Wpływ rosnącej liczby samochodów elektrycznych na obciążenia płyt parkingowych
Elektromobilność
Obecne regulacje Unii Europejskiej w zakresie elektromobilności mają na celu przyspieszenie dekarbonizacji transportu, szczególnie poprzez promowanie pojazdów elektrycznych i rozwój infrastruktury ładowania. Kluczowe elementy przepisów wskazują na konieczność redukcji emisji CO2 i rozbudowę sieci ładowania. Od 2035 roku na rynku pierwotnym mają być dostępne tylko samochody zeroemisyjne tj. pojazdy elektryczne i wodorowe [1]. Ważnym krokiem jest również wprowadzenie dla pojazdów w 2030 roku limitu emisji 55 g CO2/km [1]. Ponadto Unia Europejska nakłada na kraje członkowskie obowiązek rozwoju infrastruktury, przewidując, że do 2025 roku stacje ładowania będą dostępne co 60 km na głównych trasach transeuropejskiej sieci transportowej TEN-T [2]. TEN-T to połączenia transportowych w Unii Europejskiej, obejmujące autostrady, linie kolejowe, trasy lotnicze, morskie i rzeczne. Jej struktura ma na celu zapewnienie spójnego i zrównoważonego transportu, łącząc główne miasta, regiony oraz porty, co ma ułatwić przepływ towarów i osób w całej Unii Europejskiej.
Wszystkie powyższe działania przekładają się na wzrost udziału aut elektrycznych w rynku motoryzacyjnym. W artykule z 2021 roku (obszerny raport dot. rynku amerykańskiego) [3] dokonano kompleksowego przeglądu badań naukowych dotyczących różnych aspektów pojazdów elektrycznych, w tym m.in.: stanu rynku lekkich pojazdów elektrycznych, kosztów i wydajności baterii elektrycznych, stanu infrastruktury ładowania, stanu ekonomiki ładowania, wpływowi ładowania na systemy energetyczne, oceny kosztów cyklu życia i emisji związanych z elektromobilnością. Prognozy rozwoju rynku elektromobilności znaleźć można między innymi w pracach [4, 5, 6].
Zdefiniowanie problemu
Wraz z rozwojem motoryzacji oraz rosnącą liczbą samochodów, zarówno spalinowych, jak i elektrycznych, w miastach pojawia się problem przestrzeni parkingowej, który obejmuje wiele wzajemnie sprzecznych wyzwań i ograniczeń.
Po pierwsze, w wielu miastach Europy, zrównoważony rozwój i urbanizacja prowadzą do preferowania rozwiązań zmniejszających zależność od prywatnych samochodów. Przejawia się to w budowie parkingów na obrzeżach miast oraz wsparciu dla transportu publicznego.
Drugim wyzwaniem jest ograniczona przestrzeń miejska, szczególnie w dużych europejskich aglomeracjach. W takich miejscach kluczową rolę odgrywają parkingi wielopoziomowe, które pozwalają na maksymalne wykorzystanie dostępnej przestrzeni i zmniejszenie obszarów zajmowanych przez tradycyjne parkingi naziemne.
Dodatkowym aspektem jest rozwój elektromobilności, który prowadzi do coraz częstszego wyposażania parkingów w stacje ładowania pojazdów elektrycznych.
Wzrost elektromobilności skutkuje zwiększeniem rzeczywistego obciążenia użytkowego parkingów – zarówno przez większą masę samochodów elektrycznych, które są cięższe od tradycyjnych aut spalinowych jaki i przez masę instalowanych stacji ładowania (szczególnie typu DC, które, w porównaniu do stacji AC, pod kątem czasu ładowania są znacznie efektywniejsze). Ciężar aut elektrycznych jest od 17% do nawet 40% większy od ich spalinowych odpowiedników (średnia różnica wyznaczona dla wszystkich klas wynosi 25%). W Tabeli 1 i na Rysunku 1, dla poszczególnych klas aut osobowych, zestawiono widełki ciężarów własnych samochodów spalinowych i elektrycznych (podane dane zostały opracowane w oparciu o deklaracje producentów samochodów na 2024 r.).
Tabela 1. Zestawienie ciężarów aut spalinowych i elektrycznych wg klas – stan na październik 2024 r.
Rysunek 1. Graficzne zestawienie ciężarów aut spalinowych i elektrycznych wg klas – stan na październik 2024 r.
Stacje ładowania DC, zazwyczaj dwustanowiskowe, zasilane prądem stałym, według danych producentów mają masę około 450 kg [7] (daje to średnio 225 kg dodatkowego obciążenia na jedno miejsce postojowe). Szczegółowe informacje o stacjach i punktach ładowania pojazdów elektrycznych w kontekście przepisów krajowych zostały szeroko opisane w przewodniku przygotowanym przez Urząd Dozoru Technicznego [8].
Rozwój parkingów samochodowych w Europie jest zatem wynikiem kompromisów pomiędzy postępem technologicznym, dążeniem do zrównoważonego rozwoju oraz potrzebami mieszkańców.
Normy obciążeniowe
Wobec powyższych informacji rozwój elektromobilności rodzi w środowisku projektantów konstrukcji budowlanych pytania dotyczące akuratności obecnie istniejących przepisów dotyczących obciążeń użytkowych od pojazdów. Eurokody, będące europejskimi normami EN 1990-1999, od dnia 1 kwietnia 2010 roku uzyskały status norm polskich PN-EN 1990-1999. Równocześnie wcześniejsze normy projektowania konstrukcji, znane jako normy branżowe (PN-B), zostały oficjalnie wycofane. Oznacza to, że parkingi wybudowane przed 2010 rokiem były projektowane zgodnie z obciążeniami użytkowymi określonymi w normie PN-82/B-2004 [9], natomiast po 2010 roku zgodnie z obciążeniami użytkowymi wynikającymi z normy [10].
W Tabeli 2 zestawiono wartości obciążeń charakterystycznych dla pojazdów lekkich.
Tabela 2. Normowe obciążenia charakterystyczne pojazdów lekkich
Z porównania normowych wartości obciążeń wynika, że obie normy w podobny sposób definiują obciążenie charakterystyczne dla samochodów osobowych. Różnica dotyczy współczynników obciążenia zmiennego (częściowych współczynników bezpieczeństwa), gdzie w normach PN-B stosuje się wartość 1,3, a w normach PN-EN wartość 1,5.
W normie PN-B uwzględniono dodatkowo kategorię pojazdów dostawczych, takich jak „furgonetki”, co umożliwiało projektantom zwiększenie obciążenia charakterystycznego o 20%.
W nawiązaniu do powyższego warto wspomnieć o nowelizacji Ustawy o elektromobilności, podpisaną 7 grudnia 2021 r. [11], która wprowadza zmiany dotyczące kierowców z prawem jazdy kategorii B. Zgodnie z nowymi przepisami, będą oni mogli prowadzić pojazdy z napędem alternatywnym o dopuszczalnej masie całkowitej do 4,25 tony, zamiast dotychczasowych 3,5 tony. Nowelizacja ta ma obecnie zastosowanie głównie do elektrycznych pojazdów dostawczych (furgonetek), których zwiększona masa własna samochodu wcześniej ograniczała możliwości transportowe.
Podsumowanie i wnioski
Ciężary przedstawione w Tabeli 1 odnoszą się do masy własnej pojazdów, z wyłączeniem ich ładowności. Rzeczywista masa pojazdów może być zatem wyższa o około 500-600 kg. Mówimy wtedy o dopuszczalnej masie całkowitej (DMC) pojazdu. Pojazdy osobowe, które mogą być prowadzone przez kierowców posiadających prawo jazdy kategorii B, nie powinny przekraczać DMC wynoszącej 3,5 tony, z wyjątkiem pojazdów dostawczych z napędem alternatywnym, w których dopuszczalna masa całkowita może wynosić 4,25 tony (powód został wyjaśniony powyżej).
Na podstawie danych z Tabeli 1, średnią masę własną samochodu elektrycznego można oszacować na 2450 kg. Dodając do tego ładowność, uzyskujemy łączną masę 3000 kg. Przy założeniu, że stacja ładowania obsługuje dwa miejsca postojowe, każde z nich obciążone jest dodatkowo 225 kg. W związku z tym, obciążenie na jedno miejsce postojowe wynosi średnio od Q1 = 2675 kg (bez ładunku) do Q2 = 3225 kg (z ładunkiem). Przy standardowych wymiarach miejsca postojowego (2,5 m × 5,0 m) odpowiada to obciążeniu wynoszącemu od 2,14 kN/m2 do 2,58 kN/m2. Dla najcięższych samochodów elektrycznych (klasy F, J) obciążenie wynosiłoby odpowiednio 2,58 kN/m² i 3,08 kN/m2, natomiast w przypadku elektrycznych samochodów dostawczych nawet 3,40 kN/m2.
Porównując powyższe wartości z aktualnym obciążeniem podanym w EC1 [10], można zauważyć, że normowe obciążenie charakterystyczne wynoszące 2,5 kN/m2 jest niedoszacowane w kontekście rzeczywistego obciążenia użytkowego parkingów, co może wpływać na weryfikację stanu granicznego użytkowalności, w tym zarysowań i ugięć. Natomiast w przypadku stanu granicznego nośności, wykorzystujemy rezerwę wynikającą ze współczynnika obciążenia zmiennego γf (2,5 kN/m2 × 1,5 = 3,75 kN/m2), co z kolei ogranicza margines bezpieczeństwa w kontekście uproszczonych metod przykładania obciążeń. Przykładowo przyłożenie obciążenia zmiennego na całej powierzchni parkingu (stropu) może prowadzić do niedoszacowania momentów zginających w płytach nawet o kilkadziesiąt procent (można tutaj zastosować pewną analogię do belki ciągłej i współczynników Winklera).
W związku z powyższym, zasadne wydaje się rozważenie przyjęcia charakterystycznego obciążenia wynoszącego 3,0 kN/m2 przy projektowaniu nowych parkingów.
Materiały źródłowe
[1] ROZPORZĄDZENIE PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY (UE) 2023/955 z dnia 10 maja 2023 r. w sprawie ustanowienia Społecznego Funduszu Klimatycznego i zmieniające rozporządzenie (UE) 2021/1060 dostęp - https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/?uri=CELEX%3A32023R0955
[2] ROZPORZĄDZENIE PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY (UE) 2024/1679 z dnia 13 czerwca 2024 r. w sprawie unijnych wytycznych dotyczących rozwoju transeuropejskiej sieci transportowej, zmieniające rozporządzenia (UE) 2021/1153 i (UE) nr 913/2010 oraz uchylające rozporządzenie (UE) nr 1315/2013.
[3] M. Muratori et al, The rise of electric vehicles—2020 status and future expectations, Progress in Energy 3 022002, https://doi.org/10.1088/2516-1083/abe0ad
[4] S. Aggarwal, A.K. Singh. (2021). Electric vehicles the future of transportation sector: a review. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 1–21. https://doi.org/10.1080/15567036.2021.1976322
[5] A. Gupta , H. Kumar, Multi-dimensional perspectives on electric vehicles design: A mind map approach, Cleaner Engineering and Technology, 8 (2022) 100483, https://doi.org/10.1016/j.clet.2022.100483
[6] T.A. Skouras, P.K. Gkonis ,Ch.N. Ilias, P.T. Trakadas, E.G. Tsampasis andT.V. Zahariadis, Electrical Vehicles: Current State of the Art, Future Challenges, and Perspectives, Clean Technology, 2020, 2(1), 1-16; https://doi.org/10.3390/cleantechnol2010001
[7] https://www.xchargers.com.pl/productsx#dc dostęp 08.10.2024 r.
[8] https://www.udt.gov.pl/poradniki-i-przewodniki/przewodnik-udt-stacje-i-punkty-ladowania-pojazdow-elektrycznych dostęp 08.10.2024 r.
[9] PN-82/B-02004 Obciążenia budowli – Obciążenia zmienne technologiczne – Obciążenia pojazdami
[10] PN-EN 1991-1-1 Eurokod 1 Oddziaływania na konstrukcję. Część 1-1: Oddziaływania ogólne. Ciężar objętościowy, ciężar własny, obciążenia użytkowe w budynkach.
[11] Dz.U. 2021 poz. 2269: Ustawa z dnia 2 grudnia 2021 r. o zmianie ustawy o elektromobilności i paliwach alternatywnych oraz niektórych innych ustaw, https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=WDU20210002269
Related Articles
Obciążenia imperfekcyjne wydzielonych układów stężeń
1. Wprowadzenie Poprawnie zaprojektowany płaski układ prętowy jest samostateczny i geometrycznie niezmienny w „swojej płaszczyźnie”, (tj. płaszczyźnie -XZ-) będąc jednocześnie geometrycznie zmiennym w płaszczyźnie -YZ- (patrz rys. 1.) Rys. 1. Widok ...Ocena wrażliwości konstrukcji na efekty II rzędu
Mnożnik obciążenia krytycznego α cr przyjęto jako miarę efektów II rzędu. Mnożnik ten definiuje się jako stosunek obciążenia krytycznego odpowiadający niestateczności sprężystej układu do obciążeń obliczeniowych. Innymi słowy wartość ta mówi nam ...Wymiarowanie rygla ramy portalowej z dachem dwuspadowym
1. Podparcie rygla Podczas wymiarowania rygla ramy portalowej z dachem dwuspadowym często przyjmuje się bez głębszej analizy, że podparcie rygla w płaszczyźnie układu stanowią słupy. Przyjęte podparcie w płaszczyźnie układu wpływa bezpośrednio na ...Współpraca belki stalowej z blachą trapezową, płytą warstwową lub żelbetową
1. Informacje wstępne Połączenie belki stalowej z konstrukcyjnym elementem powierzchniowym może zapewnić jej dodatkowe podparcie ciągłe, a tym samym zabezpieczyć całkowicie lub częściowo przed utratą płaskiej postaci zginania, czyli przed ...Co to są efekty II rzędu?
W analizie konstrukcji efekty II rzędu dotyczą sytuacji obliczeniowych, w której siły wewnętrzne i przemieszczenia wyznaczane są w oparciu o zdeformowaną (pod wpływem obciążeń) geometrię. Efekty te dzielimy na: globalne (dotyczą deformacji całej ...