af Charles F. McDevitt
De grundlæggende principper for betonbarrierer er ikke almindeligt kendt eller forstået. Betonbarrierer synes at være enkle og ukomplicerede, men i virkeligheden er de sofistikerede sikkerhedsanordninger.
Concrete Safety Shapes
Når de fleste mennesker tænker på betonbarrierer, tænker de på New Jersey Concrete Safety Shape Barrier (NJ-shape eller Jersey barrierer). I forbindelse med de mere almindelige slag med lav vinkel er NJ-formen beregnet til at minimere skader på metalplader ved at lade køretøjets dæk køre op på den lavere skrå flade. (Se figur 1.)
For højere anslagsvinkler er NJ-formen faktisk en flertrinsbarriere. Den forreste kofanger rammer den øverste skrå flade og glider opad. Dette samspil indleder løft af køretøjet. Hvis kofangeren er relativt svag, begynder den forreste ende at blive knust, før der sker en løftning. Efterhånden som køretøjet bliver mere parallelt med barrieren, kommer hjulet i kontakt med den nederste skrå flade. Det meste af det yderligere løft af køretøjet skyldes, at den nederste skrå flade komprimerer det forreste ophæng. Hjulets sideskrubbende kræfter giver dog en vis ekstra løftning, især hvis barrierefladen er ru. Derfor bør man undgå blottede aggregater og andre ru overflader. Moderne køretøjer har relativt korte afstande mellem kofanger og hjul; som følge heraf efterfølges kofangerkontakt næsten øjeblikkeligt af hjulkontakt.
Det er kun nødvendigt at løfte køretøjet tilstrækkeligt til at reducere friktionen mellem dækkene og den asfalterede overflade. Dette er med til at hjælpe med at få køretøjet til at hælde og omdirigere det. Hvis køretøjet løftes for højt op i luften, kan det gabe, nikke eller rulle, hvilket kan få køretøjet til at vælte, når hjulene igen kommer i kontakt med jorden. Sikkerhedsformbarrierer af beton skal helst støde op til en asfalteret overflade, så hjulene ikke kan grave sig ned i jorden og få køretøjet til at vælte.
For år tilbage var det almindelig praksis at danne en radius på 255 millimeter (10 tommer) ved skæringspunktet mellem de to skrånende overflader for at lette glideskæringen af barrieren. Denne radius er ikke længere nødvendig for slipforming. Moderne glideskæringsmaskiner kan let glideforme betonbarrierer på op til 1320 mm (52″) i højden uden en radius.
Den 75 mm (3″) lodrette “afsløring” i bunden af barrieren er kun beregnet til at give en pæn linje til asfaltbelægning. Denne lodrette afsløring ændrer kun meget lidt på køretøjets dynamik, da den har omtrent samme effekt som at ramme en 75 mm kantsten.
Afløbsåbninger i afsløringens forside har ikke nogen væsentlig effekt på et påkørende køretøj. Højere åbninger bør ikke anvendes, fordi hjul og kofangere kan interagere med dem og hænge fast og få køretøjet til at gabe. Hvor det er muligt, bør afvanding samles langs barrierens tå, fordi en afvandingsforhøjning eller en kantsten ud for en sikkerhedsform af beton kan forårsage ustabilitet i køretøjet og føre til væltning.
Den vigtigste designparameter for en sikkerhedsforms profil er afstanden fra jorden til skråningsbrudspunktet, fordi dette bestemmer, hvor meget affjedringen vil blive komprimeret. For NJ-formen er denne afstand 330 mm (13 tommer).
Den gamle General Motors-form, eller GM-form, havde en afstand på 380 mm (15 tommer) fra jorden til skråningsbrudspunktet. Denne større afstand forårsagede for store løft af de små biler fra 1970’erne, f.eks. Chevrolet Vega. Efter at have ramt GM-formen i kollisionstest blev disse små biler ustabile og havde tendens til at rulle rundt. Som følge heraf blev brugen af GM-formen indstillet.
En parametrisk undersøgelse (systematisk ændring af parametrene) af forskellige profilkonfigurationer, der blev betegnet A til F, viste, at F klarede sig klart bedre end NJ-formen. Resultaterne af disse computersimuleringer blev bekræftet af en række kollisionstest i fuld skala. Konfiguration F blev kendt som F-formen.
Selv om F-formens ydeevne var bedre end NJ-formens ydeevne, blev den ikke anvendt i vid udstrækning. Det skyldtes, at staterne var godt tilfredse med NJ-formen, som også opfyldte kriterierne for crash-test. Desuden ønskede deres entreprenører ikke at ændre profilerne, fordi de havde en betydelig investering i de former, der var nødvendige for at fremstille NJ-formen.
Som det fremgår af figur 1, er F-formens og NJ-formens hældninger de samme. Den største forskel er, at afstanden fra jorden til skråningsbrudspunktet for F-formen er 255 mm – 75 mm lavere end for NJ-formen. Det lavere skråningsbrudspunkt reducerede køretøjets løft betydeligt og forbedrede betonbarrierens ydeevne betydeligt.
NJ-formet og F-formet profiler er nært beslægtede. Hvis man laver et 75 mm asfaltoverlejring ved siden af NJ-formen (og mentalt skærer en ny 75 mm afsløring i den beton, der forbliver over asfaltoverfladen), har man omdannet NJ-formen til en F-form. Det betyder, at asfaltbelægningsarbejde faktisk kan omdanne NJ-formen til et mere sikkert design. Disse asfaltoverlejringer vil imidlertid reducere betonbarrierens samlede højde og dermed dens effektivitet for tungere køretøjer.
Når en enkeltstyk lastbil, f.eks. en Ryder- eller U-Haul-lejetruck, rammer en betonbarriere i en kollisionstest, ruller den mod barrieren, indtil undersiden af lastbilens lad kommer til at hvile på toppen af barrieren. Dette stopper rullebevægelsen. Herefter glider køretøjet langs barrierens overside, indtil det bliver rettet op igen. For at dette kan ske, skal betonbarrieren have en højde på mindst 815 mm (32 tommer). For at kunne holde og omdirigere en “18-hjulstrækker” eller en traktortrailer i en kollisionstest skal en betonbarriere have en højde på mindst 1070 mm (42 in). Ved disse kollisioner med lastbiler er den primære belastningsbane lodret, fordi belastningen overføres fra undersiden af lastbilens lad eller påhængskøretøj til betonbarrierens overside. En betonbarriere er i princippet en kort, kraftig søjle, der let kan modstå disse lodrette belastninger.
Da lastbiler, busser og andre tungere køretøjer har en tendens til at glide langs toppen af betonbarrierer, er det vigtigt at holde toppen af disse barrierer fri for skilte, hegn, armaturstøtter og andet tilbehør, der kan hænge fast i køretøjet og få det til at slingre. Når det er nødvendigt at forsyne betonmedianbarrierer med armaturstøtter, kan barriererne gøres tykkere i toppen i nærheden af armaturstøtten og udvides i siderne for at give et glat lateralt overgangsafsnit for det påkørende køretøj.
Højtydende sikkerhedsformede barrierer i beton
Højtydende betonbarrierer anvendes undertiden som lastbilbarrierer og som integreret blændingsskærm på betonmedianbarrierer (CMB). Dækket på en traktortrailer er placeret ca. 1350 mm (53 in) over jorden. Fordi dækket er et stærkt og stift konstruktionselement, kan det frembringe betydelige sidekræfter, når det rammer en betonbarriere. Derfor bør enhver betonbarriere, der er højere end 1320 mm (52 in), have en vis forstærkning i nærheden af toppen – om ikke andet så for at forhindre, at afskalende beton flyver ind i modkørende trafik. I nogle stater har man i nogle stater opsat blændskærme af beton i glideform oven på eksisterende betonbarrierer. Normalt indeholder disse betonskærme en vis forstærkning for at forhindre afskalning.
For at holde og omdirigere en benzintankvogn på 36.000 kg efter kollisioner med høje vinkler og hastigheder kræves der en betonbarriere på 2290 mm (90″).
New Jersey Turnpike Authority (NJTA) har afprøvet og udviklet en 1070 mm (42 tommer) høj betonbarriere i midterrabatten, som sikkert kan holde og omdirigere traktortrailere til en oprejst position. Denne barriere er fremstillet med NJ-formede former. Den lodrette 75 mm store åbning er dækket med asfalt for at forankre barrieren mod væltning. (Se figur 2.) Dette gør barriereprofilen til en F-form, som ikke har en lodret fals. NJTA’s medianbarriere for tunge køretøjer er 305 mm tyk i toppen. Den er kraftigt forstærket.
Ontario Tall Wall er en 1070 mm høj midterrabat i beton med samme profil, men uden forstærkning. En kollisionstest med en traktortrailer på 36.000 kg (80.000 pund) ved 85,3 kilometer i timen (53 miles i timen) og en anslagsvinkel på 15 grader viste, at forstærkning ikke var nødvendig, fordi Ontario Tall Wall er 305 mm i toppen. Selv om der dannedes betonkrympesprækker vertikalt ca. hver 2440 til 3355 mm (8 til 11 fod) og trængte helt igennem barrierens tværsnit, var tværsnitsarealet og aggregatforbindelsen tilstrækkelig til at overføre alle de laterale kollisionskræfter på tværs af de revnerede tværsnit.
De 75 mm tykke asfaltoverlejringer, der forankrede begge sider af disse højtydende midterrabatter, skilte sig ikke fra betonen under kollisionsprøverne med traktortrailere. Andre kollisionstest har vist, at 25,4 mm tykke asfaltoverlejringer på begge sider af 815 mm høje midterrabatter i beton er tilstrækkelige til at forankre dem ved kollisioner med personbiler og busser.
Mange stater anvender sikkerhedsformede barrierer i beton, der kun er 150 mm eller 200 mm tykke i toppen. Traktortrailere kan bryde et V-formet stykke beton af ved konstruktionsfugerne og klatre op på toppen af disse barrierer. Dette er imidlertid en så sjælden hændelse, at de fleste stater ikke finder det økonomisk gennemførligt at anvende tykkere barrierer eller at øge armeringen i nærheden af samlingerne.
Benzin tankvognssættevogne har ingen synlige konstruktionselementer mellem hjulene og tanken, som er centreret ca. 1980 mm (78 in) over jorden. Med andre ord er der intet, som barrieren kan skubbe på mellem hjulene og tanken. Hjulene på 1070 mm kan interagere med en 1070 mm høj betonbarriere og omdirigere køretøjet ved slag med en lav vinkel. (Se figur 2.) Men for at inddæmme og omdirigere en benzintankvogn på 36 000 kg efter påkørsler med højere vinkler og hastigheder er det nødvendigt med en højere betonbarriere på 2290 mm (90 tommer).
Vertikale betonskærme
Når en sikkerhedsform af beton løfter et køretøj, omdannes en del af køretøjets kinetiske energi til potentiel energi. Denne potentielle energi omdannes igen til kinetisk energi, når køretøjet vender tilbage til jorden.
Lodrette betonbrystningsvægge har ikke denne energistyringsfunktion, men kollisionstest har vist, at de kan fungere acceptabelt som trafikbarrierer. Al energiabsorptionen ved et sammenstød med en stiv lodret væg skyldes knusning af køretøjet. Kofangere glider normalt ikke op ad lodrette betonvægge og løfter køretøjet, så alle fire hjul har tendens til at blive på jorden. Dette minimerer risikoen for, at køretøjet vælter. Da køretøjet ikke løftes og vippes af den lodrette flade, øger dette også muligheden for, at en bilists hoved går gennem en siderude og kommer i kontakt med den lodrette barriere.
Køretøjets hjul er primært konstrueret til at håndtere lodrette belastninger, ikke vandrette belastninger. Personbilers baner efter at være kørt ind i lodrette betonbarrierer kan være usikre på grund af de hjulskader, der kan opstå, når forakslen kommer i kontakt med barrieren.
Betonbarrierer med konstant hældning
Behovet for at få en barriereprofil med en enkelt hældning, der har en mere ensartet ydeevne end en betonvæg med lodret facade, førte til udviklingen af konstanthældningsbarrierer. Både konstanthældningsbarrierer og vertikale betonvægge kan lette fornyelse af belægninger, fordi deres ydeevne er ufølsom over for tykkelsen af asfaltbelægningen. Dette er særlig fordelagtigt ved opførelse af barrierer på kurvede ramper og i forbindelse med belægningsarbejder, som ellers ville kræve en nulstilling af sikkerhedsformede betonbarrierer. Der kan laves op til 255 mm (10 in) overlay, før barrierehøjden reduceres til 815 mm (32 in).
The Texas Constant-Slope Barrier er 1070 mm (42 in) høj og har en konstant-hældningsflade, der danner en vinkel på 10,8 grader i forhold til lodret. (Se figur 3.) Den blev oprindeligt afprøvet og udviklet til brug som en midlertidig betonbarriere, men den er blevet anvendt i vid udstrækning som en permanent betonmedianbarriere.
Californien har udviklet en profil med konstant hældning, der danner en vinkel på 9,1 grader i forhold til lodret. Dette er tættere på den 6 graders hældning på de øverste flader af NJ-formen og F-formen. Californien har anvendt denne profil med konstant hældning til deres 1070 mm høje type 60 vejsidebarriere og til deres type 70 broskinne.
Crashprøverne viser, at Texas Constant-Slope Barrier’s ydeevne er sammenlignelig med NJ-formens ydeevne, og at California Constant-Slope Barrier’s ydeevne er sammenlignelig med F-formens ydeevne. Disse konstanthældningsbarrierer er begge blevet testet med en lastbil på 8000 kg (18.000 lbs) i overensstemmelse med NCHRP Report 350, og de er begge testniveau fire (TL-4) barrierer. Hidtil er barrierer med konstant hældning ikke blevet testet ved sammenstød med traktortrailere eller andre tunge køretøjer; derfor er deres øvre præstationsgrænser ikke blevet fastlagt.
Bærbare betonbarrierer
Bærbare betonbarrierer (PCB’er) har i høj grad forbedret sikkerheden i bygge- og anlægsarbejdsområder. PCB’er er fremstillet af præfabrikerede sikkerhedsformede betonprofiler, der er sat sammen til en sammenhængende langsgående barriere. Da transportable betonbarrierer primært har til formål at forhindre, at vildfarende køretøjer rammer bygningsarbejdere, skal disse barrierers dynamiske sidedrejning holdes på et minimum. Generelt kan barrierens udbøjning minimeres ved at anvende længere barrieresegmenter og ved at anvende samlinger, der kan udvikle et bøjningsmoment på 6913 kg-m (50 kip-ft) eller mere.
Denne 510 mm (20 tommer) høje bærbare betonbarriere, der er udviklet af Texas Department of Transportation, har en omvendt hældning, der er 2,8 grader (1 i 20) i forhold til lodret. Denne betonbarriere med lav profil blev med succes testet ved kollision med en pickup truck ved 72 km/t (45 mi/h).
Stift- og sløjfeforbindelser er meget populære, fordi de let kan tilpasse sig horisontale krumninger og ændringer i den vertikale hældning. De kan dog først udvikle bøjningsmomentkapacitet, når forbindelsen har været udsat for en betydelig mængde rotation. Det er nødvendigt med en skive eller kileplade i den nederste ende af stålstiften for at forhindre, at stiften hopper lodret ud af løkkerne ved et slag. Sløjfer af armeringsstænger er bedre end trådsløjfer, fordi de kan modstå torsionsrotationer af barriererne ved samlingerne. Det er også meget nyttigt at trække barrieresegmenterne tæt sammen og forankre endesegmenterne i jorden for at reducere den laterale afbøjning. Forankring af hvert barrieresegment med stålstifter, der er drevet ned i jorden, er meget effektivt, men det er arbejdskrævende og gør barrieren mindre transportabel.
Betonbarrierer med lav profil
Hvis en skrå flade på en betonbarriere kan løfte et køretøj, er det nærliggende at antage, at en hældning i den modsatte retning kan have en tendens til at holde køretøjet nede ved at skubbe kofangeren nedad. Texas Department of Transportation har udviklet en 510 mm (20 tommer) høj bærbar betonbarriere til brug i arbejdszoner og kryds, hvor førerens synsafstand ville blive blokeret af en højere barriere. Den omvendte hældning er 2,8 grader (1:20) i forhold til lodret. Denne betonbarriere med lav profil blev med succes testet ved kollision med en pickup truck ved 72 km/t (45 mi/h). Den er ikke blevet testet ved højere hastigheder eller med større køretøjer.
Slutning
Hver af disse betonbarrieretyper udfylder en niche og bidrager til at opfylde behovene hos de vejmyndigheder, der udvælger, designer og placerer trafikbarrierer. Med hensyn til sikkerhedspræstationer er F-formen på 1070 mm (42 tommer) i øjeblikket vores bedste teknologi. F-profilen er klart overlegen i forhold til NJ-profilen og anvendes efterhånden af flere stater til både transportable betonbarrierer og permanente barrierer.
Charles F. McDevitt er strukturingeniør i Federal Highway Administration’s Office of Safety Research and Development på Turner-Fairbank Highway Research Center i McLean, Va. Han har 39 års erfaring med at designe, afprøve og udvikle nye produkter. Han blev ansat i Federal Highway Administration i 1978. I de sidste 22 år har han arbejdet med at udvikle nye og forbedrede trafikbarrierer. Han har en mastergrad i civilingeniør fra University of Pennsylvania, og han er registreret som professionel ingeniør i Pennsylvania.