1 Készítette: Dr. Péterfalvi József, Dr. Kosztka Miklós: ERDÉSZETI ÚTÉPÍTÉS, ERDÉSZETI UTAK ÉPÍTÉSE c. egyetemi tankönyv alapján HAJLÉKONY PÁLYASZERKEZETEK TERVEZÉSE ERDÉSZETI UTAKON A pályaszerkezet tervezésekor az a feladatunk, hogy olyan teherbírású és felépítésű pályaszerkezetet hozzunk létre, amely az út élettartama alatt áthaladó forgalom elviselésére alkalmas, normális nagyságú útfenntartás mellett. Az út használata folyamán leromló pályaszerkezet teherbírása fokozatosan csökken, majd elér egy olyan állapotot, amikor biztonságosan a további forgalom elviselésére alkalmatlanná válik. Ekkor a pályaszerkezetet meg kell erősíteni úgy, hogy a lecsökkent teherbírású régi pályaszerkezet megmaradt teherbírását még figyelembe vesszük.
A pályaszerkezet tervezés műszaki, közgazdasági problémái Adott szállítási és forgalmi igénybevétel mellett meg kell keresni azt a megoldást, amelynél az építési, útfenntartási és forgalmi költségek összege a minimumot adja. 2
A pályaszerkezet tervezésének elvi folyamata A pályaszerkezet tervezése tehát egy összetett műszaki, közgazdasági probléma, amelyet hosszú távú szemlélettel kell végezni. Az erdészeti utak pályaszerkezetének tervezése egy átfogó műszaki- közgazdasági vizsgálatot igénylő rendszer: Méretezés, Felépítés megtervezése, Útfenntartási igények számbavétele, pályaszerkezet gazdálkodás 3
A pályaszerkezet tervezésének elvi folyamata Méretezéskor a pályaszerkezet teherbírását határozzuk meg úgy, hogy az a forgalom terhelését az élettartam alatt elviselje. A felépítés tervezésekor a rendelkezésre álló eszközállomány, technológia és különböző anyagok alapján műszakilag azonos értékű pályaszerkezet variációkat dolgozunk ki. Az útfenntartási igények számbavételekor felmérjük a javítási igényeket, kijelöljük a karbantartási ciklusokat és meghatározzuk a felújítás, megerősítés, várható időpontját. 4
Hajlékony pályaszerkezetek méretezése teherbírásra A hajlékony útpályaszerkezetek méretezésére alapvetően kétféle módszer alakult ki: a semiempirikus módszerek, a mechanikai alapokon álló módszerek. A semiempirikus módszerek gyakorlati megfigyeléseken, nagyminta kísérleteken és elméleti alapokon nyugvó méretezési módszerek. A mechanikai alapú méretezési módszerek a pályaszerkezetet rugalmasságtani alapon számítható többrétegű szerkezetnek fogják fel. 5
Hajlékony pályaszerkezetek méretezése teherbírásra A semiempirikus alapon álló módszer kiforrott, áttekinthető, könnyen kezelhető, ezért széles körben elterjedt, de tovább ma már jelentősen nem fejleszthető eljárás. Ez az alapja a korábban alkalmazott és általánosan elterjedt Hajlékony Útpályaszerkezetek Méretezési Utasításának (HUMU) is, amelynek elveit az Erdészeti Utak Tervezési Irányelvei (EUTI) is átvett és ma is alkalmaz. 6
A CBR alapú méretezési módszer A zúzottkő pályaszerkezetek méretezésére az 1940-es években dolgoztak ki semiempirikus módszereket, amelyek közül leginkább a Porter által bevezetett CBR módszer terjedt el, ami sok tönkrement és bevált vastagságú burkolat adatának az elemzésén alapul. A módszer elve, hogy minél alacsonyabb a talaj teherbírása, annál vastagabb pályaszerkezet szükséges. A vastagság és a talajteherbírás közötti összefüggés egy parabolával közelíthető. 7
A CBR alapú méretezési módszer Az összefüggést később kiegészítették úgy, hogy egy görbesereget adtak meg, ahol a paraméterként a mértékadó legnagyobb keréksúly szerepelt. 8
A CBR alapú méretezési módszer Ebből az időből származik Fergus tapasztalati képlete is, amely szerint a szükséges zúzottkőréteg vastagsága fordítottan arányos a földmű CBR-ben kifejezett teherbírásával: ahol: H = zúzottkő réteg szükséges vastag sága k = állandó H k CBR 0,6 CBR % =a talaj teherbírása 9
A CBR alapú méretezési módszer Különböző teherbírású altalajon a pályaszerkezet szükséges vastagsága számítható, ha ismert H 1 rétegvastagság, amely kielégítően viselkedik a CBR 1 teherbírású földművön. Ekkor a CBR 2 teherbírású földművön a pályaszerkezet szükséges vastagsága (H 2 ): CBR H H 2 1 CBR Ezek a módszerek kimondottan zúzottkő pályaszerkezetek méretezésére alkalmasak. 1 2 0,6 10
Az AASHO nagyminta kísérlet eredményein alapuló méretezés 1958 59 években USA-ba Ottawa közelében végeztek nagyszabású kísérlet (AASHO). A 6 db, összesen mintegy 20 km hosszú, zárt hurokalakú, több sáv széles pálya 470-féle pályaszerkezetből épült meg. Ezek egységesen a földműre helyezett homokos kavics zúzottkő aszfalt rétegekből álltak. 11
Az AASHO nagyminta kísérlet eredményein alapuló méretezés Azért, hogy variációkat teherbírás szempontjából egymással össze lehessen hasonlítani, a pályaszerkezetet egy olyan egyrétegű elméleti pályaszerkezetté alakították át, amely teherbírás szempontjából egyenértékű a vizsgált pályaszerkezettel és anyaga a középső réteget képező zúzottkő anyagával egyezik meg. A helyettesítő réteg vastagsága, amelyet egyenértékvastagságnak nevezünk, a H e = 2,0 h 1 + 1,0 h 2 + 0,75 h 3 összefüggéssel számítható. Dimenziója: ecm 12
Az AASHO nagyminta kísérlet eredményein alapuló méretezés Az együtthatók az egyenérték-tényezők azt fejezik ki, hogy valamely réteg teherbírása hogyan viszonyul egy szabványos zúzottkőpálya teherbírásához. 13
Az AASHO nagyminta kísérlet eredményein alapuló méretezés A forgalmat műforgalommal biztosították: az egyes (solo) tengelyek 6 változatban a kettős (tandem) tengelyek 4 változatban Az egyes járművek csak a számukra kijelölt nyomon közlekedhettek, ezzel jól megfigyelhetővé vált a különböző tengelysúlyok hatása az azonos pályaszerkezeteken. A pályaszerkezetek állapotát kéthetente értékelték, amelynek eredményeiből egy használhatósági indexet képeztek. (4 5 közötti értéke kiváló állapotú, 1 2 közötti értéke tönkrement) 14
A pályaszerkezet elhasználódása és a forgalom Keresték azt az összefüggést, amely megadja annak a pályaszerkezetnek a vastagságát, amely az adott talajviszonyok között (CBR =2,5%) a T tengelysúlyú járművek Z áthaladási számát elviseli úgy, hogy közben a pályaszerkezet élettartama kimerül, amelyhez tartozó használhatósági index: p=2,5. A forgalom és a teherbírás viszonya: H 52,00 14,00 lg Z 0,375 T ez H ez =pályaszerkezet szükséges egyenérték-vastagsága T= tengelysúly Z= T súlyú tengely áthaladási száma 15
A pályaszerkezet elhasználódása és a forgalom A valóságban különböző súlyú tengelyeken gördülő járművek vesznek részt a forgalomban, ezért bevezették a 100 kn egységtengely áthaladás (100 kn e.t.á.) fogalmát, amely db számban azt fejezi ki, hogy a forgalomban résztvevő járművek összes tengelyáthaladási száma hány darab 100 kn e.t.á.-nak felel meg. A tengelysúly átszámítási érték megadja, hogy egy db T súlyú tengely áthaladása hány db 100 kn súlyú tengely áthaladásának felel meg. 16
A pályaszerkezet elhasználódása és a forgalom A tengelyátszámítási érték egyes tengelyek esetén: 0,0268 ( T 100) b 10 ami egy negyedfokú, illetve egy hatodfokú parabolával közelíthető: 4 6 T T 100 100 b A tengelysúly átszámítási érték tehát közelítően a tengelysúly negyedik-hatodik hatványa szerint változik, ami azt jelenti, hogyha két tengely súlya közül az egyik kétszerese a másiknak, akkor az azonos fáradást okozó tengelyáthaladási számok között legalább 24 = 16-szoros különbség van. 17
A pályaszerkezet elhasználódása és a forgalom A tengelyátszámítási érték kettős tengelyek esetén: 0,01493 ( T 175) b 10 A pályaszerkezet elhasználódása szempontjából a kettős tengely elrendezés lényegesen kedvezőbb, mert b = 1,0 tengelysúly átszámítási értéke a 175 kn súlyú kettős tengelynek van. Ennek hatása úgy érzékelhető, hogy azonos elhasználódást okoz egy 200 kn összsúlyú egyes tengelyeken gördülő és egy 350 kn összsúlyú kettős tengelyeken gördülő nyerges-vontatós tehergépkocsi. 18
A pályaszerkezet elhasználódása és a forgalom A pályaszerkezet szükséges egyenérték-vastagsága az AASHO útkísérlet talajviszonyai mellett, 100 kn egységtengely áthaladást figyelembe véve: He 14,50 14,00 lg F100 A Fergus-tól származó CBR-módszer Asphalt Institut által módosított összefüggés szerint CBR 1 H H1 CBR 0,4 19
A pályaszerkezet elhasználódása és a forgalom A képletbe CBR 1 helyébe az AASHO útkísérlet talajának teherbírását (CBR=2,5%-ot), H 1 helyébe az ilyen talajviszonyok mellett szükséges H e értékét helyettesítve megkapjuk a hajlékony útpályaszerkezetek méretezésére szolgáló összefüggést: Hesz 14,5 14,00 lg F Ezzel kiszámítható, hogy adott talajteherbírás mellett milyen egyenérték-vastagságú (teherbírású) pályaszerkezetet kell építeni ahhoz, hogy az a választott élettartam alatti forgalmat elviselje. 20 100 2,5 CBR% 0,4
A tervezett pályaszerkezet egyenérték-vastagsága A tervezett pályaszerkezet egyenérték-vastagságát a rétegek geometriai vastagsága és a rétegek teherbírására jellemző egyenérték-tényezők segítségével lehet kiszámítani: H n h e e i i 1 Az egyenérték-tényezőket a hazai gyakorlat számára egy bizottság alakította ki, amely a behajlás-mérésekben nagy tapasztalatokkal bíró kutatók reális mérlegelésén alapuló véleményének összegzésén alapul. 21
Hajlékony pályaszerkezetek méretezése az erdészeti utakon A hajlékony útpályaszerkezetek méretezésére kidolgozott hazai módszer (HUMU) alapja is az AASHO útkísérlet volt, amelynek eredményeit a hazai viszonyokra adaptálták. Az erdészeti utak pályaszerkezetét a HUMU jól áttekinthető, egyszerű módszere alapján méretezzük. Az egyenérték-vastagság 10 ecm-nél kisebb nem lehet (H emin =10 ecm) és figyelembe vehető legnagyobb talajteherbírás CBR max =30%, de ezt laboratóriumi vizsgálatokkal indokolni kell. 22
Hajlékony pályaszerkezetek méretezése az erdészeti utakon A méretezési képlet csak a hajlékony pályaszerkezetek méretezésére használható megalapozottan. Hajlékonynak tekintjük a pályaszerkezetet akkor, ha az legalább egy bitumen kötőanyagú réteget tartalmaz és nincs benne soványbeton, vagy ezt meghaladó szilárdságú réteg. Ha a tervezett pályaszerkezet ennek a feltételnek nem felel meg, de egyéb módszer hiánya miatt a méretezést mégis így végezzük, a kapott eredmény csak egy megalapozott becslés. 23
Hajlékony pályaszerkezetek méretezése az erdészeti utakon A méretezés alapösszefüggését diagram formájában szokták megadni, ami szemléletes képet ad az egyes paraméterek hatásáról. 24
A tervezési paraméterek hatása a pályaszerkezet vastagságára A pályaszerkezet tervezett egyenérték-vastagsága az ismertetett összefüggés szerint a számításba vett forgalom nagyságától és a földmű teherbírásától függ. A forgalom hatása erősen csillapítva érvényesül, mivel a pályaszerkezet egyenérték-vastagsága a forgalom logaritmusával arányos. Ez azt jelenti, hogy az út élettartamának jelentős (akár 10- szeres) emelése viszonylag kis beruházási költségtöbblettel megvalósítható. Ezért az út élettartama legalább 20 év legyen. 25
A tervezési paraméterek hatása a pályaszerkezet vastagságára A CBR%-ban bekövetkező 1%-os változás megközelítően ugyanakkora pályaszerkezet vastagítást igényel, mint amikor a forgalmat (ezzel együtt az élettartamot) kétszeresére növeljük. Ebből következően a talaj teherbírása befolyásolja jobban a pályaszerkezet vastagságát. Fontos, hogy a megépült földmű teherbírása érje el a számításba vett teherbírás értéket, hiszen olcsóbb a szakszerű tömörítést elvégezni, mint a pályaszerkezetet indokolatlanul vastagabbra építeni. 26
A tervezési forgalom A pályaszerkezet teherbírását az élettartam alatt áthaladó forgalommal jellemezhetjük, amelyet 100 kn-os egységtengely áthaladásban fejezünk ki. Először meg kell határozni a tervezési élettartamot, majd ennek ismeretében a keletkező szállítási feladatokat és a szállítójárművek típusát. A tervezési élettartamot 10 20 év között célszerű felvenni. A tervezési időszak forgalmát a gazdálkodási tervek alapján lehet kiszámítani, mert a mértékadó nehézforgalomat az erdőgazdálkodással összefüggő szállítási feladatok adják. 27
A tervezési forgalom A forgalomelemzés lépései a következők: Tervezési élettartam megállapítása Tervezett út gravitációs körzetének lehatárolása Élettartam alatt leszállítandó fatérfogat meghatározása Szállítójárművek jellemzőinek felderítése, amelyek: a szállítmány súlya (1m 3 10kN), tengelysúlyok (üresen, rakottan) és ezek értékei 100kN-os e.t.á.-ban kifejezve. Járműtípusonként az általuk leszállított fatömeg a tervezett élettartam alatt. 28
A tervezési forgalom Szállítójárművek fordulóinak számát típusonként: Qj N j nj q Egy forduló forgalom terhelése 100kN egységtengely-áthaladásban: Mértékadó forgalom az élettartam alatt: n j f b b 100 j iü ir 1 1 m F N f n 100 j 100 j 1 29
A tervezési forgalom Másik módszere szerint minden gépjárműfordulót először fatömegben fejezünk ki: 1 m 3 -re eső fajlagos forgalomterhelés: Mértékadó forgalom: Q ' Q n q j j j j T 100 f 100 q m F Q ' T 1 j j 30
A földmű tervezési teherbírása A földmű tervezési teherbírását jellemző CBR% értékét meghatározhatjuk táblázatokból vagy laboratóriumi vizsgálatokkal. A táblázat használatakor: a talajokat szemeloszlási és plasztikus tulajdonságuk alapján I VI. osztályba, útépítés körülményeit pedig kedvező (K) és nem kedvező (NK) kategóriába soroljuk. 31
A földmű tervezési teherbírása Kedvező (K) az állapot, ha az út az ország száraz vidékén fekszik és a pályaszerkezet vízzáró. Ellenkező esetben a nem kedvező (NK) esetre vonatkozó értéket kell figyelembe venni. 32
A földmű tervezési teherbírása Vízzárónak tekinthető a pályaszerkezet, ha legalább egy vízzáró réteget tartalmaz. Nem vízzáró réteg az itatott aszfaltmakadám a hézagos zúzottkő és 10 cm-nél vastagabb mechanikailag nem stabil szemcsés réteg. Tervezéskor feltételezzük, hogy a földmű felső 0,50m vastag rétegének tömörségi foka legalább T r =90%, ez alatt pedig legalább T r =85%, a tömörítést az optimális víztartalom környékén végzik és a földmű építés közben nem ázik el. 33
A szükséges egyenérték-vastagság és a tervezett pályaszerkezet egyenérték-vastagsága A pályaszerkezet szükséges egyenértékvastagságát (H esz ) az élettartam alatti forgalom (F 100 ) és a földmű teherbírása ismeretében a már ismert képlettel, illetve az annak alapján szerkesztett diagrammal lehet megállapítani. A tervezett pályaszerkezet egyenérték-vastagsága (H e ) a szükségesnél (H esz ) vékonyabb nem lehet, a túlméretezés az 5%-ot nem haladhatja meg. A tervezett pályaszerkezet egyenérték-vastagsága: H h h e e i i 1 34
Hajlékony pályaszerkezetek felépítése erdészeti utakon Védőréteg méretezése pályaszerkezet részét képező védőréteg méretezése földmű felső rétegét képező fagyvédő réteg méretezése Pályaszerkezet felépítésének elvei Szempontok a pályaszerkezet rétegeinek megválasztásához és felépítéséhez 35
A védőréteg méretezése A védőréteget a pályaszerkezet és a földmű határán építjük be legalsó alaprétegként (a pályaszerkezet részeként) vagy fagyvédő rétegnek javított talajrétegként (a földmű felső szintjeként). Előírások a legalsó alapréteg anyagára: d60 U 7 ( esetleg 5) és az d 10 iszap- és agyagtartalom d 0,02 mm 3 6% alatt homokliszt-iszap és agyagtartalom d 0,1 mm 15% alatt 36
A védőréteg méretezése A földmű felső szintjére kerülő réteg anyagára vonatkozó előírás: U > 5 iszap- és agyagtartalom d 0,02 mm 10% alatt homokliszt-, iszap- és agyagtartalom d 0,1 mm 25% alatt található Az ilyen anyagból készült védőréteg a pályaszerkezet teherbírásába nem, de hőszigetelő képességével a fagyvédő vastagságba beszámít. A drága homokos kavics helyett alkalmazható a helyi talajból készített stabilizáció. 37
A pályaszerkezet részét képező védőréteg méretezése Ha a CBR vizsgálat alapján a földmű tervezési teherbírását csökkent értékűnek (CBR 5%) találjuk, akkor a földmű felületére egy olyan vastagságú homokos kavics (e i = 0,5) vagy stabilizációs (e i = 1,0 1,2) védőréteget (legalsó alapréteget) kell tervezni, amelyen a teherbírás eléri a pályaszerkezet alatt megkívánt CBR = 5 6% értéket. Ez a védőréteg a pályaszerkezet része, vastagságát a méretezési diagramon határozhatjuk meg. 38
A pályaszerkezet részét képező védőréteg méretezése A védőréteg valódi vastagsága: he hv e v 39
A földmű felső rétegét képező fagyvédő réteg méretezése Ennek szerepe a fagy és olvadási károkra érzékeny földművek megóvása a télvégi káros hatásoktól. Méretezéskor a pályaszerkezet H fagyálló összvastagságát kiegészítjük egy h vf védőréteg vastagsággal úgy, hogy a szükséges F fagyálló összvastagságot hozzuk létre. Az F fagyálló összvastagságot erdészeti utaknál táblázatból választjuk ki. F H h vf 40
A földmű felső rétegét képező fagyvédő réteg méretezése A pályaszerkezet fagyálló összvastagsága (H ): n H h f 1 h i = i-ik réteg valódi vastagsága f i = a réteg hőszigetelő- és lemezhatására jellemző érték táblázatból (fagyálló egyenérték). n = a pályaszerkezet rétegeinek száma i A védőréteg fagyálló összvastagsága (h vf ) és valódi vastagsága (f v a védőréteg fagyálló egyenértéke): n h hvf F H F vf hi fi hv f 1 i v 41
A pályaszerkezet felépítésének elvei A rétegek minősége, teherbírása és az ezeket kifejező egyenérték-tényezők alulról felfelé fokozatosan növekedjenek; A szerkezeti rétegek a technológiai vastagságot ne lépjék túl (vastagabb réteget több rétegben); Törekedni kell a nagyobb élettartamú aszfaltrétegek beépítésére; Higított bitumenes alapréteget és burkolatot akkor tervezzünk, ha a tömör aszfaltot felszerelés hiányában nem tudjuk előállítani és beépíteni; 42
A pályaszerkezet felépítésének elvei Higított bitumenes alapok fölé tömör aszfaltburkolatot ne tervezzünk (hígítóanyagot ne zárjuk be); Zúzottkő alapok helyett stabilizációs alapréteg; Hézagos zúzottkő alapot kötött talajú földműre csak 10 cm vastag homokos kavicsréteg közbeiktatásával szabad elhelyezni; Soványbeton alapra min. 10 cm vastag aszfaltréteg építése szükséges az átrepedések meggátolására; Gyenge, elázott, vagy kis teherbírású földműre utántömörödő pályaszerkezet építése a célszerű. 43
Szempontok a pályaszerkezet rétegeinek megválasztásához és felépítéséhez A műszakilag egyenértékű pályaszerkezetek közül közgazdasági, építési és gépesítési szempontok alapján kell a megfelelő variánst kiválasztani. Az összehasonlító elemzésekhez meg kell határozni az egyes pályaszerkezeti rétegek fajlagos építési költségét, majd a teljes pályaszerkezet építési költségének 1 m 2 -re eső részét. A reális képhez ismerni kell ezen kívül a pályaszerkezet fenntartására fordítandó költségeket is. 44
Szempontok a pályaszerkezet rétegeinek megválasztásához és felépítéséhez A nagyobb szilárdságú de nagyobb szállítási költséggel is terhelt anyagot burkolati rétegek építéséhez használjuk fel. Az alaprétegbe a régen használt zúzottkő alapok helyett inkább a helyi anyagok felhasználásával készülő stabilizált burkolatalapokat kell építeni. Erdészeti utakon a felső alapréteget meleg bitumenes útalapból építhetjük. Ez burkolati réteg is lehet, ha felületi bevonással látjuk el. Az erdészeti utak korszerű burkolata lehet a helyi anyagot is felhasználó kavics-aszfaltbeton (KAB). 45
A pályaszerkezet megerősítésének tervezése Ahhoz, hogy az élettartama végén lévő pályaszerkezet a további forgalmat el tudja viselni, illetve egy adott pályaszerkezet a megnövekedett forgalmi igényeket ki tudja elégíteni, szükségessé válik egy újabb, erősítőréteg építése. Az erősítő réteg vastagságát a terhelés hatására kialakuló rugalmas alakváltozások nagysága alapján, pályaszerkezetfeltárással, a lecsökkent teherbírású pályaszerkezet anyagára jellemző egyenértéktényező alapján számítva határozhatjuk meg. 46
Erősítő réteg méretezése a rugalmas alakváltozások (behajlások) alapján A pályaszerkezet teherbírásán azt az igénybevételt értjük, amelynek túllépése után az anyagot rendeltetésszerűen nem lehet tovább használni. Az igénybevételt esetünkben a teherismétlődések számával jellemezzük. Ennek hatására az anyag tönkremenetele a fáradás miatt alakul ki. A fáradás és a végbe menő átalakulások a rugalmas alakváltozás nagyságának változásával jellemezhetők, amelynek nagysága behajlásméréssel határozható meg. 47
Erősítő réteg méretezése a rugalmas alakváltozások (behajlások) alapján A behajlás értéke tehát magában foglalja a teherismétlődéseknek azt a számát, amely a pályaszerkezet élettartama végéig áthaladhat. Ezzel a pályaszerkezet még hátralévő élettartama megadható. Az AASHO útkísérlet tapasztalatai szerint a T tengelysúlyok, illetve a Z tengelyáthaladási számok növelésével a kezdeti s 0 behajlás értéke fokozatosan növekszik egy pillanatnyi s értékre. 48
Erősítő réteg méretezése a rugalmas alakváltozások (behajlások) alapján A kísérleti adatok korrelációs elemzése kimutatta, hogy azonos használhatósági index (pl. p = 2,5) által jelzett minőségi állapotnál az eredeti behajlás és a tengelyáthaladási szám között szoros kapcsolat áll fenn, amelyre a pályaszerkezet H e egyenérték-vastagsága nincs hatással. Ez azt jelenti, hogy létezik egy olyan kezdeti behajlás, amelynek nagysága meghatározza azt a 100 kn e.t. áthaladásban kifejezett forgalmat, amit az élettartam alatt a pályaszerkezet el fog viselni. Ezt a behajlást megengedett behajlásnak nevezzük 49
Erősítő réteg méretezése a rugalmas alakváltozások (behajlások) alapján A megengedett behajlás és a forgalom (100 kn e.t.) közötti összefüggés: 5,27 10 lg F100 5,27 4,55 lg s eng F100 4,55 s A pályaszerkezet pillanatnyi teherbírását sok tényező befolyásolja: a pályaszerkezetet alátámasztó földmű teherbírása, amely a víztartalom változásával változik a pályaszerkezeti rétegek anyaga és kora. eng 50
Erősítő réteg méretezése a rugalmas alakváltozások (behajlások) alapján Célszerű lenne az erdőgazdaságokban a tervezett fahasználatok és a szállítások előtt legalább két évvel és évenként tavasszal és nyár végén behajlásmérésekkel ellenőrizni az utak teherbírását és a döntéseket ez alapján meghozni. A rugalmas alakváltozások 2 módszerrel mérhetők: Billenőkaros behajlásmérővel (Benkelman tartóval) statikus, vagy félig statikus terhelés alatt, Ejtősúlyos behajlásmérő készülékkel dinamikus terhelés alatt. 51
Az erősítő réteg méretezése a behajlások alapján A pályaszerkezet egyenérték-vastagsága és a behajlás közötti összefüggés (AASHO alapján): H A B lg s 1 1 Növeljük ennek a pályaszerkezetnek a vastagságát H értékkel H 2 vastagságig, amely vastagsághoz az előbbi behajlásnál kisebb s 2 érték tartozik. Ez alapján felírható: H A B lg s 1 1 H A B lg s 2 2 52
Az erősítő réteg méretezése a behajlások alapján A két egyenlet egymásból kivonva az erősítőréteg vastagságát ( H) kapjuk: 1 H H2 H1 B (lg s1 lg s2) H B lg s s2 ahol B=anyagállandó (65-70) s 2 =F 100 forgalomhoz tartozó megengedett behajlás s 1 =a mért behajlások közül a mértékadó behajlás A képlet végleges formája: s H 70 lg m e s eng 53
A teherbírás meghatározása billenőkaros behajlásmérővel A terhelt tehergépkocsi ikerabroncsa közé a maximális behajlás helyén elhelyezett 1:1 arányú mérőkarokkal rendelkező behajlásmérőről leolvasott és 50 kn keréksúlyra átszámított alakváltozást nevezzük behajlásnak. A billenőkaros behajlás mérhető: kézi behajlásmérővel, automatikus mérőkocsival. Az automata mérőkocsi a berendezés mérőcsúcsát a kerék elé helyezi el és ehhez, mint kiindulási állapothoz viszonyítja a benyomódás nagyságát. 54
A teherbírás meghatározása billenőkaros behajlásmérővel Erdészeti utak vékony pályaszerkezetén a behajlásmérő tapogatócsúcs felé eső mérőkart 2- szeresére kellett megnyújtani. A mérőcsúcsot nem a kerék felfekvésének vonalába, hanem az elé kell helyezni. Ezáltal a kerék áthaladásakor a pályaszerkezet először benyomódik, a mérőóra negatív szélső értéket jelez, majd a kerék továbbhaladásakor rugalmasan visszaugrik, a mérőóra pozitív szélső értéket mutat. A behajlás nagyságát a két szélső érték különbségének kétszerese adja. 55
A teherbírás meghatározása billenőkaros behajlásmérővel A kézi behajlásmérés: 1 db rakott tehergépkocsi vezetővel, 2 db kézi behajlásmérő, 3 fő mérőszemélyzet A mérési pontok közötti távolság konkrét megerősítések tervezésekor legfeljebb 25 m, hosszú távú útfenntartási tervek készítésekor legfeljebb 100 m. 56
A mérési adatok feldolgozása Két feladatot kell megoldani: el kell különíteni a homogén teherbírású szakaszokat, ki kell számítani az útszakaszok teherbírását jellemző s m mértékadó behajlás nagyságát. A homogén útszakaszokat más módon különítjük el az automata mérőkocsi és a kézi behajlásmérés adatai alapján. Az automata mérőkocsi által felvett mérési adatokat számítógéppel dolgozzák fel. A kézi behajlásmérés adatait grafikusan és számítással dolgozzák fel. Erre is van számítógépes program. 57
A mértékadó behajlás kiszámítása A teherbírást jellemző mértékadó behajlás (s m ): sm e k s c sz t ahol e=évszaki korrekció (átszámítás tavaszi behajlásra) k=átszámítási tényező a szabványos módszerre s=átlagos behajlás c=megbízhatósági szorzó sz=szórás t=hőmérsékleti korrekció (+5-+20 C között elhagyható) 58
A mértékadó behajlás kiszámítása Erdészeti utaknál a mértékadó behajlás: s s 2 sz m Átlagos behajlás: n Szórás: s sz 1 n n 1 s i s s 2 i n 1 59
A mértékadó behajlás értékelése Adott s m mértékadó behajlásnál az úton csak egy meghatározott F 100eng megengedett forgalom haladhat át, amelynek nagysága: lg F 5, 27 4,55 lg s 100eng Adott F 100m mértékadó forgalmat a pályaszerkezet csak akkor visel el, ha a kezdeti behajlás nem nagyobb az s eng megengedett behajlásnál: lg s 1,158 0, 2198 lg F eng Megfelelő a teherbírás a behajlás és a forgalom nagysága szerint ha: s m <s eng ; F 100m <F 100eng m 100m 60
A mértékadó behajlás értékelése A megerősítés szükségességét az adott időszakra számolt F 100m mértékadó forgalom adja meg. A teherbírásra, mint állapotra jellemző állapotjelző paraméter a következő: 1. jelű: nagyon jó teherbírású, ha a megerősítést 15 év után kell elvégezni, 2. jelű: jó teherbírású, ha a megerősítés időpontja 11 15 év közé esik, 3. jelű: közepes teherbírású, ha a megerősítést 6 10 éven belül kell végrehajtani, 4. jelű: rossz teherbírású, ha a megerősítést 3 5 éven belül kell elvégezni, 5. jelű: tűrhetetlen, ha 2 éven belül erősítendő. 61
A teherbírás meghatározása ejtősúlyos (FWD) berendezéssel Az egyik legkorszerűbb mérési eszköz, amellyel a pályaszerkezet teherbírására következtetni tudunk. A készülékkel végzett mérési sorozat lehetővé teszi a behajlási teknő meghatározását. A behajlási teknő alakjának ismerete lényegesen több információt szolgáltat a pályaszerkezet pillanatnyi állapotáról mint a központi behajlás, így pontosabban határozható meg annak teherbírása, hátralévő élettartama és a szükséges erősítőréteg vastagsága. 62
A teherbírás meghatározása ejtősúlyos (FWD) berendezéssel 63
Felületi modulus A felületi modulusok alapján el lehet végezni egy adott útszakasz előzetes értékelését, a felületi modulusok értékei alapján kijelölhetőek azok a szakaszok, ahol inhomogenitások, lokális teherbírás problémák vannak. Információt kaphatunk a földmű állapotáról is. Boussinesq-képlet a felületi modulus számítására: E 0 p=felületi nyomás a tárcsa alatt; r=tárcsa sugara; d 0 =legnagyobb behajlás; μ=poisson-tényező 64 2 2 1 r p d 0
Felületi modulus A felületi modulus kiszámításával a teljes pályaszerkezetet mint fél-végtelen teret tekintjük, így a kapott egyenértékű modulus értékek a pályaszerkezet felépítésétől, az azt alkotó rétegek jellegétől (hajlékony, rugalmas, merev) függenek. Az adott útszakasz teherbírása hálózati szintű értékelésének alapja az egyenértékű felületi modulusok (E e ) mintaátlagából számított mértékadó egyenértékű teherbírási modulus (E em ): E E u em e σ=egyenértékű modulusok szórása;u=megbízhatósági tény. 65
A behjlás A tárcsaközép alatti lehajlás értékkel jellemezhető a pályaszerkezet egyedi behajlása, ez átszámítható egy olyan statikus behajlás értékké, amely a Benkelmann-típusú behajlásmérővel mért behajlással összemérhető. A dinamikus behajlási adatok alapján elvégezhető egy adott útszakasz homogenizálása, majd a homogén szakaszokon a jellemző mértékadó behajlás kiszámítása a korábbiakhoz hasonlóan: s s 2 sz m 66
A homogén szakaszok képzése, a kapott eredmények értékelése Egy adott útszakaszt vizsgálva szükséges lehet az utat homogén szakaszokra bontani. A homogén szakaszok képzése történhet: korábban ismertetett hagyományos módszerrel behajlások átlagtól való eltérése kumulált összegének grafikus ábrája elemzésével. Mindkét módszerre számítógépes programok állnak rendelkezésünkre. 67
A görbületi sugár meghatározása A forgalom alatt lévő burkolat elsősorban hajlító igénybevételt szenved, a húzófeszültség tehát hajlításból ered. A hajlításból származó húzófeszültség nagysága pedig a hajlítás minimális sugarától függ. 68
A görbületi sugár meghatározása Svéd vizsgálatok szerint, ha az aszfaltburkolatot R=30 m-nél kisebb sugarú ívben hajlítják meg, törés következik be, ami a minimális sugárnak is tekinthető. Természetesen ez függ a burkolat vastagságától és anyagi minőségétől. A törés szempontjából a hajlítás sugara lesz a döntő és nem pedig a behajlás nagysága. Ezért, ha a burkolatra nézve veszélyes alakváltozást vizsgáljuk, tulajdonképpen a hajlított burkolat görbületi sugarát kell mérni és elemezni. 69
Erősítő réteg méretezése a pályaszerkezet feltárása alapján Ennél az eljárásnál 500 m-ként vagy szüksége esetén sűrítve feltárják a régi pályaszerkezetet, megállapítva ezzel a pályaszerkezeti rétegek anyagát és vastagságát. A mért vastagságokat a régi csökkent teherbírású pályaszerkezeti rétegek egyenérték-tényezőivel beszorozva megkapjuk a régi pályaszerkezet egyenérték-vastagságát: H n h e er i r 1 70
Erősítő réteg méretezése a pályaszerkezet feltárása alapján A megnövekedett forgalom alapján számított egyenérték-vastagság (H esz ) és a régi pályaszerkezet egyenérték-vastagsága (H er ) különbsége adja a szükséges erősítőréteg egyenértékvastagságát ( H e ): He Hesz Her A H e értékből az új erősítőréteg anyagára vonatkozó egyenérték-tényező segítségével a méretezésnél megismert módon meghatározhatjuk az erősítőréteg valódi geometriai vastagságát. 71
Pályaszerkezet-gazdálkodás Az erdészeti utak pályaszerkezetének tervezésekor célként fogalmazható meg, hogy olyan pályaszerkezetet hozzunk létre, amely hosszútávon gazdaságosnak tekinthető. Adott szállítási és forgalmi igénybevétel mellett ugyanis azt a megoldást kellene megkeresni, amelynél az építési, útfenntartási és forgalmi költségek összegei a legalacsonyabbak lesznek. A pályaszerkezetek ilyen szemléletű tervezése már nem egyszerűen méretezés, hanem az pályaszerkezet-gazdálkodásnak is tekinthető. 72
Pályaszerkezet-gazdálkodási politika általános megfogalmazása Ahhoz, hogy a pályaszerkezetet gazdálkodási szemlélettel tudjuk megtervezni, ki kell alakítani a pályaszerkezet-gazdálkodási politikát, amely: hosszú távú stratégiájában kijelöli a pályaszerkezeten végzendő fő beavatkozások időpontját, taktikájában pedig alkalmazkodik az út pillanatnyi állapotához. 73
Pályaszerkezet-gazdálkodási politika általános megfogalmazása A pályaszerkezet-gazdálkodási politika stratégiája tehát meghatározza, hogy mikor válik szükségessé a pályaszerkezet megerősítése (felújítása), vagy mikor elégséges csak egy vékony réteg beépítésével a homogén útállapotot létrehozni (karbantartani). A pályaszerkezet leromlási modelljének ismeretében ezekre a kérdésekre választ lehet adni, a pályaszerkezetet pedig gazdálkodási szemlélettel meg lehet tervezni. 74
A pályaszerkezet leromlási folyamata 75
Pályaszerkezet-gazdálkodási politika stratégiája Azt a koncepciót, amely meghatározza úgy hosszú, mint rövidtávon az útfenntartási tevékenység szükségességét és módját, útfenntartási politikának nevezzük. A pályaszerkezet-gazdálkodási stratégiát a pályaszerkezet leromlási folyamatának és az útfenntartási beavatkozások erre gyakorolt hatásának figyelembevételével lehet és kell kialakítani. A beavatkozások sorozatát és az állapotváltozás összefüggéseit vizsgálva, alapvetően háromféle stratégia alakítható ki. 76
Pályaszerkezet-gazdálkodási politika stratégiája A stratégia első formájában a szükséges beavatkozásokat spontán, nem tudatos tevékenység alapján végzik. Jellemző formája, hogy mindig ott avatkozik be, ahol az a legégetőbb, de nem teremt hosszabb távon megnyugtató megoldást. 77
Pályaszerkezet-gazdálkodási politika stratégiája A stratégia második formájában már érvényesül a tudatosság. Eszerint mindig akkor kell beavatkozni, amikor a pályaszerkezet állapota eléri a II-III. pont közötti szakaszt. A beavatkozás után a pályaszerkezet érje el az új út állapotát. 78
Pályaszerkezet-gazdálkodási politika stratégiája Az erdészeti utak fenntartási alapelvének a harmadik stratégia felel meg. Eszerint az I II. szakaszban a keletkező hibákat folyamatosan javítva (javítás) azok elfajulását megakadályozzuk. A II. pont után korábbinál jobb egységes állapot létrehozása (karbantartás). Ez már már lényegesen befolyásolja a leromlás időbeni lefolyását is. 79
Pályaszerkezet-gazdálkodási politika stratégiája Ezután két lehetőség között választhatunk. Az első lehetőség az, hogy egy tudatosan végzett tevékenységgel, a felújítással aminek időpontja a II III. szakaszra essen a pályaszerkezet állapotát az új útnak megfelelő állapotba hozzuk. A másik lehetőség szerint egy újabb karbantartással a felújítás időpontját még eltoljuk. Figyelembe kell venni azonban azt, hogy a többszöri karbantartás költségei meghaladhatják a felújítás költségeit, amit végül egyszer feltétlenül el kell végezni. A második karbantartás után ezért célszerű a felújítást végrehajtani. 80
Pályaszerkezet-gazdálkodás az erdészeti utakon Az AASHO útkísérletek összefüggést mutattak ki a pályaszerkezet rugalmas alakváltozása és az út forgalomban kifejezett teherbírása között. F 10 s Az összefüggés a forgalom hatására fellépő teherbírás-csökkenést írja le és azt fejezi ki, hogy az adott s(mm) behajlással jellemzett pályaszerkezeten még hány db 100 kn e.t.á.-ban kifejezett forgalom haladhat át a teljes tönkremenetelig. 5,27 100 4,55 81
Pályaszerkezet-gazdálkodás az erdészeti utakon Szemléletes és elemzésekhez alkalmasabb forma, ha a leromlás modelljét az idő függvényében ábrázoljuk. 82
Erdészeti utak fenntartása Az erdészeti utak az építés utáni forgalom miatt fenntartásra szorulnak. Útfenntartási tevékenységek csoportosítása: Üzemeltetés Állapotfenntartás Fejlesztés 83
Üzemeltetés Az üzemeltetés feladata, az út üzemének és rendeltetésszerű használatának biztosítása és a váratlanul bekövetkező eseményekből vagy rendellenes használatból származó károk, üzemzavarok egyszeri, egyedi elhárítása. üzemi feltételek biztosítása, információk beszerzése, útellenőrzés, útfelügyelet, forgalom befolyásolása, üzemi létesítményekkel kapcsolatos munkák. 84
Állapotfenntartás Ezek olyan főként építés jellegű tevékenységek, amelyek célja, az út rendeltetésszerű használatából adódó leromlási folyamatok lassítása, valamint időszakonként az új útállapotot megközelítő minőség létrehozása. A beavatkozás mélysége szerint az elvégzendő munkákat három csoportba sorolhatjuk: javítás, karbantartás, felújítás. 85
Javítás A helyi, lokálisan kialakuló meghibásodások helyreállítása annak érdekében, hogy a hibák elfajulását a leromlási lánc megszakításával megakadályozzuk. A munkákat a hiba kialakulásának kezdetén kell elvégezni, amikor az még egyszerű és olcsó módszerrel megszüntethető. Előre tervezni nem lehet, mert sok véletlenszerű tényező befolyásolja. 86
Karbantartás Célunk, hogy hosszabb útszakaszon egységes műszaki állapotot hozzunk létre, így a leromlási folyamatot is lelassítjuk. Egy-egy hosszabb útszakaszt egy vagy több szempontból az új út állapotának megfelelő vagy azt megközelítő állapotba hozunk. Ez a beavatkozás általában az egész felületre kiterjed, vékony rétegek beépítésével. A beavatkozás időpontja előre megtervezhető. 87
Felújítás Az út valamennyi paraméterét az új állapotnak megfelelő szintre emeljük. Építés jellegű beavatkozás, amelyet az út fő szerkezeti részeinek tönkremenetelekor kell elvégezni. Lényeges jellemzője, hogy a pályaszerkezetet egy méretezett réteg építésével megerősítjük úgy, hogy az egy meghatározott időszak (10-15 év) forgalmát elviselje. Ez a munka lényegében tehát egy elhasználódott érték pótlásának tekinthető. 88
Fejlesztés Minden olyan tevékenység, amelynek az a célja, hogy az eredeti építési állapothoz viszonyítva jobb műszaki jellemzők biztosításán keresztül a gépjármű közlekedés igényeit magasabb színvonalon elégítsük ki. Ezeket a tevékenységeket általában a beruházások körébe utalhatjuk. Ilyenek például a: pályaszerkezet szélesítése, pályaszerkezet megerősítése, korszerűsítés, helyileg vagy átfogó jelleggel. 89
Az útfenntartási rendszer Egy olyan rendszer, amely a folyamatosan kapott és feldolgozott információk alapján döntéseket hoz, irányít egy hatékony útfenntartási műszaki, technológiai bázist, az egyes részfeladatokat az összefüggések alapján szervezi és egységbe foglalja, megteremti saját optimális működési feltételeit. 90
Az útfenntartási rendszer Útfenntartási szemlélet, amely átfogja és összehangolja az összes útügyi tevékenységet és ezzel megteremti a hatékony útfenntartást; Irányítási rendszer, amely érvényesíti az alapvető szemléletet az információk alapján, dönt a beavatkozások helyéről, módjáról, idejéről, megteremti és mozgatja a rendelkezésre álló eszközrendszert; Eszközrendszer, amely magában foglalja a személyi, műszaki és technológiai eszközöket, amelyek az útfenntartási munkák elvégzéséhez szükségesek. 91
Az útfenntartási szemlélet Az útfenntartási szemlélet: általános útfenntartási szemléletként üzemeltetési szemléletként hálózati szemléletként jelenik meg. 92
Általános útfenntartási szemlélet Általános útfenntartási szemlélettel elsősorban a beruházónak, a tervezőnek és a kivitelezőnek kell rendelkezni, pontosan és tudatosan felmérve munkájuk útfenntartási kihatásait. Az út fenntartójának saját munkájában megvalósított általános szemlélet mellett elsőrendű feladata a tapasztalatok összegyűjtése és közreadása, valamint ennek a szemléletnek a tudatosítása. 93
Üzemeltetési szemlélet Üzemeltetési szemlélettel az útfenntartással foglalkozóknak kell rendelkezni, akik saját hatáskörben tudják a legégetőbb beavatkozásokat elvégezni. Egy erdőgazdaságnál az út üzemeltetője az erdészet. A fahasználatok után a rézsűk, árkok, padkák tönkremennek, a pályaszer-kezet elszennyeződik. Ezeket a hibákat a fahasználat után, annak terhére kell helyreállítani, illetve olyan megelőző intézkedéseket kell hozni, amivel a károk kialakulása megelőzhető. 94
Hálózati szemlélet Az erdészeti útfenntartási rendszer egysége az erdőgazdaság, mert az út tulajdonosaként rendelkezik az útfenntartás elvégzéséhez szükséges minden eszközzel. A hálózati szemlélet biztosítja a beavatkozások sürgősségét a teljes hálózat problémájának ismeretében lehessen megítélni, megakadályozza az erőforrások felaprózását a minimális hatékony szint alá. Hálózati szemlélettel alapvetően az útfenntartási munkák irányítóinak kell rendelkezni. 95
Az útfenntartás irányítási rendszere Az útfenntartási rendszer belső rendjének megteremtéséhez egy olyan irányítási rendszer szükséges, amely a részfeladatok és munkák közötti kapcsolat ismeretében, a fenntartási rendszer eszközeinek segítségével megteremti a közlekedési rendszer összhangját. Az irányítási rendszer alapja az ún. "management" rendszer, amelyet az útfenntartási tevékenységek minden szintjén alkalmazni kell. 96
Útfenntartási management Célkitűzés Igényszint Tervezés Értékelés Alternatív megoldások Döntés Elsőbbségi sorolás Választás alternatív megoldások között Információs rendszer Forgalom Állapot Leromlás modellje Adatbank Megvalósítás Módszerek Műszaki feltételek Ellenőrzés Cél megvalósult? 97
Az útfenntartás irányítási rendszere Jelenleg az erdőgazdaságoknál az erdészeti útfenntartás rendszere gyakorlatilag hiányzik. A rendszerszemléletű útfenntartás bevezetése azonban ezt nem nélkülözheti. Az irányítási rendszer működésének hatékonysága szempontjából jelenleg problémát jelent az, hogy az erdészeti utakra vonatkozóan nincs a rendszer minden eleme részletesen kidolgozva az elméleti alapok hiánya miatt. További kutatásokra van szükség. 98
Az irányítási rendszer belső kapcsolatai 99
Az rányítási rendszer elemeinek kialakítása Forgalomelemzés módszere, amellyel útszakaszonként megállapíthatjuk a forgalom nagyságát rövid, közép és hosszútávon, valamint a forgalom változásának tendenciáját. Állapotfelvétel és értékelés eljárásai Az előrejelzés lehetővé tétele érdekében a meglévő leromlási modellek vizsgálata, illetve a hiányzó leromlási modellek kialakítása Adatbank kialakítása Elsőbbségi sorolás szempontjainak kidolgozása 100
Az útfenntartás eszközrendszere ESZKÖZ Szervezet központi irányító és ellenőrző egység (útfenntartási előadó) Végrehajtó egység Folyamatos felügyeletet gyakorló egység Technológia egyszerű gépesített tipizált Műszaki feltételek Gépek: egyszerű kis- és közepes teljesítmény többcélú 101