Článok opisuje zariadenie využiteľné v rámci cestného hospodárstva na hodnotenie prevádzkovej výkonnosti vozovky, overovanie dimenzačných metodík a metodík na návrh zosilnenia vozovky. Je možné využiť ho na overovanie funkčnosti vystužovacích prvkov určených na zabudovanie do vozovky a na hodnotenie konštrukčných vrstiev vozovky budovaných z nových druhov materiálov. Je tiež využiteľné na skúmanie interakcie vozovky a vozidla na styku vozovky a pneumatiky.

1. Úvod

Model prevádzkovej spôsobilosti vozoviek je neoddeliteľnou súčasťou systémov hospodárenia s vozovkami. Na základe vstupných parametrov, ako je typ, resp. únosnosť vozovky, dopravné zaťaženie, klimatické podmienky a kvalita vyhotovenia, možno predpovedať úroveň premenných parametrov vozovky v budúcnosti. Táto predikcia a predikcia záujmu dopravy o daný úsek sú základnými premennými, na základe ktorých vypočítavame prínosy investície do cestnej infraštruktúry. Tieto prínosy majú zásadný význam v rozhodovacom procese cestného hospodárstva.

Opisované zariadenie je založené na metóde testovania ATV – akcelerované testovanie vozovky. Metóda akcelerovaného testovania vozoviek prináša možnosti overovania vlastností materiálov, konštrukčných modelov, laboratórnych metód a skúmania vzájomného pôsobenia vozidiel – vozovky – životného prostredia.

2. Metóda akcelerovaného testovania vozovky ako súčasť teórie skúšania vozoviek

Princípom akcelerovaného testovania vozoviek (ATV) je aplikovať na pokusne vybudovaný úsek vozovky umelo vyvolané zaťaženie podobné reálnemu dopravnému zaťaženiu v krátkom časovom úseku. To nám umožní skúmať a vyhodnocovať faktory interakcie vozovky a dopravného zaťaženia počas celého životného cyklu reálnej vozovky.

ATV je v podstate laboratórny test v mierke 1 : 1, počas ktorého sa zaťažovacia jednotka (väčšinou polonáprava ťažkého vozidla, prípadne pulzačné zariadenie alebo samotné ťažké vozidlo) použije na vyvolanie zaťaženia v takej frekvencii, ktorá umožní v skrátenom čase simulovať prevádzkový výkon vozovky, ktorý by inak musela podať v priebehu celého životného cyklu.

V teórií testovania vozoviek je ATV jedným z viacerých druhov pokusov, kde každý druh má svoje výhody a nevýhody. Jednotlivé typy pokusov sa líšia hlavne z hľadiska spoľahlivosti nameraných výsledkov a v pomere čas/cena za pokus. Z tohto hľadiska leží ATV medzi laboratórnymi skúškami a dlhodobým monitorovaním (Dlhodobé monitorovanie prevádzkovej výkonnosti vozovky). Z hľadiska množstva nazbieraných dát, ich spoľahlivosti, nákladov na pokus a potrebného času vykonania pokusu sú testy vozoviek zobrazené na obrázku 1.

Obr. 1. Metódy testovania vozovky vo vzťahu k ich spoľahlivosti a nákladom

V súčasnosti prebieha medzi odbornou verejnosťou debata o tom, aký je vzťah medzi výsledkami získanými laboratórnym testovaním, akcelerovaným testovaním vozoviek a dlhodobým monitoringom vozoviek. Vo svete sa uskutočnilo len veľmi málo komparatívnych experimentov a štúdie porovnávajúce namerané výsledky ostávali vždy len v teoretickej rovine.

Z realizácie strategicky orientovaných výskumných programov vozoviek vychádzajúci z reálnych potrieb praxe vieme, že najvhodnejšie je použitie kombinácie výsledkov laboratórnych testov, ATV a monitoringu v súčinnosti s bežnými metódami systému hospodárenia s vozovkami. Každý typ testovania zastáva dôležitú úlohu a ani jeden druh testovania nedokáže zodpovedať všetky otázky spojené s prevádzkou a výkonnosťou vozoviek.

3. História ATV a konštrukčný dizajn takýchto zariadení

História ATV zariadení sa začína v roku 1912, keď Veľká Británia predviedla zariadenia „road machine“. Myšlienku ATV si následne osvojili Spojené štáty a v roku 1919 vybudovali Arlingtonskú testovaciu cestu, kde sa testovali betónové vozovky prejazdom ťažkých nákladných automobilov. Časom vznikli zariadenia ako Experimentálna cesta v Bates, Marylandská testovacia cesta, na ktorých asociácia Western Association of State Highway Officials Road Test realizovala pokusy s reálnou a so simulovanou dopravou.

Uvedené zaradenia síce dláždili cestu k ATV, ako ich poznáme dnes, avšak prvým predchodcom moderných ATV zariadení bol American Association of State Highway Officials (AASHO) Road test, uskutočnený na konci 50. rokov. S použitím tohto zariadenia boli ozrejmené základné mechanizmy opotrebovávania vozoviek a z výsledkov výskumu boli definované empirické rovnice dimenzovania prvých konštrukčných modelov vozoviek.

V nasledujúcich tridsiatich rokoch prebiehali ďalšie testovania s použitím ATV zariadení, ale hlavný nástup zaznamenali ATV zariadenia v 90. rokoch. V roku 1996 existovalo 28 takýchto zariadení, do roku 2002 ich počet vzrástol na 45.

V priebehu času sa budovali rôzne typy zariadení, ktoré sa líšili veľkosťou, princípom, akým sa na testovanú vozovku vyvolá zaťaženie – obr 2.

Obr. 2. Zariadenia akcelerovaného testovania vozoviek

Odhliadnuc od očividných rozdielov medzi zariadeniami s rôznym konštrukčným riešením, existujú rozdiely menej zrejmé, avšak z hľadiska testovania vozoviek veľmi podstatné. Tie sú uvedené v tabuľke 1.

Tab. 1. Rozdiely prameniace z konštrukčného riešenia ATV zariadení

4. Tester vozovky typ: 105-03-01

Zariadenie bolo skonštruované na základe požiadaviek výskumníkov Žilinskej univerzity na Katedre technológie a manažmentu stavieb. Konštrukčné a dimenzačné práce zabezpečila spoločnosť CEIT, a. s.

Zariadenie slúži na testovanie vozovky umiestnenej pod zariadením. Testovanie prebieha prejazdom kolies po vozovke oboma smermi. Na dosiahnutie požadovaného zaťaženia sú na zariadení umiestnené závažia. Mobilná časť zariadenia sa z koncovej polohy rozbehne požadovaným zrýchlením na požadovanú konštantnú rýchlosť a následne požadovaným spomalením zastane. Po zastavení dôjde k zmene smeru a mobilná časť sa rovnakým postupom rozbehne opačným smerom. Skladá sa z mobilnej časti – pojazdu – a statickej časti.

Zariadenie má niekoľko unikátnych konštrukčných riešení, ktoré z neho robia svetový unikát, konkrétne ide o:

• Princíp fixného lineárneho ATV zariadenia, ktorého pojazd nie je konštrukčne umiestnený vo vodiacom ráme s hnacou sústavou, ale vedenie pojazdu testera je zabezpečené vodiacou koľajnicou a pohonnou sústavou umiestnenou na samotnom pojazde.

• Uloženie pevného vonkajšieho rámu a vnútorného rámu uchyteného na výkyvných ramenách s cieľom kopírovať nerovnosti vozovky a realisticky simulovať dopravné zaťaženie.

• Konštrukčné usporiadanie elektromotora, prevodovky a meniča a uchytenie tejto sústavy na pojazd testera. Frekvenčným meničom ovládané akceleračné a deceleračné rampy rýchlostného priebehu pojazdu.

• Hydraulický systém stabilizácie pojazdu, ktorý počas prejazdu po vozovke pojazd tester stabilizuje, pretože ten má tendenciu vplyvom zotrvačnosti prevažovať sa vo fáze akcelerácie a decelerácie a neúmerne zaťažovať materiál rámu, v ktorom je umiestnený.

• Hydraulický systém umiestnený na vonkajšom ráme schopný zdvihnúť tester a umožniť voľnú manipuláciu bez zaťaženia vozovky.

Tab. 2. Rozmery a základné parametre testera 105-03-01

Zariadenie sa skladá zo statickej a z mobilnej časti. Statická časť je pevne spojená s podlahou – vodiace koľajnice, káblový žľab, koncové dorazy, oplotenie, elektrický rozvádzač. Mobilnú časť tvorí pojazd, ktorý sa skladá z viacerých zváraných častí, ktoré sú k sebe pohyblivo upevnené. Na mobilnej časti sa nachádza aj pohonná jednotka – elektromotor s prevodovkou. Hlavné časti zariadenia sú znázornené na vizualizácií na obrázku 3.

Obr. 3. Zariadenia akcelerovaného testovania vozoviek

Legenda:

1 Kolesá

2 Koncové dorazy

3 Ovládací panel

4 El. rozvádzač

5 Brzdové odpory

6 Vodiaca koľajnica

7 Vodiaca koľajnica

8 Závažia

9 Gumové nárazníky

10 Vyrovnávacia nádržka hydraulického

11 Hydraulický tlmič

12 Motor zdvíhania horného rámu

13 Prevodovka zdvíhania horného rámu

14 Elektromotor

15 Vyrovnávacia nádrž na prevodový olej

16 Prevodovka

17 Motor zdvíhania manipulačného pojazdu

18 Motor, prevodovka a hnacie koleso

5. Využitie nameraných dát

Namerané dáta, získané v priebehu pokusu, budú slúžiť ako prostriedky, ktoré správnou interpretáciou a aplikáciou bude možné použiť na zlepšenie prevádzkovej a ekonomickej výkonnosti vozoviek. Mali by slúžiť na lepšie pochopenie faktorov vplývajúcich na prevádzkovú výkonnosť prostredníctvom:

• skúmania širokého spektra štrukturálneho riešenia vozovky,

• simulácie mechanizmov, podmienok a procesov prostredníctvom dopravného a environmentálneho zaťaženia,

• testovania charakteristík materiálov,

• analyzovania a pochopenia mechanizmu reakcie vozovky na zaťaženie.

Základom bude správne definovať rámec výskumného programu. Výskumný program ATV bude mať definovanú sekvenciu pokusov s presne definovanými podmienkami, ktorých výstup bude aplikovateľný v praxi do systému hospodárenia s vozovkami. Výskumný program ATV je ako cyklus testovania, implementácie nazbieraných dát a zisťovania nových skúmateľných problémov zobrazený na obrázku 4.

Obr. 4. Cyklus ATV a implementácia výsledkov do praxe

Získané skúsenosti budú použité na zlepšenie, rozšírenie a k inováciu výstavby a správy vozoviek. Správna implementácia získaných poznatkov môže viesť k:

• unikátnej, nekonvenčnej metóde hodnotenia konštrukcie vozovky,

• hodnoteniu mechanizmov poškodenia vozovky, takže bude možné predpovedať zhoršenie stavu vozovky v čase a dopredu navrhnúť opatrenia pôsobiace proti mechanizmu šírenia porušenia,

• hodnoteniu rôznych vzorov konštrukčného riešenia vozovky a rozšírenie balíka dostupných konštrukčných riešení,

• systematickému skúmaniu vzájomného pôsobenia vozidiel – vozovky – životného prostredia,

• hodnoteniu materiálov vozovky (zodpovedanie otázok týkajúcich sa použitia nových materiálov, kompozitných materiálov a materiálov s komplexnými fyzikálnymi charakteristikami),

• vývoju a hodnoteniu modelov prevádzkovej výkonnosti a overovaniu spoľahlivosti laboratórnych procedúr testov a postupov.

Výskum je podporovaný Európskym fondom regionálneho rozvoja a štátnym rozpočtom Slovenskej republiky prostredníctvom projektu Výskumné centrum Žilinskej univerzity,

ITMS 26220220183.

„Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku.

Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ.“

6. Literatúra

1. HUGO F.: Significant Findings from Full-Scale Accelerated Pavement Testing; National Cooperative Highway Research Program; ISBN 978-0309069748; Washington, D. C. 2004

2. RALLS M. L., KAZMIEROWSKI T. J., CHOUBANE B.: Use of Accelerated Pavement Testing to Evaluate Maintenance and Pavement Preservation Treatment; Transportation Research Board; ISSN 0097-8515; Washington, D. C. 2009

3. Pepucha Ľ., Zgútová K., Ďureková D., Danišovič P., Šrámek J.: Determining of CBR values of pavement construction layers based on renewable material sources using non-destructive method. In: Advanced Materials Research Vol. 1001(2014), doi: 10428/ www. scientific.net/AMR. 1001.463, ISSN 1662-8985 (web), ISSN 1022-6680 (print), 2014, s. 463-468

Prof. Ing. Ján MIKOLAJ, PhD.,^* Ing. Ľuboš REMEK, PhD.,^** Ing. Ladislav RUTTKAY, PhD.^***