Het ontwerp van horizontale bogen, back to the future

Het ontwerp van horizontale bogen, back to the future…

Patrick Broeren (Auteur is werkzaam bij ARCADIS Nederland BV ) Peter Ruijs (Auteur is werkzaam bij TNO) Jaap Groot (Auteur is werkzaam bij RWS) Gerard Uittenbogerd (Auteur is werkzaam bij RWS)

Samenvatting Het ontwerpen van (verbindings)bogen op autosnelwegen bij een klaverblad of een toe- of afrit, gebeurt op basis van de ontwerprichtlijnen. De verantwoording voor de inhoud van deze richtlijnen ligt in gedateerd onderzoek, onder meer uit de jaren ’70. De filosofie, uitgangspunten en afwegingen die ten grondslag lagen aan deze richtlijnen, zijn echter niet meer te achterhalen, waardoor een verantwoording voor de ontwerprichtlijnen ontbreekt. Daarnaast leidt de inhoud van de huidige richtlijnen tot onduidelijkheden voor de ontwerper en is het niet mogelijk om, indien nodig, gefundeerd van de richtlijn af te wijken. Om de theorieën achter de ontwerprichtlijn voor horizontale bogen te achterhalen en te bepalen of de vigerende richtlijn nog steeds representatief is voor de huidige situatie, zijn in opdracht van Rijkswaterstaat door TNO en ARCADIS gezamenlijk een aantal studies uitgevoerd op het gebied van voertuigtechniek, wegontwerp, verkeersveiligheid en human factors. In deze bijdrage beschrijven we de resultaten van en de onderlinge relaties tussen deze onderzoeken.

Trefwoorden Wegontwerp, verkeersveiligheid, horizontale bogen, human factors

1. Inleiding 1.1.

Aanleiding

Het ontwerpen van (verbindings)bogen op autosnelwegen zoals in hoofd/parallelbanen, bij een klaverblad of een op- of afrit, gebeurt op basis van de ontwerprichtlijn NOA (Nieuw Ontwerprichtiljn Autosnelwegen [1]) en de toekomstige herziening hierop ROA 2010 (Richtlijn Ontwerp Autosnelwegen 2010). De verantwoording voor de inhoud van deze richtlijnen ligt in gedateerd onderzoek (onder andere uit de jaren ’70 van Pecejka [2] en ten Cate [3]). De filosofie, uitgangspunten en afwegingen die ten grondslag lagen aan deze richtlijnen zijn echter inmiddels niet meer te achterhalen, waardoor een verantwoording voor de ontwerprichtlijnen ontbreekt. Daarnaast leidt de inhoud van de huidige richtlijnen tot onduidelijkheden voor de ontwerper en is het niet mogelijk om, indien nodig, gefundeerd van de richtlijn af te wijken. In de CROW-werkgroep die de NOA herziet, is een inventarisatie gemaakt van kennisleemten in de richtlijnen van ontwerp van autosnelwegen, de Witte Vlekken lijst. De herziening van de ontwerprichtlijnen voor autosnelwegen (ROA 2010) wordt daarom aangegrepen om de kennis die nodig is voor het veilig ontwerpen van horizontale bogen in autosnelwegen te updaten zodat onderbouwde en bruikbare ontwerpeisen kunnen worden geformuleerd.

1.2.

Probleembeschrijving

Om voertuigen te laten accelereren, decelereren en van richting te laten veranderen is voldoende ‘grip’ nodig van de banden op het wegdek. De grip ontstaat door de stroefheid (wrijvingsweerstand) tussen het wegdek en het bandoppervlak. Wrijvingsweerstanden in de langsrichting worden gebruikt om het voertuig te laten remmen en accelereren en wrijvingskrachten in de dwarsrichting maken het mogelijk om het voertuig door de bocht te laten gaan. De stroefheid van het wegdek is erg bepalend voor de maximale wrijvingsweerstand die kan worden opgebouwd en daarmee de maximale acceleratie, deceleratie en dwarskrachten op het voertuig. Nadeel is dat de stroefheid van een wegoppervlak vaak moeilijk is in te schatten door een weggebruiker. De stroefheid van een wegdek is afhankelijk van de gebruikte materialen en veranderd gedurende de levensduur van de weg. Daarnaast is de maximale wrijvingskracht die kan worden opgebouwd afhankelijk van externe invloeden, zoals de aanwezigheid van ijzel, water of verontreinigingen. De gebruiker kan op deze laatste situaties soms zeer beperkt anticiperen, zodat het moeilijk blijft om de stroefheid goed in te schatten vanuit de auto. Vooral in bogen, waar aanspraak moet worden gemaakt op de dwarswrijving, is het belangrijk dat de bestuurder de maximale dwarswrijving niet overschrijdt door te hard te rijden, omdat anders het voertuig ‘uit de bocht’ vliegt. Om deze reden wordt in Nederland een minimumnorm aangehouden voor de stroefheid van het wegdek op autosnelwegen, zodat de gebruiker (onder ‘normale’ omstandigheden) kan uitgaan van een minimumstroefheid. Het stroefheidscijfer, dat de stroefheid van het wegoppervlak beschrijft, wordt daarom ook als onderbouwing gebruikt van de richtlijnen voor boogontwerp. Op basis van een bepaald stroefheidscijfer heeft de ontwerper de ruimte om binnen de vrijheidsgraden van ontwerpsnelheid, boogstraal en verkanting een veilige boog te ontwerpen. Zoals ook uit de aanleiding blijkt, is de precieze verantwoording van de

Bijdrage aan het Nationaal verkeerskundecongres, 6 november 2013

ontwerprichtlijn voor bogen gebaseerd op onderzoek en uitgangspunten uit de jaren ’70 en daarnaast ook niet meer volledig bekend.

1.3.

Uitgevoerde onderzoeken

Om de theorieën achter de ontwerprichtlijn voor horizontale bogen te achterhalen en te bepalen of de vigerende richtlijn nog steeds representatief is voor de huidige situatie, zijn in opdracht van Rijkswaterstaat door TNO en ARCADIS gezamenlijk een aantal studies uitgevoerd. De eerste studie in dit kader is uitgevoerd in 2011-2012 en betrof een literatuurstudie naar de onderbouwing van het slipcriterium en praktijkmetingen naar dwarsstroefheid [4]. Daarnaast is er een literatuurstudie gedaan naar het zogenaamde kantelcriterium [5]. Ten slotte is er een verkennend onderzoek uitgevoerd naar het rijgedrag van weggebruikers in horizontale bogen, dat in 2013 een vervolg krijgt [6]. In deze bijdrage beschrijven we de resultaten van en de onderlinge relaties tussen deze onderzoeken. Tevens gaan wij in op het onderzoek dat in de loop van 2013 zal worden uitgevoerd. Vanwege de complexiteit van de materie, beschrijven wij in hoofdstuk 2 eerst kort de criteria die het ontwerp van horizontale bogen bepalen.

2. Ontwerpcriteria horizontale bogen Bij het ontwerpen van horizontale bogen spelen drie criteria een rol: 1. Het slipcriterium 2. Het kantelcriterium 3. Het comfortcriterium Naast deze criteria speelt het wegbeeld een belangrijke rol in het feitelijke rijgedrag dat weggebruikers vertonen bij de nadering van de boog en in de boog. Hiermee ligt er ook een relatie met de drie genoemde criteria.

2.1.

Slipcriterium

De dynamica van het slipcriterium in horizontale bogen wordt beschreven met behulp van de evenwichtsformule: 2

Rh  Met: Rh Vo g fz i

  

 Vo    2 Vo  3,6   i  i   fz   g 127 fz   100  100   = = = = =

de straal van de horizontale boog [m] de ontwerpsnelheid [km/u] valversnelling [m/sec2] zijdelingse wrijvingsweerstand(scoëfficient) [-] verkanting [%]

Hierin is het verband tussen de boogstraal, ontwerpsnelheid, zijdelingse wrijvingsweerstand en verkanting beschreven. De boogstraal en verkanting zijn vastgelegd in een ontwerp en vaak gebaseerd op de ontwerpsnelheid van een boog. De daadwerkelijke gereden snelheid bij bogen waar sprake is van benodigde aanpassing van de snelheid, wordt in de Nederlandse ontwerpfilosofie ‘afgedwongen’ door middel van de herkenbaarheid van de boog te vergroten middels het vergroten van de verkanting. Dit in tegenstelling tot sommige situaties in het buitenland waarbij een advies- of zelfs maximumsnelheid wordt aangegeven bij scherpere (verbindings)bogen. De maximaal beschikbare wrijvingsweerstand is afhankelijk van een aantal factoren. In normale situaties zijn de belangrijkste twee factoren de weerstand van het wegdek (afhankelijk van de stroefheid van het wegdek en externe factoren zoals een waterlaag of ijzel) en de weerstand van band. Aanspraak op de zijdelingse wrijvingsweerstand gaat ten koste van de langswrijving die


nodig is acceleratie en deceleratie van het voertuig. Door het toepassen van een verkanting hoeft er minder aanspraak te worden gemaakt op de zijdelingse wrijvingscoëfficiënt. Verkanting Verkanting is een scheefstand van het wegdek en wordt toegepast om (1) te voorzien in een voldoende afwatering ten tijde van neerslag en (2) de aanspraak op de dwarswrijving te verminderen in bogen. Daarnaast kan (sterke) verkanting een indruk geven van de krapheid van de boog zodat gebruikers hun naderingssnelheid hierop aan kunnen passen. Deze belangen kunnen tegenstrijdig zijn zodat een afweging of optimalisatie moet worden gemaakt ten behoeve van de veiligheid. De verkanting kan ook negatief zijn. Dit wil zeggen dat in bogen de verkanting ‘verkeerd om’ is zodat een negatief effect van de verkanting op de dwarswrijving ontstaat. Stroefheid De stroefheid van het wegdek is van groot belang voor de maximale wrijving die door het voertuig kan worden gebruikt om door de boog te komen. De stroefheid is echter niet door de weggebruiker in te schatten zodat de gebruiker vanuit moet kunnen gaan van dat de stroefheid voldoet aan een bepaalde minimumnorm. In extreme situaties (grote waterlaagdikte of ijzel) waarbij de stroefheid ernstig daalt, wordt van de gebruiker verwacht deze de gewijzigde omstandigheden voldoende kan inschatten en de snelheid voldoende aanpast (wat niet altijd voldoende gebeurt). Om in normale situaties te voldoen aan de verwachting van de gebruikers dient het wegdek in Nederland te voldoen aan een stroefheidsnorm. Indien de stroefheid onder deze norm ligt dienen maatregelen te worden genomen.

2.2.

Kantelcriterium

Ten gevolge van het op het voertuig werkende krachten (figuur 1) tijdens het rijden, kan een voertuig niet alleen slippen maar ook kantelen en/of scharen. Door het contact tussen band en wegdek worden de op het voertuigwerkende krachten in evenwicht gehouden. Zodra het evenwicht echter wordt overschreden dan kan het voertuig kantelen (overschrijding rolmoment) en/of scharen (overschrijding van dwarskracht en/of rolmoment van een deel van het voertuig waardoor de combinatie ‘knikt’).

φ

zwaartepunt

Fc Of één van beide mechanismen optreedt, is afhankelijk van de relatie en interactie tussen mens, voertuig, weg en omgeving: snelheid, rolcentrum rijstrookwisselingen, uitwijken, remmen, voertuig karakteristieken (grootte/massa en G samenstelling van het voertuig, veersysteem, soort banden, profiel diepte), weg (grootte van Figuur 1: Kantelmechanisme vrachtwagen de boogstraal, verkanting, spoorvorming, oneffenheden, stroefheid), menselijk handelen en omstandigheden (rijsnelheid, rijvaardigheden, reactievermogen – en afleiding chauffeur, overig verkeer enz.) en klimatologische omstandigheden (wind, regen, enz.).

Met name bij hoge zwaarbeladen voertuigen die een boog berijden kan stabiliteitsverlies optreden door kantelen (figuur2, links). Door de belading wordt het zwaartepunt van de vrachtwagen namelijk omhoog gebracht, zodat kantelen eerder kan optreden. Bij het doorrijden van een boog zal de kantelneiging nog worden versterkt door de verplaatsing van het zwaartepunt naar buiten. Combinatie van een hogere (ontwerp)snelheid en de invloeden van voorafgaande bogen, rijstrookwisselingen, verkantingsovergangen wind ed. kunnen het voertuig zodanig beïnvloeden dat


dit leidt tot slingeren van het voertuig. In extreme gevallen kan dit leiden tot scharen van het voertuig (figuur 2, rechts).

Figuur 2: Kantelen (links) en scharen (rechts)

2.3.

Comfortcriterium

Bij het doorrijden van een boog treden krachten op in de dwarsrichting van het voertuig. Rekening houdend met de te verwachten voertuigsnelheden en wrijving dienen de boogstraal en de verkanting van de rijbaan in de boog daarom zodanig te worden gekozen dat deze dwarskrachten kunnen worden opgevangen zonder gevaar voor slippen of kantelen. Daarnaast moeten boogstraal en verkanting zodanig op rijsnelheden en wrijving afgestemd worden, dat het rijcomfort van de inzittenden gewaarborgd blijft. Dit betekent dat de versnelling in zijdelingse richting aan een maximum gebonden is. Het comfort dat de inzittenden ervaren, wordt daarbij ook beïnvloed door voertuigeigenschappen zoals vering, stijfheid onderstel en de zijdelingse steun die de bestuurdersstoel biedt.

3. Onderzoek dwarsstroefheid 3.1.

Inleiding

Het onderzoek naar dwarsstroefheid is er op gericht om de theorie uit de jaren ’70 achter het slipcriterium te herleiden en te bepalen of het criterium nog steeds valide is [4]. Een belangrijke vraag hierbij is, of de waarde voor de dwarsstroefheid nog representatief is voor de moderne autoband en de hedendaagse verhardingen. Naast een literatuuronderzoek zijn praktijkmetingen uitgevoerd om de stroefheid onder verschillende condities te bepalen.

3.2.   



 

Theorie

Het gaat te ver om in dit verband een volledige theoretische beschouwing te geven op het slipcriterium (zie [4]). In deze bijdrage worden de belangrijkste conclusies benoemd: Het slipcriterium is opnieuw afgeleid en blijkt nog steeds valide voor de huidige situatie (de formule bevat alle relevante componenten ten aanzien van voertuigen wegkarakteristieken); Uit dit slipcriterium blijkt dat zowel de verkanting als de dwarsstroefheidsfactor eenzelfde invloed heeft op de boogstraal van de verkante boog; De wegontwerper kan met het slipcriterium nog niet de minimale boogstraal bepalen waarmee een bocht veilig kan worden genomen. Daarvoor dient de snelheidsafhankelijke dwarsstroefheidsfactor bekend te zijn; De dwarsstroefheid blijkt geen constante te zijn, maar afhankelijk van de snelheid. In ROA 1993 staat weinig informatie over de achtergrond van deze snelheidsafhankelijke dwarsstroefheidsfactor. Informatie hierover is te verkrijgen uit publicaties uit de jaren ’70 [2,3]; Uit deze publicaties blijkt er diverse waarden voor de maatgevende dwarsstroefheid worden aangehouden. Hierbij worden vaak veiligheidsfactoren aangehouden, die niet onderbouwd zijn; In de Duitse richtlijnen van 1973 [7] is aangegeven dat de maximum dwarskracht en maximum langskracht die door een band gegenereerd wordt, niet geheel onafhankelijk zijn van elkaar. Bij gelijktijdige aanwezigheid van beide krachten mag de vectoriële som de maximum


bandkracht tussen band en wegdek niet overschrijden. Het verband heeft de vorm van een ellips en in een meer eenvoudiger benadering van een cirkel (zie figuur 3). Dit verband is snelheidsafhankelijk en neemt toe bij hogere snelheid. Voorbeeld: wanneer uitgegaan wordt van een beschikbaarheid van 87% van de maximale langswrijving, is slechts 50% van maximale dwarswrijving nog beschikbaar. In de praktijk betekent dit, dat bij het remmen in een bocht de kans op het uit de bocht vliegen aanzienlijk groter is.

Figuur 3: Verband maximum haalbare dwarsstroefheid (fR) en langsstroefheid (fT)

3.3.

Richtlijnen

Op basis van een (snelheidsafhankelijke) vastgestelde waarde voor de dwarsstroefheid kunnen de parameterwaardes voor het geometrisch ontwerp van een horizontale boog worden vastgesteld: de boogstraal en de verkanting in relatie tot de ontwerpsnelheid. Op basis van het onderzoek naar dwarsstroefheid van Brevoord uit de jaren ’70 [8] zijn deze parameterwaardes berekend en vergeleken met de karakteristieken die zijn opgenomen in de NOA (zie figuur 4).

Figuur 4: Boogstralen volgens NOA 2007 & karakteristiek Brevoord bij 100 km/uur.




  



Toelichting: Bij situaties waarin de ontwerpsnelheid van de boog lager is dan het voorafgaande wegvak, schrijft de NOA een grotere minimale boogstraal voor dan in situaties waarin er geen sprake is van een afnemende ontwerpsnelheid. Brevoord maakt geen onderscheid in beide situaties. De minimale boogstralen conform de NOA liggen veel hoger dan de stralen die volgen uit het onderzoek van Brevoord. Tot een verkanting van 5,0% is volgens de NOA de minimale boogstraal een factor 1,5 groter bij een afnemende ontwerpsnelheid dan bij een gelijke ontwerpsnelheid. Bij bogen met een gelijke ontwerpsnelheid als het voorafgaande gedeelte, zit er een knip in de grafiek vanaf een verkanting van 5,0%; het effect van de verkanting op de minimale boogstraal is vanaf 5,0% kleiner. Bij verkantingen groter dan 5,0% zijn de minimale boogstralen bij gelijke ontwerpsnelheden volgens de NOA gelijk aan de minimale waarden die gebaseerd zijn op het onderzoek van Brevoord.

Opvallend zijn de grote verschillen in minimale boogstralen (bij kleine verkantingen) tussen de NOA en Brevoord. Daarom is nagegaan welke relatie achter de verhoging van de boogstraal zit (ten opzichte van Brevoord); welke factoren hebben de toelaatbare dwarsstroefheid bepaald:  Gemeten dwarsstroefheidskarakteristiek met een veiligheidsfactor?  Vaste verhouding tussen de verkanting en dwarsstroefheid?  Combinatie van beide? Op basis van de beschikbare literatuur is deze vraag niet eenduidig te beantwoorden.

3.4.

Stroefheidsmetingen

In de voorgaande hoofdstukken is ingegaan op de theorie achter het bepalen van minimale horizontale boogstralen en waardes voor de dwarsstroefheid die in het verleden in het binnen- en buitenland bepaald zijn. Omdat de dwarsstroefheidswaardes die in de NOA gehanteerd worden, gebaseerd zijn op onderzoek uit de jaren ’70, zijn nieuwe metingen uitgevoerd. Het doel van deze metingen is te achterhalen of ontwikkelingen op het gebied van verharding en banden tot een bijstelling van de maatgevende fz waarde moeten leiden. Met deze actuele (maatgevende) waardes voor fz kan vervolgens bepaald worden of en in welke mate de richtlijn voor het dimensioneren van horizontale bogen aangepast moet worden.

Testprogramma De metingen zijn uitgevoerd met de TNO bandenmeetwagen (zie figuur 5).

Figuur 5: De Delft-Tyre test trailer

In het testprogramma zijn de volgende parameters opgenomen: Type band Condities Type wegdek Conditie wegdek Snelheid Meting

PIARC, Michelin 205/55R16 (afgedraaid), worst case versleten band (3 merken) Nat (waterlaag 0,5mm) en droog ZOAB, DAB Oud, nieuw 50, 70, 90 en 110 km/uur Dwarsstroefheid, langsstroefheid


Een vergelijk van de resultaten van de nieuwe metingen met de oude gegevens kan interessante informatie opleveren (betere eigenschappen banden/wegdekken/etc.) indien de metingen bij dezelfde omstandigheden uitgevoerd zijn. Uit de literatuur zijn echter niet alle testcondities te achterhalen die behoren bij de dwarsstroefheidskarakteristiek uit 1974. Resultaten De invloed van de snelheid op de langs- en dwarsstroefheid bij de testbanden is te zien in figuur 19 en figuur 20. Bij de dwarsstroefheid is tevens de gestileerde karakteristiek van Ten Cate aangegeven, zodat een vergelijking met metingen mogelijk is.

Toelichting:

Figuur 6: gemeten langsstroefheid (links) en dwarsstroefheid (rechts)









 



 

De snelheid heeft invloed op de langsstroefheid bij zowel DAB oud als ZOAB oud. Het verloop van de karakteristiek van DAB oud neemt continue met de snelheid af. Op basis van het beperkt aantal punten (3) kan niet geconcludeerd worden of het een lineair of kwadratisch verloop betreft, maar het laatste wordt verwacht. De karakteristiek van ZOAB oud heeft geen mooi verloop door de resultaten bij lage snelheden. Nader onderzoek van de bandkarakteristieken en/of metingen met meer banden, weggedeeltes, etc. is vereist om hierover uitsluitsel te kunnen geven. De snelheid heeft ook invloed op de dwarsstroefheid, maar in veel minder mate dan volgens de karakteristiek van Ten Cate. Bij Ten Cate wordt een afname van 0,3 over een snelheidsgebied van 40 km/u tot 120 km/u aangegeven, terwijl dit bij de testband onder de 0,1 blijft. Vooral bij hoge snelheden worden aanzienlijk hogere dwarsstroefheden (verschil>0,2) verkregen, waardoor grotere dwarsversnellingen en dus kleinere boogstralen realiseerbaar kunnen zijn. Opgemerkt moet worden dat deze hoge dwarsstroefheden op een nat wegdek alleen gerealiseerd kunnen worden, als er niet gelijktijdig geremd of aangedreven worden. De dwarsstroefheid voor de ontwerprichtlijn zal aanzienlijk lager komen te liggen doordat een groot deel van rempotentieel beschikbaar moet blijven om veilig in de bocht en in de rijstrook tot stilstand te komen. Opgemerkt moet worden dat de snelheidskarakteristieken van beide stroefheden voor ZOAB oud een overeenkomstig verloop hebben, alleen het niveau verschild (ca. 0,2). De snelheidskarakteristieken van DAB oud zijn verschillend, waarbij de invloed van de snelheid het geringst is bij de dwarsstroefheid. Vanwege het beperkt aantal punten (3) is het niet mogelijk hiervoor oorzaken aan te geven en/of conclusies te geven. Verder kan uit het onderzoek het volgende worden geconcludeerd: De dwarsstroefheid van de testband (Michelin, nieuw, afgedraaid) en versleten banden (APKafkeur) ligt ca. 0,2 hoger dan die van de langstroefheid. Blijkbaar hebben hedendaagse banden op een nat wegdek een betere stroefheid in dwarsrichting c.q. bochten dan in langsrichting. Het verschil tussen de testband en drie versleten banden is geringer dan verwacht; De stroefheden bij een droog wegdek liggen ca. 0,15 – 0,3 hoger dan bij een nat wegdek. Opmerkelijk is dat er op een nat wegdek de invloed van het wegdek (DAB/ZOAB & nieuw/oud) bij de testband & snelheid 70 km/u niet kan worden geconstateerd. Bij een droog wegdek heeft het wegdek wel een geringe invloed op de stroefheden.


Gevolgen voor de richtlijnen Op basis van de inzichten die uit het literatuuronderzoek zijn verkregen en de resultaten van de praktijkmetingen, kan bepaald worden of de huidige ontwerprichtlijn nog representatief is, of dat aanpassingen gewenst zijn. Een maatgevende waarde voor de dwarsstroefheid van 0,18 (voor elke snelheid) lijkt een goed vertrekpunt, waarbij ervan uit wordt gegaan dat altijd 90% van de langswrijving beschikbaar is (dit is overigens een arbitraire waarde). Het is niet noodzakelijk om onderscheid te maken in verschillende ontwerpsnelheden. Dit betekent dat de stroefheidscijfers duidelijk hoger liggen dan in de vigerende NOA.

Hierbij moeten de volgende kanttekeningen worden geplaatst: 





 

De waardes voor de dwarsstroefheid zijn afhankelijk van een groot aantal variabelen. Van een aantal belangrijke variabelen is de invloed bepaald. Dit betekent echter niet dat de overige variabelen verwaarloosbaar zijn. Van elke variabele dient idealiter een veiligheidsfactor te worden bepaald. De waardes zijn gemeten bij bepaalde condities. Hierbij is zo veel mogelijk uitgegaan van condities conform de huidige richtlijnen of veel voorkomende condities. Omdat de uitgangspunten nog stammen uit de jaren ’70 en op allerlei gebieden de uitgangspunten niet meer representatief zijn, dient de uitgangssituatie opnieuw vastgesteld te worden. Zo dient bijvoorbeeld de huidige maatgevende waterlaagdikte ter discussie gesteld te worden. Ook dient bij de interpretatie van de resultaten rekening gehouden te worden met meetonzekerheden en marges in de uitvoering van de proeven (bijvoorbeeld ten aanzien van de waterlaagdikte). Om minimale boogstralen te kunnen bepalen, dient ook rekening gehouden te worden met anders aspecten: het kantelcriterium, comfort en wegbeeld. In dit onderzoek is geconstateerd dat in de literatuur wordt uitgegaan van een maximale verhouding tussen de dwarsstroefheid en de verkanting. Deze verhouding is sterk bepalend voor de minimaal toepasbare boogstralen: bij de meeste verkantingen is de beschikbare dwarsstroefheid niet maatgevend. Uit de beschikbare onderzoeken blijkt echter niet welke verhouding gehanteerd moet worden. Om dit aspect mee te kunnen nemen, is vervolgonderzoek noodzakelijk.

4. Onderzoek kantelen vrachtwagens in bogen Inleiding Voor personenwagens is slippen of glijden de meest kritische situatie in natte bogen waarbij tevens stevig geremd wordt. Voor andere voertuigtypen zoals vrachtwagens, opleggers en aanhangers is kantelen de meest kritische situatie. In het onderzoek naar dwarsstroefheid is geconstateerd dat met het aannemen van hogere dwarsstroefheidcijfers, mogelijk andere criteria maatgevend worden voor de ontwerpparameters voor horizontale bogen. Daarom is nader onderzoek gedaan naar het kantelcriterium [5]. In dit onderzoek is met behulp van verschillende bronnen gekeken naar kantelongevallen en de oorzaken voor dit type ongeval.


Figuur 7: Kantelen van een torsieslappe box-trailer

Kantelongevallen Door de politie worden gegevens van verkeersongevallen en slachtoffers verzameld voor de landelijke registratie van verkeersongevallendatabase BRON (Bestand geRegistreerde Ongevallen in Nederland). In deze database zijn kantelongevallen niet als zodanig opgenomen, waardoor het aantal kantelongevallen niet te herleiden is. Ook in het onderzoek van de SWOV in 1997 een onderzoek naar het kantelen van vrachtwagens [9] en meer recenter (2008) als partner bij een grootschalige praktijkproef met antiongevalssystemen voor vrachtauto’s [10], zijn geen cijfers terug te vinden over het aantal kantelongevallen. In algemene zin geeft de SWOV als belangrijkste oorzaken van ongevallen met vrachtwagens: uitwijkmanoeuvres (ter vermijding van een botsing), het inrijden op files en in de berm terechtkomen. Om toch een beeld te krijgen van de omvang van de problematiek met gekantelde vrachtwagens, is de website van transport-online geraadpleegd (www.transport-online.nl) [11]. Deze website heeft een archief dat met trefwoorden doorzocht kan worden. Dit archief bevat ook ongevallen in het buitenland waarbij Nederlandse vrachtwagens betrokken zijn of uitzonderlijke ongevallen. De ongevallen database is doorzocht naar “gekantelde vrachtwagens” en “gekanteld in een bocht”. De gegevens staan in onderstaande tabel.

Aantal ongevallen

2008

2009

2010

2011

2012*

20082012*

Gekantelde vrachtwagens

39

46

17

47

36

185

Gekantelde vrachtwagens in bocht *Januari t/m oktober 2012

6

5

1

4

6

22

Tabel 1: Ongevallen met gekantelde vrachtwagens in Nederland, volgens [11]

De belangrijkste oorzaken zijn snelheid, verlies controle door chauffeur en in de berm terechtkomen. Daarnaast komen ook belading (hoog, bewegende lading, verkeerd beladen) en voertuigmankementen voor. Uit deze gegevens blijkt dat in Nederland bijna 1 keer per week een kantelongeval met een vrachtwagen gebeurt. In 1997 is voor de Adviesdienst verkeer en Vervoer (AVV) van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat een onderzoek [12] uitgevoerd naar kantelongevallen bij zwaar verkeer in Nederland. De conclusies van het onderzoek waren onder meer:  Aantal kantelongevallen Op het autosnelwegennet gebeurt gemiddeld één keer per twee weken een kantelongeval.




Worden alle wegen beschouwd, dan gebeuren er gemiddeld twee kantelongevallen per week. Op het autosnelwegennet komt “verlies van lading” ruim twee keer zo vaak voor als kantelen. Over heel Nederland bekeken ligt het aantal in lijn met de kantelongevallen (99 stuks). Oorzaken kantelongevallen De vijf belangrijkste oorzaken van kantelongevallen met zware voertuigen zijn: o Bochten; o Uitwijken; o Bestuurder afgeleid; o Snelheid en o Berm. In het algemeen kan gesteld worden dat het vaak niet één enkele oorzaak betreft, maar een combinatie van oorzaken die elkaar meestal versterken. De combinatie “snelheid en bocht” is een belangrijke indicator voor het optreden van kantelongevallen. Aangezien bij de meeste kantelongevallen geen andere voertuigen zijn betrokken betreft het dus éénzijdige ongevallen.

Maatgevende situatie kantelen Pacejka [2] heeft voor een hoog en zwaar beladen vrachtwagen een kantelgrens van 0.23g vastgesteld. Op basis van gegevens van huidige vrachtwagens (rolstijfheid, banden, etc.) wordt een iets hoger kantelgrens van 0.28g verkregen. De kans op kantelen bij een vrachtwagen is het grootste als het wegdek droog en stroef is, dus waarbij de dwarsstroefheid maximaal is. Wordt het kantelkental oftewel de minimum dwarsstroefheid waarbij kantelen optreedt (fk=µk=0.23) vergeleken met de dwarsstroefheid van vrachtwagenbanden op een droge weg (µy=0.70-0.80), dan blijkt overduidelijk dat kantelen en niet glijden maatgevend is voor vrachtwagens in bochten. Vrachtwagens met een lage kantelstabiliteit hebben vaak een extreem hoog zwaartepunt, bewegende lading, etc. Tijdens dynamische situaties kan de kantelgrens dan waarden hebben die net boven 0.20g liggen. Opgemerkt moet worden dat de worst case kantelgrens van 0.20g exclusief een veiligheidsfactor is. Uit de literatuur zijn ten aanzien van veiligheidsfactoren geen gegevens gevonden en zowel deze veiligheidsfactor als werkelijk worst case kantelgrens dient nader onderzocht te worden. De worst case kantelgrens van 0.20g kan echter wel beschouwd worden als een veilige waarde. Aan de ene kant omdat het overgrote deel van de vrachtwagens namelijk een hogere kantelgrens hebben (activeringsgrens WABCO Roll Stability Support ligt op 2.7 m/s2). Aan de andere kant omdat bij de vrachtwagens met kantelkritische lading zowel de producent als gebruiker rekening houden met de eigenschappen van deze speciale ladingen. Hierdoor zal het kantelrisico binnen aanvaardbare waarden blijven terwijl de kantelgrens niet hoog is. Bij vrachtwagen met hangend vlees bijvoorbeeld door een voertuig met stijvere vering en/of borgen van de lading (vermijding slingeren). Voor tankauto’s zijn er speciale chauffeurstrainingen. Ecocombi’s worden alleen bestuurd door chauffeurs met bewezen jarenlange ervaring en zonder ongevallen. Kantelproblemen kunnen daarentegen optreden bij ladingen waarvan de werkelijke beladingsverdeling en borging onbekend zijn of niet bepaald kan worden door de chauffeur, zoals bij verzegelde containers/laadruimtes. Door asymmetrische belading of verschoven lading kan de kantelgrens namelijk significant lager zijn dan verwacht en kantelen in bogen en bij uitwijkmanoeuvres tot gevolg hebben. Kantelen en ontwerpparameters horizontale bogen In figuur 8 is de boogstraal als functie van de dwarsverkanting en rijsnelheid weergegeven, die behoort bij een worst case kantelgrens van 0.20g echter zonder zijwindkracht. Tevens zijn de minimale boogstralen op basis van het slipcriterium opgenomen (zoals opgenomen in de ROA). Volgens figuur 8 schrijft het slipcriterium van ROA 1993 grotere boogstralen voor dan volgens het kantelcriterium bij 0.20g. Uit het eerder beschreven stroefheidsonderzoek blijkt dat kleinere boogstralen mogelijk zijn op basis van voertuigdynamisch gedrag: betere grip van huidige autobanden op natte wegdekken. Bij een update van het slipcriterium van personenwagens naar kleinere boogstralen dient rekening gehouden te worden dat een kantelcriterium van vrachtwagens inclusief een veiligheidsfactor mogelijk maatgevend kan zijn!


Figuur 8: Boogstraal bij kantelgrens 0.20g als functie van de dwarsverkanting en snelheid, exclusief zijwind en volgens Bijlage 1, ROA 1993 [13].

5. Human factors In zowel het onderzoek naar de dwarsstroefheidscijfers als het kantelen van vrachtwagens is de weggebruiker buiten beschouwing gelaten. Dit is echter een niet te verwaarlozen component in het bepalen van de te hanteren veiligheidsfactoren en daarmee het vaststellen van een nieuwe richtlijn voor horizontale bogen. De weggebruiker bepaalt immers de snelheid waarmee een boog doorreden wordt en daarmee de kans dat het voertuig slipt of kantelt. Eind 2012 is een plan van aanpak geschreven voor het bepalen van de invloed van human factors, het rijgedrag, op de verkeersveiligheid in horizontale bogen[6]. Daarbij is een modelbenadering opgesteld waarin de horizontale boog en het wegvak voorafgaand aan de boog, in verschillende


secties worden opgedeeld op basis van de taken de verschillende rijtaken die de weggebruiker dient uit te voeren. In figuur 9 zijn de secties weergegeven.

Figuur 9: verschillende secties van een boog

Sectie 1: nadering boog In de eerste sectie nadert de weggebruiker de horizontale boog. De snelheidskeuze stroomopwaarts van de boog, wordt in sterke mate bepaald door de ontwerp-, inrichtings- en wegkarakteristieken van het wegvak dat voorafgaat aan de horizontale boog. Deze aspecten samen bepalen het verwachtingspatroon waarmee de weggebruiker de boog benadert. Hierbij is het belangrijk om te onderkennen dat de weggebruiker niet bestaat; het rijgedrag van een regelmatige gebruiker van dit knooppunt zal verschillen van het gedrag van een bestuurder die voor de eerste keer door deze boog rijdt. Ook zal het gedrag bij de nadering van de boog afhankelijk zijn van het type voertuig en de voertuigkarakteristieken. Vanwege de hoge ongevalsfrequentie voortkomend uit te hoge naderingssnelheden, is in dit specifieke voorbeeld het wegvak voorafgaand aan de horizontale boog uitgerust met diverse verkeersborden en waarschuwingen; bij een goed ontworpen (self-explaining) boog zou deze middelen niet nodig moeten zijn. Sectie 2: snelheidsaanpassing In de tweede sectie moet de weggebruiker zijn snelheid afstemmen op de boog. Hierbij zijn de boogstraal en de verkanting bepalend voor de benodigde snelheidsaanpassing, maar spelen ook de eerdergenoemde aspecten uit sectie 1 een rol. Het verwachtingspatroon in combinatie met het wegbeeld, bepalen uiteindelijk in hoeverre weggebruikers hun snelheid daadwerkelijk aanpassen. In het wegbeeld spelen met name verticale elementen zoals geleiderail, verkanting(overgang), beplanting en eventueel aanwezige bochtschilden een rol. Maar ook zichtbeperkende elementen, zoals een kunstwerk, kunnen van invloed zijn. Bij de snelheidsaanpassing kunnen twee situaties optreden:  De weggebruiker schat de boogstraal te ruim in, waardoor de gekozen snelheid te hoog is. Afhankelijk van de kenmerken van het voertuig en de weggebruiker, bestaat de kans het slip-, kantel- of comfortcriterium in de horizontale boog wordt overschreden;  De weggebruiker schat de boogstraal te krap in, waardoor zijn feitelijk gekozen snelheid in de boog hoger had kunnen zijn. Er is geen sprake van een verhoogd risico. In deze sectie is niet alleen een te hoge naderingssnelheid van invloed op het risicocijfer, maar ook de variatie in naderingssnelheid. Wanneer weggebruikers de horizontale boogstraal sterk wisselend interpreteren, zal dit tot grotere onderlinge snelheden leiden, met een verhoogde kans op kopstaart ongevallen als resultaat. Sectie 3: overgang naar de boog In sectie 3 vindt de overgang naar de horizontale boog plaats. In deze sectie zijn de overgangsboog en de verkantingsovergang gesitueerd. De overgangsboog is bedoeld om de


stuurverdraaiing geleidelijk te doen plaatsvinden. De verkantingsovergang is bedoeld om het verloop naar een tegengesteld gerichte verkanting (of een ander verkantingspecentage) mogelijk te maken. Door een korte verkantingsovergang en een grote verkanting kan een krappe horizontale boog extra worden geaccentueerd. De meeste weggebruikers zullen in deze sectie nog steeds hun snelheid verlagen. Geleidende objecten in de boog, zoals bochtschilden, attenderen de weggebruikers op de aanwezigheid van een krappe boog. De aanwezigheid van voorliggers, met name vrachtverkeer, kan het zicht op het verloop van de horizontale boog belemmeren. Sectie 4: de horizontale boog De laatste sectie bevat de horizontale boog. Hier kunnen de volgende scenario’s voorkomen: a) De weggebruiker heeft in de voorgaande secties voldoende snelheid geminderd en kan in de horizontale boog een constante snelheid aanhouden; b) De weggebruiker heeft onvoldoende snelheid geminderd en moet opnieuw snelheid aanpassen. In het laatste geval is het belangrijk of de weggebruiker tijdig bemerkt dat zijn of haar snelheid te hoog is en er nog mogelijkheden zijn om te voorkomen dat het kantel- of slipcriterium wordt overschreden. Hierbij is een belangrijke rol weggelegd voor het comfort: indien de weggebruiker de snelheid in de boog als onaangenaam ervaart, dan zal dit een prikkel zijn om de snelheid aan te passen. Hoe verder de comfortgrens onder de kantelen slipgrens ligt, hoe lager het risico is dat er kantelen of slippen optreedt. Het ervaren comfort wordt beïnvloed door voertuigkarakteristieken, zoals vering en type bestuurdersstoel. De mate van comfort die weggebruikers acceptabel vinden, is afhankelijk van de persoonskenmerken van de bestuurder (of inzittenden): het stereotype jonge BMW-rijder zal hogere krachten in de boog acceptabel vinden dan een oudere Toyota-Verso rijder. Ongunstige wegen omgevingsomstandigheden (zoals spoorvorming, dikke waterlaag, zijwind) kunnen een negatieve invloed hebben op de kans op kantelen of slippen. Sectie 5: verlaten van de horizontale boog In de laatste sectie verlaten de weggebruikers de horizontale boog. Het rijgedrag in deze sectie wordt mede bepaald door de manoeuvres die op het stroomafwaarts gelegen wegvak: accelereren, van rijstrook wisselen, tot stilstand komen (voor een VRI), etc. In dit geval blijven weggebruikers op een autosnelweg, kunnen ze hun rijstrook blijven volgen en zullen ze weer accelereren naar hun wenssnelheid.

Per sectie spelen meerdere factoren een rol bij het rijgedrag en de optredende risico’s. Zo speelt de verkanting in de boog een rol bij het inschatten van de boog en de mate van vertraging voor de boog. Maar de verkanting heeft ook effect op het gedrag en de gebeurtenissen in de boog (al dan niet slippen, of kantelen en het ervaren comfort). In de volgende paragraaf is op hoofdlijnen beschreven hoe het onderzoek naar het rijgedrag en het verkeersveiligheidsniveau in horizontale bogen eruit ziet.

6. Het vervolg Om meer inzicht te krijgen in het daadwerkelijke rijgedrag in horizontale bogen en de factoren die hierbij een rol spelen, zullen in 2013 praktijkmetingen worden uitgevoerd. Hierbij zullen voor een aantal locaties snelheidsprofielen van weggebruikers worden bepaald. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van Video Based Monitoring (VBM), geïnstrumenteerde meetvoertuigen en andere middelen om op individueel niveau trajectsnelheden in te winnen. Ter voorbereiding op de praktijkmetingen zal eerst een (GIS-) database met boogkenmerken en ongevallenkenmerken worden gebouwd van de verbindingswegen in Nederlandse autosnelweg knooppunten. Aan de hand van deze database zullen de relaties tussen boog- en omgevingskenmerken en ongevalskenmerken (statistisch) geanalyseerd worden. Indien de resultaten het mogelijk maken, worden er zogenaamde accident prediction models (APM’s) opgesteld. Deze APM’s geven het verband aan tussen een of meerdere ontwerpkenmerken en het


te verwachten aantal ongevallen. Tevens zullen de resultaten worden gebruikt voor een selectie van de bogen die gebruikt zullen worden voor de praktijkmetingen. Gelijktijdig zal er een literatuuronderzoek worden uitgevoerd. De literatuurstudie gaat in de op de relatie tussen ontwerp-, verkeer- en omgevingskenmerken enerzijds en rijgedrag en ongevallen in horizontale bogen anderzijds. Op basis van deze studie kan worden bepaald welke kenmerken belangrijk zijn om op te nemen in de te bouwen database voor de ongevallenanalyse. Ook worden de resultaten gebruikt voor het opstellen van meetplan van de praktijkmetingen: welke aspecten zijn relevant om te meten in de praktijk? Uiteindelijk zal aan de hand van de resultaten van de eerder uitgevoerde studies en de resultaten van de praktijkmetingen een nieuwe richtlijn voor het ontwerpen van horizontale bogen worden opgesteld. Een richtlijn die gebaseerd is op actuele kenmerken van de weg, de voertuigen en de weggebruiker, inclusief transparante en onderbouwde veiligheidsfactoren. Het Cold case team horizontale bogen gaat verder met zijn reconstructie van de waarheid en zijn speurtocht naar bewijsmateriaal.

7. Bronnen [1] [2] [3] [4] [5] [6]

[7] [8] [9] [10] [11] [12]

[13]

Rijkswaterstaat Adviesdienst Verkeer en Vervoer. Nieuwe Ontwerprichtlijn Autosnelwegen (NOA). Rotterdam, januari 2007. Pacejka, H.B. Criteria te stellen aan de verkanting van een bocht met een constante straal. Vakblad Wegen, augustus 1974. Ten Cate, A.J. Bruikbare stroefheids-cijfers voor het ontwerp van bogen. Rijkswegenbouwlaboratorium Delft, rapport SV 72-6, 1972. Ruijs, P.A.J., Coo, P.J.A. de, Broeren, P.T.W., Groot, J. Stroefheidscijfers en horizontale bogen, in opdracht van RWS DVS, Delft, augustus 2012. Ruijs, P.A.J., Broeren, P.T.W. Kantelen vrachtwagens in bogen, literatuurstudie. In opdracht van RWS DVS, augustus 2012, Delft, december 2012. Broeren, P.T.W., Ruijs, P.A.J., Van der Horst A.R.A. Ontwerpen van horizontale bogen, plan van aanpak voor het bepalen van veiligheidsfactoren voor het ontwerp van horizontale bogen. In opdracht van RWS DVS, Delft, december 2012. RAL-L-1 Kommentar, Richtlinien für die Anlage von Landstraβen, Elemente der Linienfuhrung, 1973. Brevoord, G.A. De ontwerpsnelheid in bogen. Vakblad Wegen, augustus 1973. Tromp, J.P.M., Kantelen bij vrachtwagens. SWOV rapport R-97-30, Leidschendam, 1997. Eenink, R.G. Verkeersveiligheidseffecten van Anti-Ongevalsystemen. SWOV rapport R2009-11, Leidschendam, 2009. www.transport-online.nl. Website met nieuws over vrachtwagenongevallen in Nederland met een archief vanaf 2008. Hoogvelt, R.B.J., Ruijs, P.A.J., Klootwijk, C.W. Kantelongevallen met zwaar verkeer op Nederlandse wegen. TNO-rapport 97.OR.VD.021.1/RH/PR/CK, 1997 (in opdracht van AVV, Min. V&W). Rijkswaterstaat Dienst verkeerskunde. Richtlijnen voor het Ontwerpen van Autosnelwegen (ROA). Rotterdam, 1993.


Het ontwerp van horizontale bogen, back to the future

Recommend Documents