Διερεύνηση ασφάλειας και λειτουργικότητας οδού δυό λωρίδων κυκλοφορίας ως προς την κίνηση διαξονικών οχημάτων σε αυξημένες κατά μήκος κλίσεις

Abstract

The existing highway design concept accepts that the safe curve negotiation of a vehicle is not depended on its mass value and its technical characteristics, as well as the longitudinal profile of the road. Contrary to these assumptions, the present study examines the motion of dual-axle vehicles in a 3-D surface concluding that relationships must govern the above mentioned road and vehicle parameters. Studying the vehicle motion, which is safe when no slip occurs in both the lateral and the longitudinal direction of travel, it is necessary to introduce into its description all interacting parameters, namely the road - the vehicle - the driver. This study confined to the interaction of the two former ones, develops relationships that involve elements of design (specifically horizontal radii and grade values) with values related to the vehicle technical characteristics. The behavior of the driver is considered outstanding, thus it is ignored, since a thorough examination towards this direction requires the contribution of other fields (ex. psychology) and escapes the aim of the present research. This thesis is composed of ten chapters that are briefly delineated by the following paragraphs. In the first chapter a review regarding the state of the art is presented where the evaluation of safety is addressed according to road geometry, the vehicle operating speed, and the expected accident rate. In the second chapter the forces acting on a moving vehicle are examined. These forces include aerodynamic forces; forces derived from the interaction between tire and road surface; and the vehicle mass. The tire deformation is examined on both curved and tangent paths. Furthermore, the tire adhesion forces are examined in both directions (longitudinal and lateral), and the relative friction factors are being introduced. Finally, formulas are derived that distribute the vehicle weight to the four wheels during its motion on a curved surface. Thus, the analysis enables the consideration of a four-wheel dynamic model, since the forces acting on the vehicle wheels are segregated to those acting on the driving - rolling axis and on inner - outer wheel of a curve respectively. In the third chapter the state of the art approach of vehicle dynamics is presented and the existing determination of critical design elements is described. The variation in the dynamics of heavy vehicles is reported and their influence on the road traffic capacity is underlined, especially while moving on high grade values. In the fourth chapter the relations describing the accelerating and decelerating motion of a two-axle vehicle are formulated, the assumptions are quoted and the influence of various technical variables is analyzed. Specifically, the vehicle acceleration is expressed through mathematical formulas, introducing the vehicle horsepower, parameters rising from vehicle technical characteristics, road geometry and tire-road adhesion values. The developed dynamic model is compared to other known theoretical and empirical approaches and the methodologies are given in order to determine: • the variation of the vehicle speed due the combination of the horizontal and vertical alignments, • the minimum horizontal radius during the acceleration of a vehicle, • the minimum horizontal radius during the motion of a vehicle with the maximum attainable constant speed (safe speed). In the fifth chapter an analysis regarding the safety of a passenger car is carried out for six different types of passenger cars that includes: • the determination of the minimum horizontal radius during acceleration. • the determination of the maximum attainable constant speed (safe speed) on a wide range of horizontal and vertical alignments as well as its influencing parameters, • the evaluation of OMOE-X design values (Greek road design guidelines) in terms of their capacity to provide minimum values of horizontal radii satisfactory to the motion of the various vehicle types. • the calibration of the statistical model developed herein to calculate the safe speed using field measurements of operating speed. The model is used to determine representative values of road geometry and vehicle technical parameters. In the sixth chapter the same analysis is carried out regarding two-axle trucks. Four types of two-axle trucks are examined under two extreme loading conditions (fully loaded, and unloaded). The analysis also examines the truck roll-over case concluding that the fully loaded case is the critical. In the seventh chapter the influence of the high-grade values to the vehicle operating speed is investigated. The performance of passenger cars and two- axle trucks is examined while statistical models are developed to determine the critical parameters that affect speed variation. Based on the developed models, a methodology is set up of how to apply evaluations of the 3-D road design, especially when high grade is involved. In the eighth chapter the Greek, the German, and the American design guidelines are compared in terms of degree of safety that provide and the differing concept that stand for. In the ninth chapter the validation of the present model is carried out based on field measurements revealing its high capacity of determining under-designed road segments. In the tenth chapter the conclusions and the suggestions for further research of the present thesis are outlined. Conclusions. The critical motion of the examined vehicles is only the motion governed by tractive force. An exception seems to be the case of loaded two-axle trucks when braking mode is combined with high negative grades. In this case, the OMOE-X design guidelines marginally satisfy the safe motion of 19t truck on grade of -8% or more. The four-wheel dynamic model (bicycle model + load transfer) simulating a vehicle, when it negotiates a curve, excels the plain bicycle model. Actually, it increases the determined minimum horizontal radius by 30% for passenger cars and doubles it for two-axle unloaded trucks. The introduction of the horse-power rate during the safety investigation of a vehicle concerns a factor of major importance that is necessary to determine the maximum attainable constant speed (safe speed) among a great number of horizontal and vertical alignment combinations. The research regarding the determination of Rmin during the motion of a vehicle under acceleration and maximum utilization of the available horsepower rate reveals that the Rmin values depend on whether the vehicle utilizes a portion or the total of the available horse power rate. Regarding the passenger cars, the present research confirmed an empirical study that claims that longitudinal grades up to 5% do not affect substantially the vehicle speed. Additionally, it is also noticed that increasing safe speed values are required for increasing mass values and/or decreasing buoyancy force coefficient values. The parameters that affect Vsafe are the horizontal and vertical road profile, tire-road adhesion values and the buoyancy force coefficient. In the case of unloaded trucks, the longitudinal center of gravity location and the horizontal design affect substantially the Vsafe values especially on mild grades. In the case of loaded trucks, it was found that the Vsafe values are not depended on the horizontal radius when is superimposed by high positive grades. Contrary, they depend on the radius value when such value is small and superimposed by low grades. The roll-over only of the 19t loaded truck is expected to occur on favorable friction pavement, when mild grade values are combined with low radii. Finally, it is found that “small” passenger cars may experience unsafe conditions moving on wet pavement and grades of 8% or more by a speed of 90km/h and over. Suggestions. The dynamic analysis of unloaded two-axle trucks reveals that OMOE-X has a confined capacity to provide safe design values especially when high positive grade values are involved. Therefore, the adoption of a speed limit exclusively for trucks is proposed. The correlation between the field measured operating speed and the Vsafe values of passenger cars reveals that several combinations of high grade values and low radii accepted nowadays are unsatisfactory for the safe motion of several mostly “small” vehicles. This finding concerning wet pavements must be checked whether holds and up to what level for dry pavements as well, which requires corresponding measurements to be carried out. Contrary to the passenger-car case, it is found that the truck motion may be unsafe even on dry pavements. The fact that the pavement friction and in greater extend the location of the gravity center have been proved critical parameters, complicates the drawing of certain conclusions regarding the safety degree of this particular type of vehicles. To carry out a sensitivity analysis and determine the entire set of unsafe cases, new measurements ought to be performed distinguishing the cases of the loaded and unloaded trucks. The suggested model is able to predict with satisfactory accuracy the instant speed value of any design vehicle moving on any combination of horizontal and vertical alignments. Thus, it could be a useful tool for contributing to the determination of the expected level of service of the road segments. This research is confined to the investigation of the critical scheme horizontal - vertical alignment (constant radii and grade values respectively). The extension of the model towards the entire set of combination alignments as well as their enrichment with all common vehicle types are prerequisites for completing the investigation of the problem examined in this study.

Εν αντιθέσει με την αντίληψη της κλασσικής οδοποιίας ότι η ασφαλής κίνηση ενός οχήματος σε καμπύλη είναι ανεξάρτητη της μάζας του και των γενικότερων τεχνικών χαρακτηριστικών του αλλά και της μηκοτομής της οδού, η παρούσα εργασία εξετάζει την κίνηση διαξονικών οχημάτων σε τρισδιάστατη επιφάνεια κύλισης, όπου διερευνάται η αλληλεπίδραση των ασκούμενων δυνάμεων σε αυτά. Το κριτήριο κίνησης οποιουδήποτε οχήματος με ασφάλεια επαληθεύεται όταν δεν παρατηρείται ολίσθηση τόσο στην διαμήκη όσο και στην εγκάρσια διεύθυνση της τροχιάς του. Η αρχή αυτή στην ουσία δεσμεύει τρεις παράγοντες : οδικό περιβάλλον - όχημα - χρήστη. Στην υπόψη διατριβή διατυπώνονται σχέσεις οι οποίες αλληλοδεσμεύουν κρίσιμα γεωμετρικά μεγέθη (οριζόντια ακτίνα και κλίση στη μηκοτομή) με μεταβλητές οι οποίες αφορούν τεχνικά χαρακτηριστικά του οχήματος. Η παρουσία του χρήστη (οδηγού) θεωρείται βέλτιστη και κατά συνέπεια δεν λαμβάνεται υπόψη, δεδομένου ότι μια ολοκληρωμένη εμβάθυνση προς την κατεύθυνση αυτή, απαιτεί την συνδρομή και άλλων επιστημών (πχ. της ψυχολογίας) και κατά συνέπεια ξεφεύγει από τους επιστημονικούς στόχους αυτής της εργασίας. Πιο συγκεκριμένα, η διατριβή αποτελείται από δέκα κεφάλαια των οποίων μια επιγραμματική εικόνα δίδεται στις υποπαραγράφους που έπονται. Στο πρώτο κεφάλαιο επιχειρείται αναφορά σε υπάρχουσες μελέτες που αφορούν την αξιολόγηση της ασφάλειας οδών ως προς τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους, την λειτουργική ταχύτητα των κινούμενων οχημάτων και τον αναμενόμενο δείκτη ατυχημάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο εξετάζονται οι εξωτερικές δυνάμεις οι οποίες ασκούνται σε κινούμενο όχημα. Αυτές αφορούν δυνάμεις αεροδύναμης, δυνάμεις που προέρχονται από την αλληλεπίδραση ελαστικού και οδοστρώματος καθώς και το ίδιο το βάρος του οχήματος. Μελετάται μεταξύ άλλων η παραμόρφωση των ελαστικών κατά την κίνηση του οχήματος τόσο σε καμπύλη όσο και σε ευθύγραμμη τροχιά. Στη συνέχεια εξετάζονται οι δυνάμεις πρόσφυσης και στις δύο διευθύνσεις κύλισης του τροχού (ευθύγραμμη - εγκάρσια) και ορίζονται οι αντίστοιχοι συντελεστές. Τέλος, προσδιορίζονται οι σχέσεις μεταβολής στην κατανομή του φορτίου, κατά την κίνηση οχήματος σε καμπύλη τροχιά, οι οποίες επιτρέπουν την θεώρηση τετράτροχου δυναμικού μοντέλου δεδομένου ότι οι δυνάμεις στους τροχούς διαχωρίζονται πλέον σε αυτές που ασκούνται σε κινητήριο - μη κινητήριο άξονα και εσωτερικό - εξωτερικό στην καμπύλη τροχό αντίστοιχα. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετάται η υφιστάμενη προσέγγιση της δυναμικής του οχήματος, και, ως εκ τούτου, περιγράφεται ο υφιστάμενος προσδιορισμός κρίσιμων γεωμετρικών μεγεθών. Γίνεται αναφορά στη διαφοροποίηση της δυναμικής των φορτηγών και δίδεται έμφαση στην υφιστάμενη αντιμετώπιση της λειτουργικότητας οδών λόγω αυξημένων κατά μήκος κλίσεων. Στο τέταρτο κεφάλαιο διατυπώνονται σχέσεις που περιγράφουν την επιταχυνόμενη και επιβραδυνόμενη κίνηση διαξονικού οχήματος, παρατίθενται οι παραδοχές που ελήφθησαν και αναλύεται η επιρροή των επί μέρους μεταβλητών. Με τη βοήθεια μαθηματικών σχέσεων και εισάγοντας την μεταβλητή της ιπποδύναμης του οχήματος, εκφράζεται η επιτάχυνση συναρτήσει μεταβλητών που πηγάζουν από τα τεχνικά χαρακτηριστικά του οχήματος, την γεωμετρία της οδού και την πρόσφυση του οδοστρώματος. Το προκύπτον δυναμικό μοντέλο συσχετίζεται με παρόμοιας φύσης θεωρητικές και εμπειρικές προσεγγίσεις και παρατίθενται οι μεθοδολογίες προσδιορισμού: • της μεταβολής στην ταχύτητα οχήματος λόγω δεσμεύσεων στην οριζόντια και κατακόρυφη χάραξη της οδού • της ελάχιστης οριζόντιας ακτίνας κατά την κίνηση οχήματος υπό την επήρεια επιτάχυνσης • της ελάχιστης οριζόντιας ακτίνας κατά την κίνηση οχήματος με την μέγιστη δυνατή σταθερή ταχύτητα (ταχύτητα ασφαλείας). Στο πέμπτο κεφάλαιο επιχειρείται ανάλυση της ασφάλειας στην κίνηση επιβατηγού οχήματος για έξι διαφορετικούς τύπους επιβατηγών οχημάτων η οποία περιλαμβάνει τα εξής βήματα: • προσδιορισμό της ελάχιστης οριζόντιας ακτίνας κατά την κίνηση του οχήματος υπό συνθήκες επιτάχυνσης. • προσδιορισμό της μέγιστης δυνατής σταθερής ταχύτητας (ταχύτητα ασφαλείας) σε μεγάλο φάσμα οριζόντιας και κατακόρυφης χάραξης καθώς και των παραγόντων επιρροής της • έλεγχο της επάρκειας των κανονισμών σύμφωνα με τις Οδηγίες Μελετών Οδικών Έργων, Χαράξεις (ΟΜΟΕ-Χ) κατά τον προσδιορισμό της ελάχιστης οριζόντιας ακτίνας • συσχέτιση του στατιστικού μοντέλου της ταχύτητας ασφαλείας με μετρήσεις λειτουργικής ταχύτητας για τον προσδιορισμό κρίσιμων παραμέτρων οι οποίες αφορούν τόσο την οδό όσο και τα χαρακτηριστικά του οχήματος. Στο έκτο κεφάλαιο επιχειρείται η ίδια ανάλυση για τα διαξονικά φορτηγά. Χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις τύποι φορτηγών οχημάτων και ο έλεγχος αφορά τους δύο ακραίους τρόπους φόρτωσης. Εξετάζεται επίσης η ανατροπή των διαξονικών φορτηγών η οποία είναι δυνατό να λάβει χώρα σε συνθήκες φόρτωσης. Στο έβδομο κεφάλαιο διερευνάται η λειτουργικότητα οδών ως προς την επιρροή αυξημένων κατά μήκος κλίσεων. Μελετάται η συμπεριφορά τόσο επιβατηγών όσο και φορτηγών οχημάτων, ενώ αναπτύσσονται και στατιστικά μοντέλα προσδιορισμού στην μεταβολή της ταχύτητας, προκειμένου να επισημανθούν οι κρίσιμες μεταβλητές επιρροής της. Τέλος, περιγράφεται ο τρόπος εφαρμογής του μοντέλου στην αξιολόγηση της λειτουργικότητας μιας τρισδιάστατης χάραξης. Στο όγδοο κεφάλαιο συσχετίζονται οι Ελληνικοί, Γερμανικοί και Αμερικανικοί κανονισμοί χάραξης οδικών δικτύων με σκοπό αφενός τον προσδιορισμό του βαθμού ασφάλειας που παρέχουν και αφετέρου την διερεύνηση της αντίληψης που εκφράζουν. Στο ένατο κεφάλαιο επιχειρείται συσχέτιση των αποτελεσμάτων του προτεινόμενου δυναμικού μοντέλου με μετρήσεις πεδίου για τον προσδιορισμό κρίσιμων θέσεων. Στο δέκατο κεφάλαιο διατυπώνονται τα κυριότερα συμπεράσματα και οι κυριότερες προτάσεις που προέκυψαν από την παρούσα διατριβή, ως ακολούθως: Συμπεράσματα. Κρίσιμη κίνηση των εξετασθέντων οχημάτων είναι μόνο η κίνηση υπό την επίδραση προωθητικής ροπής. Εξαίρεση αποτελεί η περίπτωση πέδησης φορτωμένων διαξονικών φορτηγών σε αυξημένες αρνητικές κλίσεις και ειδικότερα αυτή που αφορά το όχημα 19t, όπου οι οδηγίες χάραξης οδικών δικτύων ΟΜΟΕ-Χ καλύπτουν οριακά την κίνησή του κατωφέρεια με κλίση μόνο μέχρι -8%. Το μοντέλο του τετράτροχου κατά την κίνηση σε καμπύλη τροχιά (εμπλουτισμένο δίτροχο + μετατόπιση φορτίου) υπερτερεί έναντι του δίτροχου μοντέλου καθώς προσαυξάνει την ελάχιστη οριζόντια ακτίνα κατά 30% περίπου στα επιβατηγό οχήματα, ενώ το ποσοστό αυτό διπλασιάζεται στην περίπτωση αφόρτωτων φορτηγών. Η εισαγωγή της ιπποδύναμης στην διερεύνηση της ασφάλειας στην κίνηση ενός οχήματος αποτελεί σημαντικότατο παράγοντα στην προσέγγιση της πραγματικότητας, δεδομένου ότι μέσα από συνδυασμούς οριζόντιας και κατακόρυφης χάραξης δύναται να προσδιορισθεί η μέγιστη δυνατή σταθερή ταχύτητα κίνησης του οχήματος (Vsafe)· Η διερεύνηση που αφορά τον προσδιορισμό της ελάχιστης οριζόντιας ακτίνας σε συνθήκες κίνησης του οχήματος υπό την επήρεια επιτάχυνσης και μέγιστης εκμετάλλευσης της διαθέσιμης ιπποδύναμης, έδειξε ότι η τιμή της Rmin εξαρτάται από το αν το όχημα κάνει χρήση μέρους (η < 100%) ή όλης (π=100%) της διαθέσιμης ιπποδύναμης. Όσον αφορά τα επιβατηγό οχήματα, η παρούσα εργασία επιβεβαίωσε εμπειρική μελέτη σύμφωνα με την οποία η κατά μήκος κλίση έως 5% δεν επηρεάζει ουσιωδώς την ταχύτητα των οχημάτων. Στα επιβατηγό οχήματα παρατηρήθηκε ότι οι μεγαλύτερες ταχύτητες ασφαλείας προκύπτουν από αυξημένες τιμές μάζας αλλά μειωμένες τιμές συντελεστή άνωσης. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα ασφαλείας είναι η οριζοντιογραφία, η κατά μήκος κλίση, η πρόσφυση του οδοστρώματος και ο συντελεστής άνωσης. Στα αφόρτωτα φορτηγά η διαμήκης θέση του κέντρου βάρους καθώς και η επιρροή της οριζοντιογραφίας στις ήπιες κυρίως κλίσεις παίζουν καθοριστικό ρόλο στην τιμή της ταχύτητας ασφαλείας Vsafe· Στα φορτωμένα φορτηγά οχήματα η τιμή της Vsafe είναι ανεξάρτητη της οριζοντιογραφίας του οδικού δικτύου στις αυξημένες θετικές κλίσεις ενώ επηρεάζεται από αυτήν μόνο στις περιπτώσεις που ήπιες κλίσεις συνδυαστούν με μικρές τιμές ακτινών. Η ανατροπή είναι φαινόμενο που εμφανίζεται σε οδόστρωμα ευμενούς πρόσφυσης, αφορά μόνο το φορτωμένο όχημα των 19t και συντελείται σε ήπιες κλίσεις μεγάλης καμπυλότητας οριζοντιογραφικά. Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι στα «μικρά» επιβατηγό οχήματα, σε οδόστρωμα δυσμενούς πρόσφυσης, η ασφάλεια στην κίνησή τους δεν εξασφαλίζεται για ταχύτητες άνω των 90km/h κατά την κίνησή τους σε οδούς με κλίση 8% και άνω. Προτάσεις. Η δυναμική ανάλυση των αφόρτωτων διαξονικών φορτηγών έδειξε ότι οι Οδηγίες ΟΜΟΕ-Χ δεν εξασφαλίζουν την ασφαλή τους κίνηση ειδικά στις θετικές κλίσεις. Κατά συνέπεια, προτείνεται η καθιέρωση ειδικού ορίου ταχύτητας αποκλειστικά για τα βαρέα οχήματα. Η συσχέτιση της μετρηθείσας λειτουργικής ταχύτητας με την ταχύτητα ασφαλείας των επιβατηγών οχημάτων έδειξε ότι ο συνδυασμός αυξημένων κλίσεων και μεγάλης καμπυλότητας είναι κρίσιμος για την κίνηση “μικρών” κυρίως οχημάτων. Το γεγονός αυτό πρέπει να επιβεβαιωθεί από νέες μετρήσεις λειτουργικής ταχύτητας, δεδομένου ότι η διαπίστωση αυτή αφορά σε οδοστρώματα δυσμενούς πρόσφυσης, ενώ οι υπάρχουσες σχέσεις που περιγράφουν την λειτουργική ταχύτητα V85 ως προς τη γεωμετρία της οδού δύναται να περιλαμβάνουν και μετρήσεις σε στεγνό οδόστρωμα. Σε αντίθεση με την περίπτωση των επιβατηγών οχημάτων η αντίστοιχη συσχέτιση όσον αφορά τα φορτηγά έδειξε ότι η κίνηση τους μπορεί να δημιουργήσει κρίσιμες καταστάσεις ακόμα και σε ευμενές οδόστρωμα ευμενούς πρόσφυσης. Το γεγονός όμως ότι η πρόσφυση του οδοστρώματος και κυρίως η θέση του κέντρου βάρους αποδείχθηκαν κρίσιμες μεταβλητές, περιπλέκει την εξαγωγή συγκεκριμένων συμπερασμάτων για τον βαθμό ασφάλειας στην κίνηση των φορτηγών και ως εκ τούτου προτείνεται η διεξαγωγή νέων μετρήσεων, οι οποίες να διαχωρίζονται ως προς τον τρόπο φόρτωσης των οχημάτων αυτών. Το προτεινόμενο μοντέλο είναι σε θέση να προσδιορίσει με καλή ακρίβεια την στιγμιαία ταχύτητα κατά μήκος μιας οδού με οποιαδήποτε γεωμετρία και όχημα σχεδιασμού επιτυγχάνοντας έτσι να καταστήσει εκ των προτέρων γνωστό το πραγματικό επίπεδο εξυπηρέτησής της, και συμβάλλοντας αποφασιστικά στην βελτίωση της κυκλοφοριακής ροής. Το ερευνητικό πεδίο αυτής της μελέτης περιορίστηκε στην εξέταση του κρίσιμου συνδυασμού οριζοντιογραφίας - μηκοτομής (σταθερή ακτίνα και κλίση σε οριζοντιογραφία και μηκοτομή, αντιστοίχους). Η επέκταση του δυναμικού μοντέλου σε όλο το φάσμα της χάραξης των οδών αλλά και ο ταυτόχρονος εμπλουτισμός του με τους συνηθέστερους τύπους κυκλοφορούντων οχημάτων είναι προϋποθέσεις για μια κατά το δυνατόν ολοκληρωμένη προσέγγιση του προβλήματος, που τέθηκε σε αυτήν την εργασία.