Συμβολή στην αξιολόγηση της ομαλότητας στο πλαίσιο της επιτελεστικότητας οδοστρωμάτων

Abstract

Στην παρούσα διατριβή διερευνάται η αξιολόγηση της κατά μήκος ομαλότητας της επιφάνειας ευκάμπτων οδοστρωμάτων, στο πλαίσιο της επιτελεστικότητάς τους, υπό το πρίσμα της σύγχρονης αντίληψης για την «προστασία» των οδοστρωμάτων, σύμφωνα με την οποία, η έννοια συγκεκριμένης διάρκειας ζωής οδοστρώματος ουσιαστικά δεν υφίσταται. Τα οδοστρώματα συνεχίζουν να λειτουργούν ως αναπόσπαστο μέρος του συγκοινωνιακού ιστού, ως οδοστρώματα μεγάλης διάρκειας (Long Life Pavements: LLP) και επομένως πρέπει, όχι μόνο να συντηρούνται, αλλά και μέσω κατάλληλων διαδικασιών πρόληψης να προστατεύονται, έτσι ώστε να διατηρείται η επιτελεστικότητά τους και πέραν του αρχικού χρόνου σχεδιασμού τους. Η επιτελεστικότητά των οδοστρωμάτων εκφράζεται ως η σύνδεση δύο βασικών απαιτήσεων: της διατήρησης, σε βάθος χρόνου, μίας επαρκούς φέρουσας ικανότητας και της εξασφάλισης ενός επιθυμητού επιπέδου λειτουργικής κατάστασης της επιφάνειας των οδοστρωμάτων, τόσο σε επίπεδο έργου, όσο και σε επίπεδο δικτύου. Η ομαλότητα -η οποία ορίζεται ως οι αποκλίσεις της επιφάνειας ενός οδοστρώματος από τη θεωρητικά επίπεδη επιφάνεια- αποτελεί ένα καθοριστικό στοιχείο σύνθεσης της επιτελεστικότητάς των οδοστρωμάτων, καθώς συνδέεται με τα επιφανειακά-λειτουργικά χαρακτηριστικά ή με τα δομικά χαρακτηριστικά τους, ή κατά περίπτωση και με τα δύο. Κατά τη διερεύνηση των επιμέρους θεμάτων που περιλαμβάνονται στην παρούσα εργασία, η ομαλότητα αντιμετωπίζεται όχι μόνο ως μία καθοριστική παράμετρος για την αξιολόγηση της ποιότητας κύλισης, με αποδέκτες τους χρήστες μίας οδού, αλλά και ως ένα χαρακτηριστικό του οδοστρώματος που μπορεί να δώσει πληροφορίες για τη δομική κατάσταση του. Η μεθοδολογία που ακολουθείται, στην παρούσα διατριβή, χαρακτηρίζεται από επιμέρους θεματικές, με κοινό στόχο, την επίτευξη ενός αντικειμενικού τρόπου αξιολόγησης της ομαλότητας, μέσα και από τη δυνατότητα πρόβλεψης της εξέλιξης της στο χρόνο, έτσι ώστε να βελτιστοποιείται η διαδικασία διαχείρισης της συντήρησης των οδοστρωμάτων, στο πλαίσιο προστασίας τους. Τα αποτελέσματα των επιμέρους διερευνήσεων στηρίζονται στην επεξεργασία και ανάλυση μεγάλου αριθμού επιτόπου στοιχείων οδοστρώματος. Η συλλογή των υπόψη στοιχείων πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, κατά τη διάρκεια διαφόρων οδικών πειραμάτων, όπου χρησιμοποιήθηκαν τα Συστήματα μη καταστρεπτικών δοκιμών (Non Destructive Testing: NDT) του Εργαστηρίου Οδοποιίας ΕΜΠ. Η διεξαγωγή των προαναφερόμενων πειραμάτων έγινε με γνώμονα τη διασαφήνιση του τρόπου εισδοχής της παραμέτρου «ομαλότητα» στη συμπεριφορά και κατ’ επέκταση, στην επιτελεστικότητα των οδοστρωμάτων, στις διάφορες φάσεις λειτουργίας τους. Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται μία προσεγγιστική μεθοδολογία, όπου η αξιολόγηση της ομαλότητας αποτελεί το μέσο για τη διαχείριση της συντήρησης των οδοστρωμάτων. Μετά από αναφορά στους περιορισμούς που έχει ο ευρέως χρησιμοποιούμενος διεθνής δείκτης ομαλότητας IRI (International Roughness Index) λόγω του προσομοιώματος υπολογισμού του, η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται στις δυνατότητες της δυναμικής φασματικής (Power Spectral Density: PSD) ανάλυσης των κυματισμών της επιφάνειας των οδοστρωμάτων. Σημειώνεται ότι η PSD ανάλυση χρησιμοποιείται, όχι για να αντικαταστήσει, αλλά για να συμπληρώσει τον δείκτη IRI, ο οποίος αποτελεί ένα μέτρο μόνο της λειτουργικής κατάστασης του οδοστρώματος. Η προτεινόμενη προσεγγιστική μεθοδολογία απευθύνεται στρατηγικά στη διερεύνηση επιμέρους θεμάτων, τα οποία είναι κρίσιμα για τον ενασχολούμενο με τα οδοστρώματα οδοποιό μηχανικό. Η διατριβή εστιάζει σε μερικά από αυτά και συγκεκριμένα στην επιλογή του τρόπου συντήρησης των οδοστρωμάτων, στην αξιολόγηση της συμπεριφοράς ενός οδοστρώματος σε αρχικό στάδιο λειτουργίας του, καθώς και στην αξιολόγηση καινοτόμων τεχνολογιών συντήρησης ή αποκατάστασης των οδοστρωμάτων όπως είναι η επιτόπου ανακύκλωση με αφρώδη άσφαλτο. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής διερευνάται επίσης η επίδραση της ταχύτητας κίνησης του οχήματος στην αξιολόγηση της ομαλότητας. Σύμφωνα με τη διεθνή εμπειρία και πρακτική είναι γνωστό ότι, όσο μεγαλώνει η ταχύτητα κίνησης, τόσο πιο έντονες είναι οι δονήσεις που δέχεται το κινούμενο όχημα λόγω των αποκλίσεων της επιφάνειας ενός οδοστρώματος από τη θεωρητικά επίπεδη επιφάνεια. Η συμβολή της παρούσας διατριβής έγκειται στην τεκμηριωμένη επιστημονική ανάδειξη της σχέσης «ταχύτητα-αξιολόγηση της ομαλότητας», σε συνδυασμό με τη φασματική ανάλυση των κυματισμών της επιφάνειας ενός οδοστρώματος. Η διερεύνηση οδηγεί στο βασικό συμπέρασμα ότι η απόκριση του οχήματος, αυξάνεται ιδιαίτερα στην περίπτωση των μεγάλου μήκους κυματισμών, όσο αυξάνεται η ταχύτητα. Τεκμηριώνεται έτσι ότι, η ένταση των δονήσεων που δέχονται οι επιβαίνοντες στο όχημα, συνεχίζει και είναι μεγάλη και στους μεγάλου μήκους κυματισμούς, όταν το όχημα κινείται με υψηλή ταχύτητα. Το στοιχείο αυτό, πιστεύεται ότι είναι μία σημαντική πληροφορία για τον ενασχολούμενο με τα οδοστρώματα οδοποιό, καθώς κατά την κατασκευή ή συντήρηση ενός οδοστρώματος, δεν πρέπει να εστιάζει μόνο στη μείωση του πλάτους των μικρού μήκους κυματισμών της επιφάνειας νέων ή αποκατεστημένων οδοστρωμάτων -όπως συνήθως επιδιώκεται μέσω των εξελιγμένων τεχνικών διάστρωσης, προκειμένου να διασφαλιστεί ένα υψηλό, ή έστω αποδεκτό, επίπεδο ποιότητας κύλισης- αλλά και στη μείωση του πλάτους των μεγαλύτερου μήκους κυματισμών. Εν συνεχεία αναπτύσσεται μία μεθοδολογία για τον προσδιορισμό κριτηρίων αξιολόγησης της ομαλότητας συνυπολογίζοντας τον παράγοντα «ταχύτητα οχήματος» και αξιοποιώντας τις δυνατότητες της δυναμικής φασματικής (PSD) ανάλυσης. Κατά τη μεθοδολογία αυτή δεν παραμερίζεται ο διεθνής δείκτης IRI, αλλά αξιοποιείται ως το τελικό μέγεθος για τη θέσπιση ορίων ομαλότητας, όσον αφορά στην παραλαβή ή τη συντήρηση των οδοστρωμάτων, σε σχέση με την ταχύτητα κίνησης στην οδό. Η προτεινόμενη μεθοδολογία περιλαμβάνει τιμές ορίων ομαλότητας με βάση τον δείκτη IRI, για διάφορες ταχύτητες. Οι προτεινόμενες τιμές, οι οποίες βασίστηκαν στα αποτελέσματα της στατιστικής επεξεργασίας στοιχείων ομαλότητας από 160 οδικά τμήματα, συνδυάζονται με προτάσεις για την καλύτερη εφαρμογή τους στην πράξη, καθώς είναι άμεσα αξιοποιήσιμες. Ως προς την πρόβλεψη της εξέλιξης της ομαλότητας σε βάθος χρόνου λειτουργίας των οδοστρωμάτων, η συνήθης πρακτική είναι η ανάπτυξη απλουστευμένων, στατιστικών αλγορίθμων πρόβλεψης. Η προσέγγιση αυτή παρουσιάζει διάφορα μειονεκτήματα, καθώς επικεντρώνεται στην καταγραφή και σχετική στατιστική επεξεργασία μόνο του δείκτη IRI, για τυχόν εφαρμοσιμότητα σε συγκεκριμένη κατηγορία οδοστρωμάτων, σε επίπεδο δικτύου (network level) και όχι σε επίπεδο έργου (project level) που βασικά ενδιαφέρει τον ενασχολούμενο με τα οδοστρώματα μηχανικό. Έχει παρατηρηθεί ότι τέτοιου είδους αλγόριθμοι πρόβλεψης, όταν εφαρμοστούν σε δίκτυο οδοστρωμάτων, το οποίο παρουσιάζει έστω και μικρές αποκλίσεις ως προς το δίκτυο για το οποίο αναπτύχθηκαν, δεν έχουν αξιοπιστία ως προς τα αποτελέσματά τους. Αντίθετα, η παρούσα διατριβή εστιάζει τόσο στη λειτουργική, όσο και στη δομική συμπεριφορά των οδοστρωμάτων, η οποία ουσιαστικά εκφράζεται, μόνο μέσω του συνόλου των μηχανικών χαρακτηριστικών των μιγμάτων των επιμέρους στρώσεων. Προς τούτο προτείνεται η ανάπτυξη ενός προκαταρκτικού μηχανιστικού προτύπου πρόβλεψης της εξέλιξης της ομαλότητας. Ειδικότερα, κατά τη διερεύνηση, το θέμα της πρόβλεψης της ομαλότητας προσομοιάζεται μέσα από τη δημιουργία παραμορφώσεων κατά μήκος της επιφάνειας ενός οδοστρώματος, ως το αθροιστικό αποτέλεσμα των παραμενουσών παραμορφώσεων στις επιμέρους στρώσεις. Κατόπιν κατάλληλης διερεύνησης γίνεται θεώρηση ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς των υλικών των μιγμάτων των επιμέρους στρώσεων για την προσομοίωση υπολογισμού των παραμενουσών παραμορφώσεων. Το διάγραμμα των υπολογισμένων παραμενουσών παραμορφώσεων κατά μήκος ενός υπό διερεύνηση οδοστρώματος περιγράφει τις προβλεπόμενες αποκλίσεις της επιφάνειας του οδοστρώματος από τη θεωρητικά επίπεδη επιφάνεια και κατά συνέπεια εκφράζει, την προβλεπόμενη ομαλότητα της επιφάνειας του οδοστρώματος για δεδομένη κυκλοφορία και δεδομένες περιβαλλοντικές συνθήκες. Η υπόψη προσέγγιση οδηγεί στην ανάπτυξη του προτύπου PROviMA (Prediction of Roughness viewing Mechanical Analysis) ως ένα προκαταρκτικό βήμα για την πρόβλεψη της εξέλιξης της ομαλότητας στο χρόνο. Το προτεινόμενο πρότυπο έχει εφαρμοσιμότητα σε επίπεδο έργου. Για τη διερεύνηση της εφικτότητας πρόβλεψης της εξέλιξης της κατά μήκος ομαλότητας, με βάση το προτεινόμενο πρότυπο PROviMA, δηλαδή της ανάπτυξης παραμενουσών παραμορφώσεων κατά μήκος της επιφάνειας των οδοστρωμάτων, πραγματοποιήθηκε οδικό πείραμα σε τμήμα αυτοκινητοδρόμου. Κατόπιν κατάλληλης στατιστικής επεξεργασίας προκύπτει ότι, τα αποτελέσματα του πειράματος, ως πρώτη προσέγγιση στην πράξη της σύγκλισης των μορφών, συγκρινόμενων διαγραμμάτων, προβλεπόμενων και μετρημένων αποκλίσεων από τη θεωρητικά επίπεδη επιφάνεια, κατά μήκος ενός οδοστρώματος, είναι ενθαρρυντικά. To PROviMA, μέσω και της εν δυνάμει εξέλιξής του, πιστεύεται ότι, είναι δυνατό να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο, όχι μόνο για τη διερεύνηση της πρόβλεψης της εξέλιξης της ομαλότητας, αλλά και για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς των διαφόρων τύπων μιγμάτων -τόσο μεμονωμένα, όσο και στο σύνολο τους- των στρώσεων ενός οδοστρώματος κατά τον σχεδίασμά του, προκειμένου να επιτευχθεί η βέλτιστη διαστασιολόγηση του νέου οδοστρώματος. Ανάλογα ισχύουν και στην περίπτωση σχεδιασμού αποκατάστασης ή ενίσχυσης ενός υφιστάμενου οδοστρώματος. Επίσης, με το PROviMA είναι δυνατό να γίνει και η αξιολόγηση διαφόρων τεχνολογιών για την αποκατάσταση ενός εν λειτουργία οδοστρώματος μέσω της πρόβλεψης της συμπεριφοράς του, στο πλαίσιο διαφόρων εναλλακτικών προτάσεων συντήρησης/αποκατάστασης. Επιπλέον, μέσω της προτεινόμενης προσομοίωσης που περιγράφεται στο πρότυπο PROviMA, θα μπορούσε να διερευνηθεί η συμπεριφορά και νέων υλικών των μιγμάτων. Σε όλες τις περιπτώσεις, βασικό πλεονέκτημα του προτεινόμενου προτύπου PROviMA είναι ότι, για τη λειτουργία του χρησιμοποιούνται στοιχεία, των οποίων η συλλογή γίνεται επιτόπου (in-situ) με συστήματα μη καταστρεπτικών δοκιμών (NDT) και αναλύσεων. Τα συστήματα αυτά, αφενός δε διαταράζουν τη δομή του οδοστρώματος, με άμεσα επίσης οφέλη ως προς την εξοικονόμηση χρόνου και κόστους για τη διεξαγωγή των μη καταστρεπτικών δοκιμών και αφετέρου, τα αποτελέσματα τους αντιπροσωπεύουν καλύτερα την πραγματική κατάσταση/συμπεριφορά του οδοστρώματος, από τις κλασσικές συνθήκες εργαστηρίου υπό κλίμακα. Συνολικά, τα αποτελέσματα της έρευνας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι, η πρόβλεψη της εξέλιξης της ομαλότητας των οδοστρωμάτων, σε συνδυασμό με τις προτεινόμενες διαδικασίες ή προσεγγίσεις αξιολόγησης της, μπορούν να αποτελέσουν ισχυρό εφόδιο στο πλαίσιο της ευρύτερης διαχείρισης της προστασίας ενός σύγχρονου οδοστρώματος. Το στοιχείο αυτό πιστεύεται ότι έχει ιδιαίτερα επιστημονικό και πρακτικό χαρακτήρα, τόσο σε διεθνές, όσο και σε εθνικό επίπεδο, ιδιαίτερα όταν πρόκειται για οδοστρώματα μεγάλης διάρκειας, όπως για παράδειγμα είναι τα οδοστρώματα οδών ή οδικών δικτύων που εντάσσονται σε συστήματα παραχώρησης ΒΟΤ/ΡΡΡ (Build-Operate-Transfer/Public-Private-Partnerships).