Charles F. McDevitt
Betoniesteiden perusperiaatteita ei yleisesti tunneta tai ymmärretä. Betoniesteet vaikuttavat yksinkertaisilta ja mutkattomilta, mutta todellisuudessa ne ovat kehittyneitä turvalaitteita.
Betoniset turvamuodot
Kun useimmat ihmiset ajattelevat betoniesteistä, he ajattelevat New Jerseyn betonisia turvamuotopuomeja (NJ-muotoiset tai Jersey-esteet). Yleisempien matalan kulman osumien yhteydessä NJ-muotoisen esteen tarkoituksena on minimoida metallilevyjen vauriot antamalla ajoneuvon renkaiden nousta alempaa kaltevaa pintaa pitkin. (Katso kuva 1.)
Suurempia törmäyskulmia varten NJ-muoto on itse asiassa monivaiheinen este. Etupuskuri törmää ylempään kaltevaan pintaan ja liukuu ylöspäin. Tämä vuorovaikutus käynnistää ajoneuvon nostamisen. Jos puskuri on suhteellisen heikko, etupää alkaa murskaantua ennen kuin nostoa tapahtuu. Kun ajoneuvo on lähes samansuuntainen esteen kanssa, pyörä koskettaa alempaa kaltevaa pintaa. Suurin osa ajoneuvon lisänostosta johtuu siitä, että alempi kalteva pinta puristaa etujousitusta. Pyörän sivusta hankaavat voimat aiheuttavat kuitenkin jonkin verran lisänostoa, erityisesti jos esteen pinta on karkea. Paljaita kiviaineksia ja muita karheita pintoja olisi sen vuoksi vältettävä. Nykyaikaisissa ajoneuvoissa puskurin ja pyörän välinen etäisyys on suhteellisen lyhyt, minkä vuoksi puskurin kosketusta seuraa lähes välittömästi pyörän kosketus.
Ajoneuvoa on nostettava vain sen verran, että renkaiden ja päällystetyn pinnan välinen kitka vähenee. Tämä auttaa kaarreajossa ja ajoneuvon uudelleen suuntaamisessa. Jos ajoneuvo nostetaan liian korkealle ilmaan, se voi kallistua, kallistua tai rullata, mikä voi aiheuttaa ajoneuvon kaatumisen, kun pyörät joutuvat jälleen kosketuksiin maanpinnan kanssa. Betonisten turvamuotoesteiden tulisi mieluiten olla päällystetyn pinnan vieressä, jotta pyörät eivät voi kaivautua maaperään ja aiheuttaa ajoneuvon kaatumista.
Vuosikymmeniä sitten oli yleinen käytäntö muodostaa 255 millimetrin (10 tuuman) säde kahden kaltevan pinnan risteyskohtaan esteen liukumuovauksen helpottamiseksi. Tätä sädettä ei enää tarvita liukumuovauksessa. Nykyaikaisilla liukumuovauskoneilla voidaan helposti liukumuovata jopa 1320 mm:n (52 tuuman) korkuisia betoniestejä ilman sädettä.
Esteen juuressa olevan 75 mm:n (3 tuuman) pystysuuntaisen ”paljastuman” tarkoituksena on vain luoda siisti linja asfaltin uudelleen päällystämistä varten. Tämä pystysuora paljastus muuttaa ajoneuvon dynamiikkaa hyvin vähän, koska sillä on suunnilleen sama vaikutus kuin törmäämisellä 75 mm:n reunakiveykseen.
Paljastuksen etupuolella olevilla viemäriaukoilla ei ole merkittävää vaikutusta törmäävään ajoneuvoon. Korkeampia aukkoja ei tulisi käyttää, koska pyörät ja puskurit voivat olla vuorovaikutuksessa niiden kanssa, tarttua niihin ja aiheuttaa ajoneuvon kallistumisen. Viemäröinti olisi mahdollisuuksien mukaan kerättävä esteen varteen, koska betonisen turvamuodon edessä oleva viemäröintisyvennys tai reunakivi voi aiheuttaa ajoneuvon epävakautta ja johtaa kaatumiseen.
Turvamuotoprofiilin keskeinen suunnitteluparametri on etäisyys maasta kaltevuuden murtumispisteeseen, koska se määrittää, kuinka paljon jousitus puristuu. NJ-muodossa tämä etäisyys on 330 mm (13 tuumaa).
Vanhan General Motors -muodon eli GM-muodon etäisyys maasta rinteen katkaisupisteeseen oli 380 mm (15 tuumaa). Tämä suurempi etäisyys aiheutti 1970-luvun pikkuautojen, kuten Chevrolet Vegan, liiallista kohoamista. Törmättyään törmäystesteissä GM-muotoon näistä pienistä autoista tuli epävakaita ja niillä oli taipumus kaatua. Tämän seurauksena GM-muodon käyttö lopetettiin.
Parametrinen tutkimus (parametrien systemaattinen muuttaminen) eri profiilikonfiguraatioista, jotka merkittiin A:sta F:ään, osoitti, että F toimi selvästi paremmin kuin NJ-muoto. Näiden tietokonesimulaatioiden tulokset vahvistettiin täysimittaisilla törmäystesteillä. Konfiguraatio F tunnettiin nimellä F-muoto.
Vaikka F-muodon suorituskyky oli parempi kuin NJ-muodon suorituskyky, sitä ei käytetty laajalti. Tämä johtui siitä, että valtiot olivat hyvin tyytyväisiä NJ-muotoon, joka täytti myös törmäystestien kriteerit. Lisäksi niiden urakoitsijat eivät halunneet vaihtaa profiileja, koska niillä oli huomattavia investointeja NJ-muodon tuottamiseen tarvittaviin lomakkeisiin.
Kuten kuvasta 1 käy ilmi, F-muodon ja NJ-muodon kaltevuudet ovat samat. Suurin ero on se, että F-muodon etäisyys maanpinnasta kaltevuuden katkaisupisteeseen on 255 mm – 75 mm pienempi kuin NJ-muodon. Alempi kaltevuuden murtumispiste vähensi merkittävästi ajoneuvon nousua ja paransi huomattavasti betoniesteen suorituskykyä.
NJ-muotoiset ja F-muotoiset profiilit liittyvät läheisesti toisiinsa. Jos NJ-muodon viereen tehdään 75 mm:n asfalttipäällyste (ja leikataan henkisesti uusi 75 mm:n aukko betoniin, joka jää asfalttipinnan yläpuolelle), NJ-muoto on muutettu F-muodoksi. Tämä tarkoittaa, että asfalttipäällystystyöt voivat itse asiassa muuttaa NJ-muodon turvallisemmaksi rakenteeksi. Nämä asfalttipäällysteet kuitenkin pienentävät betoniesteen kokonaiskorkeutta ja siten vähentävät sen tehokkuutta raskaampien ajoneuvojen osalta.
Kun yksittäinen kuorma-auto, kuten Ryder- tai U-Haul-vuokra-auto, törmää törmäystestissä betoniesteeseen, se rullaa kohti estettä, kunnes kuorma-auton lavapenkin alapuoli jää lepäämään esteen yläosaan. Tämä pysäyttää rullausliikkeen. Tämän jälkeen ajoneuvo liukuu esteen yläosaa pitkin, kunnes se ohjautuu takaisin pystyyn. Jotta tämä tapahtuisi, betonisen esteen on oltava vähintään 815 mm (32 tuumaa) korkea. Jotta 18-pyöräisen ajoneuvon tai vetoauton perävaunun pysäyttäminen ja ohjaaminen törmäystestissä onnistuisi, betoniesteen on oltava vähintään 1070 mm (42 tuumaa) korkea. Näissä kuorma-autojen kanssa tapahtuvissa törmäyksissä ensisijainen kuormitusreitti on pystysuora, koska kuorma siirtyy kuorma-auton alustan tai perävaunun alapuolelta betoniseinän yläosaan. Betonieste on pohjimmiltaan lyhyt, tukeva pylväs, joka kestää helposti nämä pystysuuntaiset kuormat.
Koska kuorma-autoilla, linja-autoilla ja muilla raskaammilla ajoneuvoilla on taipumus liukua betoniesteiden yläreunoja pitkin, on tärkeää, että näiden esteiden yläreunoissa ei ole kylttejä, aitoja, valaisimien kannattimia tai muita laitteita, jotka voivat tarttua ajoneuvoon ja aiheuttaa sen heilahduksen. Kun betonisiin keskikaiteisiin on tarpeen asentaa valaisintuet, esteet voidaan tehdä paksummiksi yläreunasta valaisintuen läheisyydessä ja leventää sivuilta, jotta törmäävälle ajoneuvolle muodostuu tasainen sivuttainen siirtymäosa.
Korkeat betoniset turvamuotopidikkeet
Korkeampia betonisia suojapeltejä käytetään toisinaan kuorma-autojen suojapelleinä ja integroituna häikäisysuojana betonisiin keskikaiteisiin (CMB). Traktoriperävaunun kansi sijaitsee noin 1350 mm (53 tuumaa) maanpinnan yläpuolella. Koska kansi on vahva ja jäykkä rakenneosa, se voi aiheuttaa merkittäviä sivuttaisvoimia törmätessään betoniseen esteeseen. Siksi kaikissa yli 1320 mm:n (52 tuuman) korkuisissa betoniesteissä olisi oltava jonkin verran raudoitusta yläreunan lähellä – jo pelkästään siksi, että estetään betonin roiskumisen lentäminen vastaantulevaan liikenteeseen. Joissakin osavaltioissa nykyisten betoniesteiden päälle on asennettu betonisia häikäisysuojia. Yleensä näissä betonisissa häikäisysuojissa on jonkin verran raudoitusta roiskumisen estämiseksi.
36 000 kg painavan bensiinisäiliöauton pysäyttämiseen ja ohjaamiseen suurilla kulmilla ja nopeuksilla tapahtuneiden törmäysten jälkeen tarvitaan 2290 mm:n (90 tuuman) pituinen betonieste.
New Jersey Turnpike Authority (NJTA) on testannut ja kehittänyt törmäystesteissä 1070 mm (42 tuuman) korkuisen betonisen keskikaiteensulun, jolla voidaan turvallisesti hillitä ja ohjata traktoriperävaunut pystyasentoon. Tämä este on valmistettu NJ-muotoisilla lomakkeilla. Pystysuora 75 mm:n aukko peitetään asfaltilla esteen kiinnittämiseksi kaatumisen varalta. (Katso kuva 2.) Näin esteen profiili muuttuu F-muotoiseksi, jossa ei ole pystysuuntaista paljetta. NJTA:n raskaiden ajoneuvojen keskikaiteensulku on yläosastaan 305 mm:n (12 tuuman) paksuinen. Se on vahvasti vahvistettu.
Ontarion korkea seinä on 1070 mm korkea betoninen keskikaiteellinen este, jolla on sama profiili, mutta ei vahvistusta. Törmäystesti 36 000 kilogramman (80 000 paunan) traktoriperävaunulla 85,3 kilometrin tuntinopeudella ja 15 asteen törmäyskulmalla osoitti, että vahvistaminen ei ollut tarpeen, koska Ontario Tall Wall on yläreunastaan 305 mm paksu. Vaikka betonin kutistumishalkeamia muodostui pystysuoraan noin 2440-3355 mm:n (8-11 jalkaa) välein ja ne tunkeutuivat kokonaan esteen poikkileikkauksen läpi, poikkileikkauspinta-ala ja kiviaineksen yhteenkietoutuminen riitti siirtämään kaikki sivuttaiset törmäysvoimat halkeilleiden poikkileikkausten yli.
75 mm:n paksuiset asfalttipäällysteiset päällysteet, jotka kiinnittivät näiden korkeatehoisten keskikaideesteiden kumpaankin sivuun, eivät irronneet betonista traktori- perävaunuilla suoritettujen törmäyskokeiden aikana. Muut törmäystestit ovat osoittaneet, että 25,4 mm:n (1 tuuman) paksuiset asfalttipäällysteet 815 mm:n (32 tuuman) korkuisten betonisten keskikaiteiden molemmilla puolilla riittävät ankkuroimaan ne henkilöautojen ja linja-autojen kanssa tapahtuvien törmäysten varalta.
Monissa osavaltioissa käytetään betonisia turvamuotoisia suojakaiteita, jotka ovat yläreunastaan vain 150 mm:n tai 200 mm:n paksuisia (6 tuuman tai 8 tuuman). Traktoriperävaunut voivat katkaista V:n muotoisen palan betonia rakennesaumojen kohdalta ja kiivetä näiden esteiden päälle. Tämä on kuitenkin niin harvinainen tapaus, että useimmissa osavaltioissa ei pidetä taloudellisesti kannattavana käyttää paksumpia esteitä tai lisätä raudoitusta saumojen läheisyydessä.
Bensiinisäiliöautojen puoliperävaunuissa ei ole yhtään näkyvää rakenneosaa pyörien ja säiliön välissä, joka on keskitetty noin 1980 millimetriä maanpinnan yläpuolelle. Toisin sanoen pyörien ja säiliön välissä ei ole mitään, mihin este voisi työntyä. 1070 mm:n pyörät voivat olla vuorovaikutuksessa 1070 mm:n korkuisen betoniesteen kanssa ja ohjata ajoneuvon uudelleen matalan kulman iskuissa. (Ks. kuva 2.) 36 000 kg painavan bensiinisäiliöauton hillitsemiseksi ja uudelleen ohjaamiseksi suuremmilla kulmilla ja nopeuksilla tapahtuvien törmäysten jälkeen tarvitaan kuitenkin korkeampi 2290 mm:n (90 tuuman) betoniseinä.
Pystysuuntaiset betoniset suojapenkereet
Kun betoninen turvamuoto nostaa ajoneuvon, osa ajoneuvon liike-energiasta muuttuu potentiaalienergiaksi. Tämä potentiaalienergia muuttuu takaisin liike-energiaksi, kun ajoneuvo palaa maahan.
Pystysuorissa betoniparvekkeissa ei ole tätä energianhallintaominaisuutta, mutta törmäystestit ovat osoittaneet, että ne voivat toimia hyväksyttävästi liikennepuomeina. Jäykkään pystysuoraan seinään kohdistuvassa törmäyksessä kaikki energianvaimennus johtuu ajoneuvon murskautumisesta. Puskurit eivät yleensä liu’u pystysuoraa betoniseinää pitkin ja nosta ajoneuvoa, joten kaikki neljä pyörää pysyvät yleensä maassa. Tämä minimoi ajoneuvon kaatumisen mahdollisuuden. Koska ajoneuvoa ei nosteta ja kallisteta pystysuoran seinämän avulla, tämä lisää myös mahdollisuutta, että autoilijan pää menee sivuikkunan läpi ja joutuu kosketuksiin pystysuoran esteen kanssa.
Joneuvon pyörät on suunniteltu ensisijaisesti käsittelemään pystysuoria kuormia, ei vaakasuoria kuormia. Henkilöautojen liikeradat pystysuoraan betoniseinään törmättyään voivat olla epävarmoja, koska pyörät voivat vaurioitua, kun etuakseli koskettaa seinää.
Vakiokaltevat betoniseinät
Tarve saada yhden kaltevuuden esteprofiili, joka on suorituskyvyltään johdonmukaisempi kuin pystysuora betoniseinä, johti vakiokaltevuusesteiden kehittämiseen. Sekä vakiokaltevuusesteet että pystysuorat betoniseinät voivat helpottaa päällysteen uusimista, koska niiden suorituskyky ei riipu asfalttipäällysteen paksuudesta. Tämä on erityisen hyödyllistä, kun esteitä rakennetaan kaareville rampeille ja sellaisissa päällystystöissä, jotka muutoin edellyttäisivät betonisten turvamuotoesteiden uusimista. Päällysteen paksuus voi olla jopa 255 mm (10 tuumaa), ennen kuin esteen korkeus pienenee 815 mm:iin (32 tuumaan).
Texasin vakiokaltevuuseste on 1070 mm (42 tuumaa) korkea, ja siinä on vakiokaltevuuspinta, jonka kulma pystysuoraan nähden on 10,8 astetta. (Katso kuva 3.) Se testattiin ja kehitettiin alun perin käytettäväksi tilapäisenä betonisena esteenä, mutta sitä on käytetty laajalti pysyvänä betonisena keskikaiteena.
Kaliforniassa kehitettiin vakiokaltevuusprofiili, jonka kulma pystysuoraan nähden on 9,1 astetta. Tämä on lähempänä NJ-muodon ja F-muodon yläpintojen 6 asteen kaltevuutta. Kalifornia on käyttänyt tätä vakiokaltevuusprofiilia 1070 millimetriä korkeassa 60-tyypin tienvarsikaiteessa ja 70-tyypin siltakaiteessa.
Törmäystestit osoittavat, että Texasin vakiokaltevuuskaiteen suorituskyky on verrattavissa NJ-muotoon ja Kalifornian vakiokaltevuuskaiteen suorituskyky on verrattavissa F-muotoon. Molemmat vakiokaltevuusesteet on testattu 8000 kg:n (18 000 lb) painoisella kuorma-autolla NCHRP:n raportin 350 mukaisesti, ja ne ovat molemmat testitason neljä (TL-4) esteitä. Toistaiseksi vakiokaltevuusesteiden törmäystestejä ei ole tehty vetoautoilla tai muilla raskailla ajoneuvoilla, joten niiden suorituskyvyn ylärajoja ei ole vahvistettu.
Kannettavat betoniesteet
Kannettavat betoniesteet (PCB) ovat parantaneet huomattavasti turvallisuutta rakennustyömailla. PCB-esteet on valmistettu betonielementeistä, jotka on yhdistetty toisiinsa jatkuvaksi pituussuuntaiseksi esteeksi. Koska siirrettävät betoniesteet on tarkoitettu ensisijaisesti estämään harhailevia ajoneuvoja törmäämästä rakennustyöntekijöihin, näiden esteiden dynaaminen sivuttainen taipuma on pidettävä mahdollisimman pienenä. Yleensä esteen taipuma voidaan minimoida käyttämällä pidempiä esteen lohkoja ja käyttämällä liitoksia, jotka voivat kehittää vähintään 6913 kg-m:n (50 kip-ft) taivutusmomentin.
Texasin liikenneministeriön kehittämässä 510 mm:n (20 tuuman) korkuisessa siirrettävässä betoniesteessä on käänteiskaltevuus, joka on pystysuoraan nähden 2,8 astetta (1:20). Tämä matalaprofiilinen betoninen este testattiin menestyksekkäästi törmäystestissä pickup-kuorma-auton kanssa nopeudella 72 km/h.
Tappi- ja silmukkaliitokset ovat erittäin suosittuja, koska ne pystyvät helposti mukautumaan vaakasuuntaiseen kaarevuuteen ja pystysuoran kaltevuuden muutoksiin. Ne voivat kuitenkin kehittää taivutusmomenttikapasiteettinsa vasta sen jälkeen, kun liitokseen on kohdistunut merkittävä määrä kiertymää. Terästapin alapäässä on oltava aluslevy tai sokkanaula, joka estää tappia hyppäämästä pystysuoraan ulos silmukoista törmäyksessä. Betoniterästangoista valmistetut silmukat ovat parempia kuin lankasilmukat, koska ne kestävät esteiden vääntöä liitoskohdissa. Sivuttaisen taipuman vähentämiseksi on myös erittäin hyödyllistä vetää sulkusegmentit tiukasti kiinni ja ankkuroida loppusegmentit maahan. Kunkin esteen segmentin ankkurointi maahan lyötyjen terästappien avulla on erittäin tehokasta, mutta se on työlästä ja tekee esteestä huonommin siirrettävän.
Matalaprofiiliset betoniset esteet
Jos betonisen esteen kalteva pintakerros pystyy nostamaan ajoneuvoa, on selvää, että vastakkaiseen suuntaan suuntautuva kaltevuus pyrkii pitämään ajoneuvon alhaalla työntämällä puskuria alaspäin. Texasin liikenneministeriö on kehittänyt 510 millimetriä (20 tuumaa) korkean siirrettävän betoniesteen käytettäväksi työalueilla ja risteyksissä, joissa korkeampi este estäisi kuljettajan näköetäisyyden. Kääntöpuolen kaltevuus on 2,8 astetta (1:20) pystysuoraan nähden. Tämä matalaprofiilinen betoninen este testattiin menestyksekkäästi törmäystestissä lava-auton kanssa nopeudella 72 km/h (45 mi/h). Sitä ei ole testattu suuremmilla nopeuksilla tai suuremmilla ajoneuvoilla.
Johtopäätökset
Jokainen näistä betoniesteiden tyypeistä täyttää oman kapeikkonsa ja auttaa täyttämään liikennesulkuja valitsevien, suunnittelevien ja sijoittelevien valtatievirastojen tarpeet. Turvallisuussuorituskyvyn kannalta 1070 mm:n (42 tuuman) F-muoto on tällä hetkellä parasta tekniikkaamme. F-muotoinen profiili on selvästi parempi kuin NJ-muotoinen, ja yhä useammat osavaltiot käyttävät sitä vähitellen sekä siirrettävissä betoniesteissä että pysyvissä esteissä.
Charles F. McDevitt on rakennesuunnittelija liittovaltion tiehallinnon turvallisuustutkimuksen ja -kehityksen virastossa (Office of Safety Research and Development) Turner-Fairbankin valtatietutkimuskeskuksessa (Turner-Fairbank Highway Research Center) McLeanissa, Va. Hänellä on 39 vuoden kokemus uusien tuotteiden suunnittelusta, testauksesta ja kehittämisestä. Hän tuli liittovaltion tiehallinnon palvelukseen vuonna 1978. Viimeiset 22 vuotta hän on työskennellyt uusien ja parempien liikenneesteiden kehittämisen parissa. Hänellä on maisterin tutkinto rakennustekniikasta Pennsylvanian yliopistosta, ja hän on Pennsylvanian rekisteröity ammatti-insinööri.