التصميم: الحسابات والمعايير والأمثلة العملية

كما أن الإشراف، المعروف أيضاً باسم المصارف أو الكانتونات، هو عنصر تصميمي حاسم في هندسة الطرق السريعة والنقل، ينطوي على استخدام سطح الرصيف في منحنى أفقي، وهذا التأثير المصرفي يساعد المركبات على تحريك منحنىات بحرية وبراحة من خلال مواجهة قوى الطرد المركزي التي تدفع المركبات إلى الخارج أثناء تحويل المناورات، كما أن تصميم التدفئة على نحو سليم أمر أساسي للحد من مخاطر التغلغل في تطبيقات، وكشف الحوادث

فهم أساسيات التفوق

وعندما تسافر مركبة على طول طريق منحنى، فإنها تختبر قوة الطرد المركزي التي تدفعها إلى خارج المنحنى، وبدون اتخاذ تدابير مضادة مناسبة، يمكن لهذه القوة الأفقية أن تسبب قفزات إلى الخارج، ولا سيما بالسرعة العالية أو على منحنىات ذات نطاق نصفي أصغر، ويتصدى هذا التحدي بالتلويث على سطح الطريق، مما يخلق زاوية مصرفية تساعد على إعادة توجيه قوى الحرق الجاموس إلى الأمام.

وقد استخدم مفهوم التفوق في تصميم النقل لأكثر من قرن، حيث تتراوح التطبيقات بين مسارات السكك الحديدية والطرق السريعة الحديثة وثكنات السباق، والهدف الرئيسي هو إيجاد توازن بين العنصر الداخلي لوزن المركبة (عن طريق المصرف) وقوة الطرد المركزي الخارجية، مما يسمح للمركبات بأن تنقل المنحنىات مع الاعتماد على الحد الأدنى على الاحتكاك بالإطار وحده.

ويجب أن يكون تصميم التكفير الفعال عوامل متعددة، منها سرعة التصميم، ودرجة الأشعة المكشوفة، وخصائص المركبات، واحتكاك الرصيف، والظروف المناخية، وسلوك السائقين، وتتطلب عملية التصميم النظر بعناية في هذه المتغيرات لتحقيق توازن أمثل بين السلامة والراحة والقيود العملية على البناء.

تصميم الفيزياء خلف السوبرلينغ

لفهم حسابات التفوق، من الضروري فهم الفيزياء الأساسية عندما تسافر مركبة عبر منحنى أفقي بسرعة مستمرة، تتسارع بالسرعات الوسطى نحو مركز المنحنى، وهذا التسارع المصرفي ضروري لتغيير اتجاه السيارة، ويتوفر بواسطة مزيج من القوتين: الاحتكاك الجانبي بين الإطارات والعنصر الأفقي،

القوات التي تعمل على مركبة في منصة

وتقوم عدة قوات بعملها على مركبة تبحر من منحنى خارق للعادة، ويتصرف وزن المركبة بشكل تنازلي رأسا على عقب بسبب الجاذبية، وعلى سطح ممول، يمكن حل هذا الوزن إلى عنصرين: منظار واحد إلى سطح الطريق (مكون عادي) وموازي للسطح (عنصر سمائي) ويتحرك العنصر اللتانيكي إلى أسفل منحدر الإفراط في الرفع، مما يساعد على سحب المركبة إلى الأمام.

إن قوة الطرد المركزي، التي هي في الواقع قوة متطورة في الإطار المرجعي للسيارة، يبدو أنها تدفع السيارة إلى الخارج من المنحنى، وفي الواقع، تسبب عدم قدرة المركبة على الاستمرار في خط مستقيم، ويحتاج المسار المنحنى إلى قوة داخلية صافية، وقد تؤدي قوة الاحتكاك بين الإطارات والرصفة إلى التحرك إما نحو خط أو إلى حد بعيد، تبعاً لبطء السفر إلى الخارج.

Equilibrium Speed and Side Friction

وبالنسبة لأي مزيج من معدل الارتفاعات السطحية ومقياس المنحنى، توجد سرعة توازن يمكن فيها للسيارة أن تبحر من المنحنى دون الاعتماد على الاحتكاك الأفقي، وبهذه السرعة، يوازن العنصر الأفقي للقوة العادية تماما القوة الكلدية المطلوبة، وعندما تسافر المركبات بسرعة أكبر من سرعة التوازن، يجب أن تعمل الاحتكاك الجانبي لمنع القفز من الخارج.

ويمثل عامل الاحتكاك الجانبي نسبة قوة الاحتكاك الأفقي إلى القوة العادية بين الإطارات والرصفة، ويتوقف هذا العامل على متغيرات عديدة، منها الخصائص السطحية للإطارات، والظروف الجوية، وسرعة المركبات، وتحدد معايير التصميم عادة عوامل الاحتكاك الجانبي القصوى التي يمكن الاعتماد عليها بأمان، مع انخفاض القيم مع ارتفاع سرعة التصميم بحيث يُحسب انخفاض التفاعل بين الإطارات وارتفاع السرعة.

طرق حساب التفوق والصيغ

وتتصل المعادلة الأساسية لتصميم الارتفاعات الخارقة بمعدل الارتفاع، وعامل الاحتكاك الجانبي، وسرعة التصميم، ودرجة الأشعة المكشوفة، وهذه العلاقة مستمدة من توازن القوى العاملة على مركبة تسافر عبر منحنى أفقي.

معادلة التسلسل الرئوي الأساسي

والصيغة الأولية المستخدمة في تصميم الارتفاعات الخارقة هي:

e + f = V2 / (g × R) ]

أين:

• e] = معدل الارتفاع الخارق (مُكبَّر كحبوب عشري، مثل 0.06 في المائة
• f] = عامل الاحتكاك الجانبي (غير قابل للإصابة)
• V] = سرعة التصميم (بمقياس في الثانية أو القدمين في الثانية)
• g] = التسارع بسبب الجاذبية (9.81 m/s2 أو 32.2 ft/s2)
• R] = Radius of the horizontal curve (in meters or feet)

ويمكن إعادة ترتيب هذه المعادلة لحل أي من المتغيرات، تبعاً للقيود المفروضة على التصميم، وفي معظم التطبيقات العملية، تكون سرعة التصميم وأشعة المنحنى معروفة أو محددة مسبقاً، وتستخدم المعادلة لتحديد معدل الإفراط المطلوب.

عمليات صياغة بديلة لنظم مختلفة للوحدة

وعند العمل مع الوحدات الطبية وسرعة التصميم المعبر عنها بكميات في الساعة، يمكن إعادة صياغة الصيغة على النحو التالي:

e + f = V2 / (127 × R) ]

حيث يوجد في الكيلومترات/الساعة وR على بعد 127 دائماً ناتج عن تحويل الوحدة وتسريع الجاذبية (127 ° ° 3.62 × 9.81).

بالنسبة للنظام الامبريالي الذي يسرع بسرعة في كل ساعة و يمتد على الأقدام، تصبح الصيغة كما يلي:

e + f = V2 / (15 × R)]

حيث يوجد في الـ (ف) و (ر) في الأقدام، ويُحسب الـ 15 الثابتة للوحدة المناسبة التي تم تحويلها (الـ 1:4672 × 32.2).

معدل الارتفاع المكثف في عدد الألغام

ولحساب معدل الارتفاع المطلوب لمنحنى محدد، يعاد ترتيب المعادلة على أنها:

e = (V2 / (g × R) - f]

ويُستمد عامل الاحتكاك الجانبي (و) عادة من جداول التصميم أو الخرائط التي تحدد القيم القصوى القائمة على سرعة التصميم، وهذه القيم تمثل الاحتكاك الأقصى الذي يمكن الاعتماد عليه بأمان في ظروف مختلفة، وباستخدام عامل الاحتكاك الأقصى المسموح به، يمكن للمصممين حساب الحد الأدنى المطلوب من معدل الارتفاع، غير أن ممارسة التصميم غالبا ما تنطوي على توزيع الطلب على القوة الجانبية بين الاحتكاك والتخريب بطريقة أكثر توازنا.

الحد الأدنى من حسابات راديوس

ويمكن أيضا استخدام معادلة الارتفاع الخارق لتحديد الحد الأدنى للأشعة لسرعة تصميم معينة عندما تطبق قيم الحد الأقصى للتفوق والاحتكاك:

R_]min] = V2 / (g × (e_]max + f_]max)]

وهذا الحساب حاسم خلال مرحلة التصميم الأولي لضمان أن تكون المواءمة الأفقية المقترحة ملائمة لسرعة التصميم مع معدلات التفوق المقبول، وأن تكون العنانات ذات القيمة الإشعاعية أقل من القيمة الدنيا إما أن تخفض سرعة التصميم أو أن تتجاوز معدلات التفوق الحدود العملية.

معايير التصميم والمبادئ التوجيهية المتعلقة بالارتفاع

وقد وضعت منظمات ووكالات نقل مختلفة معايير ومبادئ توجيهية شاملة لتصميمات التفوق، وهذه المعايير توفر إجراءات وجداول ورسوما مفصلة لمساعدة المهندسين في تحديد معدلات التفوق الملائمة بالنسبة لتصنيفات الطرق المختلفة وشروط التصميم.

AASHTO Guidelines and Standards

وتقوم الرابطة الأمريكية لموظفي الطرق الرئيسية والنقل بنشر " سياسة عامة بشأن تصميم الطرق السريعة والشارع الجغرافية " ، المعروفة باسم الكتاب الأخضر، التي تشكل المرجع الرئيسي لتصميم الطرق في الولايات المتحدة، وتوفر المبادئ التوجيهية للمنظمة إجراءات شاملة لتصميم الترجيح، بما في ذلك المعدلات القصوى الموصى بها، وعوامل الاحتكاك الجانبي، وأساليب التوزيع.

ووفقاً لمعايير منظمة الدول الأمريكية، تتراوح معدلات الارتفاع القصوى في المناطق المدارية بين 4 في المائة و12 في المائة، تبعاً للظروف المناخية، والتضاريس، ونوع المناطق (الريفية أو الحضرية) وفي المناطق التي يتزايد فيها الجليد والثلوج، يوصى بأن تكون معدلات الحد الأدنى (من 4 في المائة إلى 6 في المائة) من المركبات قد تنزلق إلى السطح المصرفي عندما ترتفع بسرعة منخفضة عند الرصيف المزدحم.

وتقدم المنظمة جداول مفصلة تحدد الحد الأقصى لعوامل الاحتكاك الجانبي لمختلف سرعة التصميم، وتتناقص هذه القيم عموماً مع ارتفاع السرعة، مما يعكس انخفاض التفاعل بين الإطارات وارتفاع السرعة، وعلى سبيل المثال، يمكن تخفيض عامل الاحتكاك إلى 0.10 عند سرعة التصميم البالغة 30 ميلاً (50 كيلومتراً/ساعة).

المعايير الدولية للتصميم

وقد وضعت بلدان مختلفة معايير تصميمها الخاصة بها، التي قد تختلف في قيم وإجراءات محددة، مع اتباع مبادئ أساسية مماثلة، وكثيرا ما تحدد المعايير الأوروبية، مثل تلك التي تنشرها فرادى سلطات الطرق الوطنية، معدلات أعلى للتفوق بين 6 في المائة و 8 في المائة بالنسبة لمعظم تطبيقات الطرق السريعة، مع وجود بعض التباين على أساس الظروف المحلية وفلسفة التصميم.

وتقدم رابطة النقل الكندية مبادئ توجيهية للتصميم الجغرافي للطرق الكندية، وهي مبادئ مماثلة لمعايير منظمة الدول الأمريكية للتصنيف الصناعي الدولي الموحد، ولكنها مكيفة مع الظروف والممارسات الكندية، وتقدم المعايير الأسترالية، التي تنشرها أوست رودز، والمعايير البريطانية الواردة في دليل تصميم الطرق والجسور، توجيهات مماثلة تتناسب مع السياقات التي يتبعها كل منها.

الحد الأقصى للارتفاع المفاجئ

وينطوي اختيار الحد الأقصى لمعدل الإفراط في الإقفال في المشروع على النظر في عوامل متعددة، فالمناخ يعتبر في المقام الأول، حيث أن ظروف الجليد أو الجليد تخلق مخاطر على المركبات التي تسافر ببطء على منحنىات مفلسة للغاية، وفي هذه الظروف، يمكن للسيارة أن تنزلق نحو داخل المنحنى بسبب عدم كفاية الاحتكاك لمواجهة المنحدر.

ويؤثر نوع التضاريس على الخيار، حيث تتطلب المناطق الجبلية أحيانا معدلات قصوى أقل بسبب التحديات التي تواجه بناء وصيانة المنحدرات المتقاطعة الشديدة، كما أن السياق الحضري مقابل المناطق الريفية يكتسي أهمية، حيث أن المناطق الحضرية تستخدم عادة معدلات قصوى أدنى (من 4 في المائة إلى 6 في المائة) لاستيعاب المركبات البطيئة الحركة، والتوقف المتكرر، ووجود المشاة وحاملي الدراجات، ولا سيما ارتفاع معدلات الحركة في المناطق الريفية، حيث تستخدم نسبة 12 في المائة من المرافق.

ومن الاعتبارات الأخرى تواتر المركبات البطيئة الحركة، وقد تستفيد الطرق التي تستوعب بانتظام شاحنات التسلق التي ترتفع درجاتها أو المعدات الزراعية من انخفاض معدلات الإفراط في الارتفاع لتقليل الصعوبة التي تواجهها هذه المركبات عند تجاوز المنحنىات المصرفية بسرعة منخفضة.

طرق التوزيع فوق الارتفاع

وتُقدِّم معايير التصميم عادة عدة طرق لتوزيع الطلب على القوة الجانبية بين التفوق والاحتكاك الجانبي عبر نطاق من اشعة المنحنى، وتصف المنظمة خمس طرق، لكل منها فلسفات مختلفة فيما يتعلق بكيفية تحقيق التوازن بين هذين العنصرين.

وينطوي الأسلوب 1 على استخدام توزيع خطي يُحاول الحفاظ على علاقة متسقة بين الارتفاع والاحتكاك في جميع نطاقات نطاق الإشعاع المنحني، ويستخدم الأسلوب 2 الإفراط في الارتفاع والاحتكاك بما يتناسب مباشرة مع قيمها القصوى، ويطبق الأسلوب 3 توزيعاً فضياً مماثلاً للطريقة 1 ولكن مع اختلاف النسب، ويستخدم الأسلوب 4 أقصى درجات التفوق بالنسبة لجميع المنحنىات التي تتطلب أكثر من قيمة دنياً محددة، ويعتمد على الاحتكاك بالنسبة للطريقة 5.

ويتوقف الاختيار بين هذه الأساليب على فلسفة التصميم، حيث تفضل بعض الوكالات زيادة استخدام التفوق إلى أقصى حد للتقليل إلى أدنى حد من الاعتماد على الاحتكاك، بينما تسعى جهات أخرى إلى اتباع نهج أكثر توازناً، ويُستخدم الأسلوب 5 عادة بسبب بساطة هذا النظام وتطور معدلات الارتفاع التي ينتجها بسلاسة نسبياً.

التصميم الانتقالي

إن الانتقال من قطاع طرق متجه إلى قطاع متطور أو طبيعي إلى قطاع متفوق تماما هو جانب حاسم من تصميم المنحنى، ويجب أن يتم هذا الانتقال تدريجيا لتفادي حدوث تغييرات مفاجئة قد تسبب اضطراب السائقين أو عدم استقرار المركبات أو مشاكل في الصرف.

Superelevation Runoff Length

والطريق المؤدي إلى الارتفاع هو طول الطريق اللازم لتحقيق التغيير في المنحدرات المتقاطعة من قطاع عادي إلى قسم متفوق تماما، وهذا الطول يتوقف على عدة عوامل، منها سرعة التصميم، وعدد الممرات التي تدور، والتغيير الكلي في المنحدرات المتقاطعة المطلوبة، وتتطلب سرعة التصميم المرتفعة إطالة أطول لضمان بقاء معدل التغير في سرعة التسارع الأفقي ضمن حدود مريحة بالنسبة للسائقين.

تقدم المنظمة جداول وصيغ لحساب الحد الأدنى من طول المسافات الفوقية استنادا إلى سرعة التصميم والتغير في ارتفاع درجة الرصفة، والمبدأ العام هو أن التدرج النسبي بين حافة الرصيف والخط المركزي (أو محور التناوب) ينبغي ألا يتجاوز قيماً قصوى معينة، تتراوح عادة بين 0.3 في المائة و 0.8 في المائة تبعاً لسرعة التصميم.

ويمكن حساب الحد الأدنى من طول الجرعة باستخدام الصيغة التالية:

L = (w × / / / / / / / / _]max]

أين:

• L] = الحد الأدنى لطول الجرعة
• w = أرملة من مسار واحد (أو مسافة من محور التناوب إلى حافة الرصيف)
• ade] = مجموع التغير في معدل الارتفاع
• ad_max = الحد الأقصى للدرجات النسبية

تانجينت رانوت لينجث

قبل أن يبدأ التاج أو المنحدر العادي يجب إزالة التاج العادي أو المنحدر المكبوت، مما يخلق قسماً لا يقطع شوطاً (يُطلق عليه الطول المطلوب لهذا الانتقال، ويُسمى الهرّب المُتَزَم، ويُحسب طول الرشّة عادةً على أنه الطول اللازم لإزالة المنحدر العادي بنفس المعدل المستخدم في عملية الارتفاع.

وبالنسبة لطريق ذي خطين مع تاج عادي، يزيل التاج من قِبل الشياطين عن طريق تناوب الممر الخارجي حتى يشق كامل قطاع الطرق، وهذا الطول يتناسب عموما مع المعدل العادي للمنحدرات المتقاطعة ويتبع نفس المعايير النسبية للدرجات التي يُستخدم فيها الارتفاع.

محور التناوب

والمحور الذي يدور حوله قسم الرصيف أثناء الانتقال إلى الارتفاع، وهو يشمل التناوب على الخط المركزي، أو الطرف الداخل، أو الطرف الخارجي للطريق المسافر، ويؤثر الاختيار على الصرف، والظهور، والمواءمة العمودية لمختلف أجزاء الطريق.

والتناوب على خط الأساس شائع للغاية بالنسبة للطرق السريعة غير المقسمة، حيث أنه يقلل إلى أدنى حد من التغييرات في درجة التصفيات ويحافظ على التناظر، ففيما يتعلق بالطرق السريعة المقسمة، عادة ما يُتناوب كل طريق على خطه الرئيسي أو داخل الحافة، ويمكن أن يكون التناوب داخل الحوافات مفيداً للمنح الدراسية الحادة، حيث يقلل إلى أدنى حد من تغير الارتفاع على الحافة الخارجية، بينما يمكن استخدام التناوب الخارجي في ظروف خاصة لمراقبة الصرف أو المطابقة القائمة.

:: وضع عملية الانتقال من مرحلة التسلسل اللاحق

وتوفر معايير التصميم التوجيه بشأن مكان الانتقال إلى مرحلة التفوق بالنسبة للمنحن، وبصفة عامة، توضع عملية التسمية على قسم السمسار (الضيق) الذي يقترب من المنحنى، بينما توزع المجازفة بين الشامان والغطس نفسه، ومن الممارسات المعتادة وضع ثلثي الرش على الشعار، وثلث الأفضليات على أساس الستار،

وينبغي إنجاز عملية الانتقال قبل النقطة التي يلزم فيها الإفراط في الترجيح، التي عادة ما تكون قبل بداية المنحنى التعميمي بقليل، وبالنسبة للمناقصات التي تمر بمرحلة انتقال روحي، كثيرا ما يتم تنسيق عملية الارتداد بالطول الرئوي، مع تحقيق التفوق الكامل في نهاية دوامة التي يبدأ فيها التعميم.

الاعتبارات الخاصة في تعيينات التفوق

وتتطلب عدة حالات خاصة اتباع نهج معدلة في تصميم التفوق، بما في ذلك منحنىات المركبات، وخطوط المنحنى العكسية، وشوارع حضرية منخفضة السرعة، وفترات متقاطعة.

المناورات المركبة والمخلفات

أما المنحنى المكشوفة فيتألف من منحنىين أو أكثر متتاليين في نفس الاتجاه مع مختلف نطاقات الإشعاع، وعندما تختلف هذه المسافة اختلافا كبيرا، قد يتطلب كل منحنى معدلا مختلفا للارتفاع، ويجب أن يكون الانتقال بين هذه المعدلات مصمما بعناية لتجنب حدوث تغييرات مفاجئة، وإذا كان الفرق في معدلات الارتفاع الفوقية صغيرا، يمكن استخدام معدل وسيط واحد لكلا من المنحنىين لتبسيط أعمال البناء وتحسين راحة السائقين.

فالمنحىات العكسية التي تتغير دون وجود قسم متداخل، تطرح تحديات خاصة، ويجب أن ينتقل التكهن من المصارف في اتجاه واحد إلى المصارف في الاتجاه المعاكس، وهذا يتطلب إزالة الانحراف عن المنحنى الأول، مرورا بقسم مسطح أو متوجه عادة، ثم تطبيق التفوق على المنحنى الثاني، ويمكن أن يكون طول هذه الفترة الإجمالية المطلوبة لهذه المرحلة الانتقالية كبيرا، ويوصى القسم المعاكس عادة بتقديم منحنى أكثر من ذي قبل.

Low-Speed Urban Streets

وكثيرا ما تستخدم الشوارع الحضرية التي تقل سرعة تصميمها عن 45 ميلا (70 كيلومترا/ساعة) معدلات التفوق المخفضة أو قد تسقط فوق المناصفات النبيلة تماما، ويسلم هذا النهج بأن الشوارع الحضرية تخدم وظائف متعددة تتجاوز حركة المركبات، بما في ذلك وصول المشاة، ووقوف السيارات في الشوارع، وطرق الارتداد، وقد تؤدي معدلات الإفراط في الإفراط في الإفراط في التحلل إلى صعوبات في هذه الاستخدامات وقد تسبب مشاكل في تصريف المياه في البيئة الحضرية.

وبالنسبة للمناقصات الحضرية، قد يختار المصممون الحفاظ على المنحدر العادي (بشكل 2 في المائة من أجل الصرف الصحي) بدلا من تطبيق الارتفاع الفوقي، بالاعتماد كليا على الاحتكاك الجانبي لتوفير القوة الأفقية اللازمة، وهذا أمر مقبول بالنسبة للمنحنيات النحيلة ذات السرعة المنخفضة حيث يظل طلب الاحتكاك في حدود آمنة، وعندما يستخدم الإفراط في الشوارع الحضرية، تكون المعدلات مقصورة على 4 في المائة إلى 6 في المائة كحد أقصى.

التسلسل السوبر في التقاطعات

وتطرح التقاطعات تحديات فريدة لتصميم التفوق، لا سيما عندما يكون المنحنى الأفقي موجودا بالقرب من منطقة التقاطع أو داخلها، ويؤدّي وجود مركبات تحول، ومركبات توقف، وعبر حركة المرور إلى تعقيد تطبيق الارتفاع، وتوصي ممارسة التصميم عموما بتفادي الانتقال إلى مناطق التقاطع والحفاظ على منحدر ثابت من خلال التقاطع، ويفضل أن يكون المنحدر العادي من أجل الصرف.

وعندما لا يمكن تجنب منحنىات التقاطعات، ينبغي استكمال الانتقال إلى التقاطع قبل بدء التقاطع، أو ينبغي تصميم المنحنى بتخفيض السرعة المتوقعة في بيئة التقاطع، ويجب إيلاء اهتمام خاص للمسافات البصرية، حيث يمكن أن يؤثر الإفراط في إبراز المركبات المتجهة وأجهزة مراقبة الحركة.

عدد من الطرق السريعة والمرافق المتعددة الأطلن

ويتطلب تقسيم الطرق السريعة إلى طرق منفصلة لكل اتجاه من اتجاهات السفر إيلاء اعتبار خاص في تصميم الارتفاعات الخارقة، حيث يُرجح أن يكون كل طريق متفوقا بصورة مستقلة، مما قد يؤدي إلى درجات مختلفة من الاتجاهين، لا سيما على المنحنىات الحادة، وقد يختلف نطاق استخدامه عبر المنحنى حيث يُستخدم الطريقان في زوايا مختلفة.

أما بالنسبة للمرافق المتعددة الأطنان، فإن جميع الممرات في نفس الاتجاه تدور عادة كطائرة واحدة، وتحافظ على منحدر ثابت عبر جميع الممرات، وهذا النهج يبسط البناء ويوفر ظروفا متسقة للسائقين في جميع الممرات، غير أن الطرق الواسعة جدا قد تتطلب معاملة خاصة، مثل تناوب أجزاء مختلفة من الأكسدة المختلفة للحد من الفرق في الارتفاع الكلي عبر أسلاك الرصيف.

أمثلة عملية ودراسات حالات إفرادية

ويساعد بحث الأمثلة العملية على تطبيق مبادئ تصميم التكرار والحسابات في سيناريوهات العالم الحقيقي.

النموذج 1: تصميم ممرات الطرق السريعة الريفية

(ب) النظر في مسار ريفي ذي خطين سريع التصميم يبلغ 100 كيلومتر/ساعة (62 متراً) وميدانة أفقية تبلغ مساحتها 400 متر (312 1 قدماً)، ويبلغ الحد الأقصى لمعدل التفوق في المنطقة 8 في المائة (0.08) بسبب الطقس الشتوي العرضي، ويبلغ معامل الاحتكاك الجانبي الأقصى لهذه السرعة التصميمية 0.11 وفقاً للمبادئ التوجيهية للمنظمة.

استخدام الصيغة المتوسطة: e + f = V2 / (127 × R)

(هـ) + (100)2/ (127 × 400) = 000 10 / 800 50 = 0.197

إذا استخدمنا الطريقة 5 (التوزيع الخطي) سنحسب معدل التفوق على أساس نسبة الحادة التي منحناها مقارنة بالحد الأدنى للأشعة، الحد الأدنى للشعاعات، الحد الأدنى من سرعة التصميم مع الحد الأقصى للتفوق والاحتكاك سيكون:

R_min] = (100)2 / (127 × (0.08 + 0.11)) = 000 10 / 24.13 = 414 متراً

وبما أن نصف قطري (400 متر) الفعلي أقل من نصف قطره الأدنى (414 مترا)، فإن هذا المنحنى سيتطلب الحد الأقصى لمعدل الارتفاع بنسبة 8 في المائة، وسيكون عامل الاحتكاك المطلوب هو:

(و) = 0.197 - 0.08 = 0.117

ويتجاوز عامل الاحتكاك (0.117) الحد الأقصى للقيمة المسموح بها (0.11)، مما يشير إلى أن المنحنى حاد جداً بالنسبة لسرعة التصميم مع التكسير المتاح، وأن المصمم سيحتاج إما إلى زيادة نطاق المنحنى أو تخفيض سرعة التصميم أو طلب الموافقة على استخدام أعلى معدل للتجاوزات إذا سمحت الظروف بذلك.

النموذج 2: المناورة الفنية الحضرية

ويبلغ سرعة تصميم الشارع الشرياني الحضري 60 كيلومتراً/ساعة (37 متراً) ويشمل منحنى أفقياً يبلغ قطره 250 متراً (820 قدماً) ويبلغ الحد الأقصى لمعدل التفوق في المناطق الحضرية في هذه الولاية 6 في المائة (0.06) وعامل الاحتكاك الجانبي الأقصى بهذه السرعة 0.15.

استخدام الصيغة المتوسطة: e + f = V2 / (127 × R)

(هـ) + (و) = (60)2/ (127 × 250) = 600 3 / 750 31 = 0.113

وسيكون الحد الأدنى من نطاق سرعة التصميم هذه:

R_min] = (60)2 / (127 × (0.06 + 0.15) = 600 3 / 26.67 = 135 مترا

وبما أن نصف قطر الدم الفعلي (250 مترا) أكبر من نصف قطره الأدنى (135 مترا)، يمكن تصميم المنحنى بأقل من الحد الأقصى للتحليل السطحي، وباستخدام طريقة توزيع خطي، يمكننا حساب معدل الارتفاع المناسب، وبالنسبة للحبوب التي تبعد عن الحد الأدنى من الإشعاع، يمكن أن يتناسب معدل الارتفاع الفوقي على أساس درجة الانحراف.

ويتمثل النهج المعقول في حل مسألة التفوق في حين يقصر الاحتكاك على قيمة مريحة، مثل نصف الحد الأقصى (0.075):

(هـ) = 0.113- 0.075 = 0.038 أو 3.8%

هذا المعدل الخارق لحوالي 4% سيوفر تصميماً مريحاً لا يعتمد بشدة على الاحتكاك بينما يبقى جيداً في الحد الأقصى المسموح به للظروف الحضرية

المثال 3: حساب الانتقالي

وبالنسبة للطريق السريع الريفي، الذي يتجاوز نسبة التفوق 8 في المائة، يجب أن نحسب طول الفترة الانتقالية، وأن نقيم طريقاً مرتفعاً يبلغ طوله 3.6 متراً (من 12 قدماً) وتاجاً عادياً بنسبة 2 في المائة (1 في المائة من كل جانب من خط الوسط) وتبلغ سرعة التصميم 100 كيلومتر/ساعة.

وبالنسبة للتناوب حول خط الوسط، فإن التغير الكلي في المنحدرات المتقاطعة للطريق الخارجي هو من - 1 في المائة (إلى أسفل المركز) إلى +8 في المائة (إلى المركز)، أي تغيير إجمالي بنسبة 9 في المائة أو 0.09، باستخدام معامل تدرج نسبي أقصى قدره 0.5 في المائة (مناسب لسرعة التصميم هذه):

طول الجرعة L = (3.6 x 0.09) / 0.005 = 0.324 / 0.005 = 64.8 متر

وطول فترة الارتفاع إلى 65 متراً، وطول فترة الارتفاع، اللازم لإزالة التاج بنسبة 1 في المائة على الممر الخارجي، سيكون:

مخرجات متحركة = )٣,٦ × ٠,٠١( ٠,٠٥ = ٠,٠٣٦ /٠,٠٥ = ٧,٢ متر

- طول الانتقال من التاج العادي إلى التكفير الكامل سيكون 65 + 8 = 73 متراً، وفي الممارسة المعتادة، سيتم وضع الرش على الشاشة بكاملها، وحوالي 43 متراً من الرنة على الشاشة مع الـ 22 متر الباقية على الستار.

المقتطف 4: تصميم ممرات الطرق الحرة

وعادة ما تكون سرعة تصميم الطرق السريعة أقل من خطها الرئيسي، وغالبا ما تشمل منحنى حاد نسبيا.

(هـ) + (و) = (50)2/ (127 × 60) = 500 2 / 620 7 = 0.328

سيكون الحد الأدنى للأشعة:

R_min] = (50)2 / (127 × (0.08 + 0.18)) = 500 2 / 33.02 = 76 متراً

The actual radius (60 m) is less than the minimum radius (76 m), indicating that this curve requires maximum superelevation and will still demand significant friction:

(و) = 0.328 - 0.08 = 0.248

وهذا الطلب على الاحتكاك (0.248) يتجاوز بكثير القيمة القصوى المسموح بها (0.18)، مما يشير إلى أن المنحنى حاد جدا بالنسبة لسرعة التصميم، ويجب على المصمم إما أن يزيد من دائرة المساحة إلى 76 مترا على الأقل أو أن يقلل من سرعة التصميم، وإذا تعذر زيادة النطاق بسبب القيود المفروضة على الموقع، فإنه يتعين تخفيض سرعة التصميم إلى حوالي 40 كيلومترا/ساعة لجعل المنحنى مقبولا:

V = √(x127 x R) (e_max) + f_]max) = √ (127 01.26) = √1,982 = 44.5 km/h)

ويوضح هذا المثال أهمية تنسيق نطاق المنحنى مع سرعة التصميم خلال مرحلة التصميم الأولي لتجنب الحالات التي لا يمكن فيها للقيود الأرضية أن تستوعب سرعة التشغيل المنشودة.

برامجيات وأدوات للتأهيل

ويعتمد تصميم الطرق السريعة الحديثة اعتمادا كبيرا على التصميم بمساعدة الحاسوب وعلى البرمجيات الهندسية المدنية المتخصصة لحساب ونموذج الترجيح، وهذه الأدوات تُؤمّن العديد من الحسابات المعقدة وتساعد على تصور الهندسة المتطورة من المنحنىات المتفوقة التي تبلغ ثلاثة أبعاد.

برامجيات مدنية للتصاميم على الطرق البرية

وتشمل مجموعات برامجيات مثل أجهزة التزود بالأجهزة المدنية ذات البرمجيات الآلية، وشركة البنتلي للتصميمات المفتوحة، ومركز الأعمال التجارية الثلاثي نماذج شاملة لتصميمات التفوق، وتتيح هذه البرامج للمهندسين تحديد التواؤم الأفقي والرأسي، وتحديد معايير التصميم بما في ذلك الحد الأقصى لمعدلات التفوق وعوامل الاحتكاك، وحساب معدلات التفوق الآلي وطول الانتقال لكل منحنى.

ويمكن أن تُصدر البرامجيات تقارير مفصلة تبين معدلات التفوق على فترات منتظمة على طول المواءم، والآراء المتقاطعة التي توضح تناوب الرصيف، والتصورات الثلاثة الأبعاد للتصميم المكتمل، وتساعد هذه القدرة على تحديد المسائل المحتملة مثل مشاكل الصرف، أو النزاعات مع السمات المتاخمة، أو الانتقالات غير المريحة قبل بدء البناء.

محاسبة مصممة

وبالنسبة للمشاريع البسيطة أو أعمال التصميم الأولية، يمكن للمحاسبين القائمين على الكشوف أن يؤدوا بكفاءة عمليات حساب الإفراط في الارتفاع، وتشمل هذه الأدوات عادة الصيغ الأساسية، وجداول التصميم من المنظمة أو غيرها من المعايير، والحساب الآلي لطول فترة الانتقال، وفي حين أن البرمجيات التي تستخدم فيها أجهزة الحاسوب المزودة بمقياس للجرعات أقل تطورا من البرمجيات الكاملة، فإن أجهزة حساب الكشوفات متاحة وشفافة في حساباتها ومناسبة للعديد من مهام التصميم.

وتقوم وكالات النقل العديدة بوضع أدواتها الخاصة لرسم البيانات المصممة وفقا لمعاييرها وإجراءاتها المحددة في التصميم، بما يكفل الاتساق بين المشاريع وتبسيط عملية تصميم التطبيقات الروتينية.

اعتبارات التشييد ومراقبة الجودة

ومن الضروري تحقيق الأداء التصميمي المقصود، ومن التحديات التي تواجه البناء أن يتم بدقة إنشاء المنحدرات المصممة، والحفاظ على الانتقال السلس، وضمان الصرف الصحي الملائم في جميع الأقسام المتفوقة.

مراقبة الخياطة والجلد

ويجب أن توفر عملية أخذ المباني من أجل منحنىات متفوقة معلومات كافية للمتعاقدين لبناء المنحدرات المصممة بدقة، وتشمل أساليب أخذ تقليدية وضع حصص على فترات منتظمة مع قطع أو ملء معلومات عن نقاط متعددة عبر أسلاك الطرق، ويتزايد استخدام البناء الحديث لنظم مراقبة الآلات مع النظام العالمي لتحديد المواقع أو التوجيه الكلي للمحطة، التي يمكن أن تتحكم تلقائيا في معدات التدرج استنادا إلى نماذج التصميم الثلاثة الأبعاد.

وتشمل مراقبة الجودة أثناء البناء التحقق من المنحدرات المتقاطعة في مواقع متعددة للتحقق من أن الارتفاع المبني يطابق التصميم، ومن شأن الانحراف عن منحدر التصميم أن يؤثر على أداء مناولة المركبات والصرف، ومن ثم فإن الحفاظ على التسامح الوثيق أمر هام.

تصميم التدريب للقسم العالي

ويؤثر الارتفاع الكبير في أنماط تصريف الطرق تأثيرا كبيرا، ففي منحنى مرجح تماما، تتدفق المياه عبر أسلاك الرصيف بأكملها نحو الحافة الداخلية، مما يتطلب تصميما دقيقا لخطوط الصرف الصحي والخنادق لجمع المياه ونقلها، وتطرح المناطق الانتقالية تحديات خاصة، نظرا لأن المنحدر المتغير يخلق مناطق تتحول فيها أنماط تدفق المياه.

وأثناء فترة انقطاع التاج، عند إزالة التاج، توجد مساحة ثابتة أو شبه ثابتة حيث يمكن أن تطوف المياه إذا لم تعالج معالجة سليمة، ويجب على المصممين أن يكفلوا درجة طويلة من حيث الصلاحية، وقد يحتاجون إلى توفير مداخل إضافية في هذه المناطق، كما أن قسم الارتفاع السطحي يتطلب الاهتمام لضمان استمرار المياه في تصريفها بفعالية مع تغيرات المنحدرات.

Pavement Cross Slope Tolerances

وتشمل مواصفات التشييد عادة التسامح مع منحدرات الرصيف لضمان الجودة مع الاعتراف بالقيود العملية لأساليب البناء، وتتراوح معدلات التسامح المشترك بين 0.3 في المائة و0.5 في المائة بالنسبة لمعدل المنحدرات المتقاطعة، ويمكن تحديد درجة التسامح الشديدة بالنسبة للمرافق العالية السرعة أو المنحنىات ذات المتطلبات الفوقية الحرجة.

ويمكن للأخطاء المنهجية في المنحدرات المتقاطعة، مثل البناء المستمر للمنحدرات التي تُعد أكثر حزما أو أكثر غموضا من المصممة، أن تتراكم لخلق انحرافات كبيرة عن القياسات الجيولوجية المقصودة، وينبغي أن تشمل برامج مراقبة الجودة التحليل الإحصائي لقياسات المنحدرات المتقاطعة لتحديد وتصحيح التحيزات المنهجية.

الأداء والبحث في مجال السلامة

وقد أتاحت البحوث المتعلقة بأداء المناقصات المتفوقة في مجال السلامة رؤية قيمة لفعالية معايير التصميم والعلاقة بين التصميم الجغرافي ومعدلات التحطم.

معدلات الطفح الجلدي على العنابر الأفقية

وتظهر المنحنىات الأفقية باستمرار معدلات تحطم أعلى من معدلات تحطم الشطرنج، مع تفاوت هذه المعدلات استنادا إلى شدة العنب وسرعة التصميم وغير ذلك من العوامل، وقد أظهرت الدراسات أن العنان مع عدم كفاية التحلل في نطاقها وسرعتها في التصميم قد ارتفعت معدلات التحطم، ولا سيما فيما يتعلق بصدمات الطرق السريعة وهبوطها.

وقد تم التحقيق في العلاقة بين نقص التكتم (الفرق بين التفوق المقدم والارتفاع المطلوب نظريا) وخطر التحطم في دراسات بحثية متعددة، وفي حين تختلف النتائج، هناك اتفاق عام على أن أوجه القصور الكبيرة في الارتفاع تلازم مع زيادة مخاطر التحطم، ولا سيما في ظروف الرطبة أو البقعة عند الحد من الاحتكاك المتاح.

دراسات مؤشرات مصرف الكرة

المؤشر المصرفي للكرات هو جهاز يقيس الأثر المشترك للتسريع اللاحق والتسريع الأفقي على شاغلي المركبات، وقد ساعدت البحوث التي تستخدم مؤشرات مصرف الكرة على وضع حدود مريحة للتسريع الأفقي وأثرت على وضع عوامل الاحتكاك الجانبي المستخدمة في معايير التصميم، وأظهرت الدراسات أن القراءات المصرفية للحفلات تترابط جيدا مع راحة السائقين، وأن الاحتفاظ بقراءات تقل عن مستويات معينة (تراوحت بين 8 و 14 درجة مئوية حسب السرعة)

تشغيل بحوث السرعة

وقد كشفت البحوث التي أجريت على سرعة التشغيل الفعلية على المنحنى أن السائقين كثيرا ما يسافرون بسرعة أسرع من سرعة التصميم على منحنىات رقيقة وقد يسافرون أبطأ من سرعة تصميم المنحنى الحادة، مما يؤثر على الطلب الفعلي على الاحتكاك الذي يُشهد به على المنحنى، وقد أدت الدراسات إلى وضع نماذج للتنبؤ بالسرعة التشغيلية تساعد المصممين على توقع السرعة الفعلية للمركبات وضمان أن تستوعب التصميم الجغرافي غير المستقر سلوكا واقعيا وليس الاعتماد فقط على الحدود القصوى للسرعة.

صيانة وإصلاح المناورات المتفوقة

الحفاظ على التفوق المناسب في جميع مراحل الحياة الخاصة بخدمات الطرق مهم لاستمرار السلامة والأداء مشاريع إعادة تأهيل المواهب توفر الفرص لتصحيح أوجه القصور في الارتفاع أو تعديل الارتفاعات الخارقة لتتوافق مع المعايير الحالية

آثار ارتفاع في الأسعار

وعندما تطبق عمليات الرصيف على الطرق القائمة، يمكن أن تتأثر المنحدرات المتقاطعة إذا تتفاوت سميك البطء على نطاق أسلاك الرصيف.() ويجب على المصممين أن ينظروا بعناية في مدى تأثير مشاريع الارتداد على المنحدر الحالي، ولكن يمكن استخدام تجاوزات المقاييس المتغيرة لتكييف المنحدرات أو أوجه القصور الصحيحة.() ويجب على المصممين أن ينظروا بعناية في كيفية تأثير المشاريع الزائدة على التكسير الوظيفي وأن يكفلوا بقاء ما ينتج عن ذلك من عيوب.

ويمكن أن تؤدي الزيادة المتعددة على مر الزمن إلى تخفيض معدلات الارتفاع التدريجي إذا كان سمك الطول أكبر من الطرف الخارجي، وهو أمر شائع بسبب أنماط الصرف وارتداء حركة المرور، وتساعد الدراسات الاستقصائية الدورية للمنحدرات المتقاطعة على تحديد المواقع التي تعرضت فيها للإختلالات، كما أن هناك حاجة إلى إعادة التأهيل.

تصحيح أوجه القصور في الارتفاع

وعندما يتبين أن المنحنىات الموجودة لا تصلح إلا بشكل غير كاف، توجد عدة خيارات للتصحيح، ويتمثل النهج الأكثر مباشرة في إعادة بناء المنحنى مع التكسير السليم، الذي قد ينطوي على أعمال أرضية هامة وإعادة بناء تمهيد، والخيار الأقل تكلفة هو تخفيض سرعة التصميم بالنسبة للمنحنى وتركيب علامات إنذار مناسبة وخطوط السرعة الاستشارية، وإن كان هذا النهج قد لا يكون مقبولا في المرافق ذات السرعة العالية.

وفي بعض الحالات، يمكن زيادة نطاق المنحنى عن طريق إعادة التنظيم، مما يقلل من الطلب على الارتفاع، وهذا الخيار يتطلب توفر الحق في الاتجاه وقد ينطوي على اعتبارات بيئية ويسمح بها، كما أن تحسين السلامة، مثل تحسين الترسيم، وقطع الشواطئ، والعلاجات السطحية ذات الارتداد العالي يمكن أن يساعد أيضا على تخفيف مخاطر التحطم على المنحنىات التي تعاني من نقص في الارتفاع، وإن كانت هذه التدابير تعالج الأعراض بدلا من تصحيح أوجه القصور الجيولوجية.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

وقد بدأت التطورات في تكنولوجيا المركبات ونظم النقل تؤثر على اعتبارات التصميم الخارق وقد تؤدي إلى تغييرات في ممارسات التصميم في السنوات القادمة.

المركبات المجهزة بالأجهزة ذات الصلة والمركبات المستقلة

ويثير تطوير المركبات ذات الصلة والمستقلة تساؤلات بشأن متطلبات التصميم في المستقبل للتفوق، وقد تكون المركبات المستقلة ذاتيا ذات القدرة على مراقبة السرعة المحددة والاستشعار المتقدم قادرة على نقل المنحنىات بشكل أكثر اتساقا من السائقين البشر، مما قد يسمح باتباع نهج تصميم مختلفة، غير أن البيئات المختلطة لحركة المرور التي لها مركبات ذات دوافع بشرية ومستقلة ستستمر على مدى عقود، مما يتطلب تصميمات تستوعب كلا النوعين من العمليات.

ويجري البحث لفهم كيف يمكن لتكنولوجيات المركبات الفضائية أن تؤثر على معايير التصميم الأرضية، بما في ذلك متطلبات الارتفاع السطحي، ويشير بعض الباحثين إلى أن مراقبة السرعة الدقيقة يمكن أن تسمح بتخفيض معدلات الارتفاع أو منحنى أضيق، بينما يؤكد آخرون على ضرورة الحفاظ على تصميمات تستوعب السائقين البشريين وتوفر هامش أمان كاف لفشل النظم أو الظروف غير المتوقعة.

مواد الدفع المتطور

وقد يؤثر تطوير أسطح الرصيف ومواد متقدمة عالية الارتداد على عوامل الاحتكاك المستخدمة في تصميم التكفير، وقد قامت بعض الوكالات بتجريب العلاجات السطحية ذات الارتفاع في العناوين لزيادة الاحتكاك المتاح وتحسين السلامة، وإذا أصبحت هذه المعالجة ممارسة عادية، يمكن تعديل إجراءات التصميم لتسديد خصائص الاحتكاك المعززة، مما قد يسمح بتخفيض معدلات الإفراط في التحلل أو منحنىات أكثر سرعات التصميم.

Climate Change Considerations

وقد يؤثر تغير المناخ على قرارات تصميم الارتفاعات الخارقة في بعض المناطق، وقد ترى المناطق التي شهدت تاريخياً تواتراً في الجليد والثلوج، مما يؤدي إلى اختيار معدلات أعلى من الارتفاع، أن درجة شتاء أقل قد تتناقص، ويمكن أن تنظر في ارتفاع معدلات التصاميم في المستقبل، وعلى العكس من ذلك، قد تحتاج المناطق التي تشهد زيادة في التهطال إلى زيادة التركيز على تصميم المجاري المائية بالنسبة للأقسام التي يتفوق عليها، وقد تتطور معايير التصميم بحيث تدمج توقعات المناخ وتكيف مع الظروف البيئية المتغيرة على مدى الحياة.

الاستنتاج وأفضل الممارسات

إن تصميم التكهن السطحي هو جانب أساسي من التصميم الجيولوجي للطرق السريعة يؤثر تأثيرا مباشرا على السلامة والراحة والأداء التشغيلي، ويتطلب تصميم التفوق الناجح فهم الفيزياء الأساسية وتطبيق أساليب الحساب المناسبة، وفقا لمعايير التصميم المعمول بها، والنظر في السياق المحدد لكل مشروع.

وتشمل أفضل الممارسات في تصميم التفوق اختيار معدلات أعلى للترجيحات تكون مناسبة للمناخ والسياق، باستخدام أساليب تصميم متسقة عبر المشاريع، وتوفير فترات انتقالية كافية لراحة السائقين، وتنسيق عمليات التصريف مع تصميم الصرف، وضمان مراقبة الجودة أثناء البناء، وينبغي أيضاً للمصممين أن ينظروا في إجراء بحوث سريعة وتصرفات فعلية للسائقين عند وضع معايير التصميم، بدلاً من الاعتماد فقط على حدود السرعة المحددة.

ويساعد الاستعراض المنتظم لمعايير التصميم وتحديثها على إدراج نتائج بحثية جديدة والتكيف مع الظروف المتغيرة، وينبغي لوكالات النقل أن تحتفظ بأدلة تصميم شاملة توفر توجيهات واضحة بشأن إجراءات تصميم التصاميم، بما في ذلك أمثلة العمل ومعالجة الحالات الخاصة، وينبغي أن تركز برامج تدريب مهندسي التصميم على أهمية التصميم السليم للارتقاء وأن توفر خبرة عملية في أساليب الحساب وبرامجيات التصميم.

ومع تطور نظم النقل مع التكنولوجيات الجديدة وتغيير أنماط السفر، ستستمر ممارسات التصميم الفوقية في التطور، غير أن المبادئ الأساسية لموازنة قوات الطرد المركزي عن طريق المصارف على الطرق ستظل محورية في تصميم الطرق السريعة الآمنة والفعالة، ومن خلال تطبيق حكم هندسي سليم، وفقا للمعايير المعمول بها، ومراعاة الظروف الخاصة بالمواقع، يمكن للمصممين أن يخلقوا منحنى خارقة تخدم تصميم المواقع الجغرافية على نحو آمن وفعال لعقود قادمة.