Kent içi yollarda hız kesici platform ve tümsek profillerinin sürüş konforu üzerindeki etkilerinin arazi testleri, nümerik ve analitik modeller vasıtasıyla belirlenmesi
Determination of the effect of speed hump and bump profiles on urban roads in terms of ride comfort via field tests, numerical model and analytical model
Yazar: ERTUĞRUL BİLGİN
Danışman: PROF. DR. ABDULLAH HİLMİ LAV
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Tüm dünyada çok geniş kullanım alanı olan hız kesici platformlar ve hız kesici tümsekler sürücüleri süratlerini azaltmaya zorlayarak daha ılımlı taşıt hızlarında seyretmelerine yol açıp, kentsel trafik kazalarını engelleyen en etkili trafik sakinleştirme araçları arasındadır. Eğer sürücüler hız kesici platformlarla karşılaştıkları zaman süratlerini yerel otoritelerin belirledikleri hız limitleri ile uyumlu olarak azaltmazlarsa, sürüş güvenliği ve sürücü tarafından algılanan sürüş konfor düzeyi kesinlikle düşecektir. Sonuç olarak, hız kesici tümsekler ve özellikle de hız kesici platformlar sürücünün hızlanma hevesi üzerinde caydırıcı bir rol oynar.
İyi tasarlanmış bir hız kesici platform sürüş güvenliğini ve sürüş konforunu tehlikeye atmadan, taşıt hızlarını hız sınırlaması aralığına düşürmelidir. Hız kesici platformdan taşıtın geçişi sırasında ortaya çıkan düşey ivme; sürüş konforu ve güvenliğine etki eden en önemli faktördür.
Bu çalışmanın temel amacı; hız kesici platform ve tümsek profillerinin değişken taşıt hızı değerleri çerçevesinde sürüş konforu ve tasarım optimizasyonu üzerindeki etkilerinin arazi testleri, nümerik ve analitik (matematik) model uygulamaları vasıtasıyla irdelenerek; şürüş konforu bağlamında en ideal platformun belirlenmesidir.
Çalışma; arazi testleri, nümerik model (simülasyon) ve analitik model (matematik) olmak üzere üç ana bölümden oluşmaktadır. Bu çalışma, kaydedilen anlık düşey ivmeler vasıtası ile hesaplanan ortalama karekök değerlerinin (rms) sürüş konforu ve sürüş güvenliği açısından değerlendirilmesine dayandırılmıştır.
Çalışmada giriş bölümünü takiben, konu ile ilişkili kapsamlı bir literatür çalışması yer almaktadır.
İkinci bölümde trafik sakinleştirme ve trafik güvenliği ile ilgili temel bilgiler verildikten sonra; hız kesici platform ve tümsekleri de ihtiva eden trafik sakinleştirme araçları tanıtılmıştır.
Üçüncü bölümde ise konforsuzluk kriteri ve değerlendirmesi konusuna değinilerek, sürüş konfor düzeyinin belirlenmesinde yaygın olarak kullanılan titreşim değerlendirme yöntemleri tanıtılmıştır.
Dördüncü bölümde; tez hazırlama dönemi içerisinde basit bir ikonik model vasıtasıyla eğik bir düzlemden, üzerinden geçtiği hız kesici tümseğin yer aldığı yatay bir düzleme doğru hız kazanan bir otomobil tekerleğinin hareketinden yola çıkarak; tasarım optimizasyonunun temel öğelerini ve hız kesici tümsek performansının irdelenmesini gözler önüne seren bir ikonik model çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu basit ve pratik ikonik model çalışmasını içeren bölümün, tez çalışmasının esas kapsamına bir giriş niteliğinde olduğu addedilebilir.
Beşinci bölüm arazi testleri ve değerlendirmelerini içermektedir. Arazi testleri İstanbul Teknik Üniversitesi Ayazağa Kampüs alanındaki yedi adet parabolik hız kesici platform ve bir adet trapez kesitli hız masası üzerinde gerçekleştirilmiştir. Testler sürücü + 1 yolcu ve sürücü + 4 yolcu olmak üzere, iki farklı taşıt ağırlığı ile toplam iki kez icra edilmiştir. Testlerde 2014 model Volkswagen Golf marka bir binek otomobilden yararlanılmıştır. 5'er Km/sa artırımlarla 15 km/sa – 35 km/sa arasında değişen beş adet taşıt hızı denenmiştir. Arazi testleri hız kesici platformdan taşıtın geçişi sırasında oluşan düşey ivmelere odaklandığı için, test sürecinde anlık düşey ivme değerleri bir ivmeölçer, bir veri kaydedici, bir "Testlab Network" yazılımı ve bir kişisel bilgisayar yardımıyla ölçülmüş ve kaydedilmiştir. Daha sonra kaydedilen bu anlık düşey ivmeler esas alınarak, rms değerleri hesaplanmıştır.
Altıncı bölümde modelleme ile ilgili temel bilgiler verilmiş ve modelleme teknikleri kısaca tanıtılmıştır.
Yedinci bölüm simülasyon sürecini kapsamaktadır. Bu süreç için ise, bir "genel amaçlı sonlu eleman yazılımı" olan Ls-Dyna yazılımının 3.1 sürümü kullanılmıştır. Simülasyon sürecinde hız kesici platform profil tipi olarak parabolik, dairesel ve trapez profil tipleri kullanılırken; hız kesici tümseklerde ise dairesel ve parabolik tipler tercih edilmiştir. Bu bölümde farklı taşıt hızları için; hız kesici platform ve tümsek yükseklik ve uzunluk kombinasyonundan oluşan üç set hız kesici platform profili ve bir set de hız kesici tümsek profili test edilmiştir. 
Yedinci bölümde ayrıca; arazideki yedi adet hız kesici platforma ve bir adet hız masasına ait tespit edilmiş anlık düşey ivme değerlerinden yararlanılarak hesaplanmış olan rms değerleri ile gene aynı hız kesici platformların oluşturulmuş bire bir kesitlerinin simülasyon ortamında elde edilen rms değerlerinin karşılaştırılması yapılarak, simülasyon sonuçlarının araziye tatbiki için bir düzeltme faktörü hesaplanmıştır. Arazi testlerinde kullanılan binek otomobille, Ls-Dyna simülasyon yazılımındaki otomobilin özellikle ağırlık ve süspansiyon nitelikleri bakımından farklılık arz etmesi ve bu hususlar her ne kadar yazılım ayarlarıyla dengelenmeye çalışılmış olsa da, bu iki otomobilin hız kesici platform geçişi sırasındaki davranışlarının tamamıyla aynı olduğunu varsaymanın hatalı olacağı gerçeğinden yola çıkarak, böyle bir düzeltme faktörünün belirlenmesine gerek duyulmuştur. Bu çalışmada taşıtın ağırlık merkezi, taşıtın boyutları, lastikler ve sürücü davranışı gibi daha az önem arz eden faktörler ihmal edilmiştir. Bu bölümde son olarak testlerde dikkate alınan her bir taşıt hızı için test edilmiş hız kesici platformlar ve tümsekler arasından en uygun olanları tespit edilmiştir. En uygun hız kesici platform seçimi için geliştirilen yaklaşımda kritik sürüş konfor değeri olarak ISO 2631.1 sürüş konfor değeri aralıkları üst limit değerleri dikkate alındığında," biraz konforsuz" aralığının üst sınırı ve "hemen hemen konforsuz" aralığının alt sınırı 0,63 m/sn2 değerinin dikkate alınmasının doğru olacağı varsayılmıştır. Bu değerin alınmasının dayanağı ise, hız limitleri aşıldığı zaman hız kesici platform ya da tümsekten geçiş sırasında sürücünün algıladığı konforsuzluk hissinin artması, limitin altındaki hız değerlerinde ise, aksine, konforsuzluk değerinin ılımlı düzeylerde olması ve hız limiti sınırındaki geçişlerde de, tamamen konfor aralığında bir geçiş yerine, sürücünün uyarı niteliğinde bir miktar konforsuzluk hissetmesinin, sürücüyü hızlanma eğiliminden caydırabileceği stratejisidir. Bu yaklaşımdan hareket ederek; test edilen hız kesici platform ve tümsek profillerine ait düzeltilmiş rms değerleri incelenip, aralarından en uygun olanları saptanmıştır. Hız kesici tümseklerin boylarının hız kesici platformlara kıyasla oldukça kısa olmasından dolayı hız kesici tümseklerden geçiş süreleri son derece kısadır. Bu nedenle rms değerleri temsil edici ve güvenilir olamayacağından, hız kesici tümseklerde değerlendirme rms ivmelerine göre değil, fakat maksimum düşey ivme değerlerine göre yapılmıştır. Bu noktadan hareket ederek; hız kesici tümseklerde kritik ivme değeri olarak 0,63 m/sn2 yerine; bu defa, sürüş konfor değeri aralıkları üst limit değerleri dikkate alındığında "hemen hemen konforsuz" aralığının üst sınırı ve "konforsuz" aralığının alt sınırı olan; alt limitler dikkate alındığında ise "konforsuz" aralığında yer alan 1,00 m/sn2 değerinin dikkate alınmasının doğru bir yaklaşım olacağı varsayılmıştır.
Sekizinci bölüm, temel denklem olarak adlandırılan ikinci derece bir diferansiyel denklem yardımıyla belirlenen anlık düşey ivmelerden yararlanarak rms değerlerinin hesaplandığı bir matematik model sürecini ihtiva etmektedir. Temel denklem "Wolfram Mathematica" yazılımının 11.0 sürümü vasıtasıyla çözümlenmiştir. Bu bölümde değişken taşıt hızları için sadece parabolik tipli hız kesici platform ve tümsek profilleri dikkate alınmıştır. Amortisör sönüm katsayısı, yay sabiti, taşıtın kütlesi, test süresi, zamanın fonksiyonu olarak hız kesici platform ve tümseklerin yükseklik ve uzunlukları temel denklemde yerine konarak, yazılım yardımıyla çözümlenmiş ve bulunan anlık düşey ivme değerleri marifeti ile de, rms değerleri hesaplanmıştır. Bu bölümde elde edilen sonuçların, simülasyon sürecinde elde edilenleri destekler nitelikte olup olmadığı araştırılmıştır.
Dokuzuncu ve son bölümde ise, sonuçlar ve öneriler yer almaktadır. Bu bölümde çalışmanın sonuçları ile ilgili bilgiler verilmiş ve gelecekte yapılması muhtemel benzer çalışmalar için önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
Speed humps and bumps that have a widespread of usage all over the world are among the most efficient traffic calming devices to prevent urban traffic accidents by forcing drivers to lower their speeds to moderate levels.  If drivers do not reduce their speed in accordance with the speed limits determined by local authorities when they encounter speed humps; the driving safety and level of comfort perceived by the driver and passengers shall definitely reduce. As a result; speed humps and bumps have a deterrent role on driver's desire of speeding up.
On the urban roads of Turkey, every year great number of traffic accidents resulting with fatalities and serious injuries are being recorded. Pecuniary damages that happens due to those traffic accidents is the another aspect of the problem. The reason of the majority of traffic accidents that happened on urban roads is over speeding. Physical measures to be taken in order to take the vehicle speeds under control especially on the road sections where pedestrian traffic is dense, will definitely be fruitful under the current conditions of Turkey. Traffic calming methods that have widely being used all over the world is the most effective way to ensure it. Among the techniques it includes, there is also physical measures that regulates the traffic flow. The most important, effective and commonly used physical precautions are speed humps and speed bumps with optimum profiles to be constructed with reasonable distances on proper sections of urban roads.  
Getting a remarkable reduction in the number of traffic accidents that occurred on urban roads with material damage, fatality and injury will contribute to the economy of the country in a dramatically manner as well as preventing a great number of pedestrian, passenger, motorist and cyclist death and permanent disabilities.  A well designed speed hump should reduce the vehicle speeds to the speed limit range, but at the same time it should not jeopardize the ride safety and ride comfort. Vertical acceleration that arise during the crossing period over a speed hump is the most important factor that effects ride comfort and safety.
The main purpose of this study is to investigate the effect of speed hump and bump profiles on ride comfort and design optimization under variable vehicle speeds as well as making an attempt to establish an approach for the selection of optimum speed humps and bumps corresponding to all speed ranges taken into account in the course of experiments. 
The study has three main stages as field tests, numerical model (simulation) and analytical (mathematical model). The study is based on the evaluation of root mean square (rms) values in terms of ride comfort and driving safety that were calculated by means of previously recorded instantaneous vertical acceleration values.  
Following the introduction, a comprehensive literature review related to the subject takes part in.
In section 2; thereafter the basic information given regarding traffic calming and traffic security; traffic calming devices including speed humps and speed bumps have been presented.
In section 3; after referring to discomfort criteria and its evaluation, methods of vibration evaluation that commonly used in determination of level of ride comfort have been introduced.
In section 4; during preparation stage of the thesis, by setting out the motion of a car wheel accelerated down an inclined plane onto a horizontal plane where it was allowed to collide with a speed bump; basic elements of design optimization and examination of performance of a speed bump have been demonstrated by means of an iconic model. This section in which includes a simple and practical iconic model can be esteemed as an introductory part to the essential scope of the thesis. 
Section 5 includes field tests and its evaluations.  Field tests were performed on seven parabolic speed humps and a trapezoidal speed table within the boundary of Istanbul Technical University Ayazağa Campus Area. As a result of examination of the values which were obtained through on-site surveys by a surveying team, all speed humps are considered as parabolic in shape. However; minor surface irregularities and design defects were observed due to inattentive workmanship and lack of design.
Tests were carried out twice with different loads as driver + 1 passenger and driver + 4 passengers by means of a 2014 model Volkswagen Golf passenger car. Five vehicle speeds have been taken into account within the range of 15 km/h to 35 km/h with 5 km increments. As the field tests were focused on the measurement of the vertical acceleration occurred when crossing the speed humps; during experiments instantaneous vertical accelerations have been measured and recorded with an accelerometer, a data logger, a Testlab Network Software and a PC. Thereafter; based on the previously recorded instantaneous vertical accelerations, rms values have been calculated. Basic evaluation method was selected in order to evaluate the vibrations occurred during the test period as none of the crest values exceeds "9".
In section 6; besides basic information that was given regarding modelling; modelling techniques have briefly been presented.
Section 7 consists of a simulation stage. A general purposed finite element simulation software Ls-Dyna 3.1 version were used for this phase. Though parabolic, circular and trapezoid profile types were considered for speed humps; only circular and parabolic types were taken into account for speed bumps in the course of simulation period. In this section, for variable vehicle speeds three sets of speed humps and one set of speed bump that consists of combination of different height and length values were considered.
In section 7, a comparison of rms values which were calculated by means of instantaneous vertical acceleration values that obtained via field tests and rms values which procured during simulation phase from speed hump profiles identical with those in the field, were also accomplished. Thereafter, a correction factor has been assigned for each vehicle speed range that were taken into account during the test process.  Despite the required efforts have been made specially to get the distinctive weight and suspension properties of the cars that was utilized for the field tests and the one represented in the simulation stage as closer as to each other by means of Ls-Dyna software settings, it has still become essential to assign such a correction factor as it would be incorrect to assume the behaviour of them identical. Some minor factors such as center of the gravity, tires, geometrical dimensions of the car, driver's behaviour, etc. are ignored within the scope of this study. In this section finally; optimum speed hump and speed bump profiles have been determined among the ones that were already tested during the simulation stage for each considered speed range. In the approach which has been developed for the assignment of optimum speed hump profiles, upper limits of rms range given in ISO 2631-1 were considered and it has been assumed that it would be sensible to take the rms value of 0,63 m/s2 into account that corresponds to the threshold point of "a little uncomfortable" and "fairly uncomfortable" level. The main reason in accepting the value of 0,63 m/s2 has been based on the the strategy that when the speed limit exceeded during the period of crossing over a speed hump, the sense of discomfort perceived by the driver would increase, on the contrary; it would become to moderate levels below the speed limits and as for crossing the speed hump at the threshold of speed limit, the driver would feel some discomfort as an alert in order to deter him from the tendency of speeding up. On the other hand, as the length of speed bumps are dramatically shorter than speed humps, the duration of crossing over them is fairly short. For that reason, since the rms values shall not be representative and reliable; maximum vertical acceleration values have been used for the evaluation of speed bumps. In that case, it would be reasonable to take the rms value of 1,00 m/s2 into account that corresponds to the threshold point of "fairly uncomfortable" and "uncomfortable" level as the maximum vertical acceleration values are the peak values.
In line with this approach; corrected rms values belong to already tested speed humps were examined and optimum profiles among them have been selected.
Section 8 contains mathematical model process in which rms values were calculated by dint of instantaneous vertical acceleration values that were determined by a quadratic differential equation named as "Basic Equation". Solution of basic equation has been attained by 11.0 version of the software "Wolfram Mathematica". In this section, solely parabolic type speed hump and speed bump profiles for variable vehicle speeds have been taken into account. Damping coefficient, spring stiffness constant, vehicle mass, test duration, height and length of speed humps and speed bumps as a function of time have been placed into the basic equation, resolved by means of the software and finally rms values have been calculated with the aid of instantaneous vertical acceleration values that previously were obtained. Thereafter, it has been investigated whether the results obtained in this section supports those acquired during the simulation stage or not.
The ninth and last section covers conclusion and recommendations.  In this section, information has been given related with the results of the study and suggestions have been made for the similar researches to be probably fulfilled in the future. 
The effects of speed hump and speed bump profiles on ride comfort and driving safety for variable vehicle speeds have comprehensively been investigated in this study.
The study is based on the evaluation and comparison of vertical acceleration data obtained through the field test and the simulation stage.
Establishment of a relationship defined as "correction factor" between the speed hump profiles tested on the field and those tested during the simulation stage under certain vehicle speeds that experimented in the course of simulation phase with far more comprehensive variety, will make the application of speed hump profiles possible onto the field. This issue is one of the most important result of this study.
Field tests, simulation and numerical model results have shown that vehicle speed is the most important parameter that effects ride comfort and design optimization as emphasised in the most of similar previous studies. A strong negative correlation between vehicle speed and ride comfort has been determined. It has been observed that when crossing over a speed hump, as the vehicle speed increases, the discomfort level that caused by higher vertical acceleration values also increase. It has also been concluded that speed hump and speed bump height is also an important parameter that influences on ride comfort and driving safety. However, as it would be inadequate to assess the ride comfort solely with the height of speed hump, it is recommendable to consider other parameters of hump profile such as profile type, hump length, etc. and vehicle properties, as well.
Another finding of both field tests and simulation results is that as the weight of the vehicle increases, vertical acceleration that impacts to the vehicle and in line with this reality, the sense of discomfort perceived by the driver decreases.  A negative relationship between the sense of discomfort perceived by the driver and the vehicle weight has been perceived.
It has also been observed that any increase in the length of speed humps provided that minimum hump length should be bigger than wheelbase length of the vehicle, has a slight positive effect on ride comfort. 
A further minor finding of the study is that precise application and construction of a well-designed speed hump profile leads to obtain more reliable and moderate rms values in terms of driving safety and ride comfort.
Since only the ride comfort level of the driver is considered in this thesis study, the sense of discomfort perceived by the passengers has been omitted. In order to comprehend the subject more clearly, it may be useful to carry out a more detailed research including the passengers as well.
It is highly recommended for the similar studies to be realized in the future that; the approach created for the selection of optimum parabolic speed humps in this investigation can be tested for other hump profile types such as sinusoidal, cycloidal, harmonic, etc. with distinctive speed ranges and hump geometrical features.  
It would also be more useful if the future studies comprise a satisfactory amount of speed humps in terms of variety of hump profile and a wide range of vehicle speeds when considering the field tests. In this manner, the approach and solution techniques used for the assignment of most suitable speed hump and speed bump profiles in the scope of this study, have a big importance in terms of lighting up the similar future studies and researches to be possibly realized.