de Charles F. McDevitt
Principiile de bază ale barierelor din beton nu sunt în general cunoscute sau înțelese. Barierele din beton par a fi simple și necomplicate, dar, în realitate, sunt dispozitive de siguranță sofisticate.
Formele de siguranță din beton
Când majoritatea oamenilor se gândesc la bariere din beton, se gândesc la bariera din beton cu forme de siguranță din New Jersey (NJ-shape sau bariere Jersey). Pentru cele mai frecvente lovituri cu unghiuri puțin adânci, forma NJ este menită să reducă la minimum daunele provocate de tablă, permițând anvelopelor vehiculului să urce pe fața inferioară înclinată. (A se vedea figura 1.)
Pentru unghiuri de impact mai mari, forma NJ este de fapt o barieră în mai multe etape. Bara de protecție frontală lovește fața superioară înclinată și alunecă în sus. Această interacțiune inițiază ridicarea vehiculului. Dacă bara de protecție este relativ slabă, partea din față începe să se strivească înainte de a se produce orice ridicare. Apoi, pe măsură ce vehiculul devine mai aproape paralel cu bariera, roata intră în contact cu fața inferioară înclinată. Cea mai mare parte a ridicării suplimentare a vehiculului este cauzată de fața inferioară înclinată care comprimă suspensia față. Cu toate acestea, forțele de frecare laterală a roților asigură o anumită ridicare suplimentară, în special dacă fața barierei este aspră. Prin urmare, trebuie evitate agregatele expuse și alte finisaje de suprafață aspre. Vehiculele moderne au distanțe relativ scurte între bara de protecție și roată; ca urmare, contactul cu bara de protecție este urmat aproape imediat de contactul cu roata.
Este necesar doar să se ridice vehiculul suficient pentru a reduce frecarea dintre pneuri și suprafața pavată. Acest lucru ajută la înclinarea și redirecționarea vehiculului. În cazul în care vehiculul este ridicat prea sus în aer, acesta poate devia, se poate înclina sau se poate rostogoli, ceea ce poate provoca răsturnarea vehiculului atunci când roțile intră din nou în contact cu solul. De preferință, barierele de formă de siguranță din beton ar trebui să fie adiacente unei suprafețe pavate, astfel încât roțile să nu poată săpa în sol și să provoace răsturnarea vehiculului.
Cu mulți ani în urmă, era o practică obișnuită să se formeze o rază de 255 de milimetri (10 inch) la intersecția celor două suprafețe înclinate pentru a facilita cofrarea glisantă a barierei. Această rază nu mai este necesară pentru formarea prin alunecare. Utilajele moderne de formare prin alunecare pot forma cu ușurință bariere de beton cu o înălțime de până la 1320 mm (52 in) fără o rază.
„Depășirea” verticală de 75 mm (3 in) de la baza barierei are doar scopul de a oferi o linie curată pentru refacerea asfaltului. Această revelație verticală modifică foarte puțin dinamica vehiculului, deoarece are aproximativ același efect ca și lovirea unei borduri de 75 mm.
Achiderile de drenaj din fața revelației nu au un efect semnificativ asupra unui vehicul care lovește. Nu ar trebui să se utilizeze deschideri mai înalte deoarece roțile și parașocurile pot interacționa cu ele, agățându-se și provocând o deviație a vehiculului. Ori de câte ori este posibil, drenajul ar trebui să fie colectat de-a lungul vârfului barierei, deoarece o depresiune de drenaj sau o bordură în fața unei forme de siguranță din beton poate provoca instabilitatea vehiculului și poate duce la răsturnare.
Parametrul cheie de proiectare pentru un profil de formă de siguranță este distanța de la sol până la punctul de rupere a pantei, deoarece acesta determină cât de mult va fi comprimată suspensia. Pentru profilul NJ, această distanță este de 330 mm (13 in).
Vechiul profil General Motors, sau profil GM, avea o distanță de 380 mm (15 in) de la sol până la punctul de rupere a pantei. Această distanță mai mare a cauzat ridicarea excesivă a mașinilor mici din anii 1970, cum ar fi Chevrolet Vega. După impactul cu forma GM în testele de impact, aceste mașini mici deveneau instabile și aveau tendința de a se răsturna. Ca urmare, utilizarea formei GM a fost întreruptă.
Un studiu parametric (variația sistematică a parametrilor) al diferitelor configurații de profiluri care au fost etichetate de la A la F a arătat că F s-a comportat net mai bine decât forma NJ. Rezultatele acestor simulări pe calculator au fost confirmate de o serie de teste de impact la scară reală. Configurația F a devenit cunoscută sub numele de forma F.
Chiar dacă performanța formei F a fost superioară celei a formei NJ, aceasta nu a fost utilizată pe scară largă. Acest lucru s-a datorat faptului că statele erau foarte mulțumite de forma NJ, care îndeplinea, de asemenea, criteriile de crash-test. În plus, antreprenorii lor nu doreau să schimbe profilurile, deoarece aveau o investiție considerabilă în formele necesare pentru producerea formei NJ.
Cum se arată în figura 1, pantele formei F și ale formei NJ sunt identice. Diferența majoră constă în faptul că distanța de la sol până la punctul de rupere a pantei formei F este de 255 mm – cu 75 mm mai mică decât cea a formei NJ. Punctul de rupere a pantei mai mic a redus semnificativ ridicarea vehiculului și a îmbunătățit considerabil performanța barierei din beton.
Profilele în formă NJ și în formă F sunt strâns legate între ele. Dacă faceți o suprapunere de asfalt de 75 mm lângă forma NJ (și tăiați mental o nouă deschidere de 75 mm în betonul care rămâne deasupra suprafeței de asfalt), ați transformat forma NJ într-o formă F. Acest lucru înseamnă că lucrările de refacere a asfaltului pot converti de fapt forma NJ într-o formă mai sigură. Cu toate acestea, aceste suprapuneri de asfalt vor reduce înălțimea totală a barierei de beton și, în consecință, vor reduce eficacitatea acesteia pentru vehiculele mai grele.
Când un camion cu o singură unitate, cum ar fi un camion de închiriat Ryder sau U-Haul, lovește o barieră de beton într-un test de coliziune, acesta se rostogolește spre barieră până când partea inferioară a platformei camionului ajunge să se sprijine pe partea superioară a barierei. Acest lucru oprește mișcarea de rulare. Apoi, vehiculul alunecă de-a lungul părții superioare a barierei până când este redirecționat în poziție verticală. Pentru ca acest lucru să se întâmple, bariera de beton trebuie să aibă o înălțime minimă de 815 mm (32 in). Pentru a reține și redirecționa un vehicul cu 18 roți sau un tractor cu remorcă în cadrul unui test de impact, o barieră de beton trebuie să aibă o înălțime minimă de 1070 mm (42 in). În aceste coliziuni cu camioane, calea principală a încărcăturii este verticală, deoarece încărcătura este transferată de la partea inferioară a platformei camionului sau a remorcii la partea superioară a barierei de beton. O barieră de beton este, în esență, o coloană scurtă și corpolentă care poate rezista cu ușurință la aceste sarcini verticale.
Pentru că camioanele, autobuzele și alte vehicule mai grele au tendința de a aluneca de-a lungul vârfurilor barierelor de beton, este important să se mențină vârfurile acestor bariere libere de panouri, garduri, suporturi pentru corpuri de iluminat și alte accesorii care ar putea agăța vehiculul și l-ar putea face să se clatine. Atunci când este necesar să se prevadă suporturi pentru corpuri de iluminat pe barierele mediane din beton, barierele pot fi făcute mai groase în partea superioară în apropierea suportului pentru corpuri de iluminat și pot fi evazate pe laterale pentru a oferi o secțiune de tranziție laterală lină pentru vehiculul care lovește.
Barieră de siguranță cu formă de beton de înaltă performanță
Bariera din beton de înaltă performanță este uneori folosită ca barieră pentru camioane și pentru a oferi un ecran antiorbire integrat pe barierele mediane din beton (CMB). Puntea unui tractor cu remorcă este situată la aproximativ 1350 mm (53 in) deasupra solului. Deoarece puntea este un element structural puternic și rigid, aceasta poate produce forțe laterale semnificative atunci când lovește o barieră de beton. Prin urmare, orice barieră de beton mai înaltă de 1320 mm (52 in) ar trebui să aibă o anumită armătură în apropierea părții superioare – chiar și numai pentru a preveni ca betonul care se sparge să zboare în traficul din sens opus. Unele state au montat ecrane antiorbire din beton pe partea superioară a barierelor din beton existente. De obicei, aceste ecrane de strălucire din beton conțin o anumită armătură pentru a preveni scindarea.
Pentru a reține și redirecționa o cisternă de benzină de 36.000 kg după impacturi la unghiuri și viteze mari, este necesară o barieră de beton de 2290 mm (90 in).
Autoritatea New Jersey Turnpike Authority (NJTA) a testat în caz de accident și a dezvoltat o barieră mediană din beton cu o înălțime de 1070 mm (42 inci), care poate să conțină și să redirecționeze în siguranță autotrenurile în poziție verticală. Această barieră este realizată cu ajutorul cofrajelor NJ-shape. Rămășița verticală de 75 mm este acoperită cu asfalt pentru a ancora bariera împotriva răsturnării. (A se vedea figura 2.) Acest lucru transformă profilul barierei într-o barieră în formă de F, care nu are un gol vertical. Bariera mediană pentru vehicule grele de la NJTA are o grosime de 305 mm (12 inci) în partea superioară. Este puternic întărită.
Muroul înalt din Ontario este o barieră mediană din beton cu înălțimea de 1070 mm, cu același profil, dar fără întărire. Un test de coliziune cu un tractor cu remorcă de 36.000 de kilograme (80.000 de lire sterline) la o viteză de 85,3 kilometri pe oră (53 mile pe oră) și un unghi de impact de 15 grade a demonstrat că întărirea nu a fost necesară eoarece Ontario Tall Wall are 305 mm în partea superioară. Chiar dacă s-au format fisuri de contracție a betonului pe verticală aproximativ la fiecare 2440 până la 3355 mm (8 până la 11 picioare) și au pătruns complet prin secțiunea transversală a barierei, suprafața secțiunii transversale și întrepătrunderea agregatelor au fost suficiente pentru a transfera toate forțele laterale de impact peste secțiunile transversale fisurate.
Suprafețele de asfalt de 75 mm grosime care au ancorat ambele părți ale acestor bariere mediane de înaltă performanță nu s-au separat de beton în timpul testelor de impact cu tractoare cu remorcă. Alte teste de coliziune au arătat că suprapunerile de asfalt cu grosimea de 25,4 mm pe ambele părți ale barierelor mediane din beton cu înălțimea de 815 mm sunt suficiente pentru a le ancora în cazul impacturilor cu autoturisme și autobuze.
Multe state folosesc bariere de formă de siguranță din beton care au o grosime de numai 150 mm sau 200 mm în partea superioară. Tractoarele cu remorcă pot rupe o bucată de beton în formă de V la rosturile de construcție și se pot urca pe aceste bariere. Cu toate acestea, aceasta este o întâmplare atât de rară încât majoritatea statelor nu consideră că este fezabil din punct de vedere economic să folosească bariere mai groase sau să mărească armătura în apropierea rosturilor.
Semiremorcile cisternă cu benzină nu au niciun element structural expus între roți și rezervor, care este centrat la aproximativ 1980 mm (78 in) deasupra solului. Cu alte cuvinte, nu există nimic pe care bariera să se împingă între roți și cisternă. Roțile de 1070 mm pot interacționa cu o barieră din beton de 1070 mm înălțime și pot redirecționa vehiculul în cazul unor impacturi cu unghiuri mici. (A se vedea figura 2.) Cu toate acestea, pentru a reține și redirecționa o cisternă de benzină de 36.000 kg în urma unor impacturi la unghiuri și viteze mai mari, este necesară o barieră de beton mai înaltă de 2290 mm (90 inch).
Parapeturi verticale din beton
Când o formă de siguranță din beton ridică un vehicul, o parte din energia cinetică a vehiculului este convertită în energie potențială. Această energie potențială este transformată din nou în energie cinetică atunci când vehiculul se întoarce la sol.
Pereții parapeți verticali din beton nu au această caracteristică de gestionare a energiei, dar testele de coliziune au demonstrat că aceștia se pot comporta acceptabil ca bariere de trafic. Toată energia absorbită în cazul unui impact cu un perete vertical rigid se datorează strivirii vehiculului. De obicei, parapeții nu alunecă pe pereții verticali din beton și nu ridică vehiculul, astfel încât toate cele patru roți tind să rămână pe sol. Acest lucru minimizează potențialul de răsturnare a vehiculului. Deoarece vehiculul nu este ridicat și înclinat de peretele vertical, acest lucru crește, de asemenea, posibilitatea ca capul unui automobilist să treacă prin fereastra laterală și să intre în contact cu bariera verticală.
Roțile vehiculelor sunt proiectate în principal pentru a suporta sarcini verticale, nu sarcini orizontale. Traiectoriile autoturismelor după ce se izbesc de barierele verticale din beton pot fi incerte din cauza deteriorării roților care poate apărea atunci când puntea din față intră în contact cu bariera.
Barieră de beton cu pantă constantă
Nevoia de a avea un profil de barieră cu o singură pantă care să aibă o performanță mai consistentă decât un perete de beton cu fața verticală a dus la dezvoltarea barierelor cu pantă constantă. Atât barierele cu pantă constantă, cât și pereții verticali din beton pot facilita refacerea suprafețelor, deoarece performanța lor este insensibilă la grosimea stratului de asfalt. Acest lucru este deosebit de avantajos atunci când se construiesc bariere pe rampe curbe și pentru operațiunile de reasfaltare care, în caz contrar, ar necesita refacerea barierelor de siguranță din beton. Se poate face o suprapunere de până la 255 mm (10 in) înainte ca înălțimea barierei să fie redusă la 815 mm (32 in).
Bariera Texas Constant-Slope Barrier are o înălțime de 1070 mm (42 in) și are o față cu pantă constantă care face un unghi de 10,8 grade față de verticală. (A se vedea figura 3.) A fost inițial testată și dezvoltată pentru a fi utilizată ca barieră temporară din beton, dar a fost utilizată pe scară largă ca barieră mediană permanentă din beton.
California a dezvoltat un profil cu pantă constantă care face un unghi de 9,1 grade față de verticală. Aceasta este mai aproape de panta de 6 grade de pe fețele superioare ale formei NJ și ale formei F. California a folosit acest profil cu pantă constantă pentru bariera de tip 60 de 1070 mm înălțime de pe marginea drumului și pentru parapetul de tip 70 de pe pod.
Testele de impact indică faptul că performanța barierei cu pantă constantă din Texas este comparabilă cu cea a formei NJ și performanța barierei cu pantă constantă din California este comparabilă cu cea a formei F. Ambele bariere cu pantă constantă au fost testate cu un camion de 8 000 kg (18 000 lb) cu o singură unitate, în conformitate cu Raportul NCHRP 350, și ambele sunt bariere de nivel de testare patru (TL-4). Până în prezent, barierele cu pantă constantă nu au fost testate în caz de accident cu tractoare cu remorci sau alte vehicule grele; prin urmare, nu au fost stabilite limitele superioare de performanță ale acestora.
Bariere portabile din beton
Barierele portabile din beton (PCB) au îmbunătățit considerabil siguranța în zonele de lucru în construcții. PCB-urile sunt realizate din secțiuni prefabricate din beton cu formă de siguranță îmbinate împreună pentru a forma o barieră longitudinală continuă. Deoarece barierele portabile din beton sunt destinate în primul rând să împiedice vehiculele rătăcitoare să lovească lucrătorii din construcții, flexia laterală dinamică a acestor bariere trebuie să fie menținută la un nivel minim. În general, deformarea barierei poate fi redusă la minimum prin utilizarea unor segmente de barieră mai lungi și prin utilizarea unor îmbinări care pot dezvolta un moment de încovoiere de 6913 kg-m (50 kip-ft) sau mai mult.
Această barieră portabilă din beton cu înălțimea de 510 mm (20 inci), dezvoltată de Departamentul de Transporturi din Texas, are o pantă inversă de 2,8 grade (1 la 20) față de verticală. Această barieră din beton cu profil redus a fost testată cu succes în urma unui accident cu o camionetă la 72 km/h (45 mi/h).
Conexiunile cu știfturi și bucle sunt foarte populare, deoarece se pot adapta cu ușurință la curbura orizontală și la schimbările de pantă verticală. Cu toate acestea, ele pot dezvolta capacitatea de moment de încovoiere numai după ce îmbinarea a fost supusă unei rotații semnificative. La capătul inferior al știftului de oțel este necesară o șaibă sau un ac de siguranță pentru a împiedica știftul să sară pe verticală din bucle la impact. Buclele realizate din bare de armătură sunt mai bune decât buclele din sârmă, deoarece pot rezista la rotațiile de torsiune ale barierelor la îmbinări. Tragerea strânsă a segmentelor de barieră și ancorarea segmentelor de capăt la sol sunt, de asemenea, foarte utile pentru a reduce deformarea laterală. Ancorarea fiecărui segment de barieră cu știfturi de oțel înfipte în pământ este foarte eficientă, dar necesită multă muncă și face bariera mai puțin portabilă.
Barieră din beton cu profil redus
Dacă o față înclinată a unei bariere din beton poate ridica un vehicul, atunci este logic că o pantă în sens invers poate tinde să țină vehiculul în jos, împingând bara de protecție în jos. O barieră de beton portabilă cu o înălțime de 510 mm (20 inci) a fost dezvoltată de către Departamentul de Transport din Texas pentru a fi utilizată în zonele de lucru și în intersecțiile în care distanța de vizibilitate a șoferului ar fi blocată de o barieră mai înaltă. Panta inversă este de 2,8 grade (1 la 20) în raport cu verticala. Această barieră din beton cu profil redus a fost testată cu succes în urma unui accident cu o camionetă la 72 km/h (45 mi/h). Ea nu a fost testată la viteze mai mari sau cu vehicule mai mari.
Concluzie
Care dintre aceste tipuri de bariere din beton umple o nișă și ajută la satisfacerea nevoilor agențiilor rutiere care selectează, proiectează și localizează barierele de trafic. În ceea ce privește performanța în materie de siguranță, forma F de 1070 mm (42 in) este în prezent cea mai bună tehnologie a noastră. Profilul în formă de F este net superior profilului în formă de NJ și este utilizat treptat de mai multe state, atât pentru bariere de beton portabile, cât și pentru bariere permanente.
Charles F. McDevitt este inginer de structuri în cadrul Biroului de Cercetare și Dezvoltare a Siguranței al Administrației Federale a Autostrăzilor din cadrul Centrului de Cercetare a Autostrăzilor Turner-Fairbank din McLean, Va. El are 39 de ani de experiență în proiectarea, testarea și dezvoltarea de noi produse. S-a alăturat Administrației Federale a Autostrăzilor în 1978. În ultimii 22 de ani, a lucrat la dezvoltarea de bariere de trafic noi și îmbunătățite. Are o diplomă de master în inginerie civilă de la Universitatea din Pennsylvania și este inginer profesionist înregistrat în Pennsylvania.
.