od Charlese F. McDevitta
Základní principy betonových svodidel nejsou obecně známé ani pochopené. Betonové zábrany se zdají být jednoduché a nekomplikované, ale ve skutečnosti se jedná o sofistikovaná bezpečnostní zařízení.
Betonové bezpečnostní tvarové zábrany
Když většina lidí pomyslí na betonové zábrany, vybaví si betonové bezpečnostní tvarové zábrany New Jersey (NJ-shape nebo Jersey barriers). V případě častějších nárazů pod malým úhlem je tvar NJ určen k minimalizaci poškození plechu tím, že umožňuje pneumatikám vozidla najet na spodní šikmou plochu. (Viz obrázek 1.)
Pro vyšší úhly nárazu je tvar NJ vlastně vícestupňová bariéra. Přední nárazník narazí na horní šikmou plochu a sklouzne nahoru. Tato interakce iniciuje zvednutí vozidla. Pokud je nárazník relativně slabý, začne se přední část vozidla drtit dříve, než dojde ke zvednutí. Když se pak vozidlo dostane téměř rovnoběžně s bariérou, kolo se dotkne spodní šikmé plochy. Většina dodatečného zvedání vozidla je způsobena tím, že spodní šikmá plocha stlačuje přední zavěšení. Určitý dodatečný vztlak však způsobují i síly působící na boční drhnutí kol, zejména pokud je čelo bariéry drsné. Proto je třeba se vyhnout obnaženému kamenivu a jiným drsným povrchům. Moderní vozidla mají relativně krátkou vzdálenost mezi nárazníkem a kolem; v důsledku toho je kontakt nárazníku téměř okamžitě následován kontaktem kola.
Je nutné zvednout vozidlo pouze natolik, aby se snížilo tření mezi pneumatikami a zpevněným povrchem. To napomáhá náklonu a přesměrování vozidla. Pokud je vozidlo zvednuto příliš vysoko do vzduchu, může se vychýlit, naklonit nebo převrátit, což může způsobit převrácení vozidla při opětovném kontaktu kol se zemí. Betonové bezpečnostní tvarové zábrany by měly přednostně přiléhat ke zpevněnému povrchu, aby se kola nemohla zabořit do půdy a způsobit převrácení vozidla.
Před lety bylo běžnou praxí vytvořit na průsečíku dvou šikmých ploch poloměr 255 milimetrů (10 palců), aby se usnadnilo sklouznutí zábrany. Tento poloměr již není pro protiskluzové tvarování nutný. Moderní stroje pro protiskluzové tvarování mohou snadno protiskluzově tvarovat betonové bariéry až do výšky 1320 mm (52 palců) bez rádiusu.
Svislý „odhalovací“ prvek o průměru 75 mm (3 palce) u paty bariéry je určen pouze k zajištění čisté linie pro obnovu asfaltového povrchu. Tento svislý odkryt způsobuje velmi malou změnu dynamiky vozidla, protože má přibližně stejný účinek jako náraz do 75mm obrubníku.
Drenážní otvory v čele odkrytí nemají na narážející vozidlo významný vliv. Vyšší otvory by se neměly používat, protože kola a nárazníky s nimi mohou interagovat, zachytit se a způsobit vychýlení vozidla. Všude, kde je to možné, by se měly odvodňovací otvory shromažďovat podél špičky svodidla, protože odvodňovací prohlubeň nebo obrubník před betonovým bezpečnostním tvarem může způsobit nestabilitu vozidla a vést k jeho převrácení.
Klíčovým parametrem návrhu profilu bezpečnostního tvaru je vzdálenost od země k bodu zlomu svahu, protože ta určuje, jak moc bude odpružení stlačeno. U tvaru NJ je tato vzdálenost 330 mm (13 palců).
Starý tvar General Motors neboli tvar GM měl vzdálenost od země k bodu zlomu svahu 380 mm (15 palců). Tato větší vzdálenost způsobovala nadměrné zvedání malých vozů 70. let, jako byl například Chevrolet Vega. Po nárazu do tvaru GM při crash testech se tyto malé vozy stávaly nestabilními a měly tendenci se převracet. V důsledku toho se tvar GM přestal používat.
Parametrická studie (systematické měnění parametrů) různých konfigurací profilů, které byly označeny A až F, ukázala, že F vykazuje zřetelně lepší výsledky než tvar NJ. Výsledky těchto počítačových simulací byly potvrzeny sérií crash testů v plném měřítku. Konfigurace F se stala známou jako tvar F.
Přestože výkonnost tvaru F byla lepší než výkonnost tvaru NJ, nebyla široce používána. Bylo to proto, že státy byly dobře spokojeny s tvarem NJ, který rovněž splňoval kritéria crash testů. Navíc jejich dodavatelé nechtěli měnit profily, protože měli značné investice do forem potřebných k výrobě tvaru NJ.
Jak ukazuje obrázek 1, sklony tvaru F a tvaru NJ jsou stejné. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že vzdálenost od země k bodu zlomu svahu tvaru F je 255 mm – o 75 mm menší než u tvaru NJ. Nižší bod zlomu svahu výrazně snížil zvedání vozidla a výrazně zlepšil výkonnost betonové zábrany.
Profily tvaru NJ a tvaru F spolu úzce souvisejí. Pokud vedle tvaru NJ vytvoříte 75mm asfaltový překlad (a myšlenkově vyřežete nový 75mm otvor v betonu, který zůstane nad asfaltovým povrchem), převedli jste tvar NJ na tvar F. V případě, že se jedná o tvar NJ, je možné, že se jedná o tvar F. To znamená, že práce na obnově asfaltového povrchu mohou ve skutečnosti přeměnit tvar NJ na bezpečnější konstrukci. Tyto asfaltové překrytí však sníží celkovou výšku betonové bariéry a v důsledku toho sníží její účinnost pro těžší vozidla.
Když při nárazové zkoušce narazí do betonové bariéry jednonápravový nákladní automobil, například nákladní automobil Ryder nebo U-Haul z půjčovny, valí se směrem k bariéře, dokud spodní část ložné plochy nákladního automobilu nedosedne na horní část bariéry. Tím se valivý pohyb zastaví. Poté vozidlo klouže podél horní části bariéry, dokud není přesměrováno do svislé polohy. Aby k tomu došlo, musí mít betonová bariéra minimální výšku 815 mm (32 palců). Aby bylo možné při crash testu zadržet a přesměrovat „osmnáctikolku“ nebo tahač s návěsem, musí mít betonová bariéra minimální výšku 1070 mm (42 palců). Při těchto srážkách s nákladními vozidly je primární dráha zatížení svislá, protože zatížení se přenáší ze spodní části ložné plochy nákladního vozidla nebo přívěsu na horní část betonové bariéry. Betonová bariéra je v podstatě krátký, statný sloup, který může snadno odolat těmto svislým zatížením.
Protože nákladní vozidla, autobusy a další těžší vozidla mají tendenci klouzat po horní části betonových bariér, je důležité, aby horní část těchto bariér neobsahovala značky, ploty, podpěry svítidel a další příslušenství, které by mohlo vozidlo zachytit a způsobit jeho vychýlení. Pokud je nutné zajistit podpěry svítidel na betonových středových svodidlech, mohou být svodidla v horní části v blízkosti podpěr svítidel silnější a po stranách rozšířená, aby poskytovala hladký boční přechodový úsek pro narážející vozidlo.
Vysokopevnostní betonová svodidla bezpečnostního tvaru
Vysokopevnostní betonová svodidla se někdy používají jako svodidla pro nákladní vozidla a k zajištění integrální clony proti oslnění na betonových středových svodidlech (CMB). Paluba tahače s návěsem se nachází přibližně 1350 mm (53 palců) nad zemí. Protože je paluba silným a tuhým konstrukčním prvkem, může při nárazu do betonové bariéry vyvolat značné boční síly. Proto by každá betonová zábrana, která je vyšší než 1320 mm (52 palců), měla mít v blízkosti svého vrcholu nějakou výztuž – už jen proto, aby se zabránilo vlétnutí odlupujícího se betonu do protijedoucích vozidel. Některé státy mají na horní části stávajících betonových svodidel nasunuté betonové clony proti oslnění. Obvykle tyto betonové clony proti oslnění obsahují určitou výztuž, aby se zabránilo odlupování.
K zadržení a přesměrování cisterny s benzinem o hmotnosti 36 000 kg po nárazu pod velkým úhlem a při vysoké rychlosti je zapotřebí betonová bariéra o průměru 2290 mm (90 palců).
Úřad New Jersey Turnpike Authority (NJTA) provedl crash testy a vyvinul betonovou středovou bariéru o výšce 1070 mm (42 palců), která dokáže bezpečně zadržet a přesměrovat tahač s návěsem do svislé polohy. Tato bariéra je vyrobena pomocí forem NJ-shape. Svislý otvor o tloušťce 75 mm je zakryt asfaltem, aby se bariéra ukotvila proti převrácení. (Viz obrázek 2.) Tím se profil bariéry změní na tvar F, který nemá svislé odhalení. Středová bariéra pro těžká vozidla NJTA má v horní části tloušťku 305 mm. Je silně vyztužená.
The Ontario Tall Wall je 1070 mm vysoká betonová středová bariéra se stejným profilem, ale bez vyztužení. Nárazová zkouška s 36 000kilogramovým (80 000librovým) traktorovým návěsem při rychlosti 85,3 km/h a úhlu nárazu 15 stupňů prokázala, že zesílení není nutné, protože stěna Ontario Tall Wall má nahoře 305 mm. Přestože se přibližně každých 2440 až 3355 mm (8 až 11 stop) vytvořily vertikální smršťovací trhliny v betonu, které zcela pronikly příčným průřezem bariéry, plocha příčného průřezu a vzájemné propojení kameniva byly dostatečné pro přenos všech bočních nárazových sil přes prasklé příčné průřezy.
Asfaltové překryvy o tloušťce 75 mm, které kotvily obě strany těchto vysoce účinných středových bariér, se během crash testů s traktorovými přívěsy neoddělily od betonu. Jiné crash testy ukázaly, že asfaltové překryvy o tloušťce 25,4 mm na obou stranách betonových středových svodidel o výšce 815 mm postačují k jejich ukotvení při nárazech s osobními automobily a autobusy.
V mnoha státech se používají betonová svodidla bezpečnostního tvaru, která mají v horní části tloušťku pouze 150 mm nebo 200 mm. Tahače s přívěsy mohou v místě konstrukčních spojů odlomit kus betonu ve tvaru písmene V a vylézt na vrchol těchto svodidel. Jedná se však o tak vzácný jev, že většina států nepovažuje za ekonomicky výhodné používat silnější zábrany nebo zvyšovat výztuž v okolí spojů.
Cisternové návěsy na benzin nemají mezi koly a nádrží, která je vycentrována asi 1980 mm nad zemí, žádné odkryté konstrukční prvky. Jinými slovy, mezi koly a cisternou není nic, na co by mohla překážka tlačit. Kola o průměru 1070 mm mohou interagovat s betonovou bariérou o výšce 1070 mm a při nárazu pod malým úhlem vozidlo přesměrovat. (Viz obrázek 2.) Aby však bylo možné zadržet a přesměrovat benzinovou cisternu o hmotnosti 36 000 kg po nárazech pod větším úhlem a při vyšších rychlostech, je zapotřebí vyšší betonová bariéra o výšce 2290 mm.
Vertikální betonové svodidla
Pokud betonový bezpečnostní tvar nadzvedne vozidlo, část kinetické energie vozidla se přemění na potenciální energii. Tato potenciální energie se při návratu vozidla na zem přemění zpět na energii kinetickou.
Vertikální betonové parapetní stěny tuto funkci hospodaření s energií nemají, ale crash testy prokázaly, že mohou přijatelně fungovat jako dopravní bariéry. Veškerá absorbovaná energie při nárazu do pevné svislé stěny je způsobena rozdrcením vozidla. Nárazníky obvykle nesklouzávají po svislých betonových stěnách a nezvedají vozidlo, takže všechna čtyři kola mají tendenci zůstat na zemi. Tím se minimalizuje možnost převrácení vozidla. Protože vozidlo není zvedáno a nakláněno svislou stěnou, zvyšuje se tím také možnost, že hlava motoristy projde bočním oknem a dotkne se svislé překážky.
Kolečka vozidel jsou primárně určena k přenášení svislých, nikoli vodorovných zatížení. Trajektorie osobních automobilů po nárazu do svislých betonových bariér mohou být nejisté kvůli poškození kol, ke kterému může dojít při kontaktu přední nápravy s bariérou.
Betonové bariéry s konstantním sklonem
Potřeba mít jednosklonný profil bariéry, který má konzistentnější vlastnosti než betonová stěna se svislým lícem, vedla k vývoji bariér s konstantním sklonem. Jak svodidla s konstantním sklonem, tak svislé betonové stěny mohou usnadnit obnovu povrchu, protože jejich výkon není citlivý na tloušťku asfaltového krytu. To je výhodné zejména při konstrukci svodidel na zakřivených rampách a při obnově povrchu, která by jinak vyžadovala obnovení betonových svodidel bezpečnostního tvaru. Před snížením výšky svodidla na 815 mm (32 palců) lze provést až 255 mm (10 palců) překrytí.
Texaské svodidlo s konstantním sklonem je vysoké 1070 mm (42 palců) a má čelní plochu s konstantním sklonem, která svírá úhel 10,8 stupně vzhledem ke svislici. (Viz obrázek 3.) Původně byla testována a vyvinuta pro použití jako dočasná betonová bariéra, ale široce se používá jako trvalá betonová středová bariéra.
Kalifornie vyvinula profil s konstantním sklonem, který vzhledem ke svislici svírá úhel 9,1 stupně. To se blíží sklonu 6 stupňů na horních plochách tvaru NJ a tvaru F. Kalifornie použila tento profil s konstantním sklonem pro své silniční svodidlo typu 60 o výšce 1070 mm a pro své mostní svodidlo typu 70.
Crash testy ukazují, že výkonnost texaského svodidla s konstantním sklonem je srovnatelná s výkonností svodidla tvaru NJ a výkonnost kalifornského svodidla s konstantním sklonem je srovnatelná s výkonností svodidla tvaru F. Obě tyto bariéry s konstantním sklonem byly testovány s nákladním automobilem o hmotnosti 8000 kg (18 000 kg) v souladu se zprávou NCHRP 350 a obě jsou bariérami čtvrté testovací úrovně (TL-4). K dnešnímu dni nebyla svodidla s konstantním sklonem podrobena crash-testům s tahači nebo jinými těžkými vozidly, proto nebyly stanoveny jejich horní meze výkonnosti.
Přenosné betonové zábrany
Přenosné betonové zábrany (PCB) výrazně zvýšily bezpečnost ve stavebních pracovních zónách. PCB jsou vyrobeny z prefabrikovaných betonových profilů bezpečnostního tvaru spojených dohromady, aby vytvořily souvislou podélnou bariéru. Protože přenosné betonové zábrany jsou primárně určeny k tomu, aby zabránily nárazu chybně jedoucích vozidel do pracovníků na stavbě, musí být dynamický příčný průhyb těchto zábran minimální. Obecně lze průhyb bariéry minimalizovat použitím delších segmentů bariéry a použitím spojů, které mohou vyvinout ohybový moment 6913 kg-m (50 kip-ft) nebo více.
Tato přenosná betonová bariéra o výšce 510 mm (20 palců), vyvinutá texaským ministerstvem dopravy, má zpětný sklon 2,8 stupně (1 ku 20) vzhledem ke svislici. Tato nízkoprofilová betonová svodidla byla úspěšně testována při nárazu nákladního automobilu pick-up při rychlosti 72 km/h.
Spojení kolíků a smyček je velmi oblíbené, protože se snadno přizpůsobí horizontálnímu zakřivení a změnám vertikálního sklonu. Únosnost pro ohybový moment však mohou vyvinout až poté, co spoj projde značnou rotací. Podložka nebo závlačka na spodním konci ocelového kolíku je nutná, aby kolík při nárazu nevyskočil svisle ze smyčky. Smyčky vyrobené z výztužných tyčí jsou lepší než drátěné smyčky, protože mohou odolávat torznímu pootočení svodidel ve spojích. Ke snížení bočního průhybu velmi napomáhá také těsné stažení segmentů svodidel a ukotvení koncových segmentů k zemi. Ukotvení každého segmentu svodidla pomocí ocelových kolíků zaražených do země je velmi účinné, ale je pracné a činí svodidlo méně přenosným.
Nízkoprofilová betonová svodidla
Pokud šikmá plocha betonového svodidla může zvednout vozidlo, pak je logické, že sklon v opačném směru může mít tendenci držet vozidlo dole tím, že tlačí nárazník dolů. Texaské ministerstvo dopravy vyvinulo přenosnou betonovou zábranu o výšce 510 mm (20 palců) pro použití v pracovních zónách a na křižovatkách, kde by výhled řidiče blokovala vyšší zábrana. Zpětný sklon je 2,8 stupně (1 ku 20) vzhledem ke svislici. Tato nízkoprofilová betonová bariéra byla úspěšně testována při nárazu nákladního automobilu pick-up při rychlosti 72 km/h (45 mil/h). Nebyla testována při vyšších rychlostech ani s většími vozidly.
Závěr
Každý z těchto typů betonových svodidel vyplňuje určitou mezeru a pomáhá uspokojovat potřeby silničních úřadů, které vybírají, navrhují a umisťují svodidla. Z hlediska bezpečnostních parametrů je v současné době nejlepší technologií tvar F o délce 1070 mm (42 palců). Profil tvaru F je jednoznačně lepší než tvar NJ a postupně jej používá stále více států jak pro přenosná betonová svodidla, tak pro trvalá svodidla.
Charles F. McDevitt je stavební inženýr v Úřadu pro výzkum a vývoj bezpečnosti Federální správy silnic v Turner-Fairbank Highway Research Center v McLean, Va. Má 39 let zkušeností s navrhováním, testováním a vývojem nových produktů. Do Federální správy dálnic nastoupil v roce 1978. Posledních 22 let pracoval na vývoji nových a zdokonalených dopravních svodidel. Získal magisterský titul v oboru stavebního inženýrství na Pensylvánské univerzitě a je registrovaným profesionálním inženýrem v Pensylvánii.