Stejně jako v minulých letech také letos se ve francouzské výzkumné organizaci IFSTTAR konal seminář „Journées techniques routes“ (Dny silničních technologií). Přinášíme informace z části semináře, která byla věnována novinkám při navrhování vozovek, a zároveň některé zajímavé poznatky z letos publikované práce o monitorování chování vozovek na dvou dálnicích ve Francii.

Program semináře a všechny prezentace jsou dostupné na http://jtr.ifsttar.fr/programme/. Zajímavé informace přinesly zejména dva příspěvky k navrhování vozovek. Prvním z nich byla prezentace Heidi Kauffmann [1], z organizace Cerema, o novelizaci francouzské návrhové metody uvedené v normě NF P98-086 z roku 2011. Nová norma začala platit od května roku 2018, autorka však již v době její přípravy navrhované změny podrobně popsala v časopise RGRA [2]. Řada změn v normě se týká navrhování betonových vozovek a úpravy podloží vozovek. V tomto článku se omezíme jen na změny u asfaltových vozovek.
Při aplikaci výsledků laboratorních zkoušek je možné pro moduly použít různé zkušební metody uvedené v EN 12697-26 Asfaltové směsi – Zkušební metody pro asfaltové směsi za horka – Část 26: Tuhost. Dříve byla používána pouze metoda v dvojbodovém ohybu nebo v přímém tahu. Jiné zkušební metody se však smí použít jen tehdy, pokud není vypočtená tloušťka asfaltových vrstev vozovky menší o více než 10 % proti tloušťce stanovené s použitím hodnot modulů ze zkoušky v dvojbodovém ohybu. Pro únavové parametry zkouškou dle EN 12697-24 Odolnost vůči únavě se smí i nadále použít jen zkouška v dvoubodovém ohybu na komolém klínu (dle přílohy A normy), jejíž výsledky ve velmi liší zejména od únavové zkoušky v příčném tahu (dle přílohy E normy).
Jak pro tuhost, tak pro únavu platí, že bez laboratorních zkoušek je nutno použít pouze minimální hodnoty z intervalů uvedených v normě. Jsou-li naměřené hodnoty vyšší než horní mez intervalu v normě, musí se použít příslušná horní mez.
Tento způsob umožňuje navrhovat konstrukce úsporněji, pokud se předem provedou nákladné a v případě únavy i časově náročné laboratorní zkoušky. Zároveň ale brání tomu, aby použitím příliš optimistických hodnot některého parametru nedošlo k poddimenzování vozovky. Je to logické, neboť navrhování vozovek je v podstatě empirickou záležitostí. Každá národní návrhová metoda obsahuje různé empirické korekční koeficienty, které byly zvoleny tak, aby výsledné konstrukce odpovídaly zkušenostem z chování realizovaných vozovek. Ve Francii je to navíc umožněno dlouholetým prováděním experimentů na únavové dráze IFSTTAR v Nantes.
Novelizovaná norma posiluje roli investora. Na základě sledování a vyhodnocení dopravního zatížení a skladby dopravního proudu může investor povolit použití příznivějších předpokladů o dopravním zatížení než těch, které jsou uvedeny v normě. (Ve Francii je to tzv. střední koeficient agresivity dopravy CAM, který se použije při stanovení celkového dopravního zatížení v návrhovém období.) Vzhledem k mýtnému systému má investor velmi dobrý přehled o vývoji a skladbě dopravního proudu na jím spravované síti. Ve Francii se též používá systém WIM pro sledování (a pokutování) nadměrně zatížených vozidel [3]. Investor může také povolit použití jiného koeficientu rizika výpočtu, než je v normě uvedeno, což rovněž umožní snížit tloušťku vozovky.
Tento postup zřejmě souvisí i s tím, že ve Francii je část silniční sítě spravována soukromými investory. Například firma Vinci Autoroutes má čtyři koncesionářské společnosti (např. Cofiroute), které dohromady spravují 4 400 km francouzských dálnic. Dalším soukromým koncesionářem je společnost Eiffarie (vlastněná stavební firmou Eiffage a australskou finanční a investiční společností Macquarie). Koncesionář může mít zájem na tom, aby počáteční náklady na nový úsek dálnice nebyly zbytečně vysoké a „ušetřené“ peníze mohl použít později na údržbu sítě, kterou spravuje. Svěření silniční sítě do soukromých rukou má i svá rizika, jak naznačuje nedávné zřícení mostu v Itálii. U nesprávně navržených či špatně udržovaných vozovek je ohrožení lidských životů menší než u mostů, ale finanční náklady chybného návrhu, který by vlastnosti vozovky přecenil, nebo nevhodné strategie údržby mohou být pro investora vysoké.
Další zajímavou prezentaci měl Hugues Odeon, který je jedním z autorů původní francouzské návrhové metody. Porovnával francouzskou a německou metodu navrhování vozovek [4]. Ve Francii se touto otázkou zabývají pracovníci z organizace Cerema ve Štrasburku a dalších laboratoří, v Německu odborníci z Univerzity v Bochumi, ve spolupráci se společností EUROVIA Services GmbH v Bottropu. V laboratořích byly provedeny zkoušky modulů tuhosti a únavy dle evropských norem pro směsi do obrusné, ložní a podkladní vrstvy. Moduly tuhosti se příliš nelišily, jak ukazuje obrázek 1, na kterém je vidět závislost komplexního modulu na zkušební teplotě pro zkoušky německé směsi do podkladní vrstvy AC22TS v příčném tahu (ITT) a dvoubodovém ohybu (2PB-TR). Obě zkoušky byly provedeny při frekvenci 10 Hz.

Obrázek 1: Porovnání modulů tuhosti směsi AC22TS při zkoušce v ohybu (ITT) (Podle 4)

Výsledky všech směsí jsou přehledně zobrazeny v tabulce 1. Zkoušky provedené ve Francii mají v tabulce označení FR, zkoušky provedené v Německu označení SRN. Moduly jsou uvedeny pro všechny zkoušky jen pro teplotu 15 °C a frekvenci 10 Hz. Rozdíl mezi moduly z francouzských a německých zkoušek byl malý, kromě směsi SMA8S. Podle očekávání byl ale velký rozdíl v odolnosti proti únavě. Jak známo, zkoušky v příčném tahu vedou vždy na podstatně menší hodnotu poměrného přetvoření po milionu cyklů e6 a mírnější sklon únavové přímky B. (Proto musí být i korekční empirické koeficienty ve francouzské metodě jiné než v metodě německé.)

Tabulka 1: Porovnání výsledků zkoušek asfaltových směsí (Podle 4)

Porovnání zkoušek únavy mezi směsí AC22TS a GB3 při německé zkoušce v příčném tahu je uvedeno na obrázku 2. Poměrně velký rozdíl v počtu cyklů do porušení (3x větší pro přetvoření 100 miikro/m) byl zřejmě způsoben vyšším obsahem pojiva u směsi GB3. Nasvědčuje tomu i to, že modul tuhosti u směsi GB3 byl menší než u AC22TS jak při zkoušce v Německu, tak ve Francii. Bohužel informace o složení směsí nebyly v prezentaci uvedeny.

Obrázek 2: Porovnání směsí pro podkladní vrstvu AC22TS a GB3 při zkoušce únavy v příčném tahu (Podle 4)

Bližší informace k aplikaci únavových parametrů při návrhu vozovky a o francouzské metodě je možné najít v sérii článků v literatuře [5–8] a [9]. Jak francouzská, tak německá metoda používají různé opravné koeficienty. Proto není možné porovnávat pouze výsledky laboratorních zkoušek, ale i tloušťky navržených vozovek. Porovnání vozovek v prezentaci H. Odeona bylo provedeno francouzským programem Alize a německým programem PADESTO (Pavement Design Tools) pro velmi zatíženou vozovku.
Předpokládal se průjezd 4 463 těžkých nákladních vozidel za den v jednom směru, 3% růst dopravy po dobu 30 let. Při použití v normě uvedených návrhových hodnot modulů a únavy spolu s normovým koeficientem agresivity dopravy CAM = 0,8 (pro návrhovou nápravu 130 kN uvažovanou ve francouzské návrhové metodě) byla celková tloušťka asfaltových vrstev 390 mm.
Při výpočtu koeficientu CAM z uvažovaného spektra zatížení (nejvyšší četnost zatížení na nápravu byla v intervalu 60 kN až 80 kN, zatížení ≥100 kN bylo jen 20 %) vyšlo jen CAM = 0,13. Tím se tloušťka asfaltových vrstev vozovky snížila na 310 mm. To ilustruje, jak výrazný může být v některých případech vliv předpokladů o skladbě dopravního proudu.
Autor se s tímto setkal asi před 10 lety, kdy provedl v rámci zahraniční zakázky výpočet vozovky francouzskou a českou návrhovou metodou. Vlivem opatrného předpokladu o dopravním zatížení ve francouzské normě vycházela tloušťka asfaltových vrstev francouzskou metodou o několik centimetrů větší než českou metodou. Ovšem francouzský konzultant, který nebyl specialistou na navrhování vozovek, se neodvažoval odsouhlasit návrh Ing. Fiedlera na použití příznivější hodnoty CAM, přestože mu to i tehdejší znění francouzské normy umožňovalo.
V prezentaci Odeona byly rovněž uvedeny výsledky výpočtu pro parametry zjištěné laboratorními zkouškami. Ty by umožnily snížit tloušťku vozovky při CAM = 0,13 na pouhých 200 mm. Při použití redukovaných laboratorních hodnot místo naměřených vyšla tloušťka asfaltových vrstev 230 mm. Výpočty německou metodou vedly na vyšší tloušťku vozovky. V závěru prezentace bylo uvedeno, že výpočty německou metodou budou ještě prověřeny.
Bohužel zatím nejsou o tomto prakticky zaměřeném výzkumu na internetu dostupné další informace. Výzkum zřejmě dále pokračuje. Bude velmi zajímavé, k jakému závěru nakonec autoři dospějí. Jedním z cílů výzkumu mělo být připravit podklady pro budoucí vypracování evropské návrhové metody. K tomu ale ještě bude pravděpodobně dlouhá cesta.
Pokroku nemůže být dle názoru autora tohoto článku dosaženo jenom zaváděním příliš složitých návrhových metod, ale hlavně sledováním chování provedených vozovek. V tomto směru jsou velmi zajímavé výsledky nedávné francouzské doktorské práce, ve které byly porovnávány vypočtené hodnoty přetvoření, s výsledky měření snímači teplot a přetvoření zabudovanými ve vozovce na dvou dálnicích po dobu cca 3 let [10].
Pro výpočet napětí a deformací byl použit jednak program Alize uvažující lineárně pružné chování a program Viscoroute.
Ten používá viskoelastický model Huet-Sayegh, který obsahuje 8 parametrů. Ty se získají vyhodnocením zkoušek tuhosti pro různé teploty a frekvence. (V české literatuře jsou informace o těchto reologických modelech uvedeny v odkazu [11]. Vliv aplikace složitějších modelů na vypočtená přetvoření vrstev vozovky je popsán v rešeršní zprávě [12].) V citované doktorské práci byly získány velmi zajímavé výsledky, které ale není možné blíže popsat vzhledem k rozsahu tohoto článku.
Jedním z poznatků bylo, že při přejezdu tridemu bylo modelování podélných přetvoření poměrně dobré, ale u příčných deformací byly velké rozdíly. Na obrázku 3 jsou vypočtená a naměřená příčná přetvoření při přejezdu kamionu s dvěma samostatnými nápravami a tridemem při teplotě 16 oC (tj. prakticky shodné s ekvivalentní návrhovou teplotou 15 °C při výpočtu českou a francouzskou metodou).

Obrázek 3: Příčné přetvoření na bázi asfaltových vrstev pro teplotu 16 °C vypočtené programem Alize a měřené snímači (Podle 10)

Protažení přímo pod nápravou bylo výpočtem vystiženo celkem dobře, ale ve skutečnosti došlo mezi maximálními hodnotami jen k částečnému zmenšení protažení, místo teoreticky vypočtených stlačení. Po přejezdu nápravy nedochází ihned k úplnému vymizení deformací, jak je vidět i z přetvoření při přejezdu prvních dvou samostatných náprav.
Na obrázku 4 je měřené přetvoření na bázi asfaltových vrstev při teplotě 30 °C. V době mezi první a druhou vteřinou (na vodorovné ose v grafu) přejížděl nad snímačem tridem kamionu. Příčné přetvoření pod jeho třetím kolem je zřetelně větší než pod prvním, protože při vyšších teplotách se více uplatňuje viskózní složka přetvoření. To nemůže standardní výpočet za předpokladu lineární pružnosti postihnout. Přitom při výpočtu dle české nebo francouzské metody závisí počet cyklů do porušení únavou na páté mocnině přetvoření. Za jinak stejných podmínek by tedy například při přetvoření 72 mikro/m místo 60 mikro/s (tj. nárůstu přetvoření o 20 %) vzrostl počet cyklů do porušení 1,25 = 2,5krát.

Obrázek 4: Příklad signálů snímačů na bázi vrstvy směsi s vysokýmmodulem tuhosti (EME) při teplotě  30 °C (Podle 10)

Dále se ukázalo, že za vyšších teplot nejsou asfaltové vrstvy pravděpodobně dokonale spojené a na jejich styku dochází k určitému vzájemnému posunu, přestože při výpočtech se to nepředpokládá. To je vidět na obrázku 5, kde jsou přetvoření vypočtená programem Alize pro dokonalé přetvoření, pro úplný prokluz a pro měřené hodnoty. Pro úplný prokluz mezi dvěma vrstvami je vypočtené přetvoření (červená křivka) zřetelně větší než naměřené a pro dokonalý kontakt výrazně menší než naměřené. Autor doktorské práce se pokusil modelovat částečný posun na styku mezi dvěma vrstvami vozovky vložením tenké vrstvy s malým modulem v místě styku (zelená křivka), čímž se měřeným hodnotám přiblížil.

Obrázek 5: Porovnání měřených a vypočtených příčných přetvoření na bázi vrstvy BBME při přejezdu kamionu typu T23S při teplotě 35 °C (Podle 10)

Ukázalo se také, že ani složitější výpočtové modely programem ViscoRoute (které vystihly například to, že pod třetím kolem tridemu je přetvoření větší než pod prvním kolem) nemusí zajistit shodu s přetvořeními naměřenými ve vozovce, i když se více blížily skutečnému chování (obrázek 6).

Obrázek 6: Srovnání měřených a vypočtených příčných přetvoření na bízi vrstvy EME programem Viscoroute při přejezdu kamionu typu T23S při teplotě 35 °C (Podle 10)

Je tedy nutné stále počítat s tím, že i složitější modely pro navrhování vozovek jsou jen přibližné. Proto je třeba posuzovat opatrně například výsledky výpočtů „dokládajících“, že navržená vozovka může být „věčná“.
Nesporně je však možné použitím materiálů s větší odolností proti únavě, například směsí s modifikovanými asfalty nebo směsí s vyšším obsahem pojiva do podkladní vrstvy (RBL – Rich Bottom Layer), životnost vozovky oproti životnosti vozovky se standardními materiály významně prodloužit.

Ing. Jiří Fiedler

Literatura
[1] Kauffmann H. Revision NF P98-086, Principales évolutions, Journées techniques route 2018; http://jtr.ifsttar.fr/fileadmin/contributeurs/JTR/Presentations2018/Session4/1_Kauffmann_NFP98-086.pdf
[2] Kauffmann H. Dimensionnement des chaussées neuves, Revision de la norme. RGRA 2017;944;
[3] Hornych P. Heavy vehicle traffic and overload monitoring in France and applications, PIARC World Congress 2015; https://www.researchgate.net/publication/283375995_HEAVY_VEHICLE_TRAFFIC_AND_OVERLOAD_MONITORING_IN_FRANCE_AND_APPLICATIONS
[4] Odeon H. Coopération Franco-Allemande WG7: Comparaison Padesto/Alizé. Journées techniques route 2018; http://jtr.ifsttar.fr/fileadmin/contributeurs/JTR/Presentations2018/Session4/2_Odeon_DeufraKo.pdf
[5] Fiedler J., Žák J., Mondschein P., et al. Statistické hodnocení únavových zkoušek asfaltových směsí a jejich aplikace při navrhování vozovek – Část 1 SILNICE MOSTY 2013; 3, 27–32
[6] Fiedler J., Žák J., Mondschein P., et al. Statistické hodnocení únavových zkoušek asfaltových směsí a jejich aplikace při navrhování vozovek – Část 2 SILNICE MOSTY 2013; 4, 16–20
[7] Fiedler J., Mondschein P., Jarušková D. Statistické hodnocení únavových zkoušek asfaltových směsí a jejich aplikace při navrhování vozovek – Část 3 SILNICE MOSTY 2014; 1, 15–21
[8] Fiedler J., Mondschein P. Statistické hodnocení únavových zkoušek asfaltových směsí a jejich aplikace při navrhování vozovek – Část 4
SILNICE MOSTY 2014; 2, 17–22
[9] Fiedler J. Nové trendy v navrhování vozovek a některé možnosti úpravy české návrhové metody. Konference Asfaltové vozovky 2017
[10] Ngoc Son Duong. Instrumentation de chaussées: la route intelligente qui s’auto-détecte? Thesis 2018; https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01685149/document
[11] Žák J. Numerická charakteristika vlastností asfaltových směsí, Disertační práce, 2014; https://dspace.cvut.cz/handle/10467/49020
[12] Řikovský V., Fiedler J. Spracovanie podrobnej analýzy základných ustanovení pre navrhovanie vozoviek, Rozborová úloha. VUIS 2015;
http://www.ssc.sk/sk/Technicke-predpisy-rezortu/Rozborove-ulohy.ssc