JELLEGZETES ÜZEMFENNTARTÁS-TECHNOLÓGIAI ELJÁRÁSOK 3.08 4.04 Autópályák állapotának felmérése és értékelése Tárgyszavak: autópálya; állapotfelmérés; állapotértékelés; mutatószámok; ZEB-eljárás. A németországi autópályák 0 éve egységes módszerrel végzett állapotfelmérése jó alapot ad a műszakilag és gazdaságilag optimális karbantartástervezéshez. A cél az egész országban koordinált, szisztematikus karbantartás-menedzsment kialakítása volt. Állami és tudományos szervezetek szakértőiből képzett koordinációs bizottság által kidolgozott módszer az utak burkolatának vizsgálatára és értékelésére a gyakorlati alkalmazások során fokozatosan fejlődött. Míg korábban csak külföldi módszerek álltak rendelkezésre, ma már saját módszerek alkalmazását írják elő nemzetközi pályázati kiírásokban is. Az eljárás, amely ZEB (Zustandserfassung und -bewertung = állapotfelvétel és -értékelés) rövidítéssel vált közismertté, magas műszaki színvonalat képvisel, magába foglalja a műszaki előírásokban szereplő minőségbiztosítási vizsgálatokat és minőségi követelményeket is. 992 és 2002 között 200 000 pályakilométer autópályát értékeltek ezzel a módszerrel (. ábra). Az összegyűjtött tapasztalatok és a hatalmas adatmenynyiség sokoldalúan felhasználható a karbantartás tervezéséhez. Az autópályák karbantartására vonatkozó szerződéses követelményeket is egységesítették és más szabályzatokkal is összehangolták. Ugyanez a vizsgálati eljárás alkalmazható új autópályák átvételi eljárása során is. A követelmények a pályaburkolat síkságára és érdességére vonatkozó értékeket határoznak meg. A méréseket gyors mérőkocsikkal végzik, amelyek a forgalommal együtt haladnak, így a közlekedésben nem okoznak fennakadást. A ZEB-eljárás A ZEB eljárás alapjait 988-ban állapították meg. A kísérleti alkalmazások során 3000 km-es pályaszakaszon a burkolat síkságát (hossz- és keresztirányban), érdességét és felületi sajátosságait (pl. az aszfaltburkolat repedé-
sei, mélyedések képződése, a betonburkolat sarkainak, éleinek letöredezése) vizsgálták. 200 000 felmért összes útkilométer 50 000 00 000 50 000 0 992 993 994 995 996 997 998 999 2000 200 2002. ábra Felmért összes útkilométer A német szövetségi autópályák első felmérése logisztikai okokból több mint három évig (993 995) tartott. A mérések első ismétlésére 999 2000. években került sor. Kezdetben problémákat okozott a közlekedésbiztonsági intézkedések alkalmazása a forgalommal együtt haladó mérőkocsik esetében; később erre is megfelelő előírásokat dolgoztak ki. A gyakorlati alkalmazás tíz éve során az eljárást tökéletesítették. Ilyen tökéletesítés pl. a felületi egyenetlenségek pontosabb jellemzése, a betonfelületen a hibasűrűség meghatározása, a hosszanti egyenetlenségek hatásvizsgálata. Jelentős fejlődés, hogy a földrajzi helymeghatározási rendszer (GPS Geographical Positioning System) segítségével a mérési eredményeket azonnal helyhez kötötten lehet rögzíteni. A mai állapotvizsgálati követelményeket a karbantartás-menedzsment szempontjainak megfelelően határozták meg (. táblázat). Arra törekedtek, hogy a ráfordítások és a haszon kedvező arányt mutasson. A módszerek fejlődését a hosszanti egyenetlenségek megítélésének példája mutatja. Kezdetben a tényleges hosszprofilt vizsgálták. Később hatásvizsgálatok (zökkenések) alapján értékelték az egyenetlenségeket. Az első felmérést követően a HRM (High-speed Road Monitor, nagy sebességű útmonitor) elvet alkalmazzák, amellyel sebességtől függetlenül vizsgálják a jobb nyompályát. Az így elkészített hosszprofilhoz minden hosszanti egyenetlenség (pl. a planográfos mérések eredményei) hozzáköthető.
Útburkolatok állapotjellemzői. táblázat Jellemzők csoportja Állapotjellemző Állapotmutató Kiegészítő adat Egyenetlenség hosszirányban Egyenetlenség keresztirányban Általános egyenetlenség Nyomvályúk Egyenetlenségek magasságának spektrális eloszlása A nyomvályúk mélysége (mm); jobb/bal; középérték Fiktív vízmélység (mm); jobb/bal Érdesség Tapadás Sebességgel korrigált oldalirányú súrlódási érték Helyi hibák a felületen Aszfalt Beton Hálózatos repedések, egyedi repedések, repedések sűrűsödési helyei Foltozott helyek Hossz- és keresztrepedések Sarkok letöredezése Élek sérülése Az érintett felület százaléka Átlagos hossz (m) Érintett táblák (%) Átlagos szám Érintett táblák (%) Átlagos hossz (m) Érintett táblák (%) Hosszirányú lejtés Keresztirányú lejtés, kanyarulat Mérési sebesség Hőmérséklet Kitöredezés nyitott munkahézagok Kötőanyag-feldúsulás Az általános egyenetlenség mutatóját az egyenetlenségek magasságának eloszlásával határozzák meg. Ez a mutató csak a szabálytalan egyenetlenségeket jellemzi, ezért az utóbbi években a hosszanti egyenetlenségeknek a rakományra, a vezetőre és a járműre gyakorolt hatását vizsgálják. Ez az egyedi úthibákat éppen úgy kimutatja, mind a periodikusan előforduló egyenetlenségeket is. A keresztirányú egyenetlenségek vizsgálatára a német autópályákon régebben brit mérési rendszert alkalmaztak. Jelenleg a pályák állapotának jobban megfelelő kétméteres mérőbázissal működő saját rendszert alkalmaznak, amelynek előnye, hogy egy menetben képes a kereszt- és hosszirányú egyenetlenségek adatait is rögzíteni. A keresztirányú egyenetlenségek vizsgálatára 0 cm-es távolságban elhelyezkedő lézeres szenzorokat alkalmaznak; ezekkel m-es távolságokban a pálya teljes szélességére kiterjedő profilt lehet felvenni. Ezeknek elemzésével meg lehet határozni a keréknyomok bemélyedését és az itt képződő vízmélységet. Az állapotfelmérés a pálya egyenetlenségeinek kimutatása mellett meghatározza a pálya hossz- és keresztirányú lejtését és a kanyarokat is. Ezekből az adatokból további jellemzők számíthatók ki.
A felmérés másik tárgya az út érdessége. Németországban nem álltak rendelkezésre erre a célra olyan módszerek, amelyekkel a teljes autópályahálózaton a mérések elvégezhetők lennének. Felmerült az Ausztriában alkalmazott csúszásmeghatározási eljárás alkalmazása, de Németországban a SCRIM (Sideway-force Coefficient Routine Investigation Machine oldalirányú erők hatásának vizsgálatára szolgáló gép) mellett döntöttek. Az érdességet a jobboldali nyomon autópályán 8 km/h, főutakon 60 km/h sebességen mérik. A méréseket hosszú pályaszakaszokon víztartállyal felszerelt teherautókkal végezték. A felmérés harmadik szempontja a felület helyi rendellenességeinek rögzítése volt. Ezeket mérésekkel csak feltételesen lehet meghatározni. A korábbi, éjjel végzett fényképezést 994-től a videófelvételek váltották fel, amelyeket jelenleg a mérésekkel egyidejűleg készítenek. Bár ez az eljárás is nagy fejlődésen ment át, az automatikus képfelismeréssel kapcsolatos elvárások még nem teljesültek. A mérési eredmények értékelése A mérési adatok és a felvételek feldolgozása a vizsgálatokkal párhuzamosan folyik. Az eredmények valószínűségének elemzése, a helymeghatározás ellenőrzése mellett a kritikus helyek szemrevételezése átfogó képet ad az autópályák állapotáról. Az állapotot jellemző adatok fontos szerepet játszanak a minőségbiztosításban. A mérési programok során többféle értékelési eljárást alkalmaztak. Az utolsó mérési program során mutatók előállítására számítási programokat alkalmaztak. Az értékelő táblázatok mellett súlyt helyeznek a hatalmas adattömeg szemléltető feldolgozására is. A nyers adatok feldolgozása során össze lehet vetni az egyes szakaszok adatait és az egész pályaszakasz állapotát jellemző mutatókhoz lehet eljutni. Az útszelvényhez kötött profildiagramok alapján az út állapotával kapcsolatos számos kérdés megválaszolható. A hosszprofilban fellelhető minden 0 cm-t meghaladó egyenetlenség hatását vizsgálták a vezetőre, a járműre és a rakományra. Ennek alapján lehet átfogó képet alkotni a pálya állapotáról. A pálya egyes szelvényeiben a keresztirányú egyenetlenségekről felvett adatok háromdimenziósan ábrázolhatók. Ennek alapján ránézésre megállapíthatók a pálya tökéletlen helyei. Az elsődleges értékelési mutatók mellett arra van szükség, hogy az autópálya állapotának jellemzésére aggregált adatok álljanak rendelkezésre. A részadatokból egy dimenzió nélküli mutatószám vezethető le. Az -es érték jelentése nagyon jó, az 5-ös nagyon rossz. Ennek az értékelésnek a feltételeit az egyes tényezők alapján normák határozzák meg. Az egyes tényezőkre,5 a kívánatos érték, új autópályákra ez az átvételi feltétel. 3,5 a figyelmeztető érték, amelynek elérése az állapot intenzív megfigyelését, a rossz állapot okainak vizsgálatát, esetenként megfelelő intézkedések tervezését teszi szükségessé. 4,5 az a küszöbérték, amelynek elérésekor építési
ségessé. 4,5 az a küszöbérték, amelynek elérésekor építési megoldásokat vagy a forgalomkorlátozási intézkedések alkalmazását kell fontolóra venni. A fő közlekedési utakra érvényes követelményeket a 2. táblázat tartalmazza. A 2. ábra példaképpen az érdesség alapján megállapított állapotértékeket vázolja. Látható, hogy az érdesség szempontjából az átvételi feltétel 2,5-ös érték, de a garanciális idő végén 2,93 értéknek meg kell lennie. 2. táblázat Fő közlekedési útvonalak állapotával kapcsolatos követelmények Állapotjellemző, állapotmutató A hosszirány profil simasága Általános egyenetlenség, cm 3 Hosszirányú egyenetlenség hatásindexe A keresztirányú profil simasága Nyomvályú mélysége, mm Fiktív vízmélység, mm Érdesség µ (súrlódási tényező) v = 80 km/h µ v = 60 km/h Felületi hibák Hálózatos repedések, felület %-a Foltozott helyek, a felület %-a Határértékek,5 érték Figyelmeztető érték 4 0, 0,53 0,60 3 3 0 4,0 0,39 0,46 5 0 Küszöbérték 9 9 20 6,0 0,32 0,39 0 4 5,0 állapotmutató 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 küszöbérték figyelmeztetés garanciális érték átvételi érték 2,0,5 érték,5,0 0,2 0,3 0,4 µ=0,03 0,5 0,6 0,7 0,8 0,32 0,46 jellemző, a súrlódási tényező, µ µ=0,06 2. ábra Állapotértékelés az érdesség példáján
Az értékeléseknél 00 m-es szakaszokra állapítják meg az állapotot jellemző mutatókat. Ezeket a szakaszokat a továbbiakban homogén egységként kezelik. Az állapotértékelés eredményei Miután a ZEB-eljárást több mint egy évtizede használják, a vizsgálatok érdekes adatokat szolgáltattak az útburkolatok állapotának ez idő alatt bekövetkezett változásáról annak ellenére, hogy a vizsgálati módszerekben ez idő alatt jelentős fejlődés ment végbe. A mérési eredmények összehasonlítást tesznek lehetővé egyes földrajzi területek úthálózatának állapota között. A felmérés az alapja a karbantartási intézkedések tervezésének, ami elsősorban az érdességet, az egyenetlenségeket, különösen a nyomvályúk javítását célozza. Az érdességmérések eredményeinek statisztikai feldolgozása kimutatta, hogy lényeges eltérés van a főforgalmi sávra és az előzési sávra vonatkozó adatok között. A különböző érdességű szakaszok megoszlását a 3. ábra mutatja. Jelentős különbségek mutatkoztak az érdesség terén az utak településeken átvezető és települések közötti szakaszai között. Nyomvályúk viszont a főforgalmi sávban csak elszigetelt helyeken alakulnak ki, így ebben a tekintetben a küszöbérték és a figyelmeztető szint túllépése ritkán tapasztalható. Ebben a tekintetben is a településeken átvezető szakaszok rosszabb állapotban vannak, mint a nyílt pályaszakaszok. 3. ábra Az aszfaltburkolat érdessége a főforgalmi és az előzési sávban
A hosszirányú egyenetlenségek különböző mértékben tapasztalhatók az aszfalt- és a betonburkolatokon. A sávok között eltérés csak a betonutakon jelentkezik. Ezen a téren az 997/998-as felmérés és a 200/2002. évi felmérés között lényeges javulás mutatkozik, ami annak tulajdonítható, hogy időközben a nagyobb egyenetlenségeket és töréseket kijavították. Az állapotjellemző az autópályák 70%-án, a főközlekedési utak 40%-án,5-nél jobb. A hosszirányú egyenetlenségek dinamikus hatása eltérő a településeken átvezető szakaszokon és a nyílt útszakaszokon. A helyi felületi hibák (hálózatos repedések) terén az igen rossz szakaszok a két felmérés közötti időben megszaporodtak, de a karbantartási munkák a biztonságra veszélyes helyeket javították. A felmérés eredményeinek hasznosítása Az autópályák és a főközlekedési utak állapotának felmérése és értékelése a gyors mérőkocsikkal és a kapcsolt eszközökkel lehetővé teszi pályaburkolatok állapotának helyhez között megítélését. Az adatok grafikus ábrázolása jó áttekintést ad az úthálózat állapotáról, amit sokféleképpen lehet felhasználni. Az állapotra vonatkozó információk képezik a fenntartási tervek alapját. A tapasztalatok az útépítési technológia terén is hasznosíthatók és az igénybevételek tekintetében is iránymutatók lehetnek. Az mérési eredmények idősorai alapján prognózisokat lehet készíteni az utak állapotának várható alakulásáról és a burkolatokban felhasznált anyagok viselkedéséről. A rendszeres időközökben végzett állapotfelmérés és értékelés, valamint az erre alapozott útfenntartás fontos feltételek a német autópályák minőségének megtartásához és javításához. (Dr. Garai Tamás) Kretz, R.: Zustandserfassung und -bewertung der Fahrbahnoberflächen der Bundesfernstraßen Grundlagen der systematischen Erhaltungsplanung. = Straße und Autobahn, 54. k. 5. sz. 2003. p. 27-282. Schröder, G.: Systematische Erhaltung der Bundesfernstraßen in Deutschland. = Straße und Autobahn, 200. 6. sz. Knepper, S.; Sulten, P.: Auf dem Wege zu einer systematischen Straßenerhaltung. = Straße und Autobahn, 997. 2. sz. EGYÉB IRODALOM Twiddle, J. A.; Jones, N. B.: Fuzzy model-based condition monitoring and fault diagnosis of a diesel engine cooling system. (Dízelmotor hűtőrendszerének állapotfigyelése fuzzy-modell alapján.) = Journal of Systems and Control Engineering, 26. k. 3. sz. 2002. p. 25 224.