Farklı Miktarlarda Kar Yağışı Altında Buzlu Kaldırımların Sürtünme Katsayılarının Belirlenmesi
Summary
Burada, iç mekanlarda farklı buz kalınlıklarına sahip kaldırımların sürtünme katsayısını belirlemek için bir yöntem sunuyoruz. Tüm prosedür, ekipmanın hazırlanmasını, kar yağışının hesaplanmasını ve analizini, ekipman kalibrasyonunu, sürtünme katsayısının belirlenmesini ve veri analizini içerir.
Abstract
Yol yüzeylerindeki buz, sürtünme katsayısında önemli bir azalmaya neden olabilir ve böylece sürüş güvenliğini tehlikeye atabilir. Bununla birlikte, buzla kaplı kaldırımlar için kesin sürtünme katsayısı değerleri sağlayan ve hem yol tasarımına hem de kışlık yol bakım önlemlerinin seçimine zarar veren hiçbir çalışma hala yoktur. Bu nedenle, bu makale kışın buzlu yol yüzeylerinin sürtünme katsayısını belirlemek için deneysel bir yöntem sunmaktadır. Deney için sarkaç sürtünme katsayısı ölçer olarak da bilinen bir İngiliz taşınabilir test cihazı (BPT) kullanıldı. Deney aşağıdaki beş adıma ayrıldı: ekipmanın hazırlanması, kar yağışının hesaplanması ve analizi, ekipman kalibrasyonu, sürtünme katsayısının belirlenmesi ve veri analizi. Son deneyin doğruluğu, ayrıntılı olarak açıklanan ekipman doğruluğundan doğrudan etkilenir. Ayrıca, bu makale, karşılık gelen kar yağışı miktarları için buz kalınlığını hesaplamak için bir yöntem önermektedir. Sonuçlar, çok hafif kar yağışının oluşturduğu yamalı buzun bile, kaldırımın sürtünme katsayısında önemli bir azalmaya yol açabileceğini ve böylece sürüş güvenliğini tehlikeye atabileceğini göstermektedir. Ek olarak, buz kalınlığı 5 mm’ye ulaştığında sürtünme katsayısı zirvededir, yani bu tür buzun oluşumunu önlemek için koruma önlemleri alınmalıdır.
Introduction
Kaldırım sürtünmesi, araç lastikleri ile altta yatan yol yüzeyi1 arasındaki kavrama olarak tanımlanır. Yol tasarımında kaldırım sürtünmesi ile en sık ilişkilendirilen endeks, kaldırım sürtünme katsayısıdır. Sürtünme, yol tasarımında en önemli faktörlerden biridir ve dayanıklılıktan sonra ikinci sıradadır. Kaldırım sürtünme performansı ile kaza riski2 arasında güçlü ve net bir korelasyon vardır. Örneğin, trafik kazası oranları ile kaldırım kayma direnci 3,4,5 arasında anlamlı bir negatif korelasyon vardır. Kaldırım sürtünmesinin azalmasına çeşitli faktörler katkıda bulunabilir ve bu faktörlerin en doğrudan ve etkili olanlarından biri kar yağışı6’dır. Spesifik olarak, kar yağışı kaldırımda buz oluşmasına neden olur, böylece yol sürtünme katsayısı 7,8’de önemli bir azalmaya neden olur. Güney Finlandiya’daki trafik kazası oranlarını etkileyen faktörlere odaklanan bir çalışma, kaza oranlarının genellikle yoğun kar yağışlı günlerde zirveye ulaştığını ve 10 cm’den fazla karın kaza oranının iki katına çıkmasına neden olabileceğini belirtmiştir9. Benzer sonuçlar hem İsveç’te hem de Kanada’da yapılan çalışmalarda da bulunmuştur10,11. Bu nedenle, karla donmuş kaldırımların sürtünme özelliklerini incelemek, yol güvenliğini artırmak için çok önemlidir.
Buzlu kaldırımların sürtünme katsayısının belirlenmesi karmaşık bir işlemdir, çünkü sürtünme katsayısı farklı kar yağışı seviyeleri ve kaldırım buz kalınlıkları altında değişebilir. Ayrıca, değişen sıcaklıklar ve lastik özellikleri de sürtünme katsayısını etkileyebilir. Geçmişte, lastiklerin buz12 üzerindeki sürtünme özelliklerini incelemek için çok sayıda deney yapılmıştır. Bununla birlikte, bireysel ortamlardaki farklılıklar ve lastik özellikleri nedeniyle, tutarlı sonuçlar elde edilemez ve teorik çalışmalar için bir temel olarak kullanılamaz. Bu nedenle, birçok araştırmacı lastiklerin buz üzerindeki sürtünmesini analiz etmek için teorik modeller geliştirmeye çalışmıştır. Hayhoe ve Sahpley13 , lastikler ve buz arasındaki arayüzde ıslak sürtünme ısı değişimi kavramını önerirken, Peng ve ark.14 , yukarıdaki konsepte dayanarak sürtünmeyi tahmin etmek için gelişmiş bir veri modeli önerdi. Ek olarak, Klapproth pürüzsüz buz15 üzerindeki kaba kauçuğun sürtünmesini tanımlamak için yenilikçi bir matematiksel model sundu. Bununla birlikte, yukarıdaki modellerin, esas olarak lastiklerin buz16 üzerindeki sürtünme özelliklerini doğru ve verimli bir şekilde karakterize edememeleri nedeniyle önemli hatalara sahip oldukları gösterilmiştir.
Teorik modellerin hatalarını azaltmak için, büyük miktarda deneysel veriye ihtiyaç vardır. Finlandiya Meteoroloji Ajansı, buzlu kaldırım sürtünmesini tahmin etmek için bir sürtünme modeli geliştirdi ve bu modelin formülü öncelikle yol hava istasyonlarından ve istatistiksel analiz yoluyla elde edilen verilere dayanıyordu17. Ayrıca, Ivanović ve ark. lastiklerin buz üzerindeki sürtünme özelliklerini analiz ederek önemli miktarda deneysel veri toplamış ve regresyon analizi18 ile buzun sürtünme katsayısını hesaplamıştır. Gao ve ark. ayrıca, buz19’daki sürtünme katsayısının formülünü elde etmek için Levenberg-Marquardt (LM) optimizasyon algoritmasını bir sinir ağıyla birleştirerek lastik-kauçuk-buz çekişinin yeni bir tahmin modelini önerdi. Yukarıdaki tüm modeller ya onaylanmış ya da pratikte uygulanmıştır ve bu nedenle uygulanabilir olarak kabul edilmektedir.
Teorik yöntemlere ek olarak, karlı ve donmuş alanlarda kaldırımların sürtünme katsayısının ölçülmesi için birçok pratik yöntem geliştirilmiştir. Havanın özellikleri nedeniyle, bu yöntemler İsveç, Norveç ve Finlandiya20 gibi İskandinav ülkelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. İsveç’te, aşağıdaki üç ana sürtünme ölçüm cihazı türü kullanılmaktadır: BV11, SFT ve BV14. Kış bakım değerlendirmeleri için özel olarak geliştirilmiş çift sürtünme test cihazı BV14, ölçüm aracına doğrudan bağlıdır ve her iki tekerlek yolundaki kuru sürtünmeyi aynı anda ölçer20. Finlandiya’da, sürtünme ölçüm aracı (TIE 475) kış yol bakım değerlendirmeleri için kullanılırken, Norveç’te ROAR sürtünme ölçüm cihazı (susuz) yaygın olarak kullanılan bir ekipman parçasıdır2. İsveç, Norveç ve Finlandiya’da gerçekleştirilen kış sürtünme ölçümlerinin çoğu, ABS’li sıradan binek otomobiller ve2,20 frenleme altında yavaşlamayı ölçen aletler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemin avantajı, basit ve nispeten ucuz olmasıdır ve ana dezavantajı, yöntemin doğruluğunun çok düşük olmasıdır.
Yukarıda açıklanan çalışmalar, buz üzerindeki sürtünme katsayılarını tahmin etmek ve tespit etmek için yöntemler sunmaktadır. Bununla birlikte, yol tasarımcılarına rehberlik etmek için tek tip bir yöntem ve belirli bir değer hala sağlanmamıştır. Ayrıca, kış yolları için, lastikler ve buz arasındaki sürtünme katsayısı farklı buz kalınlıklarına göre değişebilir ve farklı bertaraf önlemleri de uygulanmalıdır21. Bu nedenle, bu yazıda buzlu yolların farklı miktarlarda kar yağışı altında sürtünme katsayısını belirleme amaçlanmıştır.
Uluslararası olarak, İngiliz taşınabilir test cihazı (BPT) ve İsveç Yol ve Ulaşım Araştırma Enstitüsü taşınabilir sürtünme test cihazı (VTI PFT) şu anda sürtünme katsayısı22,23’ü ölçmek için en yaygın kullanılan cihazlardır. PFT, VTI tarafından geliştirilen taşınabilir bir sürtünme test cihazıdır ve operatörün dik konumda ölçüm yapmasına ve verileri bilgisayara kaydetmesine olanak tanır22. PFT, çoğu konturlu yol işaretini ölçebilir, ancak şu anda mevcut olan cihazların sayısı hala çok küçüktür2. BPT, İngiliz Yol Araştırma Laboratuvarı (RRL, şimdi TRL) tarafından geliştirilen bir sarkaç sürtünme katsayısı test cihazıdır. Cihaz, bir lastik sürgü kenarının bir test yüzeyi üzerinde itildiği durumlarda enerji kaybını ölçmek için kullanılan dinamik bir sarkaç darbe tipi test cihazıdır. Sonuçlar, bu test cihazına özgü olduklarını ve diğer cihazlardakilere doğrudan eşdeğer olmadıklarını vurgulamak için İngiliz Sarkaç Sayıları (BPN’ler) olarak rapor edilmiştir24. Cihazın deneysel kaldırım alanı23’teki sürtünme katsayılarının belirlenmesinde yararlı olduğu gösterilmiştir. Bu deney, sürtünme katsayılarının belirlenmesi için BPT’yi kullanır.
Bu çalışmada, iç mekanlarda farklı kar yağışı miktarlarına karşılık gelen buzlu kaldırımların sürtünme katsayısının ölçülmesi için deneysel prosedür açıklanmaktadır. Deneysel kalibrasyon, deneysel uygulama, veri analizi yöntemleri gibi deneylerde dikkat edilmesi gereken problemler ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Mevcut deneysel prosedürler aşağıdaki beş adımla özetlenebilir: 1) ekipmanın hazırlanması, 2) kar yağışının hesaplanması ve analizi, 3) ekipman kalibrasyonu, 4) sürtünme katsayısının belirlenmesi ve 5) veri analizi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yazıda BPT kullanılarak buzlu kaplamanın sürtünme katsayısının test edilmesi prosedürü incelenmektedir. Birkaç noktanın kapsamlı bir şekilde analiz edilmesi ve burada ayrıntılı olarak tartışılması gerekir. İlk olarak, asfalt karışımı numunelerinin hazırlanması açısından, numuneleri hazırlamak için yol petrol asfaltı kullanılmaya çalışılmalıdır, ancak bu bir gereklilik değildir. Asfalt karışımı numunelerinin hazırlanması, ASTM (D6926-20) deney protokollerine sıkı sıkı…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Shaanxi İl Eğitim Departmanı tarafından finanse edilen Bilimsel Araştırma Programına (Program No. 21JK0908) teşekkür etmek istemektedir.
Materials
| Brush | Shenzhen Huarui Brush Industry Co., LTD | L-31 | |
| Freezing equipment | Haier Group | BC/BD-251HD | |
| Measuring cylinder | Zhaoqing High-tech Zone Qianghong Plastic Mould Co., LTD | lb1 | |
| Pavement thermometer | Fluke Electronic Insrtument Company | F62MAX | |
| Pendulum Friction Cofficient Meter | Muyang County Highway Instrument Co., LTD | / | |
| Rubber sheet | Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD | 785120123500 | |
| Sliding length ruler | Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD | 785120123500 | |
| Tripod | Hangzhou Ruiqi Trading Co., LTD | TRGC1169 |
References
- Rajamani, R., Piyabongkarn, N., Lew, J., Yi, K., Phanomchoeng, G. Tire-road riction-coefficient estimation. IEEE Control Systems Magazine. 30 (4), 54-69 (2010).
- Wallman, C. -. G., Åström, H. Friction measurement methods and the correlation between road friction and traffic safety: A literature review. Swedish National Road and Transport Research Institute. , (2001).
- Kuttesch, J. S. Quantifying the relationship between skid resistance and wet weather accidents for Virginia data. Virginia Tech. , (2004).
- Juga, I., Nurmi, P., Hippi, M. Statistical modelling of wintertime road surface friction. Meteorological Applications. 20 (3), 318-329 (2013).
- Zhang, Y. The optimum amount of road deicing salt in humid areas. Advances in Engineering Research. 153 (2017), 283-290 (2017).
- Haavasoja, T., Pilli-Sihvola, Y. Friction as a measure of slippery road surfaces. Proceedings of 15th International Road Weather Conference. SIRWEC. , (2010).
- Norrman, J. Slipperiness on roads-an expert system classification. Meteorological Applications. 7 (1), 27-36 (2000).
- Mayora, J. M. P., Piña, R. J. An assessment of the skid resistance effect on traffic safety under wet-pavement conditions. Accident Analysis & Prevention. 41 (4), 881-886 (2009).
- Juga, I. The effect of snowfall and low temperature on road traffic accident rates in Souther. Proceedings of 16th International Road Weather Conference. SIRWEC. , (2012).
- Waluś, K. J., Olszewski, Z. Analysis of tire-road contact under winter conditions. Proceedings of the World Congress on Engineering. WFEO and UNESCO. , (2011).
- Salimi, S., Nassiri, S., Bayat, A., Halliday, D. Lateral coefficient of friction for characterizing winter road conditions. Canadian Journal of Civil Engineering. 43 (1), 73-83 (2016).
- Hunter, J. E. Reconstructing collisions involving ice and slippery surfaces. SAE Transactions. 102, 1425-1436 (1993).
- Hayhoe, G., Shapley, C. Tire force generation on ice. Journal of Passenger Cars. 98 (6), 30-38 (1989).
- Peng, X., Xie, Y., Guo, K. A new method for determining tire traction on ice. SAE 2000 Automotive Dynamics & Stability Conference. , (2000).
- Klapproth, C., Kessel, T., Wiese, K., Wies, B. An advanced viscous model for rubber-ice-friction. Tribology International. 99, 169-181 (2016).
- Lahayne, O., et al. Rubber friction on ice: experiments and modeling. Tribology Letters. 62 (2), 17 (2016).
- Hippi, M., Juga, I., Nurmi, P. A statistical forecast model for road surface friction. Proceedings of 15th International Road Weather Conference. SIRWEC. , (2010).
- Ivanović, V., et al. Experimental identification of dynamic tire friction potential on ice surfaces. Vehicle System Dynamics. 44 (1), 93-103 (2006).
- Gao, J., Zhang, Y., Du, Y., Li, Q. Optimization of the tire ice traction using combined Levenberg-Marquardt (LM) algorithm and neural network. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 41, 40 (2019).
- Nordstroem, O. Development and validation of BV14, a new twin track fixed slip friction tested for winter road maintenance monitoring in Sweden. Proceedings of XTH PIARC International Winter Road Congress. Swedish National Road and Transport Research Institute (VTI). , (1998).
- Norem, H. Selection of strategies for winter maintenance of roads based on climatic parameters. Journal of Cold Regions Engineering. 23 (4), 113-135 (2009).
- Bergström, A., Åström, H., Magnusson, R. Friction measurement on cycleways using a portable friction tester. Journal of Cold Regions Engineering. 17 (1), 37-57 (2003).
- Henry, J. J. Evaluation of pavement friction characteristics. Transportation Research Board. , (2000).
- ASTM International. ASTM E303-93. Standard Test Method for Measuring Surface Frictional Properties Using the British Pendulum Tester. ASTM International. , (2018).
- ASTM International. ASTM D6926-20. Standard Practice for Preparation of Asphalt Mixture Specimens Using Marshall Apparatus. ASTM International. , (2020).
- Oliver, J. W., Tredrea, P., Pratt, D. Seasonal variation of skid resistance in Australia. Special Report No 37. Australian Road Research Board. , (1988).
- Steven, B. Friction Testing of Pavement Preservation Treatments: Temperature Corrections and Operator/Machine Variability. University of California Pavement Research Center Davis and Berkely. , (2009).
- Transport Research Laboratory. BS 7976-2:2002. Pendulum testers – Method of operation. Transport Research Laboratory. , (2002).
- Lu, Q. Friction testing of pavement preservation treatments: Literature review. UC Davis: University of California Pavement Research Center. , (2006).
- Bazlamit, S. M., Reza, F. Changes in asphalt pavement friction components and adjustment of skid number for temperature. Journal of Transportation Engineering. 131 (6), 470-476 (2005).
