Těžká nákladní doprava na regionálních silnicích

Je často diskutovanou otázkou ve vztahu mezi silniční a železniční dopravou. Problematika opotřebení silnic těžkou dopravou nemusí nutně znamenat pouze kamionovou dopravu v klasickém slova smyslu, ale i těžkou nákladní dopravu stavebních hmot a substrátů, zemědělskou techniku a autobusovou veřejnou dopravu, která se pohybuje právě po silnicích nižších tříd, tedy po silnicích se sníženou únosností. Jaký je tedy vztah těžké silniční dopravy, její frekvence a principů opotřebení silnic různých tříd?

Manažerské shrnutí

Namáhaná silnice na rozdíl od mostu nemá kam spadnout – leží přece na zemi. Znamená to tedy, že unese všechno? Zcela jistě ne. Kola vozidla a tedy hmotnost vozidel působí na vozovku (= odborný výraz pro silnici) téměř bodově – přesněji v malé ploše. Zatížení (= hmotnost vozidla) je přes konstrukční vrstvy vozovky rozprostřeno (= roznášeno) do plochy podloží vozovky (= zemina, písek, skála, prostě to co je pod vozovkou). Roznášení hmotnosti lze v řezu znázornit jako část (= úseč) kužele, který čím je kužel vyšší (= tloušťka konstrukčních vrstev vozovky je větší), tím se roznáší zatížení od kol do větší plochy podloží. Podloží se chová podle toho o jaký materiál se jedná, ale obecně lze říci – částečně pružně (= zatlačím, povolím a materiál se vrátí zpět), – částečně plasticky (= zatlačím, povolím a materiál už se nevrátí zpět). Plastické deformace (= trvalé = vozovku poškozující) vozovky jsou závislé na tloušťce a kvalitě konstrukčních vrstev vozovky. Čím tlustší je vozovka = čím tlustší jsou její konstrukční vrstvy = tím větší je roznášecí plocha působící na podloží = tím menší jsou trvalé (= poškozující) deformace vozovky. Konstrukční vrstvy (= obalované kamenivo (tzv. „asfalt“), speciální beton, kamenivo různé velikosti atd.) jsou samozřejmě drahé = materiál, doprava, pokládka, hutnění (= válcování).

Jaké najít řešení??? Najít rovnováhu mezi požadovanou životností vozovky (= kdy už jí je nutno opravit) a její cenou (= tloušťkou konstrukčních vrstev roznášejících zátěž od vozidel). Používají se cca dvě řešení podle provozního zatížení (= jak velký provoz nákladních vozidel se očekává). Vždy platí předpoklad – zatížení max. na nápravu vozidla = 10 tun, plánovaná životnost silné i slabé vozovky je stejná = 25 až 30 let.

Malý provoz těžkých vozidel = Slabá a levná konstrukce vozovky – při zatížení vede k velkým průhybům – platí zde: menší množství velkých průhybů vozovky vede k opotřebení a porušení konstrukce vozovky.

Velký provoz těžkých vozidel = Silná a drahá konstrukce vozovky – při zatížení vede k malým průhybům – platí zde: velké množství malých průhybů vede k opotřebení a porušení konstrukce vozovky.

Cena OPRAVY (NE NOVÉ STAVBY NA ZELENÉ LOUCE) silnice zhruba odpovídá poměru tlouštěk vrstev silnice. Vozovka dálnice má podle normy tloušťku asfaltových vrstev 270 mm, silnice nižší třídy 100 mm. Zjednodušeně tedy můžeme uvažovat poměr tloušťky vrstev 3:1, tedy poměr ceny OPRAVY vozovky dálnice/silnice nižší třídy = také 3:1. Samozřejmě při stejné šířce vozovky.

Pokud norma předpokládá za 30 let životnosti dálnice průjezd 85 mio nákladních vozidel = kamionů, pak náklady na jeden průjezd jsou 0,35 Kč/průjezd. U silnic lehčí stavby – okresky druhé a třetí třídy – je to 460 tis průjezdů těžkých vozidel. Náklady na jeden průjezd tedy jsou 21,7 Kč/průjezd.

Nákladní doprava vs. Osobní doprava a opotřebení vozovky – z empirických výzkumů, které probíhaly při stavbě dálnic v USA a vycházejí z obecně platných fyzikálních zákonitostí, roste opotřebení vozovky s třetí mocninou hmotnosti na nápravu. Zjednodušeně můžeme říci, že cca 3000 průjezdů osobních automobilů odpovídá, pokud jde o opotřebení vozovky, průjezdu jednoho kamionu.

Co z toho plyne:

• Pokud jde o opotřebení vozovky, jak u okresek tak dálnice, je role IAD zanedbatelná = silné a nákladné vozovky s vysokou únosností se budují jen a pouze pro potřebu nákladní dopravy, pro IAD by obecně stačila mnohem lehčí a mnohem levnější konstrukce vozovek.
• Jeden jediný průjezd kamionu po okresní silnici ji opotřebí stejně jako 62 průjezdů kamionů na dálnici = silnice druhé a třetí třídy (dále v textu „okresky“) vůbec nejsou konstruované pro současnou nákladní dopravu.
• Tyto výpočty platí pro konstrukci okresních silnic podle stávajících norem. Většina současných okresek je ale mnohem slabší konstrukce, je to často původní polní cesta s rozšířenou krajnicí a s tenkou vrstvou asfaltu, která má mnohem nižší nosnost než by měla mít podle normy = díky mnohem slabší konstrukci se opotřebí mnohem dříve.
• Normou předpokládaný provoz těžké dopravy na okreskách je 460 tis vozidel za 30 let, to je 2,3 nákladního vozidla za jednu hodinu (když předpokládáme, že v noci těžký provoz není). Tento provoz je na většině okresních silnic ne za hodinu, ale za několik minut. Počítáme totiž nejen kamiony, ale i autobusy a těžkou moderní zemědělskou techniku = díky mnohem silnějšímu provozu než je předpoklad se opotřebí mnohem dříve.
• Nejen nosnost, ale i šířka okresky a často jejich průchod obcí, odpovídá době vzniku a rozměrům původních vozidel. Pro stávající vozidla včetně autobusů a traktorů je velmi úzká a jen obtížně umožnuje křižování vozidel. Vyvedení vozidel alespoň mimo obce formou obchvatu je u těchto komunikací téměř nemožné.

Závěr

Z výše uvedeného je tedy zřejmé, že naprostá většina silnic nižších tříd není pro těžkou dopravu nijak připravená. Jsou buď úzké, takže se na nich rozměrná vozidla nevyhnou, nebo byly historicky rozšířené, nicméně za cenu, že je rozšířená část silnic neúnosná, bez krajnic, téměř bez odvodňovacích příkopů a měla by být zatěžována co možná nejméně. Náklady, vynakládané na silniční síť, se koncentrují do komunikací vyššího dopravního významu. Zbylé finance, určené pro silnice nižších tříd, sotva stačí na udržení stavu sjízdnosti, a rozhodně nestačí na jakékoliv jejich zásadnější vylepšení.

Pokud na tyto silnice najede těžká doprava, není jejich opotřebení oproti dálnicím ani dvojnásobné, ani trojnásobné, ale zhruba šedesátinásobné. Ekonomické dopady na veřejné rozpočty jsou proto naprosto drastické, dlouhodobě dochází ke vzniku škod velkého rozsahu. Poškození až do úrovně havárie vozovky se řeší pouze provizorně a narůstá tzv. vnitřní dluh. Ani GO oprava v souladu s normou věc neřeší, protože zatížení vysoce převyšuje předpokládané hodnoty.

Regiony a železnice

Uvědomění si výše uvedených klíčových faktů musí být zásadní vstupní informací při posuzování ekonomiky provozu jiných dopravních sítí, zejména regionálních železnic. Těžko může kdokoliv počítat s úsporou v rámci redukce regionální železnice, když zátěž, která byla z této železnice převedena na silniční dopravu (což se mj. týká i autobusů) způsobuje na silniční infrastruktuře škody v řádu desítek milionů Kč – což není nijak nadsazená částka (10 mil. Kč je dnes běžná cena za prostou opravu 1 km silnice nižší třídy). Nabízí se otázka, jestli by nemělo efekt znovu využít dopravní síť, u níž by nenastávalo ani při hmotnosti 20tun na nápravu nadměrné opotřebení – síť regionálních tratí.

Paradoxem dnešní doby je, že nechápeme proč byla tato síť postavena, léta čelíme snaze „odborníků“ o její likvidaci, a současně ve stejném čase a místě si nevíme rady s tisíci kilometry rozbitých a trvale přetěžovaných silnic nižších tříd, na jejich opravy nejsou (a nebudou) nikdy prostředky.

Co umí železnice (včetně lokálek) oproti silnicím?

• Má přibližně poloviční šířku a je propustná pro dešťové srážky = eko udržitelnost.
• Přenáší přibližně dvojnásobně vyšší tlak na nápravu (silnice 10 t, železnice nejčastěji 20 t) = ekonomika.
• Má přibližně dvojnásobnou životnost (silnice standardně 25 let, málo zatížené koleje běžně 50 let – i více) = ekonomika.
• Valivý odpor u silničního kola je přibližně 40 x větší než u kola železničního = úspora energie.
• Minimální poloměr u silnic cca 15 – 20 m, u regionálních tratí 150 – 200 m (desetinásobek) = opět úspora energie.
• Maximální sklon u silnic až 18 %, u regionálních tratí 4 % (4,5 x menší) = opět úspora energie.
• Maximální délka silniční nákladní soupravy do 20 metrů, železniční souprava na regionálních tratích běžně do 200 m (desetinásobek) = kamion s jedním řidičem je 40 tun, vlak i na regionálce s jedním strojvůdcem je až 400 – 600 tun – ekonomika.
• Železnice má daleko lepší výškový profil s eliminací tzv. škodlivých ztracených spádů, které vedou ke zvýšené spotřebě energie k pohonu vozidla (střídání stoupání a klesání). Tím je každá tuna přepravená po kolejích převážena daleko úsporněji, než pokud by byla vezena po silnici.
• Moderní železniční vozidla i na regionálních tratích jsou na elektro nebo hybridní pohon = eko udržitelnost.

I ty „nejhorší lokálky“ (z hlediska technických parametrů) jsou minimálně srovnatelné s novými silnicemi I. třídy!!!

Argumentační detaily

Předem je třeba vysvětlit, že silnice je namáhána jinak, než třeba most. Staticky namáhané konstrukce (tedy mosty) jsou dimenzované na určité kritické zatížení břemenem – nákladním vozidlem, nebo např. tankem. Pokud je vozidlo těžší, než bylo uvažováno v návrhu, nebo takových břemen působí víc, než se předpokládalo, může dojít k poruše konstrukce (v krajním případě i zřícení). Oproti tomu vozovka silnice nemá kam spadnout – leží na zemi. Znamená to, že unese všechno? Zcela jistě ne – viz obrázek níže.

Kola a tedy hmotnost vozidel působí na vozovku komunikací téměř bodově (přesněji v malé ploše). Pod touto plochou se nachází stmelené a nestmelené vrstvy vozovky, přes které se zatížení přenáší do podloží. Roznášení lze v řezu znázornit jako lichoběžník, prostorově se jedná o úseč kužele, který čím je vyšší, tím se roznáší zatížení kol do větší plochy podloží.

Podloží se chová částečně pružně, částečně plasticky. Vlivem zatížení u něj nastávají dočasné i trvalé deformace, které jsou úměrné namáhání. Čím je plocha pro roznesení zatížení větší, tím je menší napětí v zemině podloží a tím menší jsou i vzniklé deformace celé vozovky. Logicky je tedy zájmem dosáhnout co nejmenších deformací podloží, tedy i největší plochy, do níž se roznáší zátěž. To v praxi znamená mít co nejsilnější vozovku, což je ovšem neekonomické – silná vozovka znamená potřebu získání a zpracování velkého množství drahého materiálu.

Jak tuto situaci řešit? Odpovědí je správné vybalancování životnosti vozovky a dopravní intenzity. Vozovka je opotřebována každým jedním průhybem při přejezdu kola vozidla. Určité množství průhybů potom znamená vyčerpání životnosti tzv. únavovým namáháním. Což mimo jiné dobře znali i naši předci, kteří princip únavového namáhání popsali ve známých příslovích „všechno trvá, až se ztrhá“ nebo „tak dlouho se chodí se džbánem pro vodu, až se ucho utrhne“. Jinými slovy určité množství opakovaných cyklů namáhání znamená porušení materiálu. Přesně takto se porušují nejenom vozovky, ale třeba i železniční svršek u kolejové dopravy.

Možnosti jsou následující:

• Slabá konstrukce – při zatížení vede k velkým průhybům – menší množství velkých průhybů vede k porušení konstrukce.
• Silná konstrukce – při zatížení vede k malým průhybům – větší množství malých průhybů vede k porušení konstrukce.

Všechny silniční vozovky se tedy dělají na stejné maximální zatížení (10 tun na nápravu) a stejnou životnost (25 – 30 let). Rozdíl mezi nimi je v tom, že málo zatíženou vozovku za dobu životnosti opotřebí malé množství větších deformací, silně zatíženou vozovku za stejnou dobu životnosti opotřebí velké množství malých deformací.

Konstrukce vozovek se navrhují mnoho let podle tzv. katalogů, v nichž lze dohledat pro předem stanovená kritéria (stupeň zatížení, kvalita podloží, skladba materiálů) vhodnou konstrukci vozovky. Níže uvádím dvě typické konstrukce.

Vysvětlivky k obrázkům:

• TNV – Jednotka zatížení komunikace. Veškerá těžká vozidla se podle svého účinku na vozovky přepočítávají na jednotku – TNV  = těžké návrhové vozidlo. Např. lehká dodávka je 0,1 TNV, tedy deset dodávek je dohromady jedno TNV. Jeden běžný dvounápravový autobus = 1 TNV.
• TNV1 – Dopravní zatížení TNV za 24 hodin na začátku životnosti vozovky.
• TNVk – Dopravní zatížení TNV za 24 hodin na konci životnosti vozovky (předpokládá se většinou mírný nárůst).
• TNVcd – pro naše účely nejdůležitější jednotka CD = Celková Doba (životnosti). To je tedy ten počet TNV, kterým se vyčerpá životnost celé vozovky.

Co lze z obrázků vyčíst:

Každý obrázek představuje řez vozovkou. Nemá smysl popisovat konkrétní vrstvy, zjednodušeně jsou zajímavé součty tlouštěk v milimetrech pod každou konstrukcí, kde:

• Ha = Tloušťka asfaltových vrstev
• Hv = Tloušťka vozovky

U vozovky dálnice je tloušťka asfaltových vrstev 270 mm, u silnice nižší třídy 100 mm. Zjednodušeně tedy můžeme uvažovat poměr tloušťky vrstev, respektive ceny vozovky 3:1.

Pokud tedy jeden jízdní pruh silnice nižší třídy stojí cca 10 milionů korun, tak jeden jízdní pruh dálnice v obdobné šířce a délce může stát cca 30 milionů korun. Cenu vozovky potom můžeme vztáhnout na počet vozidel, které vozovkou projedou (TNVcd), s následujícím výsledkem:

	Cena referenčního úseku (Kč):	Vozidel za dobu životnosti:	Náklady za průjezd jednoho vozidla (Kč):
Dálnice	30 000 000	85 000 000	0,35
Silnice nižší třídy	10 000 000	460 000	21,7

Pokud si obě hodnoty našeho propočtu porovnáme, dostaneme se k poměru 1 : 62.

Jedním průjezdem vozidla po silnici nižší třídy tedy v našem případě způsobujeme opotřebení 62 x větší, než průjezdem téhož vozidla po dálnici. Pro lepší představu – návěsová souprava má délku cca 17,5 m, včetně mezery (uvažuju cca 15 m) jde o délku cca 32,5 metrů. Pokud tuto délku násobíme 62, tak se dostáváme ke koloně kamionů na dálnici v délce přes dva kilometry. Tato souvislá dvoukilometrová kolona návěsových souprav na dálnici je z hlediska účinku na opotřebení silnic srovnatelná s jedinou návěsovou soupravou na silnici III. třídy!

Nabízí se otázka, jestli by nemělo efekt vybudovat v regionech síť zátěžových silnic se zesílenou vozovkou, na které by se soustředila těžká doprava, a z ostatních silnic by těžká vozidla sjížděla nejkratší cestou právě na tuto zesílenou síť, u níž by nenastávalo nadměrné opotřebení vozovek? Nápad je to vynikající, nicméně není nový. Toto napadlo naše předky už v předminulém století, a takovou síť zátěžových cest postavili:

Paradoxem dnešní doby je, že jsme pozbyli schopnost pochopit, proč byla tato síť postavená, takže léta čelíme snaze o její likvidaci, a současně si nevíme rady s tisíci kilometry rozbitých a současně přetěžovaných silnic nižších tříd, na jejich opravy nejsou (a nebudou) dlouhodobě prostředky.

Stavba silnic

Závěrem ještě něco málo ke konstrukci silnic. Kdysi v historii vypadaly silnice v řezu přibližně takto:

Po druhé světové válce nastalo rozšiřování původních úzkých silnic, bohužel na úkor silničních příkopů, které nebyly mnohdy nijak nahrazeny, takže přes svou nespornou technickou důležitost jednoduše zanikly:

Absence příkopů vedla ke kumulaci vody v blízkosti krajnic a podmáčení okrajů rozšířených silnic. To v kombinaci s mnohdy nedostatečným provedením vrstev vozovky a rostoucím zatížením vedlo k propadům okrajů vozovky do neúnosného podloží:

Což je stav, který důvěrně známe z našich silnic:

Řešením může být pouze generální rekonstrukce vozovek s úplnou sanací neúnosných okrajů vozovek, výkupem části okolních pozemků a znovuzřízením příkopů a návazného odvodnění.

Typická stará silnice s kvalitně provedenou středovou částí – původní štětovou cestou.

Mnohé staré silnice ovšem byly zřizované vrstvičkou asfaltového krytu na hlíně. Co se stane, pokud na takový povrch pustíme těžké kamiony, není těžké domyslet…

Jedna z původních nerozšířených venkovských silnic se slabým dopravním zatížením, zachovanými příkopy a relativně nepoškozenou vozovkou. Navýšení provozu by znamenalo potřebu rozšíření vozovky na úkor příkopů a vznik výše popsaných problémů. Zájmem státu tedy musí být ochrana těchto silnic před nárůstem zatížení.