by Charles F. McDevitt
A betonakadályok alapelvei nem általánosan ismertek vagy megértettek. A betonakadályok egyszerűnek és bonyolultnak tűnnek, de a valóságban kifinomult biztonsági eszközök.
Beton biztonsági alakzatok
A legtöbb embernek a betonakadályokról a New Jersey-i beton biztonsági alakzatok (NJ-alakzatok vagy Jersey-i sorompók) jutnak eszébe. A gyakrabban előforduló sekély szögű ütközéseknél az NJ-forma célja, hogy minimalizálja a lemezkárokat azáltal, hogy a jármű gumiabroncsai az alsó lejtős felületen haladhatnak felfelé. (Lásd az 1. ábrát.)
Nagyobb ütközési szögek esetén az NJ-alak valójában egy többlépcsős korlát. Az első ütköző a felső ferde felületnek ütközik, és felfelé csúszik. Ez a kölcsönhatás indítja el a jármű felemelkedését. Ha a lökhárító viszonylag gyenge, az elülső rész még azelőtt elkezd összenyomódni, hogy bármilyen felemelkedés bekövetkezne. Ezután, ahogy a jármű közel párhuzamosabbá válik az akadállyal, a kerék érintkezik az alsó ferde felülettel. A jármű további felemelkedésének nagy részét az okozza, hogy az alsó ferde felület összenyomja az első felfüggesztést. A kerekek oldalsó súrlódási erői azonban némi további emelést okoznak, különösen, ha az akadály felülete durva. Ezért kerülni kell a szabadon hagyott aggregátumot és más durva felületű felületeket. A modern járműveknél viszonylag rövid a távolság a lökhárító és a kerék között; ennek következtében a lökhárító érintkezését szinte azonnal követi a kerék érintkezése.
A járművet csak annyira kell megemelni, hogy a gumiabroncsok és a burkolt felület közötti súrlódás csökkenjen. Ez segíti a jármű dőlését és átterelését. Ha a járművet túl magasra emelik a levegőbe, akkor a jármű görbülhet, dőlhet vagy gurulhat, ami a jármű felborulását okozhatja, amikor a kerekek ismét érintkeznek a talajjal. A beton biztonsági alakú korlátoknak lehetőleg burkolt felület mellett kell lenniük, hogy a kerekek ne ássák be magukat a talajba, és ne okozzák a jármű felborulását.
Egy évvel ezelőtt általános gyakorlat volt, hogy a két lejtős felület metszéspontjában 255 milliméteres (10 hüvelykes) sugarat alakítottak ki, hogy megkönnyítsék a korlát csúszásmentesítését. Ez a sugár ma már nem szükséges a csúszásformázáshoz. A modern csúszásformázó gépek könnyedén csúszásformáznak akár 1320 mm (52 hüvelyk) magas betonkorlátokat is sugár nélkül.
A 75 mm-es (3 hüvelyk) függőleges “feltárás” a korlát alján csak arra szolgál, hogy az aszfalt újrafelületezéséhez egy tiszta vonalat biztosítson. Ez a függőleges falsík nagyon kevés változást okoz a jármű dinamikájában, mert körülbelül ugyanolyan hatása van, mintha egy 75 mm-es járdaszegélynek ütközne.
A falsík felületén lévő vízelvezető nyílásoknak nincs jelentős hatása az ütköző járműre. Magasabb nyílásokat nem szabad használni, mert a kerekek és a lökhárítók kölcsönhatásba léphetnek velük, beakadhatnak és a jármű billegését okozhatják. Ahol csak lehetséges, a vízelvezetést a korlát lábánál kell összegyűjteni, mert a beton biztonsági forma előtt lévő vízelvezető mélyedés vagy járda a jármű instabilitását okozhatja, és boruláshoz vezethet.
A biztonsági alakzat profiljának legfontosabb tervezési paramétere a talaj és a lejtőtörési pont közötti távolság, mert ez határozza meg, hogy a felfüggesztés mennyire lesz összenyomva. Az NJ-forma esetében ez a távolság 330 mm (13 in).
A régi General Motors-forma, vagy GM-forma esetében a talaj és a lejtőtörési pont közötti távolság 380 mm (15 in) volt. Ez a nagyobb távolság az 1970-es évek kisautóinak, például a Chevrolet Vegának túlzott felemelkedését okozta. A töréstesztek során a GM-formának való ütközés után ezek a kisautók instabillá váltak, és hajlamosak voltak felborulni. Ennek eredményeként a GM-forma használatát megszüntették.
A különböző profilkonfigurációk paraméteres vizsgálata (a paraméterek szisztematikus változtatása), amelyeket A-tól F-ig jelöltek meg, azt mutatta, hogy az F egyértelműen jobban teljesített, mint az NJ-forma. A számítógépes szimulációk eredményeit egy sor teljes méretű ütközési teszt is megerősítette. Az F konfiguráció F-alak néven vált ismertté.
Noha az F-alak teljesítménye jobb volt, mint az NJ-alaké, mégsem használták széles körben. Ennek oka az volt, hogy az államok elégedettek voltak az NJ-alakkal, amely szintén megfelelt a töréstesztek kritériumainak. Ráadásul a vállalkozóik nem akartak profilt váltani, mert jelentős beruházást eszközöltek az NJ-forma előállításához szükséges formákba.
Amint az 1. ábrán látható, az F-forma és az NJ-forma meredeksége megegyezik. A fő különbség az, hogy az F-forma esetében a földtől a lejtőtörési pontig mért távolság 255 mm — 75 mm-rel alacsonyabb, mint az NJ-formánál. Az alacsonyabb lejtőtörési pont jelentősen csökkentette a jármű felemelkedését, és jelentősen javította a betonkorlát teljesítményét.
Az NJ-alakú és az F-alakú profilok szorosan kapcsolódnak egymáshoz. Ha az NJ-forma mellett 75 mm-es aszfaltburkolatot készítünk (és gondolatban egy új 75 mm-es nyílást vágunk az aszfaltfelület felett maradó betonba), akkor az NJ-formát F-formává alakítottuk át. Ez azt jelenti, hogy az aszfaltozási munkák az NJ-formát ténylegesen biztonságosabb kialakítássá alakíthatják át. Ezek az aszfaltburkolatok azonban csökkentik a betonkorlát teljes magasságát, és következésképpen csökkentik annak hatékonyságát a nehezebb járművek esetében.
Amikor egy egyterű teherautó, például egy Ryder vagy U-Haul bérkocsi ütközik egy betonkorlátnak a törésteszt során, az addig gurul a korlát felé, amíg a teherautó platójának alsó része a korlát tetején meg nem áll. Ez megállítja a guruló mozgást. Ezután a jármű addig csúszik a korlát tetején, amíg újra egyenesbe nem kerül. Ehhez a betonkorlátnak legalább 815 mm (32 hüvelyk) magasnak kell lennie. Ahhoz, hogy egy “18 kerekű” vagy nyerges vontatót a törésteszt során felfogjon és átirányítson, a betonkorlátnak legalább 1070 mm (42 hüvelyk) magasnak kell lennie. A teherautókkal való ilyen ütközéseknél az elsődleges terhelési útvonal függőleges, mivel a terhelés a teherautó platójának vagy pótkocsijának aljáról a betonkorlát tetejére kerül. A betonkorlát lényegében egy rövid, zömök oszlop, amely könnyen ellenáll ezeknek a függőleges terheknek.
Miatt a teherautók, buszok és más nehezebb járművek hajlamosak a betonkorlátok tetején csúszni, fontos, hogy e korlátok teteje ne legyen tele táblákkal, kerítésekkel, lámpatartókkal és más olyan tartozékokkal, amelyek beakadhatnak a járműbe, és gördülést okozhatnak. Ha a beton középső korlátokon lámpatest-tartókra van szükség, a korlátokat a tetejükön a lámpatest-tartók közelében vastagabbá lehet tenni, az oldalukon pedig ki lehet szélesíteni, hogy az ütköző jármű számára sima oldalsó átmeneti szakaszt biztosítsanak.
Nagy teljesítményű beton biztonsági alakú korlátok
A magasabb betonkorlátokat néha teherautó-korlátként és a beton középső korlátok (CMB) integrált vakítóernyőjeként használják. Egy nyerges vontató fedélzete körülbelül 1350 mm (53 in) magasságban helyezkedik el a talaj felett. Mivel a fedélzet erős, merev szerkezeti elem, jelentős oldalirányú erőket fejthet ki, amikor a betonkorlátnak ütközik. Ezért minden 1320 mm-nél (52 in) magasabb betonkorlátnak rendelkeznie kell némi megerősítéssel a teteje közelében – már csak azért is, hogy megakadályozza, hogy a lepergő beton a szembejövő forgalomba repüljön. Néhány államban a meglévő betonakadályok tetejére betonból készült káprázóernyőket helyeztek. Általában ezek a beton vakítóernyők tartalmaznak némi megerősítést a lepattogzás megakadályozására.
Egy 36 000 kg-os benzintartálykocsi nagy szögben és nagy sebességgel történő ütközés utáni megfékezéséhez és eltereléséhez 2290 mm-es (90 hüvelykes) betonkorlátra van szükség.
A New Jersey Turnpike Authority (NJTA) töréstesztelt és kifejlesztett egy 1070 mm (42 hüvelyk) magas beton középső korlátot, amely képes a nyerges vontatókat biztonságosan megfékezni és függőleges helyzetbe terelni. Ez a korlát az NJ-formájú formákkal készült. A 75 mm-es függőleges nyílást aszfalttal fedik le, hogy a korlátot a felborulás ellen rögzítsék. (Lásd a 2. ábrát.) Ezáltal a sorompó profilja F-alakúvá válik, amelynek nincs függőleges fugája. Az NJTA nehéz járműveknek szánt középső sorompója felül 305 mm (12 hüvelyk) vastag. Erősen megerősített.
Az Ontario Tall Wall egy 1070 mm magas beton középső sorompó, ugyanezzel a profillal, de megerősítés nélkül. Egy 36 000 kilogrammos (80 000 font) nyerges vontatóval 85,3 km/órás (53 mérföld/óra) sebességgel és 15 fokos ütközési szöggel végzett ütközési teszt kimutatta, hogy nem volt szükség megerősítésre, mivel az Ontario Tall Wall 305 mm vastag a tetején. Bár a beton zsugorodási repedései függőlegesen körülbelül 2440-3355 mm-enként (8-11 láb) keletkeztek, és teljesen áthatoltak a korlát keresztmetszetén, a keresztmetszeti terület és az aggregátumok egymásba kapcsolódása elegendő volt ahhoz, hogy a repedezett keresztmetszeteken keresztül átadja az összes oldalirányú ütközési erőt.
A 75 mm vastagságú aszfaltrétegek, amelyek e nagy teljesítményű középső korlátok mindkét oldalát rögzítették, nem váltak el a betontól a vontatójárművekkel végzett ütközési tesztek során. Más ütközési tesztek azt mutatták, hogy a 815 mm magas beton középső korlátok mindkét oldalán lévő 25,4 mm vastag aszfaltréteg elegendő a személygépkocsik és buszok ütközése esetén.
Néhány államban olyan beton biztonsági alakú korlátokat használnak, amelyeknek a teteje csak 150 mm vagy 200 mm vastag. A nyerges vontatók letörhetnek egy V alakú betondarabot a szerkezeti illesztéseknél, és felmászhatnak ezeknek a korlátoknak a tetejére. Ez azonban olyan ritka eset, hogy a legtöbb állam gazdaságilag nem tartja megvalósíthatónak vastagabb korlátok használatát vagy a megerősítés növelését az illesztések környékén.
A benzinszállító félpótkocsiknak nincsenek szabadon álló szerkezeti elemeik a kerekek és a tartály között, amely körülbelül 1980 mm (78 in) magasságban van a talaj felett. Más szóval, a kerekek és a tartály között nincs semmi, amire az akadály rá tudna nyomódni. Az 1070 mm-es kerekek kölcsönhatásba léphetnek egy 1070 mm magas betonkorláttal, és sekély szögű ütközés esetén átirányíthatják a járművet. (Lásd a 2. ábrát.) Ahhoz azonban, hogy egy 36 000 kg-os benzintartálykocsit nagyobb szögben és nagyobb sebességgel történő ütközések után felfogjon és átirányítson, magasabb, 2290 mm (90 hüvelyk) betonkorlátra van szükség.
Vertikális betonkorlátok
Amikor egy beton biztonsági forma megemeli a járművet, a jármű mozgási energiájának egy része potenciális energiává alakul át. Ez a potenciális energia visszaalakul mozgási energiává, amikor a jármű visszatér a talajra.
A függőleges beton parapetfalak nem rendelkeznek ezzel az energiagazdálkodási tulajdonsággal, de az ütközési tesztek bebizonyították, hogy elfogadhatóan működhetnek közlekedési korlátként. A merev függőleges fallal való ütközésnél az összes energiaelnyelés a jármű összenyomódása miatt következik be. A lökhárítók általában nem csúsznak fel a függőleges betonfalon és nem emelik meg a járművet, így mind a négy kerék általában a földön marad. Ez minimálisra csökkenti a jármű felborulásának lehetőségét. Mivel a járművet nem emeli meg és dönti meg a függőleges falfelület, ez megnöveli annak a lehetőségét is, hogy az autós feje az oldalablakon keresztül a függőleges akadályhoz érjen.
A jármű kerekeit elsősorban függőleges, nem pedig vízszintes terhelések kezelésére tervezték. A függőleges betonkorlátnak való ütközés után a személygépkocsik röppályája bizonytalan lehet a kerék sérülése miatt, amely akkor keletkezhet, amikor az első tengely érintkezik a korláttal.
Függőleges lejtésű betonkorlátok
Az állandó lejtésű gátak kifejlesztéséhez az az igény vezetett, hogy a függőleges felületű betonfalnál következetesebb teljesítményű, egyetlen lejtésű gátprofil legyen. Mind az állandó lejtésű korlátok, mind a függőleges betonfalak megkönnyíthetik az újraaszfaltozást, mivel teljesítményük nem érzékeny az aszfaltréteg vastagságára. Ez különösen előnyös az íves felhajtókon lévő korlátok építésénél és olyan felújítási műveleteknél, amelyeknél egyébként újra kellene állítani a beton biztonsági alakú korlátokat. Akár 255 mm (10 in) vastagságú fedőréteg is készíthető, mielőtt a sorompó magassága 815 mm-re csökkenne.
A texasi állandó lejtésű sorompó 1070 mm (42 in) magas, és állandó lejtésű oldala 10,8 fokos szöget zár be a függőlegeshez képest. (Lásd a 3. ábrát.) Eredetileg ideiglenes betonkorlátként való használatra tesztelték és fejlesztették ki, de széles körben használják állandó beton középkorlátként.
Kalifornia egy állandó lejtésű profilt fejlesztett ki, amely a függőlegeshez képest 9,1 fokos szöget zár be. Ez közelebb áll az NJ-forma és az F-forma felső felületének 6 fokos lejtéséhez. Kalifornia ezt az állandó lejtésű profilt használta az 1070 mm magas 60-as típusú út menti korlátjához és a 70-es típusú hídkorlátjához.
A töréstesztek azt mutatják, hogy a texasi állandó lejtésű korlát teljesítménye hasonló az NJ-formához, a kaliforniai állandó lejtésű korlát teljesítménye pedig hasonló az F-formához. Mindkét állandó lejtésű korlátot az NCHRP 350. jelentésnek megfelelően 8000 kg-os (18 000 lb) egyszemélyes tehergépkocsival vizsgálták, és mindkettő a negyedik vizsgálati szintű (TL-4) korlát. A mai napig az állandó lejtésű korlátokat nem vizsgálták nyerges vontatókkal vagy más nehéz járművekkel; ezért felső teljesítményhatáraikat nem állapították meg.
Hordozható betonkorlátok
A hordozható betonkorlátok (PCB) jelentősen javították a biztonságot az építési munkaterületeken. A PCB-k előregyártott beton biztonsági alakú szelvényekből készülnek, amelyek egymáshoz csatlakozva folyamatos hosszirányú akadályt alkotnak. Mivel a hordozható betonkorlátok elsődlegesen arra szolgálnak, hogy megakadályozzák, hogy a tévedő járművek az építőmunkásoknak ütközzenek, ezen korlátok dinamikus oldalirányú alakváltozását a lehető legkisebbre kell csökkenteni. Általában a sorompó alakváltozása minimalizálható hosszabb sorompószakaszok használatával és olyan kötések alkalmazásával, amelyek legalább 6913 kg-m (50 kip-ft) hajlítónyomatékot képesek kifejteni.
A texasi közlekedési minisztérium által kifejlesztett, 510 mm (20 hüvelyk) magas hordozható betonkorlátnak a függőlegeshez képest 2,8 fokos (1:20) fordított lejtése van. Ezt az alacsony profilú betonkorlátot sikeresen tesztelték egy pickup teherautóval 72 km/h (45 mi/h) sebességgel.
A csap- és hurokcsatlakozások nagyon népszerűek, mert könnyen alkalmazkodnak a vízszintes görbülethez és a függőleges emelkedés változásaihoz. Ezek azonban csak azután képesek hajlítómomentum-kapacitást kifejteni, hogy a kötés jelentős mértékű elfordulást szenvedett el. Az acélcsap alsó végén egy alátétre vagy csapszegre van szükség, hogy a csap ütközéskor ne ugorjon ki függőlegesen a hurokból. A betonacélból készült hurkok jobbak, mint a dróthurkok, mert ellenállnak az akadályok torziós elfordulásának az illesztéseknél. Az akadályszegmensek szorosra húzása és a végszegmensek földhöz rögzítése szintén nagyon hasznos az oldalirányú lehajlás csökkentésében. Az egyes sorompószegmensek földbe vert acélcsapokkal történő rögzítése nagyon hatékony, de munkaigényes és kevésbé hordozhatóvá teszi a sorompót.
Az alacsony profilú betonkorlátok
Ha egy betonkorlát lejtős oldala képes megemelni egy járművet, akkor logikus, hogy az ellenkező irányú lejtés a lökhárítót lefelé nyomva a járművet lefelé tarthatja. A texasi közlekedési minisztérium kifejlesztett egy 510 mm (20 hüvelyk) magas hordozható betonkorlátot, amelyet olyan munkaterületeken és kereszteződésekben használnak, ahol a járművezető látótávolságát egy magasabb korlát akadályozná. A hátrameneti lejtés 2,8 fok (1:20) a függőlegeshez képest. Ezt az alacsony profilú betonkorlátot sikeresen tesztelték egy kisteherautóval 72 km/h (45 mi/h) sebességgel. Nagyobb sebességgel vagy nagyobb járművekkel nem vizsgálták.
Következtetés
Ezek a betonakadály-típusok mindegyike betölti a rést, és segít kielégíteni a közlekedési akadályok kiválasztásával, tervezésével és elhelyezésével foglalkozó autópálya-hatóságok igényeit. A biztonsági teljesítményt tekintve az 1070 mm-es (42 hüvelykes) F-alak jelenleg a legjobb technológiánk. Az F-alakú profil egyértelműen jobb, mint az NJ-alakú, és fokozatosan egyre több állam alkalmazza mind a hordozható betonkorlátok, mind az állandó korlátok esetében.
Charles F. McDevitt a Szövetségi Autópálya-felügyelet Biztonsági Kutatási és Fejlesztési Hivatalának szerkezeti mérnöke a Turner-Fairbank Highway Research Centerben, McLeanben, Va államban. 39 éves tapasztalattal rendelkezik új termékek tervezése, tesztelése és fejlesztése terén. A Szövetségi Útügyi Hivatalhoz 1978-ban csatlakozott. Az elmúlt 22 évben új és továbbfejlesztett közlekedési akadályok kifejlesztésén dolgozott. A Pennsylvaniai Egyetemen szerzett mesterdiplomát építőmérnöki szakon, és Pennsylvaniában bejegyzett hivatásos mérnök.