Διερεύνηση ασφάλειας και λειτουργικότητας οδού δυό λωρίδων κυκλοφορίας ως προς την κίνηση διαξονικών οχημάτων σε αυξημένες κατά μήκος κλίσεις
Authors: Μαυρομάτης Στέργιος 
Published: August 2021

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.