by Charles F. McDevitt
Podstawowe zasady barier betonowych nie są ogólnie znane lub rozumiane. Bariery betonowe wydają się proste i nieskomplikowane, ale w rzeczywistości są to wyrafinowane urządzenia bezpieczeństwa.
Betonowe Kształty Bezpieczeństwa
Gdy większość ludzi myśli o barierach betonowych, myślą o betonowych barierach bezpieczeństwa New Jersey (NJ-shape lub bariery Jersey). W przypadku bardziej powszechnych uderzeń pod płytkim kątem, kształt NJ ma na celu zminimalizowanie uszkodzeń blachy poprzez umożliwienie oponom pojazdu wjechania na niżej nachyloną powierzchnię. (Patrz rysunek 1.)
W przypadku większych kątów uderzenia, kształt NJ jest w rzeczywistości barierą wielostopniową. Zderzak przedni uderza w górną pochyłą powierzchnię czołową i przesuwa się do góry. Ta interakcja inicjuje unoszenie pojazdu. Jeżeli zderzak jest stosunkowo słaby, przednia część pojazdu zaczyna się zgniatać, zanim nastąpi uniesienie. Następnie, gdy pojazd staje się prawie równoległy do bariery, koło styka się z dolną powierzchnią pochyłą. Większość dodatkowego uniesienia pojazdu jest spowodowana ściskaniem przedniego zawieszenia przez niżej położoną powierzchnię pochyłą. Jednak siły ścierające boczne koła zapewniają pewne dodatkowe uniesienie, zwłaszcza jeśli czoło bariery jest szorstkie. Dlatego też należy unikać odsłoniętego kruszywa i innych szorstkich wykończeń powierzchni. Nowoczesne pojazdy mają stosunkowo niewielkie odległości między zderzakiem a kołem; w rezultacie kontakt zderzaka z kołem następuje niemal natychmiast.
Należy jedynie unieść pojazd na tyle, aby zmniejszyć tarcie między oponami a utwardzoną nawierzchnią. Pomaga to w wyważeniu pojazdu i zmianie kierunku jazdy. Jeżeli pojazd zostanie uniesiony zbyt wysoko w powietrze, może się odchylać, przechylać lub toczyć, co może spowodować przewrócenie się pojazdu, gdy koła ponownie zetkną się z podłożem. Preferably, concrete safety shape barriers should be adjacent to a paved surface so that the wheels cannot dig into the soil and cause the vehicle to overturn.
Years ago, it was common practice to form a 255-millimeter (10-inch) radius at the intersection of the two sloping surfaces to facilitate slipforming the barrier. Promień ten nie jest już konieczny w przypadku formowania ślizgowego. Modern slipforming machines can readily slipform concrete barriers up to 1320 mm (52 in) in height without a radius.
The 75-mm (3-in) vertical „reveal” at the base of the barrier is only intended to provide a neat line for asphalt resurfacing. Ta pionowa szczelina w bardzo niewielkim stopniu zmienia dynamikę pojazdu, ponieważ ma mniej więcej taki sam efekt jak uderzenie w 75-mm krawężnik.
Otwory odpływowe w powierzchni czołowej szczeliny nie mają znaczącego wpływu na uderzający pojazd. Wyższe otwory nie powinny być stosowane, ponieważ koła i zderzaki mogą na nie oddziaływać, zahaczając o nie i powodując odchylenie pojazdu. Tam, gdzie to możliwe, drenaż powinien być zbierany wzdłuż palca bariery, ponieważ zagłębienie drenażowe lub krawężnik przed betonowym kształtem bezpieczeństwa może spowodować niestabilność pojazdu i doprowadzić do przewrócenia się pojazdu.
Kluczowym parametrem projektowym dla profilu kształtu bezpieczeństwa jest odległość od podłoża do punktu załamania zbocza, ponieważ określa ona, jak bardzo zawieszenie zostanie ściśnięte. W przypadku kształtu NJ odległość ta wynosi 330 mm (13 in).
Stary kształt General Motors, czyli kształt GM, miał odległość 380 mm (15 in) od podłoża do punktu załamania spadku. Ta większa odległość powodowała nadmierne unoszenie małych samochodów z lat 70-tych, takich jak Chevrolet Vega. Po zderzeniu z kształtem GM w testach zderzeniowych, te małe samochody stawały się niestabilne i miały tendencję do przewracania się. W rezultacie zaprzestano stosowania kształtu GM.
Badanie parametryczne (systematycznie zmieniające parametry) różnych konfiguracji profili oznaczonych literami od A do F wykazało, że kształt F zachowuje się wyraźnie lepiej niż kształt NJ. Wyniki tych symulacji komputerowych zostały potwierdzone przez serię testów zderzeniowych w pełnej skali. Konfiguracja F stała się znana jako kształt F.
Mimo, że osiągi kształtu F były lepsze od osiągów kształtu NJ, nie był on powszechnie stosowany. Wynikało to z faktu, że stany były zadowolone z kształtu NJ, który również spełniał kryteria testów zderzeniowych. Ponadto ich wykonawcy nie chcieli zmieniać profili, ponieważ dokonali znacznych inwestycji w formy wymagane do produkcji kształtu NJ.
Jak pokazano na rys. 1, nachylenia kształtu F i kształtu NJ są takie same. Główna różnica polega na tym, że odległość od podłoża do punktu załamania spadku w przypadku kształtu F wynosi 255 mm – 75 mm mniej niż w przypadku kształtu NJ. Niższy punkt załamania zbocza znacznie zmniejszył podnoszenie pojazdu i znacznie poprawił wydajność bariery betonowej.
Kształt NJ i profile o kształcie F są ściśle powiązane. Jeśli wykonamy 75-mm nakładkę asfaltową obok kształtu NJ (i mentalnie wytniemy nową 75-mm szczelinę w betonie, który pozostaje ponad powierzchnią asfaltu), to przekształcimy kształt NJ w kształt F. Oznacza to, że prace związane z naprawą nawierzchni asfaltowej mogą faktycznie przekształcić kształt NJ w bezpieczniejszą konstrukcję. Jednakże te nakładki asfaltowe zmniejszą ogólną wysokość bariery betonowej, a w konsekwencji zmniejszą jej skuteczność dla cięższych pojazdów.
Gdy pojedyncza ciężarówka, taka jak ciężarówka Ryder lub U-Haul z wypożyczalni, uderza w barierę betonową w teście zderzeniowym, toczy się w kierunku bariery aż do momentu, gdy spód skrzyni ładunkowej ciężarówki spocznie na górnej części bariery. To zatrzymuje ruch toczenia. Następnie pojazd ślizga się po górnej części bariery, aż zostanie skierowany do pionu. Aby było to możliwe, bariera betonowa musi mieć minimalną wysokość 815 mm (32 cale). W celu powstrzymania i przekierowania „18-kołowca” lub ciągnika siodłowego w teście zderzeniowym, bariera betonowa musi mieć minimalną wysokość 1070 mm (42 cale). W takich kolizjach z ciężarówkami główna ścieżka obciążenia jest pionowa, ponieważ obciążenie jest przenoszone z dolnej części skrzyni ładunkowej ciężarówki lub przyczepy na górną część bariery betonowej. Bariera betonowa jest zasadniczo krótką, przysadzistą kolumną, która może z łatwością wytrzymać te pionowe obciążenia.
Ponieważ ciężarówki, autobusy i inne cięższe pojazdy mają tendencję do ślizgania się po wierzchołkach barier betonowych, ważne jest, aby wierzchołki tych barier były wolne od znaków, ogrodzeń, wsporników opraw oświetleniowych i innych elementów, które mogłyby zahaczyć o pojazd i spowodować jego odchylenie. Gdy konieczne jest zapewnienie podpór opraw oświetleniowych na betonowych barierach ochronnych, bariery te mogą być grubsze u góry w pobliżu podpory oprawy oświetleniowej i zaokrąglone po bokach, aby zapewnić gładki odcinek przejściowy dla uderzającego pojazdu.
Wysokowydajne betonowe bariery ochronne
Wyższe bariery betonowe są czasami używane jako bariery dla samochodów ciężarowych oraz jako integralny ekran przeciwodblaskowy na betonowych barierach ochronnych (CMB). Pokład naczepy ciągnika znajduje się około 1350 mm (53 cale) nad ziemią. Ponieważ pokład jest mocnym, sztywnym elementem konstrukcyjnym, może on wytwarzać znaczne siły poprzeczne, gdy uderza w barierę betonową. Dlatego każda bariera betonowa, która jest wyższa niż 1320 mm (52 cale) powinna mieć jakieś zbrojenie w pobliżu jej szczytu – choćby po to, aby zapobiec wylewaniu się betonu na nadjeżdżający ruch. Niektóre stany mają betonowe ekrany przeciwodblaskowe na szczycie istniejących barier betonowych. Zazwyczaj te betonowe ekrany przeciwodblaskowe zawierają pewne zbrojenie, aby zapobiec wykruszaniu się betonu.
Aby powstrzymać i przekierować 36 000-kg cysternę z benzyną po uderzeniu pod dużym kątem i z dużą prędkością, wymagana jest bariera betonowa o średnicy 2290 mm (90 cali).
Wysoka ściana w Ontario to betonowa bariera środkowa o wysokości 1070 mm, o tym samym profilu, ale bez wzmocnienia. Test zderzeniowy z 36 000-kilogramową (80 000 funtów) naczepą ciągnika przy prędkości 85,3 kilometrów na godzinę i kącie uderzenia 15 stopni wykazał, że zbrojenie nie było konieczne, ponieważ Ontario Tall Wall ma u góry 305 mm. Mimo że pęknięcia skurczowe betonu tworzyły się pionowo co około 2440 do 3355 mm (8 do 11 stóp) i przenikały całkowicie przez przekrój poprzeczny bariery, powierzchnia przekroju poprzecznego i zazębienie kruszywa były wystarczające do przeniesienia wszystkich bocznych sił uderzenia przez pęknięte przekroje poprzeczne.
Nakładki asfaltowe o grubości 75 mm, które zakotwiczyły obie strony tych wysokowydajnych barier środkowych, nie oddzieliły się od betonu podczas testów zderzeniowych z ciągnikami siodłowymi. Inne testy zderzeniowe wykazały, że nakładki asfaltowe o grubości 25,4 mm po obu stronach betonowych barier środkowych o wysokości 815 mm są wystarczające do zakotwiczenia ich w przypadku zderzeń z samochodami osobowymi i autobusami.
W wielu stanach stosuje się betonowe bariery ochronne, które mają tylko 150 lub 200 mm grubości w górnej części. Ciągniki siodłowe mogą odłamać kawałek betonu w kształcie litery V na złączach konstrukcyjnych i wspiąć się na te bariery. Jest to jednak tak rzadkie zjawisko, że większość stanów nie uważa za ekonomicznie uzasadnione stosowania grubszych barier lub zwiększania zbrojenia w pobliżu złączy.
Naczepy cysterny z benzyną nie mają żadnych odsłoniętych elementów konstrukcyjnych między kołami a zbiornikiem, który jest umieszczony około 1980 mm nad ziemią. Innymi słowy, między kołami a zbiornikiem nie ma nic, na co mogłaby napierać bariera. Koła o średnicy 1070 mm mogą oddziaływać na betonową barierę o wysokości 1070 mm i przekierować pojazd w przypadku uderzeń pod płytkim kątem. (Patrz rys. 2.) Jednakże, aby powstrzymać i przekierować 36 000-kg cysternę z benzyną po uderzeniach pod wyższymi kątami i prędkościami, wymagana jest wyższa bariera betonowa o wysokości 2290 mm (90 cali).
Parapety betonowe pionowe
Gdy betonowy kształt zabezpieczający unosi pojazd, część energii kinetycznej pojazdu jest przekształcana w energię potencjalną. Ta energia potencjalna jest zamieniana z powrotem w energię kinetyczną, gdy pojazd powraca na ziemię.
Pionowe betonowe ściany parapetowe nie mają tej cechy zarządzania energią, ale testy zderzeniowe wykazały, że mogą one działać w sposób akceptowalny jako bariery drogowe. Cała absorpcja energii w zderzeniu ze sztywną ścianą pionową jest spowodowana zgnieceniem pojazdu. Zderzaki zazwyczaj nie przesuwają się po pionowych ścianach betonowych i nie podnoszą pojazdu, więc wszystkie cztery koła pozostają na podłożu. Minimalizuje to możliwość przewrócenia się pojazdu. Ponieważ pojazd nie jest podnoszony i przechylany przez pionową ścianę, zwiększa to również możliwość przedostania się głowy kierowcy przez boczne okno i zetknięcia się z pionową barierą.
Koła pojazdów są przede wszystkim zaprojektowane do przenoszenia obciążeń pionowych, a nie poziomych. Trajektorie samochodów osobowych po zderzeniu z pionowymi barierami betonowymi mogą być niepewne z powodu uszkodzeń kół, które mogą wystąpić, gdy przednia oś styka się z barierą.
Bariery betonowe o stałym nachyleniu
Potrzeba posiadania jednospadowego profilu bariery, który ma bardziej spójną wydajność niż ściana betonowa o pionowej powierzchni, doprowadziła do opracowania barier o stałym nachyleniu. Zarówno bariery o stałym nachyleniu, jak i pionowe ściany betonowe mogą ułatwić odnawianie nawierzchni, ponieważ ich działanie jest niewrażliwe na grubość nakładki asfaltowej. Jest to szczególnie korzystne podczas konstruowania barier na zakrzywionych rampach oraz podczas operacji wymiany nawierzchni, które w przeciwnym razie wymagałyby ponownego ustawiania betonowych barier ochronnych. Można wykonać do 255 mm (10 cali) nakładki, zanim wysokość bariery zostanie zredukowana do 815 mm (32 cale).
Teksańska bariera o stałym nachyleniu ma wysokość 1070 mm (42 cale) i posiada lico o stałym nachyleniu, które tworzy kąt 10,8 stopnia w odniesieniu do pionu. (Patrz rys. 3.) Pierwotnie testowano ją i opracowano do użytku jako tymczasową barierę betonową, ale jest ona powszechnie stosowana jako stała betonowa bariera środkowa.
Kalifornia opracowała profil o stałym nachyleniu, który tworzy kąt 9,1 stopnia względem pionu. Jest to bliższe nachyleniu 6 stopni na górnych powierzchniach kształtu NJ i kształtu F. W Kalifornii zastosowano ten profil o stałym nachyleniu do bariery drogowej typu 60 o wysokości 1070 mm i do bariery mostowej typu 70.
Testy zderzeniowe wskazują, że wydajność teksańskiej bariery o stałym nachyleniu jest porównywalna z wydajnością bariery o kształcie NJ, a wydajność kalifornijskiej bariery o stałym nachyleniu jest porównywalna z wydajnością bariery o kształcie F. Obie te bariery o stałym nachyleniu zostały przetestowane z użyciem ciężarówki o masie jednostkowej 8000 kg (18 000 funtów) zgodnie z NCHRP Report 350 i obie są barierami poziomu czwartego testu (TL-4). Jak dotąd bariery o stałym nachyleniu nie były testowane pod kątem zderzenia z przyczepami ciągnikowymi lub innymi ciężkimi pojazdami; dlatego nie ustalono ich górnych limitów wydajności.
Przenośne bariery betonowe
Przenośne bariery betonowe (PCB) znacznie poprawiły bezpieczeństwo w strefach robót budowlanych. Są one wykonane z prefabrykowanych betonowych kształtowników bezpieczeństwa, połączonych razem w ciągłą barierę wzdłużną. Ponieważ przenośne bariery betonowe mają za zadanie przede wszystkim uniemożliwić błądzącym pojazdom uderzenie w pracowników budowlanych, dynamiczne ugięcie boczne tych barier musi być ograniczone do minimum. Ogólnie rzecz biorąc, ugięcie bariery można zminimalizować, używając dłuższych segmentów bariery i stosując połączenia, które mogą rozwinąć moment zginający 6913 kg-m (50 kip-ft) lub większy.
Ta przenośna bariera betonowa o wysokości 510 mm (20 cali), opracowana przez Departament Transportu w Teksasie, ma nachylenie odwrotne wynoszące 2,8 stopnia (1 na 20) w stosunku do pionu. This low-profile concrete barrier was successfully crash-tested with a pickup truck at 72 km/h (45 mi/h).
Pin and loop connections are very popular because they can readily accommodate horizontal curvature and changes in vertical grade. Jednakże mogą one uzyskać zdolność do przenoszenia momentu zginającego dopiero po poddaniu połączenia znacznej ilości obrotów. Podkładka lub przetyczka na dolnym końcu stalowego sworznia jest konieczna, aby zapobiec pionowemu wyskoczeniu sworznia z pętli podczas uderzenia. Pętle wykonane z prętów zbrojeniowych są lepsze niż pętle z drutu, ponieważ są odporne na skręcanie barier w miejscach połączeń. Ściągnięcie segmentów bariery i zakotwiczenie segmentów końcowych do podłoża jest również bardzo pomocne w zmniejszeniu ugięcia bocznego. Zakotwiczenie każdego segmentu bariery za pomocą stalowych kołków wbitych w ziemię jest bardzo skuteczne, ale jest pracochłonne i sprawia, że bariera jest mniej przenośna.
Niskoprofilowe bariery betonowe
Jeśli nachylone czoło bariery betonowej może podnieść pojazd, to zrozumiałe jest, że nachylenie w odwrotnym kierunku może mieć tendencję do przytrzymywania pojazdu poprzez spychanie zderzaka w dół. Przenośna bariera betonowa o wysokości 510 mm (20 cali) została opracowana przez Departament Transportu w Teksasie do użytku w strefach robót i na skrzyżowaniach, w których odległość widzenia kierowcy byłaby zablokowana przez wyższą barierę. Nachylenie odwrotne wynosi 2,8 stopnia (1 na 20) w stosunku do pionu. Ta niskoprofilowa bariera betonowa została pomyślnie przetestowana w zderzeniu z samochodem ciężarowym typu pickup przy prędkości 72 km/h (45 mi/h). Nie testowano jej przy wyższych prędkościach ani z większymi pojazdami.
Wniosek
Każdy z tych typów barier betonowych wypełnia niszę i pomaga zaspokoić potrzeby agencji autostradowych, które wybierają, projektują i lokalizują bariery drogowe. Pod względem wydajności bezpieczeństwa, profil F o długości 1070 mm (42 cale) jest obecnie naszą najlepszą technologią. Profil F jest wyraźnie lepszy od profilu NJ i jest stopniowo wykorzystywany przez coraz więcej stanów zarówno w przypadku przenośnych barier betonowych, jak i barier stałych.
Charles F. McDevitt jest inżynierem strukturalnym w Biurze Badań i Rozwoju Bezpieczeństwa Federalnej Administracji Autostrad w Turner-Fairbank Highway Research Center w McLean, Va. Ma 39 lat doświadczenia w projektowaniu, testowaniu i opracowywaniu nowych produktów. Dołączył do Federalnej Administracji Autostrad w 1978 roku. Przez ostatnie 22 lata pracował nad rozwojem nowych i ulepszonych barier drogowych. Uzyskał tytuł magistra inżynierii cywilnej na Uniwersytecie Pensylwanii i jest zarejestrowanym zawodowym inżynierem w Pensylwanii.