Saving Lives by Design: Tiesuojajärjestelmien suunnittelu

Tuomio: Oikein määritellyt suojakaiteet vähentävät kuolemaan johtaneita törmäyksiä tieajossa 78 %

Kiinteiden vaarojen (sillat, pengerrykset, jyrkät rinteet tai vastakkainen liikenne) lähellä olevilla tieosuuksilla oikein valittu tien suojakaide vähentää kuolemaan johtavien törmäysten määrää (ROR) dokumentoitu 78 % verrattuna ei estettä , joka perustuu 15 000 ROR-törmäyksen FHWA-onnettomuustietojen analyysiin. Suora johtopäätös: tien suojakaiteet on määriteltävä testitason (TL-1 - TL-5), vapaan etäisyyden (työleveyden) ja taipumaluokan (matala, puolijäykkä tai jäykkä) mukaan ajonopeuden, liikennemäärän ja vaaran vakavuuden perusteella. Tämä artikkeli sisältää erityiset valintakriteerit W-palkki- ja kolmipalkkiprofiileille, pylväiden välille (1,9–3,8 m), estotyypeille (puu, muovi tai teräs) ja pääteosille (törmäystyynyt ja päätykäsittelyt), jotka perustuvat NCHRP 350:n ja MASH-törmäystestausstandardien empiirisiin tietoihin.

Suojakaiteen testitasot: TL-1 - TL-5 selitetty

Tien suojakaide Yhdysvalloissa olevien järjestelmien on täytettävä MASH (Manual for Assessing Safety Hardware) määritellyt törmäystestit. Kuusi testitasoa (TL-1 - TL-6) määrittelee törmäysolosuhteet eri tietyypeille. Nopeilla moottoriteillä (70 mph / 110 km/h suunnittelunopeus) vähimmäisvaatimus on TL-3, joka testaa törmäyksen 2 270 kg:n noutonopeudella 100 km/h ja 25 asteen kulmassa . TL-4 lisää 10 000 kg:n yksiosaisen kuorma-auton nopeudella 90 km/h; TL-5 lisää 36 000 kg:n vetoauton 80 km/h nopeudella. Virheellinen TL-3-suojakaiteen määrittäminen moottoritiellä, jossa kuorma-autoliikenne on 20 %, aiheuttaa tunkeutumisriskin – puomi sisältää autoja, mutta se ei ehkä pysty ohjaamaan puoliperävaunua.

Teille, joilla on sekaliikennettä (autot ja kuorma-autot), TL-4 on vähimmäissuositus. Törmäystiedot osoittavat, että TL-3-esteet teillä, joilla kuorma-autoliikenteestä 15 % on 35–40 % raskaiden ajoneuvojen törmäykset verrattuna 5-10 %:iin TL-4-esteillä. Lisäkustannukset TL-3:sta TL-4:ään päivittämisestä ovat 15-25 dollaria lineaarimetriltä – pieni lisäys hengenpelastussuorituskyvystä.

W-Beam vs. Thrie-Beam -profiilin valinta

Kaksi suojakaiteen profiilia hallitsee maailmanlaajuista liikenneturvallisuutta: W-palkki (12- tai 10-leveys, 310 mm leveys, 80 mm syvyys) ja kolmipalkki (leveys 360 mm, syvyys 100 mm, kolme poimutusta). W-palkki on vakiona TL-3-sovelluksissa ja tarjoaa riittävän suojan henkilöautoille ja kevyille kuorma-autoille . Trie-palkki on määritelty TL-4- ja TL-5-sovelluksiin, ja se tarjoaa 40 % suuremman leikkausmoduulin ja 25 % paremman iskunkestävyyden kuin W-palkki. Kolmipalkki toimii myös huomattavasti paremmin moottoripyörän törmäyksissä – syvemmät aallot vähentävät riskiä, ​​että kisko tunkeutuu ajajan alavartaloon, mikä tapahtuu 15-20 %:ssa moottoripyörän törmäyksistä W-palkkien suojakaiteiden kanssa.

Materiaalin paksuus: W-palkki on saatavana 12 gauge (2,66 mm) tai 10 gauge (3,42 mm). 10 gauge W-palkki tarjoaa 35-40 % suuremman murtolujuuden kuin 12 gauge 20-25 %:n kustannuslisällä. Suurinopeuksisille moottoriteille (ilmoitettu nopeus > 105 km/h) määritä 10-ratainen W-säde tai kolmipalkki testitasosta riippumatta. Hitailla nopeuksilla tai vähäliikenteisillä teillä 12 raidan W-säde on hyväksyttävä. Kaikkien suojakaiteiden on täytettävä ASTM A653 -standardit galvanoidulle teräkselle, jonka pinnoitepaino on vähintään 610 g/m² (G210). Pinnoitteen paino alle G210 aiheuttaa korroosiorei'ityksen 10-12 vuodessa rannikko- tai jäänpoistoympäristöissä.

Viestiväli ja dynaaminen taipuma

Suojakaiteen pylväiden etäisyys määrittää järjestelmän dynaamisen taipuman – kuinka pitkälle este liikkuu sisäänpäin törmäyksen aikana ennen ajoneuvon suuntaamista. TL-3 W-palkin vakiopylväsväli on 1,9–3,8 m, ja taipuma vaihtelee 0,8 metristä (1,9 metrin etäisyys) 1,5 metriin (3,8 metrin väli). . Poikkeaminen on kriittinen, koska suojakaide ei saa poiketa vierekkäisiin vaaroihin (puihin, kylttipylväisiin, pylväisiin tai vastakkaisiin kaistoja). Jos este on sijoitettu 1,2 metrin etäisyydelle kiinteästä vaarasta, määritä suurin taipuma 1,0 m tai vähemmän, edellyttäen, että pylväiden väli on 2,5 m tai tiukempi. Yli 2,0 metrin välysesteissä 3,8 metrin etäisyys on hyväksyttävä.

Viestin upotussyvyys: C-profiiliset terästolpat (100 mm x 50 mm x 5 mm) vaativat 1,1–1,2 metrin upotuksen tyypilliseen maahan , mitattuna alkuperäisestä maanpinnasta tolpan kärkeen. Matala upottaminen (alle 0,9 m) vähentää sivuttaiskapasiteettia 50-60 %, jolloin pylväs kallistuu liikaa törmäyksen vaikutuksesta, mikä mahdollistaa ajoneuvon ohituksen. Huonossa maaperässä (löysä hiekka, pehmeä savi tai korkea pohjavesipohja) määritä betonitäyte tai pidemmät pylväät (1,5–1,8 metrin upotus). Jälkiajon täytyy saavuttaa vähintään 12 iskua 300 mm:n upotuskohdassa käyttämällä 450 kg:n pudotusvasaraa, joka putoaa 1 metrin päästä – pienemmät iskumäärät viittaavat riittämättömään maaperän tiheyteen ja vaativat maaperän kunnostusta.

Esteet: Puu-, muovi- tai teräsvälikkeet

Esteet (kiskon ja tolpan väliin asennetut välikappaleet) palvelevat kolmea tehtävää: siirtävät kiskoa pyörän juuttumisen estämiseksi, tarjoavat hallitun energiaa vaimentavan liitoksen ja suojaavat galvanoitua pinnoitetta. Puusuljet (käsitelty keltainen mänty, 150 mm x 200 mm x 75 mm) ovat yleisimpiä, maksavat 8-12 dollaria kappale ja tarjoavat 80-100 kN leikkauskestävyyden. . Puusulut rikkoutuvat hallitusti törmäyksen aikana, jolloin kisko irtoaa pylvästä ja liukuu pylväitä pitkin, mikä laajentaa törmäysaluetta. Muoviset lohkot (suuritiheyksinen polyeteeni) maksavat 15-20 dollaria kukin, mutta kestävät 2-3 kertaa pidempään kuin puu suolaisissa ympäristöissä. Terässulkijat (muovattu levy) maksavat kukin 20–25 dollaria ja tarjoavat suurimman lujuuden, mutta siirtävät enemmän iskukuormitusta pylvääseen, mikä lisää jälkivaihtoastetta pienten iskujen jälkeen.

Ympäristöissä, joissa on jäänpoistosuolaa (pohjoinen ilmasto, vuoristosolat), vältä puukatkoja. Puu imee suolaista kosteutta ja mätänee 5–7 vuodessa, jolloin pultit löystyvät ja suojakaiteen lujuus heikkenee 40–50 %. . Määritä suolavyöhykkeille muoviset suojat, joissa on vähimmäismäärä UV-stabilisaattoria. Aavikkoympäristöissä (alhainen kosteus, korkea UV-säteily) puutukokset epäonnistuvat halkeilemalla ja halkeamalla 8-10 vuoden kuluttua; määritä muovi tai teräs. Kaikki lukitukset vaativat 16 mm:n läpimeneviä pultteja ja 50 mm:n neliömäisiä aluslevyjä molemmilla puolilla; alamittaiset aluslevyt (halkaisijaltaan alle 40 mm:n pyöreät aluslevyt) vetäytyvät kiskon läpi törmäyksen aikana aiheuttaen suojakaiteen rikkoutumisen.

Pääteosat: Loppukäsittelyt ja törmäystyynyt

Suojakaiteen pää on vaarallinen, ellei sitä päätetä kunnolla. Päättämättömät suojakaiteen päät (tylpät tai ankkuroimattomat) aiheuttavat 30–40 % kaiteeseen liittyvistä kuolemista , tyypillisesti kun ajoneuvo törmää paljaaseen päähän ja kisko tunkeutuu matkustamoon. Kaikkien pääteosien on oltava MASH-testattuja loppukäsittelyjä. Kaksi tyyppiä hallitsevat: levennetyt energiaa vaimentavat terminaalit (FLEAT tai vastaavat), jotka hidastavat törmäystä ajoneuvoihin kontrolloidun suulakepuristuksen avulla, ja upotetut rinteeseen upotetut terminaalit, joissa kisko kapenee 15-20 metrin pituiseksi maapenkereeksi.

FLEAT-terminaalit maksavat 1 500–2 500 dollaria per pää ja vaativat 10–15 metriä levenevän kiskon linjausta. Törmäystyynyt (uudelleensuuntaavat tai ei-uudelleenohjautuvat) tarvitaan keskiesteissä, joissa isku voi tapahtua kummasta tahansa suunnasta . Kapeille mediaaneille (alle 10 m leveälle) määritä TL-3 törmäystyyny kunkin mediaaniesteen molempiin päihin. Törmäystyynyt maksavat 3 000–8 000 dollaria kukin, mutta ne vähentävät törmäyksen vakavuutta 60–80 % tylppään päätteeseen verrattuna. Hitailla teillä (<60 km/h) yksinkertaiset päätyankkurit, joissa on haudattu pääteosuus, ovat hyväksyttäviä, mutta ne on tarkastettava vuosittain penkereen eroosion varalta, joka paljastaa kiskon kärjen.

Sillan siirtymät ja lähestymissuojakaiteet

Lähestymissuojakaiteen ja siltakiskon välinen rajapinta on tunnettu heikko kohta tiepuomijärjestelmissä. Törmäystiedot osoittavat, että 25–30 % suojakaiteiden läpiviennistä tapahtuu 10 metrin säteellä sillan kiskojen siirtymistä johtuen puolijäykän suojakaiteen (jousto) ja jäykän siltakiskon (betoni tai teräs) välillä olevasta jäykkyydestä. Kunnollisen siirtymäosan on vähitellen lisättävä järjestelmän jäykkyyttä 6-12 metriin käyttämällä vahvistettuja pylväitä, kolmipalkkikiskoa tai sisäkkäisiä W-palkkeja. Määritä sillan omistajan hyväksymä siirtymälaitteisto, joka on törmäystestattu samalle TL-tasolle kuin lähestymissuojakaiteen.

Kriittinen ulottuvuus: lähestymissuojakaiteen on oltava pysty- ja vaakasuorassa suunnassa sillan kaiteen kanssa 15 mm:n poikkeaman sisällä . Yli 25 mm:n kohdistusvirhe luo jumituskohdan, joka vangitsee ajoneuvon pyörät. Ennen asennusta tarkasta sekä lähestymisaste että sillan kiskon korkeus; säädä suojakaiteen pylväiden korkeutta ja täytä tasoitus tarpeen mukaan. Tarkista asennuksen jälkeen kohdistus siirtymän poikki sijoitetulla 3 metrin suoralla reunalla; yli 10 mm:n rako vaatii välilevyn tai uudelleenasennuksen.

Tyhjennä vyöhykkeen etäisyys ja suojakaiteen sijoitus

Vapaa vyöhyke on esteetön alue ajetun tien ulkopuolella. AASHTO Green Book määrittelee, että suojakaiteet tulee sijoittaa vapaalle vyöhykkeen rajalle – ei mielivaltaisesti lähelle ajorataa. 110 km/h moottoritiellä, jonka sivukaltevuus on 2:1, suositeltava vapaan alueen leveys on 7-10 metriä . Suojakaiteen sijoittaminen lähemmäksi vapaan alueen leveyttä lisää ajoneuvon törmäystiheyttä ja -vakavuutta. Sitä vastoin suojakaiteen sijoittaminen vapaan alueen ulkopuolelle jättää vaarat suojaamatta.

Mitattuna ajetun tien reunasta suojakaiteen etupuolelle: Pienin poikkeama on 0,6 m, jotta ajoneuvo palautuu ennen kaidetörmäystä, suurin poikkeama on 2,5 m TL-3-esteille (2,5 m:n yli, suojakaiteeseen voidaan törmätä kulmassa, joka ylittää suunnittelurajat) . Alle 0,6 metrin poikkeamille (tyypillistä siltakäytävissä tai rajoitetuissa kaupunkikäytävissä) määritä korkeampi TL-taso (TL-4 TL-3:n sijaan) jyrkemmän tehokkaan törmäyskulman kompensoimiseksi. Jos poikkeama on yli 2,5 m, lisää pylväiden väliä tai harkitse esteen poistamista, jos vapaa vyöhyke on esteetön.

Galvanointi- ja korroosiosuojastandardit

Kaikki tien suojakaiteen teräskomponentit on kuumasinkitty ASTM A123 tai A653 mukaisesti. Suojakaiteen pinnoitteen vähimmäispaino muissa kuin rannikkoympäristöissä on 550 g/m² (G185), jolloin ensimmäiseen korroosioon kuluu 25-30 vuotta . Rannikkoympäristöissä (1,6 km:n säteellä suolaisesta vedestä) tai alueilla, joilla on runsaasti jäänpoistosuolaa (vuosittainen suolan käyttö > 10 tonnia kaistakilometriä kohti), määritä 700 g/m² (G235) pinnoite tai kaksipuolinen pinnoite (galvanointi plus jauhemaalaus). Jauhemaalaus lisää 2–4 dollaria lineaarimetriltä, ​​mutta pidentää käyttöikää 40 vuoteen vaikeissa olosuhteissa.

Galvanoidun suojakaiteen kenttäleikkaus (esim. kiskojen lyhentäminen työmaan olosuhteisiin sopivaksi) vahingoittaa pinnoitetta leikatuissa reunoissa. Kaikki leikatut reunat on pinnoitettava kylmäsinkitysaineella (vähintään 95 painoprosenttia sinkkipölyä) 24 tunnin sisällä leikkauksesta . Pinnoittamattomat leikatut reunat syöpyvät 5-10 kertaa ehjän galvanoinnin nopeudella, mikä johtaa 0,2-0,5 mm:n leikkaushäviöön vuodessa suolaisissa ympäristöissä. Viidessä vuodessa päällystämätön leikkausreuna voi pienentää kiskon paksuutta 3,4 mm:stä alle 2,0 mm:iin ja menettää 40-50 % iskukapasiteetista.

Huolto ja törmäyksen jälkeinen korjaus

Tien suojakaiteet vaativat tarkastuksen 6-12 kuukauden välein, ja ne on korjattava välittömästi estettä vahingoittavan törmäyksen jälkeen. Yleiset korjausta vaativat vauriot: kiskon taipuma yli 300 mm suunnittelulinjauksesta, pylvään kaltevuus yli 15 astetta pystysuorasta, kiskon jatkokset yli 10 mm:n etäisyydellä toisistaan tai paljas leikkausreuna, jota ei ole kenttäpinnoitettu . TL-3 W-palkin korjauskustannukset ovat keskimäärin $150-250 per pylväs ja $80-120 per 4m kiskoosuus. Viivästynyt korjausaine: yksi vaurioitunut pylväs vähentää viereisen pylvään kapasiteettia 30-40 %, jolloin seuraava törmäys 3-5 kertaa todennäköisemmin läpäisee esteen.

Iskun jälkeinen vaihtoprotokolla: poista ja vaihda pylväät, joissa on näkyviä halkeamia, taivutettuja yli 10 astetta pystysuorasta tai vedetty ulos (pystysuuntainen liike 25 mm tai enemmän) . Älä yritä oikaista taivutettuja pylväitä – kylmäoikaisu vähentää teräksen lujuutta 30-50 % työkarkaisun vuoksi. Vaihda kisko-osien osalta kaikki osat, joissa on näkyviä halkeamia, pultin läpivetoreikiä tai pysyvää kiinnitystä (plastinen muodonmuutos), joka ylittää 50 mm. Pieniä kolhuja tai naarmuja, jotka eivät rei'itä galvanoitua pinnoitetta, saattaa jäädä. Dokumentoi kaikki korjaukset GPS-koordinaateilla ja digitaalisilla valokuvilla tulevaa käyttöä ja vastuunsuojaa varten.

Mediaaniesteet vs. tienvarsien suojakaiteet

Keskikaiteilla (asennettuna vastakkaisten liikennekaistojen väliin) on erilaiset suunnitteluvaatimukset kuin tienvarsien suojakaiteilla. Mediaaniesteiden on oltava törmäyskelpoisia molemmista suunnista, mikä edellyttää symmetristä tai kaksisuuntaista suunnittelua . Vakio W-palkkisuojakaide ei ole kaksisuuntainen – kiskon profiilissa on vahva puoli (liikennettä päin) ja heikko puoli. W-palkin asentaminen taaksepäin vähentää iskukykyä 60-70 %. Määritä mediaaneille joko: (a) kolmipalkki, jolla on symmetrinen poikkileikkaus, (b) betonivälipuitteet (jersey tai F-muoto) TL-4-sovelluksissa tai (c) kaapelin keskivaimentimet leveille mediaaneille (>15 m).

Kaapelien keskivaikeudet (kolme tai neljä teräskaapelia 500–700 mm:n etäisyydellä toisistaan) ovat kustannustehokkain ratkaisu nopeiden teiden leveille mediaaneille. Kaapeliesteet maksavat 30-50 dollaria metriltä verrattuna 100-150 dollariin metriltä betoni- tai kolmipalkit. ja niillä on pienempi törmäysvakavuus (vähemmän hidastuvuus) erehtyville ajoneuvoille. Kaapelikaiteet vaativat kuitenkin 8-10 metrin työleveyden, eivätkä ne sovellu alle 12 metriä leveille mediaaneille. Kapeilla mediaanilla (4-10 m) tarvitaan betoniesteitä estämään poikkimediaaniläpäisy, joka on 40 % kohtalokkaasta vastakkaiseen suuntaan tapahtuvista törmäyksistä.

Erikoissovellukset: Sillat, rummut ja Rockfall

Sillat ja rummut ovat ainutlaatuisia suojakaiteen asennuksen haasteita, koska pylväitä ei voida ajaa rakenteen läpi. Silloissa suojakaiteen pylväät pultataan sillan kanteen tai kaiteeseen ankkuripulteilla, jotka on upotettu 150-200 mm betoniin . Jokainen pylväs vaatii neljä halkaisijaltaan 19 mm:n ankkuripulttia epoksilaastilla; vetolujuus per ankkuripultti on yli 25 kN. Rummut (joka on haudattu ajoradan alle), jotka estävät pylväsajoa, määritä betonialustat, jotka on kaadettu rummun kummallekin puolelle 1,5 metrin syvyyteen, ja suojakaiteen pylväät on asennettu betoniperustuksiin pohjalevyjen avulla.

Kiviputoamissuoja-alueet vaativat suojakaiteet, joissa on suojaverkot tai verhot, jotka on asennettu esteen yläpuolelle putoavien kivien pitämiseksi. Tavallinen tien suojakaide tarjoaa minimaalisen suojan kiven putoamista vastaan – halkaisijaltaan yli 300 mm:n kivet ylittävät kaiteen . Määritä kalliovyöhykkeille (tienleikkaukset, kanjonin moottoritiet) kallion putoamisesteet (AASHTO MASH rockfall TL-3 tai TL-4), joissa on 3–4 metriä korkeat tolpat ja kaapeliverkot, jotka ulottuvat kiskon yläpuolelle. Nämä järjestelmät maksavat 300–500 dollaria lineaarimetriltä, ​​mutta ne estävät katastrofaaliset kiveen liittyvät törmäykset, joiden kuolonuhrien määrä on neljä kertaa suurempi kuin tavallisissa ROR-onnettomuuksissa.

Pituussuuntainen lujuus ja kiskon liitossuunnittelu

Suojakaiteen järjestelmien on säilytettävä pituussuuntainen lujuus kiskon jatkosten poikki, jotta kisko ei avautuisi (irrotumasta) törmäyksen aikana. W-palkkikiskon jatkokset käyttävät neljää pulttia (kaksi per kiskon pää) 125 mm jatkolevyillä päällekkäin 250 mm. Pultin vääntömomentti: 80-100 Nm 16 mm:n galvanoiduille pulteille; alikiristyt pultit (alle 60 Nm) sallivat liitoksen luisumisen, mikä vähentää pituussuuntaista lujuutta 40-50 % ja aiheuttaa kiskojen limityksen irtoamisen törmäyksen aikana. Ylikiristetyt pultit (yli 120 Nm) voivat irrottaa kierteet tai muuttaa kiskon muotoa aiheuttaen jännityskeskittymiä.

Kolmipalkki- ja TL-4-sovelluksiin, jatkolevyjen tulee olla kolmipalkkiprofiileja, jotka sopivat kiskoon, ei litteitä levyjä . Kolmipalkin litteät jatkokset heikentävät lujuutta 35-40 % ja ovat epäonnistuneet törmäystesteissä. Kiskon osat tulee asentaa porrastetuilla jatkoksilla: kahdessa vierekkäisessä pylväässä ei saa olla jatkokset samassa pituussuuntaisessa paikassa. Porrastaminen estää kiskoa kehittämästä jatkuvaa heikkoa linjaa, joka voi avautua. Kiskon liitoksen enimmäispoikkeama on 1,5 m; mikä tahansa pylvään kohdassa (jatkosen keskiviiva 300 mm:n sisällä tolpan keskilinjasta) esiintyvä jatkos vaatii jatkoksen vahvistamisen 250 mm:n lisälevyllä.