Projektowanie Dróg i Autostrad

Temat nr 1

Obciążenie ruchem

mgr inż. Łukasz Mejłun
[e-mail]

[e-mail]

pok. 60 GG, tel. wew. 1541
Katedra Inżynierii Drogowej

Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska

Katedra Inżynierii Drogowej

Zakład Budowy Dróg

2

1) Metody projektowania konstrukcji nawierzchni

2) Katalogi Typowych Konstrukcji Nawierzchni

3) Algorytm projektowania wg KTKNPiP 2013

4)

Czynniki wpływające na projektowanie

5)

Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

6)

Przykłady obliczeniowe

7) Okres projektowy

8) Kategoria ruchu

9)

Przykład obliczeniowy

PLAN PREZENTACJI

O metodach projektowania:

TEORIA

– ruch pojazdów i jego oddziaływania:

PRAKTYKA

– obciążenie nawierzchni ruchem w KTKNPiP’13:

3

Podejście empiryczne

• doświadczenia z:

-

eksploatowanych dróg,

-

odcinków doświadczalnych,

-

torów próbnych

• projektowanie według:

-

wzorów,

-

nomogramów,

-

programów komputerowych (empirycznych)

Metoda mechanistyczno-empiryczna

•

elementy mechaniki nawierzchni (analiza konstrukcji, prawa mechaniki)

•

elementy doświadczenia (np. właściwości mechaniczne Materiałów)

Metoda katalogowa



projektowanie sztampowe

1. Metody projektowania konstrukcji nawierzchni

4

1) Kat. Typowych Konstr. Naw. Podatnych i Półsztywnych 1997
2) Kat. Typowych Konstr. Naw. Podatnych i Półsztywnych 2013
3) Kat. Typowych Konstr. Naw. Sztywnych 2001

4) Kat. Typowych Konstr. Naw. Sztywnych 2014 (?)

2. Katalogi Typowych Konstrukcji Nawierzchni

1)

2)

5

Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni

Podatnych i Półsztywnych 2013

2. Katalogi Typowych Konstrukcji Nawierzchni

www.gddkia.gov.pl



Zamówienia publiczne

 Prace badawcze
 Publikacje
 Prace n-b z lat 2010-2012


12. Katalog typowych konstrukcji…

 Katalog

6

3. Algorytm projektowania wg KTKNPiP 2013

1) Zebranie danych do projektowania.

2)

Przyjęcie okresu projektowego.

3)

Obliczenie ruchu i określenie kategorii ruchu.

4)

Określenie warunków gruntowo-wodnych i grupy nośności podłoża.

5)

Wybór typowego rozwiązania WUP oraz dolnych warstw konstr. naw.

6)

Rozważenie kwestii odwodnienia wgłębnego nawierzchni.

7)

Wybór typowego rozwiązania górnych warstw konstrukcji nawierzchni.

8)

Sprawdzenie odporności nawierzchni na wysadziny.

9)

Rozważenie kwestii ewentualnego:

• zwiększenia odporności nawierzchni na wysadziny,
• potrzeby zastosowania warstwy odcinającej,
• przyjęcia rozwiązania przeciwdziałającego spękaniom odbitym.

10) Określenie podstawowych wymagań materiałowych.

7

4. Czynniki wpływające na projektowanie

 ruch

 klimat

 warunki gruntowo-wodne



rodzaje materiałów jakie chcemy zastosować,



liczba warstw i ich grubości



(środki finansowe, opłacalność, ekonomika)



(prostota rozwiązania, możliwości)

8

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

Czynniki ruchowe wpływające na nawierzchnie:

A)

ciężar całkowity,

B) typ pojazdu,

C) rozmieszczenie osi,

D)

nacisk na oś,

E)

rozmieszczenie kół,

F)

nacisk na koło,

G)

ciśnienie w ogumieniu,

H) typ ogumienia,

I)

rodzaj zawieszenia,

J)

prędkość ruchu.

Pojazdy osobowe (do 3,5 tony) nie wywołują istotnych naprężeń w

nawierzchni i ich wpływ na trwałość nawierzchni jest znikomy.

TYLKO

POJAZDY CIĘŻKIE !!!

(których ciężar całkowity wynosi minimum 3,5 tony)

9

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

A) CIĘŻAR CAŁKOWITY

Czynniki ruchowe wpływające na nawierzchnie:

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

Uwzględniane w KTKN typy pojazdów ciężkich:

• samochody ciężarowe bez przyczep (C)

• samochody ciężarowe z przyczepami (C+P)

• autobusy (A)

B) TYP POJAZDU

10

Czynniki ruchowe wpływające na nawierzchnie:

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

TYP POJAZDU, A

DOPUSZCZALNY

CIĘŻAR CAŁKOWITY

B) TYP POJAZDU

11

Czynniki ruchowe wpływające na nawierzchnie:

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

DLA PORÓWNANIA – POJAZDY W USA

B) TYP POJAZDU

12

W USA

dużą masę pojazdu równoważy się zwiększeniem ilości osi

oraz

ilością opon. Dzięki temu konstrukcje nawierzchni mogą być

cieńsze.

W Europie dopuszcza

się większe naciski na oś oraz opony

pojedyncze, jednak przez to nawierzchnie

muszą być bardziej

wytrzymałe.

Czynniki ruchowe wpływające na nawierzchnie:

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

C) ROZMIESZCZENIE OSI

13

pojedyncze

podwójne potrójne

(tandemowe) (tridemowe)

Czynniki ruchowe wpływające na nawierzchnie:

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

D) NACISK NA OŚ

14

Dopuszczalne obciążenie osi pojedynczej przyjęte do projektowania
nawierzchni:

• autostrady

– 115 kN

• drogi ekspresowe – 115 kN

• drogi krajowe

– 115 kN

• pozostałe drogi

– 100 kN / 115 kN w okresie przejściowym

– 115 kN docelowo (!)

Czynniki ruchowe wpływające na nawierzchnie:

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

ROZMIESZCZENIE OSI, A NACISKI NA OŚ DLA NAJCIĘŻSZEGO

ZESTAWU W UNII EUROPEJSKIEJ

D) NACISK NA OŚ

15

44 t

Czynniki ruchowe wpływające na nawierzchnie:

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

D) NACISK NA OŚ

Czynniki ruchowe wpływające na nawierzchnie:

Dlaczego oprócz całkowitej dopuszczalnej masy pojazdu wprowadzono wymóg

maksymalnych dopuszczalnych nacisków na oś?

44 t

masa całkowita = 44 t

44 t

masa całkowita = 44 t

8,5 + 11,5 + 24,0 = 44,0 t

6,5 + 8,5 + 30,0 = 44,0 t

6,5 t 8,5 t 30 t

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

E) ROZMIESZCZENIE KÓŁ

17

Koła pojedyncze

Koła bliźniacze

Czynniki ruchowe wpływające na nawierzchnie:

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

F) NACISK NA KOŁO

18

Nacisk na oś 100 kN (10 ton)

5 t

5 t

2,5 t 2,5 t

2,5 t 2,5 t

2,5 t 2,5 t

2,5 t 2,5 t

1,3 t 1,3 t

1,3 t 1,3 t

1,3 t

1,3 t

Czynniki ruchowe wpływające na nawierzchnie:

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

WSPÓŁCZYNNIK RÓWNOWAŻNOŚCI OSI

19

- stosunek

ciężaru (nacisku) Q

j

na

oś

pojedynczą rzeczywistą do nacisku Q

S

na

oś pojedynczą standardową





4

S

j

j

Q

Q

F







4

j

S

j

N

N

F



- stosunek

całkowitej ilości obciążeń osi

standardowych N

S

jakie

może przenieść

nawierzchnia do jej zniszczenia do

ilości

osi rzeczywistych N

j

jakie jest w stanie

przenieść

Powyższy wzór określany jest jako

„wzór 4-tej potęgi”

(wykładnik 4 dla nawierzchni podatnych i półsztywnych, 4-10 dla sztywnych)

5. Ruch i jego oddziaływanie na nawierzchnie

WSPÓŁCZYNNIK RÓWNOWAŻNOŚCI OSI

20

NAWIERZCHNIE

PODATNE

(ASFALTOWE)

NAWIERZCHNIE

SZTYWNE

(BETONOWE)

Wzory „czwartej potęgi” według AASHTO

6. Przykłady obliczeniowe

44 t

(B) masa całkowita = 44 t

11,5 + 16,0 + 16,5 = 44,0 t

11,5 t 16,0 t

16,5 t

44 t

(A) masa całkowita = 44 t

8,5 + 11,5 + 24,0 = 44,0 t

ZADANIE 1

Oblicz ilu osiom standardowym 100 kN odpowiada TIR o masie całkowitej

44 ton załadowany na dwa różne sposoby (A) oraz (B), przedstawione poniżej:

21

6. Przykłady obliczeniowe

0,52 + 1,75 + 0,69

= 2,96 = 3 osie 100 kN

44 t

(A) masa całkowita = 44 t

F

1

= (Q

1

/100)

4

= (85/100)

4

= 0,52

F

2

= (Q

2

/100)

4

= (115/100)

4

= 1,75

F

3

= (Q

3

/263)

4

= (240/263)

4

= 0,69

ZADANIE 1

Oblicz ilu osiom standardowym 100 kN odpowiada TIR o masie całkowitej

44 ton załadowany na dwa różne sposoby (A) oraz (B), przedstawione poniżej:

22

6. Przykłady obliczeniowe

44 t

(B) masa całkowita = 44 t

11,5 t 16,0 t

16,5 t

1,75 + 6,55 + 0,15

= 8,45 = 9 osi 100 kN

ZADANIE 1

F

1

= (Q

1

/100)

4

= (115/100)

4

= 1,75

F

2

= (Q

2

/100)

4

= (160/100)

4

= 6,55

F

3

= (Q

3

/263)

4

= (165/263)

4

= 0,15

Oblicz ilu osiom standardowym 100 kN odpowiada TIR o masie całkowitej

44 ton załadowany na dwa różne sposoby (A) oraz (B), przedstawione poniżej:

23

6. Przykłady obliczeniowe

44 t

(B) masa całkowita = 44 t

11,5 t 16,0 t

16,5 t

0,52 + 1,75 + 0,69 = 3 osie 100 kN

1,75 + 6,55 + 0,15 =

9 osi 100 kN

44 t

(A) masa całkowita = 44 t

ZADANIE 1

Oblicz ilu osiom standardowym 100 kN odpowiada TIR o masie całkowitej

44 ton załadowany na dwa różne sposoby (A) oraz (B), przedstawione poniżej:

24

Różnica 200% !!!

3 x więcej TIR-ów !!!

6. Przykłady obliczeniowe

44 t

(B) ~ 9 osi 100 kN

11,5 t 16,0 t

16,5 t

44 t

(A) ~ 3 osie 100 kN

ZADANIE 1

Oblicz ilu osiom standardowym 100 kN odpowiada TIR o masie całkowitej

44 ton załadowany na dwa różne sposoby (A) oraz (B), przedstawione poniżej:

0

5

10

15

20

25

załądunek (A)

załadunek (B)

8

,5

1

1

,5

1

1

,5

1

6

,0

2

4

,0

1

6

,5

oś 1

oś 2

oś 3

6. Przykłady obliczeniowe

ZADANIE 2

Ile samochodów ciężarowych załadowanych w sposób (A) z pierwszego zadania

musi przejechać, aby szkoda zmęczeniowa była taka sama, jak przy pojedynczym

przejeździe tego samochodu ciężarowego, załadowanego w sposób (B) z

pierwszego zadania?

44 t

44 t

11,5 t 16,0 t

16,5 t

ZAŁADUNEK TYPU (A)

 2,96 osi 100 kN

ZAŁADUNEK TYPU (B)

 8,45 osi 100 kN

26

44 t

6. Przykłady obliczeniowe

44 t

11,5 t 16,0 t

16,5 t

ZAŁADUNEK TYPU (A)

 2,96 osi 100 kN

ZAŁADUNEK TYPU (B)

 8,45 osi 100 kN

ZADANIE 2

Ile samochodów ciężarowych załadowanych w sposób (A) z pierwszego zadania

musi przejechać, aby szkoda zmęczeniowa była taka sama, jak przy pojedynczym

przejeździe tego samochodu ciężarowego, załadowanego w sposób (B) z

pierwszego zadania?

n = N

B

/ N

A

n = 8,45 / 2,96

n = 3

27

6. Przykłady obliczeniowe

ZADANIE 3

Ilu przejazdom osi standardowych 115 kN odpowiada 1 milion przejazdów

samochodów osobowych (takich samych) o masie 1,5 tony i rozłożeniu

nacisków na osie w stosunku 1:1?

28

1:1

Q = 1,5 t

Q

1

= Q

2

= Q

1,2

F

1

= F

2

= F

1,2

1,5 t ~ 15 kN

Q

1,2

= Q / 2 = 15 kN / 2 = 7,5 kN/oś

F

1,2

= (Q

1,2

/ Q

S

)

4

= (7,5 / 115)

4

= 0,000018

F = 2 F

1,2

= 2 x 0,000018 = 0,000036

Q

1

Q

2

Odpowiedź:

36/ 1 000 000

przejazdom!

6. Przykłady obliczeniowe

ZADANIE 4

Korzystając z poprzedniego zadania sprawdź, ile przejazdów takich pojazdów

zrównoważy jeden przejazd osi standardowej 115 kN?

29

1 przejazd pojazdu

–

0,000036 przejazdów osi 115 kN

n przejazdów pojazdu –

1 przejazd osi 115 kN

1 x 1 = 0,000036 n

n = 1 / 0,000036 = 27 777,(7)  27 778

Odpowiedź:
1 przejazd osi 115 kN = 27 778 przejazdów pojazdu z zadania 1-go.

6. Przykłady obliczeniowe

ZADANIE 5

Ilu przejazdom 1,5-

tonowych samochodów osobowych z zadania 1-go

odpowiada przejazd TIR-

a z rysunku poniżej o masie całkowitej 44 ton?

30

44 t

1:1

1,5 t

Q

1,2

= 7,5 kN

Q

S

= 100 kN

F

1,2

= (Q

1,2

/ Q

S

)

4

= (7,5 / 100)

4

=

= 0,0000316

F = 2 F

1,2

= 2 x 0,0000316

N

OSOB

= 0,0000632 osi 100 kN

n = N

TIR

/ N

OSOB

= 2,96 / 0,0000632 = 46 835,44……

n = 46 836

1 przejazd TIR-a 44 t 

ok. 47 000 przejazdów samochodu osobowego 1,5 t

~0,52 osi 100 kN ~1,75 osi 100 kN ~0,69 osi 100 kN

N

TIR

= ~2,96 osi 100 kN

6. Przykłady obliczeniowe

ZADANIE 6

Ilu osiom standardowym 100 kN odpowiada przejazd pojazdu ciężarowego o

masie 16 ton, gdy stosunek nacisków na osie wynosi 1:1, a ilu gdy wynosi on

3:5 (oś tylna jest na granicy dopuszczonej przepisami) ?

31

1 : 1

3 : 5

16 t

16 t

~ 0,41

osi 100 kN

~ 0,41

osi 100 kN

~ 0,13

osi 100 kN

1 oś

100 kN

~ 0,82 osi 100 kN

~ 1,13 osi 100 kN

80 kN

80 kN

60 kN

100 kN

6. Przykłady obliczeniowe

ZADANIE 7

Gdyby kierowca samochodu 2) zapewniłby stosunek nacisków na osie jak w

samochodzie 1) to o ile więcej pojazdów takich jak 3) mogłoby przejechać drogą,

żeby skutek oddziaływania na nawierzchnię był taki sam?

32

1 : 1

3 : 5

16 t

16 t

1:1

1,5 t

3)

F

1

= 0,82 osi 100 kN

F

2

= 1,13 osi 100 kN

F

3

= 0,0000632 osi 100 kN

1)

2)

F

2

- F

1

= 1,13

– 0,83 = 0,31 osi 100 kN

n = (F

2

- F

1

) / F

3

n = 0,31 / 0,0000632 = 4 905,06….
O prawie 5 tys. więcej samochodów osobowych !!!

7. Okres projektowy

33

OKRES

PROJEKTOWY

– okres od oddania

nawierzchni do

użytkowania do osiągnięcia stanu

krytycznego,

wymagającego przebudowy nawierzchni

w

części lub całości.

W okresie proj. muszą prowadzone być roboty utrzymaniowe oraz
mogą wystąpić remonty polegające na wymianie warstwy ścieralnej.

• autostrady (A), drogi ekspresowe (S) – 30 lat,
• pozostałe drogi (GP, G, Z, L, D) – 20 lat.

Dopuszcza się stosowanie innych, lecz nie krótszych niż w/w.
Decyzję o wydłużeniu okresu projektowego podejmuje Zarządca
drogi.

8. Kategoria ruchu

34

Przy projektowaniu konstrukcji nawierzchni wg KTKNPiP uwzględniamy

pojazdy ciężkie, których sylwetki przeliczamy współczynnikami

przeliczeniowymi na osie obliczeniowe 115 kN lub 100 kN

w zależności od

klasy i rodzaju drogi oraz dopuszczalnego obciążenia osi….

8. Kategoria ruchu

35

Liczba równoważnych osi standardowych zależy od:

A.

dobowej struktury ilościowej i rodzajowej ruchu– N

C

, N

C+P

, N

A

B.

współczynników przeliczeniowych pojazdów na osie standardowe r

C

, r

C+P

, r

A

C.

przekroju poprzecznego (ilość jezdni i pasów ruchu) – współczynnik obliczeniowego pasa ruchu f

1

D.

szerokość pojedynczego pasa ruchu – współczynnik szerokości pasa ruchu f

2

E.

pochylenia podłużnego niwelety – współczynnik pochylenia niwelety f

3

OKREŚLENIE RÓWNOWAŻNEJ ILOŚCI OSI

STANDARDOWYCH 100 kN

Równoważną osią standardową (dla wszystkich klas dróg) jest oś 100 kN !!!!

N

100

= f

1

x f

2

x f

3

x (N

C

x r

C

+ N

C+P

x r

C+P

+ N

A

x r

A

)

8. Kategoria ruchu

36

Współczynnik obliczeniowego pasa ruchu f

1

7. Kategoria ruchu

37

Współczynnik obliczeniowego pasa ruchu f

1

f=0.5

f=0.45

45% ruchu

5%

5%

45%

10%

5%

35%

5%

10%

35%

f=0.35

50%

50%

8. Kategoria ruchu

38

Współczynnik szerokości pasa ruchu f

2

8. Kategoria ruchu

39

Współczynnik pochylenia niwelety f

3

ŚREDNIE POCHYLENIE Z CAŁEGO ODCINKA !!!!

8. Kategoria ruchu

40

Sposoby prognozowania

ruchu

 Ruch Archiwalny

– wyniki

pomiarów ruchu, który odbył
się na drodze od czasu jej
budowy

 Generalny Pomiar Ruchu

–

odbywa

się co 5 lat i na jego

podstawie

przygotowywane

są prognozy ruchu – ostatni
pomiar wykonano w 2010,
kolejny

odbędzie się w 2015

roku (

www.gddkia.gov.pl

)

8. Kategoria ruchu

41

Wyznaczanie ruchu całkowitego

Okres projektowy (obliczeniowy) dla nawierzchni podatnych i
półsztywnych wynosi 20 lat !!!

Są trzy metody wyznaczania ruchu całkowitego w zależności od
sposobu zmienności ruchu w czasie:

A) liniowy wzrost ruchu w czasie

B)

nieliniowy wzrost ruchu o stały procent w każdym kolejnym
roku

C)

nieliniowy wzrost ruchu w czasie trudny do opisania funkcją
matemat.

8. Kategoria ruchu

42

A) Ruch całkowity o wzroście rocznym liniowym

365 x SDR

100śred

N

100

obl

śred

T

SDR

N







100

100

365

N

100

-

ruch całkowity wyrażony w

osiach obliczeniowych 100 kN w
okresie obliczeniowym 20 lat

f

1

-

współczynnik obliczeniowego

pasa ruchu

SDR

100śred

-

średni dobowy ruch w

połowie okresu eksploatacji
nawierzchni (w 10. roku przy 20-
letnim okresie eksploatacji)
wyrażony liczbą osi standardowych
100 kN w przekroju drogi

T

obl

– okres obliczeniowy,

wynoszący 20 lat

8. Kategoria ruchu

43

B) Nieliniowy wzrost ruchu o stały roczny procent

N

100

(t) = N

100,1

x (1 + p)

t

N

100,1

N

100





p

p

C

C

SDR

N

obl

T

1

1

365

1

,

100

100













N

100

-

ruch całkowity wyrażony w

osiach obliczeniowych 100 kN w
okresie obliczeniowym 20 lat

SDR

100,1

-

średni dobowy ruch w

pierwszym roku eksploatacji
nawierzchni (w chwili oddania
nawierzchni do ruchu) wyrażony
liczbą osi standardowych 100 kN w
przekroju drogi

p

- roczny, procentowy wzrost

ruchu;

T

obl

– okres obliczeniowy,

wynoszący 20 lat

8. Kategoria ruchu

44

C) Wzrost ruchu nieliniowy bez funkcji opisującej

365 x SDR

100,n

365 x SDR

100,n-1

365 x SDR

100,2

365 x SDR

100,1

N

100

N

100

-

ruch całkowity wyrażony w

osiach obliczeniowych 100 kN w
okresie obliczeniowym 20 lat;

SDR

100,i

-

średni dobowy ruch w

każdym i-tym roku eksploatacji
nawierzchni wyrażony liczbą osi
standardowych 100 kN w
przekroju drogi;

t

i

- liczba lat w okresie

obliczeniowym;

T

obl

– okres obliczeniowy,

wynoszący najczęściej 20 lat













n

i

i

i

i

t

SDR

N

1

,

100

100

365

8. Kategoria ruchu

45

KATEGORIA RUCHU

N

C

= SDR

C

x 365 = 896 x 365 = 327 040 poj./rok/pas

N

C+P

= SDR

C+P

x 365 = 158 x 365 = 57 670 poj./rok/pas

N

A

= SDR

A

x 365 = 15 x 365 = 5 475 poj./rok/pas

r

C

= 0,50 r

C+P

= 1,80 r

A

= 1,20

f

1

= 0,90

f

2

= 1,06

f

3

= 1,25

N

100,1

= f

1

x f

2

x f

3

x (N

C

x r

C

+ N

C+P

x r

C+P

+ N

A

x r

A

)

N

100,1

= 0,90 x 1,06 x 1,25 x (327 040 x 0,50 + 57 670 x 1,80 + 5 475 x 1,25)

N

100,1

= 326 948 osi standardowych 100 kN/obliczeniowy pas ruchu w 1. roku eksploatacji

C = (1 + p)

T

– 1 / p = (1 + 0,025)

20

– 1 / 0,025 = 25,54

N

całk.

= N

100,1

x C = 326 948 x 25,54 = 8 350 252 osi standardowych 100 kN / 20 lat / obliczeniowy pas ruchu

7,30 mln osi 100 kN < N

100

= 8,35 mln osi 100 kN < 22,00 mln osi 100 kN  KR5

9. Przykład obliczeniowy

DANE:

•

Przekrój dwujezdniowy o 2 pasach ruchu na każdej jezdni o szerokościach 3,25 m.

•

Droga krajowa o dopuszczalnym obciążeniu osi 115 kN

•

Średnie pochylenie podłużne projektowanego odcinka i = 8,53%

•

SDR

C

= 896 poj. /dobę/pas ; SDR

C+P

= 158 poj./dobę/pas ; SDR

A

= 15 poj./dobę/pas

•

Ruch określono w 1. roku eksploatacji przy p = 2,5% rocznym wzroście ruchu w jednym kierunku.