av Charles F. McDevitt
De grundläggande principerna för betongbarriärer är inte allmänt kända eller förstådda. Betongbarriärer verkar vara enkla och okomplicerade, men i själva verket är de sofistikerade säkerhetsanordningar.
Concrete Safety Shapes
När de flesta tänker på betongbarriärer tänker de på New Jersey Concrete Safety Shape Barrier (NJ-shape eller Jersey barriers). När det gäller de vanligaste träffarna med en ytlig vinkel är NJ-formen avsedd att minimera skador på plåt genom att låta fordonsdäcken åka upp på den lägre sluttande ytan. (Se figur 1.)
För högre islagsvinklar är NJ-formen faktiskt en flerstegsbarriär. Den främre stötfångaren slår mot den övre sluttande ytan och glider uppåt. Denna interaktion inleder ett lyft av fordonet. Om stötfångaren är relativt svag börjar den främre delen att krossas innan någon upplyftning sker. När fordonet sedan blir mer parallellt med hindret kommer hjulet i kontakt med den nedre sluttande ytan. Större delen av fordonets ytterligare lyftning orsakas av att den lägre sluttande ytan trycker ihop den främre upphängningen. Hjulens sidoskrubbande krafter ger dock en viss ytterligare lyftning, särskilt om barriärytan är grov. Därför bör man undvika exponerade aggregat och andra grova ytbehandlingar. Moderna fordon har relativt korta avstånd mellan stötfångaren och hjulet; därför följs stötfångarkontakt nästan omedelbart av hjulkontakt.
Det är bara nödvändigt att lyfta fordonet tillräckligt mycket för att minska friktionen mellan däcken och den asfalterade ytan. Detta underlättar för att vinkla och styra om fordonet. Om fordonet lyfts för högt upp i luften kan det gira, luta eller rulla, vilket kan leda till att fordonet välter när hjulen återigen kommer i kontakt med marken. Säkerhetsformade barriärer av betong bör helst ligga i anslutning till en asfalterad yta så att hjulen inte kan gräva ner sig i marken och få fordonet att välta.
För flera år sedan var det vanligt att bilda en 255 millimeters (10 tum) radie i skärningspunkten mellan de två sluttande ytorna för att underlätta glidformning av barriären. Denna radie är inte längre nödvändig för glidformning. Moderna glidformningsmaskiner kan lätt glidforma betongbarriärer med en höjd på upp till 1320 mm (52 tum) utan radie.
Den 75 mm (3 tum) långa vertikala ”upphöjningen” vid barriärens bas är endast avsedd att ge en snygg linje för asfaltsbeläggning. Denna vertikala öppning gör mycket små förändringar i fordonsdynamiken eftersom den har ungefär samma effekt som att träffa en 75 mm kantsten.
Avrinningsöppningar på ytan av öppningen har ingen betydande effekt på ett påkörande fordon. Högre öppningar bör inte användas eftersom hjul och stötfångare kan interagera med dem, fastna och få fordonet att gira. Om möjligt bör dränering samlas upp längs barriärens tå eftersom en dräneringsfördjupning eller kantsten framför en säkerhetsform av betong kan orsaka instabilitet hos fordonet och leda till att fordonet välter.
Den viktigaste konstruktionsparametern för en säkerhetsforms profil är avståndet från marken till brytpunkten för lutningen, eftersom detta avgör hur mycket fjädringen kommer att komprimeras. För NJ-formen är detta avstånd 330 mm.
Den gamla General Motors-formen, eller GM-formen, hade ett avstånd på 380 mm från marken till sluttningens brytpunkt. Detta större avstånd orsakade överdrivet stora lyft av 1970-talets småbilar, t.ex. Chevrolet Vega. Efter att ha stött på GM-formen i krocktester blev dessa småbilar instabila och tenderade att välta. Därför upphörde användningen av GM-formen.
En parametrisk studie (systematiskt varierande parametrar) av olika profilkonfigurationer som betecknades A till F visade att F presterade klart bättre än NJ-formen. Resultaten av dessa datorsimuleringar bekräftades av en serie krocktester i full skala. Konfigurationen F blev känd som F-formen.
Trots att F-formens prestanda var bättre än NJ-formens prestanda användes den inte i stor utsträckning. Detta berodde på att delstaterna var mycket nöjda med NJ-formen, som också uppfyllde kriterierna för krocktesterna. Dessutom ville deras entreprenörer inte byta profil eftersom de hade gjort stora investeringar i de former som krävdes för att producera NJ-formen.
Som framgår av figur 1 är F-formens och NJ-formens lutningar lika stora. Den största skillnaden är att avståndet från marken till brytpunkten för F-formens lutning är 255 mm – 75 mm lägre än NJ-formens. Den lägre brytpunkten för lutningen minskade avsevärt fordonets lyftning och förbättrade betongbarriärens prestanda avsevärt.
NJ-formens och F-formens profiler är nära besläktade. Om man gör en 75 mm asfaltsöverdragning intill NJ-formen (och mentalt skär ut en ny 75 mm öppning i betongen som ligger kvar ovanför asfaltytan) har man omvandlat NJ-formen till en F-form. Detta innebär att asfaltbeläggning faktiskt kan omvandla NJ-formen till en säkrare utformning. Dessa asfaltsbeläggningar kommer dock att minska betongbarriärens totala höjd och följaktligen minska dess effektivitet för tyngre fordon.
När en lastbil med en enda enhet, t.ex. en hyrbil från Ryder eller U-Haul, träffar en betongbarriär i ett krocktest rullar den mot barriären tills lastbilens undersida kommer till vila på barriärens ovansida. Detta stoppar rullrörelsen. Därefter glider fordonet längs barriärens ovansida tills det återigen styrs uppåt. För att detta ska kunna ske måste betongbarriären ha en höjd på minst 815 mm (32 tum). För att hålla tillbaka och styra om en ”18-hjulig” eller traktorvagn i ett krockprov måste en betongbarriär ha en minimihöjd på 1070 mm (42 tum). Vid dessa kollisioner med lastbilar är den primära belastningsbanan vertikal eftersom belastningen överförs från lastbilens eller släpets undersida till betongbarriärens ovansida. En betongbarriär är i huvudsak en kort, kraftig pelare som lätt kan motstå dessa vertikala laster.
Då lastbilar, bussar och andra tyngre fordon tenderar att glida längs betongbarriärernas toppar är det viktigt att hålla dessa barriärers toppar fria från skyltar, staket, armaturstöd och andra tillbehör som kan fastna i fordonet och få det att gira. När det är nödvändigt att tillhandahålla armaturstöd på betongmedianbarriärer kan barriärerna göras tjockare på ovansidan i närheten av armaturstödet och utvidgas på sidorna för att ge en smidig lateral övergångssektion för det påkörande fordonet.
Säkerhetsbarriärer av högpresterande betong med hög prestanda
Högre betongbarriärer används ibland som lastbilsbarriärer och för att tillhandahålla ett integrerat bländskydd på betongmedianbarriärer (CMB). Däcket på en traktorsläpvagn ligger ungefär 1350 mm (53 tum) över marken. Eftersom däcket är en stark och styv konstruktionsdel kan det ge upphov till betydande sidokrafter när det träffar en betongbarriär. Därför bör alla betongbarriärer som är högre än 1320 mm (52 tum) ha en viss förstärkning nära toppen – om inte annat så för att förhindra att avskalad betong flyger in i mötande trafik. I vissa delstater har man gjort glidskärmar av betong i glidform ovanpå befintliga betongbarriärer. Vanligtvis innehåller dessa betongskärmar en viss armering för att förhindra avsmalning.
För att hålla tillbaka och omdirigera en bensintankbil på 36 000 kg efter kollisioner i höga vinklar och hastigheter krävs en betongbarriär med en diameter på 2290 mm (90 tum).
New Jersey Turnpike Authority (NJTA) har krocktestat och utvecklat en 1070 mm hög betongbarriär i mittremsan som på ett säkert sätt kan hålla tillbaka och styra om dragbilar till ett upprätt läge. Denna barriär är tillverkad med NJ-shape-formar. Den 75 mm långa vertikala öppningen är täckt med asfalt för att förankra barriären så att den inte kan välta. (Se figur 2.) Detta förvandlar barriärprofilen till en F-form som inte har någon vertikal öppning. NJTA:s mitträcke för tunga fordon är 305 mm tjockt på ovansidan. Den är kraftigt förstärkt.
Ontario Tall Wall är en 1070 mm hög mitträcke i betong med samma profil, men utan förstärkning. Ett krocktest med en dragbil på 36 000 kg (80 000 pund) vid 85,3 kilometer i timmen (53 miles i timmen) och en islagsvinkel på 15 grader visade att förstärkning inte var nödvändig eftersom Ontario Tall Wall är 305 mm tjock i toppen. Även om betongkrympsprickor bildades vertikalt ungefär var 2440 till 3355 mm (8 till 11 fot) och trängde helt igenom barriärens tvärsnitt, var tvärsnittsytan och aggregatets sammanfogning tillräckliga för att överföra alla sidokollisionskrafter över de spruckna tvärsektionerna.
Den 75 mm tjocka asfaltöverlagring som förankrade båda sidorna av dessa högpresterande mitträcken lossnade inte från betongen under krocktesterna med traktorsläpvagnar. Andra krocktester har visat att 25,4 mm tjocka asfaltöverdrag på båda sidor av 815 mm höga betongmedianbarriärer i betong är tillräckliga för att förankra dem vid kollisioner med personbilar och bussar.
Många delstater använder säkerhetsformade barriärer i betong som endast är 150 eller 200 mm tjocka på ovansidan. Traktorfordon kan bryta av en V-formad bit betong vid konstruktionsfogarna och klättra upp på dessa barriärer. Detta är dock en så sällsynt händelse att de flesta stater inte finner det ekonomiskt genomförbart att använda tjockare barriärer eller att öka förstärkningen i närheten av skarvarna.
Släpvagnar för bensintankbilar har inga exponerade konstruktionselement mellan hjulen och tanken, som är centrerad cirka 1980 mm (78 tum) över marken. Det finns med andra ord ingenting som barriären kan trycka på mellan hjulen och tanken. Hjulen på 1070 mm kan interagera med en 1070 mm hög betongbarriär och styra om fordonet vid kollisioner med grunda vinklar. (Se figur 2.) Men för att innesluta och omdirigera en bensintankbil på 36 000 kg efter kollisioner i högre vinklar och hastigheter krävs en högre 2290 mm hög betongbarriär.
Vertikala betongparapeter
När en säkerhetsform av betong lyfter ett fordon omvandlas en del av fordonets kinetiska energi till potentiell energi. Denna potentiella energi omvandlas tillbaka till kinetisk energi när fordonet återvänder till marken.
Vertikala betongbrädor har inte denna energihanteringsfunktion, men krocktester har visat att de kan fungera på ett acceptabelt sätt som trafikbarriärer. All energiupptagning vid en kollision med en styv vertikal vägg beror på att fordonet krossas. Stötfångarna glider vanligtvis inte uppför vertikala betongväggar och lyfter fordonet, så alla fyra hjulen tenderar att stanna på marken. Detta minimerar risken för att fordonet välter. Eftersom fordonet inte lyfts och lutas av den vertikala väggen ökar också risken för att en bilists huvud går in genom en sidoruta och kommer i kontakt med den vertikala barriären.
Fordonens hjul är i första hand konstruerade för att hantera vertikala laster, inte horisontella laster. Personbilars banor efter att ha kraschat in i vertikala betongbarriärer kan vara osäkra på grund av hjulskador som kan uppstå när framaxeln kommer i kontakt med barriären.
Betongbarriärer med konstant lutning
Behovet av att ha en barriärprofil med en enda lutning som har mer konsekvent prestanda än en betongvägg med vertikal yta ledde till utvecklingen av barriärer med konstant lutning. Både barriärer med konstant lutning och vertikala betongväggar kan underlätta ytbeläggning eftersom deras prestanda är okänslig för tjockleken på asfaltbeläggningen. Detta är särskilt fördelaktigt när man bygger barriärer på krökta ramper och vid ytbeläggningar som annars skulle kräva att säkerhetsbarriärer av betong återställs. Upp till 255 mm (10 tum) överlagring kan göras innan barriärens höjd minskas till 815 mm (32 tum).
The Texas Constant-Slope Barrier är 1070 mm (42 tum) hög och har en konstant lutande yta som bildar en vinkel på 10,8 grader i förhållande till vertikalplanet. (Se figur 3.) Den testades och utvecklades ursprungligen för att användas som en tillfällig betongbarriär, men den har använts i stor utsträckning som en permanent betongbarriär för mitträcken.
Kalifornien har utvecklat en profil med konstant lutning som bildar en vinkel på 9,1 grader i förhållande till vertikalen. Detta ligger närmare den 6 graders lutning på de övre sidorna av NJ-formen och F-formen. Kalifornien har använt denna profil med konstant lutning för sina 1070 mm höga vägräcken av typ 60 och för sina broskenor av typ 70.
Av krocktesterna framgår att prestandan hos Texas Constant-Slope Barrier är jämförbar med NJ-formen och att prestandan hos California Constant-Slope Barrier är jämförbar med F-formen. Dessa barriärer med konstant lutning har båda testats med en lastbil på 8000 kg (18 000 lb) i enlighet med NCHRP-rapport 350, och de är båda barriärer på testnivå fyra (TL-4). Hittills har barriärer med konstant lutning inte krocktestats med dragbilar eller andra tunga fordon; därför har deras övre prestandagränser inte fastställts.
Portabla betongbarriärer
Portabla betongbarriärer (PCB:er) har avsevärt förbättrat säkerheten i arbetsområden för byggnadsarbeten. PCB är tillverkade av förtillverkade säkerhetsformade sektioner i betong som är sammanfogade för att bilda en kontinuerlig längsgående barriär. Eftersom bärbara betongbarriärer i första hand är avsedda att hindra felande fordon från att träffa byggnadsarbetare, måste dessa barriärers dynamiska sidoavböjning hållas så liten som möjligt. I allmänhet kan barriärens nedböjning minimeras genom att använda längre barriärsegment och genom att använda skarvar som kan utveckla ett böjmoment på 6913 kg-m (50 kip-ft) eller mer.
Denna 510 mm höga bärbara betongbarriär, som har utvecklats av Texas Department of Transportation, har en bakåtriktad lutning på 2,8 grader (1 på 20) i förhållande till vertikalplanet. Denna lågprofilerade betongbarriär har framgångsrikt krocktestats med en pickup i 72 km/h.
Stift- och slingförbindelser är mycket populära eftersom de lätt kan ta hänsyn till horisontell krökning och förändringar i den vertikala lutningen. De kan dock utveckla böjmomentkapacitet först efter att leden har genomgått en betydande mängd rotation. En bricka eller kottstift i stålstiftets nedre ände är nödvändig för att förhindra att stiften hoppar ut vertikalt ur öglorna vid en stöt. Slingor av armeringsjärn är bättre än trådslingor eftersom de kan motstå vridning av barriärerna vid skarvarna. Att dra ihop barriärsegmenten och förankra ändsegmenten i marken är också till stor hjälp för att minska den laterala nedböjningen. Att förankra varje barriärsegment med stålstift som drivs ner i marken är mycket effektivt, men det är arbetsintensivt och gör barriären mindre portabel.
Betongbarriärer med låg profil
Om en sluttande yta på en betongbarriär kan lyfta ett fordon, är det självklart att en sluttande yta i den motsatta riktningen kan ha en tendens att hålla fordonet nere genom att pressa stötfångaren nedåt. En 510 mm (20 tum) hög bärbar betongbarriär har utvecklats av Texas Department of Transportation för användning i arbetsområden och korsningar där förarens siktsträcka skulle blockeras av en högre barriär. Den bakåtriktade lutningen är 2,8 grader (1 på 20) i förhållande till vertikalplanet. Denna lågprofilerade betongbarriär har framgångsrikt krocktestats med en pickup i 72 km/h (45 mi/h). Den har inte testats vid högre hastigheter eller med större fordon.
Slutsats
Var och en av dessa typer av betongbarriärer fyller en nisch och bidrar till att tillgodose behoven hos de vägmyndigheter som väljer, utformar och placerar trafikbarriärer. När det gäller säkerhetsprestanda är F-formen på 1070 mm (42 tum) för närvarande vår bästa teknik. F-profilen är klart överlägsen NJ-profilen och används gradvis av fler delstater för både bärbara betongbarriärer och permanenta barriärer.
Charles F. McDevitt är konstruktionsingenjör vid Federal Highway Administration’s Office of Safety Research and Development vid Turner-Fairbank Highway Research Center i McLean, Va. Han har 39 års erfarenhet av att utforma, testa och utveckla nya produkter. Han började arbeta för Federal Highway Administration 1978. Under de senaste 22 åren har han arbetat med att utveckla nya och förbättrade trafikhinder. Han har en masterexamen i civilingenjörsvetenskap från University of Pennsylvania och är registrerad yrkesingenjör i Pennsylvania.