door Charles F. McDevitt
De basisprincipes van betonnen barrières zijn niet algemeen bekend of begrepen. Betonnen barrières lijken eenvoudig en ongecompliceerd, maar in werkelijkheid zijn het geavanceerde veiligheidsvoorzieningen.
Concrete Safety Shapes
Wanneer de meeste mensen aan betonnen barrières denken, denken zij aan de New Jersey Concrete Safety Shape Barrier (NJ-vorm of Jersey barriers). Voor de meer gebruikelijke botsingen onder een ondiepe hoek is de NJ-vorm bedoeld om de schade aan het plaatmetaal te minimaliseren door de banden van het voertuig op het lagere hellende oppervlak te laten rijden. (Zie afbeelding 1.)
Voor grotere botshoeken is de NJ-vorm in feite een meerfasige barrière. De voorbumper botst tegen de bovenste schuine zijde en schuift naar boven. Deze interactie brengt het optillen van het voertuig op gang. Als de bumper relatief zwak is, begint de voorkant te verbrijzelen voordat er een opwaartse beweging plaatsvindt. Vervolgens, wanneer het voertuig bijna evenwijdig met de hindernis komt te staan, raakt het wiel de onderste schuine zijde. Het grootste deel van de extra opwaartse kracht van het voertuig wordt veroorzaakt door de druk die de ophanging aan de voorzijde uitoefent. Zijwaartse wrijvingskrachten zorgen echter voor enige extra opwaartse kracht, vooral als de voorzijde van de hindernis ruw is. Daarom moeten onbedekte aggregaten en andere ruwe oppervlakken worden vermeden. Moderne voertuigen hebben relatief korte afstanden tussen de bumper en het wiel; als gevolg daarvan wordt het contact met de bumper vrijwel onmiddellijk gevolgd door het contact met het wiel.
Het is alleen nodig om het voertuig voldoende op te tillen om de wrijving tussen de banden en het verharde oppervlak te verminderen. Dit helpt bij het overhellen en het heroriënteren van het voertuig. Als het voertuig te hoog in de lucht wordt gebracht, kan het gieren, kantelen of rollen, waardoor het voertuig kan kantelen wanneer de wielen weer in contact komen met de grond. Bij voorkeur moeten betonnen vangrails grenzen aan een verhard oppervlak, zodat de wielen zich niet in de grond kunnen ingraven en het voertuig kunnen doen kantelen.
Jaren geleden was het gebruikelijk om een straal van 255 millimeter (10 inch) te vormen op het kruispunt van de twee hellende oppervlakken om het slipforming van de barrière te vergemakkelijken. Deze radius is niet langer noodzakelijk voor het slipforming-proces. Moderne slipformingmachines kunnen betonnen barrières tot een hoogte van 1320 mm (52 in) gemakkelijk zonder radius slipformen.
De verticale “onthulling” van 75 mm (3 in) aan de voet van de barrière is alleen bedoeld om een nette lijn voor asfaltverharding te verkrijgen. Deze verticale onthulling maakt zeer weinig verandering in de voertuigdynamiek omdat het ongeveer hetzelfde effect heeft als het raken van een 75-mm stoeprand.
Afvoeropeningen in de voorkant van de onthulling hebben geen significant effect op een botsend voertuig. Hogere openingen mogen niet worden gebruikt, omdat wielen en bumpers ermee in aanraking kunnen komen, blijven haken en het voertuig kunnen doen slingeren. Waar mogelijk, moet drainage worden opgevangen langs de teen van de barrière, omdat een drainage depressie of stoeprand uit voor een betonnen veiligheid vorm kan voertuig instabiliteit veroorzaken en leiden tot rollover.
De belangrijkste ontwerpparameter voor een veiligheidsvormprofiel is de afstand van de grond tot het breekpunt van de helling, omdat dit bepaalt hoeveel de ophanging zal worden samengedrukt. Voor de NJ-vorm bedraagt deze afstand 330 mm (13 in).
De oude General Motors-vorm, of GM-vorm, had een afstand van 380 mm (15 in) van de grond tot het breekpunt van de helling. Deze grotere afstand veroorzaakte overmatig optillen van de kleine auto’s van de jaren 1970, zoals de Chevrolet Vega. Na de botsing met de GM-vorm in crashtests werden deze kleine auto’s onstabiel en hadden ze de neiging om te rollen. Als gevolg daarvan werd het gebruik van de GM-vorm gestaakt.
Een parametrische studie (het systematisch variëren van de parameters) van verschillende profielconfiguraties die werden aangeduid met A tot en met F toonde aan dat F duidelijk beter presteerde dan de NJ-vorm. De resultaten van deze computersimulaties werden bevestigd door een reeks botsproeven op ware grootte. Configuratie F werd bekend als de F-vorm.
Ondanks het feit dat de prestaties van de F-vorm superieur waren aan die van de NJ-vorm, werd hij niet op grote schaal gebruikt. Dit kwam omdat de staten zeer tevreden waren met de NJ-vorm, die ook voldeed aan de criteria voor botsproeven. Bovendien wilden hun aannemers niet van profiel veranderen omdat ze een aanzienlijke investering hadden gedaan in de vormen die nodig waren om de NJ-vorm te produceren.
Zoals te zien is in figuur 1, zijn de hellingen van de F-vorm en de NJ-vorm gelijk. Het grootste verschil is dat de afstand van de grond tot het breekpunt van de F-vorm 255 mm bedraagt — 75 mm lager dan de NJ-vorm. Het lagere breekpunt van de helling verminderde het optillen van het voertuig aanzienlijk en verbeterde de prestaties van de betonnen barrière aanzienlijk.
De NJ-vorm en de F-vorm profielen zijn nauw verwant. Als je naast de NJ-vorm een 75-mm asfaltoverlaging maakt (en mentaal een nieuwe 75-mm onthulling freest in het beton dat boven het asfaltoppervlak blijft), heb je de NJ-vorm omgezet in een F-vorm. Dit betekent dat asfalteringswerkzaamheden de NJ-vorm daadwerkelijk kunnen omzetten in een veiliger ontwerp. Deze asfaltdeklagen zullen echter de totale hoogte van de betonnen barrière verminderen en daardoor de effectiviteit voor zwaardere voertuigen verminderen.
Wanneer een vrachtwagen uit één stuk, zoals een Ryder- of U-Haul-verhuurwagen, bij een botsproef tegen een betonnen barrière botst, rolt deze naar de barrière toe totdat de onderkant van de vrachtwagenbak op de bovenkant van de barrière komt te rusten. Hierdoor stopt de rolbeweging. Vervolgens glijdt het voertuig langs de bovenkant van de barrière tot het weer rechtop komt te staan. Om dit mogelijk te maken moet de betonnen barrière een minimumhoogte van 815 mm (32 in) hebben. Om een “18-wheeler” of een trekker-oplegger bij een botsproef te kunnen tegenhouden en in een andere richting te kunnen sturen, moet een betonnen barrière een minimumhoogte van 1070 mm (42 in) hebben. Bij deze botsingen met vrachtwagens is het primaire pad van de lading verticaal, omdat de lading van de onderkant van de laadvloer of de oplegger van de vrachtwagen wordt overgebracht naar de bovenkant van de betonnen barrière. Een betonnen barrière is in wezen een korte, gedrongen kolom die deze verticale belastingen gemakkelijk kan weerstaan.
Omdat vrachtauto’s, bussen en andere zwaardere voertuigen de neiging hebben langs de bovenkant van betonnen barrières te glijden, is het belangrijk de bovenkant van deze barrières vrij te houden van borden, hekken, armatuursteunen en andere appendenties die het voertuig kunnen haken en een slingerbeweging kunnen veroorzaken. Als het nodig is om de betonnen middenbermen van armatuursteunen te voorzien, kunnen de barrières aan de bovenkant dikker worden gemaakt in de buurt van de armatuursteun en aan de zijkanten uitlopen om het botsende voertuig een vloeiende zijdelingse overgang te bieden.
High-Performance Concrete Safety Shape Barriers
Hogere betonnen barrières worden soms gebruikt als vrachtwagenbarrières en om een integraal verblindingsscherm te bieden op betonnen middenbermen (CMB). Het dek van een trekker-oplegger bevindt zich ongeveer 1350 mm (53 in) boven de grond. Omdat het dek een sterk en stijf constructiedeel is, kan het bij een botsing met een betonnen barrière aanzienlijke zijwaartse krachten veroorzaken. Daarom moet elke betonnen barrière die hoger is dan 1320 mm (52 in) enige wapening aan de bovenkant hebben — al was het maar om te voorkomen dat afbrekend beton het tegemoetkomende verkeer in vliegt. In sommige staten zijn boven op bestaande betonnen barrières betonnen verblindingsschermen in glijvorm aangebracht. Om een benzinetanker met een gewicht van 36.000 kg na een botsing onder een grote hoek en met hoge snelheid in bedwang te houden en om te leiden, is een betonnen barrière van 2290 mm (90 inch) nodig.
De New Jersey Turnpike Authority (NJTA) heeft een betonnen middenberm met een hoogte van 1070 mm (42 in) getest en ontwikkeld die trekker-opleggers veilig kan opvangen en rechtop kan zetten. Deze barrière is gemaakt met de NJ-formulieren. De verticale opening van 75 mm is bedekt met asfalt om de barrière tegen kantelen te verankeren. (Zie figuur 2.) Hierdoor wordt het profiel van de barrière een F-vorm die geen verticale onthulling heeft. De middenberm voor zware voertuigen van de NJTA is 305 mm (12 in) dik aan de bovenkant. Hij is zwaar gewapend.
De Ontario Tall Wall is een betonnen middenberm van 1070 mm hoog met hetzelfde profiel, maar zonder wapening. Een botsproef met een trekker-aanhangwagen van 36.000 kilo bij 85,3 kilometer per uur en een botshoek van 15 graden toonde aan dat wapening niet nodig was, omdat de Ontario Tall Wall aan de bovenkant 305 mm hoog is. Hoewel zich verticaal ongeveer om de 2440 tot 3355 mm betonnen krimpscheuren vormden die volledig door de dwarsdoorsnede van de barrière gingen, waren de dwarsdoorsnede en de vergrendeling van het aggregaat voldoende om alle laterale botskrachten over de gescheurde dwarsdoorsneden over te brengen.
De 75 mm dikke asfaltoverlagen die beide zijden van deze hoogwaardige middenbermen verankerden, scheidden niet van het beton tijdens de botsproeven met trekker-opleggers. Andere botsproeven hebben aangetoond dat asfaltdeklagen van 25,4 mm dik aan weerszijden van betonnen vangrails van 815 mm hoog voldoende zijn om ze te verankeren bij botsingen met personenauto’s en bussen.
Vele staten gebruiken betonnen vangrails die aan de bovenkant slechts 150 of 200 mm dik zijn. Trekker-opleggers kunnen een V-vormig stuk beton bij de constructievoegen afbreken en bovenop deze barrières klimmen. Dit komt echter zo zelden voor dat de meeste staten het economisch niet haalbaar achten dikkere barrières te gebruiken of de wapening in de buurt van de voegen te vergroten.
Benzinetankopleggers hebben geen blootgestelde constructiedelen tussen de wielen en de tank, die ongeveer 1980 mm (78 in) boven de grond is gecentreerd. Met andere woorden, er is niets voor de barrière om op te duwen tussen de wielen en de tank. De wielen van 1070 mm kunnen in contact komen met een betonnen barrière van 1070 mm hoog en het voertuig bij botsingen onder een ondiepe hoek van richting doen veranderen. (Zie figuur 2.) Om een benzinetanker van 36.000 kg bij botsingen onder grotere hoeken en met hogere snelheden te kunnen tegenhouden en afleiden, is echter een hogere betonnen barrière van 2290 mm (90 inch) nodig.
Verticale betonnen borstweringen
Wanneer een betonnen veiligheidsvorm een voertuig optilt, wordt een deel van de kinetische energie van het voertuig omgezet in potentiële energie. Deze potentiële energie wordt weer omgezet in kinetische energie wanneer het voertuig terugkeert naar de grond.
Verticale betonnen borstweringen hebben deze energiebeheersingsfunctie niet, maar botsproeven hebben aangetoond dat ze acceptabel kunnen presteren als verkeersbarrière. Alle energie die bij een botsing met een stijve verticale wand wordt geabsorbeerd, is het gevolg van het verbrijzelen van het voertuig. Bumpers glijden gewoonlijk niet tegen verticale betonnen muren op en tillen het voertuig niet op, zodat alle vier de wielen meestal op de grond blijven. Dit minimaliseert de kans dat het voertuig kantelt. Omdat het voertuig niet wordt opgetild en gekanteld door de verticale voorzijde, vergroot dit ook de kans dat het hoofd van een automobilist door een zijruit gaat en in contact komt met de verticale barrière.
Voertuigwielen zijn primair ontworpen om verticale belastingen te verwerken, geen horizontale belastingen. Het traject van personenauto’s die op verticale betonnen barrières zijn gebotst, kan onzeker zijn vanwege de schade aan de wielen die kan optreden wanneer de vooras in contact komt met de barrière.
Constant-Slope Concrete Barriers
De behoefte aan een barrièreprofiel met één helling met constantere prestaties dan een betonnen muur met verticale helling heeft geleid tot de ontwikkeling van barrières met constante helling. Zowel barrières met constante helling als verticale betonnen wanden kunnen de herprofilering vergemakkelijken omdat hun prestaties ongevoelig zijn voor de dikte van de asfaltdeklaag. Dit is vooral een voordeel bij de aanleg van barrières op gebogen opritten en bij herbestratingswerkzaamheden waarbij anders betonnen vangrails opnieuw zouden moeten worden aangebracht. Er kan tot 255 mm (10 in) overlaging worden aangebracht voordat de hoogte van de barrière tot 815 mm (32 in) wordt teruggebracht.
De Texas-barrière met constante helling is 1070 mm (42 in) hoog en heeft een voorkant met constante helling die een hoek van 10,8 graden maakt ten opzichte van de verticaal. (Zie figuur 3.) Het is oorspronkelijk getest en ontwikkeld voor gebruik als een tijdelijke betonnen barrière, maar het is op grote schaal gebruikt als een permanente betonnen middenberm.
Californië ontwikkelde een constant-hellingprofiel dat een hoek maakt van 9,1 graden ten opzichte van de verticaal. Dit komt dichter in de buurt van de 6-graden helling op de bovenvlakken van de NJ-vorm en de F-vorm. Californië heeft dit constante-hellingprofiel gebruikt voor hun 1070 mm hoge vangrail van het type 60 langs de weg en voor hun brugleuning van het type 70.
Uit de botsproeven blijkt dat de prestaties van de Texaanse barrière met constante helling vergelijkbaar zijn met die van de NJ-vorm en de prestaties van de Californische barrière met constante helling vergelijkbaar zijn met die van de F-vorm. Deze steile barrières zijn beide getest met een vrachtwagen van 8000 kg (18.000 lb) overeenkomstig NCHRP-rapport 350, en het zijn beide barrières van testniveau vier (TL-4). Tot op heden zijn barrières met constante helling niet getest met trekker-opleggers of andere zware voertuigen; daarom zijn de bovenste prestatiegrenzen niet vastgesteld.
Draagbare barrières van beton
Draagbare barrières van beton (PCB’s) hebben de veiligheid in werkzones in de bouw sterk verbeterd. PCB’s zijn gemaakt van geprefabriceerde betonnen veiligheidsvormdelen die aan elkaar zijn gekoppeld om een doorlopende overlangse barrière te vormen. Omdat verplaatsbare betonnen barrières in de eerste plaats bedoeld zijn om te voorkomen dat uitwijkenden voertuigen bouwvakkers raken, moet de dynamische zijdelingse doorbuiging van deze barrières tot een minimum worden beperkt. In het algemeen kan de doorbuiging van de barrière tot een minimum worden beperkt door langere barrièresegmenten te gebruiken en door verbindingen te gebruiken die een buigmoment van 6913 kg-m (50 kip-ft) of meer kunnen ontwikkelen.
Deze verplaatsbare betonnen barrière van 510 mm hoog, die is ontwikkeld door het Texas Department of Transportation, heeft een achterwaartse helling van 2,8 graden (1 op 20) ten opzichte van de verticaal. Deze betonnen barrière met een laag profiel is met succes getest op een botsing met een pick-uptruck bij een snelheid van 72 km/h (45 mi/h).
Pin- en lusverbindingen zijn erg populair omdat ze gemakkelijk horizontale krommingen en veranderingen in verticale helling kunnen opvangen. Zij kunnen echter pas buigmomentcapaciteit ontwikkelen nadat de verbinding een aanzienlijke mate van rotatie heeft ondergaan. Een sluitring of splitpen aan het onderste uiteinde van de stalen pen is noodzakelijk om te voorkomen dat de pen bij een botsing verticaal uit de lussen springt. Lussen van betonijzer zijn beter dan draadlussen omdat zij bestand zijn tegen torsie van de barrières bij de verbindingen. Het strak trekken van de barrièresegmenten en het verankeren van de eindsegmenten aan de grond zijn ook zeer nuttig om de laterale doorbuiging te beperken. Het verankeren van elk segment van de barrière met stalen pennen die in de grond worden gedreven is zeer effectief, maar het is arbeidsintensief en maakt de barrière minder draagbaar.
Betonnen barrières met een laag profiel
Als een hellend vlak op een betonnen barrière een voertuig kan optillen, dan is het logisch dat een helling in de omgekeerde richting het voertuig omlaag kan houden door de bumper naar beneden te duwen. Het Texas Department of Transportation heeft een draagbare betonnen barrière van 510 mm hoog ontwikkeld voor gebruik in werkzones en op kruispunten waar de zichtafstand van de bestuurder door een hogere barrière zou worden geblokkeerd. De achterwaartse helling is 2,8 graden (1 op 20) ten opzichte van de verticaal. Deze betonnen barrière met laag profiel is met succes getest met een pick-up truck bij 72 km/h (45 mi/h). Het is niet getest bij hogere snelheden of met grotere voertuigen.
Conclusie
Elk van deze betonnen barrières vervult een niche en helpt tegemoet te komen aan de behoeften van wegbeheerders die verkeersbarrières selecteren, ontwerpen en plaatsen. Wat de veiligheidsprestaties betreft, is de F-vorm van 1070 mm (42 inch) momenteel onze beste technologie. Het F-vormig profiel is duidelijk superieur aan de NJ-vorm en wordt geleidelijk door meer staten gebruikt voor zowel verplaatsbare betonnen barrières als permanente barrières.
Charles F. McDevitt is constructeur bij het Bureau of Safety Research and Development van de Federal Highway Administration in het Turner-Fairbank Highway Research Center in McLean, Va. Hij heeft 39 jaar ervaring in het ontwerpen, testen en ontwikkelen van nieuwe producten. Hij kwam in 1978 bij de Federal Highway Administration. De laatste 22 jaar heeft hij gewerkt aan de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde verkeersbarrières. Hij heeft een mastergraad in civiele techniek van de Universiteit van Pennsylvania, en hij is een geregistreerd beroepsingenieur in Pennsylvania.