљач са дво или троосовинском полуприколицом када превози 0-стопни ISO контејнер као комбиновану превозну операцију (јединицу) - t* Скуп возила с четири осовине који се састоји од двоосовинског моторног возила и двоосовинске приколице - 36 t Тегљач с полуприколицом са укупно осовине, при чему су и тегљач и полуприколица двоосовински, а за случај да је размак између осовина полуприколице: од 1.3 m до 1.8 m - 36 t већи од 1.8 m - 36 t (односно 38 t када је највећа дозвољена маса вучног возила 18 t и највеће дозвољено оптерећење двоструке осовине полуприколице 20 t при чему су погонска осовина опремљена удвојеним пнеуматицима и ваздушним ослањањем). Дозвољено осовинско оптерећење теретних возила једна гоњена осовина - 10 t (100 kn) једна погонска осовина - 11,5 t (115 kn) укупно оптерећење две осовине моторних возила, при чему осовинско оптерећење појединачне осовине не сме прећи 10 t (100 kn), и које имају међусобно растојање: мањe од 1,0 m - 11,5 t (115 kn) од 1,0 m до 1,3 m - 16 t (160 kn) од 1,3 m до 1,8 m - 18 t (односно 19 t ако је погонска осовина опремљена удвојеним пнеуматицима и ваздушним ослањањем, или где максимално осовинско оптерећење не прелази 9.5 t)., дипл.инж. 7
Дозвољено осовинско оптерећење прикључних возила укупно оптерећење две осовине прикључних возила са међусобним растојањем: мањим од 1.0 m - 11 t од 1.0 m до 1.3 m - 16 t од 1.3 m до 1.8 m - 18 t при чему осовинско оптерећење појединачне осовине не сме прећи 10 t. укупно оптерећење три осовине прикључних возила са међусобним растојањем: до 1.3 m - 21 t од 1.3 m до 1. m -2 t (20 kn) од 1. m до 1.8-27 t при чему осовинско оптерећење појединачне осовине не сме прећи 10 t Осовинско оптерећење репрезентативних категорија возила Подаци о осовинским оптерећењима Мерењем За репрезентативне категорије возила дати у стандарду SRPS U.C.010/1981. SRPS U.C.010/1981 Репрезентативне категорије возила Аутобус А 2 Лако теретно возило ЛТ 2 Средње тешко теретно возило СТ 2 Тешко теретно возило ТТ 2, ТТ 3 Тешко теретно возило са приколицом ТТ 2 +ПР 3, ТТ 3 +ПР 2 Тешко теретно возило са полуприколицом ТТВ 3 +ППР 2 SRPS U.C.010/1981 Осовинско оптерећење Сопствена маса возила Користан терет/носивост Просечна искоришћеност носивости Однос просечне масе корисног терета и носивости возила У SRPS U.C.010 просечна искоришћеност носивости од 70 % Недостаци: Нема карактеристично возило са троструком осовином Нема Super-Single пнеуматике SRPS U.C.010-ТТВ 3 +ППР 2 Пример осовинских оптерећења Европски камион Расподела оптерећења по осовинама Предња осовина Средња осовина Задња осовина Укупно kn % kn % kn % kn % Сопствена маса возила Користан терет (носивост) 0 25 2x35 2x25 31 160 100 20 9 2x5 1 2x55 50 220 100 Укупна маса пуног 60 16 2x80 2 2x80 2 380 100 возила, дипл.инж. 8
Еквивалентно осовинско оптерећење Еквивалентно саобраћајно оптерећење Најчешће осовинско оптерећење Кoнцепт развијен у оквиру AASHO теста У неким земљама се користи дозвољено осовинско оптерећење (Француска и већина европских земаља) 1 СО = оштећење проузроковано једноструком осовином од 80 kn Фактор еквиваленције оптерећења (f e ) Број СО потребан да доведе до истог оштећења као и одређено осовинско оптерећење CO =стандардна осовина Еквивалентни број стандардних осовина од 80 kn Еквивалентно саобраћајно оптерећење Сва осовинска оптерећења на ТТВ се изражавају преко стандардног осовинског оптерећења Стандардно осовинско оптерећење: Једнострука осовина од 80 (81.6) kn (18000 lb) точка по 20 (20.) kn Двострукаосовина од 150 kn Трострука осовина од 220 kn Фактори еквиваленције Просечни деструктивни утицаји појединих осовина у односу на стандардне осовине n Li fe = L ST f e фактор еквиваленције за осовинско оптерећење L i L ST стандардно осовинско оптерећење, зависно од типа осовине n експонент чија вредност зависи од крутости коловозне конструкције, 3.8 6.0 (AASHTO) SRPS U.C.010 n = Генерализован закон -тог спепена Оштећење коловоза је у односу на осовинско оптерећење повезано са екпоненцијалним фактором од! Оштећење 1 Осовинскооптерећење 1 = Оштећење2 Осовинско оптерећење2 Фактори еквиваленције Једноструке осовине: L1 8 fe = = 2.212 10 L 80 Двоструке осовине: L2 fe = = 1.975 10 150 Троструке осовине 1 9 L 2 L3 10 fe = =.269 10 L 3 220, дипл.инж. 9
Фактори еквиваленције Фактори еквиваленције TTV Пример прорачуна F e (70% ИН) Укупан број стандардних осовина за поједине категорије возила k F e = f ei i= 1 k укупан број осовина возила f ei фактор еквиваленције за појединачне осовине 5 kn f e1 = 0.208 133 kn f e2 = 0.58 127 kn f e3 = 0.51 F e = 0.208+0.58+0.51=1.270 Фактори еквиваленције (USA) Фактори еквиваленције (хабања) (UК) Возило Одржавање Нова коловозна конструкција 2.6 3.9 0. 0.6 2.3 3. 3.0.6 1.7 2.5 2.9. 3.7 5.6 Прорачун еквивалентног саобраћајног оптерећења На најоптерећенијој саобраћајној траци Оптерећење током 1 дана: l Td = Fej n j j= 1 l укупан број категорија возила F ej укупан број стандардних осовина за поједину категорију возила n j просечан годишњи дневни број ТТВ категорије ј у I години експлатације на најоптерећенијој траци Прорачун еквивалентног саобраћајног оптерећења Укупно еквивалентно саобраћајно оптерећење у I години експлатације T = 365 g T d Еквивалентно саобраћајно оптерећење у пројектном периоду (ПП) се добија на основу: T g Просечне стопе раста саобраћаја r у ПП, дипл.инж. 10
Прорачун еквивалентног саобраћајног оптерећења Коефицијент раста саобраћаја у ПП: P P P r 1+ r 1 q = 1 + = i= 1 100 r r просечна годишња стопа раста саобраћаја (%) P дужина пројектног периода (год) Укупно саобраћајно оптерећење у току ПП: T u = T g ( ) q Групе саобраћајног оптерећења Група оптерећења Укупно ЕСО(Tu Tu)од 80 kn у пројектном периоду Врло тешко > 7.000.000 Тешко 2.000.000 7.000.000 Средње 700.000 2.000.000 Лако 200.000 700.000 Врло лако < 200.000 Група саоб. опт. Врста и квалитет материјала у кк Приближна анализа саобраћајног оптерећења За путеве мањег значаја ПГДС просечан годишњи дневни број ТТВ Просечан годишњи дневни број ТТВ у једном смеру пута (n) T d Просечан број стандардних осовина од 80 (82) knза једно ТТВ (k) > 500 1.2 100-500 0.75 < 100 0.5 = k n T g, T u Анализа саобраћајног оптерећења Рекапитулација 1. Просечни годишњи дневни број ТТВ 2. Просечна годишња стопа раста ТТВ у пројектном периоду 3. Осовинско оптерећење репрезентативних возила. Просечно искоришћење носивости ТТВ 5. Расподела саобраћајног оптерећења у попречном профилу (по саобраћајним тракама) Стандардно осовинско оптерећење: 100 kn Прорачун фактора еквиваленције (FE) за осовине (модификован, на бази AASHTO теста): 8 FEi = fo,i ( fk,i Lstat,i ) 10 f o тип осовине: Једнострука осовина: f o1 = 1.0 Двострука и трострука осовина: f o2 = 0.7156 f k тип пнеуматика: Један пнеуматик: f k1 = 1.0 Дупли пнеуматик: f k2 = 0.9 Super single: f k1 = 0.97 L stat номинално осовинско оптерећење (kn) Фактор еквиваленције за возило: FE V = FEi Просечне вредности фактора еквиваленције за репрезентативна возила Репрезентативно возило Просечни фактор еквиваленцијеfe v путничко 0.00003 аутобус 0.55 камион: - лаки (носивости < 3 t) 0.00 - средњи (носивости 3-7 t) 0.10 - тешки (носивости > 7 t) 0.50 - тешки са приколицом 0.90, дипл.инж. 11
Дневно саобраћајно оптерећење: Td = FEv,i n v, i Меродавно саобраћајно оптерећење T n (за период од n година) Зависи од: Пројектованог дневног саобраћајног оптерећења Додатних утицаја који су последица карактеристика пута Дужине пројектног периода n d pp št pn du f pp фактор попречног пресека коловоза f št фактор ширине траке f pn фактор подужног нагиба f du фактор додатних динамичких утицаја f po коефицијент раста саобраћаја у PP T = 365 T f f f f f po Фактор расподеле саобраћајног оптерећења на саобраћајне траке f pp Број саобраћајних трака Фактор f pp распоеделе саобраћајног оптерећења на саобраћајне траке 1 1.0 2 0.50 0.50 3 0.50 0.05 0.5 0.5 0.05 0.05 0.5 5 0.5 0.05 0.02 0.08 0.0 6 0.0 0.08 0.02 0.02 0.08 0.0 Фактор ширине саобраћајне траке f št Ширина саобраћајне траке (m) Фактор додатних динамичких утицаја f du Последица неравности коловоза у подужном правцу Додатно динамичко оптерећење Добри услови вожње f du = 1,03 Средњи услови вожње f du = 1.08 Фактор f št ширине саобраћајне траке < 2.50 2.0 2.50 2.7 1.8 2.75 3.2 1. 3.25 3.7 1.1 3.75 1.0 Фактор подужног нагиба f pn Утицај највећег подужног нагиба на траси Подужни нагиб нивелете (%) Фактор f pn подужног нагиба < 2 1.00 изнад 2 до 1.02 изнад до 5 1.05 изнад 5 до 6 1.09 изнад 6 до 7 1.1 изнад 7 до 8 1.20 изнад 8 до 9 1.27 изнад 9 до 10 1.35 > 10 1.5 Коефицијент раста саобраћаја f po P P P r ( 1+ r) 1 f po = q = 1 + = i= 1 100 r Категорије саобраћајног оптерећења Група саобраћајног оптерећења Број прелаза стандардног осовинског оптерећења од 100 kn По дану За 20 година Изузетно тешко > 3000 > 2 x 10 7 Врло тешко 800 3000 6 x 10 6 2 x 10 7 Тешко 300 800 2 x 10 6 6 x 10 6 Средње 80 300 6 x 10 5 2 x 10 6 Лако 30 80 2 x 10 5 6 x 10 6 Врло лако < 30 < 2 x 10 5 Ниво услуге (Возна способност) PSI Present Serviceability Index PSI= 5.03 1.91 log 1 2 ( + SV) 0.01 C + P 0.2139 RD SV slope variance промена нагиба средња вредност у два колотрага C,P површина захваћена пукотинама и закрпама (m 2 /1000 m 2 ) RD дубина колотрага (cm), дипл.инж. 12
Основна идеја Ниво услуге (Возна способност) Употребљивост (PSI) p 0 p t Време/Саобраћајно оптерећење p 0 - p t PSI = 0 5 Губитак употребљивости коловоза: PSI= PSI o PSI За нове коловозне конструкције флексибилне PSI o =.2 круте PSI o =.5 Крајња вредност индекса употребљивости Зависи од функционалног значаја саобраћајнице PSI t = 3.0, 2.5, 2.0 t = p o p t Основна релација p p = o 0 ( p p ) W ρ β и ρ зависе од носивости коловозне конструкције (дебљина слојева и њихова крутост) и саобраћајног оптерећења β дефинише облик криве пропадања ρ - саобраћајно оптерећење при коме је p = 1.5 W - стварно саобраћајно оптерећење које доводи до индекса употребљивости p t t β, дипл.инж. 13