VTI rapport 1083 Utgivningsår 2021 vti.se/publikationer
Smarta gator
Teknisk konstruktion och byggande
Dina KuttahVTI rapport 1083
Smarta Gator
Teknisk konstruktion och byggande
Författare: Dina Kuttah, VTI Diarienummer: 2018/0612-8.2 Publikation: VTI rapport 1083 Utgiven av VTI, 2021
Publikationsuppgifter – Publication Information
Titel/Title
Smarta Gator-Teknisk konstruktion och byggande / Smart Streets - Technical design and construction Författare/Author
Dina Kuttah (VTI, https://orcid.org/0000-0003-0478-1150)
Utgivare/Publisher
VTI, Statens väg- och transportforskningsinstitut/
Swedish National Road and Transport Research Institute (VTI)
www.vti.se/
Serie och nr/Publication No.
VTI rapport 1083
Utgivningsår/Published
2021
VTI:s diarienr/Reg. No., VTI
2018/0612-8.2 ISSN 0347–6030 Projektnamn/Project Smarta Gator Uppdragsgivare/Commissioned by Vinnova Språk/Language Svenska/Swedish
Antal sidor inkl. bilagor/No. of pages incl. appendices
Kort sammanfattning
Rapporten syftar till att ta fram modeller och förslag för testbäddar för framtida multifunktionella gator som sammanför lösningar till olika utmaningar. Dessa modeller kan användas både vid ombyggnad och nybyggnation.
För att nå detta syfte börjar denna rapport med att belysa olika typer av vägnät i Sverige, sedan
kommer en översiktlig beskrivning av vägmaterial och typiska tekniska utformningar på svenska vägar att presenteras.
Vidare har rekommendationer på vägsektioner med ny teknisk utformning som möter de krav som varje framtida utmaning getts i denna rapport, inklusive vägsektionen med omkonfigurerbar
utformning. Lösningarna som kan anses vara mer flexibla och praktiska rörande framtida utmaningar manifesteras i användningen av till exempel underjordiska infrakulvertar som kan förebygga framtida uppgrävning av gatorna för rörunderhåll. Användningen av elektriska fordon kommer inte längre kräva laddstationer längs gatans sidor eftersom det nya konceptet med dynamiskt laddande fordon, möjliggör laddning av fordon under körning med teknik inbäddad i vägkroppen. Användningen av autonoma och halvautonoma lastbilar kan leda till en ännu smalare användning av körfält men å andra sidan det kommer att leda till större trafikvolymer av mer uniforma fordonstyper och laster. Gällande anpassningen för att gatorna ska hantera klimatförändringarna, finns det nya tekniker som baserad på konstruktioner under mark för att hantera dagvatten. Gällande problemet med ackumulerad snö under vintrarna, att använda rör under ytan för värmesystem kommer det att öka farbarheten på gatorna och göra dem tillgängliga och öppna även under kraftigt snöfall. Konceptet med omkonfigurerbara gator har också lyfts nyligen som något som fokuserar på flexibel utformning av gatorna.
Nyckelord
Abstract
The report aims to produce models, and proposals for test beds for future multifunctional streets that brings together solutions to various challenges. These models can be used in both reconstruction and new construction.
To achieve this goal, this report starts by shedding lights on the types of the road network in Sweden, then a brief description of the roads’ materials and typical structural designs of roads in Sweden is presented.
Furthermore, the current report illustrates recommendations for street/road sections with new technical design that meet the requirements of each future challenge or a combination of challenges, including the road section with a reconfigurable design. The solutions that can be considered as more flexible and practical to the future challenges are manifested in the use of, e.g., the underground infra culverts that can prevent the future excavation of streets for pipes maintenance. Using of electrical vehicles will no longer demand a charging stations along the streets’ sides because the new concept of dynamic charging of vehicles, allows the charging of vehicles during driving by embedded technology in the road structure. The use of autonomous and semi-autonomous trucking may result in an even narrower usage of lanes, on the other hand, it will lead to higher traffic volumes of more uniform vehicle types. Regarding the adaptation of streets to withstand the climate challenges, there are new technologies that make use of the underground street structure for managing stormwater. Regarding the problem of accumulated snow during winters, using of underground pipes warming system will increase the navigability of the streets and make them accessible and open even during heavy snowfall. The concept of reconfigurable streets has also been raised recently something which focuses on flexible design of streets.
Kewords
Sammanfattning
Gatorna utgör en enorm infrastruktur och en stor del i våra städer, en samhällsresurs som måste förvaltas och utvecklas. Det finns fyra megatrender som har en direkt effekt på teknisk konstruktion och byggande av gator och kräver nya ”smarta” lösningar. De megatrenderna är urbanisering, digitalisering, elektrifiering och klimatförändringar.
Så vitt som författaren vet, finns det i nuläget inga nationella eller internationella förslag som föreslår en teknisk utformning av en gata eller vägöverbyggnad som har anpassats för att lösa en kombination av ovan nämnda utmaningar. Därför syftar rapporten till att ta fram modeller och förslag för testbäddar för framtida multifunktionella gator som sammanför lösningar till olika utmaningar. Dessa modeller kan användas både vid ombyggnad och nybyggnation.
För att nå detta syfte börjar denna rapport med att belysa olika typer av vägnät i Sverige, sedan
kommer en översiktlig beskrivning av vägmaterial och typiska tekniska utformningar på svenska vägar att presenteras. Eftersom denna rapport berör möjlig anpassning av befintliga vägars utformning har – för att bättre motstå framtida utmaningar – effekten av varje framtida utmaning inklusive urbanisering, digitalisering, elektrifiering och klimatförändringar, på den tekniska utformningen av gator studerats i detalj. Vidare har rekommendationer på vägsektioner med ny teknisk utformning som möter de krav som varje framtida utmaning getts i denna rapport, inklusive vägsektionen med omkonfigurerbar utformning. Lösningarna som kan anses vara mer flexibla och praktiska rörande framtida utmaningar manifesteras i användningen av till exempel underjordiska infrakulvertar som kan förebygga framtida uppgrävning av gatorna för rörunderhåll.
Användningen av elektriska fordon kommer inte längre kräva laddstationer längs gatans sidor eftersom det nya konceptet med dynamiskt laddande fordon, möjliggör laddning av fordon under körning med teknik inbäddad i vägkroppen. Användningen av autonoma och halvautonoma lastbilar kan leda till en ännu smalare användning av körfält men å andra sidan, användningen av autonoma fordon kommer att leda till större trafikvolymer av mer uniforma fordonstyper och laster som kan resultera i en belastning på beläggningsuppbyggnaden som den inte är konstruerad för och därmed en snabbare utveckling av beläggningsskador. Gällande anpassningen för att gatorna ska hantera
klimatförändringarna, har koncepten med svackdiken och regnbäddar börjat användas nyligen i många länder, som ett bra koncept för att hantera dagvatten. Men det finns också andra tekniker utvecklade i samarbete med många svenska aktörer och kommuner för att använda konstruktioner under mark för att hantera dagvatten. Gällande problemet med ackumulerad snö under vintrarna, att använda rör under ytan för värmesystem kommer det att öka farbarheten på gatorna och göra dem tillgängliga och öppna även under kraftigt snöfall. Konceptet med omkonfigurerbara gator har också lyfts nyligen som något som fokuserar på flexibel utformning av gatorna. Från ett byggnadsperspektiv är omkonfigurerbara och borttagbara gatukoncept baserade på byggnadsmaterial som enkelt och ekonomiskt kan installeras och tas bort.
Eftersom syftet med det aktuella arbetspaketet är att föreslå en gatu-testbädd relaterat till en viss framtida utmaning och sedan utveckla en metodik för en långsiktig prestanda-utvärdering hos föreslagna testbädd (teknik), har olika gatu-testbäddar valts för framtida utvärdering.
Dessutom, är det värt att belysa att gators utformning skiljer sig från vägars utformning i fråga om geometriskt och arkitektoniskt perspektiv. Men med avseende på teknisk utformning som diskuteras i denna rapport, följer både vägar och gator samma svenska utformningsstandard och materialkrav som baseras på trafiklaster, klimatzoner och andra påverkande faktorer.
Summary
The streets constitute an enormous infrastructure and a large part of our cities, a social resource that must be managed and developed. It has become important to consider opportunities for innovative design of smart streets that have flexible design and consider the effect of current and future influencing factors, namely, urbanization, digitization, electrification, and climate change on the structural design of streets/roads in Sweden. As far as the author knows, there is currently no national nor international proposals that suggest a technical design of a street or road superstructure which has been adapted to solve a combination of the above-mentioned challenges. Therefore, the report aims to produce models, and proposals for test beds for future multifunctional streets that brings together solutions to various challenges. These models can be used in both reconstruction and new construction.
To achieve this goal, this report starts by shedding lights on the types of the road network in Sweden, then a brief description of the roads’ materials and typical structural designs of roads in Sweden is presented. Since this chapter deals with possible adapting of the current Swedish roads designs to withstand better the future challenges, the impact of each future challenge, including urbanization, digitization, electrification, and climate change, on the structural design of streets has been studied in detail. Furthermore, the current report illustrates recommendations for street/road sections with new technical design that meet the requirements of each future challenge or a combination of challenges, including the road section with a reconfigurable design. The solutions that can be considered as more flexible and practical to the future challenges are manifested in the use of, e.g., the underground infra culverts that can prevent the future excavation of streets for pipes maintenance.
Using of electrical vehicles will no longer demand a charging stations along the streets’ sides because the new concept of dynamic charging of vehicles, allows the charging of vehicles during driving by embedded technology in the road structure. The use of autonomous and semi-autonomous trucking may result in an even narrower usage of lanes. On the other hand, the use of autonomous vehicles (AVs) will affect the structural design of the streets due to the effect of more channelized traffic loading and platooning. This may lead to higher traffic volumes of more uniform vehicle types and loads that could result in loading of the pavement structure for which it had not been designed and hence a faster accumulation of pavement damage. Regarding the adaptation of streets to withstand the climate challenges, the use of swales and rain garden concepts have been adopted recently in many countries as a good concept for managing stormwater. However, there are other technologies developed in cooperation with many Swedish agencies and municipality to make use of the
underground street structure for managing stormwater. Regarding the problem of accumulated snow during winters, using of underground pipes warming system will increase the navigability of the streets and make them accessible and open even during heavy snowfall. The concept of reconfigurable streets has also been raised recently something which focuses on flexible design of streets. From streets construction point of view, reconfigurable and removable streets concept require to use construction materials that can be easily and economically installed and removed.
Since the objective of the current work package is to suggest a street testbed related to a certain future challenge and then develop a methodology for a long-term performance evaluation of the suggested testbed (technology), different streets testbeds have been suggested for future evaluation as described in the report.
In addition, it is worthwhile to highlight that the configuration of streets differs from that of roads from geometrical and architectural point of view, but with respect to the structural design discussed in this chapter, both roads and streets follow the same Swedish design standards and materials
Förord
Denna rapport är en del av projektet “Smarta Gator”, som finansieras av Vinnova. Projektet Smarta gator, som pågår under tiden 2019 till början av 2022, genomförs av Kungliga tekniska högskolan (KTH), Chalmers tekniska högskola, VTI, Spacescape, Sweco och White och syftar till att utveckla kunskap, modeller och vägledning för utveckling av framtidens gator med utgångspunkt i utmaningar såsom fortsatt urbanisering, klimatförändringar, digitalisering och elektrifiering. Rapporten syftar till att ta fram modeller, och förslag till testbeds för framtidens multifunktionella gator, som kan användas vid ombyggnad och nybyggnation.
Rapporten ska ta fram metodik för hur man ska kunna testa beständighet av infrastruktur som möter utmaningarna med framtida urbanisering, digitalisering (t.ex. autonoma fordon), elektrifiering, och klimatförändringar. Författaren vill tacka alla projektpartners, speciellt Alexander Ståhle och Tony Svensson (från KTH), Tobias Nordström, Malin Dahlhielm och Moa Rydell (från Spacescape) som har följt arbetet med stort intresse och bidragit med sina synpunkter.
Än en gång tack till Tony Svensson som granskade rapporten och har kommit med värdefulla kommentarer.
Tack också till Ellen Dolk för översättning av denna rapport från engelska till svenska.
Jag vill också tacka dig som läser denna rapport. Hittar du något som du tycker att man kan göra på något bättre sätt så tveka inte att höra av dig till mig.
Linköping, december 2020
Dina Kuttah Författaren
Granskare/Examiner
Tony Svensson, KTH.
De slutsatser och rekommendationer som uttrycks är författarens egna och speglar inte nödvändigtvis myndigheten VTI:s uppfattning./The conclusions and recommendations in the report are those of the author and do not necessarily reflect the views of VTI as a government agency.
Innehållsförteckning
Publikationsuppgifter – Publication Information ...3
Kort sammanfattning ...4
Abstract ...5
Sammanfattning ...6
Summary ...7
Förord ...8
Lista över figurtexter ...10
Förkortningar ...12
1. Introduktion ...13
2. Vägnätet i Sverige...14
3. Vägmaterial och teknisk utformning av gator och vägar ...15
3.1. Asfaltbeläggningar ...15
3.2. Styva beläggningar (betongbeläggningar) ...16
3.3. Markstensbeläggning ...17
4. Framtidens utmanande faktorer och deras effekter på vägars och gators tekniska utformning 19 4.1. Urbanisering ...19
4.1.1. Framtida urbanisering och dess inverkan på vägar och gators tekniska utformning ...19
4.1.2. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningen med framtida urbanisering ...23
4.2. Digitalisering ...27
4.2.1. Framtida digitalisering och dess inverkan på vägar och gators tekniska utformning ...28
4.2.2. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningen med framtida digitalisering ...30
4.3. Elektrifiering ...36
4.3.1. Framtida elektrifiering och dess inverkan på vägar och gators tekniska utformning ...36
4.3.2. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningen med framtida elektrifiering ...39
4.4. Klimatförändringar ...40
4.4.1. Framtida klimatförändringar och deras inverkan på vägar och gators tekniska utformning 41 4.4.2. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningen med framtida klimatförändringar 43 5. Omkonfigurerbara gator ...55
6. Förslag för multifunktionell väg-testbädd som möter olika framtida utmaningar ...58
7. Slutsats ...68
Lista över figurtexter
Figur 1. TRVK Väg, principiell omfattning (Källa: TRVK Väg, 2011). ... 15
Figur 2. Övre bilden: Utformning av Grusbitumenöverbyggnad, GBÖ. Nedre bilden:
Uppbyggnad av överbyggnad till gång- och cykelväg, mått i mm. (Källa: TRVK Väg, 2011).
... 16
Figur 3. Utformning av Betongöverbyggnad med cementbundet bärlager, BÖ/CG, mått i mm
(Källa: TRVK Väg, 2011). ... 17
Figur 4. Exempel på uppbyggnad av markstensöverbyggnaden. ... 18
Figur 5. Installation av infrakulvert i Vallastaden-Linköping (Källa: Klas
Gustafsson-Tekniska verken i Linköping, 2017). ... 21
Figur 6. Ett exempel på hur rören är placerade i kulverten, (Källa: Sedin 2018). ... 22
Figur 7.Infrakulvert, foto av Dina Kuttah, 2019, VTI. ... 22
Figur 8. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida urbanisering,
Alternativ 1-1 (Marksten), ej skalenligt. ... 24
Figur 9. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida urbanisering,
Alternativ 1-2 (Marksten), ej skalenligt. ... 25
Figur 10. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida urbanisering,
Alternativ 2-1 (Asfaltbeläggning), ej skalenligt. ... 26
Figur 11. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida urbanisering,
Alternativ 2-2 (Asfaltbeläggning), ej skalenligt. ... 27
Figur 12. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida
digitalisering, Alternativ 1-3 (Asfaltbeläggning med betong eller stålarmerad remsa), ej
skalenligt. ... 32
Figur 13. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida
digitalisering, Alternativ 1-3 (Asfaltbeläggning med tjockare överbyggnad), ej skalenligt. ... 33
Figur 14. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida
digitalisering, Alternativ 1-3 (Asfaltbeläggning med fiberarmerat asfalt), ej skalenligt. ... 34
Figur 15. Elskenor monteras i en två kilometer lång vägsträcka norr om Stockholm, (Källa:
eRoad Arlanda). ... 37
Figur 16. Elektriska skenor för fordonsladdning, foto av Dina Kuttah, VTI. ... 37
Figur 17. Väginfrastruktur: Kopparspolar täckta med gummi/plast, foto av Dina Kuttah, VTI.
... 38
Figur 18. Solcellsväg i den lilla franska byn Tourouvre-au-Perche, (Källa: kumkum /
Wikipedia/2020-11-11). ... 39
Figur 19. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida
Elektrifieringen (laddningsteknik av elbilar), ej skalenligt. ... 40
Figur 20. Stora översvämningar i Umeå (november 2020). Foto: Ida Söderström/Sveriges
Radio. ... 41
Figur 21. Halva vägen var borta (November 2020). Foto: CeGe Lillieroth. ... 42
Figur 22. Exempel på uppbyggnad av markstensöverbyggnaden, system I, ej skalenligt. ... 44
Figur 23. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för klimatändringarna
(Stormvattenkontroll med dränerande asfalt) ej skalenligt. ... 45
Figur 24. Regnbädd (Källa: Uponor, 2019). ... 46
Figur 25. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för klimatändringarna
(Stormvattenkontroll med lagringstank), ej skalenligt. ... 48
Figur 27. Asfaltering med synliga värmeslingor (Källa: Trafikverket, 2006 a/b). ... 50
Figur 28. Uppbyggnad av det tredje körfältet i Göteborgsbacken. Uppvärmning sker i den
branta delen av backen (Källa:Trafikverket, 2006 a/b). ... 51
Figur 29. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för klimatändringarna
(med värmeslingor), ej skalenligt. ... 52
Figur 30. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för klimatändringarna
(Stabiliserad terrass), ej skalenligt. ... 54
Figur 31. Rekommendationer för testbädd och instrumentering av en vägsektion som möter
utmaningarna för omkonfigurerbara gator, ej skalenligt. ... 56
Förkortningar
APT= Accelerated Pavement Testing, accelererad beläggningsprovning AV= Autonomous Vehicles, autonoma fordon
GCM= Gång, Cykel och Mopedtrafik
HVS= Heavy Vehicle Simulator, simulator av tung trafik IPT= Inductive Power Transfer, induktiv kraftöverföring RUP= Removable Urban Pavements, flyttbar stadsbeläggning SECTM= Structural Excavatable Cement-Treated Material TRAST= Trafik för Attraktiv Stad
1.
Introduktion
Det har blivit viktigt att ta hänsyn till möjligheter för innovativ utformning av smarta gator som har flexibel design och att ta hänsyn till effekten av rådande och framtida påverkande faktorer, såsom urbanisering, digitalisering, elektrifiering och klimatförändringar, på den tekniska utformningen av gator och vägar i Sverige. För att nå detta syfte börjar denna rapport med att belysa olika typer av vägnät i Sverige, sedan kommer en översiktlig beskrivning av vägmaterial och typiska tekniska utformningar på svenska gator att presenteras. Eftersom denna rapport berör möjlig anpassning av befintliga gators och vägars utformning för att bättre motstå framtida utmaningar, effekten av varje framtida utmaning, inklusive urbanisering, digitalisering, elektrifiering och klimatförändringar, på den tekniska utformningen av gator har studerats i detalj. Vidare har rekommendationer på vägsektioner med ny teknisk utformning som möter de krav som varje framtida utmaning illustreras i denna rapport inklusive vägsektionen med omkonfigurerbar utformning. Provnings- och instrumenteringsdetaljer på de nya vägutformningarna har också genomförts för vidare verifikation av de föreslagna teknikerna för att motstå effekterna av långsiktig trafiklast och klimatförhållanden. Även lämpligheten hos de nya, föreslagna materialen bör verifieras från ett miljömässigt perspektiv. Denna provning är viktig för att optimera de sociala fördelarna innan en bredare användning av de givna lösningarna/teknikerna görs i Sverige. På grund av vikten av konceptet med flexibla omkonfigurerbara gator i framtida utformning av gator, belyser sista delen av denna rapport möjligheten att använda föreslagna gatumodeller (tekniker) i linje med detta koncept och diskuterar om dessa nya utformningar kan användas till nybyggnation endast eller även för befintliga vägar.
Det är värt att betona att gators utformning skiljer sig från vägars i fråga om geometriskt och arkitektoniskt perspektiv, men med avseende på teknisk utformning som diskuteras i denna rapport, följer både vägar och gator samma svenska utformningsstandard och materialkrav som baseras på trafiklaster, klimatzoner och andra påverkande faktorer.
Det är också viktigt att nämna att de tekniska lösningarna som illustreras i denna rapport är testbäddsförslag och VTI:s forskningsteam rekommenderar inte att någon av de visade teknikerna används på verkliga vägar/gator utan att först ha testats långsiktigt i full skala och godkänts. Notera att många föreslagna lösningar är relativt nya och har inte studerats grundligt av någon forskningsgrupp än. Därför, och på grund av bristen på tekniska rapporter, har teknisk information från tillverkare, reportageartiklar och datainsamling från personlig kommunikation använts i framtagandet av denna rapport.
2.
Vägnätet i Sverige
Det svenska nätverket består av allmänna vägar och enskilda vägar. De allmänna vägarna kan vara statliga eller kommunala.
Det svenska vägnätet består av: 98 500 km statliga vägar
42 300 km kommunala vägar och gator 74 000 km enskilda vägar med statsbidrag
16 600 broar, tjugo tunnlar för väg samt 39 vägfärjeleder
Av det statliga vägnätet är 18 400 km grusvägar (omkring 20 procent av den totala vägsträckan) och 2 144 km är motorväg (exklusive anslutningar).
Siffrorna ovan hänvisar till 2017-12-31 enligt Trafikverkets databas (Trafikverket, 2017).
Alla ovan nämnda vägar och gator har olika material och teknisk utformning som varierar beroende på flera faktorer, omfattande men inte begränsat till, vägens placering och därmed väderförhållanden, vägens planerade livslängd, godkända hjullaster och fordonslängd, axeltryck, fordonshastighet och lastrepetitioner. Dessa påverkande faktorer är inte längre tillräckliga för att försäkra att dagens tekniska utformning kan tjäna vägens eller gatans nya funktioner och krav. Dessa funktioner och krav innefattar användandet av autonoma fordon, dynamiska elektriska skenor och induktionsladdning av fordon längs vägarna, nya kulvertsystem och de förväntade extrema klimatförhållanden såsom blötare förhållanden och utökade krav på snöhållning på vägarna. Alla dessa nya funktioner har olika
påverkan på den tekniska utformningen av vägarna och gatorna. Därmed har olika väguppbyggnader som uppfyller framtidens krav föreslagits i detta kapitel. Varje föreslagen gatusektion behöver testas i full skala genom att i första hand bygga en försökssträcka i fält eller vid VTI:s anläggningar för accelererad provning, se appendix A och Kuttah (2013).
3.
Vägmaterial och teknisk utformning av gator och vägar
För att kunna diskutera effekten av framtida utmaningar på den tekniska utformningen ochbyggnationen av smarta gator, är det viktigt att belysa först de vanligaste materialen som används i gatubyggande eftersom egenskaperna hos byggmaterialen styr den övergripande tekniska
utformningen av vägar/gator.
Vägbeläggningars utformning definierar kombinationen av materiallager som utgör den
vägkonstruktion som trafiken går på. Allmänt, består vägens kropp av beläggningsyta (betong, asfalt eller marksten) som ligger överst och som trafiken sliter på när gatan/vägen trafikeras, bärlager (blandat grus, sand och filler) som skapar en slätare yta, förstärkningslager (mest krossad sten) som utgör grunden i överbyggnaden. Ibland används markduk som läggs ut vid behov när undergrundens material är av sådan art att det behöver separeras från förstärkningslagret, tjälskydd, och undergrund (terrassmaterial), se Figur 1
Figur 1. TRVK Väg, principiell omfattning (Källa: TRVK Väg, 2011).
Vid ombyggande av befintliga gator i innerstadsmiljö, kan det krävs arkeologisk undersökning av historiska lager av människopåverkad mark. Dessutom bör man räkna med trängsel under gatan från den mängd ledningar som förekommer samt stora rotsystem när gatuträd är planterade och som kan påverka både gatans ytskikt och ledningar under gatan.
3.1. Asfaltbeläggningar
Vanligtvis består överbyggnaden av en asfaltväg av bitumenbundet slitlager, bitumenbundet bärlager, obundet bärlager och eventuellt förstärkningslager och skyddslager som inte behövs vid
bergunderbyggnad. Figur 2 (övre bilden) visar utformningen av en väg med grusbitumen-överbyggnad enligt TRVK Väg (2011). Figur 2 (nedre bilden) visar uppbyggnad av överbyggnad till gång- och cykelväg.
Figur 2. Övre bilden: Utformning av Grusbitumenöverbyggnad, GBÖ.
Nedre bilden: Uppbyggnad av överbyggnad till gång- och cykelväg, mått i mm. (Källa: TRVK Väg, 2011).
Notera att tjockleken på bär- och förstärkningslagren som ges i Figur 2 kan variera beroende på andra aspekter, såsom ingenjörsmässiga bedömningar på plats och erfarenhet. Tjockleken på slit- och bindlager beror på många faktorer såsom hjullaster, axelkonfiguration, kontakttryck, fordonshastighet, lastrepetitioner och andra faktorer som nämnts ovan i introduktion.
Mer om utformning av asfalterade vägkonstruktioner i Sverige kan hittas i TRVK Väg (2011).
3.2. Styva beläggningar (betongbeläggningar)
Betongvägar består vanligtvis av slit och bärlager av cementbetong, cementbundet bärlager, obundet bärlager, förstärkningslager, skyddslager och underbyggnad eller undergrund. Figur 3 visar
Mer om utformningen av betongöverbyggnad med bitumenbundet bärlager, BÖ/AG och utformning av cementbitumenöverbyggad, CBÖ, kan hittas i TRVK väg (2011).
Figur 3. Utformning av Betongöverbyggnad med cementbundet bärlager, BÖ/CG, mått i mm (Källa: TRVK Väg, 2011).
3.3. Markstensbeläggning
Historiska innerstadsgator följer denna kategori eftersom betongsten är en sentida företeelse och att de gator som är belagda med betongsten sannolikt har byggts om efter moderna anläggningskrav. En typisk markstensöverbyggnad konstrueras enligt ”Svensk Markbetong (2019)”. Överbyggnaden delas in i förstärkningslager, bärlager samt beläggning och vilar på terrassen. Förstärkningslagret består av obundet material eller krossad betong. Bärlagret utförs av obundet krossat material, asfaltgrus (AG) eller cementbundet grus (CG). Beläggningen består av sättsand, fogsand och marksten av betong. Det obundna bärlagrets och förstärkningslagrets material ska fylla de krav som anges i AMA Anläggning (2020). Det obundna bärlagrets och förstärkningslagrets tjocklek är beroende på materialtyp,
klimatzon och trafikklass samt val av markstenstjocklek och materialtyp. Figur 4 visar exempel på uppbyggnad av markstensöverbyggnad för trafikklass 3, material typ 4, klimatzon 2 och
Figur 4. Exempel på uppbyggnad av markstensöverbyggnaden.
De flesta historiska innerstadsgator följer denna beskrivning. Betongsten är en sentida företeelse och att de gator som är belagda med betongsten sannolikt har byggts om efter moderna anläggningskrav.
4.
Framtidens utmanande faktorer och deras effekter på vägars och
gators tekniska utformning
Som tidigare nämnts är ett av målen med smarta gator att få en god, beständig infrastruktur med låga drifts- och underhållskostnader. Likaså: Olika designlösningar där ledningssystem och andra
funktioner samlokaliseras behöver testas utifrån påverkan av trafik- och klimatfaktorer för att optimera samhällsnyttan.
4.1. Urbanisering
Inom de närmaste 25–30 åren förväntas stadsbefolkningen globalt att fortsätta öka, vilket innebär en ökad användning av städernas gator och vägmiljöer. Urbaniseringen innebär, i kombination med tidigare nämnda samhällsutmaningar och förändrade och nya livsformer också fler, både annorlunda och nya, anspråk på användningen av gator och vägar. Det betyder att gällande regelverk och standarder för gators och vägars utformning behöver utmanas och omprövas."
I Sverige finns VGU, 2020 (Vägar och gators utformning), GCM-handboken (2010) och TRAST, 2015 (Trafik för attraktiv stad), som inte längre är aktuella i och med teknikskiftet mot smarta städer. Utöver det saknas generellt också den infrastrukturella aspekten under mark, det vill säga
ledningssystemen för energi, dricksvatten, avlopp, sopsug, dagvatten, fiber, rotsystem, och hur dessa kan och bör koordineras med vad som händer ovan mark.
Den nutida utvecklingen inom infrastruktur visar på ett samband mellan investering, urbanisering och ekonomisk tillväxt (Li, 2017). I takt med ökad befolknings- och stadsutveckling har marknaden kommit att spela en viktig roll i att finansiera infrastrukturinvesteringar och bidra till att förbättra effektiviteten vid infrastrukturinvesteringar.
Traditionellt har elektricitet, vatten-, fiber-, avlopp- och värmerör grävts ner under mark. Dessa infrastruktursystem är nu ett grundkrav i samhället och flera av näten som används idag installerades under mitten av 1900-talet (Bergman och Olsson, 2017). Detta medför ökat underhållsarbete och ökade underhållskostnader för de företag som sköter systemen. Till exempel, förnyandet av svenska vatten- och avloppsledningar innebär en årlig investering om 1.9 miljarder SEK av vilka 50 % går till att utföra underhållsåtgärder som kräver trafikavstängningar och grävarbeten (Bergman och Olsson, 2017).
4.1.1. Framtida urbanisering och dess inverkan på vägar och gators tekniska
utformning
För att möta den prognosticerade framtida urbaniseringen med dess nya förutsättningar för gators och vägars användning och öka infrastrukturens effektivitet anammas nya tekniker som relaterar till förvaltning av infrastrukturproblem. Problemen kring väg- och gatinfrastruktur i Sverige har främst kretsat kring höga kostnader för nätverksunderhåll, mestadels rörande nedgrävd elektricitet, vatten-, fiber-, avlopp- och värmeledningsunderhåll. För att undvika sådana höga underhållskostnader har idéerna att använda infrakulvertteknik påbörjats i Sverige som en form av nyinvestering som kommer leda till sänkta underhållskostnaderna under mark i framtiden. Tekniska verken i Linköping i
samarbete med Uponor Infra har utvecklat en innovation för att installera en infrakulvert som innehåller elektriskt, optiskt, vatten-, avlopp-, avfallssug- och fjärrvärmesystem placerat i en gemensamkulvert. Kulverten är den första i sitt slag och är gjord av plast med betongkamrar för att koppla samman rör och dra ut ledningar (Bergman och Olsson, 2017). Med andra ord, infrakulverten är en enhetlig plats för underjordisk infrastruktur, vilket medför att infrakulvertens prestanda under verkliga trafikförhållanden är särskilt intressant att undersöka.
Enligt Ansell-Schultz (2019), kan infrakulverten klara av svårare markförhållanden, minska behovet av framtida schaktarbeten, minska störningar på samhället med färre avstängningar av gator vid
planerat underhåll, samt möjliggör sopsug som i sin tur leder till minskad tung trafik, och möjliggör nya ytor.
Enligt Matton and Odenbergs (2016), är det genom att använda infrakulvertsystemet möjligt att bygga tätare grannskap, för utan behov av öppna schakt ökar den byggbara ytan. Längden på ledningar och kablar kan minskas eftersom de konventionellt följer gatunätet, men i kulvertar kan de passera under byggnader och genom torg (Bergman och Olsson, 2017).
Under 2017 användes ungefär 1800 meter långt kulvertsystem i den relativt nya stadsdelen
Vallastaden i Linköping. Infrakulverterna i Vallastaden tillverkades i sektionslängder om mellan 4 - 32 meter. Diametern på kulverten beror på antalet ledningar och måtten på rören som installeras i
kulvertröret (Tekniska verken & Uponor, 2016). De installerade kulvertarna i Vallastaden har en innerdiameter på 2,2 meter och enligt visuell inspektion på plats av kulverten längs Uppfinnargränd i Vallastaden befanns avståndet mellan kulvertens övre kant och vägytan vara ungefär 1 meter på den inspekterade sektionen (Kuttah, 2019 a). Enligt Johansson och Björk (2012), grävs kulvertarna ner till omkring 4,5 meters djup med lokala avvikelser, se Figur 5. De kan innehålla rör för elektricitet, fiber, fjärrvärme, vatten, avlopp och dammupptag som ses i Figur 6. Infrakulverterna som används i Vallastaden var 100 procent återvinningsbara enligt tillverkaren. Detta betyder att när till exempel en sektion av fjärrvärmeledning behöver ersättas, kan den kopplas loss, lyftas, återvinnas och ersättas med en ny sektion. Utöver det kan kulvertarna användas i olika miljöer och kan byggas till vilken längd som helst om de är kopplade till betongkamrar som länkas samman och bär upp kulvertröret (Löwing, 2017).
Idag finns det tomma platser i infrakulverten i Vallastaden, i framtiden kan dessa platser användas för nya system. Det har också installerats utrustning för intern energiförsörjning och larmutrustning som varnar för översvämning, rök och gasutveckling (Bergman och Olsson, 2017).
Storleken på röret gör det lätt att gå in och dra ännu fler kablar om det behövs i framtiden. Figur 6 och Figur 7 ger exempel på hur rören är placerade i kulvertarna.
Figur 5. Installation av infrakulvert i Vallastaden-Linköping (Källa: Klas Gustafsson-Tekniska verken i Linköping, 2017).
I ett testprojekt, installerar Sollentuna kommun 50 meter infrakulvert i befintlig stadsmiljö i Växjö-området. En påbörjat traditionell förläggning där hade visat sig vara dyr och tidskrävande för kommunens invånare. Uponors Weholite-infrakulvert ska däremot visa på en snabbare, billigare och hållbarare lösning enligt Uponor (2020).
Figur 6. Ett exempel på hur rören är placerade i kulverten, (Källa: Sedin 2018).
Figur 7.Infrakulvert, foto av Dina Kuttah, 2019, VTI.
Det har blivit intressant att jämföra kostnaden av att använda den nya infrakulverttekniken jämfört med traditionellt ledningssystem. En studie har utförts av Al-kutubi och Yrlund (2020) för att identifiera den ekonomiska rimligheten mellan infrakulvertar och traditionellt ledningssystem. LCC-analysen har begränsats till kunskaperna utefter de förutsättningar som finns. Därav har beräkningarna fokuserat på schakt-, anläggning- och underhållskostnad.
Resultaten visar att det finns en brytpunkt runt 40 år där en tydlig skillnad kan ses över de två
systemens lönsamhet. Infrakulverten är teoretiskt billigare när simuleringen utförs med ett intervall på (+/-) 20 % av totalpriset. Studien visar även att infrakulverten har en lägre underhållskostnad vilket är en av de drivande kostnaderna i simuleringen.
Kulvertsystemet kommer placeras eller åtminstone passera under stadens gator och även de tungt trafikerade vägarna. Detta innebär att infrakulvertarna kommer utsättas för statiska och dynamiska krafter orsakade av bilar och lastbilar. Därför bör inbäddningen av kulverten i vägkroppen och dess samverkan med påförd trafiklast undersökas noga innan vidare användning av systemet. Validering av infrakulverten med avseende på dess förmåga att tåla trafiklast under vägens livslängd (vanligtvis 20 år) är i fokus. Detta är speciellt viktigt om kulvertarna placeras ytligt eller kommer närmare vägytan av en anledning eller annan.
4.1.2. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningen med framtida
urbanisering
Eftersom syftet med det aktuella arbetspaketet är att föreslå en gatu-testbädd relaterat till en viss framtida utmaning och sedan utveckla en metodik för en långsiktig prestanda-utvärdering hos föreslagna testbädd (teknik), har olika gatu-testbäddar med nedgrävd infrakulvert valts för framtida utvärdering. Från ett ingenjörsmässigt perspektiv anses infrakulverten vara en hållbar lösning som möter de framtida utmaningarna med urbanisering som fokuserar på att öka infrastrukturens effektivitet.
Ett fullskaligt pilotförsök med en vägsektion med asfaltbeläggning över en infrakulvert bör byggas enligt befintliga standarder för vägkonstruktioner i Sverige baserat på TRVK Väg (2011).
Pilotförsöket kan byggas och provas på en utvald försöksplats, lämpligtvis i Linköping. Den
undersökta vägsektionen kan instrumenteras och belastas med VTI:s utrustning för att simulera tung trafik (HVS), se appendix A. Att utföra provningen på en utvald försöksplats istället för i VTI:s anläggning för accelererad provning möjliggör att placera infrakulverten på relevant djup (omkring en meter från kulvertens övre del till den färdiga vägytan). Genom att använda VTI:s HVS kan
trafiklasten simuleras snabbt och det går att övervaka lastfördelningen under provet.
Om försökssektionen (med infrakulvert) ska byggas på VTI:s anläggning för accelererad provning i Linköping och belastad med VTI:s HVS bör kulverten (som är 2,2 m i diameter) placeras närmare den färdigställda beläggningsytan eftersom det totala djupet av provningsgravarna för HVS-provning är 3 meter. Å andra sidan är det i detta fall möjligt att kontrollera och utvärdera effekten av andra faktorer som relaterar till klimatpåverkan som stigande grundvattennivå till vilken önskad nivå som helst. I Vallastaden har infrakulverten placerats under markstensgator. För denna konstruktion finns två möjliga provningsalternativ. Antingen kan infrakulverten placeras längs med belastningsriktningen såsom visas in Figur 8 eller tvärs belastningsriktningen såsom visas i Figur 9.
Det andra alternativet är att testa infrakulverten under en asfaltsbelagd yta. Också där är två alternativa placeringar möjliga, nämligen längsmed belastningsriktningen som visas i Figur 10 eller tvärs
Figur 8. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida urbanisering, Alternativ 1-1 (Marksten), ej skalenligt.
Figur 9. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida urbanisering, Alternativ 1-2 (Marksten), ej skalenligt.
Figur 10. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida urbanisering, Alternativ 2-1 (Asfaltbeläggning), ej skalenligt.
Figur 11. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida urbanisering, Alternativ 2-2 (Asfaltbeläggning), ej skalenligt.
4.2. Digitalisering
Projektet Smarta Gator syftar till att utveckla modeller för framtida multifunktionella gator som möter, bland andra saker, utmaningen med digitalisering (exempelvis autonoma fordon).
Autonoma fordon (autonomo us vehicles - AV) utgör en av de mest utmanande framtida faktorerna som kommer påverka den tekniska utformningen av gator och vägar men oturligt nog har denna aspekt inte fått särskilt stor uppmärksamhet i litteraturen. I detta avsnitt kommer den frågan om hur denna
teknologi kommer påverka den tekniska utformningen av beläggningsuppbyggnaden att diskuteras i detalj.
4.2.1. Framtida digitalisering och dess inverkan på vägar och gators tekniska
utformning
Införandet av autonoma fordon i bred skala förväntas skapa nya krav och standarder för utformningen av infrastrukturen för att kunna möjliggöra deras navigering och försäkra säkerheten hos andra trafikanter (Albino et. al, 2015 and Bösch et. al. 2018).
Det finns mycket forskning genomförd om vilken teknologi som krävs för att operera autonoma fordon på allmänna vägar, såväl som analyser av interaktionen mellan de autonoma fordonen och vägmiljön. Däremot finns det begränsat med forskning om hur autonoma fordon påverkar
beläggningsuppbyggnaden. Införandet av autonoma fordon i fordonsflottan kommer mestadels påverka ytan och bärlagren, eftersom dessa lager tar upp största delen av spänningarna som påförs beläggningsuppbyggnaden (Steyn and Maina, 2019).
Autonoma fordon påverkar lastbilstrafiken, speciellt val av körfält och placering inom körfältet (Noorvand et al., 2017). Förändringar för befintlig infrastruktur kan bli ett ökat antal och ändrad placering av körfält och belastning av uppbyggnaden på sätt som den inte konstruerats för. Den viktigaste inverkan av självkörande fordon på den tekniska utformningen av vägar kan vara effekten av mer kanaliserad trafiklast och platooning (konvojkörning, det vill säga kortare avstånd mellan fordon). Detta kan leda till större trafikvolymer med mer likartade fordonstyper och laster. Om autonoma, tunga fordonskonvojer ska stödjas behöver även underhållsprogrammen ta hänsyn till ökade laster från konvojkörning (Huggins et. al 2017). Konvojkörning innefattar att länka samman fordon liknande ett tåg och är inte begränsat till autonoma fordon. Både lätta och tunga fordon kan opereras i platoner (Huggins et. al 2017).
Användandet av autonoma och halv-autonoma transporter kan resultera i en ännu smalare användning av körfälten (Litman, 2014, Lombardo, 2018 and Snyder 2018). Enligt Bowman (2016) antar
övergången till autonoma fordon en samverkande minskning av körfältsbredd (omkring 25 % minskning av körfält på motorväg) och en ökning i trafikkapacitet (mer än 50 % enligt flera uppskattningar av industrin). Detta antagande stämmer överens med det som ges i Metz (2018). Detta kan leda till en snabbare uppbyggnad av beläggningsskador (Litman, 2014). Med
precisionskörning kommer fordonen återkommande att köra i samma spår i körfältet. Detta medför att lastfördelningen och nedbrytningen av beläggningen kommer bli annorlunda jämfört med nuvarande beläggningar. Detta faktum kommer att påverka hur beläggningar utformas och byggs för autonoma fordon. Notera att denna effekt har bekräftats experimentellt enligt Noorvand et al (2017). Utöver det kan konvojkörning leda till säsongsvarierande förändringar i porvattentryck i underliggande lager i beläggningen och försvaga jordarna i undergrunden genom pumpning (Saarenketo, 2018).
Utvecklingen av dynamiska vägmarkeringar gör det möjligt att optimera användningen av befintliga kvadratmeter väg. Genom att minska körfältsbredd (tillsammans med hastighetsbegränsningar), kan ett extra körfält läggas till i tvärsnittet. Dynamiska vägmarkeringar för automatiska förändringar i
körriktning inom räckhåll, på alla nätverksnivåer.
Sammanfattningsvis, digitalisering genom användandet av autonoma och halvautonoma fordon, dynamisk vägmarkering och intelligenta system för sammanvävning av körfält kommer leda till ökad kapacitet på gatu- och vägnätet genom angivna körfält, tillfälliga förbifarter och flexibel körfältsbredd som i sin tur kan leda till en belastning på beläggningsuppbyggnaden som den inte är konstruerad för och därmed en snabbare ökning av beläggningsskador.
följer i korta intervaller (på grund av tätt placerade axlar eller vid högre hastigheter) kan göra att beläggningen stannar något nedsjunken innan nästa axel orsakar ännu en deformationstratt. De följande nedsjunkningarna är normalt sett större för efterföljande laster, vilket orsakar större elastiska deformationer än om belastningen sker med längre tidsintervall som låter beläggningen återhämta sig helt efter varje belastning.
Monismith et al. (2000) utvärderade effekten av kanaliserad trafik (exempelvis återkommande användande av ett enskilt, precist hjulspår) för Wes Track-projektet och fann att utmaningssprickor kunde ökas med faktor tre eller mer genom kanalisering av trafiken. Liknande utmattning, har Harvey et al. (2000) utvärderat effekten av kanaliserad trafik, noll sidovandring, med hjälp av simulerad tung trafik (HVS) och visade mellan 25 % och 45 % större spårbildning på kanaliserade sektioner jämfört med sektioner där HVS:en flyttades normalfördelat i sidled. Steyn (2009) studerade effekten av vandrade fordon jämfört med kanaliserad trafik på samma provsektion. Försöken utfördes med en linjär APT-apparat på sektioner med varmblandad asfalt (samma utformning). Resultaten visade att permanent deformation som orsakats av kanaliserad trafikering är omkring 60 % högre än den
permanenta deformationen för samma förhållanden (hastighet och temperatur), men med ett vandrande belastningsmönster (Steyn, 2009). Detta fenomen tyder på att en förändring mot mer kanaliserade belastningar med autonoma fordon kan påverka beläggningens nedbrytning, och att APT (Accelerated Pavement testing, accelererad beläggningsprovning) kan användas för att effektivt kvantifiera sådana effekter (Hugo et. al 2004; Steyn, 2012). Med hänvisning till (Noorvand et al., 2017), när lastbilar följer noll vandring i sidled sker en snabbare ackumulering av spårbildning. Detta fynd är i linje med de numeriska studier som Erlingsson et al. (2012) gjort, som fann att en noll-sidovandring ökade spårbildningen på en flexibelbeläggning med omkring 25 %. Oturligt nog kan konvojkörning skapa stora kluster bestående av enbart tunga fordon (Kulmala et. al., 2019).
Enligt Steyn och Maina (2019), kan införandet av autonoma fordon leda till mer konsekventa körförhållanden såsom konstant hastighet och färre stopp/starter vid korsningar tack vare bättre fördelade trafikvolymer och styrning vid korsningar. Fordons marschhastighet påverkar kontakttiden mellan lasten och den bitumenbundna vägytan. Ett mer konsekvent ökande och bromsande av hastigheten som autonoma fordon har leder också till lägre längsgående spänningar på den bitumenbundna vägytan vilket leder till mindre permanent deformation (Steyn and Maina, 2019). Angående fordons hastighet har en debatt förts om framkomlighetens dominerande företräde i transportplaneringen under de senaste åren. Att få till generellt lägre hastigheter i staden kan skapa smidigare flöden och bättre balans mellan trafikslag, i förlängningen leder det till att man kan minska separeringen. Minskad separering innebär att man kan spara yta. I nästa steg kan man också ge mindre plats för biltrafik och mer plats till delad och aktiv mobilitet. Som ett resultat av dessa förändringar kan man öka både gatornas totala trafikala kapacitet och skapat möjligheter till mer plats för en rad funktioner som våra städer är i behov av för att möta de olika utmaningar som tas upp i rapporten En av de nya teknologierna för hastighetskontroll är aktiva farthinder som är baserad på dynamiskt hastighetssäkrande lösning. Fordon som kör över hastighetsgränsen aktiverar en lucka som sänks ner några centimeter i vägbanan och ger föraren en fysisk påminnelse om hastighetsöverträdelsen.
Systemet låter alla som kör i rätt hastighet passera på plan väg och utgör därför inte något problem för busschaufförer (Edeva, 2019).
Ur ett "smarta gator-perspektiv" kan aktiva farthindersystem betraktas som en gradvis omvandling till mer multifunktionella och flexibla gator som kan ha en högre total trafikkapacitet än tidigare
(inkluderat kollektivtrafikresenärer, cyklister, gående och bilister).
Då tekniken funnits i bruk i Sverige sedan 2010 har flera utvärderingargenomförts, bland annat i Uppsala, Linköping, Malmö och Skåne. Utvärderingen har visat att medelhastigheten hos fria motorfordon är lägre med aktiv farthinderteknologi än utan. Dessutom lämnar en högre andel av
motorfordonsförare företräde åt korsande oskyddade trafikanter vid användning av det aktiva farthindersystemet (Börefelt och Nilsson, 2016).
Annan teknik som relaterar till digitalisering av framtida smarta gator är användandet av sensorer som bäddas in i vägytan som bidrar till att öka trafiksäkerheten och tillåter kommunikation mellan fordon och infrastruktur. Till exempel behöver livslängden hos sensorer motsvara vägytans livslängd eller infrastrukturen som den är inbäddad i, och en lämplig strömförsörjning behöver finnas. Inte minst behöver ingenjörer tillverka sensorer till en enhetskostnad som fungerar med en storskalig spridning. Enligt Clapaud (2017), arbetar Hikob tillsammans med Vicat, Frankrikes tredje största tillverkare av cement, ballast och betong, för att utveckla en uppkopplad betong, som i industrin kallas
”funktionaliserad” betong. Denna nya teknologi möjliggör för sensorer att integreras i ytan på motorvägar, viadukter och tunnlar för att på så sätt övervaka deras fysiokemiska egenskaper under deras livstid och därigenom optimera underhållsintervall.
Hikob har också utformat en temperatursensor som håller längre än tio år enligt Clapaud (2017). Dessa temperatursensorer hjälper till att förutspå frost och isbildning för att kunna påbörja saltspridning i och kring staden. Fram tills nu kräver sådana sensorer att kablar läggs i vägen för att förse sensorerna med elektricitet och att samla in data till en kontrollpunkt, och dessa restriktioner har kraftigt begränsat en storskalig spridning av dessa sensorer.
Fullskaleprovning kan ses som en slutgiltig verifikation som kontrollerar utformningens långsiktiga prestanda hos de sensorer som är inkapslade i den funktionaliserade betongen, men det är för tidigt i detta skede att föreslå en provningsplan och en testbäddsväg för att verifiera hållbarheten hos denna nya teknologi eftersom den inte är släppt för kommersiellt bruk än.
4.2.2. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningen med framtida
digitalisering
Det smalare vandringsmönstret hos autonoma fordon kan resultera i större fokus på spårbeständiga beläggningar. Därför behöver befintliga väg- och gatuutformningar vidare anpassningar för att
effektivare stå emot den förväntade ökningen i spårbildning och deformationer om dessa vägar öppnas för att trafikeras av autonoma fordon. Från ett konstruktionsmässigt perspektiv är de autonoma
fordonen en stor faktor i framtidens digitaliseringsutmaning som kommer påverka nuvarande material- och utformningsval för vägar.
Ett intressant fenomen som kan komma att bli användbart i en framtida värld med ökad användning av autonoma fordon är det som på engelska kallas ”strip road”. Det är ett koncept som består av två smala, parallella remsor längs den byggda beläggningen, för fordonens två hjulspår. Konceptet har använts i många år, främst vid bondgårdar och lantliga vägar (Mlambo, 1994; Wolhuter, 2015; Zhang et al., 2013). Med den kontrollerade vandring som är möjlig med autonoma fordon kunde alternativet ”strip road” spara stora kostnader vid byggande och underhåll av beläggningen. En väg med förstärkt remsa är en möjlighet som bättre kan hantera de större, kanaliserade lasterna, där utformning och uppbyggnad av hjulspåren har högre standard än mellan och utanför hjulspåren.
Forskning skulle krävas för att validera en modern uppbyggnad och underhåll av sådana vägar med större trafikvolymer. APT skulle vara ett optimalt sätt att utvärdera ett sådant koncept med ”strip roads”.
Även förändringar i laboratorieutvärderingar av bitumenbundna beläggningsmaterial kan ge alternativa möjligheter att hantera förändringar i belastningsfrekvens.
Att introducera autonoma fordon i denna kontext kan också leda till mer konsekventa förhållanden såsom konstant hastighet åtminstone på större genomfartsgator i tätort och på vägar av
Vidare är det välkänt att temperaturen på bitumenbundna ytbeläggningsmaterial är lägre under natten som jämfört med under dagen, vilket resulterar i en styvhet i dessa material, ökad bärförmåga och en förväntad längre livslängd. Därför är det önskvärt med mer körning under nätterna med autonoma fordon, utifrån deras påverkan på väguppbyggnaden. Dessa förhållanden kan också simuleras med APT, där provningstemperaturer kan väljas för att motsvara medeltemperaturer under natten i Sverige under olika årstider.
Det ökande användandet av sensorer inuti vägbeläggningen möjliggör för mer feedback från infrastrukturen till det autonoma fordonet. Därför kan det i framtiden blir möjligt att begränsa tunga autonoma fordon till vissa körfält på gator och vägar med flera körfält i vardera riktningen, exempelvis motorvägar. Dessa körfält kan då utformas med ökad styrka för att kunna hantera stora volymer tunga fordon och tätare avstånd (Johnson & Rowland 2018).
I detta sammanhang går det att förstärka beläggningen där autonoma fordon kör, för att bättre hantera stora volymer av tunga fordon och tätare avstånd på flera sätt. Det kan till exempel göras genom att förstärka asfalt med stålnät eller betongremsor, genom att göra hela asfaltkörfältet i starkare material än traditionell asfalt (som att använda fiberstabiliserad asfalt) eller genom att göra en helt annan tvärsektion. Detta kan innebära extra anläggningar intill befintliga vägar vilket kan vara svårare att åtadskomma inne i stadsmiljöer där byggnader m m kantar gatorna. För infrastruktur som ännu inte byggts eller som är i planeringsfas finns det möjlighet att ta hänsyn till hur eventuella krav påverkar uppbyggnaden och hur nuvarande utformning kan ta hänsyn till eller svara på eventuella framtida krav. Även om de slutgiltiga kraven inte kan fastslås tydligt, bör en utformning som tar hänsyn till framtida förändringar utvecklas. Utformningen kan ta hänsyn till vilken typ av förstärkande åtgärder som enkelt kan genomföras i framtiden, hur beläggningen ska designas och byggas och när de kan krävas inom den planerade livslängden (Johnson & Rowland 2018). Enligt Saarenketo (2018) behöver problem som orsakas av vandring lösas för både lastbilar (deformationer) och personbilar (dubbdäck). Vidare studier rekommenderas därför för att utveckla helt nya beläggningar/vägutformningar som tar hänsyn till autonoma teknologiers påverkan på vägarnas tekniska utformning. Detta är något som är mycket relevant idag, för oavsett om de autonoma fordonen är här om fem eller 20 år, så utformar vi vägarna för minst 30 år.
Sammanfattningsvis kan andra faktorer inkluderas i framtida studier, inom ramarna för befintliga beläggnings- och vägmodeller. Exempelvis vikt på de autonoma fordonen, accelerationshastighet, marschfart och så vidare.
För att möjliggöra användandet av provningens data för att förbättra förståelsen av förväntad autonoma fordonsflotta på befintliga vägbeläggningsuppbyggnader, föreslås i detta stycke tre
väguppbyggnader, för provning, som möter utmaningen med framtida digitalisering. Figur 12 visar en vägbädd med förstärkt remsa (betong eller stålnät) som ska byggas under det autonoma fordonets hjul (HVS-hjul under APT). Det andra förslaget, som visas i Figur 13, är en tjockare väguppbyggnad (med tjockare lager än traditionellt) för att stå emot konvojkörning med autonoma fordon. Gällande den tjockare väguppbyggnaden som visas i Figur 13, kan tjockleken på de bundna lagren justeras senare baserat på praktiska anpassningar.
Det tredje förslaget är att prova en vägsektion som består av två identiska halvor. En av dessa halvor kommer att beläggas med ett konventionellt asfaltsslitlager medan den andra halvan beläggs med samma typ av slitlager, men stabiliserat med förstärkningsfiber, se Figur 14. Aramidfiber (vanligtvis använt i skottsäkra västar, däcksidor och värmeskydd) har visats kunna förstärka asfalt, minska spår- och sprickbildning och öka asfaltens dynamiska egenskap ”styvhet” (ACF Environmental, 2020).
Figur 12. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida digitalisering, Alternativ 1-3 (Asfaltbeläggning med betong eller stålarmerad remsa), ej skalenligt.
Figur 13. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida digitalisering, Alternativ 1-3 (Asfaltbeläggning med tjockare överbyggnad), ej skalenligt.
Figur 14. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida digitalisering, Alternativ 1-3 (Asfaltbeläggning med fiberarmerat asfalt), ej skalenligt.
Under en HVS-provning på testbäddarna som föreslås i Figurer 12 till 14 bör följande punkter beaktas: 1. Sidovandring
och en tvärgående stegstorlek omkring 50 mm används. Med införandet av en autonom fordonsflotta borde det vara möjligt att bestämma vandringsmönstret och återskapa detta i APT-provningen. Detta kan resultera i ett hjulspår som är mer koncentrerat med en kanaliserad APT-provning. Vissa studier indikerar att sidovandring orsakar rörelser i sidled hos asfaltsytan under trafikering. Erfarenhet visar att materialet kan skjutas uppåt när blandningen var skjuvkänslig vid höga temperaturer (Hugo, 1999 and Epps, 2001). Därför är det viktigt under provning av väguppbyggnaden att bestämma
vandringmönstret för autonoma fordon, flottan och återskapa det på APT-provsektionen eller
åtminstone köra HVS-provning utan sidovandring. Det är också viktigt att jämföra resultaten från den föreslagna APT-provningen där både kanaliserad och vandrad provning genomförs under liknande lastmagnituder och miljöförhållanden för att bestämma möjliga förändringar i beläggningens respons under belastning av autonoma fordon.
2. Belastningsläge under provning (dvs enkelriktat eller dubbelriktat)
Om laster appliceras kanaliserat (ingen vandring) observeras signifikant snabbare spårutveckling i enkelriktat jämfört med dubbelriktat belastningsläge (Tia et al., 2003). Enligt Snyder (2018) kan vissa gator i bostadsområden och med låga trafikvolymer ha körfält som tillåter autonoma fordon att köra i vilken riktning som än behövs. Därför rekommenderas det att göra ett dubbelriktat HVS-prov.
3. Belastningshastighet
Enligt Fagnant och Kockelman (2015) kan autonom mobilitet sannolikt leda till mer normaliserade flöden och stabilare hastighetsprofiler. Marschfart under APT-provning genomförs vanligtvis vid normalhastighet, vilken oftast sätts till utrustningens maximala hastighet av effektivitetsskäl. Även om hastighetsomfånget hos de flesta APT-utrustningar är begränsat (normalt hastighetsomfång mellan 8 och 32 km/h). Den maximala hastigheten hos VTI:s HVS är 12 km/h. Att använda hastigheter nära de faktiska hastigheterna hos autonoma fordonsflottan är därmed grundläggande i APT-planeringen. Om APT-utrustningens maximala hastighet är signifikant avvikande från den hos autonoma fordonsflottan, bör beläggningstypens hastighetsberoende nedsjunkningsrespons bestämmas med hjälp av verkliga fordon innan en APT-analys görs som föreslås av Steyn and Maina (2019).
4. Kontrollerad provningstemperatur
Planeringen av APT-provningen bör inkludera ett omfång av vanliga temperaturer med
beläggningsresponser under olika vägförhållanden, för att utveckla en mer generell modell över beläggningsresponser under förväntade fältförhållanden. Studier utförda av Steyn och Denneman (2008) tittade på effekten av vägbeläggningens temperatur (dvs dag- jämfört med nattkörning) på den permanenta deformationen på en vanlig varmblandad asfaltbeläggning (samma utformning). Det visade omkring 790 % högre deformation under höga temperaturer än de låga temperaturer som användes i studien (båda kanaliserad APT-belastning). Liknande studier som utvärderat ökningen av utmattningssprickor på grund av belastning i perioder av låg temperatur har rapporterats omfattande i APT-litteraturen som belyses av Steyn (2012). Om användning av autonoma fordon under nätterna förväntas, bör lämpliga temperaturprogram väljas för att försäkra att ny APT-data speglar inte bara vanlig respons dagtid hos de bitumenbundna lagren, utan även förväntad respons nattetid.
5. Trafiklastens storlek
Trafiklastens storlek hos den autonoma fordonsflottan förväntas vara högre än vanliga
lastbegränsningar. Därför kan endast begränsad nytta tas från existerande data där ett antal lastnivåer använts för att bestämma skadeexponenten för en specifik väguppbyggnad (Kekwick, 1985).
Trafiklasternas storlek för nya provningar bör vara likt de tillåtna för autonoma fordonsflottan inklusive däcktyp och däcktryck.
4.3. Elektrifiering
Elektrifieringen av hushåll och fordon ställer nya krav på elnätet, dess kapacitet och infrastruktur, samt på gatumiljön med laddningsstationer och underhåll.
Elektrifieringen av vägtransporter började för länge sedan med elektrifierad kollektivtrafik såsom trådbussar (Brunton, 1992) men begränsade till specifika rutter är trådbussar svåra att integrera med motorbussar. Sedan dess har mycket utveckling skett inom sektorn med förflyttningen av den fysiska kontakten mellan fordon och strömförsörjning från ovanför vägen till vägytan och utveckling av kraftlagring ombord såsom batterier, vilket kan producera elektricitet för elektriska fordon när det behövs.
För att utveckla elektriska fordon ytterligare fokuseras det på flera teknologier för fordonsladdning, såsom att tillhandahålla snabbladdningsstationer vid rastplatser, eller till och med genom att tillhandahålla extern laddning längs beläggningen medan fordonet är i rörelse (dvs teknologi för dynamisk laddning av fordon). De dynamiska laddningsteknikerna är speciellt intressanta utifrån det utformningstekniska perspektivet eftersom det påverkar den tekniska utformningen av vägar direkt och dess långsiktiga prestanda under olika trafiklaster och klimatförhållanden och kräver ytterligare verifikation. För att anpassa vägarna till framtida elektrifiering kommer dessa teknologier därför att diskuteras i detalj i följande stycken, utöver föreslagna vägtestbäddar som tillåter utvärdering och jämförelse mellan två typer av dynamisk fordonsladdning som använts nyligen i Sverige.
4.3.1. Framtida elektrifiering och dess inverkan på vägar och gators tekniska
utformning
Nyligen har flera metoder utvecklats för att ladda fordon i rörelse, nämligen konduktiv och induktiv kontaktlös laddning.
Konduktiv laddning kräver en fysisk kontakt mellan den elektroniska enhetens batteri och strömförsörjningen (Ken, 2011), det vill säga metall-mot-metall-kontakt mellan laddaren och det elektriska fordonet krävs, likt ett spårvagnsspår.
Utanför Arlanda öppnades världens första elväg där en bil kan ladda batteriet under körning. Längs två kilometer av sträckan finns det elskenor. En kontakt på undersidan (dvs en elektrisk skena i vägbanan som liknar ett spårvagnsspår) gör att den helt eldrivna lastbilen kan ladda sina batterier medan den kör via en elskena i vägen (Alpama 2017), se Figur 15.
Laddsträckan är indelad i kortare sektioner och strömmen slås bara på när ett fordon passerar. Syftet är att undersöka om elektrifierade vägar kan vara ett sätt att minska utsläppen från lastbilstrafiken, som i dag står för närmare 30 procent av vägtrafikens utsläpp av växthusgaser.
Figur 15. Elskenor monteras i en två kilometer lång vägsträcka norr om Stockholm, (Källa: eRoad Arlanda).
I Lund invigdes en ny elväg under 2020 som går ut på att skenor läggs i mitten på befintlig väg. Denna teknik är baserad på en ny version av elskenor, som visas i Figur 16. Den innefatta en vägsträcka på cirka en kilometer. Den kommer kunna ladda elfordon både när de kör och står stilla (Hoseini, 2019).
Figur 16. Elektriska skenor för fordonsladdning, foto av Dina Kuttah, VTI.
Under de allra senaste åren har ett speciellt intresse vuxit för en kontaktlös laddningslösning som använder induktiv kraftöverföring (IPT) (Covic and Boys 2013). IPT-teknologin inkluderar
stillastående och dynamisk IPT-laddningsteknik. För den dynamiska IPT-laddningstekniken placeras en laddningsutrustning normalt längs en längre sträcka inuti vägbanan, utan någon fysisk kontakt med infrastrukturen (Chen, 2016). Därför är IPT-laddningstekniken extra viktig och kommer påverka den tekniska utformningen av vägar och gator.
Induktiv laddning (också känd som kabellös laddning) är en slags trådlös laddning som använder elektromagnetiska fält för att överföra energi mellan två enheter, med elektromagnetisk induktion utan laddskena (Chen, 2016; Åhman, 2018 och Janzon, 2019).
Tekniken består huvudsakligen av tre delar. Den första har att göra med väginfrastrukturen och består av kopparspolar täckta med gummi, som visas i Figur 17. Denna del är vanligtvis inbäddad 8 cm i vägkroppen i mitten av körfältet. Den andra delen är en mottagare – placerad under fordonens chassi. Kommunikationssystemet tillhandahåller en kommunikation i realtid med varje fordon. Den tredje delen är en kraftstation – ett underjordiskt system som skickar energi till vägens infrastruktur. En vägsträcka på 1,65 kilometer av dynamisk, trådlös laddning är nu färdigställts på en allmän väg på Gotland (Swartling, 2021).
Figur 17. Väginfrastruktur: Kopparspolar täckta med gummi/plast, foto av Dina Kuttah, VTI.
Enligt Åhman (2018) har konduktiv laddning många fördelar jämfört med induktiv laddning. En av dem är kostnaden. Man brukar säga att det blir 10–20 gånger dyrare med induktiv laddning. Dessutom kräver induktiv laddning jämna ytor för att inte få effektförluster, enligt Sofia Lundberg, projektledare för eRoad Arlanda (Åhman, 2018).
Elvägar kan byggas på lite olika sätt och och med olika teknologier. Lastbilar kan också laddas med el från luftledningar. Med denna teknik hämtar en hybridlastbil el från luftledningar. På lastbilens tak sitter en strömavtagare som fälls upp automatiskt när bilen närmar sig ledningen (Alpama, 2017). Denna teknik är dock utanför syftet för detta avsnitt eftersom den inte påverkar vägens tekniska utformning.
Andra typer av elektrifiering av vägar är Solcellsvägar – bland annat klassiska Route 66 i USA och i Tourouvre-au-Perche i Frankrike, se Figur 18.
Problemet med solcellsvägar är att panelerna tillverkas i glas vilket förstås har helt andra egenskaper än asfalt. Enligt företaget Solar Roadways kan glaspanelerna med hjälp av ett slags mönster göra att bilarna kan bromsa på ungefär samma sträcka som på asfalt, men här behövs fler tester, särskilt på vått underlag. Och det finns frågetecken kring hållbarheten på lång sikt och vad som händer när vägen måste snöröjas (Söderholm, 2018).
Enligt Obminska (2019) är världens första solcellsväg i Frankrike så trasig att den inte är värd att reparera. Därför rekommenderas det inte att denna teknik undersöks vidare i Sverige.
Figur 18. Solcellsväg i den lilla franska byn Tourouvre-au-Perche, (Källa: kumkum / Wikipedia/2020-11-11).
4.3.2. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningen med framtida
elektrifiering
Den elektriska skenans påverkan på vägkroppens prestanda bör provas för långsiktig prestanda, speciellt rörande dess förmåga att motstå deformation orsakad av mycket trafik om körfältet är öppet för traditionella, tunga fordon som kan passera över elskenan. Utöver det har inbäddandet av elskenan i asfalten, vilken har annan respons på temperaturdeformationer, inte heller undersökts långsiktigt vid stora temperatur- och klimatvariationer.
Det är också en stark rekommendation att prova hur den induktiva laddningstekniken, nämligen kopparspolarna täckta med gummi, kommer motstå den verkliga tunga trafiken långsiktigt, även om de är inbäddade 8 cm under asfaltsytan.
För att validera den tekniska livslängden för en elektrifierad väguppbyggnad, visas i Figur 19 ett förslag till vanlig testbäddssektion med både konduktiv och induktiv elektrisk fordonsladdningsteknik som kan provas med hjälp av VTI:s simulator för tung trafik (HVS), med olika grundvattennivåer.
Figur 19. Rekommendationer för testbädd som möter utmaningarna för framtida Elektrifieringen (laddningsteknik av elbilar), ej skalenligt.
4.4. Klimatförändringar
Enligt Klimat- och sårbarhetsutredningen (2007) kommer Sverige att bli varmare och blötare i
Den effektiva längden = 6000
Om inget annat anges så är mått på ritningen angivna i millimeter (mm)
500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500
Grundvattennivån
Körning med HVS hjul med/utan sidoläge
