Novi model za izgradnju trajnijih i klimatski otpornijih puteva

Obilne monsunske padavine često se smatraju glavnim razlogom zbog kojeg putevi u Indiji zahtevaju popravke mnogo ranije nego što je planirano. Međutim, oštećenja mogu početi da nastaju i pre prvih kiša, pod uticajem manje vidljivih, ali veoma važnih temperaturnih promena.

Ilustracija (Foto: AI generated)

Kruti kolovozi izrađuju se od betonskih ploča koje saobraćajno opterećenje raspoređuju na širu površinu. Zbog velike nosivosti primenjuju se na auto-putevima i aerodromima, a sve češće i na gradskim saobraćajnicama.

Betonski kolovoz i njegovo neposredno okruženje funkcionišu kao povezan sistem. Zagrevanje tokom sunčanih dana i hlađenje noću, zajedno sa sezonskim promenama temperature, stvaraju cikluse širenja i skupljanja slojeva kolovozne konstrukcije.

Na taj način u betonu nastaju unutrašnja naprezanja koja postepeno dovode do zamora materijala, pojave pukotina i skraćenja životnog veka puta.

Istraživači sa Indijskog instituta za tehnologiju u Gandhinagaru (IITGN) razvili su okvir zasnovan na mašinskom učenju koji bi trebalo da omogući projektovanje krutih kolovoza prilagođenih klimatskim uslovima određenog područja.

Ovakav pristup mogao bi da doprinese većoj trajnosti puteva i smanjenju troškova njihovog održavanja. Rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu Journal of Transportation Engineering, Part B: Pavements.

Zastareli podaci i prevelike klimatske zone

Istraživanje je sprovedeno u Gudžaratu, petoj najvećoj indijskoj saveznoj državi. Njene priobalne oblasti odlikuje velika vlažnost, dok su područja u unutrašnjosti izložena visokim letnjim temperaturama. Klima se razlikuje i u pogledu kretanja vazduha i temperaturnih obrazaca, a Gudžarat ujedno ima najdužu obalu među indijskim saveznim državama.

Postojeći standardi za proračun temperaturnih naprezanja u krutim kolovozima u zemljama poput Indije i Nepala oslanjaju se na vrednosti dobijene iz podataka koji datiraju još iz 1974. godine. Zbog toga oni možda više ne predstavljaju savremene klimatske prilike.

Dodatni problem predstavlja podela teritorije na veoma velike klimatske zone, koje obuhvataju stotine kvadratnih kilometara i područja sa veom različitim uslovima.

U aktuelnoj praksi Gudžarat i Radžastan, na primer, svrstani su u istu klimatsku zonu. Takva podela ne prikazuje dovoljno precizno lokalno termičko ponašanje kolovoza, što može da utiče na pouzdanost projektovanja i procenu budućih performansi puta.

Dr Sumit Nandi, prvi autor studije i nekadašnji postdoktorand na Odeljenju za građevinarstvo IITGN, objasnio je da nije opravdano koristiti iste projektantske preporuke ukoliko betonski kolovozi u različitim delovima države trpe različite nivoe temperaturnog naprezanja.

Nandi trenutno radi kao naučnik u Centralnom institutu za istraživanje puteva pri CSIR i kao docent na Akademiji za naučna i inovaciona istraživanja (AcSIR).

Analizirano 126 lokacija

Kako bi obuhvatili prostorne razlike unutar Gudžarata, istraživači su formirali skup podataka sa 126 kopnenih tačaka raspoređenih u mreži. Za svaku od njih pribavljeni su meteorološki podaci po satima iz baze ERA5, koju je razvila Služba za klimatske promene programa Copernicus.

Analizirana su dva klimatska perioda – od 1961. do 1991. i od 1992. do 2022. godine. Prikupljene informacije potom su korišćene za termičko modelovanje krutih kolovoza na svih ovih lokacija, odnosno za računarsko predviđanje načina na koji se toplota širi kroz kolovoznu konstrukciju.

Simulacije su obuhvatile betonske ploče debljine 200, 250 i 300 milimetara, u skladu sa smernicama IRC:58 Indijskog kongresa za puteve, namenjenim projektovanju krutih kolovoza sa spojnicama na auto-putevima.

Razmatrane su i dve vrednosti površinskog albeda – 0,30 i 0,50. Albedo pokazuje koliki deo sunčevog zračenja površina odbija umesto da ga apsorbuje. Vrednost 0,30 odgovara uobičajenom kolovozu, dok 0,50 predstavlja svetliju, odnosno "hladniju" kolovoznu površinu.

Nakon obrade podataka, tim je primenio više algoritama mašinskog učenja kako bi povezao lokacije sa sličnim obrascima zagrevanja, hlađenja i pratećih naprezanja. Kombinovanjem dobijenih rezultata određeno je pet posebnih termičkih klastera, odnosno mikro zona u Gudžaratu.

Temperaturne razlike između donje i gornje strane betonskih ploča u ovim zonama kretale su se približno od 16,3 do 17,2 stepena Celzijusa. Takav gradijent temperature stvara naprezanja koja tokom eksploatacije mogu postepeno da izazovu pucanje kolovoza.

Dr Sushobhan Sen, docent na Odeljenju za građevinarstvo IITGN i rukovodilac laboratorije Built Environment Lab, ocenio je da rezultati potvrđuju kako za čitav Gudžarat ne može da se primeni jedinstveni model termičkog ponašanja. Rešenje koje dobro funkcioniše u jednom delu države možda neće biti dovoljno otporno na lokalne klimatske uslove u drugom području.

Naredni korak mogao bi da bude proširenje razvijenog okvira na celu Indiju i izrada posebnih termičkih projektantskih dijagrama za pojedinačne zone. Oni bi projektantima pomogli da pronađu ravnotežu između trajnosti, bezbednosti i racionalne potrošnje materijala.

Autori napominju da istraživanje nije obuhvatilo kvalitet građevinskih materijala, iako i on može znatno da utiče na vek trajanja kolovoza. Taj faktor trebalo bi da bude uključen u buduće analize.