Teza de doctorat este alcătuită din: [304733]
Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iași
Facultatea de Construcții și Instalații
Domeniul Inginerie Civilă
Conducător Științific: Prof. Univ. Dr. Ing. Radu ANDREI
Doctorand: [anonimizat]. Diana – Nicoleta DRAGOSLAV (căs. DIMA)
IAȘI – 2017
Teza de doctorat este alcătuită din:
… Pagini, … Tabele, … Figuri și … Titluri Bibliografice
STRATEGII PENTRU
STRUCTURI RUTIERE SUSTENABILE
C U P R I N S
INTRODUCERE. Motivația cercetării. Obiectivele tezei. Structura tezei
Capitolul I – Stadiul actual privind sustenabilitatea sistemului de transport rutier. Definirea sustenabilității structurilor rutiere.
I.1. Noțiuni generale cu privire la conceptul sustenabilității
I.2. Aspectele și componentele sustenabilității în domeniul sistemului de transport rutier
I.3. [anonimizat]. Clase de sustenabilitate.
II.1. Principiul de durabilitate asociat structurilor rutiere
II.2. Impactul infrastructurii rutiere asupra mediului înconjurător. Indicatori de sustenabilitate a infrastructurii de transport rutier
II.3. Evaluarea consumului energetic pe durata ciclului de viață asociată structurilor rutiere sustenabile
II.3.1. [anonimizat] – LCA
II.3.2. Metoda de analiză a [anonimizat] – LCCA
II.4. Tehnologii și materiale noi pentru îmbunătățirea sustenabilității structurilor rutiere existente
II.4.1. Tehnologia mixturilor asfaltice cu modul ridicat tip MAS16, MAS8 utilizate pentru structuri clasice și structuri rutiere flexibile durabile sustenabile
II.4.2. [anonimizat].4.3. [anonimizat] – SFRC
II.4.4. [anonimizat].4.5. Reciclarea structurilor rutiere flexibile și rigide
II.4.6. Structuri rutiere variabile
II.5. [anonimizat], prin prisma sustenabilității, a [anonimizat] a structurilor rutiere
III.1. Stadiul actual al proiectării structurilor rutiere flexibile
III.1.1. Metoda Normativ pentru dimensionarea structurilor rutiere suple și semirigide (metoda analitică) PD 177-2001
III.1.2. [anonimizat].1.3. Metoda de dimensionare Asphalt Institute
III.1.4. Obiective și strategii pentru realizarea îmbrăcăminților flexibile sustenabile
III.2. Stadiul actual al proiectării structurilor rutiere rigide
III.2.1. Metoda de dimensionare a structurilor rutiere rigide conform Normativului NP 081-2002
III.2.2. [anonimizat]-PDG
III.2.3. [anonimizat] A: Evaluarea sustenabilității structurilor rutiere flexibile PENTRU PROIECTUL „varianta de ocolire a municipiului Iași”
4.1. Proiectarea structurilor rutiere flexibile conform metodei normativului pentru dimensionarea structurilor rutiere suple și semirigide PD 177-2001
4.2. [anonimizat] 177-2001
4.3. Proiectarea structurilor rutiere flexibile durabile conform metodei Asphalt Institute
4.4. Evaluarea comparativă a alternativelor investigate sub aspectele sustenabilității
Capitolul V – Studiul de caz B: Evaluarea sustenabilității structurilor rutiere rigide PENTRU PROIECTUL
5.1. Proiectarea structurilor rutiere rigide conform metodei normativului de dimensionare a structurilor rutiere rigide NP 081-2002
5.2. Proiectarea structurilor rutiere rigide durabile Long Lasting Rigid Pavement – LLRP conform metodei NP 081-2002
5.3. Evaluarea comparativă a alternativelor investigate sub aspectele sustenabilității
Capitolul VI – RECOMANDĂRI TEHNICE PRIVIND EVALUAREA SUSTENABILITĂȚII STRUCTURILOR RUTIERE
Capitolul VII – Concluzii generale. Contribuții personale. Recomandări privind implementarea și valorificarea rezultatelor cercetării. Cercetări viitoare
LISTA FIGURILOR
Figura I.1 – Domeniile sustenabilității
Figura I.2 – Componenta de mediu a sistemului de transport sustenabil
Figura I.3 – Funcțiile managementului rutier
Figura I.4 – Ciclul managerial rutier
Figura II.1 – Principalele activități implicate în realizarea și exploatarea structurilor rutiere sustenabile
Figura II.2 – Interfața programului informatic Real Cost
Figura II.3 – Pista circulară de încercări accelerate AT-LIRA cu sectoare experimentale
Figura II.4 – Tehnologia asfaltului care se autorepară
Figura II.5 – Procedura de reciclare in situ
Figura III.1 – Identificarea și măsurarea pilonilor sustenabilității
Figura III.2 – Schema propusă pentru analiza logică și evaluarea sustenabilității unei îmbrăcăminți rutiere flexibile sustenabile
Figura III.3 – Obiectivele proiectării structurilor rutiere sustenabile
Figura III.4 – Secțiune transversală structură rutieră flexibilă
Figura III.5 – Schema propusă pentru analiza logică și evaluarea sustenabilității unei îmbrăcăminți rutiere rigide sustenabile (* – Metoda LLRP constituie o adaptare a metodei ME-PDG la condițiile specifice rețelei de drumuri din România )
Figura III.6 – Secțiune transversală structură rutieră rigidă
Figura IV.1 – Varianta de ocolire a municipiului Iași
Figura IV.2 – Harta cu repartiția tipurilor climaterice pe teritoriul României
Figura IV.3 – Profil transversal tip
Figura IV.4 – Structură rutieră clasică
Figura IV.5 – Rezultatele obținute cu ajutorul programului informatic CALDEROM 2000 pentru structura rutieră flexibilă clasică
Figura IV.7 – Structură rutieră LLFP
Figura IV.8 – Rezultate obținute cu ajutorul programului informatic CALDEROM 2000 pentru structura rutieră flexibilă LLFP
Figura IV.9 – Rezultate obținute cu ajutorul programului informatic CALDEROM 2000 pentru structura rutieră flexibilă LLFP cu strat de formă
Figura IV.10 – Diagrama de corespondență între clasele de pământ AASHTO (HBR) și valorile indicelui de capacitate portantă californian
Figura IV.11 – Diagrama Asphalt Institute pentru proiectarea îmbrăcăminții de tip Full-Depth Asphalt – grosimea pentru o durată de viață proiectată de 15 ani
Figura IV.12 – Structură rutieră de tip Asphalt Institute pentru o durată de viață proiectată de 15 ani
Figura IV.13- Diagrama Asphalt Institute pentru proiectarea îmbrăcăminții de tip Full-Depth Asphalt – grosimea pentru o durată de viață proiectată de 30 ani
Figura IV.14- Structură rutieră de tip Asphalt Institute pentru o durată de viață proiectată de 30 de ani
Figura IV.15 – Interfața programului informatic asPECT – Materiale
Figura IV.16 – Interfața programului informatic asPECT – Stația de mixturi asfaltice
Figura IV.17 – Interfața programului informatic asPECT – Proiectul propriu-zis
Figura IV.18 – Centralizatorul rezultatelor pentru structura rutieră analizată
Figura V.1 – Modulul de reacție la suprafața stratului de fundație
Figura V.2 – Diagrama de dimensionare corespunzătoare ipotezei 2
Figura V.3 – Diagrama pentru stabilirea adâncimii de îngheț
LISTA TABELELELOR
Tabelul I.1 – Componentele sistemului de transport sustenabil
Tabelul II.1 – Sinteza principalilor indicatori de sustenabilitate ai sistemului de transport rutier
Tabelul III.1 – Strategii care influențează semnificativ realizarea obiectivelor de sustenabilitate pentru structuri rutiere flexibile
Tabelul III.2 – Strategii care influențează semnificativ realizarea obiectivelor de sustenabilitate pentru structuri rutiere rigide
Tabel IV.1 – Intensitatea medie zilnică anuală (MZA) a traficului pe categorii de vehicule pentru anul 2010
Tabel IV.2 – Intensitatea medie zilnică anuală (MZA) a traficului pe categorii de vehicule pentru anul 2025
Tabel IV.3 – Valoarea medie a intensităților medii zilnice anuale pentru începutul și sfârșitul perioadei de perspectivă (2010 – 2025)
Tabel IV.4 – Clasa de trafic determinată pe baza traficului de calcul
Tabelul IV.5 – Caracteristicile de deformabilitate ale pământului de fundare
Tabelul IV.6 – Eșalonarea studiilor de caz în funcție de metoda de dimensionare structurală și durata de viață
Tabelul IV.7 – Alcătuirea structurii rutiere flexibile clasice
Tabelul IV.8 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă
Tabelul IV.9 – Variantele pentru care se face verificarea la îngheț – dezgheț
Tabelul IV.10 – Valorile coeficientului de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică fiecărui material din structura rutieră
Tabelul IV.11 – Stabilirea indicelui de îngheț
Tabelul IV.12 – Stabilirea gradului de asigurare la pătrunderea înghețului în complexul rutier
Tabelul IV.13 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă dimensionată conform metodei LLFP
Tabelul IV.14 – Eșalonarea soluțiilor pentru obținerea gradului de asigurare la pătrunderea înghețului pentru structurile rutiere de tip LLFP pentru o perioadă de perspectivă de 15 ani
Tabelul IV.15 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă semirigidă dimensionată conform metodei LLFP cu strat de formă
Tabel IV.16 – Intensitatea medie zilnică anuală (MZA) a traficului pe categorii de vehicule pentru anul 2040
Tabel IV.17 – Valoarea medie a intensităților medii zilnice anuale pentru începutul și sfârșitul perioadei de perspectivă (2010 – 2040)
Tabelul IV.18 – Eșalonarea soluțiilor pentru obținerea gradului de asigurare la pătrunderea înghețului pentru structurile rutiere de tip LLFP pentru o perioadă de perspectivă de 30 de ani
Tabelul IV.19 – Valorile factorilor de echivalare / conversie pentru încărcări pe osie realizate cu diverse tipuri de vehicule
Tabelul IV.20 – Clasificarea pământurilor conform sistemului AASHTO (HBR)
Tabelul IV.21 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă dimensionată conform metodei Asphalt Institute pentru o durată de viață de 15 ani
Tabelul IV.22 – Eșalonarea soluțiilor pentru obținerea gradului de asigurare la pătrunderea înghețului pentru structurile rutiere de tip Asphalt Institute
Tabelul IV.23 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă semirigidă dimensionată conform metodei Asphalt Institute cu strat de formă
Tabelul IV.24 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă dimensionată conform metodei Asphalt Institute pentru o durată de viață de 30 de ani
Tabelul IV.25 – Eșalonarea soluțiilor pentru obținerea gradului de asigurare la pătrunderea înghețului pentru structurile rutiere de tip Asphalt Institute pentru o perioadă de perspectivă de 30 ani
Tabelul IV.26 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă semirigidă dimensionată conform metodei Asphalt Institute cu strat de formă
Tabelul IV.27 – Calculul masei fiecărui strat din alcătuirea structurii rutiere flexibile dimensionată cu metoda PD 177-2001
Tabelul IV.28 – Calculul masei fiecărui strat din alcătuirea structurii rutiere flexibile dimensionată cu metoda LLFP
Tabelul IV.29 – Calculul masei fiecărui strat din alcătuirea structurii rutiere flexibile dimensionată cu metoda Asphalt Institute
Tabelul IV.30 – Calculul costului pentru 1 km de structură rutieră flexibilă clasică
Tabelul IV.31 – Calculul costului pentru 1 km de structură rutieră durabilă LLFP
Tabelul IV.32 – Calculul costului pentru 1 km de structură rutieră durabilă Asphalt Institute
Tabelul IV.33 – Analiza comparativă a alternativelor studiate
Tabel V.1 – Intensitatea medie zilnică anuală (MZA) a traficului pe categorii de vehicule pentru anul 2010
Tabel V.2 – Valoarea totală intensităților medii zilnice anuale, a coeficienților de evoluție și a coeficienților de echivalare
Tabelul V.3 – Eșalonarea studiilor de caz în funcție de metoda de dimensionare structurală și durata de viață
Tabelul V.4 – Valoarea modulul de reacție
Tabelul V.5 – Alcătuirea structurii rutiere rigide clasice
Tabelul V.6 – Variantele pentru care se face verificarea la îngheț – dezgheț
Tabelul V.7 – Valorile coeficientului de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică fiecărui material din structura rutieră
Tabelul V.8 – Stabilirea indicelui de îngheț
Tabelul V.9 – Stabilirea gradului de asigurare la pătrunderea înghețului în complexul rutier
Tabelul V.10 – Alcătuirea structurii rutiere rigide durabile
Tabelul V.11 – Valorile coeficientului de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică fiecărui material din structura rutieră
Tabelul V.12 – Calculul masei fiecărui strat din alcătuirea structurii rutiere rigide dimensionată cu metoda NP 081-2002
Tabelul V.13 – Calculul masei fiecărui strat din alcătuirea structurii rutiere rigide dimensionată cu metoda LLRP
Tabelul V.14 – Calculul costului pentru 1 km de structură rutieră rigidă clasică
Tabelul V.15 – Calculul costului pentru 1 km de structură rutieră durabilă LLRP
Tabelul V.16 – Analiza comparativă a alternativelor studiate
Motivația cercetării
Deși în ultimii douăzeci de ani s-au întreprins eforturi semnificative pentru modernizare și reabilitare, în prezent, conform evaluărilor oficiale , o parte importantă a rețelei de drumuri publice din România, se află încă într-o stare mediocră sau chiar rea. Din aceste considerente, Guvernul României, Ministerul Transporturilor, Compania Națională de Administrare a Infrastructurii Rutiere și Administrațiile Locale, în calitatea lor de factori decizionali, au sesizat importanța adoptării unor noi strategii în domeniul rutier care să asigure niveluri calitative și tehnice ridicate, în vederea integrării rețelei de drumuri din România în infrastructura de transport Europeană. Una dintre aceste strategii o constituie adoptarea și implementarea unor structuri rutiere sustenabile, astfel încât rețeaua rutieră să devină mai sigură și mai eficientă, minimizând impactul social, economic și de mediu.
Obiectivele tezei
Teza de doctorat intitulată „Strategii pentru structuri rutiere sustenabile”, are ca obiectiv principal studierea și evidențierea principalelor caracteristici de sustenabilitate, prin abordarea unor studii de caz specifice și elaborarea unor Recomandări Tehnice privind conceperea, proiectarea, execuția, întreținerea și reabilitarea structurilor rutiere sustenabile. În acest scop, au fost urmărite concomitent și o serie de obiective specifice care constau în:
definirea sustenabilității structurilor rutiere;
evaluarea stadiului actual al metodelor utilizate pentru dimensionarea structurilor rutiere clasice, durabile și robuste;
elaborarea unor metode de evaluare a sustenabilității structurilor rutiere și aplicarea acestora în cadrul studiilor de caz;
selectarea și propunerea metodelor de evaluare a sustenabilității structurilor rutiere adaptate la condițiile climatice, geografice și de trafic specifice rețelei de drumuri de interes public din România.
Structura tezei
Pentru atingerea acestor obiective, teza de doctorat a fost structurată pe șapte capitole, după cum urmează:
Capitolul I – Stadiul actual privind sustenabilitatea sistemului de transport rutier. Definirea sustenabilității structurilor rutiere.
Capitolul II – Criterii și indicatori de sustenabilitate pentru drumuri. Clase de sustenabilitate.
Capitolul III – Analiza, prin prisma sustenabilității, a metodelor actuale de proiectare, execuție și întreținere a structurilor rutiere
Capitolul IV – Studiu de caz A: Evaluarea sustenabilității structurilor rutiere flexibile pentru proiectul „Varianta de ocolire a municipiului Iași”
Capitolul V – Studiul de caz B: Evaluarea sustenabilității structurilor rutiere rigide pentru proiectul
Capitolul VI – Recomandări tehnice privind evaluarea sustenabilității structurilor rutiere
Capitolul VII – Concluzii generale. Contribuții personale. Recomandări privind implementarea și valorificarea rezultatelor cercetării. Cercetări viitoare
I.1. Noțiuni generale cu privire la conceptul sustenabilității
Conform literaturii, termenul de sustenabilitate este definit drept o „calitate a unei activități antropice de a se desfășura fără a epuiza resursele disponibile și fără a distruge mediul, deci fără a compromite posibilitățile de satisfacere a nevoilor generațiilor următoare” .
În anul 1982, Adunarea Generală a O.N.U. a inițiat Comisia Mondială pentru Mediu și Dezvoltare (WCED) care, la întrunirea sa din 20 Martie 1987, de la Oslo, a finalizat raportul „Our common future”, numit și „Raportul Brundtland”, prin care este lansat conceptul de dezvoltare sustenabilă, cu precizarea că acesta „implică limite impuse de stadiul actual al tehnologiei și organizării sociale asupra resurselor de mediu și de capacitatea biosferei de a absorbi efectele activităților umane”, recomandând că atât tehnologia, cât și organizarea socială pot fi gestionate și îmbunătățite în permanență pentru a face loc unei noi etape de creștere economică .
Pentru ca aspectele sustenabilității să se poată manifesta în mod benefic și la generațiile următoare, trebuie avut în vedere faptul că dezvoltarea poate deveni sustenabilă numai dacă implică o medie non-descrescătoare a calității vieții. Întrucât nevoile omenirii stau la baza dezvoltării, iar creșterea economică este necesară pentru a le susține, sustenabilitatea poate fi considerată ca fiind „o cerință a generației noastre de a gestiona baza de resurse, astfel încât calitatea medie a vieții pe care ne-o asigurăm să poată fi potențial împărtășită de toate generațiile viitoare” .
„Raportul Brundtland” a fost urmat de numeroase întâlniri la nivel internațional, prin care au fost semnate agremente și au fost specificate direcțiile de acțiune dorite.
În perioada 3-14 iunie 1992, la Rio de Janeiro, O.N.U. a organizat Conferința Națiunilor Unite pentru Mediu și Dezvoltare (UNCED), cunoscută și sub denumirea de Summitul de la Rio, Conferința de la Rio sau Summit-ul Pământului. La această Conferință, s-a acordat o atenție deosebită conceptului de sustenabilitate, care implică stabilirea echilibrului între creșterea economică, protecția mediului și utilizarea de resurse alternative. La acest Summit de la Rio s-a realizat unul dintre cele mai semnificative procese internaționale de negociere care ar putea direcționa omenirea pe un traseu nou spre o dezvoltare sustenabilă la nivel mondial .
Ulterior, în septembrie 2000, la Adunarea Generală a Națiunilor Unite de la New York, s-a adoptat Declarația Mileniului prin care au fost identificate principiile și acordurile dezvoltării sustenabile care includ dezvoltarea economică, dezvoltarea socială și protecția mediului, aceste aspecte fiind cunoscute sub denumirea de piloni ai sustenabilității .
La întrunirile internaționale care au urmat , țările participante, inclusiv România, și-au asumat responsabilitatea colectivă pentru dezvoltarea și consolidarea reciprocă și interdependentă a pilonilor sustenabilității la nivel global, regional și național.
Sunt recunoscuți trei piloni ai sustenabilității: economic, social, de mediu, iar când se vorbește despre sustenabilitate nu trebuie neglijat nici unul, ci se impune găsirea unui echilibru durabil între aceștia .
Sustenabilitatea este conectată cu diferite domenii, după cum este schițat în Figura I.1, dar în teza de doctorat, având în vedere obiectivele specifice urmărite, s-au abordat doar aspectele sustenabilității sistemului de transport rutier și implicit a structurilor rutiere.
Figura I.1 – Domeniile sustenabilității
I.2. Aspectele și componentele sustenabilității în domeniul sistemului de transport rutier
Ținând cont de accelerarea progresivă a schimbărilor climatice coroborată cu diminuarea resurselor litografice, precum și cu instabilitatea lanțurilor de producție și aprovizionare, a apărut necesitatea promovării modurilor de transport sustenabil la nivel mondial și pe continentul european în vederea creării unui mediu propice dezvoltării economice și sociale.
În cadrul sistemului de transport rutier, consumul cel mai mare de energie rezultă din exploatarea drumurilor ca urmare a vehiculelor care folosesc îmbrăcămintea rutieră. Totuși, având în vedere faptul că o parte din emisii nu este datorată numai exploatării drumurilor, în mod deliberat au fost abordate și tratate în detaliu aspectele energetice și ecologice legate de construcția infrastructurii de transport, și implicit a îmbrăcăminții rutiere .
Pentru ca o țară să se dezvolte armonios și echilibrat din punct de vedere social și economic, este necesar să se promoveze un sistem de transport sustenabil ale cărui componente se regăsesc în Tabelul I.1.
Tabelul I.1 – Componentele sistemului de transport sustenabil
În cadrul sistemului de transport sustenabil, așa cum rezultă din Figura I.2, componenta de mediu este susținută de trei mari linii directoare: durabilitatea sporită, consumul redus de energie și impactul ecologic diminuat (fragmentarea habitatelor redusă, nivel de zgomot atenuat, emisii de gaze cu efect de seră reduse).
Figura I.2 – Componenta de mediu a sistemului de transport sustenabil
Sistemul de transport rutier este alcătuit din următoarele componente principale: sistemul de management, infrastructura rutieră de transport și parcul de vehicule. În cele ce urmează se prezintă pe scurt aspectele sustenabilității aferente acestor componente.
1.2.1. Aspectele sustenabilității aferente sistemului de management
Cunoscând starea tehnică a drumurilor existente, se poate realiza o analiză obiectivă a sustenabilității, luând în considerare și funcțiile primare ale managementului rutier, ilustrate în Figura I.3 fiecărei funcții fiindu-i asociat un proces repetitiv numit „ciclu managerial rutier” (Figura I.4).
Figura I.3 – Funcțiile managementului rutier
Figura I.4 – Ciclul managerial rutier
Astfel, procesul de management sustenabil se poate realiza etapizat printr-o serie de activități decizionale, și anume: definirea activităților de bază, planificarea lucrărilor de intervenție, alocarea fondurilor necesare și organizarea execuției lucrărilor, controlul calității, supravegherea execuției, evaluarea performanțelor, monitorizarea întreținerii și exploatării drumurilor, procesarea datelor pentru îmbunătățirea activităților și reluarea ciclului .
Sistemul de management sustenabil se diferențiază de cel clasic prin faptul că accentul se pune pe accelerarea dezvoltării economice și sociale, inclusiv într-o manieră ecologică. Acest sistem de management reprezintă modalitatea prin care factorii de decizie transpun principiile sustenabilității în realitate, iar implementarea acestora se realizează prin măsuri specifice: promovarea de standarde pentru produse sustenabile, sprijinirea tehnologiilor sustenabile, inițierea unor programe de instruire specifice, acordarea unor stimulente privind utilizarea unor alternative de transport sustenabil (biciclete, vehicule nepoluante, electrice etc.).
Astfel, activitățile aferente managementului sustenabil includ promovarea utilizării transportului în comun, a ciclismului și a mersului pe jos, fiind incluse și opțiunile strategice de genul îmbunătățirii normelor pentru emisiile poluante, creșterea taxelor de mediu, finanțarea programelor de cercetare.
La nivel de rețea rutieră, prin aplicarea sistemului de management sustenabil, se îmbunătățește continuu starea tehnică a rețelei într-o manieră care înglobează utilizarea responsabilă a resurselor litografice și a surselor alternative de energie. Pentru fiecare strategie de intervenție adoptată, se iau în considerare problemele de mediu pe care aceasta ar putea să le creeze, stabilindu-se, în același timp, metodele de atenuare și compensare a impactului produs.
1.2.2. Aspectele sustenabilității aferente infrastructurii de transport rutier
În domeniul drumurilor, structurile rutiere care îndeplinesc cel mai bine principiile sustenabilității sunt reprezentate de către structurile rutiere durabile și robuste, acestea putând fi utilizate de mai multe generații. Generația următoare nu va trebui să reconstruiască drumurile, ci va beneficia de aceste structuri rutiere proiectate pentru durate de serviciu de minim 40 – 50 de ani, în comparație cu structurile rutiere clasice. De asemenea, reciclarea structurilor rutiere vine în sprijinul realizării unor infrastructuri sustenabile.
1.2.3. Aspectele sustenabilității aferente parcului de vehicule
Parcul de vehicule rutiere tinde să fie din ce în ce mai aglomerat, fapt ce conduce la o solicitare mai intensă a structurilor rutiere și la o durată de viață mai scăzută a acestora.
Se poate vorbi de vehicule sustenabile atunci când sunt eficientizați combustibilii, prin îmbunătățirea structurii vehiculelor și a caracteristicilor termodinamice ale motoarelor, respectiv, prin utilizarea combustibililor alternativi.
I.3. Definirea sustenabilității structurilor rutiere
Există o multitudine de definiții privind sustenabilitatea în general, și în particular pentru structuri rutiere sustenabile. Majoritatea definițiilor fac referire la componentele social, economic și de mediu, cu recomandarea armonizărilor în scopul asigurării sustenabilității. În conformitate cu „Raportul 708: Un ghid pentru măsurarea performanței sustenabilității pentru agențiile de transport”, pentru a fi considerată sustenabilă, o îmbrăcăminte trebuie să îndeplinească următoarele condiții :
1. să realizeze scopurile tehnice inginerești aferente drumului;
2. să păstreze și să refacă ecosistemele aferente traseului;
3. să utilizeze cât mai eficient resursele naturale, financiare și umane;
4. să satisfacă nevoile umane esențiale: sănătatea, siguranța, echitatea, asigurarea locurilor de muncă, satisfacția și confortul.
Rolul structurilor rutiere în procesul general al sustenabilității
Este recunoscut faptul că, prin natura lor, drumurile au impacturi, atât pozitive, cât și negative asupra sustenabilității, și anume:
Consumul de eneregie necesar pentru construcție, întreținere, reabilitare și reciclare. De asemenea, prin aspectele sale privind proiectarea geometrică, planeitatea și rezistența la rulare, drumurile influențează energia consumată de vehicule pe parcursul rulării lor;
Drumurile cauzează o fragmentare și o schimbare a habitatelor, împiedicând și creând bariere în calea mișcării libere a viețuitoarelor;
Calitatea apei. Apele rezultate din precipitații antrenează poluanții colectați pe suprafața îmbrăcămintei de la vehicule, contaminând zonele adiacente atunci când nu sunt evacuate și tratate în mod corespunzător;
Calitatea aerului. Atât vehiculele utilizate la construcția drumului, cât și vehiculele care utilizează ulterior drumul în trafic, emit gaze și particule poluante;
Epuizarea resurselor naturale neregenerabile (agregate, piatră brută, petrol).
În același timp, drumurile au și un impact pozitiv asupra sustenabilității generale a societății, prin aceea că, prin infrastructura rutieră se asigură accesul și mobilitatea membrilor comunității în viața de zi cu zi a acestora. Drumurile asigură transportul mărfurilor și pasagerilor, fără de care economia nu s-ar putea dezvolta.
În plus, activitățile de construcție și întreținere a drumurilor creează oportunități pentru angajarea populației locale și facilitează dezvoltarea afacerilor.
Din punct de vedere al îmbrăcăminților, studiile actuale au ajuns la concluzia că emisiile de gaze cu efect de seră asociate cu execuția îmbrăcăminților sunt cu mult mai mici decât cele asociate cu operarea vehiculelor .
II.1. Principiul de durabilitate asociat structurilor rutiere
Structurile rutiere au o durată de viață proiectată cuprinsă între 15-25 de ani pentru îmbrăcămințile flexibile și între 25-40 de ani pentru îmbrăcămințile rigide.
Durata de viață a structurilor rutiere începe de la data execuției și dării în exploatare până la luarea deciziei de reabilitare sau reconstruire. Aceasta este diferită în funcție de tipul structurii rutiere: rigidă sau flexibilă.
Structurile rutiere din beton asfaltic se obțin prin amestecarea agregatelor cu bitum și aditivi, iar structurile rutiere rigide din agregate, ciment hidraulic și aditivi. Producerea materialelor necesare pentru aceste tipuri de structuri rutiere presupune extragerea și prelucrarea acestora, fapt ce influențează sustenabilitatea prin nivelul calității aerului și a apei, sănătatea și siguranța oamenilor și a ecosistemului, utilizarea resurselor neregenerabile și costul pe durata de viață.
Proiectarea structurilor rutiere, atât pentru drumurile noi, cât și pentru cele reabilitate, pornește de la cerințele de ordin structural și funcțional pentru fiecare locație în parte: tipul climateric, tipul de pământ, regimiul hidrologic, numărul de osii standard. Astfel se determină grosimea și materialele aferente fiecărui strat component în parte. Proiectarea structurilor rutiere influențează sustenabilitatea prin durabilitate, performanță, costul aferent duratei de viață, materialele utilizate.
Execuția structurilor rutiere implică tehnologii, utilaje, materiale, manoperă, transport. Execuția structurilor rutiere influențează sustenabilitatea prin nivelul calității aerului, durabilitate, sănătatea și siguranța oamenilor, întârzierile datorate traficului din zona de lucru, costurile și timpul aferente proceselor de construcție.
Exploatarea presupune interacțiunea structurilor rutiere cu parcul de vehicule și cu mediul înconjurător. Rugozitatea suprafeței, planeitatea, capacitatea portantă a complexului rutier influențează sustenabilitatea prin rezistența la rulare, consumul economic de combustibil, costurile reduse aferente utilizării vehiculelor, emisiile de gaze cu efect de seră diminuate. Interacțiunea cu mediul înconjurător are impact asupra sustenabilității prin acțiunea asupra sănătății și siguranței oamenilor, nivel redus de zgomot, tratarea apelor puviale.
Întreținerea corespunzătoare a structurilor rutiere încetinește ritmul de degradare prin intervenția promptă și corectarea deficiențelor atunci când acestea survin. Întreținerea influențează sustenabilitatea prin durabilitate, performanță, costurile implicate, materialele utilizate.
Înlocuirea, reconstruirea, reciclarea sau reabilitarea sunt realizate în momentul în care structurile rutiere au atins punctul final al duratei de viață. Acestea influențează sustenabilitatea prin generarea de deșeuri calitatea aerului și a apei, utilizarea diferitelor materiale. Durata de viață poate fi extinsă prin efectuarea reabilitării în momentul oportun.
Convențional, se consideră că durata de viață a unei structuri rutiere este liniară începând cu producerea materialelor, proiectarea, execuția, exploatarea, întreținerea și terminând cu înlocuirea, reconstruirea, reciclarea sau reabilitarea. Pentru a fi în acord cu principiile sustenabilității, noua abordare presupune că sfârșitul duratei de viață a structurii rutiere constă într-un nou început (Figura II.1).
Pentru a efectua o analiză economică eficientă și corectă pentru diverse variante de proiectare sau reabilitare a structurilor rutiere, este necesar să luăm în considerare pe lângă durata de viață deja menționată, și durata de serviciu, durata de viață economică și durata de analiză.
Figura II.1 – Principalele activități implicate în realizarea și exploatarea structurilor rutiere sustenabile
Durata de serviciu este reprezentată de acea perioadă de timp în care structura rutieră este efectiv utilizată. Aceasta poate fi mai scurtă decât durata de viață dacă drumul nu este corect întreținut, respectiv mai lungă în cazul în care drumul este bine executat și întreținut în mod eficient. Dacă structura rutieră are în compoziție materiale care pot fi reciclate, atunci, după terminarea duratei de serviciu, poate fi extinsă durata de viață.
Durata de viață economică constituie perioada de timp pentru care o structură rutieră aduce beneficii din punct de vedere economic, sau până ce este executată o altă variantă la costuri mai reduse. Lipsa de capital duce la situația în care durata de viață economică este mai mică decât durata de serviciu. Durata de viață economică se termină atunci când gradul de deteriorare a unei structuri rutiere o face impracticabilă, iar costurile ridicate pentru întreținere justifică înlocuirea cu o alternativă ce are costurile duratei de viață mai reduse .
Durata de analiză reprezintă durata pentru care se face o estimare realistă ce poate fi utilizată într-o analiză economică și trebuie să fie suficient de lungă pentru a cuprinde perioada de timp dintre acțiunile majore de reabilitare pentru diferitele alternative studiate, dar nu atât de lungă încât analiza să devină nesigură .
Ideea majoră spre care se tinde este de a realiza îmbrăcăminți rutiere sustenabile pentru care atât durata de viață proiectată, cât și durata de serviciu, durata de viață economică și durata de analiză să poată fi extinse.
II.2. Impactul infrastructurii rutiere asupra mediului înconjurător. Indicatori de sustenabilitate a infrastructurii de transport rutier
Datorită necesității promovării modurilor de transport sustenabil în vederea creării unui mediu propice dezvoltării economice și sociale este necesară definirea și evaluarea sustenabilității transportului rutier. Indicatorii de mediu sunt instrumente sau metode folosite pentru a reflecta, a măsura și a evalua sustenabilitatea transportului, dar și pentru luarea deciziilor.
Indicatorul de sustenabilitate a mediului în domeniul transportului rutier reprezintă impactul potențial sau real asupra mediului (sau factorii care pot determina astfel de efecte) ca urmare a activității de transport .
Indicatorii au funcții diferite depinzând de domeniile de utilizare, și anume: măsurarea științifică, planificarea lucrărilor, evaluarea programelor și proiectelor, luându-se în considerare distincțiile următoare:
funcția de măsurare (de tipul descrierii, distincției, simplificării, agregării, precizării, evaluării etc.) versus modalitatea de luare a deciziilor (care se referă la sarcini sau aspecte ale elaborării strategiilor și a deciziilor: planuri, programe sau proiecte);
funcțiile directe, instrumentale sau destinate (servicii informative specifice pe care le poate furniza un indicator) față de cele mai multe non-instrumentale sau neintenționate (rolul indicatorilor în furnizarea cadrului de referință comun sau în suprimarea atenției asupra aspectelor care nu sunt măsurate).
Indicatorii de mediu au ca scop: identificarea problemelor, stabilirea obiectivelor, alegerea între opțiuni alternative, evaluarea anticipativă a efectelor viitoare posibile a unor acțiuni.
Evoluția sistemului de transport a condus la diverse impacturi asupra mediului, datorate realizării și utilizării infrastructurilor de transport rutier. În continuare se vor detalia unii dintre cei mai semnificativi indicatori de mediu aferenți fragmentării habitatelor, nivelului de zgomot produs de execuția infrastructurii de transport și de circulația vehiculelor și a emisiilor de gaze cu efect de seră.
Execuția infrastructurilor de transport conduce la perturbări în zona aferentă construirii: peisajul de ansamblu se modifică, habitatele sunt fragmentate, iar funcțiile ecosistemului sunt perturbate. Fragmentarea habitatelor reprezintă fenomenul cuantificat prin intermediul :
– indicatorilor de compoziție – utilizați pentru calculul suprafeței minime a habitatelor individuale; sunt reprezentați de numărul și aria zonelor populate;
– indicatorilor de formă – utilizați pentru evaluarea formei zonei habitatelor;
– indicatorilor de conectivitate a zonei locuite – utilizați în scopul măsurării gradului de conectivitate / izolare dintre zone. Dacă există obstacole între zone, deplasarea speciilor este îngreunată, limitată sau imposibilă.
O caracteristică esențială pentru a evalua sustenabilitatea sistemului de transport este nivelul de zgomot. În special în orașele mari, execuția și utilizarea infrastructurii de transport reprezintă cea mai importantă sursă de zgomot, iar populația din aria aferentă drumurilor resimte disconfortul. Pot fi enumerați trei indicatori de mediu care sunt specifici zgomotelor din circulația vehiculelor:
– indicatori ai nivelului de zgomot – redau zgomotul din trafic în funcție de caracteristicile energetice și fizice;
– indicatorii de expunere la zgomot – iau în considerare magnitudinea și extinderea teritorială pentru a exprima efectul zgomotului asupra persoanelor expuse;
– indicatorii poluării fonice – subliniază disconfortul pe care îl percep persoanele expuse la zgomot.
La execuția lucrărilor pentru infrastructura drumurilor sunt utilizate utilaje care poluează atmosfera. Pentru a evita sau diminua poluarea aferentă circulației zilnice a vehiculelor, traficul poate fi deviat sau decongestionat prin asigurarea unei capacități de circulație mai mare. Sunt realizate perdele de vegetație, iar intersecțiile importante pot fi amplasate la o distanță semnificativă față de zonele populate. Emisiile de gaze cu efect de seră sunt cuantificate prin intermediul următorilor indici:
– potențialul de încălzire globală (GWP);
– potențialul de schimbare a temperaturii globale (GTP);
– valoarea emisiilor antropice în dioxid de carbon echivalent (CEWN);
– indicele impactului efectului de seră asupra sănătății.
Indicatorii de sustenabilitate a mediului sunt utilizați pentru cuantificarea sustenabilității în domeniul transportului rutier și reprezintă un instrument tehnic de măsurare util în procesele decizionale. Pentru a evalua situații mai complexe se pot utiliza mai mulți indicatori care acoperă toate dimensiunile problemei în cauză.
II.3. Evaluarea consumului energetic pe durata ciclului de viață asociată structurilor rutiere sustenabile
Atât în cadrul sistemului de transport rutier, cât și în cel al infrastructurilor, metodele de măsurare a sustenabilității sunt în plină evoluție, acestea având un rol important în cuantificarea gazelor cu efect de seră, constituie un suport în luarea deciziilor și ajută la îmbunătățirea metodelor de evaluare. În scopul dezvoltării instrumentelor utilizate pentru evaluarea ciclului de viață se fac cercetări în privința consumului de energie, emisiilor de gaze cu efect de seră și a materialelor din structurile rutiere.
Cele mai cunoscute și utilizate sisteme de evaluare a sustenbilității, relevante pentru structurile rutiere sunt reprezentate de Metoda Evaluării Duratei de Viață – Life Cycle Assessment – LCA și Metoda Analizei costurilor pe durata de viață – Life Cycle Cost Analysis – LCCA.
II.3.1. Metoda de evaluare pe durata ciclului de viață – Life Cycle Assessment – LCA
Organizația Internațională de Standardizare consideră că Evaluarea duratei de viață – Life Cycle Assessment – LCA este un proces care „abordează aspectele legate de mediu și impactul potențial asupra mediului pe parcursul duratei de viață a unui produs, de la achiziția materiilor prime, producere, utilizare, până la reciclare și eliminare (cradle to grave)" .
LCA este o metodă de evaluare ce vizează analizarea și cuantificarea impactului produs de structurile rutiere asupra mediului pe toată durata de viață a acestora.
Cele mai relevante standarde internaționale pentru Metoda Evaluării Duratei de Viață sunt ISO 14040 – Managementul mediului – Evaluarea duratei de viață – Principii și cadru de aplicare și ISO 14044 – Managementul mediului – Evaluarea duratei de viață – Cerințe și direcții de aplicare.
Pentru LCA, Athena, GaBi, SimaPro sunt câteva din programele informatice cunoscute.
Metoda LCA poate fi utilizată pentru a identifica oportunitățile care duc la îmbunătățirea performanțelor de mediu ale structurilor rutiere pe parcursul duratei de viață; a informa factorii decizionali pentru stabilirea priorităților și planificarea strategică; a selecta indicatorii și a cuantifica informațiile privind performanța asupra mediului. Factorii decizionali vor alege varianta cu impact mai redus asupra mediului.
Analiza prin metoda evaluării pe durata ciclului de viață presupune următoarele etape:
Definirea scopului și a domeniului de aplicare presupune formularea explicită a fazelor din durata de viață supuse analizei;
Etapa analizei de inventar – pentru sistemul studiat, sunt cuantificate intrările (materiale, energie, resurse) și ieșirile (deșeuri, poluare) fluxului de mediu;
Evaluarea impactului pe durata de viață presupune evaluarea cantitativă a impactului ecologic preconizat. Intrările și ieșirile din sistem au valori diferite pentru fiecare tip de emisie poluantă și vor fi tranformate în emisi de CO2 echivalent.
Interpretarea rezultatelor se realizează în scopul utilizării acestora de către factorii de decizie.
Prin urmare, metoda LCA este utilizată pentru analizarea și cuantificarea impactului pe care îl are structura rutieră asupra mediului, pe întreaga durată de viață, pentru selectarea indicatorilor de performanță și a tehnicilor de măsurare. Aceasta reprezintă un instrument util în procesele decizionale pe termen lung atât pentru infrastructură, cât și pentru planificarea traficului. Rezultatul este exprimat în funcție de factori cheie de mediu (consum de energie și emisii de gaze cu efect de seră).
Programul informatic asPECT (Asphalt Pavement Embodied Carbon Tool) elaborat de specialiștii din cadrul Laboratorului de Cercetări în Transporturi – TRL din Marea Britanie, oferă o metodă practică pentru calcularea emisiilor de gaze cu efect de seră pe durata ciclului de viață produse prin utilizarea mixturilor asfaltice la drumuri. Programul informatic asPECT permite evaluarea emisiilor de CO2e pe baza informațiilor colectate privind: materialele utilizate, transportul, precum și caracteristicile instalațiilor de preparare a mixturilor asfaltice.
Metoda LCA și programul informatic asPECT au fost selectate pentru a fi utilizate în cadrul tezei de doctorat pentru evaluarea consumurilor de CO2e pentru structurile rutiere flexibile.
II.3.2. Metoda de analiză a costurilor pe durata ciclului de viață – Life Cycle Cost Analysis – LCCA
Analiza costurilor pe durata de viață – Life Cycle Cost Analysis – LCCA este o metodă ce vizează numai componenta economică a sustenabilității și evaluează costul inițial și costurile preconizate ale diferitelor variante de investiție pe întreaga durată de viață. Beneficiile alternativelor sunt aceleași, doar costul este diferit.
„LCCA este un instrument analitic pentru a oferi o comparație a costurilor între două sau mai multe alternative care produc aceleași beneficii pentru proiectul analizat” .
Pentru a pune în aplicare un proiect sunt realizate mai multe activități generatoare de costuri. Toate costurile anticipate sunt actualizate și totalizate rezultând valoarea netă actuală (NPV) sau costul net prezent (CNP). Dacă există mai multe variante cu aceleași beneficii și perioade de analiză identice, valoarea netă actuală sau costul net prezent sunt comparate pentru a evidenția cea mai rentabilă variantă și a asigura același nivel de performanță. LCCA este un instrument util în cuantificarea sustenabilității prin faptul că ține cont de impactul economic al proiectării, execuției, materialelor, întreținerii.
Dacă sunt aceleași beneficii, dar perioadele de analiză sunt diferite, atunci analiza costului este utilă pentru a identifica alternativa preferată.
O altă alternativă este de a utiliza aceeași perioadă de analiză pentru toate variantele, iar valoarea rămasă a fiecărei variante o includem la sfârșitul perioadei de analiză ca (+) beneficiu sau (-) pierdere.
Dacă beneficiile pot fi exprimate în bani, atunci vor fi luate în considerare alături de costuri. Dacă există alți factori de decizie care nu pot fi transformați în bani, atunci LCCA nu este suficientă pentru a selecta dintre variante. LCCA oferă informații în procesul de luare a deciziilor.
Pentru LCCA, programul informatic cel mai răspândit este Real Cost . Cu ajutorul acestuia se pot calcula costurile pe durata de viață pentru o construcție nouă, întreținere, reabilitare. Interfața cu utilizatorul a programului informatic prezintă meniul cu opțiunile disponibile, ca în Figura II.2.
Figura II.2 – Interfața programului informatic Real Cost
Cu ajutorul programului informatic sunt realizate comparații între duratele de viață ale diferitelor variante, dar aceste valori nu sunt suficiente. Pentru a ajunge la o concluzie, trebuie luați în considerare și factorii de mediu și cei sociali, deoarece RealCost oferă doar valori economice utile care ajută în procesul general de luare a deciziilor.
Prin urmare, metoda LCCA este întâlnită în evaluarea impactului economic al structurilor rutiere. Este cuantificată valoarea totală a unui proiect prin analiza costurilor inițiale și a costurilor viitoare (de întreținere, reconstruire, reabilitare) pentru întreaga durată de viață a proiectului.
Metodele LCA, LCCA, precum și programul informatic Transport Research Laboratory – TRL (UK) asPECT și GaBi pot fi utilizate și la evaluara sustenabilității structurilor rutiere.
Programul informatic GaBi, creat de Institutul pentru Testarea Polimerilor și Știința Polimerilor (IKP) de la Universitatea din Stuttgart, în colaborare cu PE Europe GmbH, realizează o analiză a costurilor: LCCA – Life Cycle Cost Analysis și o comparație a produselor, proceselor și serviciilor care acoperă întreaga durată de viață de la producția de materii prime până la reconstrucție: LCA – Life Cycle Assessment. Evaluarea LCA se realizează prin intermediul a unor opțiuni principale (Cradle to Grave, Cradle to Gate, Gate to Gate și Gate to Grave) utilizate pentru definirea limitelor sistemului.
Metoda LCCA împreună cu programul informatic GaBi a fost selectată pentru a fi utilizată în cadrul tezei de doctorat pentru evaluarea structurilor rutiere rigide.
II.4. Tehnologii și materiale noi pentru îmbunătățirea sustenabilității structurilor rutiere existente
Aplicarea principiilor sustenabilității utilizând tehnologiile actuale, presupune găsirea oportunităților pentru a diminua impactul asupra mediului, îmbunătățirea beneficiilor aduse societății și reducerea costurilor pe durata de viață.
Specialiștii din domeniul structurilor rutiere au apelat la diverse tehnologii pentru îmbunătățirea sustenabilității: utilizarea materialelor reciclate, introducerea lianților modificați care duc la creșterea performanțelor structurii rutiere, utilizarea sistemelor pentru evaluarea sustenabilității..
II.4.1. Tehnologia mixturilor asfaltice cu modul ridicat tip MAS16, MAS8 utilizate pentru structuri clasice și structuri rutiere flexibile durabile sustenabile
Reabilitarea, modernizarea și dezvoltarea rețelei de drumuri în România, utilizând metode noi de proiectare și tehnologii eficiente de execuție, este o prioritate pentru integrarea infrastructurii de transport în rețeaua rutieră Europeană. Cercetările recente au fost avut scopul de a asimila și dezvolta noile concepte de structuri rutiere flexibile durabile, în condițiile de trafic și climă specifice României (ierni aspre și veri călduroase).
Normele de proiectare actuale (PD 177-2001) conduc la supradimensionarea structurilor rutiere flexibile din cauza valorilor mici ale modulului de elasticitate dinamic al mixturilor asfaltice. Structurile rutiere flexibile durabile (LLFP), concepute pe principii noi și cu materiale de înaltă calitate, au grosimi mai reduse și sunt mai durabile.
Astfel, evaluarea performanțelor structurilor de tip LLFP, în comparație cu cele clasice, s-a făcut pe cale experimentală, în cadrul Universității Tehnice „Gh. Asachi” din Iași, la Stația de Cercetări Rutiere .
S-a propus efectuarea unui experiment pe pista circulară de încercări accelerate ALT – LIRA care constă în încercarea accelerată a 6 sectoare rutiere distincte: 3 sectoare (nr. 1, 3 și 5) cu structură rutieră clasică și 3 sectoare (nr. 2, 4 și 6) construite după principiile LLFP (Figura II.3).
Figura II.3 – Pista circulară de încercări accelerate AT-LIRA cu sectoare experimentale
Obiectivul a fost implementarea mixturilor stabilizate cu diverse fibre. Mixturile stabilizate cu fibre de tip MAS16 / MAS8 au fost cercetate în scopul implementării acestora în cadrul proiectelor de reabilitare a infrastructurii din România. Aceste mixturi sunt aplicate datorită proprietăților superioare pe care le dețin și modulului de elasticitate dinamic ridicat, pentru a integra infrastructura de transporturi în rețeaua Europeană.
Structurile rutiere flexibile care incorporează mixturi asfaltice cu modul de elasticitate dinamic ridicat au grosime mai mică în raport cu cele clasice, sunt capabile să suporte un trafic de calcul mai mare și sunt verificate la acțiunea îngheț – dezghețului, conform prevederilor din standardele românești.
II.4.2. Îmbrăcăminți asfaltice care se autorepară – Self Healing Asphalt
Betonul asfaltic reprezintă una dintre cele mai utilizate tipuri de îmbrăcăminți rutiere, obținut dintr-un amestec de agregate cu bitum și aditivi. Acesta rezistă o perioadă lungă de timp la solicitările din trafic și în diferite condiții climatice. Pentru a menține aceste caracteristici pe toată durata de viață a structurii rutiere, betonul asfaltic trebuie întreținut corespunzător și reparat la momentul optim.
Asfaltul care se repară singur sau betonul asflatic conductiv este realizat din agregate, bitum și fibre conductoare electric. Acest amestec are o conductivitate electrică ridicată. Încălzirea mixturii prin inducție duce la închiderea fisurilor, repararea defecțiunilor din îmbrăcăminte, adică la o durată de viață mai îndelungată.
În amestec se utilizează un volum optim de fibre conductoare care reprezintă volumul necesar pentru o conductivitate maximă în asfalt. Mai sus de această valoare rezistivitatea electrică este constantă sau se reduce, apar grupuri de fibre în amestec și o încălzire neuniformă. Mai jos de această valoare, rezistivitatea electrică a mixturii scade, dar poate fi încălzită datorită conductivității locale (vezi Figura II.4).
Figura II.4 – Tehnologia asfaltului care se autorepară
În concluzie, bitumul nu îmbătrânește datorită încălzirii prin inducție; numărul de vindecări ale îmbrăcăminții asfaltice depinde de temperatura maximă atinsă; soluția poate fi aplicată pentru reducerea fisurilor din betoanele asfaltice sau înainte de venirea iernii, pentru închiderea fisurilor și evitarea înghețării apei în interiorul structurii rutiere.
II.4.3. Betonul de ciment armat cu fibre de oțel recuperate din anvelopele uzate – Steel Fiber Reinforced Concrete – SFRC
Anvelopele uzate au un impact negativ asupra mediului înconjurător, conform Agenției Europene de Mediu (2003). Pentru a crește procentul de reciclare a anvelopelor uzate, respectând directivele date de Uniunea Europeană, este necesară utilizarea materialelor reciclate (inclusiv materialul metalic din pneuri) și dezvoltarea unor produse noi.
Proiectul de cercetare European EcoLanes „Economical and Sustainable Pavement Infrastructure for Surface Transport” a fost coordonat de Universitatea din Sheffield United Kingdom, cu implicarea Univesității Tehnice „Gheorghe Asachi” din Iași. Prin acest proiect s-a avut în vedere proiectarea și executarea structurilor rutiere rigide durabile utilizând betonul de ciment armat cu fibre de oțel provenite din reciclarea anvelopelor uzate , .
Pentru a afla care este alcătuirea optimă a betonului de ciment au fost supuse încercărilor accelerate mai multe structuri rutiere:
dală din beton de ciment armat cu fibre într-un singur strat, strat de bază din balast stabilizat cu ciment, strat de fundație din balast;
dală din beton de ciment armat cu fibre în două straturi (cu dozaj diferit de fibre), strat de bază din balast stabilizat cu ciment, strat de fundație din balast;
strat din asfalt, beton de ciment care a fost compactat prin cilindrare (Roller Compacted Concrete – RCC), strat de bază granular, strat de fundație.
Prin înregistrarea deformațiilor survenite în dalele din beton de ciment și a eforturilor care rezultă din trafic, au fost comparate performanțele betonului simplu și a celui armat cu fibre, luând în considerare și influența dozajului de fibre, precum și a lungimii dalelor.
În urma studiilor efectuate au fost emise câteva concluzii :
dalele nu prezintă fisuri sau alte degradări la suprafață,
rosturile de contact dintre dale s-a decalat;
anvelopele vehiculelor vor fi foarte intens și rapid uzate de suprafața de rulare abrazivă a betoanelor de ciment rutier armate cu fibre metalice procurate din anvelopele uzate, prin urmare este necesară acoperirea dalei cu un strat asfaltic,
dalele alcătuite din beton de ciment rutier, independent de prezența armăturii și de lungimea dalei, au capacitatea portantă cea mai sporită, urmate de dalele din beton de ciment care a fost compactat prin cilindrare (RCC) și de dalele din beton RCC cu armătură din fibre acoperite de un strat asfaltic.
II.4.4. Tehnologia betonului de ciment compactat Roller Compacted Concrete – RCC
În acest subcapitol este descrisă tehnologia de punere în operă a betonului compactat din structurile rutiere rigide durabile aferente sectoarelor experimentale din cadrul proiectului european EcoLanes.
Betonul compactat cu ajutorul cilindrului compresor (Rolling Compacting Concrete – RCC) este alcătuit din agregate cu granulozitate mare și fină, liant (10-14% din masa volumică), aditiv și apă, care se omogenizează într-o instalație pentru prepararea betonului. Aceste materiale componente trebuie să respecte cerințele de durabilitate și de rezistență pentru structura rutieră. Punerea în operă este realizată cu tehnici de compactare prin cilindrare, asemănătoare celor de la execuția drumurilor.
Betonul care a fost realizat prin utilizarea tehnologiei RCC prezintă caracteristici de rezistență și durabilitate sporite, cu economii însemnate și viteză mărită de execuție. Dacă acest beton este armat cu fibre (care sunt mai dificil de încorporat în amestec), proprietățile mecanice sunt îmbunătățite, grosimea stratului este redusă, iar distanța dintre rosturi este diminuată.
În scopul obținerii rezistenței la lunecare, dacă betonul RCC nu îndeplinește cerințele de rugozitate, atunci suprafața poate fi prelucrată mecanic sau prin așternerea unui strat subțire de asfalt.
Deoarece betonul RCC conține un procent redus de apă, aerarea acestui amestec nu este posibilă întotdeauna. Pentru a atinge o rezistență bună la îngheț, durabilitatea structurilor de tip RCC necesită o atenție sporită.
Pentru a obține planeitatea și o densitate adecvată, o importanță aparte o au rosturile longitudinale și transversale ale structurilor RCC.
II.4.5. Reciclarea structurilor rutiere flexibile și rigide
Când integritatea structurală a drumului și caracteristicile suprafeței de rulare sunt afectate de degradări, se poate apela la reciclarea structurilor rutiere, adică o tehnologie modernă pentru execuția infrastructurilor sustenabile care nu afectează generațiile următoare. Aceasta are avantajele impactului redus asupra mediului datorită consumului diminuat de combustibili pe parcursul procesului tehnologic; linia roșie rămâne aproape neschimbată; iar economiile sunt semnificative la consumul de materiale noi, transport și energie (în cazul reciclării in situ).
Reciclarea poate fi utilizată pentru îmbrăcămintea rutieră a autostrăzilor, la drumuri de clasa tehnică II, III și IV, drumuri împietruite, structuri rutiere din beton de ciment.
În scopul realizării reciclării la rece in situ a structurilor rutiere, îmbrăcămintea existentă degradată este frezată (utilizându-se întregul material rezultat), amestecată cu lianți și, uneori, cu agregate naturale. Pentru execuție se utilizează un „tren de reciclare” (vezi Figura II.5) alcătuit din reciclator, cisterna de bitum / emulsie bituminoasa și cisterna de apa. Traficul este închis pe parcursul desfășurării lucrărilor .
Figura II.5 – Procedura de reciclare in situ
Reciclarea la cald in situ a structurilor rutiere este utilizată pentru întreținerea, ranforsarea sau consolidarea structurilor rutiere degradate și este aplicată pe drumuri (clasa tehnică II, III, IV și V) și străzi (categoria tehnică II, III și IV) cu îmbrăcăminte asfaltică .
Tot materialul rezultat din încălzirea și scarificarea îmbracaminților bituminoase existente este amestecat cu lianți și agregate naturale. Pentru execuție se utilizează un „tren de termoregenerare” (utilaj care poate afecta capacitatea portantă a drumului datorită greutății sale foarte mari). Stratul de mixtură se încălzește la 1300 – 140oC, prin urmare reciclarea la cald in situ presupune un consum de energie foarte mare.
Reciclarea la cald in situ a îmbrăcăminților asfaltice este economic eficientă, nu necesită protecție, materialele din straturile existente sunt total reciclate, rețeta optimă de mixtură rezultă prin testarea și corectarea facilă a componentelor, iar traficul este deschis.
Exploatarea dificilă a carierelor pentru agregate, creșterea prețului liantului hidrocarbonat și constrângerile legate de protecția mediului au condus la reciclarea mixturilor asfaltice in statii fixe (recycled asphalt pavement) care presupune frezarea îmbrăcaminții asfaltice existente, transportul și depozitarea la stație, fabricarea mixturii. Pentru execuție și compactare se utilizează mijloacele clasice .
Această tehnologie este ecologică datorită reducerii procentului de agregate noi din amestec, este economică deoarece liantul de aport și agregatele noi sunt utilizate în procent redus, nu sunt utilizate echipamente speciale pentru fabricate.
În cazul structurilor rutiere din beton de ciment, când îmbrăcămintea este distrusă, degradată, se recurge la reciclarea in situ a acesteia prin spargerea dalelor și utilizarea materialului existent ca strat de bază pentru o nouă structură rutieră. De asemenea, dalele vechi pot fi înlăturate și introduse într-un concasor pentru a le transforma în agregate. Indiferent de categoria drumului, materialul frezat poate fi utilizat ca strat de bază sau ca îmbrăcăminte pentru o altă structură rutieră.
II.4.6. Structuri rutiere variabile
Structurile rutiere variabile reprezintă un concept avansat, nou apărut în domeniul îmbrăcăminților rutiere. În comparație cu structurile rutiere clasice, acestea sunt mai eficiente, au o durată de viață mai mare și costuri mai reduse datorită diminuării cu până la 30% a materialelor asfaltice utilizate.
Această soluție este recomandată pentru drumurile care au un volum de trafic mai redus (drumuri agricole, industriale sau forestiere, drumuri noi sau reabilitate cu două benzi de circulație). În cazul țărilor aflate în curs de dezvoltare care nu au fonduri suficiente pentru extinderea rețelei de drumuri, această soluție este adecvată, având un impact economic mult mai mare.
Proiectarea structurilor rutiere variabile pornește de la cele două elemente principale: roata și îmbrăcămintea rutieră. În funție de traficul de calcul și de caracteristicile terenului de fundare este determinată acea variantă de alcătuire a structurii rutiere care să aibă materialul (de preferință din surse locale) și grosimea cât mai economice. În secțiune transversală grosimea straturilor este variabilă, în funcție de solicitările din trafic date de repartiția transversală a urmelor roților. De asemenea, pentru benzile de circulație ale autostrăzilor (cu patru benzi de circulație) sunt propuse soluții pentru diferențierea capacității portante. Pe viitor, conceptul poate fi extins și în cazul pistelor aeroportuare.
II.5. Clase de sustenabilitate
În cele ce urmează se prezintă o sinteză a indicatorilor de sustenabilitate ai sistemului de transport rutier, cu luarea în considerare a activităților de management integrat (management tehnic și ecologic); a activităților de concepție și proiectare a infrastructurii de transport și, implicit, a structurii rutiere; a activităților de producere a materialelor rutiere și aplicării tehnologiilor de execuție, întreținere și reabilitare, precum și indicatorii de impact specifici.
Tabelul II.1 – Sinteza principalilor indicatori de sustenabilitate ai sistemului de transport rutier
Managementul integrat vizează atât aspectele tehnico – inginerești, cât și cele economice, sociale și de mediu, în scopul utilizării acestora la evaluarea sustenabilității proiectelor și, implicit, a structurilor rutiere.
Activitățile de concepție și proiectare sunt esențiale în obținerea unei infrastructuri de transport și implicit a unor structuri rutiere eficiente și durabile, prin luarea în considerare a factorilor de trafic, climă, clasă tehnică și a metodelor de proiectare.
Materialele utilizate în industria drumurilor sunt în continuă schimbare, adapatându-se la noile cerințe apărute. De asemenea, materialele reciclate sunt mai economice și au un impact pozitiv asupra mediului înconjurător. Tehnologiile utilizate pentru execuția, întreținerea și reabilitarea drumurilor sunt aplicate în scopul obținerii unor structuri rutiere sigure, economice și performante.
Efectele activităților rutiere sunt cuantificate prin intermediul indicatorilor de impact. Aceștia desemnează consecințele zgomotului, emisiilor de CO2e, fragmentării habitatelor, și, respectiv, efectele mobilității și impactul asupra societății pe termen lung, nu doar evaluarea schimbărilor survenite imediat.
În final, plecând de la analiza principalilor indicatori de sustenabilitate ai sistemului de transport, este elaborat și propus un indicator general de sustenabilitate pentru îmbrăcămințile flexibile noi SGIf. Acest indicator se poate folosi și în cazul îmbrăcăminților existente, dar corelat cu starea tehnică a acestora, conform diagramei din Figura …
Figura II…. – Indicatori de stare tehnică și sustenabilitate pentru îmbrăcămințile flexibile
Trebuie stabilite niște clase de sustenabilitate pentru îmbrăcămințile noi în funcție de:
– realizarea scopului ingineresc – durabilitate (durata de viață, de serviciu, de viață economică și de analiză)
– siguranță
– confort
Avem niște coeficienți de pondere: pentru o îmbrăcăminte ideală wd = 1, ws = 1, wc = 1,
– categoria drumului (clasificarea drumului în funcție de trafic)
Avem niște coeficienți de pondere: pentru autostrăzi 1, drumuri naționale 0,8, drumuri județene 0,75, drumuri comunale 0,70
– eficiență – costuri specifice și energetice
un coeficient de pondere în funcție de studiile de caz
– materiale și tehnologii noi
un coeficient de pondere pentru originalitate / noutate
– impact zgomot / emisii CO2e /
un coeficient de pondere în funcție de studiile de caz
Rezultă un indicator SGI pentru structuri rutiere noi în care sunt combinați coeficienții și redați într-o diagramă.
Activitățile antropice au afectat planeta Pământ sub aspec ecologic, social și economic, punând în pericol generațiile viitoare și speciile de viețuitoare. Acest aspect, a condus factorii decizionali din domeniul structurilor rutiere la concluzia că trebuie să adopte principii și tehnologii noi care să asigure un echilibru între realitatea economică și exigențele de mediu și sociale.
Structurile rutiere sunt îmbătrânite și se deteriorează. În plus, ele sunt afectate de creșterea explozivă a traficului și a încărcărilor date de vehicule. S-a ajuns la probleme grave de congestie a traficului și la insuficiența fondurilor necesare pentru a îmbunătăți condițiile de trafic actuale.
Factorii implicați în proiectarea, execuția, întreținerea și reabilitarea rețelei de structuri rutiere au observat că în momentul de față nu sunt utilizate soluții sustenabile pentru rezolvarea problemelor legate de infrastructura rutieră. Este necesară o nouă abordare care să implementeze soluții sustenabile prin menținerea structurilor rutiere în bună stare pentru o perioadă mai îndelungată. Acestea includ costuri reduse pe întreaga durată a ciclului de viață, impact redus asupra mediului și beneficii asupra societății.
În cadrul unui proiect aferent unei structuri rutiere există un echilibru între cei trei piloni ai sustenabilității: economic, de mediu și social. Identificarea și măsurarea fiecărui factor se realizează în fiecare etapă de viață a unei structuri rutiere începând cu proiectarea și alegerea materialelor și continuând cu execuția, întreținerea și reabilitarea. Pentru fiecare caz, este necesară identificarea factorilor care pot fi aplicați, colectarea datelor pentru factorii ce trebuie evaluați, aplicarea instrumentelor utile estimării impactului pe care îl produc, precum și evaluarea impactului cumulat al acestora (Figura III.1). Prin urmare, este necesară o analiză amănunțită pentru evaluarea sustenabilității unui proiect al unei structuri rutiere.
Figura III.1 – Identificarea și măsurarea pilonilor sustenabilității
Prin utilizarea unor metode moderne de proiectare structurală și a unor tehnologii eficiente de execuție pentru reabilitare, modernizare și dezvoltare, infrastructura de transport a României se poate integra în rețeaua Europeană de drumuri.
III.1. Stadiul actual al proiectării structurilor rutiere flexibile
În acest subcapitol vor fi tratate diferite metode de proiectare (atât pentru proiecte noi, cât și pentru proiecte de reabilitare) pentru îmbunătățirea sustenabilității structurilor rutiere flexibile.
Proiectarea structurilor rutiere presupune identificarea condițiilor de amplasament: zestrea existentă, tipul climateric, tipul de pământ, regimiul hidrologic, numărul de osii standard, alegerea tipului de structură rutieră și dimensionarea acesteia cu materialele ce o alcătuiesc pentru a ajunge la performanța dorită (planeitate, durată de viață, siguranță, rugozitate, fiabilitate, estetică). Proiectarea influențează factorii sustenabilității: durabilitatea, costurile pe întreaga durată de viață, performanța, materialele utilizate. Structurile rutiere din beton asfaltic (Asphalt concrete – AC) pot conține sau nu straturi suport de materiale granulare stabilizate sau nestabilizate, așezate pe un strat de fundație. Acestea sunt considerate flexibile deoarece preiau deformațiile din trafic.
Structura rutieră flexibilă este constituită din materiale necoezive stabilizate mecanic și/sau cu lianți hidrocarbonați: îmbrăcămintea (strat de uzură și strat de legătură) din straturi bituminoase, macadam sau pietruire; stratul de bază din anrobate bituminoase și stratul/straturile de fundație (numit și strat de rezistență) din structuri rutiere suple, vechi, balast stabilizat mecanic, macadam, macadam bituminos, pietruiri existente sau blocaj din piatră brută sau din bolovani de râu.
Structura rutieră mixtă este alcătuită din agregate naturale stabilizate mecanic și cu lianți hidraulici sau puzzolanici, în care apar fisurile din contracție: îmbrăcămintea (strat de uzură și strat de legătură) din straturi bituminoase; stratul de bază din anrobate bituminoase sau agregate naturale stabilizate cu ciment și stratul/straturile de fundație (numit și strat de rezistență) din agregate naturale stabilizate cu ciment sau cu lianți puzzolanici, straturi din beton de ciment, macadam cimentat, pavaje, structuri rutiere suple, vechi, balast stabilizat mecanic, macadam, macadam bituminos, pietruiri existente sau blocaj din piatră brută sau din bolovani de râu. Pentru a stabili stadiul actual de evoluție al metodelor de dimensionare aferent structurilor rutiere flexibileși pentru a implementa noi metode în țara noastră (cu luarea în considerare a condițiilor specifice de relief, trafic și climă), în cele ce urmează, se vor analiza principalele metode de dimensionare structurală utilizate, în prezent, în țară și în lume.
III.1.1. Metoda Normativ pentru dimensionarea structurilor rutiere suple și semirigide (metoda analitică) PD 177-2001
În România, la dimensionarea structurilor rutiere suple și semirigide pentru drumuri noi, drumuri expres, autostrăzi, străzi, pentru modernizarea drumurilor pietruite existente și pentru reabilitarea drumurilor de clasă tehnică I, II și III (opțional pentru cele de clasă tehnică IV și V) se utilizează Normativul pentru dimensionarea structurilor rutiere suple și semirigide (metoda analitică) PD 177-2001.
Pentru dimensionarea structurilor rutiere suple și semirigide se stabilește alcătuirea structurii rutiere și se verifică starea de solicitare a acestuia sub acțiunea traficului de calcul, astfel încât să fie îndeplinite următoarele criterii:
pentru structuri rutiere suple: deformația specifică de întindere admisibilă la baza straturilor bituminoase; deformația specifică de compresiune admisibilă la nivelul patului drumului;
pentru structuri rutiere semirigide: deformația specifică de întindere admisibilă la baza straturilor bituminoase; tensiunea de întindere admisibilă la baza stratului/straturilor din agregate naturale stabilizate cu lianți hidraulici sau puzzolanici; deformația specifică de compresiune admisibilă la nivelul patului drumului.
Cunoscând datele despre trafic (compoziție, intensitate, evoluție), caracteristicile geotehnice ale pământului de fundare și regimul hidrologic al complexului rutier (tipul profilului transversal, modul de asigurare a scurgerii apelor de suprafață, posibilitățile de drenare, nivelul apei freatice) se poate realiza dimensionarea structurilor rutiere suple și semirigide urmărind etape: stabilirea traficului de calcul, stabilirea capacității portante la nivelul patului drumului, alegerea alcătuirii structurii rutiere, analiza la solicitarea osiei standard și stabilirea comportării sub trafic a acesteia.
Din dimensionarea structurilor rutiere flexibile conform normativului românesc PD 177-2001 au rezultat structuri supradimensionate datorită valorilor reduse aferente modulelor de elasticitate ale mixturilor asfaltice. Grosimea structurii rutiere variază între 75 și 95 cm, iar durata de viață de 15 ani.Prin urmare, pe baza unor principii noi de proiectare, au fost propuse structurile rutiere flexibile durabile (LongLastingFlexiblePavement – LLFP). Acestea conțin materiale de calitate superioară (de exemplu, Stone MatrixAsphalt – SMA) , au grosimea mai redusă și sunt mai rezistente (durabile).
III.1.2. Structuri Rutiere Flexibile Durabile – Long Lasting Flexible Pavements
Pentru integrarea infrastructurii sale de transporturi în rețeaua de drumuri a Comunității Europene, România a recurs la reabilitarea și modernizarea rețelei de drumuri existente, utilizând metode moderne și eficiente de proiectare structurală, precum și tehnologii noi de execuție.
Structurile rutiere flexibile din tara noastră sunt dimensionate conform normativului românesc . Acestea sunt supradimensionate din cauza valorilor scăzute ale modulului de elasticitate dinamic al mixturilor asfaltice. Grosimile structurilor rutiere clasice de autostrăzi variază între 75 și 95 cm.
Comparativ cu structurile rutiere tradiționale, s-au făcut cercetări și pentru dezvoltarea conceptului de structură rutieră flexibilă durabilă. Acestea sunt concepute pe principii noi, implică utilizarea unor materiale de înaltă calitate (Stone Matrix Asphalt – SMA) , conduc la structuri rutiere cu grosimi reduse și mai durabile. Scopul este executarea drumurilor noi, în condițiile de trafic și climă specifice României.
O structură rutieră durabilă este viabilă, aceasta trebuie să îndeplinească anumite condiții :
proiectare împotriva apariției defectelor structurale;
selecția unor materiale de calitate;
execuție corectă;
identificarea degradărilor de suprafață
resuprafațare (pentru eliminarea fisurilor din oboseală, fisurilor din variații de temperatură, făgașelor longitudinale și deteriorărilor suprafeței apărute în stratul de uzură) și monitorizare periodică pentru menținerea funcționalității.
S-a demonstrat, pe baza unor cazuri reale, că structurile rutiere cu grosime mai mare, executate corect, au doar degradări de suprafață .
De asemenea, utilizarea materialelor asfaltice cu modul de elasticitate ridicat (E = 6,000-7000 MPa), în concordanță cu conceptele structurilor rutiere durabile conduce la executarea unor structuri flexibile cu grosime mai mică decât a celor clasice, dar capabile să suporte un trafic de calcul mai mare. Structurile rutiere flexibile durabile sunt rezistente la acțiuneaînghețului, în acord cu standardele românești .
III.1.3. Metoda de dimensionare Asphalt Institute
O paralelă între Metoda Românească (CALDEROM 2000) și Metoda Americană (Asphalt Institute), pentru dimensionarea structurilor rutiere flexibile durabile, s-a realizat în acțiunea unor categorii variate de trafic, în diverse ipoteze de calcul, pe baza unor studii de caz. Rezultatele obținute conduc la recomandarea de a implementa structurile rutiere flexibile durabile în România.
Metoda de proiectare Asphalt Institute consideră îmbrăcămintea ca un sistem elastic alcătuit din mai multe straturi. Pentru a dimensiona o structură rutieră flexibilă au fost elaborate diagrame de proiectare (pentru o gamă largă de încărcări din trafic, exprimate în osii standard de 80 KN), bazate pe două criterii (http://www.asphaltinstitute.org): criteriul efortului de întindere maxim de la baza straturilor de asfalt și efortul de compresiune vertical maxim de la suprafața patului drumului.
Pentru a proiecta o structură rutieră flexibilă, trebuie determinată grosimea minimă de asfalt care poate prelua eforturile dezvoltate conform celor două criterii de mai sus, parcurgând următoarele etape:
introducerea datelor de intrare:
modulul resilient: Mr= 1500 CBR: relația duce la cele mai bune rezultate, pentru CBR<20 (pentru pământuri coezive: argile, praf și materiale necoezive: nisip fin); relația nu este suficient de precisă pentru CBR>20 (materiale granulare);
traficul de calcul ESAL (m.o.s de 80 KN);
temperatura medie anuală MAAT (ș F).
alegerea materialelor ce vor fi utilizate în straturile de suprafață și în straturile de bază;
identificarea grosimii minime a straturilor utilizând diagramele de calcul specifice.
III.1.4. Obiective și strategii pentru realizarea îmbrăcăminților flexibile sustenabile
Evaluarea sustenabilității îmbrăcăminților rutiere
Deși, așa cum s-a arătat prin definiție, sustenabilitatea îmbrăcăminților implică aspecte tehnice, ecologice, sociale și economice, s-a pus, în prezent, problema evaluării acesteia atât sub aspect calitativ, cât și cantitativ.
Pentru stabilirea unei metode de evaluare a sustenabilității unei îmbrăcăminți trebuie să se ia în considerare scopurile și prioritățile proiectului și, funcție de acestea, să se stabilească:
1. Care componente și obiective ale sustenabilității au o valoare și o importanță deosebită;
2. Stabilirea ordinii de importanță a acestora;
3. Adoptarea strategiilor necesare realizării acestor obiective.
Conform acestor abordări, în studiile de sustenabilitate ale diverselor proiecte se recomandă să se stabilească minim două – trei alternative, urmând a alege în final alternativa cu cel mai scăzut cost al ciclului de viață.
Având în vedere aceste considerente, procesul global de analiză a sustenabilității la proiectarea îmbrăcăminților, poate fi condus după următoarea schemă (Figura III.2):
Figura III.2 – Schema propusă pentru analiza logică și evaluarea sustenabilității unei îmbrăcăminți rutiere flexibile sustenabile
Obiective și strategii pentru realizarea îmbrăcăminților flexibile sustenabile
În conformitate cu schema logică din Figura III.2 și Figura III.3, la proiectarea structurilor rutiere flexibile, se iau în considerare următoarele obiective: de performanță (siguranța, durata de viață extinsă), de costuri (costul total pe întreaga durată de viață a structurii rutiere este minimizat) și de sustenabilitate (impact redus asupra mediului, satisfacerea nevoilor societății, utilizarea materialelor reciclate, reducerea transportului de materiale).
Pentru realizarea acestor obiective, conform experienței acumulate până în prezent și recomandărilor din literatura de specialitate , pot fi luate în considerare o serie de strategii care privesc atât procesul de proiectare, cât și selectarea materialelor, tehnologiilor de execuție și de întreținere specifice.
Figura III.3 – Obiectivele proiectării structurilor rutiere sustenabile
În cele ce urmează, se prezintă un set de strategii pe care proiectantul le poate selecta și aplica în cadrul proiectului, în vederea analizei și evaluării sustenabilității acestuia (Tabelul III.1).
Menționăm că acest set nu este exhaustiv și că acest set de strategii va putea fi completat pe parcursul aplicării și implementării metodei în funcție de specificul proiectelor investigate.
Tabelul III.1 – Strategii care influențează semnificativ realizarea obiectivelor de sustenabilitate pentru structuri rutiere flexibile
În cele ce urmează se prezintă în detaliu fiecare din aceste strategii:
1. SPF-A – Realizarea structurilor rutiere cu durată de viață extinsă (LLFP – Long Lasting Flexible Pavements). Utilizarea materialelor de calitate superioară
Structura rutieră flexibilă proiectată cu durată de viață extinsă este considerată durabilă dacă este proiectată astfel încât tensiunea de întindere la baza straturilor asfaltice este inferioară limitei la care începe fisurarea (Figura III.4).
Figura III.4 – Secțiune transversală structură rutieră flexibilă
Structura rutieră flexibilă durabilă este alcătuită din: strat de fundație compactat, strat de bază (materiale granulare), strat asfaltic rezistent la întindere (51-76mm), strat asfaltic cu modul de elasticitate ridicat, strat asfaltic stabilizat sau cu polimeri (38-102mm) și strat de uzură cu polimeri, fibre recuperate din pneuri de cauciuc, mixturi poroase sau mixturi asfaltice stabilizate (25-51 mm) .
Proiectarea structurilor rutiere cu o durată de viață extinsă se realizează în vederea obținerii următoarelor beneficii din punct de vedere al sustenabilității:
cantitate redusă de mixtură asfaltică datorată utilizării materialelor de calitate superioară și compactării corespunzătoare, care asigură o rezistență bună la întindere și o secțiune transversală mai redusă decât a mixturilor asfaltice clasice;
strat de legătură realizat prin încorporarea unor cantități mai mari de materiale asfaltice reciclate amestecate cu lianți bituminoși;
mixturi asfaltice poroase (drenante) realizate cu bitum modificat ce permit reducerea zgomotului, scurgerea apelor pluviale captarea poluanților;
strat de bază granular realizat din materiale reciclate din beton de ciment sau din deșeuri.
2. SPF-B – Utilizarea unor materiale locale cu impact de transport redus
Încorporarea materialelor locale în proiectarea structurilor rutiere flexibile conduce la reducerea costurilor de transport și a impactului asupra mediului.
Utilizarea reciclării in situ (parțială sau totală) conduce la costuri inițiale reduse datorate diminuării transportului de materiale noi și executării straturilor mai subțiri. Au durată de viață extinsă dacă sunt proiectate și executate corespunzător.
3. SMF-C – Reducerea impactului extracției, procesării și transportului agregatului
Pentru a reduce impactul extracției de agregate noi asupra mediului, trebuie obținute autorizații pentru transportul de la cariere din zona aferentă lucrării, astfel încât distanțele să fie diminuate. Pentru a asigura performanța structurii rutiere, agregatele trebuie să întrunească anumite dimensiuni și proprietăți. Procesarea acestora presupune consum de energie, apă și emisii de gaze, eventual pot rezulta deșeuri din operațiunile de concasare. Zgomotul și praful rezultat au impact social și ecologic.
Uneori, agregatele care întrunesc calitatea cerută, trebuie transportate cu ajutorul camioanelor de la distanțe foarte mari, având impact economic, ecologic și social (trebuie protejate comunitățile existente în zona carierelor) semnificativ. În acest caz, pentru reducerea impactului creat de transport, se recomandă utilizarea materialelor locale noi sau reciclate, a transportului maritim sau feroviar care sunt mai puțin poluante și autorizarea zonelor de extragere și procesare mai apropiate de zona de lucru.
4. SMF-D – Utilizarea materialelor reciclate și a deșeurilor industriale (zguri de furnal)
Este recomandată utilizarea materialelor reciclate disponibile pentru a obține un cost diminuat, o durată de viață extinsă și eliminarea necesității de depozitare a deșeurilor. Dacă se folosește asfaltul cauciucat în componența betonului asfaltic, costul inițial este crescut, dar obținem o durată de viață extinsă și investiția poate fi recuperată mai ușor în cazul turnării în straturi subțiri. Prin utilizarea asfaltului reciclat în loc de liant se obține un cost redus.
Storcurile de materiale și deșeurile necesită gestionarea prin tratarea solurilor contaminate, eliminarea deșeurilor care afectează calitatea apelor pluviale din șanțuri, rigole și canale de scurgere.
5. SMF-E – Extinderea duratei de viață a betonului asfaltic utilizând aditivi de tipul polimerilor și fibrelor de celuloză (MASF 16, MASF 8), precum și aditivi pentru sporirea adezivității bitumului la suprafața agregatelor minerale
Extinderea duratei de viață a betonului asfaltic prin proiectare eficientă și compactare corectă, reduce impactul asupra mediului pe durata de viață a structrurii rutiere.
Cauciucul recuperat din pneurile uzate și polimerii utilizați în amestecuri conduc la creșterea duratei de viață, au cost inițial crescut ce poate fi compensat prin reducerea grosimii structurii rutiere, dar pot avea și impact diminuat asupra mediului prin scăderea cantității de materiale utilizate în timp.
Utilizarea materialelor asfaltice cu polimeri modificați conduce la o durată de viață extinsă a structurilor rutiere, prin creșterea rezistenței la formarea făgașelor, sensibilitate scăzută la fisurare și reducerea fisurilor transmise prin reflexie sau a fisurilor cauzate de reflexia/transmisia rosturilor (reflection cracking). Creșterea duratei de viață poate implica și scăderea frecvenței întreținerii și reabilitării, precum și reducerea impactului asupra mediului.
Extinderea duratei de viață a betonului asfaltic este realizată și prin utilizarea aditivilor care sporesc adezivitatea bitumului la suprafața agregatelor minerale. Aceștia reduc riscul deteriorării premature datorate umezelii, impactul de mediu este ridicat datorită procesului de fabricație, muncitorii sunt expuși emisiilor, iar costul inițial este ușor ridicat.
6. SEF-F – Reducerea zgomotului (restricții în timpul execuției, întreținerea corectă a utilajelor)
Executarea mixturilor asfaltice poroase (drenante) presupun un cost ridicat, înlocuirea frecventă a stratului de suprafață, dar au avantajul reducerii nivelului de zgomot.
Reducerea zgomotului poate fi controlată prin depozitarea materialelor la distanță de zonele locuite, diverse restricții pe parcursul execuției (care au efect asupra productivității, cresc emisiile și este afectată calitatea aerului) și modificarea și/sau întreținerea corectă a utilajelor pentru reducerea nivelului de zgomot.
7. SEF-G – Execuția rapidă combinată cu strategii de control al traficului în timpul execuției
Execuția rapidă este utilizată pentru minimizarea duratei de construcție și a timpului de închidere a benzilor de circulație, a întârzierii utilizatorilor, reducerea emisiilor și reducerea riscului de accidente prin îmbunătățirea siguranței.
Controlul eficient al traficului presupune decongestionarea acestuia, siguranța utilizatorilor, diminuarea consumului de combustibil, calitatea îmbunătățită a aerului și timp câștigat. Prin implementarea sistemelor inteligente de avertizare, utilizatorii au posibilitatea de a alege varianta ocolitoare înainte de a ajunge în zona de lucru, fapt ce reduce întârzierile și crește siguranța.
8. SEF-H – Utilizarea pe scară largă a reciclării in situ sau în instalații, pentru reabilitarea îmbrăcăminților existente
Prin utilizarea tehnologiei de reciclare în instalații a betonului asfaltic este diminuată utilizarea liantului și agregatelor noi. Un impact ecologic major este reprezentat de extragerea și prelucrarea liantului din resursele limitate de petrol. Amestecul materialelor reciclate cu lianți modificați din anvelope uzate este îmbunătățit treptat și nu afectează performanța structurii rutiere.
La fel, prin utilizarea tehnologiei de reciclare in situ (parțială sau totală) a betonului asfaltic este diminuată utilizarea liantului și agregatelor noi, prin urmare există un impact redus asupra mediului și a costurilor, iar transportul este limitat. Reciclarea la cald in situ contribuie la corectarea părții superioare a suprafeței existente deteriorate, prin încălzirea suprafeței, amestecarea cu un agent de reciclare, agregate și bitum. Reciclarea la rece in situ este realizată prin frezarea asfaltului recuperat, amestecarea cu aditiv reciclat și agregate, așterenere și compactare. Siguranța utilizatorilor este astfel îmbunătățită prin creșterea rugozității, drenare optimă și aspect estetic.
III.2. Stadiul actual al proiectării structurilor rutiere rigide
În acest subcapitol vor fi tratate diferite metode de proiectare (atât pentru proiecte noi, cât și pentru proiecte de reabilitare) pentru îmbunătățirea sustenabilității structurilor rutiere rigide.
Proiectarea structurilor rutiere presupune identificarea condițiilor de amplasament: zestrea existentă, tipul climateric, tipul de pământ, regimiul hidrologic, numărul de osii standard, alegerea tipului de structură rutieră și dimensionarea acesteia cu materialele ce o alcătuiesc pentru a ajunge la performanța dorită. Proiectarea influențează factorii sustenabilității: durabilitatea, costurile pe întreaga durată de viață, performanța, materialele utilizate. Structurile rutiere din beton de ciment hidraulic (Hydraulic cement concrete – HCC) pot conține sau nu straturi suport de materiale granulare stabilizate sau nestabilizate.
Structura rutieră rigidă clasică este alcătuită din îmbrăcăminte (dală) din beton de ciment, cu unul sau două straturi (strat de uzură – stratul superior și strat de rezistență – stratul inferior) sau macadam cimentat, din unul sau mai multe straturi de fundație (numit și strat portant) stabilizat sau nu cu lianți și, eventual, din strat de formă.
Materialele utilizate în componența îmbrăcăminților rutiere rigide sunt: agregate naturale (nisip, pietriș), piatră spartă, cribluri, ciment, apă, aditivi, materiale pentru rosturi, oțel-beton, fibre de oțel. În prezent, îmbrăcămințile din beton de ciment sunt realizate pe toată lățimea părții carosabile, sub forma dalelor din beton de ciment 18…25 cm grosime, cu rosturi longitudinale între benzile de circulație și rosturi transversale de contracție și dilatație. La îmbrăcămințile rutiere din beton de ciment, repartizarea solicitărilor se realizează pe o suprafață mult mai mare decât în cazul îmbrăcăminților din mixturi asfaltice, prin urmare deformațiile sub solicitări sunt mai reduse, iar durata de exploatare este de 20… 30 ani .
Pentru a stabili care este stadiul de evoluție actual al metodelor de dimensionare aferent structurilor rutiere rigide și pentru a implementa noi metode în țara noastră cu luarea în considerare a condițiilor specifice de relief, trafic și climă, în cele ce urmează, se vor analiza principalele metode de dimensionare structurală utilizate, în prezent, în țară și în lume.
III.2.1. Metoda de dimensionare a structurilor rutiere rigide conform Normativului NP 081-2002
În România, la dimensionarea structurilor rutiere rigide pentru drumuri noi de interes național, județean și local, pentru modernizarea drumurilor existente și pentru drumuri de exploatare se utilizează Normativul de dimensionare a structurilor rutiere rigide NP 081-2002.
Cunoscând datele despre trafic (compoziție, intensitate, coeficienți de evoluție și de echivalare a vehiculelor fizice în osii standard), caracteristicile geotehnice ale pământului de fundare și regimul hidrologic al complexului rutier (tipul profilului transversal, modul de asigurare a scurgerii apelor de suprafață, posibilitățile de drenare, nivelul apei freatice) se poate realiza dimensionarea structurilor rutiere rigide. Această dimensionare se bazează pe criteriul tensiunii admisibile la întindere din încovoiere a betonului de ciment. Dimensionarea structurii rutiere rigide se efectuează pe baza diagramelor de dimensionare sau a corelațiilor de dimensionare și comportă următoarele etape: stabilirea traficului de calcul, stabilirea capacității portante a pământului de fundare, alcătuirea structurii rutiere, stabilirea capacității portante la nivelul stratului de fundație, calculul grosimii dalei din beton de ciment, precum și verificarea structurii rutiere rigide la acțiunea îngheț – dezghețului.
III.2.2. Metoda de proiectare Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide ME-PDG
Procedeele de proiectare empirice/convenționale au anumite limitări. În industria structurilor rutiere sunt promovate permanent materiale și metode noi. Performanța structurilor rutiere existente nu oferă orientări suficiente cu privire la modul cum se vor efectua structurile rutiere construite cu aceste materiale și metode noi.
De asemenea, solicitările din trafic sunt în schimbare prin încărcările mai mari și prin prezența autovehiculelor cu configurații diferite. Luând în considerare aceste modificări, este de așteptat ca procedurile de dimensionare convenționale/empirice să nu fie la fel de utile în viitor, cum au fost în trecut. Adică, este dificil să se proiecteze structuri rutiere pentru viitor, folosind practici din trecut.
Avantajele metodei ME-PDG față de procedurile tradiționale empirice sau semi-empirice sunt următoarele:
considerarea diversele tipuri de vehicule fizice la evaluarea traficului;
utilizarea eficientă și caracterizarea materialelor de construcție;
definirea optimă a tehnologiei de construcție, prin identificarea parametrilor ce influențează performanța îmbrăcămintei;
evaluarea relațiilor dintre proprietățile materialelor și performanțele îmbrăcămintei;
definirea proprietăților fizico-mecanice ale materialelor din straturile existente ale structurii;
luarea în considerare a condițiilor de mediu și a efectelor îmbătrânirii materialelor.
O soluție pentru revizuirea procedurilor de proiectare în vigoare, este asimilarea și implementarea metodei ME-PDG în România.
Metoda LongLasting Rigid Pavements – LLRP pentru structurile rutiere rigide durabile constituie o adaptare a metodei ME-PDG la condițiile specifice de trafic și climă din România.
III.2.3. Obiective și strategii pentru realizarea îmbrăcăminților rigide sustenabile
Obiectivele realizării structurilor rutiere rigide sustenabile sunt similare celor stabilite pentru îmbrăcăminți flexibile sustenabile.
De asemenea, schema logică de evaluare a sustenabilității folosește principii similare și se prezintă după cum urmează (Figura III.5):
Figura III.5 – Schema propusă pentru analiza logică și evaluarea sustenabilității unei îmbrăcăminți rutiere rigide sustenabile (* – Metoda LLRP constituie o adaptare a metodei ME-PDG la condițiile specifice rețelei de drumuri din România )
În Tabelul III.2 sunt prezentate sintetic strategiile care influențează semnificativ realizarea obiectivelor de sustenabilitate pentru structurile rutiere rigide.
Tabelul III.2 – Strategii care influențează semnificativ realizarea obiectivelor de sustenabilitate pentru structuri rutiere rigide
În cele ce urmează se prezintă în detaliu fiecare din aceste strategii:
1. SPR-A – Realizarea structurilor rutiere cu durată de viață extinsă (LLRP – Long Lasting Rigid Pavements). Utilizarea materialelor de calitate superioară
Structura rutieră rigidă proiectată cu durată de viață extinsă rezistă la oboseală și are cerințe de întreținere reduse (Figura III.6):
Figura III.6 – Secțiune transversală structură rutieră rigidă
Structura rutieră rigidă durabilă este alcătuită din: strat de fundație compactat, strat din agregate (305 mm), strat de bază din beton asfaltic (102-152 mm) și 0,7-0,8% oțel cu înveliș epoxidic, înglobat în mixtura de beton de ciment (305-330 mm) .
Structurile rutiere rigide din beton de ciment simplu sau armat (cu durata de viață între 35-60 ani), își mențin integritatea structurală și necesită doar întreținerea periodică a suprafeței pentru a îmbunătățirea caracteristicilor de planeitate, rugozitate și pentru scăderea nivelul de zgomot produs. Obiectivele de proiectare sunt realizate prin utilizarea materialelor de calitate superioară, a mixturilor de beton sustenabile și a plăcilor de beton de ciment mai groase, armate.
Betonul de ciment reciclat pot fi utilizat în toate straturile structurii rutiere pentru a reduce tensiunea din stratul de fundație, protejarea la acțiunea înghețului și sporirea drenajului subteran.
2. SPR-B – Utilizarea unor materiale locale cu impact de transport redus
Încorporarea materialelor locale în proiectarea structurilor rutiere rigide conduce la reducerea costurilor de transport și a impactului asupra mediului.
Utilizarea reciclării in situ (parțială sau totală) conduce la costuri inițiale reduse datorate diminuării transportului de materiale noi și executării straturilor mai subțiri. Au durată de viață extinsă dacă sunt proiectate și executate corespunzător.
3. SMR-C – Reducerea impactului extracției, procesării și transportului agregatului
Pentru a reduce impactul extracției de agregate noi asupra mediului, trebuie obținute autorizații pentru transportul de la cariere din zona aferentă lucrării, astfel încât distanțele să fie diminuate. Pentru a asigura performanța structurii rutiere, agregatele trebuie să întrunească anumite dimensiuni și proprietăți. Procesarea acestora presupune consum de energie, apă și emisii de gaze, eventual pot rezulta deșeuri din operațiunile de concasare. Zgomotul și praful rezultat au impact social și ecologic.
Uneori, agregatele care întrunesc calitatea cerută, trebuie transportate cu ajutorul camioanelor de la distanțe foarte mari, având impact economic, ecologic și social (trebuie protejate comunitățile existente în zona carierelor) semnificativ. În acest caz, pentru reducerea impactului creat de transport, se recomandă utilizarea materialelor locale noi sau reciclate, a transportului maritim sau feroviar care sunt mai puțin poluante și autorizarea zonelor de extragere și procesare mai apropiate de zona de lucru.
4. SMR-D – Utilizarea materialelor reciclate și a deșeurilor industriale (fibre de oțel recuperate din anvelope uzate – EcoLanes)
În cazul utilizării materialelor reciclate în componența structurilor rutiere din beton de ciment din unul sau două straturi se obțin costuri diminuate pe durata de viață și transport redus.
Storcurile de materiale și deșeurile necesită gestionarea prin tratarea solurilor contaminate, eliminarea deșeurilor care afectează calitatea apelor pluviale din șanțuri, rigole și canale de scurgere.
5. SMR-E – Extinderea duratei de viață a betoanelor de ciment folosind fibrele de oțel recuperate din anvelope uzate
Utilizarea fibrelor de oțel recuperate din anvelope uzate în compoziția betoanelor de ciment presupune costuri suplimentare pentru testările implicate, dar costuri de exploatare diminuate, durata de viață este extinsă, iar activitățile de întreținere sunt necesare mult mai rar.
6. SER-F – Reducerea zgomotului (restricții în timpul execuției, întreținerea corectă a utilajelor)
Executarea suprafețelor de beton de ciment moderne presupun un cost ridicat, dar au avantajul reducerii nivelului de zgomot.
Reducerea zgomotului poate fi controlată prin depozitarea materialelor la distanță de zonele locuite, diverse restricții pe parcursul execuției (care au efect asupra productivității, cresc emisiile și este afectată calitatea aerului) și modificarea și/sau întreținerea corectă a utilajelor pentru reducerea nivelului de zgomot.
7. SER-G – Execuția rapidă combinată cu strategii de control al traficului în timpul execuției
Execuția rapidă este utilizată pentru minimizarea duratei de construcție și a timpului de închidere a benzilor de circulație, a întârzierii utilizatorilor, reducerea emisiilor și reducerea riscului de accidente prin îmbunătățirea siguranței.
Controlul eficient al traficului presupune decongestionarea acestuia, siguranța utilizatorilor, diminuarea consumului de combustibil, calitatea îmbunătățită a aerului și timp câștigat. Prin implementarea sistemelor inteligente de avertizare, utilizatorii au posibilitatea de a alege varianta ocolitoare înainte de a ajunge în zona de lucru, fapt ce reduce întârzierile și crește siguranța.
8. SER-H – Utilizarea pe scară largă a reciclării in situ sau în instalații, pentru reabilitarea îmbrăcăminților existente
Prin intermediul tehnologiei de reciclare in situ este redus consumul de materiale noi, costul acestora și al transportului aferent. Este îmbunătățit impactul asupra mediului prin diminuarea consumului de combustibil și a emisiilor de gaze cu efect de seră, iar resursele sunt conservate.
9. SER-I – Tehnologia de punere în operă EcoLanes (beton compactat)
Tehnologia de de punere în operă EcoLanes presupune conceperea și executarea structurilor rutiere rigide durabile, utilizând betonul de ciment armat cu fibre de oțel preluate de la reciclarea anvelopelor uzate. Acest tip de beton are un conținut de apă mai mic decât raportul apă ciment (A/C) clasic, care este determinat prin încercarea Proctor. Acest beton are rezistențe foarte mari, iar prin adăugarea fibrelor de oțel preluate de la reciclarea anvelopelor uzate este realizat un modul de rigiditate ridicat și durabilitatea crescută.
Creșterea volumului de trafic în municipiul Iași a scos în evidență necesitatea realizării unei variante ocolitoare pentru traficul greu, care să facă legătura între DN 24 (Iași – Târgu Frumos) și DJ 248A (Iași – Țibănești) (Figura IV.1).
Figura IV.1 – Varianta de ocolire a municipiului Iași
Proiectarea structurilor rutiere presupune identificarea condițiilor de amplasament: tipul climateric, tipul de pământ, regimiul hidrologic, numărul de osii standard, alegerea tipului de structură rutieră și dimensionarea acesteia cu materialele ce o alcătuiesc pentru a ajunge la performanța dorită (planeitate, durată de viață, siguranță, rugozitate, fiabilitate, estetică).
În scopul evaluării comparative a sustenabilității structurilor rutiere flexibile s-a avut în vedere structura rutieră clasică proiectată și realizată conform normativului pentru dimensionarea structurilor rutiere suple și semirigide PD 177-2001, pe sectorul km 0+785 – 3+110, precum și două alternative proiectate utilizând aceleași date de intrare (trafic, climă, teren de fundare etc.), și anume: metoda Asphalt Institute și, respectiv, metoda Long Lasting Flexible Pavement – LLFP.
În cele ce urmează se prezintă aspectele sustenabilității alternativei clasice realizată deja pe această variantă de ocolire a municipiului Iași, precum și aspectele sustenabilității celorlalte două alternative luate în studiu.
Pentru realizarea unei analize logice conform schemei propuse în capitolul III (Figura III.2), s-au stabilit obiectivele tehnico – economice și datele de intrare referitoare la trafic, regimul climatic, caracteristicile materialelor disponibile și tehnologiile de execuție.
La proiectarea structurilor rutiere flexibile, s-au avut în vedere următoarele obiective:
obiectivele de performanță: Realizarea unei variante de ocolire a orașului Iași, destinată traficului de tranzit, menită să satisfacă cerințele desfășurării circulației rutiere în condiții de siguranță și confort. Executarea unei structuri rutiere durabile care să întrunească pe termen lung cerințele utilizatorilor, având o durată de viață extinsă.
obiectivele privind costurile: Alegerea soluției de traseu care să conducă la un cost total minim pe durata de viață a structurii rutiere.
obiectivele privind sustenabilitatea: În conformitate cu politica de transport aplicată de Uniunea Europeană, realizarea acestui proiect trebuie să conducă la reducerea impactului negativ asupra mediului, prin diminuarea emisiilor de poluanți. De asemenea, proiectul prevede satisfacerea nevoilor sociale pentru toți utilizatorii drumului, pentru o perioadă îndelungată, precum și reducerea costurilor aferente transportului.
DATE DE INTRARE
datele de trafic
Autoritățile locale au solicitat propunerea unei varinte de ocolire a municipiului Iași pentru traficul greu (de tranzit). Prezentul studiu incorporează datele de trafic comunicate de Centrul de Studii Tehnice Rutiere și Informatică, din cadrul Companiei Naționale de Autostrăzi și Drumuri Naționale din România și prognozele pentru traficul atras aferente anilor 2010, 2025 și 2040 elaborate de IPTANA S.A. (Tabel IV.1, IV.2 și IV.14).
Conform reglementărilor tehnice în vigoare traficul de calcul a fost evaluat cu ajutorul relației (IV.1) :
(IV.1)
unde:
traficul de calcul;
numărul de zile calendaristice dintr-un an;
perioada de perspectivă, în ani;
coeficientul de repartiție transversală, pe benzi de circulație;
intensitatea medie zilnică anuală a traficului, exprimată în osii standard de 115 kN, la începutul și la sfârșitul perioadei de perspectivă.
În Tabelele IV.1 și IV.2 sunt prezentate valorile intensității medii zilnice anuale a traficului pentru începutul (anul 2010) și, respectiv, sfârșitul perioadei de perspectivă (anul 2025).
Tabel IV.1 – Intensitatea medie zilnică anuală (MZA) a traficului pe categorii de vehicule pentru anul 2010
Tabel IV.2 – Intensitatea medie zilnică anuală (MZA) a traficului pe categorii de vehicule pentru anul 2025
Pentru proiectarea structurilor rutiere flexibile normativul românesc prevede o perioadă de perspectivă , coeficientul de repartiție transversală pentru drumuri cu două benzi de circulație având valoarea . Pentru studiul de dimensionare s-a luat în considerare valoarea medie a intensităților MZA specificate în Tabelul IV.3.
Tabel IV.3 – Valoarea medie a intensităților medii zilnice anuale pentru începutul și sfârșitul perioadei de perspectivă (2010 – 2025)
Introducând această valoare în relația (IV.1), rezultă un trafic de calcul de 1,18 m.o.s. 115 kN.
Conform Tabelului IV.4, acest trafic de calcul se încadrează în clasa de trafic „foarte greu”.
Tabel IV.4 – Clasa de trafic determinată pe baza traficului de calcul
regimul climatic
Municipiul Iași constituie un nod rutier major al rețelei rutiere naționale și este amplasat în partea de nord – est a României. Pentru ca traficul rutier să se desfășoare în condiții de siguranță și confort, este necesar ca traficul de tranzit să fie deviat pe direcția vest – sud – est. Prin urmare, drumul studiat se află în zona cu tipul climateric I, conform hărții din Figura IV.2.
Figura IV.2 – Harta cu repartiția tipurilor climaterice pe teritoriul României
tehnologiile de execuție
Tehnologiile de execuție presupun realizarea în etape succesive a terasamentelor, a straturilor de fundație, de bază și a straturilor de uzură și legătură din îmbrăcăminte bituminoasă conform informațiilor date în caietele de sarcini aferente proiectului.
caracteristicile materialelor disponibile
Conform studiului geotehnic, pământul este de tip P5, adică pământ sensibil și foarte sensibil la îngheț, care are o capacitate portantă redusă.
Structura rutieră este executată pe suprafața amenajată a terasamentelor rutiere, adică, pentru studiul de caz, pe pământul de fundare . Pe baza tipului de pământ, a tipului climateric aferent zonei în care este amplasat drumul și a regimului hidrologic al complexului rutier s-au stabilit caracteristicile de deformabilitate ale pământului de fundare (modulul de elasticitate dinamic, E, în MPa și coeficientul lui Poisson, ) conform Tabelului IV.5.
Tabelul IV.5 – Caracteristicile de deformabilitate ale pământului de fundare
În cadrul studiului privind aspectele sustenabilității, pentru sectorul de drum km 0+785 – 3+110 au fost luate în considerare următoarele structuri rutiere:
Alternativa a: Structură rutieră flexibilă clasică dimensionată conform normativului pentru dimensionarea structurilor rutiere suple și semirigide PD 177-2001 și utilizând programul informatic CALDEROM 2000.
Alternativele b1 și B2: Structuri rutiere flexibile dimensionate conform metodei Asphalt Institute.
Alternativele c1 și C2: Structuri rutiere flexibile durabile proiectate conform metodei Long Lasting Flexible Pavement – LLFP.
Conform acestor alternative au fost concepute și proiectate o serie de structuri rutiere cu durate de viață de 15 și, respectiv, 30 de ani, așa cum rezultă din Tabelul IV.6.
Tabelul IV.6 – Eșalonarea studiilor de caz în funcție de metoda de dimensionare structurală și durata de viață
4.1. Proiectarea structurilor rutiere flexibile conform metodei normativului pentru dimensionarea structurilor rutiere suple și semirigide PD 177-2001
ALTERNATIVA A
Profilul transversal aferent structurii rutiere clasice este cel prezentat în Figura IV.3.
Figura IV.3 – Profil transversal tip
a. Alegerea alcătuirii structurii rutiere
Conform proiectului luat în considerare ca referință pentru analiza sustenabilității (vezi Figura IV.3), pentru un drum național cu două benzi de circulație, de clasă tehnică III , un trafic de calcul de 1,18 m.o.s. 115 kN și o perioadă de perspectivă de 15 ani, pe sectorul de drum km 0+785 – 3+110, a rezultat o structură rutieră clasică confom Tabelului IV.7 și Figurii IV.4.
Figura IV.4 – Structură rutieră clasică
Tabelul IV.7 – Alcătuirea structurii rutiere flexibile clasice
Structura rutieră luată înconsiderare este caracterizată prin grosimile straturilor rutiere, valorile de calcul ale modulului de elasticitate dinamic și ale coeficentului lui Poisson așa cum reiese din Tabelul IV.8.
Tabelul IV.8 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă
*) valoare preluată din proiect
Modulul de elasticitate dinamic al stratului inferior de fundație s-a determinat cu ajutorul relației (IV.2):
(IV.2)
în care:
grosimea stratului inferior de fundație, în mm;
modulul de elasticitate dinamic al pământului de fundare, în MPa.
b. Analiza structurii rutiere flexibile la solicitările osiei standard presupune calcularea deformațiilor specifice, cu ajutorul programului CALDEROM 2000, în acele puncte ale complexului rutier considerate critice, adică în stare de solicitare maximă :
pentru deformația specifică orizontală de întindere (microdeformații) la baza straturilor bituminoase
adâncimea de la suprafața îmbrăcămintei unde se determină deformația, în cm;
grosimea fiecărui strat bituminos, în cm
pentru deformația specifică verticală de compresiune (microdeformații) la nivelul patului drumului
grosimea totală a structurii rutiere, în cm.
Structura rutieră flexibilă considerată și pământul de fundare sunt reprezentate prin 6 straturi. În scopul rulării programului CALDEROM 2000, considerăm că primul strat este reprezentat de îmbrăcămintea bituminoasă în grosime de 4+6 = 10 cm, cu valoarea modulului de elasticitate dinamic mediu ponderat calculat cu ajutorul relației (IV.3):
(IV.3)
în care:
modulul de elasticitate dinamic al materialului din stratul i, în MPa;
grosimea stratului i, în cm
Figura IV.5 – Rezultatele obținute cu ajutorul programului informatic CALDEROM 2000 pentru structura rutieră flexibilă clasică
c. Stabilirea comportării sub trafic a structurii rutiere
Structura rutieră flexibilă poate prelua solicitările date de trafic, pe parcursul perioadei de perspectivă de 15 ani, dacă sunt îndeplinite simultan următoarele criterii :
Criteriul deformației specifice de întindere admisibile la baza straturilor bituminoase este respectat dacă este verificată relația (IV.4):
(IV.4)
unde:
traficul de calcul în m.o.s. de 115 kN
(IV.5)
numărul de solicitări admisibil, în m.o.s., care poate fi preluat de straturile bituminoase, corespunzător stării de deformație la baza acestora, calculat cu relația (IV.5).
pentru drumuri naționale principale
Criteriul deformației specifice verticale admisibile la nivelul pământului de fundare este verificat dacă este respectată relația (IV.6):
(IV.6)
deformația specifică verticală de compresiune la nivelul pământului de fundare (în microdeformații);
deformația specifică verticală admisibilă la nivelul pământului de fundare (în microdeformații), calculată cu relația (IV.7) – pentru drumuri cu traficul de calcul peste 1 m.o.s. 115 kN
(IV.7)
microdeformații
Valorile deformațiilor și au fost preluate din rezultatele oferite de programul informatic CALDEROM 2000, conform Figurii IV.5.
d. Verificarea rezistenței la îngheț – dezgheț
Calculul pentru verificarea rezistenței structurii rutiere flexibile la acțiunea fenomenului de îngheț – dezgheț, se efectuează pentru situațiile prezentate în Tabelul IV.9, luând în considerare gradul de sensibilitate al pământului P5, condițiile hidrologice mediocre și defavorabile, precum și pozița adâncimii de îngheț în complexul rutier față de grosimea structurii rutiere și nivelul apei freatice .
Tabelul IV.9 – Variantele pentru care se face verificarea la îngheț – dezgheț
Se calculează adâncimea de îngheț în structura rutieră (cm) cu relația IV.8):
(IV.8)
adâncimea de îngheț în pământul din terasament (cm);
sporul adâncimii de îngheț (determinat de capacitatea straturilor structurii rutiere de a transmite căldura) calculat cu relația (IV.9)
(IV.9)
grosimea structurii rutiere alcătuită din straturi de materiale rezistente la îngheț (cm);
grosimea echivalentă de calcul la îngheț pentru structura rutieră (cm), aflată cu ajutorul relației (IV.10)
(IV.10)
grosimea fiecărui strat din structura rutieră (cm);
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică fiecărui material din structura rutieră conform Tabelului IV.10;
numărul de strturi din materiale rezistente la îngheț – dezgheț.
Tabelul IV.10 – Valorile coeficientului de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică fiecărui material din structura rutieră
* Pentru cele două straturi de fundație am considerat valoarea coeficientului de echivalare identică cu cea pentru zgură brută de furnal
Indicele de îngheț se stabilește pe baza tipului climatic, a regimului hidrologic din complexul rutier și a tipului de pământ, conform Tabelului IV.11.
Tabelul IV.11 – Stabilirea indicelui de îngheț
Figura IV.6 – Diagrama pentru stabilirea adâncimii de îngheț
Pentru structurile rutiere flexibile și clasa de trafic „foarte greu” valoarea indicelui de îngheț se determină pe baza izoliniilor din hărțile de zonare a teritoriului României . Argila, în condițiile mediocre și defavorabile, corespunde curbei cu numărul 8. Conform diagramei din Figura IV.6, adâncimea de îngheț este .
Gradul de asigurare la pătrunderea înghețului în complexul rutier este determinat cu ajutorul relației (IV.11) :
(IV.11)
Structura rutieră flexibilă aleasă este rezistentă la îngheț – dezgheț dacă gradul de asigurare la pătrunderea înghețului în complexul rutier are valoarea minimă de 0,50, conform Tabelului IV.12.
Tabelul IV.12 – Stabilirea gradului de asigurare la pătrunderea înghețului în complexul rutier
Conform calculelor efectuate , rezultă că structura rutieră flexibilă aleasă rezistă la acțiunea fenomenului de îngheț – dezgheț.
Se constată că pentru structura rutieră clasică concepută și proiectată conform Alternativei A sunt verificate condițiile de proiectare pentru perioada de perspectivă de 15 ani, inclusiv verificarea la îngheț – dezgheț.
Această alternativă este luată în considerare ca element de referință la evaluarea aspectelor de sustenabilitate a acesteia în comparație cu celelalte alternative luate în studiu.
4.2. Proiectarea structurilor rutiere flexibile durabile Long Lasting Flexible Pavement – LLFP conform metodei PD 177-2001
ALTERNATIVA B1
În ipoteza că durata de viață proiectată în cazul structurii rutiere flexibile durabile dimensionată conform metodei Long Lasting Flexible Pavement – LLFP este de 15 ani, valoarea traficului de calcul și metoda de dimensionare sunt similare celor clasice din normativul PD 177-2001.
Traficul de calcul este 1,18 m.o.s. de 115 kN.
a. Alegerea alcătuirii structurii rutiere
Structura rutieră aleasă este evidențiată în Figura IV.7 și Tabelul IV.13 și este caracterizată prin grosimile straturilor rutiere, valorile modulului de elasticitate dinamic și coeficientul lui Poisson
Figura IV.7 – Structură rutieră LLFP
Tabelul IV.13 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă dimensionată conform metodei LLFP
*)
b. Analiza structurii rutiere flexibile LLFP la solicitările osiei standard
În scopul analizării structurii rutiere flexibile LLFP la solicitările osiei standard se calculează deformațiile specifice, cu ajutorul programului CALDEROM 2000, în punctele de solicitare maximă ale complexului rutier:
pentru deformația specifică orizontală de întindere (microdeformații) la baza straturilor bituminoase
adâncimea de la suprafața îmbrăcămintei unde se determină deformația, în cm;
grosimea fiecărui strat bituminos, în cm
pentru deformația specifică verticală de compresiune (microdeformații) la nivelul patului drumului
grosimea totală a structurii rutiere, în cm.
Figura IV.8 – Rezultate obținute cu ajutorul programului informatic CALDEROM 2000 pentru structura rutieră flexibilă LLFP
c. Stabilirea comportării sub trafic a structurii rutiere
Pentru ca structura rutieră durabilă să poată prelua solicitările traficului, trebuie să fie îndeplinite simultan următoarele criterii :
Criteriul deformației specifice de întindere admisibile la baza straturilor bituminoase este respectat dacă relația (IV.4) este verificată: ,
unde:
(IV.5)
Criteriul deformației specifice verticale admisibile la nivelul pământului de fundare este verificat dacă (IV.6)
microdeformații
Valorile deformațiilor și au fost preluate din rezultatele oferite de programul informatic CALDEROM 2000, conform Figurii IV.8.
d. Verificarea rezistenței la îngheț – dezgheț
Comportamentul structuri rutiere flexibile durabile la acțiunea fenomenului de îngheț-dezgheț este considerat satisfăcător dacă se verifică următoarele condiții , :
(IV.11)
(IV.10)
(IV.11)
Structura rutieră flexibilă LLFP nu se verifică la acțiunea fenomenului de îngheț-dezgheț.
În scopul realizării gradului de asigurare la pătrunderea înghețului pentru metoda LLFP, se recurge la îmbunătățirea terenului de fundare, la prevederea unui strat de fundație anticapilar, drenant sau a unui strat de formă din materiale care rezistă la acțiunea îngheț – dezghețului, conform eșalonării din Tabelul IV.14. Grosimea acestor straturi este calculată cu ajutorul relației (IV.12) :
(IV.12)
Tabelul IV.14 – Eșalonarea soluțiilor pentru obținerea gradului de asigurare la pătrunderea înghețului pentru structurile rutiere de tip LLFP pentru o perioadă de perspectivă de 15 ani
ALTERNATIVA B1a cu strat de fundație din agregate naturale stabilizate cu zgură granulată
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică, pentru agregate naturale stabilizate cu zgură granulată
Se consideră grosimea stratului din agregate naturale stabilizate cu zgură granulată de 20 cm și se reface calculul pentru verificarea la îngheț – dezgheț.
ALTERNATIVA B1b cu strat de fundație din agregate de zgură de oțelărie
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică, pentru agregate de zgură de oțelărie
Se consideră grosimea stratului din agregate de zgură de oțelărie de 25 cm și se reface calculul pentru verificarea la îngheț – dezgheț.
ALTERNATIVA B1c cu îmbunătățirea terenului de fundare cu liant hidraulic (2%)
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică, pentru teren de fundare îmbunătățit cu liant hidraulic (2%)
Se consideră grosimea terenului de fundare îmbunătățit cu liant hidraulic (2%) de 25 cm și se reface calculul pentru verificarea la îngheț – dezgheț.
ALTERNATIVA B1d cu strat de formă din pământ stabilizat cu liant hidraulic (4%)
a. Alegerea alcătuirii structurii rutiere
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică, aferentă stratului de formă stabilizat cu liant hidraulic (4%)
Se consideră grosimea stratului de formă stabilizat cu liant hidraulic (4%) de 10 cm și se reface calculul considerând stratul de formă inclus în structura dimensionată conform metodei LLFP. Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor, sunt cele precizate în Tabelul IV.15.
Tabelul IV.15 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă semirigidă dimensionată conform metodei LLFP cu strat de formă
*)
Modulul de elasticitate dinamic al stratului de formă se determină cu ajutorul relației (IV.2):
(IV.2)
b. Analiza structurii rutiere flexibile LLFP la solicitările osiei standard
În scopul analizării structurii rutiere flexibile LLFP la solicitările osiei standard se calculează cu ajutorul programului CALDEROM 2000, deformațiile specifice la baza straturilor bituminoase și la nivelul patului drumului și tensiunea de întindere admisibilă la baza stratului din pământ stabilizat cu lianți hidraulici
unde:
grosimea straturilor din pământ stabilizat cu lianți hidraulici
Structura rutieră flexibilă considerată și pământul de fundare sunt reprezentate prin 6 straturi. În scopul rulării programului CALDEROM 2000, considerăm că primul strat este reprezentat de îmbrăcămintea bituminoasă în grosime de 5+25 = 30 cm, cu valoarea modulului de elasticitate dinamic mediu ponderat calculat cu ajutorul relației (IV.3):
(IV.3)
în care:
modulul de elasticitate dinamic al materialului din stratul i, în MPa;
grosimea stratului i, în cm
Figura IV.9 – Rezultate obținute cu ajutorul programului informatic CALDEROM 2000 pentru structura rutieră flexibilă LLFP cu strat de formă
c. Stabilirea comportării sub trafic a structurii rutiere
Pentru ca structura rutieră durabilă să poată prelua solicitările traficului, trebuie să fie îndeplinite simultan următoarele criterii :
Criteriul deformației specifice de întindere admisibile la baza straturilor bituminoase este respectat dacă relația (IV.4) este verificată: ,
unde:
(IV.5)
Criteriul tensiunii de întindere adimisibilă la baza stratului din pământ stabilizat cu lianți hidraulici este verificat cu relația (IV.13):
(IV.13)
tensiunea orizontală de întindere la baza stratului din pământ stabilizat cu liant hidraulic, în MPa;
tensiunea de întindere admisibilă, în MPa, calculată cu relația (IV.14):
(IV.14)
rezistența la întindere a pământului stabilizat cu liant hidraulic, în MPa.
Criteriul deformației specifice verticale admisibile la nivelul pământului de fundare este respectat dacă (IV.6)
microdeformații
Valorile deformațiilor specifice și a tensiunii de întindere au fost preluate din rezultatele oferite de programul informatic CALDEROM 2000, conform Figurii IV.9.
d. Verificarea rezistenței la îngheț – dezgheț
Comportamentul structuri rutiere flexibile durabile la acțiunea fenomenului de îngheț-dezgheț este considerat satisfăcător dacă se verifică următoarele condiții , :
Structura rutieră flexibilă LLFP cu stratul de formă este verificată la acțiunea fenomenului de îngheț-dezgheț pentru o perioadă de perspectivă de 15 ani.
ALTERNATIVA B2
În cele ce urmează este durata de viață proiectată în cazul structurii rutiere flexibile durabile dimensionată conform metodei Long Lasting Flexible Pavement – LLFP este de 30 de ani. Valoarea traficului de calcul este aflată cu ajutorul relației (IV.1) în care se înlocuiesc valorile intensităților medii zilnice anuale a traficului pentru începutul (anul 2010) și, respectiv, sfârșitul perioadei de perspectivă (anul 2040) conform datelor din Tabelele IV.1 și IV.16.
(IV.1)
Tabel IV.16 – Intensitatea medie zilnică anuală (MZA) a traficului pe categorii de vehicule pentru anul 2040
Pentru studiul de dimensionare s-a luat în considerare valoarea medie a intensităților MZA specificate în Tabelul IV.17.
Tabel IV.17 – Valoarea medie a intensităților medii zilnice anuale pentru începutul și sfârșitul perioadei de perspectivă (2010 – 2040)
a. Alegerea alcătuirii structurii rutiere
Structura rutieră flexibilă durabilă dimensionată conform metodei Long Lasting Flexible Pavement – LLFP pentru o durată de viață proiectată de 30 de ani are aceeași alcătuire ca în cazul Alternativei B1.
b. Analiza structurii rutiere flexibile LLFP la solicitările osiei standard
În punctele de solicitare maximă ale complexului rutier, la baza straturilor bituminoase și, respectiv, la nivelul patului drumului, deformațiile specifice sunt cele calculate cu ajutorul programului CALDEROM 2000 în cazul Alternativei B1.
c. Stabilirea comportării sub trafic a structurii rutiere
Structura rutieră flexibilă dimensionată pentru 30 de ani cu ajutorul metodei LLFP poate prelua solicitările din trafic dacă îndeplinește concomitent cele două criterii pentru deformațiile specifice. Valorile deformațiilor și au fost preluate din rezultatele oferite de programul informatic CALDEROM 2000, conform Figurii IV.9.
Criteriul deformației specifice de întindere admisibile la baza straturilor bituminoase este respectat dacă (IV.4)
Traficul de calcul este
(IV.5)
Criteriul deformației specifice verticale admisibile la nivelul pământului de fundare este verificat dacă (IV.6)
(IV.7)
Prin urmare, structura rutieră durabilă poate prelua solicitările traficului deoarece îndeplinește ambele criterii.
În cazul structurii rutiere flexibile dimensionată pentru o perioadă de perspectivă de 30 de ani, conform metodei LLFP se aplică alternativele din Tabelul IV.18 care sunt similare celor proiectate pentru o durată de 15 ani.
Tabelul IV.18 – Eșalonarea soluțiilor pentru obținerea gradului de asigurare la pătrunderea înghețului pentru structurile rutiere de tip LLFP pentru o perioadă de perspectivă de 30 de ani
4.3. Proiectarea structurilor rutiere flexibile durabile conform metodei Asphalt Institute
Metoda de proiectare Asphalt Institute consideră îmbrăcămintea ca un sistem elastic și constă în determinarea grosimii minime a stratului de asfalt care poate prelua solicitările dezvoltate conform celor două criterii: criteriul efortului de întindere orizontal de la baza straturilor bituminoase și efortul de compresiune vertical maxim de la suprafața patului drumului . Pentru a dimensiona o structură rutieră flexibilă au fost elaborate diagrame de proiectare pentru o gamă largă de încărcări din trafic, exprimate în osii standard de 80 KN.
Pentru a proiecta o structură rutieră flexibilă trebuie parcurse următoarele etape :
introducerea datelor de intrare:
– perioada de perspectivă (ani);
– traficul de calcul Equivalent Single – Axle Load – ESAL (m.o.s de 80 KN);
selectarea materialelor utilizate în straturile de suprafață și în straturile de bază și caracteristicile acestora:
– tipul pământului din patul drumului;
– California Bearing Ratio – indicele de capacitate portantă californian a pământului din patul drumului;
– modulul rezilient al pământului care se calculează cu relația (IV.15):
(IV.15)
Relația duce la cele mai bune rezultate, pentru (pentru pământuri coezive: argile, praf și materiale necoezive: nisip fin) și nu este suficient de precisă pentru (materiale granulare);
– valoarea medie a temperaturilor anuale (Mean Annual Average Temperature MAAT = 60șF = 15,5oC).
identificarea grosimii minime a straturilor utilizând diagramele de calcul specifice.
Dimensionarea structurii rutiere flexibile conform metodei Asphalt Institute este realizată în două alternative pentru perioade de perspectivă de 15, respectiv 30 de ani.
ALTERNATIVA C1
Pentru sectorul de drum selectat, este realizată dimensionarea structurii rutiere flexibile durabile conform metodei Asphalt Institute pentru o durata de viață proiectată de 15 ani.
a. Stabilirea traficului de calcul ESAL
Valoarea traficului de calcul rezultat prin aplicarea metodei clasice este considerat 1,18 m.o.s. 115 kN. Pentru a putea aplica metoda de proiectare Asphalt Institute această valoare a traficului trebuie transformată în osii standard de 80 kN, cu ajutorul valorilor factorilor de echivalare / conversie din Tabelul IV.19.
Tabelul IV.19 – Valorile factorilor de echivalare / conversie pentru încărcări pe osie realizate cu diverse tipuri de vehicule
Factorul de echivalare / conversie stabilit prin interpolare are valoarea 4,06, prin urmare traficul de calcul are valoarea
b. Stabilirea valorii indicelui de capacitate portantă californian
În scopul evauării și clasificării pământului conform sistemului AASHTO (HBR) utilizăm datele reprezentate în Tabelul IV.20.
Tabelul IV.20 – Clasificarea pământurilor conform sistemului AASHTO (HBR)
Conform normelor românești, pământul din patul drumului este de tip P5, adică argilă, care corespunde clasei AASHTO – A6, conform Figurii IV.10, cu valoarea indicelui .
Figura IV.10 – Diagrama de corespondență între clasele de pământ AASHTO (HBR) și valorile indicelui de capacitate portantă californian
Modulul rezilient este calculat cu ajutorul relației (IV.12):
c. Alegerea grosimii pentru îmbrăcămintea de tip Full Depth Asphalt
Conform diagramei Asphalt Institute pentru proiectarea îmbrăcăminții Full-Depth Asphalt din Figura IV.11, în care pe ordonată introducem valoarea modului rezilient, iar pe abscisă valoarea traficului de calcul în milioane osii standard de 80 kN, rezultă grosimea totală a stratului de Full Depth Asphalt:
Figura IV.11 – Diagrama Asphalt Institute pentru proiectarea îmbrăcăminții de tip Full-Depth Asphalt – grosimea pentru o durată de viață proiectată de 15 ani
Structura rutieră proiectată conform metodei Asphalt Institute este alcătuită dintr-un strat de 33 de cm de îmbrăcăminte de tip Full Depth Asphalt, conform Figurii IV.12 și Tabelului IV.21
Figura IV.12 – Structură rutieră de tip Asphalt Institute pentru o durată de viață proiectată de 15 ani
Tabelul IV.21 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă dimensionată conform metodei Asphalt Institute pentru o durată de viață de 15 ani
*)
d. Verificarea rezistenței la îngheț – dezgheț
Comportamentul structuri rutiere flexibile durabile proiectată conform metodei Asphalt Institute la acțiunea fenomenului de îngheț-dezgheț este considerat satisfăcător dacă se verifică următoarea condiție , :
(IV.11)
(IV.10)
(IV.11)
Structura rutieră flexibilă durabilă nu se verifică la acțiunea fenomenului de îngheț-dezgheț.
Structurile rutiere flexibile Asphalt Institute, așa cum rezultă din dimensionare, sunt valabile pentru regiuni cu climat cald, iar pentru România (caracterizată prin ierni foarte friguroase și veri călduroase) este necesară verificarea la îngheț – dezgheț.
Gradul de asigurare la pătrunderea înghețului pentru metoda Asphalt Institute este realizat prin următoarele soluții: îmbunătățirea terenului de fundare, prevederea unui strat de fundație anticapilar, drenant sau a unui strat de formă din materiale care rezistă la acțiunea îngheț – dezghețului, conform eșalonării din Tabelul IV.22. Grosimea acestor straturi este calculată cu ajutorul relației (IV.12)) :
(IV.12)
Tabelul IV.22 – Eșalonarea soluțiilor pentru obținerea gradului de asigurare la pătrunderea înghețului pentru structurile rutiere de tip Asphalt Institute
ALTERNATIVA C1a – strat de fundație din agregate naturale stabilizate cu zgură granulată
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică, pentru agregate naturale stabilizate cu zgură granulată
Se consideră grosimea stratului din agregate naturale stabilizate cu zgură granulată de 35 cm și se reface calculul pentru verificarea la îngheț – dezgheț.
ALTERNATIVA C1b – strat de fundație din agregate de zgură de oțelărie
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică, pentru agregate de zgură de oțelărie
Se consideră grosimea stratului din agregate de zgură de oțelărie de 45 cm și se reface calculul pentru verificarea la îngheț – dezgheț.
ALTERNATIVA C1c – îmbunătățirea terenului de fundare cu liant hidraulic (2%)
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică, pentru teren de fundare îmbunătățit cu liant hidraulic (2%)
Se consideră grosimea terenului de fundare îmbunătățit cu liant hidraulic (2%) de 45 cm și se reface calculul pentru verificarea la îngheț – dezgheț.
ALTERNATIVA C1d – strat de formă din pământ stabilizat cu liant hidraulic (4%)
a. Alegerea alcătuirii structurii rutiere
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică, aferentă stratului de formă stabilizat cu liant hidraulic (4%)
Se consideră grosimea stratului de formă stabilizat cu liant hidraulic (4%) de 35 cm și se reface calculul considerând stratul de formă inclus în structura dimensionată conform metodei Asphalt Institute. Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor, sunt cele precizate în Tabelul IV.23.
Tabelul IV.23 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă semirigidă dimensionată conform metodei Asphalt Institute cu strat de formă
*)
Modulul de elasticitate dinamic al stratului de formă se determină cu ajutorul relației (IV.2):
(IV.2)
b. Verificarea rezistenței la îngheț – dezgheț
Structura rutieră flexibilă durabilă cu stratul de formă inclus este verificată la acțiunea fenomenului de îngheț-dezgheț.
ALTERNATIVA C2
În cele ce urmează se prezintă etapele de dimensionare a structurii rutiere flexibile prin metoda Asphalt Institute, în ipoteza că durata de viață proiectată este de 30 de ani.
Figura IV.13- Diagrama Asphalt Institute pentru proiectarea îmbrăcăminții de tip Full-Depth Asphalt – grosimea pentru o durată de viață proiectată de 30 ani
a. Stabilirea traficului de calcul ESAL
Volumul de trafic de calcul ESAL rezultă prin transformarea traficului de calcul pentru o perioadă de perspectivă de 30 de ani aferent metodei LLFP din osii standard de 115 kN în osii standard de 80 kN.
b. Stabilirea valorii indicelui de capacitate portantă californian
Iindicele de capacitate portantă californian stabilita pe baza diagramei din Figura IV.10 are valoarea , iar modulul rezilient este calculat cu relația (IV.15):
(IV.15)
c. Alegerea grosimii pentru îmbrăcămintea de tip Full Depth Asphalt
Din diagrama Asphalt Institute pentru proiectarea îmbrăcăminții Full-Depth Asphalt, rezultă grosimea totală a stratului de Full Depth Asphalt, conform Figurii IV.13.
Structura rutieră proiectată conform metodei Asphalt Institute este alcătuită dintr-un strat de 38 de cm de îmbrăcăminte de tip Full Depth Asphalt, conform Figurii IV.14 și Tabelului IV.24.
Figura IV.14- Structură rutieră de tip Asphalt Institute pentru o durată de viață proiectată de 30 de ani
Tabelul IV.24 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă dimensionată conform metodei Asphalt Institute pentru o durată de viață de 30 de ani
*)
d. Verificarea rezistenței la îngheț – dezgheț
Structura rutieră flexibilă durabilă dimensionată conform metodei Asphalt Institute pentru o durată de viață proiectată de 30 de ani, rezistă la acțiunea fenomenului de îngheț-dezgheț dacă se verifică următoarea condiție , :
În cazul structurii rutiere flexibile dimensionată pentru o perioadă de perspectivă de 30 de ani, conform metodei Asphalt Institute, alternativele studiate sunt cele menționate în Tabelul IV.25.
Tabelul IV.25 – Eșalonarea soluțiilor pentru obținerea gradului de asigurare la pătrunderea înghețului pentru structurile rutiere de tip Asphalt Institute pentru o perioadă de perspectivă de 30 ani
ALTERNATIVA C2a – strat de fundație din agregate naturale stabilizate cu zgură granulată
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică, pentru agregate naturale stabilizate cu zgură granulată
Se consideră grosimea stratului din agregate naturale stabilizate cu zgură granulată de 35 cm și se reface calculul pentru verificarea la îngheț – dezgheț.
ALTERNATIVA C2b – strat de fundație din agregate de zgură de oțelărie
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică, pentru agregate de zgură de oțelărie
Se consideră grosimea stratului din agregate de zgură de oțelărie de 45 cm și se reface calculul pentru verificarea la îngheț – dezgheț.
ALTERNATIVA C2c – îmbunătățirea terenului de fundare cu liant hidraulic (2%)
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică, pentru teren de fundare îmbunătățit cu liant hidraulic (2%)
Se consideră grosimea terenului de fundare îmbunătățit cu liant hidraulic (2%) de 45 cm și se reface calculul pentru verificarea la îngheț – dezgheț.
ALTERNATIVA C2d – strat de formă stabilizat cu liant hidraulic (4%)
a. Alegerea alcătuirii structurii rutiere
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică, aferentă stratului de formă stabilizat cu liant hidraulic (4%)
Se consideră grosimea stratului de formă stabilizat cu liant hidraulic (4%) de 30 cm și se reface calculul considerând stratul de formă inclus în structura dimensionată conform metodei Asphalt Institute. Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor, sunt cele precizate în Tabelul IV.26.
Tabelul IV.26 – Grosimile și caracteristicile de deformabilitate ale straturilor din structura rutieră flexibilă semirigidă dimensionată conform metodei Asphalt Institute cu strat de formă
*)
Modulul de elasticitate dinamic al stratului de formă se determină cu ajutorul relației (IV.2):
(IV.2)
b. Verificarea rezistenței la îngheț – dezgheț
Structura rutieră flexibilă durabilă cu stratul de formă inclus este verificată la acțiunea fenomenului de îngheț-dezgheț.
4.4. Evaluarea comparativă a alternativelor investigate sub aspectele sustenabilității
Pentru a putea utiliza programul informatic asPECT, se efectuează următoarele calcule aferente structurii rutiere flexibile propuse în cadrul metodei analitice, pentru 1 km de drum, conform Tabelului IV.27. Numerotarea starturilor este realizează prin intermediul indicativelor, în ordinea straturilor, de sus în jos.
Tabelul IV.27 – Calculul masei fiecărui strat din alcătuirea structurii rutiere flexibile dimensionată cu metoda PD 177-2001
1) densitatea aparentă pentru stratului de uzură aMAS16 = 2300 kg/m3
2) densitatea aparentă pentru stratului de legătură aBADPC 20 = 2250 kg/m3
3) densitatea aparentă pentru stratului de bază aAB 31,5 = 2150 kg/m3
4) densitatea aparentă agregate de zgură de oțelărie = 1650 kg/m3
Calculul masei fiecărui strat aferent unui kilometru de drum pentru metoda LLFP este evidențiat în Tabelul IV.28.
Tabelul IV.28 – Calculul masei fiecărui strat din alcătuirea structurii rutiere flexibile dimensionată cu metoda LLFP
1) densitatea aparentă pentru stratului de uzură aMAS16 = 2300 kg/m3
3) densitatea aparentă pentru macadam asfaltic am considerat-o aceeași ca pentru MAS16 = 2300 kg/m3
4) densitatea aparentă agregate de zgură de oțelărie = 1650 kg/m3
5) densitatea aparentă balast = 1700 kg/m3
6) densitatea aparentă pentru agregate naturale stabilizate cu zgură granulată = 1100 kg/m3
7) densitatea aparentă pentru pământ stabilizat cu liant hidrulic: = 1750 kg/m3
Calculul masei fiecărui strat aferent unui kilometru de drum pentru metoda Asphalt Institute este evidențiat în Tabelul IV.29.
Tabelul IV.29 – Calculul masei fiecărui strat din alcătuirea structurii rutiere flexibile dimensionată cu metoda Asphalt Institute
1) densitatea aparentă pentru stratului de uzură aMAS16 = 2300 kg/m3
4) densitatea aparentă agregate de zgură de oțelărie = 1650 kg/m3
6) densitatea aparentă pentru agregate naturale stabilizate cu zgură granulată = 1100 kg/m3
7) densitatea aparentă pentru pământ stabilizat cu liant hidrulic: = 1750 kg/m3
În Tabelele IV.30, IV.31 și IV.32 se calculează costul total pentru un kilometru de structură rutieră flexibilă dimensionată prin cele trei metode cunoscute. Acesta este alcătuit din suma costurilor aferente transportului, materialelor și punerii în operă. Costul fiecărui strat este aflat utilizând o medie a prețurilor existente pe piața materialelor de construcții, a transporturilor feroviare și rutiere, precum și a manoperei.
Tabelul IV.30 – Calculul costului pentru 1 km de structură rutieră flexibilă clasică
Tabelul IV.31 – Calculul costului pentru 1 km de structură rutieră durabilă LLFP
Tabelul IV.32 – Calculul costului pentru 1 km de structură rutieră durabilă Asphalt Institute
Programul informatic asPECT conține datele necesare pentru calculul emisiilor de CO2e ale straturilor asfaltice din structura rutieră, parcurgând toate etapele duratei de viață începând cu procurarea, transportul și procesarea materialelor prime, fabricarea mixturilor în stațiile de asfalt, transportul acestora la locul de punere în operă, execuție, întreținere și reciclare.
Prima etapă constă în introducerea denumirii materialului, a sursei de proveniență, a categoriei, precum și date referitoare la cantitatea totală de material vândută anual în cadrul balastierei / carierei, consumul de electricitate, apă, explozibili și combustibili (Figura IV.15).
Figura IV.15 – Interfața programului informatic asPECT – Materiale
A doua etapă presupune indroducerea datelor privitoare la stația de mixturi asfaltice: materialele componente, distanțele și mijloacele de transport, energia necesară pentru procesare, încălzire și uscare, procentele materialelor din alcătuirea fiecărei mixturi. O dată introduse aceste informații, în program pot fi vizualizate emisiile pentru fiecare mixtură produsă (Figura IV.16).
Figura IV.16 – Interfața programului informatic asPECT – Stația de mixturi asfaltice
În a treia etapă a programului informatic este posibilă realizarea unui proiect care să conțină aspecte de pe tot parcursul duratei de viață a drumului considerat (Figura IV.17). Sunt specificate materialele și amestecurile din diverse surse de proveniență, date despre transport, energia consumată pentru așternere și compactare, strategiile de intervenție pentru întreținere și energia utilizată pentru excavarea și eliminarea materialelor la sfârșitul duratei de viață a drumului.
Figura IV.17 – Interfața programului informatic asPECT – Proiectul propriu-zis
Pentru fiecare dintre alternativele studiate se va întocmi un proiect separat, ale cărui rezultate vor fi centralizate, după cum se arată în Figura IV.18, indicându-se cantitatea de emisii în kg de CO2e/t.
Figura IV.18 – Centralizatorul rezultatelor pentru structura rutieră analizată
În finalul acestui capitol, se efectuează o evaluare comparativă a alternativelor investigate sub aspectele sustenabilității exprimate prin indicatorii privind durata de viață, costurile specifice pe kilometru și, respectiv, cantitățile de emisii de CO2e, rezultatele fiind cumulate în Tabelul IV.33.
Tabelul IV.33 – Analiza comparativă a alternativelor studiate
Concluziile sunt următoarele:
– Alternativa A conduce la structuri rutiere supradimensionate, deoarece modulele de elasticitate ale mixturilor asfaltice au valori mici;
– Alterantiva B – prin utilizarea materialelor asfaltice cu modul de elasticitate ridicat, rezultă o structură rutieră flexibilă cu grosime mai mică decât prin metoda clasică, dar capabilă să suporte un trafic de calcul mai mare. Prin această metodă, costurile pe kilometru de drum și indicatorul de sustenabilitate cost sunt minime;
– Alternativele C conduc la structuri rutiere cu cea mai mică grosime, dar oferă un indicator de sustenabilitate cost RON/(km x an) mediu;
Este reliefat gradul ridicat de sustenabilitate exprimat prin indicatorul general de sustenabilitate aferent fiecărei alternative.
Concluzia generală din analiza comparativă a alternativelor investigate arată superioritatea și avantajele tehnice, economice și ecologice ale structurilor rutiere durabile, concepute ca Full Depth (conform metodologiei Asphalt Institute) și ca Long Lasting Flexible Pavement – LLFP.
Pentru investigarea structurilor rutiere rigide conform celor două metode de dimensionare recomandate în capitolul III.2.3, s-a propus spre analiză același sector de drum ca la studiul de caz A – varianta de ocolire a municipiului Iași, km 0+785 – 3+110.
În scopul evaluării comparative a sustenabilității structurilor rutiere rigide s-a avut în vedere structura rutieră clasică proiectată și realizată conform normativului de dimensionare a structurilor rutiere rigide NP 081-2002, precum și o altă alternativă proiectată prin utilizarea acelorași date de intrare (trafic, climă, teren de fundare etc.), și anume: metoda Long Lasting Rigid Pavement – LLRP.
În cele ce urmează se prezintă aspectele sustenabilității alternativei clasice, precum și aspectele sustenabilității celeilalte alternative luate în studiu.
Pentru realizarea unei analize logice conform schemei propuse în capitolul III (Figura III.5), s-au stabilit aceleași obiective tehnico – economice ca și în studiul de caz A.
DATE DE INTRARE
datele de trafic
Prezentul studiu incorporează datele de trafic comunicate de Centrul de Studii Tehnice Rutiere și Informatică, din cadrul Companiei Naționale de Autostrăzi și Drumuri Naționale din România și prognozele pentru traficul atras aferente anului 2010 elaborate de IPTANA S.A. (Tabel V.1).
Conform reglementărilor tehnice în vigoare traficul de calcul a fost evaluat cu ajutorul relației (V.1):
(V.1)
unde:
traficul de calcul;
numărul de zile calendaristice dintr-un an;
perioada de perspectivă de 30 de ani;
coeficientul de repartiție transversală a traficului pe benzi de circulație;
traficul mediu zilnic anual al vehiculelor fizice din grupa , conform rezultatelor recensământului general de circulație sau studiului de trafic;
coeficientul de evoluție al vehiculelor fizice din grupa , în anul de la mijlocul perioadei de perspectivă;
coeficientul de echivalare a vehiculelor fizice din grupa în osii standard.
În TabelulI V.1 sunt prezentate valorile intensității medii zilnice anuale a traficului pentru anul 2010.
Tabel V.1 – Intensitatea medie zilnică anuală (MZA) a traficului pe categorii de vehicule pentru anul 2010
Pentru proiectarea structurilor rutiere rigide normativul românesc prevede o perioadă de perspectivă , coeficientul de repartiție transversală pentru drumuri cu două benzi de circulație având valoarea . Pentru studiul de dimensionare s-a luat în considerare valoarea intensităților MZA, coeficienții de evoluție și cei de echivalare specificați în Tabelul V.2.
Tabel V.2 – Valoarea totală intensităților medii zilnice anuale, a coeficienților de evoluție și a coeficienților de echivalare
Introducând această valoare în relația (V.1), rezultă un trafic de calcul de 1,94 m.o.s. 115 kN.
Conform Tabelului IV.4, acest trafic de calcul se încadrează în clasa de trafic „foarte greu”.
regimul climatic
Sectorul de drum analizat se află în zona cu tipul climateric I, conform hărții prezentate în Figura IV.2.
caracteristicile materialelor disponibile
Conform studiului geotehnic, pământul este de tip P5, adică pământ sensibil și foarte sensibil la îngheț, care are o capacitate portantă redusă. Pe baza tipului de pământ, a tipului climateric aferent zonei în care este amplasat drumul și a regimului hidrologic al complexului rutier s-au stabilit caracteristicile de deformabilitate ale pământului de fundare (modulul de elasticitate dinamic, E, în MPa și coeficientul lui Poisson, ) conform Tabelului IV.5.
tehnologiile de execuție
Tehnologiile de execuție presupun realizarea în etape succesive a terasamentelor, a stratului de formă, a stratului de fundație și a dalei din beton de ciment conform informațiilor date în caietele de sarcini.
În cadrul studiului privind aspectele sustenabilității, pentru sectorul de drum km 0+785 – 3+110 au fost luate în considerare următoarele structuri rutiere:
Alternativa D: Structură rutieră rigidă clasică dimensionată conform normativului de dimensionare a structurilor rutiere rigide NP 081-2002.
AlternativA e: Structură rutieră rigidă durabilă proiectată conform metodei Long Lasting Rigid Pavement – LLRP.
Conform acestor alternative au fost concepute și proiectate o serie de structuri rutiere cu durata de viață de 30 de ani, așa cum rezultă din Tabelul V.3.
Tabelul V.3 – Eșalonarea studiilor de caz în funcție de metoda de dimensionare structurală și durata de viață
5.1. Proiectarea structurilor rutiere rigide conform metodei normativului de dimensionare a structurilor rutiere rigide NP 081-2002
ALTERNATIVA D
a. Stabilirea capacității portante a terenului de fundare
Valoarea modulul de reacție (MN/m3) al pământului de fundare se stabilește în funcție de datele din Tabelul V.4.
Tabelul V.4 – Valoarea modulul de reacție
b. Stabilirea alcătuirii straturilor din structura rutieră subadiacente dalei din beton
Pentru un drum național cu două benzi de circulație, de clasă tehnică III , un trafic de calcul de 1,94 m.o.s. 115 kN și o perioadă de perspectivă de 30 ani, pe sectorul de drum km 0+785 – 3+110, a rezultat o structură rutieră clasică confom Tabelului V.5.
Tabelul V.5 – Alcătuirea structurii rutiere rigide clasice
c. Stabilirea capacității portante la nivelul stratului de fundație
Se determină valoarea modulului de reacție la suprafața stratului de fundație, , în funcție de:
valoarea modulului de reacție al pământului de fundare,
grosimea echivalentă a stratului de fundație, aflată cu ajutorul relației (V.2):
(V.2)
numărul de straturi;
grosimea stratului , (cm);
coeficientul de echivalare a stratului .
Pentru că modulul de reacție al pământului de fundare are valoarea cuprinsă între 20 și 100 MN/m3, valoarea modulului de reacție la suprafața stratului de fundație este obținut cu ajutorul diagramei din Figura V.1.
Figura V.1 – Modulul de reacție la suprafața stratului de fundație
→
d. Adoptarea clasei betonului de ciment rutier
Pentru dala din beton de ciment rutier se adoptă clasa BcR 4,5 pe baza căreia se stabilește rezistența caracteristică la încovoiere, .
e. Determinarea tensiunii admisibile, la întindere din încovoiere, a betonului de ciment rutier cu ajutorul relației (V.3)
(V.3)
rezistența caracteristică la încovoiere a betonului la 28 de zile;
coeficientul de creștere a rezistenței betonului în intervalul 28 … 90 zile,
traficul de calcul pe perioada de perspectivă, în m.o.s.;
coeficient, ;
– legea de oboseală
f. Adoptarea ipotezei de dimensionare în funcție de clasa tehnică a drumului
În funcție de clasa tehnică a drumului care, pentru prezentul studiu de caz este III, se adoptă ipoteza de calcul 2, vezi relația (V.4):
(V.4)
unde:
tensiunea la întindere datorată încărcării de calcul din trafic;
tensiunea de întindere din încovoiere datorată gradientului de temperatură zilnic.
g. Determinarea grosimii dalei de beton de ciment
Grosimea dalei de beton de ciment, H se determină din diagrama de dimensionare din Figura V.2, corespunzătoare ipotezei 2, pe baza valorilor:
– modulului de reacție la suprafața stratului de fundație ;
– tensiunii la întindere din încovoiere admisibilă a betonului de ciment rutier,
Figura V.2 – Diagrama de dimensionare corespunzătoare ipotezei 2
Grosimea dalei din beton rezultată este .
h. Verificarea structurii rutiere rigide la acțiunea îngheț – dezghețului
Calculul pentru verificarea rezistenței structurii rutiere rigide la acțiunea fenomenului de îngheț – dezgheț, se efectuează pentru situațiile prezentate în Tabelul V.6, luând în considerare gradul de sensibilitate al pământului P5, condițiile hidrologice mediocre și defavorabile, precum și pozița adâncimii de îngheț în complexul rutier față de grosimea structurii rutiere și nivelul apei freatice .
Tabelul V.6 – Variantele pentru care se face verificarea la îngheț – dezgheț
Se calculează adâncimea de îngheț în structura rutieră (cm) cu relația V.5):
(V.5)
adâncimea de îngheț în pământul din terasament (cm);
sporul adâncimii de îngheț (determinat de capacitatea straturilor structurii rutiere de a transmite căldura) calculat cu relația (V.6)
(V.6)
grosimea structurii rutiere alcătuită din straturi de materiale rezistente la îngheț (cm);
grosimea echivalentă de calcul la îngheț pentru structura rutieră (cm), aflată cu ajutorul relației (V.7)
(V.7)
grosimea fiecărui strat din structura rutieră (cm);
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică fiecărui material din structura rutieră conform Tabelului V.7;
numărul de strturi din materiale rezistente la îngheț – dezgheț.
Tabelul V.7 – Valorile coeficientului de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică fiecărui material din structura rutieră
Indicele de îngheț se stabilește pe baza tipului climatic, a regimului hidrologic din complexul rutier și a tipului de pământ, conform Tabelului V.8.
Tabelul V.8 – Stabilirea indicelui de îngheț
Figura V.3 – Diagrama pentru stabilirea adâncimii de îngheț
Pentru structurile rutiere rigide și clasa de trafic „foarte greu” valoarea indicelui de îngheț se determină pe baza izoliniilor din hărțile de zonare a teritoriului României . Argila, în condițiile mediocre și defavorabile, corespunde curbei cu numărul 7. Conform diagramei din Figura V.3, adâncimea de îngheț este .
Gradul de asigurare la pătrunderea înghețului în complexul rutier este determinat cu ajutorul relației (V.8) :
(V.8)
Structura rutieră rigidă aleasă este rezistentă la îngheț – dezgheț dacă gradul de asigurare la pătrunderea înghețului în complexul rutier are valoarea minimă de 0,30, conform Tabelului V.9.
Tabelul V.9 – Stabilirea gradului de asigurare la pătrunderea înghețului în complexul rutier
Conform calculelor efectuate , rezultă că structura rutieră rigidă aleasă rezistă la acțiunea fenomenului de îngheț – dezgheț.
Se constată că pentru structura rutieră clasică concepută și proiectată conform Alternativei D sunt verificate condițiile de proiectare pentru perioada de perspectivă de 30 ani, inclusiv verificarea la îngheț – dezgheț.
Această alternativă este luată în considerare ca element de referință la evaluarea aspectelor de sustenabilitate a acesteia în comparație cu cealaltă alternativă luată în studiu.
5.2. Proiectarea structurilor rutiere rigide durabile Long Lasting Rigid Pavement – LLRP conform metodei NP 081-2002
ALTERNATIVA E
În ipoteza că durata de viață proiectată în cazul structurii rutiere rigide durabile dimensionată conform metodei Long Lasting Rigid Pavement – LLRP este de 30 ani, valoarea traficului de calcul și metoda de dimensionare sunt similare celor clasice din normativul PD 177-2001.
Traficul de calcul este 1,94 m.o.s. de 115 kN.
a. Alcătuirea straturilor din structura rutieră
Structura rutieră aleasă este evidențiată în Tabelul V.10 și este caracterizată prin grosimile straturilor rutiere.
Tabelul V.10 – Alcătuirea structurii rutiere rigide durabile
b. Verificarea structurii rutiere rigide la acțiunea îngheț – dezghețului
Se calculează adâncimea de îngheț în structura rutieră (cm) cu relația V.5):
(V.5)
sporul adâncimii de îngheț: (V.6)
(V.7)
grosimea fiecărui strat din structura rutieră (cm);
coeficientul de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică fiecărui material din structura rutieră conform Tabelului V.11;
numărul de strturi din materiale rezistente la îngheț – dezgheț.
Tabelul V.11 – Valorile coeficientului de echivalare a capacității de transmitere pentru căldura specifică fiecărui material din structura rutieră
Gradul de asigurare la pătrunderea înghețului în complexul rutier este determinat cu ajutorul relației (V.8) :
(V.8)
Structura rutieră rigidă aleasă este rezistentă la acțiunea fenomenului de îngheț – dezgheț dacă gradul de asigurare la pătrunderea înghețului în complexul rutier are valoarea minimă de 0,30.
Se constată că pentru structura rutieră durabilă concepută și proiectată conform Alternativei E sunt verificate condițiile de proiectare pentru perioada de perspectivă de 30 ani, inclusiv verificarea la îngheț – dezgheț.
5.3. Evaluarea comparativă a alternativelor investigate sub aspectele sustenabilității
Pentru a putea utiliza programul informatic GaBi, se efectuează următoarele calcule aferente structurii rutiere rigide clasice, pentru 1 km de drum, conform Tabelului V.12. Numerotarea starturilor este realizează prin intermediul indicativelor, în ordinea straturilor, de sus în jos.
Tabelul V.12 – Calculul masei fiecărui strat din alcătuirea structurii rutiere rigide dimensionată cu metoda NP 081-2002
Calculul masei fiecărui strat aferent unui kilometru de drum pentru metoda LLRP este evidențiat în Tabelul V.13.
Tabelul V.13 – Calculul masei fiecărui strat din alcătuirea structurii rutiere rigide dimensionată cu metoda LLRP
În Tabelele V.14 și V.15 se calculează costul total pentru un kilometru de structură rutieră rigidă dimensionată prin cele două metode cunoscute. Acesta este alcătuit din suma costurilor aferente transportului, materialelor și punerii în operă. Costul fiecărui strat este aflat utilizând o medie a prețurilor existente pe piața materialelor de construcții, a transporturilor feroviare și rutiere, precum și a manoperei.
Tabelul V.14 – Calculul costului pentru 1 km de structură rutieră rigidă clasică
Tabelul V.15 – Calculul costului pentru 1 km de structură rutieră durabilă LLRP
Programul informatic GaBi conține datele necesare pentru calculul emisiilor de CO2e ale straturilor din structurile rutiere rigide, parcurgând toate etapele duratei de viață începând cu procurarea, transportul și procesarea materialelor prime, până la punerea în operă, execuție, întreținere și reciclare.
Pentru fiecare dintre alternativele studiate se vor centraliza rezultatele indicându-se cantitatea de emisii în kg de CO2e/t.
În finalul acestui capitol, se efectuează o evaluare comparativă a alternativelor investigate sub aspectele sustenabilității exprimate prin indicatorii privind durata de viață, costurile specifice pe kilometru și, respectiv, cantitățile de emisii de CO2e, rezultatele fiind cumulate în Tabelul V.16.
Tabelul V.16 – Analiza comparativă a alternativelor studiate
Concluziile sunt următoarele:
– Cele două Alternative au grosimea totală a structurii rutiere aproximativ egală
Este reliefat gradul ridicat de sustenabilitate exprimat prin indicatorul general de sustenabilitate aferent fiecărei alternative.
Concluzia generală din analiza comparativă a alternativelor investigate arată avantajul ecologic al structurilor rutiere durabile, concepute ca Long Lasting Rigid Pavement – LLRP.
În cadrul tezei de doctorat intitulată „Strategii pentru structuri rutiere sustenabile” s-au urmărit și o serie de obiective specifice dintre care amintim:
elaborarea unor metode de evaluare a sustenabilității structurilor rutiere și aplicarea acestora în cadrul studiilor de caz;
selectarea și propunerea metodelor de evaluare a sustenabilității structurilor rutiere adaptate la condițiile climatice, geografice și de trafic specifice rețelei de drumuri de interes public din România.
Metodele de măsurare a sustenabilității structurilor rutiere sunt în plină evoluție oferind o evaluare din ce în ce mai completă și complexă. Cele mai relevante sisteme utilizate pentru evaluarea sustenbilității structurilor rutiere sunt reprezentate de Metoda Evaluării Duratei de Viață – Life Cycle Assessment – LCA și Metoda Analizei costurilor pe durata de viață – Life Cycle Cost Analysis – LCCA.
Pentru a îmbunătăți sustenabilitatea, specialiștii au apelat la tehnologii noi prin care să se diminueze impactul asupra mediului și costurile pe durata de viață, iar societatea să iasă în beneficiu.
În scopul evaluării sustenabilității structurilor rutiere plecând de la analiza indicatorilor de sustenabilitate ai sistemului de transport, a fost propus un indicator general de sustenabilitate pentru îmbrăcămințile flexibile noi SGIf. Acest indicator se poate folosi și în cazul îmbrăcăminților existente, dacă este considerat în corelare cu starea tehnică a acestora.
Pentru stabilirea unei metode de evaluare a sustenabilității unei îmbrăcăminți trebuie să se ia în considerare scopurile și prioritățile proiectului și, funcție de acestea, să se stabilească:
1. Care componente și obiective ale sustenabilității au o valoare și o importanță deosebită;
2. Stabilirea ordinii de importanță a acestora;
3. Adoptarea strategiilor necesare realizării acestor obiective.
Conform acestor abordări, în studiile de sustenabilitate ale diverselor proiecte se recomandă să se stabilească minim două – trei alternative, urmând a alege în final alternativa cu cel mai scăzut cost al ciclului de viață.
Analiza sustenabilității la proiectarea îmbrăcăminților, poate fi condus după următoarea schemă (Figura III.2):
Figura III.2 – Schema propusă pentru analiza logică și evaluarea sustenabilității unei îmbrăcăminți rutiere flexibile sustenabile
La proiectarea structurilor rutiere flexibile se iau în considerare următoarele obiective: de performanță (siguranța, durata de viață extinsă), de costuri (costul total pe întreaga durată de viață a structurii rutiere este minimizat) și de sustenabilitate (impact redus asupra mediului, satisfacerea nevoilor societății, utilizarea materialelor reciclate, reducerea transportului de materiale).
Pentru realizarea acestor obiective pot fi luate în considerare o serie de strategii pentru proiectare, selectarea materialelor, tehnologiilor de execuție și de întreținere specifice.
Obiectivele realizării structurilor rutiere rigide sustenabile sunt similare celor stabilite pentru îmbrăcăminți flexibile sustenabile. A fost propus un indicator general de sustenabilitate pentru îmbrăcămințile rigide noi SGIr. Acest indicator se poate folosi și în cazul îmbrăcăminților existente, dacă este considerat în corelare cu starea tehnică a acestora.
De asemenea, schema logică de evaluare a sustenabilității folosește principii similare și se prezintă după cum urmează (Figura III.5):
Figura III.5 – Schema propusă pentru analiza logică și evaluarea sustenabilității unei îmbrăcăminți rutiere rigide sustenabile
În acest capitol sunt prezentate contribuțiile personale pe care le aduce teza de doctorat în domeniul abordat, dintre care remarcăm următoarele:
Aplicarea, în premieră în țara noastră, a conceptului de sustenabilitate și a indicatorilor de sustenabilitate specifici acestora la definirea si cuantificarea sustenabilității infrastructurilor de transport și implicit a structurilor rutiere;
Plecând de la necesitatea stabilirii unor criterii specifice pentru caracterizarea din punct de vedere al sustenabilitatii unui anumit sector de drum, autoarea propune și elaborează un indicator general de sustenabilitate pentru îmbrăcămințile flexibile noi SGIf. Acest indicator se poate folosi și în cazul îmbrăcăminților existente, dar corelat cu starea tehnică a acestora. De asemenea, autoarea propune un indicator similar pentru îmbrăcămințile rigide. Acești indicatori pot constitui instrumente utile în procesele decizionale, atât la conceperea și proiectarea structurilor rutiere cât și la anticiparea efectelor ecologice corelate cu evoluția curbei de degradare a drumurilor în vederea selectării unor strategii de intervenție adecvate care să asigure o extindere semnifcativă a duratei de viață, combinată cu costurile cele mai avantajoase și impactul de mediu cel mai redus.
Elaborarea unei recomandări tehnice pentru evaluarea și caracterizarea din punct de vedere sustenabil a strategiilor de intervenție utilizate curent în practica rutieră pentru îmbrăcămințile asfaltice, cât și pentru cele rigide.
Cercetări viitoare
În perioada 10-13 septembrie 2014, la Cluj – Napoca a avut loc al XIV-lea Congres Național de Drumuri și Poduri. În cadrul celor patru teme strategice au fost prezentate și dezbătute mai multe rapoarte de specialitate. Factorii strategici, care se ocupă cu administrarea și gestionarea rețelei rutiere de transport din România, au primit propuneri în privința obiectivelor prioritare și a temelor de cercetare.Pot fi luate măsuri eficiente pentru îmbunătățirea transportului rutier prin extinderea și modernizarea infrastructurii, optimizarea managementului, creșterea calității și durabilității îmbrăcăminților rutiere, reducerea impactului negativ al sistemului de transport asupra mediului și creșterea siguranței circulației pentru utilizatorii drumurilor .
Toate temele strategice, care se referă la „Gestiune și performanță”, „Acces și Mobilitate”, „Siguranță Rutieră”și „Infrastructură de Transport”, este necesar să fie abordate, realizate, experimentate și implementate în practica rutieră. Acestea pot fi descrise în detaliu cu menționarea etapelor, duratei, costului și participanților la contracte. După realizarea temelor de cercetare, este esențială punerea în aplicare pentru validare și implementare.
ANEXA 1 – Valorile factorilor de echivalare / conversie pentru încărcări pe osii realizate cu diverse tipuri de vehicule
ANEXA 2 – Tabel pentru evaluarea și clasificarea pământurilor conform sistemului AASHTO (HBR)
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Teza de doctorat este alcătuită din: [304733] (ID: 304733)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.