Wpływ jasnych nawierzchni na trwałość nawierzchni ... · bezpieczeństwo użytkownikom dróg, ... • Współczynnik odbicia światła ... Przykład badań Instytutu adawczego

K.Błażejowski, E.Filipczyk "Wpływ jasnych nawierzchni na trwałość nawierzchni,

bezpieczeństwo i komfort uczestników ruchu"

Konferencja "Jasne nawierzchnie jako istotny czynnik znaczącego zwiększenia

bezpieczeństwa kierowców i trwałości nawierzchni oraz zmniejszenia kosztów

oświetlenia dróg. Doświadczenia w Europie i w Polsce". Chorzów 16-17.09.2014 1

Wpływ jasnych nawierzchni na trwałość nawierzchni, bezpieczeństwo i komfort uczestników ruchu oraz na obniżkę kosztów energii elektrycznej

do oświetlenia dróg

Konferencja „Jasne nawierzchnie jako istotny czynnik znaczącego zwiększenia bezpieczeństwa kierowców i trwałości nawierzchni oraz zmniejszenia kosztów oświetlenia

dróg. Doświadczenia w Europie i w Polsce.” Chorzów, 16-17.09.2014 r.

dr inż. Krzysztof Błażejowski

Erwin Filipczyk (Śląskie Kruszywa Naturalne sp. z o.o.)

Po co oświetlamy drogi?

• Aby zwiększyć bezpieczeństwo użytkowników dróg (kierowców, pieszych, rowerzystów itd.) i ograniczyć liczbę wypadków drogowych. Poprawne oświetlenie drogi pozwala:

– widzieć więcej,

– łatwiej określać dystans do innych pojazdów, przeszkód i pieszych

– zwiększyć czas na reakcję kierowcy,

• Aby zwiększyć bezpieczeństwo osobiste (napady, kradzieże, rozboje itd.)

• Aby uzyskiwać specjalne efekty w zabudowie miejskiej oraz polepszyć jakość życia mieszkańców.

2






Dobre oświetlenie drogi...

• Poziom luminancji drogi – odpowiedni poziom luminancji ma wpływ na widoczność jaką dysponuje kierowca (dostrzeżenie przeszkody na pasie ruchu). Luminancja odzwierciedla to, co widzi kierowca (odczuwanie „jasności” nawierzchni).

• Równomierność luminancji drogi – zapewnienie w miarę stałej luminancji wzdłuż osi i w przekroju poprzecznym drogi (bez ciemnych stref) polepsza warunki jazdy i uniemożliwia „ukrycie” przeszkody przed wzrokiem kierowcy

• Ograniczenie olśnienia u kierowcy – dobór odpowiednich opraw oświetleniowych.

• Prowadzenie wzrokowe kierowcy – dobór opraw oświetleniowych, rodzaju oświetlenia, barwy światła itd., które prowadzą kierowcę i umożliwiają mu z pewnym wyprzedzeniem „odczytać” przebieg drogi i ukształtowania np. skrzyżowania czy węzła drogowego.

źródło [6, 7] 3

Oświetlenie drogi...

• Oświetlenie ulic to ważny element infrastruktury zapewniających bezpieczeństwo użytkownikom dróg, a to jest ważny element polityki UE.

• Jest to także element bezpieczeństwa mieszkańców, stąd presja społeczna na instalację systemów oświetlenia ulicznego jako elementu zapobiegania przestępczości.

• Prostą konsekwencją rozbudowy oświetlenia ulicznego jest znaczący wzrost kosztów w budżecie każdego samorządu lub zarządcy drogi.

A więc względy bezpieczeństwa i społeczne coraz częściej będą wymuszały modernizację oświetlenia ulic. Nieunikniony jest wzrost kosztów. Czy jedynym wyjściem są lepsze źródła światła i nowocześniejsze oprawy oświetleniowe?

A może jest szansa, aby jasne nawierzchnie drogowe były sposobem na znaczące oszczędności energii elektrycznej?

4






Nawierzchnia drogi...

Nawierzchnia drogowa jest układem warstwowym. W zakresie interesującego nas tematu właściwe jest rozpatrywanie wyłącznie materiału i charakterystyki warstwy powierzchniowej (tzw. warstwy ścieralnej).

W sensie materiałowym możemy wyróżnić warstwy ścieralne:

• z mieszanki mineralno-asfaltowej,

• z betonu cementowego.

Nawierzchnie z betonu cementowego są zwykle jaśniejsze niż nawierzchnie asfaltowe. Ponieważ jednak oświetlenie dróg najczęściej stosowane jest na terenie zabudowanym z infrastrukturą podziemną pod nawierzchnią, a dominującym typem nawierzchni w takich obszarach są nawierzchnie asfaltowe, w dalszej części prezentacji odniesiono się do asfaltowych warstw ścieralnych.

5

Nawierzchnia drogi... wymagane cechy

Wymagania wobec nawierzchni z punktu widzenia użytkownika drogi związane są głównie z bezpieczeństwem i komfortem jazdy:

• równość poprzeczna i podłużna

• szorstkość (wsp. tarcia)

• niska głośność

• dobra widoczność jezdni (szczególnie o zmroku i przy mokrej nawierzchni)

Zarządzający drogami do tych wymagań dodaje jeszcze:

• maksymalna trwałość

• odporność na koleinowanie i odkształcenia

• trwałość zmęczeniowa

• brak spękań zimowych

• ekonomiczna opłacalność: relacja kosztów budowy do efektywności (koszty eksploatacji, naprawy, remonty)

6






Nawierzchnia drogi... wymagane cechy

Złożenie obu punktów widzenia prowadzi do określenia końcowych wymagań wobec nawierzchni.

Warunki jazdy:

• równość,

• szorstkość,

• dobra widoczność.

Efektywność ekonomiczna:

• długowieczność nawierzchni,

• niski koszt budowy, utrzymania i eksploatacji.

Przez ostatnie kilkadziesiąt lat w Polsce nie zwracano uwagi na aspekt „koloru” nawierzchni w sensie trwałości konstrukcji i komfortu jazdy kierowców. Nie brano także pod uwagę faktu, że rozjaśnienie warstwy ścieralnej może przynieść wymierne efekty techniczne i ekonomiczne.

7

Jasna nawierzchnia drogi...?

Jasność nawierzchni rozumiemy jako zdolność nawierzchni do odbijania światła dziennego lub sztucznego.

Zdolność do odbijania światła przez nawierzchnię zależy od:

• Stopnia jasności powierzchni warstwy ścieralnej (jaka ilość światła padającego zostaje odbita).

• Rodzaju odbicia światła - rzeczywiste odbicie jest wypadkową czterech składowych: rozproszonej, kierunkowej idealnej, kierunkowej rzeczywistej, powrotnej.

Nawierzchnia asfaltowa (również betonowa), nie rozprasza światła równomiernie i charakteryzują się one kierunkowo-rozproszonym charakterem odbicia.

8







Jasne nawierzchnie, szczególnie o rozwiniętej makroteksturze wykazują znaczący wzrost wskaźnika odbicia dyfuzyjnego (rozproszonego).

9

światło padające światło odbite

korzystne niekorzystne


Przykład wpływu makrotekstury na odbicia światła od nawierzchni.

10

fot. K.Błażejowski






Jasna nawierzchnia drogi

Parametry związane z jasnością nawierzchni:

• Luminancja - odzwierciedla ilość światła, która jest widziana przez obserwatora. Wszystko, widzimy posiada określoną luminancję.

• Współczynnik odbicia światła – zdolność danej powierzchni do odbijania światła, inaczej jest to „jasność nawierzchni”, zawiera dwie składowe odbicia: – składową kierunkową ρk (odbicie kierunkowe)

– składową rozproszoną ρr (odbicie rozproszone, dyfuzyjne)

• Średni współczynnik luminancji q0 [cd/m2•lx] stanowi iloraz wartości luminancji nawierzchni i natężenia oświetlenia w danym punkcie nawierzchni. Jest zależny od kierunku padania promienia świetlnego oraz od kierunku obserwacji.

• Współczynnik odbicia lustrzanego (niem. Spiegelfaktor) kp - miara stopnia odbicia lustrzanego

11

Jasna nawierzchnia drogi... jak uzyskać

Sposoby uzyskania efektu jasnej nawierzchni asfaltowej:

• stosowanie jasnych kruszyw (pełen efekt rozjaśnienia następuje dopiero po około 1,5 roku eksploatacji nawierzchni),

• stosowanie syntetycznych lepiszczy (bezbarwnych lub barwionych jasnymi pigmentami),

• stosowanie jasnych kruszyw do uszorstniania nawierzchni (pokrycia klasycznej, ciemnej warstwy ścieralnej) na etapie układania warstwy ścieralnej,

• piaskowanie (ew. zmywanie wodą pod ciśnieniem) nawierzchni przed oddaniem do ruchu, w celu uzyskania natychmiastowego efektu rozjaśnienia np. w tunelach – polega na mechanicznym zdjęciu warstwy ciemnego lepiszcza z powierzchni ziaren jasnego kruszywa (uwaga - możliwość zniszczenia powierzchni i uszkodzenia materiału!).

12







13

Przykład – użycie jasnego kruszywa w mieszance mineralno-asfaltowej


14

Przykład – użycie syntetycznego lepiszcza

fot. K.Błażejowski







15

Przykład – użycie jasnych kruszyw do uszorstniania nawierzchni

Jasna nawierzchnia drogi... jak zbadać

Jasność nawierzchni drogi można zmierzyć np. aparatem Memphis.

Memphis to nowy sposób pomiaru charakterystyki odbiciowej nawierzchni drogowej

materiały firmy Schreder






Jasna nawierzchnia drogi... jak zbadać

17

Szybki pomiar (w ciągu 12s)

Pomiar terenowy, metoda nieinwazyjna, możliwość wykonania przez całą dobę.

materiały firmy Schreder

Jasna nawierzchnia drogi... jak klasyfikować

18

Kategoria q0 (cd/m2.lx) Opis warstwy nawierzchni

D I >0,11 Bardzo rozjaśnione nawierzchnie

D II ≥0,09 Rozjaśniane nawierzchnie

D III ≥0,07 Jasne nawierzchnie

D IV <0,07 Ciemne nawierzchnie

q0 Range (cd/m2.lx) Przykład zastosowania

A ≥0,09 Tunele

B ≥0,07 Drogi przejazdowe w terenie

zabudowanym

C Brak specjalnych wymagań

Klasyfikacja jasności nawierzchni asfaltowych wg Norddeutsche Expertengruppe für aufge-

hellte Asphaltdeckschichten: Praktische Hinweise für den Bau von hellen Asphaltdeckschichten.

2004 [1]

Wymagania wobec jasności nawierzchni asfaltowych wg FGSV Arbeitspapier Reflexion-

seigenschaften von Gesteinskörnungen und Oberflächen aus Asphalt. Ausgabe 2010. [4]






Jasna nawierzchnia drogi... jak klasyfikować

19

Przyporządkowanie nawierzchni do klas wg normy DIN 5044 oraz Publikacji

Międzynarodowej Komisji ds. Oświetlenia CIE (Commission Internationale d’Eclairage)

Przedział kp

(współczynnik odbicia

lustrzanego)

Standard wg

DIN 5044

Standard wg CIE

≤ 0,22 R 1 C1 (odb. rozproszone)

0,22 < kp ≤0,33 R 2

C 2 (odb. lustrzane) 0,33 < kp ≤0,44 R 3

0,44 < kp ≤0,55 R 4

Jasna nawierzchnia drogi – oczekiwane efekty: - trwałość - redukcja „wysp gorąca” - bezpieczeństwo i komfort jazdy - oszczędność energii elektr.

20






Jasna nawierzchnia drogi – wpływ na trwałość

Roczne amplitudy temperatury powietrza w Polsce sięgają ok. 65°C, co przekłada się na zakres temperatury warstwy ścieralnej od -30°C do +50°C.

Wiemy, że ciemne powierzchnie nagrzewają się w lecie do znacznie większej temperatury niż jasne. Z tym zjawiskiem związane jest zwiększenie temperatury warstw asfaltowych i obniżenie ich odporności na koleinowanie.

Przeprowadzone badania wykazały, że dzięki rozjaśnieniu warstwy ścieralnej możliwe jest obniżenie temperatury lepiszcza asfaltowego i zmniejszenie ryzyka koleinowania. Rozjaśnienie powierzchni drogi powoduje obniżenie najwyższych wartości temperatury od 5 do 10°C w stosunku do nawierzchni ciemnych.

Innym aspektem obniżenia temperatury warstw asfaltowych w lecie jest możliwość zastosowania nieco bardziej miękkiego lepiszcza, a co za tym idzie o lepszej odporności na spękania w zimie.

21


Rozkład temperatury w nawierzchni na różnych głębokościach:

- wpływ bezpośredniego nasłonecznienia

- wpływ długości okresu z dniami gorącymi

- wpływ amplitudy temperatury między dniem a nocą

22







Przykład badań Instytutu Badawczego Dróg i Mostów w Warszawie, w których porównano wpływ wysokiej temperatury na wynik badania koleinowania z kruszywami o różnej jasności [2]:

23

0

2

4

6

8

10

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Cykle

Ko

lein

ow

an

ie,

%

Bazalt w 60C Gabro w 60C Gabro w 50C

Rys. 1. Wyniki badania koleinowania LCPC mieszanek SMA z gabro i bazaltem


Przykład drogi z kruszywami o różnej jasności (DK nr 46 Opole – Częstochowa. Stan nawierzchni: mokra)

24







Badania porównawcze zbudowanej nawierzchni z dwóch typów kruszyw, jasnych i ciemnych [2]

25

Kilometraż, położenie Wyniki pomiarów

Współczynnik odblasku

RLmcd/m2 lx

(widzialność nocna)

Współczynnik

luminancji

obwodnica Opola,

przed skrzyżowaniem z

DK nr 4,

SMA gabro

16

12

15

14

średnio 14

=0,079

=0,078

=0,078

=0,080

śr. =0,079

DK nr 4 przed

skrzyżowaniem z

obwodnicą Opola,

BA bazalt

6

8

6

7

średnio 7

=0,047

=0,048

=0,047

=0,049

śr. =0,048


Podsumowanie:

• rozjaśnienie nawierzchni ma wpływ na zwiększenie trwałości nawierzchni asfaltowych przez obniżenie ich temperatury w okresie lata (szacunkowo do 10°C),

• bezpośrednim efektem jest zmniejszenie ryzyka koleinowania w wysokiej temperaturze,

• dodatkowo, istnieje potencjalna możliwość zastosowania bardziej miękkich lepiszczy asfaltowych o lepszej odporności na spękania niskotemperaturowe.

26






Jasna nawierzchnia drogi – wpływ na klimat w mieście

Rozgrzewanie dużych, ciemnych powierzchni w mieście niesie za sobą także inne efekty niż wyłącznie drogowe.

Podczas słonecznego dnia ciemne nawierzchnie nagrzewają się do wysokiej temperatury, a przez kolejne godziny ciepło jest oddawane do otoczenia sprawiając, że w mieście temperatura powietrza nie spada znacząco w nocy (różnica między miastem a otoczeniem w nocy sięga 10-15°C).

Efektem są tzw. miejskie wyspy gorąca, które mają znaczący i negatywny wpływ na jakość życia mieszkańców miast:

• wyższe koszty klimatyzacji

• negatywny wpływ na zdrowie

• spadek sprawności i wydajności u ludzi

• wzrost ryzyka wypadkowości

27

Jasna nawierzchnia drogi... a bezpieczeństwo i komfort użytkowników drogi

Jasność nawierzchni drogi przekłada się bezpośrednio na lepszą widzialność przeszkód na drodze w warunkach słabszego oświetlenia (kontrast pomiędzy przeszkodą a nawierzchnią).

Podobnie, lepiej widoczne są krawędzie jezdni lub granica między poboczem a nawierzchnią, co ułatwia prowadzenie pojazdów.

Większa jasność nawierzchni wpływa także na równomierną luminancję drogi.

28

Rozkład luminancji nawierzchni o

wskaźnikach:

q0 = 0,05 cd/m2 i q0 = 0,10 cd/m2






Jasna nawierzchnia drogi... a koszty oświetlenia

Skoro jasne nawierzchnie (lub rozjaśnione) mają wpływ na trwałość nawierzchni, komfort i bezpieczeństwo jazdy, to na ile są w stanie także polepszyć efektywność finansowania oświetlenia dróg? Poniżej porównano koszty oświetlenia odcinka 1 km drogi z nawierzchniami o różnej jasności.

29

Porównanie dla instalacji oświetleniowej drogi jednojezdniowej przy założeniu L= 1

cd/m2.lx zgodnie z DIN EN 13201

W analizie: zmniejszono moc lamp, liczbę źródeł światła na 1 km oraz wsk. luminancji nawierzchni

Jasna nawierzchnia drogi... a jakość i koszty oświetlenia

30

Współczynnik luminacji q0 (cd/m2.lx) 0,07 0,09 0,11

Odległość pomiędzy masztami (m) 30,5 39,5 46,00

Średnia luminacja Lm (cd/m2) 2,01 2,00 2,10

Równomierność oświetlenia Uo 0,52 0,50 0,48

Równomierność oświetlenia wzdłużna Ul 0,84 0,73 0,70

Wzrost wartości progowych TI (%) 10,60 9,30 8,20

Ilość żródeł światła na km 65,57 50,63 43,48

Moc przyłącza (kW/km) 18,033 13,924 11,957

Roczne zużycie prądu kW/h na km (przy 4200 godzinach

świecenia) 75 738 58 481 50 217

Porównanie kosztów utrzymania 100 % 77,2 % 66,3 %

Porównanie kosztów zużycia prądu w odniesieniu na 2

cd/m2 100 % 76,8 % 63,5 %

Porównanie dla instalacji oświetleniowej autostrady miejskiej przy

założeniu L= 2 cd/m2 zgodnie z DIN/DIN EN 13201

Lampy: 2 źródła światła na słup, żarówki sodowe 250 W, wysokość źródeł

światła 14 m, odległość pomiędzy słupami zmienna.

Źródło: [5]






Jasna nawierzchnia drogi... a jakość i koszty oświetlenia

Podsumowanie:

• Stosowanie jasnych lub rozjaśnionych naiwerzchni generuje konkretne efekty ekonomiczne dla Zarządcy drogi.

• Pojawiają się znaczące oszczędności w kosztach oświetlenia dróg i ulic o jasnych nawierzchniach o 25-40%, poprzez np.:

– przy już istniejącej infrastrukturze: zmniejszenie mocy, zmniejszenie liczby źródeł światła

– optymalne projektowanie infrastruktury oświetleniowej na nowych drogach: zmniejszenie mocy, zwiększenie odległość pomiędzy źródłami światła.

• Ewentualne wyższe/dodatkowe nakłady amortyzują się po dość krótkim czasie.

31

WNIOSKI

Poprzez zastosowanie jasnych kruszyw możliwe jest uzyskanie jasnych nawierzchni o wskaźniku luminancji qo > 0,07 cd/m2 .lx

Jasne nawierzchnie wpływają znacząco na obniżenie kosztów oświetlenia ulicznego.

Optymalne zaprojektowanie oświetlenia w przypadku dróg nowobudowanych pozwala obniżyć nie tylko koszty energii, ale również koszty utrzymania.

Jasne nawierzchnie wpływają na zwiększenie odporności nawierzchni asfaltowych na koleinowanie.

Istnieje możliwość stosowania asfaltów o wyższej penetracji tzw. „miękkich”, co zredukuje liczbę spękań niskotemperaturowych.

Powstanie rzeczywiste obniżenie kosztów budowy, utrzymania i eksploatacji dróg.

32






WNIOSKI

Zwiększa się bezpieczeństwo uczestników ruchu:

• Znacznie lepsza widoczność w porze nocnej lub/i w przypadku mokrych nawierzchni.

• Zwiększenie kontrastowości, a przez to lepsza rozpoznawalność obiektów na drodze. Jest to szczególnie istotne przy ciemnych obiektach na ciemnych nawierzchniach.

• Zmniejszenie efektu oślepienia ze względu na „odbicia lustrzane” światła padającego od reflektorów pojazdów.

• Zwiększenie efektywności oświetlenia reflektorów pojazdu.

• Znaczące zwiększenie bezpieczeństwa poprzez wyeliminowanie problemu koleinowania i stąd także spadek wypadkowości.

33

Asfaltowe warstwy ścieralne z jasnym kruszywem umożliwiają wykonywanie trwalszych, bardziej ekonomicznych a przede wszystkim bezpieczniejszych nawierzchni na wszystkich drogach publicznych w Polsce.

34

WNIOSKI






DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ

Kontakt: Krzysztof Błażejowski: [email protected] Erwin Filipczyk: tel. 77 402 10 00

35

BIBLIOGRAFIA

[1] Norddeutsche Expertengruppe für aufgehellte Asphaltdeckschichten: Praktische Hinweise für den Bau von hellen Asphaltdeckschichten 2004. Praktyczne Wskazówki do Budowy Jasnych Nawierzchni Asfaltowych, 2004.

[2] Dariusz Sybilski, Robert Mularzuk, IBDiM: Wpływ zastosowania kruszywa gabro na właściwości nawierzchni asfaltowej.

[3] Peter Pohlmann: Helle Decken verbessern den Verformungschutz. Bitumen 1/96. Jasne nawierzchnie poprawiają odporność na deformacje. Bitumen 1/96

[4] FGSV Forschungsgesellschaft für Strassen- und Verkerswehsen; Arbeitspapier Reflexionseigenschaften von Gesteinskörnungen und Oberflächen aus Asphalt. Ausgabe 2010. Dokument roboczy: Właściwości Refleksyjne Kruszyw i Nawierzchni Asfaltowych. Wydanie 2010.

[5] Dr Hans Meseberg: Gutachten G 04/2011 zu Ermittlung des optimalen Leuchtdichtekoeffizienten q0 von Fahrbahnoberflechen hinsichtlich Energieeinsparung ortsfest beleuchtete Strassen, Standfestigkeit von Fahrbandecken und Kontrastverhältnissen nicht ortsfeste beleuchtete Strassen. Ekspertyza nr G 04/2011 w celu ustalenia optymalnego wskaźnika luminescencji q0 nawierzchni dróg pod kątem oszczędności energii elektrycznej stałego oświetlenia dróg, trwałości nawierzchni i poprawy warunków kontrastowości dróg nieoświetlonych. Berlin 2011.

[6] Przemysław Oziemblewski. Wprowadzenie do oświetlenia drogowego. http://www.swiatlo.tak.pl/artykuly/osw-drogi-wprowadzenie/drogi-wprowadzenie.php

[7] Przemysław Oziemblewski . Dlaczego luminancja drogi, a nie jej natężenie oświetlenia? http://www.swiatlo.tak.pl/oswietlenie/luminancja-drogi.php

36

http://www.swiatlo.tak.pl/artykuly/osw-drogi-wprowadzenie/drogi-wprowadzenie.php









http://www.swiatlo.tak.pl/oswietlenie/luminancja-drogi.php




Documents

Wpływ jasnych nawierzchni na trwałość nawierzchni ... · bezpieczeństwo użytkownikom dróg, ... • Współczynnik odbicia światła ... Przykład badań Instytutu adawczego