von Charles F. McDevitt
Die Grundprinzipien von Betonbarrieren sind nicht allgemein bekannt oder verstanden. Betonbarrieren scheinen einfach und unkompliziert zu sein, aber in Wirklichkeit sind sie hochentwickelte Sicherheitsvorrichtungen.
Beton-Sicherheitsformen
Wenn die meisten Leute an Betonbarrieren denken, denken sie an die New Jersey Concrete Safety Shape Barrier (NJ-Form oder Jersey Barrier). Die NJ-Form soll bei den häufiger vorkommenden flachen Aufprallwinkeln die Blechschäden minimieren, indem die Fahrzeugreifen auf der unteren schrägen Fläche auffahren können. (Siehe Abbildung 1.)
Bei größeren Aufprallwinkeln ist die NJ-Form eigentlich eine mehrstufige Barriere. Der vordere Stoßfänger prallt auf die obere schräge Fläche und rutscht nach oben. Durch diese Wechselwirkung wird das Anheben des Fahrzeugs ausgelöst. Wenn der Stoßfänger relativ schwach ist, beginnt die Frontpartie zu zerdrücken, bevor es zu einer Anhebung kommt. Dann, wenn das Fahrzeug nahezu parallel zur Barriere steht, berührt das Rad die untere schräge Fläche. Der größte Teil des zusätzlichen Auftriebs des Fahrzeugs wird dadurch verursacht, dass die untere schräge Fläche die Vorderradaufhängung zusammendrückt. Die seitlichen Reibungskräfte der Räder sorgen jedoch für einen gewissen zusätzlichen Auftrieb, insbesondere wenn die Oberfläche der Barriere rau ist. Daher sollten freiliegende Gesteinskörnungen und andere raue Oberflächenbeschaffenheiten vermieden werden. Moderne Fahrzeuge haben relativ kurze Abstände zwischen Stoßstange und Rad; daher folgt auf den Kontakt mit der Stoßstange fast unmittelbar der Kontakt mit dem Rad.
Es ist nur notwendig, das Fahrzeug so weit anzuheben, dass die Reibung zwischen den Reifen und der befestigten Oberfläche verringert wird. Das hilft beim Einlenken und Umlenken des Fahrzeugs. Wird das Fahrzeug zu hoch in die Luft gehoben, kann es gieren, sich neigen oder rollen, was dazu führen kann, dass sich das Fahrzeug überschlägt, wenn die Räder wieder mit dem Boden in Berührung kommen. Vorzugsweise sollten Betonschutzwände an eine gepflasterte Fläche angrenzen, damit sich die Räder nicht in den Boden eingraben und das Fahrzeug umkippen kann.
Vor Jahren war es üblich, an der Kreuzung der beiden geneigten Flächen einen Radius von 255 Millimetern (10 Zoll) auszubilden, um die Gleitschalung der Barriere zu erleichtern. Dieser Radius ist beim Gleitschalungsbau nicht mehr erforderlich. Moderne Gleitschalungsmaschinen können Betonbarrieren mit einer Höhe von bis zu 1320 mm ohne Radius gleiten lassen.
Die vertikale 75-mm-Lücke an der Basis der Barriere ist nur dazu gedacht, eine saubere Linie für die Asphaltierung zu schaffen. Diese vertikale Fuge verändert die Fahrzeugdynamik nur geringfügig, da sie in etwa die gleiche Wirkung hat wie ein Aufprall auf einen 75-mm-Bordstein.
Die Entwässerungsöffnungen an der Stirnseite der Fuge haben keine signifikante Wirkung auf ein aufprallendes Fahrzeug. Höhere Öffnungen sollten nicht verwendet werden, da Räder und Stoßstangen mit ihnen interagieren und das Fahrzeug zum Gieren bringen können. Wo immer möglich, sollte die Entwässerung entlang des Fußes der Barriere gesammelt werden, da eine Entwässerungsmulde oder ein Bordstein vor einer Sicherheitsform aus Beton zu einer Instabilität des Fahrzeugs und zu einem Überschlag führen kann.
Der wichtigste Entwurfsparameter für ein Sicherheitsformprofil ist der Abstand vom Boden zum Böschungsbruchpunkt, da dieser bestimmt, wie stark die Aufhängung zusammengedrückt wird. Bei der NJ-Form beträgt dieser Abstand 330 mm.
Die alte General-Motors-Form, auch GM-Form genannt, hatte einen Abstand von 380 mm vom Boden bis zum Böschungsbruchpunkt. Dieser größere Abstand führte bei den Kleinwagen der 1970er Jahre, wie dem Chevrolet Vega, zu einem übermäßigen Anheben. Nach dem Aufprall auf die GM-Form in Crashtests wurden diese Kleinwagen instabil und neigten zum Überschlagen. Infolgedessen wurde die Verwendung der GM-Form eingestellt.
Eine parametrische Studie (systematische Variation der Parameter) verschiedener Profilkonfigurationen, die mit A bis F bezeichnet wurden, zeigte, dass F deutlich besser abschnitt als die NJ-Form. Die Ergebnisse dieser Computersimulationen wurden durch eine Reihe von Crash-Tests in Originalgröße bestätigt. Die Konfiguration F wurde als F-Form bekannt.
Obwohl die Leistung der F-Form besser war als die der NJ-Form, wurde sie nicht allgemein verwendet. Der Grund dafür war, dass die Staaten mit der NJ-Form zufrieden waren, die auch die Kriterien für Crashtests erfüllte. Außerdem wollten ihre Auftragnehmer die Profile nicht ändern, da sie beträchtliche Investitionen in die Formen getätigt hatten, die für die Herstellung der NJ-Form erforderlich waren.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, sind die Steigungen der F-Form und der NJ-Form gleich. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Abstand vom Boden bis zum Böschungsbruchpunkt bei der F-Form 255 mm beträgt – 75 mm weniger als bei der NJ-Form. Durch den niedrigeren Böschungsbruchpunkt wird das Anheben des Fahrzeugs erheblich reduziert und die Leistung der Betonbarriere stark verbessert.
Die Profile der NJ-Form und der F-Form sind eng miteinander verbunden. Wenn man eine 75-mm-Asphaltschicht neben der NJ-Form anbringt (und gedanklich eine neue 75-mm-Fuge in den Beton schneidet, der über der Asphaltoberfläche verbleibt), hat man die NJ-Form in eine F-Form umgewandelt. Das bedeutet, dass eine Asphaltdeckschicht die NJ-Form tatsächlich in eine sicherere Form umwandeln kann. Diese Asphaltbeläge verringern jedoch die Gesamthöhe der Betonbarriere und damit ihre Wirksamkeit für schwerere Fahrzeuge.
Wenn ein einteiliger Lkw, z. B. ein Ryder- oder U-Haul-Miet-Lkw, bei einem Crashtest auf eine Betonbarriere auffährt, rollt er auf die Barriere zu, bis die Unterseite der Ladefläche auf der Oberseite der Barriere zum Liegen kommt. Dadurch wird die Rollbewegung gestoppt. Anschließend gleitet das Fahrzeug an der Oberseite der Barriere entlang, bis es wieder aufgerichtet wird. Dazu muss die Betonbarriere eine Mindesthöhe von 815 mm (32 Zoll) haben. Um einen „18-Wheeler“ oder einen Sattelschlepper in einem Crashtest aufzufangen und umzulenken, muss eine Betonbarriere eine Mindesthöhe von 1070 mm haben. Bei diesen Kollisionen mit Lkw ist der primäre Lastpfad vertikal, da die Last von der Unterseite der Ladefläche oder des Anhängers auf die Oberseite der Betonbarriere übertragen wird. Eine Betonschranke ist im Wesentlichen eine kurze, gedrungene Säule, die diesen vertikalen Lasten leicht standhalten kann.
Da Lastwagen, Busse und andere schwerere Fahrzeuge dazu neigen, an den Oberseiten von Betonschranken entlang zu rutschen, ist es wichtig, die Oberseiten dieser Schranken von Schildern, Zäunen, Leuchtenträgern und anderen Anbauteilen freizuhalten, die das Fahrzeug einklemmen und es zum Gieren bringen könnten. Wenn es notwendig ist, Leuchtenhalterungen an Betonleitwänden anzubringen, können die Wände oben in der Nähe der Leuchtenhalterung dicker sein und sich an den Seiten ausweiten, um einen glatten seitlichen Übergang für das aufprallende Fahrzeug zu schaffen.
Sicherheitsleitwände aus Hochleistungsbeton
Höhere Betonleitwände werden manchmal als Lkw-Barrieren und als integrierter Blendschutz an Betonleitwänden (CMB) verwendet. Die Ladefläche eines Sattelzuges befindet sich etwa 1350 mm (53 Zoll) über dem Boden. Da die Ladefläche ein starkes, steifes Bauteil ist, kann sie beim Aufprall auf eine Betonbarriere erhebliche Seitenkräfte erzeugen. Daher sollte jede Betonbarriere, die höher als 1320 mm ist, in der Nähe ihrer Oberseite mit einer gewissen Bewehrung versehen sein – und sei es nur, um zu verhindern, dass abplatzender Beton in den Gegenverkehr fliegt. In einigen Staaten werden Blendschutzwände aus Beton auf die bestehenden Betonbarrieren aufgesetzt. Normalerweise enthalten diese Blendschutzwände aus Beton eine gewisse Bewehrung, um Abplatzungen zu verhindern.
Um einen 36.000 kg schweren Benzintanker nach einem Aufprall in hohem Winkel und mit hoher Geschwindigkeit aufzufangen und umzuleiten, ist eine 2290 mm (90 Zoll) hohe Betonbarriere erforderlich.
Die New Jersey Turnpike Authority (NJTA) hat eine 1070 mm hohe Betonbarriere entwickelt und getestet, die Sattelschlepper sicher auffangen und in eine aufrechte Position umleiten kann. Diese Barriere wird mit den NJ-Schalungen hergestellt. Die vertikale 75-mm-Fuge wird mit Asphalt abgedeckt, um die Barriere gegen Umkippen zu verankern. (Siehe Abbildung 2.) Dadurch wird das Profil der Barriere zu einer F-Form, die keine vertikale Fuge aufweist. Die NJTA-Medianbarriere für schwere Fahrzeuge ist an der Oberseite 305 mm (12 Zoll) dick. Sie ist stark verstärkt.
Die Ontario Tall Wall ist eine 1070 mm hohe Mittelschutzwand aus Beton mit demselben Profil, aber ohne Verstärkung. Ein Crashtest mit einem 36.000 Kilogramm schweren Sattelzug bei 85,3 Stundenkilometern und einem Aufprallwinkel von 15 Grad hat gezeigt, dass eine Verstärkung nicht erforderlich ist, da die Ontario Tall Wall an der Oberseite 305 mm hoch ist. Obwohl sich vertikal etwa alle 2440 bis 3355 mm (8 bis 11 Fuß) Betonschwindrisse bildeten und den gesamten Querschnitt der Barriere durchdrangen, reichten die Querschnittsfläche und die Verzahnung der Gesteinskörnung aus, um alle seitlichen Aufprallkräfte über die gerissenen Querschnitte zu übertragen.
Die 75 mm dicken Asphaltbeläge, die beide Seiten dieser Hochleistungs-Medianbarrieren verankerten, lösten sich bei den Crashtests mit Traktoren nicht vom Beton. Andere Crashtests haben gezeigt, dass 25,4 mm dicke Asphaltschichten auf beiden Seiten von 815 mm hohen Mittelschutzplanken aus Beton ausreichen, um sie bei einem Aufprall mit Pkw und Bussen zu verankern.
In vielen Staaten werden Sicherheitsleitplanken aus Beton verwendet, die an der Oberseite nur 150 mm oder 200 mm dick sind. Sattelschlepper können an den Arbeitsfugen ein V-förmiges Stück Beton abbrechen und auf diese Barrieren klettern. Dies kommt jedoch so selten vor, dass die meisten Staaten es nicht für wirtschaftlich vertretbar halten, dickere Barrieren zu verwenden oder die Bewehrung in der Nähe der Fugen zu erhöhen.
Benzin-Tankauflieger haben keine freiliegenden Strukturelemente zwischen den Rädern und dem Tank, der etwa 1980 mm über dem Boden zentriert ist. Mit anderen Worten: Zwischen den Rädern und dem Tank gibt es nichts, worauf die Barriere drücken könnte. Die 1070-mm-Räder können mit einer 1070 mm hohen Betonbarriere interagieren und das Fahrzeug bei einem Aufprall mit flachem Winkel umlenken. (Siehe Abbildung 2.) Um jedoch einen 36.000 kg schweren Benzintankwagen nach einem Aufprall mit höherem Winkel und höherer Geschwindigkeit aufzufangen und umzulenken, ist eine höhere 2290 mm hohe Betonbarriere erforderlich.
Vertikale Betonbrüstungen
Wenn eine Betonschutzwand ein Fahrzeug anhebt, wird ein Teil der kinetischen Energie des Fahrzeugs in potenzielle Energie umgewandelt. Diese potentielle Energie wird wieder in kinetische Energie umgewandelt, wenn das Fahrzeug zum Boden zurückkehrt.
Vertikale Betonbrüstungen verfügen nicht über diese Energieverwaltungsfunktion, aber Crashtests haben gezeigt, dass sie als Verkehrsbarrieren akzeptabel funktionieren. Die gesamte Energieabsorption bei einem Aufprall auf eine starre vertikale Wand ist auf die Quetschung des Fahrzeugs zurückzuführen. Stoßfänger gleiten in der Regel nicht an vertikalen Betonwänden hoch und heben das Fahrzeug an, so dass in der Regel alle vier Räder auf dem Boden bleiben. Dadurch wird die Gefahr eines Überschlags des Fahrzeugs minimiert. Da das Fahrzeug nicht durch die vertikale Wand angehoben und gekippt wird, erhöht sich auch die Möglichkeit, dass der Kopf eines Autofahrers durch ein Seitenfenster fällt und mit der vertikalen Barriere in Berührung kommt.
Fahrzeugräder sind in erster Linie für vertikale und nicht für horizontale Lasten ausgelegt. Die Flugbahn von Personenkraftwagen nach dem Aufprall auf vertikale Betonbarrieren kann aufgrund von Radschäden, die beim Kontakt der Vorderachse mit der Barriere auftreten können, ungewiss sein.
Betonbarrieren mit konstantem Gefälle
Die Notwendigkeit, ein Barrierenprofil mit einem einzigen Gefälle zu haben, das eine gleichmäßigere Leistung als eine senkrechte Betonwand aufweist, führte zur Entwicklung von Barrieren mit konstantem Gefälle. Sowohl Barrieren mit konstantem Gefälle als auch vertikale Betonwände können die Erneuerung der Fahrbahn erleichtern, da ihre Leistung nicht von der Dicke der Asphaltschicht abhängt. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Konstruktion von Barrieren auf gekrümmten Rampen und bei Belagsarbeiten, die andernfalls das Zurücksetzen von Betonschutzwänden erfordern würden. Es können bis zu 255 mm überbaut werden, bevor die Höhe der Schranke auf 815 mm reduziert wird.
Die Texas Constant-Slope Barrier ist 1070 mm hoch und hat eine Fläche mit konstantem Gefälle, die einen Winkel von 10,8 Grad mit der Senkrechten bildet. (Siehe Abbildung 3.) Sie wurde ursprünglich für den Einsatz als temporäre Betonbarriere getestet und entwickelt, ist aber auch als permanente Betonmittelbarriere weit verbreitet.
Kalifornien entwickelte ein Profil mit konstantem Gefälle, das einen Winkel von 9,1 Grad zur Vertikalen bildet. Dies liegt näher an der 6-Grad-Neigung an den Oberseiten der NJ-Form und der F-Form. Kalifornien hat dieses Profil mit konstanter Neigung für seine 1070 mm hohe Straßenleitplanke vom Typ 60 und für sein Brückengeländer vom Typ 70 verwendet.
Die Crashtests zeigen, dass die Leistung der texanischen Leitplanke mit konstanter Neigung mit der der NJ-Form und die Leistung der kalifornischen Leitplanke mit konstanter Neigung mit der der F-Form vergleichbar ist. Diese Barrieren mit konstantem Gefälle wurden beide mit einem 8000-kg-LKW gemäß NCHRP Report 350 getestet und sind beide Barrieren der Teststufe 4 (TL-4). Bislang wurden Barrieren mit konstantem Gefälle noch nicht mit Sattelschleppern oder anderen schweren Fahrzeugen getestet; daher wurden ihre oberen Leistungsgrenzen noch nicht festgelegt.
Portable Betonbarrieren
Portable Betonbarrieren (PCBs) haben die Sicherheit in Baustellenbereichen erheblich verbessert. PCBs bestehen aus vorgefertigten Sicherheitsformteilen aus Beton, die zu einer durchgehenden Längsbarriere zusammengefügt werden. Da tragbare Betonbarrieren in erster Linie verhindern sollen, dass ausweichende Fahrzeuge mit Bauarbeitern zusammenstoßen, muss die dynamische seitliche Durchbiegung dieser Barrieren so gering wie möglich gehalten werden. Im Allgemeinen kann die Durchbiegung der Barriere durch die Verwendung längerer Barrieresegmente und durch die Verwendung von Verbindungen, die ein Biegemoment von 6913 kg-m (50 kip-ft) oder mehr entwickeln können, minimiert werden.
Diese 510 mm hohe tragbare Betonbarriere, die vom Texas Department of Transportation entwickelt wurde, hat eine Rückwärtsneigung von 2,8 Grad (1 zu 20) in Bezug auf die Vertikale. Diese Betonbarriere mit niedrigem Profil wurde erfolgreich mit einem Pickup-Truck bei 72 km/h getestet.
Stift- und Schleifenverbindungen sind sehr beliebt, da sie horizontale Krümmungen und Änderungen der vertikalen Neigung leicht ausgleichen können. Sie können jedoch erst dann ein Biegemoment aufnehmen, wenn die Verbindung eine erhebliche Drehung erfahren hat. Eine Unterlegscheibe oder ein Splint am unteren Ende des Stahlbolzens ist notwendig, um zu verhindern, dass der Bolzen beim Aufprall senkrecht aus den Schlaufen herausspringt. Schleifen aus Bewehrungsstäben sind besser als Drahtschleifen, da sie Torsionsdrehungen der Barrieren an den Verbindungsstellen widerstehen können. Das Festziehen der Barrierensegmente und die Verankerung der Endsegmente im Boden sind ebenfalls sehr hilfreich, um die seitliche Durchbiegung zu verringern. Die Verankerung der einzelnen Barrieresegmente mit Stahlstiften, die in den Boden getrieben werden, ist sehr effektiv, aber arbeitsintensiv und macht die Barriere weniger tragbar.
Betonbarrieren mit niedrigem Profil
Wenn eine schräge Fläche an einer Betonbarriere ein Fahrzeug anheben kann, dann liegt es auf der Hand, dass eine Neigung in der umgekehrten Richtung das Fahrzeug eher unten halten kann, indem der Stoßfänger nach unten gedrückt wird. Das Texas Department of Transportation hat eine 510 mm hohe tragbare Betonbarriere für den Einsatz in Arbeitszonen und an Kreuzungen entwickelt, an denen die Sicht des Fahrers durch eine höhere Barriere behindert würde. Die Rückwärtsneigung beträgt 2,8 Grad (1:20) in Bezug auf die Vertikale. Diese niedrige Betonbarriere wurde bei einem Crashtest mit einem Pickup-Truck bei 72 km/h erfolgreich getestet. Sie wurde nicht bei höheren Geschwindigkeiten oder mit größeren Fahrzeugen getestet.
Schlussfolgerung
Jeder dieser Betonsperren-Typen füllt eine Nische und trägt dazu bei, die Bedürfnisse der Autobahnbehörden zu erfüllen, die Verkehrsbarrieren auswählen, entwerfen und aufstellen. In Bezug auf die Sicherheit ist die 1070 mm (42-in) F-Form derzeit unsere beste Technologie. Das F-Profil ist der NJ-Form eindeutig überlegen und wird nach und nach von immer mehr Bundesstaaten sowohl für tragbare Betonbarrieren als auch für permanente Barrieren verwendet.
Charles F. McDevitt ist Bauingenieur im Office of Safety Research and Development der Federal Highway Administration im Turner-Fairbank Highway Research Center in McLean, Virginia. Er verfügt über 39 Jahre Erfahrung in der Planung, Prüfung und Entwicklung neuer Produkte. Er trat 1978 in die Federal Highway Administration ein. In den letzten 22 Jahren hat er an der Entwicklung neuer und verbesserter Verkehrsbarrieren gearbeitet. Er hat einen Master-Abschluss in Bauingenieurwesen von der University of Pennsylvania und ist in Pennsylvania als Ingenieur zugelassen.