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Die Erfindung betrifft ein System zur Überwachung von Straßen, Straßenbahnen und Verkehrssystemen, das die Fahrbahnoberfläche in horizontalen Kurven kippt, wobei der Fahrbahneffekt dazu beiträgt, dass Fahrzeuge sicher und bequem durch die Zentrifugalkräfte navigieren können, die die Fahrzeuge während der Abbiegemanöver nach außen drücken. Das richtige System zur Überwachung der Straßenoberfläche ist von wesentlicher Bedeutung, um das Risiko von Schleudern, Überschlagunfällen und Unbehagen des Fahrers zu verringern und gleichzeitig die Sicherheit und die Betriebseffizienz der gesamten Straßenoberfläche zu verbessern.

Die Grundlagen der Superelevation verstehen

Wenn ein Fahrzeug auf einer gekrümmten Bahn fährt, erfährt es eine Zentrifugalkraft, die es nach außen drückt. Ohne entsprechende Gegenmaßnahmen kann diese seitliche Kraft dazu führen, dass Fahrzeuge nach außen rutschen, insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten oder bei Kurven mit kleineren Radien. Die Superelevation bewältigt diese Herausforderung, indem sie die Fahrbahnoberfläche kippt und einen Neigungswinkel erzeugt, der hilft, Gravitationskräfte umzulenken, um der Zentrifugalwirkung entgegenzuwirken.

Das Konzept der Überhöhung wird seit über einem Jahrhundert im Verkehrsdesign verwendet, mit Anwendungen, die von Eisenbahnschienen bis hin zu modernen Autobahnen und Rennstrecken reichen.Das Hauptziel besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen der inneren Komponente des Fahrzeuggewichts (aufgrund des Bankverkehrs) und der äußeren Zentrifugalkraft zu schaffen, so dass Fahrzeuge Kurven mit minimaler Abhängigkeit von Reifen-Pflastungsreibung allein navigieren können.

Das Design der effektiven Hochebene muss mehrere Faktoren berücksichtigen, einschließlich der Konstruktionsgeschwindigkeit, des Kurvenradius, der Fahrzeugeigenschaften, der Fahrbahnreibung, der Klimabedingungen und des Fahrerverhaltens.

Die Physik hinter Superelevation Design

Um die Berechnungen der Höhe zu verstehen, ist es wesentlich, die zugrunde liegende Physik zu erfassen. Wenn ein Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit durch eine horizontale Kurve fährt, erfährt es eine zentripetale Beschleunigung, die zum Mittelpunkt der Kurve gerichtet ist. Diese Beschleunigung ist notwendig, um die Richtung des Fahrzeugs zu ändern und wird durch eine Kombination von zwei Kräften bereitgestellt: der seitlichen Reibung zwischen den Reifen und dem Straßenbelag und der horizontalen Komponente der normalen Kraft, die sich aus der steilen Fahrbahnoberfläche ergibt.

Kräfte, die auf ein Fahrzeug in einer Kurve wirken

Mehrere Kräfte wirken auf ein Fahrzeug, das auf einer überhöhten Kurve fährt. Das Gewicht des Fahrzeugs wirkt aufgrund der Schwerkraft vertikal nach unten. Auf einer steilen Oberfläche kann dieses Gewicht in zwei Komponenten aufgeteilt werden: eine senkrecht zur Fahrbahnoberfläche (normale Komponente) und eine parallel zur Oberfläche (tangentiale Komponente), die tangentiale Komponente wirkt entlang der Steigung der Überhöhung und hilft, das Fahrzeug in Richtung des Kurveninneren zu ziehen.

Die Fliehkraft, die eigentlich eine Pseudokraft ist, die im rotierenden Bezugssystem des Fahrzeugs erfahren wird, scheint das Fahrzeug aus der Kurve herauszudrücken. In Wirklichkeit bewirkt die Trägheit des Fahrzeugs, dass es in einer geraden Linie weiterfahren will, und die Kurvenbahn erfordert eine Netto-Einwärtskraft. Die Reibungskraft zwischen Reifen und Fahrbahn kann entweder nach innen oder nach außen wirken, je nachdem, ob das Fahrzeug schneller oder langsamer fährt als die Gleichgewichtsgeschwindigkeit für die gegebene Überhöhungsrate.

Gleichgewichtsgeschwindigkeit und Seitenreibung

Bei jeder Kombination von Überhöhungsrate und Kurvenradius gibt es eine Gleichgewichtsgeschwindigkeit, bei der ein Fahrzeug die Kurve ohne Querreibung navigieren kann. Bei dieser Geschwindigkeit gleicht die horizontale Komponente der Normalkraft die erforderliche Zentripetalkraft genau aus. Bei Fahrzeugen, die schneller als die Gleichgewichtsgeschwindigkeit fahren, muss die Seitenreibung nach innen wirken, um ein Abrutschen nach außen zu verhindern. Bei Fahrzeugen, die langsamer als die Gleichgewichtsgeschwindigkeit fahren, muss die Reibung nach außen wirken, um zu verhindern, dass das Fahrzeug auf der Steilseite nach innen rutscht.

Der Seitenreibungsfaktor stellt das Verhältnis der Seitenreibungskraft zur Normalkraft zwischen Reifen und Fahrbahn dar, der von zahlreichen Variablen abhängt, einschließlich der Beschaffenheit der Fahrbahnoberfläche, des Reifenzustands, der Wetterbedingungen und der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Konstruktionsnormen legen typischerweise maximale Seitenreibungsfaktoren fest, auf die man sich verlassen kann, wobei die Werte mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit abnehmen, um eine verringerte Reifen-Fahrbahn-Wechselwirkung bei höheren Geschwindigkeiten zu berücksichtigen.

Berechnungsmethoden und Formeln für die Berechnung der Höhe

Die Grundgleichung für die Auslegung der Überhöhe bezieht sich auf die Überhöhenrate, den Seitenreibungsfaktor, die Auslegungsgeschwindigkeit und den Kurvenradius, wobei diese Beziehung aus dem Gleichgewicht der auf ein Fahrzeug einwirkenden Kräfte abgeleitet wird, die durch eine horizontale Kurve fahren.

Die Grundübersetzungsgleichung

Die primäre Formel, die im Superelevationsdesign verwendet wird, ist:

e + f = V2 / (g × R)

Wobei:

  • e = Höhererhöhungsrate (ausgedrückt als Dezimalzahl, z. B. 0,06 für 6%)
  • f = Seitenreibungsfaktor (dimensionslos)
  • V = Auslegungsgeschwindigkeit (in Metern pro Sekunde oder Fuß pro Sekunde)
  • g = Erdbeschleunigung (9,81 m/s2 oder 32,2 ft/s2)
  • R = Radius der horizontalen Kurve (in Metern oder Füßen)

Diese Gleichung kann je nach den Konstruktionsbeschränkungen für jede der Variablen neu angeordnet werden, wobei in den meisten praktischen Anwendungen die Konstruktionsgeschwindigkeit und der Kurvenradius bekannt oder vorgegeben sind und die Gleichung zur Bestimmung der erforderlichen Überhöhungsrate verwendet wird.

Alternative Formulierungen für verschiedene Einheitensysteme

Bei der Arbeit mit metrischen Einheiten und der Designgeschwindigkeit, ausgedrückt in Kilometern pro Stunde, kann die Formel wie folgt umgeschrieben werden:

e + f = V2 / (127 × R)

Dabei ist V in km/h und R in Metern. Die Konstante 127 ergibt sich aus der Einheitsumrechnung und der Gravitationsbeschleunigung (127 ≈ 3,62 × 9,81).

Für das imperiale System mit Geschwindigkeit in Meilen pro Stunde und Radius in Fuß wird die Formel:

e + f = V2 / (15 × R)

Dabei ist V in mph und R in Fuß. Die Konstante 15 berücksichtigt die entsprechenden Einheitenumrechnungen (15 ≈ 1,4672 × 32,2).

Bestimmung der Höhe der Erhebung

Um die erforderliche Überhöhungsrate für eine bestimmte Kurve zu berechnen, wird die Gleichung wie folgt umgestellt:

e = (V2 / (g × R)) - f

Der Seitenreibungsfaktor (f) wird typischerweise aus Designtabellen oder Diagrammen ermittelt, die maximale Werte basierend auf der Designgeschwindigkeit angeben, die die maximale Reibung darstellen, auf die man sich unter verschiedenen Bedingungen sicher verlassen kann. Durch die Verwendung des maximal zulässigen Reibungsfaktors können Designer die minimal erforderliche Überhöhungsrate berechnen. Die Designpraxis beinhaltet jedoch oft eine ausgewogenere Verteilung des Seitenkraftbedarfs zwischen Überhöhung und Reibung, anstatt die Reibungsnutzung zu maximieren.

Berechnung des Mindestradius

Die Höhenbezugsgleichung kann auch zur Bestimmung des Mindestradius für eine bestimmte Auslegungsgeschwindigkeit verwendet werden, wenn maximale Höhenbezugs- und Reibungswerte angewendet werden:

Rmin = V2 / (g × (emax + fmax))

Diese Berechnung ist während der vorläufigen Entwurfsphase von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass die vorgeschlagenen horizontalen Ausrichtungen die Auslegungsgeschwindigkeit mit akzeptablen Erhöhungsraten berücksichtigen können.

Design Standards und Richtlinien für die Superelevation

Verschiedene Organisationen und Transportagenturen haben umfassende Standards und Richtlinien für die Gestaltung von Höhenlagen festgelegt, die detaillierte Verfahren, Tabellen und Diagramme enthalten, um Ingenieure bei der Bestimmung geeigneter Höhenlagen für verschiedene Straßenklassifizierungen und Konstruktionsbedingungen zu unterstützen.

AASHTO Richtlinien und Standards

Die American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) veröffentlicht die weit verbreitete "A Policy on Geometric Design of Highways and Streets", allgemein bekannt als das Green Book, das als primäre Referenz für die Straßengestaltung in den Vereinigten Staaten dient.

Nach AASHTO-Standards liegen die maximalen Überflugraten in der Regel zwischen 4% und 12%, abhängig von Klimaverhältnissen, Gelände und Gebietstyp (ländlich oder städtisch). In Gebieten mit häufigem Eis und Schnee werden niedrigere Höchstraten (4% bis 6%) empfohlen, um zu verhindern, dass Fahrzeuge bei niedrigen Geschwindigkeiten auf rutschigem Straßenbelag auf die Steilseite rutschen. In gemäßigten Klimazonen mit weniger Unwettern sind Höchstraten von 8% bis 10% üblich, während in einigen ländlichen Gebieten in warmen Klimazonen Raten von bis zu 12% verwendet werden können.

AASHTO liefert detaillierte Tabellen, die maximale Seitenreibungsfaktoren für verschiedene Auslegungsgeschwindigkeiten angeben. Diese Werte sinken im Allgemeinen mit zunehmender Geschwindigkeit, was die reduzierte Reifen-Belag-Wechselwirkung bei höheren Geschwindigkeiten widerspiegelt. Bei einer Auslegungsgeschwindigkeit von 30 mph (50 km/h) könnte der maximale Seitenreibungsfaktor 0,17 betragen, während er bei 70 mph (110 km/h) auf 0,10 reduziert werden könnte.

Internationale Designnormen

Die verschiedenen Länder haben eigene Konstruktionsnormen entwickelt, die in ihren spezifischen Werten und Verfahren variieren können, wobei sie sich an ähnlichen Grundprinzipien orientieren: Europäische Normen, wie sie von den nationalen Straßenverkehrsbehörden veröffentlicht werden, legen häufig Höchstwerte für die Erhebung von 6 % bis 8 % für die meisten Autobahnanwendungen fest, wobei einige Abweichungen auf der Grundlage der örtlichen Gegebenheiten und der Designphilosophie zu verzeichnen sind.

Die Transport Association of Canada (TAC) bietet geometrische Design-Richtlinien für kanadische Straßen, die AASHTO-Standards ähneln, aber für kanadische Bedingungen und Praktiken angepasst sind. Australische Standards, veröffentlicht von Austroads, und britische Standards aus dem Design Manual für Straßen und Brücken (DMRB) bieten vergleichbare Leitlinien, die auf ihre jeweiligen Kontexte zugeschnitten sind.

Maximale Höhe der Auswahl

Die Auswahl der maximalen Höhe des Projekts beinhaltet die Berücksichtigung mehrerer Faktoren. Das Klima ist eine Hauptüberlegung, da eisige oder verschneite Bedingungen Gefahren für Fahrzeuge schaffen, die langsam auf stark steilen Kurven fahren. Unter solchen Bedingungen kann das Fahrzeug aufgrund unzureichender Reibung, um der Steigung entgegenzuwirken, nach unten ins Innere der Kurve rutschen.

Der Geländetyp beeinflusst die Wahl, wobei Berggebiete aufgrund der Herausforderungen beim Bau und der Aufrechterhaltung steiler Querhänge manchmal niedrigere Höchstsätze erfordern. Städtische und ländliche Kontexte sind ebenfalls von Bedeutung, da städtische Gebiete typischerweise niedrigere Höchstsätze (oft 4 bis 6 %) verwenden, um langsamer fahrende Fahrzeuge, häufige Haltestellen und die Anwesenheit von Fußgängern und Radfahrern aufzunehmen. Ländliche Autobahnen, insbesondere Hochgeschwindigkeitsanlagen, können höhere Raten verwenden (8 % bis 12 %), um ihre primäre Funktion der Unterbringung durch den Verkehr mit der geplanten Geschwindigkeit besser zu erfüllen.

Die Häufigkeit von langsam fahrenden Fahrzeugen ist eine weitere Überlegung: Straßen, die regelmäßig Lastwagen mit steilen Steigungen oder landwirtschaftlichen Geräten aufnehmen, können von niedrigeren maximalen Überhöhungsraten profitieren, um die Schwierigkeiten zu verringern, die diese Fahrzeuge beim Durchfahren von Steilkurven bei niedrigen Geschwindigkeiten haben.

Methoden zur Verteilung der Höhe

Designstandards stellen typischerweise mehrere Methoden zur Verteilung des Seitenkraftbedarfs zwischen Überhöhung und Seitenreibung über einen Bereich von Kurvenradien dar. AASHTO beschreibt fünf Methoden, von denen jede unterschiedliche Philosophien bezüglich des Gleichgewichts dieser beiden Komponenten hat.

Bei der Methode 1 wird eine Kurvenverteilung verwendet, bei der versucht wird, eine konsistente Beziehung zwischen Überhöhung und Reibung im gesamten Bereich der Kurvenradien aufrechtzuerhalten. Bei der Methode 2 werden Überhöhung und Reibung in direktem Verhältnis zu ihren Maximalwerten verwendet. Bei der Methode 3 wird eine Kurvenverteilung ähnlich der Methode 1 angewandt, jedoch mit unterschiedlicher Proportionierung. Bei der Methode 4 wird die maximale Überhöhung für alle Kurven verwendet, die mehr als einen vorgegebenen Mindestwert erfordern, wobei die Reibung für den Rest verwendet wird. Bei der Methode 5 wird eine lineare Überhöhungsverteilung bis zum Maximalwert verwendet.

Die Wahl zwischen diesen Methoden hängt von der Designphilosophie ab, wobei einige Agenturen es vorziehen, die Nutzung von Superelevation zu maximieren, um die Abhängigkeit von Reibung zu minimieren, während andere einen ausgewogeneren Ansatz suchen.

Überhöhtes Übergangsdesign

Der Übergang von einem normalen balligen oder gekreuzten Fahrbahnabschnitt zu einem vollständig überhöhten Abschnitt ist ein kritischer Aspekt der Kurvengestaltung, der schrittweise erfolgen muss, um abrupte Veränderungen zu vermeiden, die zu Unannehmlichkeiten des Fahrers, Fahrzeuginstabilität oder Entwässerungsproblemen führen können.

Länge des Überflugabflugs

Die Überfluggeschwindigkeit ist die Länge der Fahrbahn, die erforderlich ist, um den Wechsel der Querneigung von einem normalen Abschnitt zu einem vollständig überhöhten Abschnitt zu erreichen. Diese Länge hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Auslegungsgeschwindigkeit, der Anzahl der gedrehten Fahrspuren und der gesamten erforderlichen Änderung der Querneigung. Höhere Auslegungsgeschwindigkeiten erfordern längere Überfluglängen, um sicherzustellen, dass die Änderung der Querbeschleunigung innerhalb komfortabler Grenzen für den Fahrer bleibt.

AASHTO stellt Tabellen und Formeln zur Berechnung der minimalen Ablauflängen der Überhöhung auf der Grundlage der Entwurfsgeschwindigkeit und der Änderung der Belagkantenhöhe bereit. Das allgemeine Prinzip besteht darin, dass die relative Steigung zwischen der Belagkante und der Mittellinie (oder Drehachse) bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten sollte, die typischerweise von 0,35% bis 0,80% je nach Entwurfsgeschwindigkeit reichen.

Die Mindestabflusslänge kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

L = (w × Δe) / Δmax

Wobei:

  • L = Mindestabflusslänge
  • w = Breite einer Fahrspur (oder Abstand von der Drehachse zum Rand des Straßenbelags)
  • Δe = Gesamtänderung der Höhe
  • Δmax = Maximaler relativer Gradient

Tangente Auslauflänge

Vor Beginn des Überhöhtungsabflusses muss die normale Kronen- oder Querneigung entfernt werden, wodurch ein Abschnitt mit Null-Querneigung (flach über die Breite) entsteht. Die für diesen Übergang benötigte Länge wird Tangentenauslauf genannt. Die Tangentenauslauflänge wird typischerweise als die Länge berechnet, die benötigt wird, um die normale Querneigung mit der gleichen Geschwindigkeit zu entfernen, die für den Überhöhtungsabfluss verwendet wird.

Bei einer zweispurigen Fahrbahn mit normaler Krone wird die Krone durch den Tangentenlauf abgenommen, indem die äußere Fahrspur nach oben gedreht wird, bis der gesamte Fahrbahnquerschnitt flach ist, wobei diese Länge im allgemeinen proportional zur normalen Querneigung ist und den gleichen relativen Steigungskriterien folgt wie der Überhöhungsablauf.

Rotationsachse

Die Drehachse ist die Längsachse, um die sich der Belagquerschnitt während des Uebergangs dreht. Übliche Möglichkeiten sind eine Drehung um die Mittellinie, den Innenrand oder den Außenrand der befahrenen Strecke, die sich auf die Entwässerung, das Aussehen und die vertikale Ausrichtung verschiedener Straßenteile auswirkt.

Die Mittelliniendrehung ist bei ungeteilten Autobahnen am häufigsten, da sie Änderungen der Profilspur minimiert und die Symmetrie beibehält. Bei geteilten Autobahnen wird jede Fahrbahn typischerweise um ihre eigene Mittellinie oder Innenkante gedreht. Die Innenkantendrehung kann für scharfe Kurven vorteilhaft sein, da sie die Höhenänderung an der Außenkante minimiert, während die Außenkantendrehung unter besonderen Umständen zur Steuerung der Entwässerung oder zur Anpassung an bestehende Bedingungen verwendet werden kann.

Platzierung des Superelevation Transition

Konstruktionsnormen geben Orientierung, wo der Übergang zur Überhöhung relativ zur Kurve zu platzieren ist. Im Allgemeinen wird der Tangentenauslauf vollständig auf den sich der Kurve nähernden Tangentenabschnitt (geradlinig) gelegt, während der Überhöhungsauslauf zwischen der Tangente und der Kurve selbst verteilt ist.

Der Übergang sollte vor dem Punkt abgeschlossen sein, an dem eine vollständige Erhöhung erforderlich ist, was typischerweise am oder kurz vor dem Beginn der Kreiskurve liegt Bei Kurven mit spiralförmigen Übergängen wird der Überhöhungsabfluss oft auf die Spirallänge abgestimmt, wobei die vollständige Überhöhung am Ende der Spirale erreicht wird, an dem die Kreiskurve beginnt.

Besondere Überlegungen im Superelevation Design

Mehrere spezielle Situationen erfordern modifizierte Ansätze für die Gestaltung von Höhenlagen, einschließlich zusammengesetzter Kurven, umgekehrter Kurven, Straßen mit niedriger Geschwindigkeit und Kreuzungen.

Compound und Reverse Curves

Kombinierte Kurven bestehen aus zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Kreiskurven in derselben Richtung mit unterschiedlichen Radien. Sind die Radien signifikant unterschiedlich, so kann jede Kurve eine unterschiedliche Höhe erfordern. Der Übergang zwischen diesen Geschwindigkeiten muss sorgfältig ausgelegt werden, um abrupte Änderungen zu vermeiden. Ist der Unterschied in den Höhe und in beiden Kurven gering, so kann eine einzige Zwischengeschwindigkeit für beide Kurven verwendet werden, um die Konstruktion zu vereinfachen und den Fahrerkomfort zu verbessern.

Die Rückwärtskurven, die ohne einen dazwischenliegenden Tangentenabschnitt ihre Richtung ändern, stellen besondere Herausforderungen dar. Die Überhöhung muss von einer Steilheit in eine Richtung zur entgegengesetzten Steilheit übergehen. Dies erfordert, dass die Überhöhung von der ersten Kurve entfernt wird, durch einen flachen oder normalerweise balligen Abschnitt geht und dann eine Überhöhung für die zweite Kurve angewendet wird. Die Gesamtlänge, die für diesen Übergang erforderlich ist, kann erheblich sein, und Designstandards empfehlen typischerweise, einen Tangentenabschnitt zwischen Rückwärtskurven vorzusehen, wann immer dies möglich ist, um den Übergang bequemer zu ermöglichen.

Low-Speed Urban Streets

Städtische Straßen mit Geschwindigkeiten unter 45 km/h verwenden oft reduzierte Höhenlagen oder können auf sanften Kurven völlig ausfallen. Dieser Ansatz erkennt an, dass städtische Straßen mehrere Funktionen erfüllen, die über die Fahrzeugbewegung hinausgehen, einschließlich Fußgängerzugang, Parken auf der Straße und häufige Einfahrten. Hohe Höhenlagen können Schwierigkeiten für diese Zwecke verursachen und zu Entwässerungsproblemen in der städtischen Umgebung führen.

Bei Stadtkurven können die Konstrukteure die normale Querneigung (normalerweise 2% für die Entwässerung) beibehalten, anstatt eine Überhöhung anzuwenden, wobei sie sich ausschließlich auf die Seitenreibung verlassen, um die erforderliche Seitenkraft zu erzeugen. Dies ist für sanfte Kurven bei niedrigen Geschwindigkeiten akzeptabel, bei denen die Reibungsanforderung innerhalb sicherer Grenzen bleibt.

Superelevation bei Schnittpunkten

Die Konstruktion von Schnittpunkten stellt besondere Herausforderungen für die Konstruktion von Höhenlagen dar, insbesondere wenn eine horizontale Kurve in der Nähe oder innerhalb des Schnittbereichs liegt. Das Vorhandensein von drehenden Fahrzeugen, angehaltenen Fahrzeugen und kreuzendem Verkehr erschwert die Anwendung von Höhenlagen. Die Konstruktionspraxis empfiehlt im Allgemeinen, Übergänge in Höhenlagen innerhalb der Schnittbereiche zu vermeiden und eine konstante Querneigung durch den Schnittpunkt, vorzugsweise die normale Querneigung für die Entwässerung, beizubehalten.

Sind Kurven in der Nähe von Kreuzungen unvermeidbar, so sollte der Übergang zur Überflugrichtung vor Beginn der Kreuzung abgeschlossen sein, oder die Kurve sollte mit einer verringerten Überflugrichtung entsprechend den niedrigeren in der Kreuzung erwarteten Geschwindigkeiten ausgelegt sein.

Geteilte Autobahnen und mehrspurige Einrichtungen

Geteilte Autobahnen mit getrennten Fahrbahnen für jede Fahrtrichtung erfordern besondere Berücksichtigung bei der Höhenlageplanung. Jede Fahrbahn wird typischerweise unabhängig voneinander überhöht, was insbesondere bei scharfen Kurven zu unterschiedlichen Profilgraden für die beiden Richtungen führen kann. Die mittlere Breite kann durch die Kurve variieren, da die beiden Fahrbahnen in unterschiedlichen Winkeln geneigt sind.

Bei mehrspurigen Anlagen werden alle Fahrspuren in der Regel gemeinsam als eine einzige Ebene gedreht, wobei eine konstante Querneigung über alle Fahrspuren hinweg erhalten bleibt. Dies vereinfacht die Konstruktion und bietet konsistente Bedingungen für die Fahrer auf allen Fahrspuren. Jedoch können sehr breite Fahrbahnen eine besondere Behandlung erfordern, wie z. B. das Drehen verschiedener Abschnitte um verschiedene Achsen, um den Gesamtunterschied der Höhe über die Straßenbelagbreite zu begrenzen.

Praktische Beispiele und Case Studies

Die Untersuchung praktischer Beispiele hilft, die Anwendung von Konstruktionsprinzipien und Berechnungen für die Höhe in realen Szenarien zu veranschaulichen.

Beispiel 1: Landstraßenkurvendesign

Man denke an eine zweispurige Landstraße mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h (62 mph) und einer horizontalen Kurve mit einem Radius von 400 Metern (1,312 Fuß). Die maximale Überflugrate für die Region beträgt 8% (0,08) aufgrund gelegentlicher Winterwetter. Der maximale Seitenreibungsfaktor für diese Geschwindigkeit beträgt gemäß AASHTO-Richtlinien 0,11.

Verwendung der metrischen Formel: e + f = V2 / (127 × R)

e + f = (100)2/ (127 × 400) = 10.000/50.800 = 0.197

Wenn wir Methode 5 (lineare Verteilung) verwenden, würden wir die Überhöhungsrate basierend auf dem Anteil der Kurvenschärfe relativ zum minimalen Radius berechnen.

Rmin = (100)2 / (127 × (0,08 + 0,11)) = 10.000 / 24,13 = 414 Meter

Da der tatsächliche Radius (400 m) kleiner als der minimale Radius (414 m) ist, würde diese Kurve die maximale Überhöhungsrate von 8 % erfordern.

f = 0,197 - 0,08 = 0,117

Dieser Reibungsfaktor (0.117) überschreitet den höchstzulässigen Wert (0.11), was darauf hinweist, dass die Kurve für die vorgesehene Geschwindigkeit mit der verfügbaren Höhe zu scharf ist.

Beispiel 2: Urban Arterial Curve

Eine urbane Arterienstraße hat eine Entwurfsgeschwindigkeit von 60 km/h (37 mph) und umfasst eine horizontale Kurve mit einem Radius von 250 Metern (820 Fuß). Die maximale Überflugrate für städtische Gebiete in dieser Gerichtsbarkeit beträgt 6% (0,06) und der maximale Seitenreibungsfaktor bei dieser Geschwindigkeit beträgt 0,15.

Verwendung der metrischen Formel: e + f = V2 / (127 × R)

e + f = (60)2/ (127 × 250) = 3.600/31.750 = 0.113

Der Mindestradius für diese Auslegungsgeschwindigkeit wäre:

Rmin = (60)2 / (127 × (0,06 + 0,15) = 3.600 / 26,67 = 135 Meter

Da der tatsächliche Radius (250 m) größer als der minimale Radius (135 m) ist, kann die Kurve mit weniger als maximaler Höhe ausgelegt werden. Mit Hilfe eines linearen Verteilungsverfahrens können wir die entsprechende Höhe berechnen. Bei Kurven, die flacher als der minimale Radius sind, kann die Höhe basierend auf dem Krümmungsgrad proportionalisiert werden.

Ein vernünftiger Ansatz wäre, die Überhöhung zu lösen und gleichzeitig die Reibung auf einen komfortablen Wert zu begrenzen, wie zum Beispiel das halbe Maximum (0,075):

e = 0,113 - 0,075 = 0,038 oder 3,8 %

Diese Überhöhungsrate von etwa 4% würde ein komfortables Design bieten, das nicht stark auf Reibung angewiesen ist und gleichzeitig innerhalb der maximal zulässigen Rate für städtische Bedingungen bleibt.

Beispiel 3: Berechnung des Überhöhungsübergangs

Für das Beispiel der Landstraße oben mit 8% Überhöhung müssen wir die Übergangslängen berechnen. Nehmen wir eine zweispurige Autobahn mit 3,6-Meter-Spuren und einer normalen Krone von 2% (1% pro Seite von der Mittellinie).

Bei einer Drehung um die Mittellinie beträgt die Gesamtänderung der Querneigung für die Außenspur -1% (von der Mitte nach unten) bis +8% (von der Mitte nach oben), eine Gesamtänderung von 9% oder 0,09.

Ablauflänge L = (3,6 × 0,09) / 0,005 = 0,324 / 0,005 = 64,8 Meter

Die tangentiale Auslauflänge, die benötigt wird, um die 1%ige Krone auf der Außenspur zu entfernen, wäre:

Tangentenauslauf = (3,6 × 0,01) / 0,005 = 0,036 / 0,005 = 7,2 Meter

Rundung auf 8 Meter für den Tangentenauslauf. Die Gesamtübergangslänge von der normalen Krone zur vollen Überhöhung würde 65 + 8 = 73 Meter betragen. Nach üblicher Praxis würde der 8-Meter-Tangenauslauf vollständig auf die Tangente gelegt und etwa 43 Meter des Abflusses würden auf die Tangente mit den verbleibenden 22 Metern auf der Kurve gelegt.

Beispiel 4: Freeway Ramp Design

Autobahnrampen haben typischerweise geringere Geschwindigkeiten als die Hauptstrecke und beinhalten oft relativ scharfe Kurven. Betrachten wir eine Ausfahrtrampe mit einer Geschwindigkeit von 50 km/h und einem Kurvenradius von 60 Metern (197 Fuß). Die maximale Überhöhung für Rampen beträgt 8% und der maximale Seitenreibungsfaktor bei dieser Geschwindigkeit beträgt 0,18.

e + f = (50)2/ (127 × 60) = 2.500/7.620 = 0.328

Der Mindestradius wäre:

Rmin = (50)2 / (127 × (0,08 + 0,18) = 2.500 / 33,02 = 76 Meter

Der tatsächliche Radius (60 m) ist kleiner als der minimale Radius (76 m), was darauf hinweist, dass diese Kurve eine maximale Erhöhung erfordert und dennoch erhebliche Reibung erfordert:

f = 0,328 - 0,08 = 0,248

Diese Reibungsanforderung (0,248) übersteigt bei weitem den zulässigen Höchstwert (0,18), was darauf hindeutet, dass die Kurve für die vorgesehene Geschwindigkeit zu scharf ist. Der Konstrukteur muss entweder den Radius auf mindestens 76 Meter erhöhen oder die vorgesehene Geschwindigkeit verringern. Wenn der Radius aufgrund von Standortbeschränkungen nicht erhöht werden kann, müsste die vorgesehene Geschwindigkeit auf etwa 40 km/h verringert werden, um die Kurve akzeptabel zu machen:

V = √(127 × R × (emax + fmax) = √(127 × 60 × 0,26) = √1,982 = 44,5 km/h

Dieses Beispiel verdeutlicht die Bedeutung der Abstimmung des Kurvenradius mit der Auslegungsgeschwindigkeit während der vorläufigen Entwurfsphase, um Situationen zu vermeiden, in denen geometrische Beschränkungen die gewünschten Betriebsgeschwindigkeiten nicht berücksichtigen können.

Design Software und Tools für Superelevation

Moderne Autobahn-Design stützt sich stark auf Computer-Aided Design (CAD) und spezialisierte Bauingenieur-Software, um die Superelevation zu berechnen und zu modellieren. Diese Werkzeuge automatisieren viele der komplexen Berechnungen und helfen, die dreidimensionale Geometrie von Superelevated Kurven zu visualisieren.

Civil 3D und Highway Design Software

Softwarepakete wie Autodesk Civil 3D, Bentley OpenRoads Designer und Trimble Business Center beinhalten umfassende Module zur Gestaltung von Höhenlagen. Diese Programme ermöglichen es Ingenieuren, horizontale und vertikale Ausrichtungen zu definieren, Entwurfskriterien einschließlich maximaler Höhenlagen und Reibungsfaktoren festzulegen und automatisch die Höhenlagen und Übergangslängen für jede Kurve zu berechnen.

Die Software kann detaillierte Berichte erstellen, die in regelmäßigen Abständen die Höhenlagen entlang der Ausrichtung zeigen, Querschnittsansichten, die die Straßenbelagrotation darstellen, und dreidimensionale Visualisierungen des fertigen Entwurfs. Diese Fähigkeit hilft, mögliche Probleme wie Entwässerungsprobleme, Konflikte mit benachbarten Merkmalen oder unangenehme Übergänge vor Baubeginn zu identifizieren.

Tabellenkalkulatoren

Für einfachere Projekte oder Vorarbeiten können Tabellenkalkulatoren effizient Hochrechnungen durchführen. Diese Werkzeuge umfassen typischerweise die grundlegenden Formeln, Entwurfstabellen von AASHTO oder anderen Standards und automatisierte Berechnung von Übergangslängen. Obwohl sie weniger ausgefeilt sind als vollständige CAD-Software, sind Tabellenkalkulatoren zugänglich, transparent in ihren Berechnungen und für viele Entwurfsaufgaben geeignet.

Viele Transportagenturen entwickeln ihre eigenen Tabellenkalkulationstools, die auf ihre spezifischen Designstandards und -verfahren zugeschnitten sind, um die Konsistenz zwischen den Projekten zu gewährleisten und den Designprozess für Routineanwendungen zu vereinfachen.

Bauliche Überlegungen und Qualitätskontrolle

Die richtige Konstruktion der Höhe ist für die Erreichung der beabsichtigten Konstruktionsleistung unerlässlich; zu den Herausforderungen bei der Konstruktion gehören die genaue Festlegung der vorgesehenen Querschrägen, die Aufrechterhaltung reibungsloser Übergänge und die Gewährleistung einer angemessenen Entwässerung in den gesamten überhöhten Abschnitten.

Staking und Grade Control

Die Konstruktionsablage für überhöhte Kurven muss ausreichende Informationen liefern, damit die Auftragnehmer die entworfenen Querhänge genau bauen können. Herkömmliche Ablagemethoden umfassen die Festlegung von Einsätzen in regelmäßigen Abständen mit Schnitt- oder Füllinformationen für mehrere Punkte über die Straßenbreite. Moderne Konstruktion verwendet zunehmend Maschinensteuerungssysteme mit GPS- oder Totalstationsführung, die automatisch Sortiergeräte auf der Grundlage von dreidimensionalen Designmodellen steuern können.

Die Qualitätskontrolle während des Baus beinhaltet die Überprüfung von Querhängen an mehreren Stellen, um zu überprüfen, ob die konstruierte Höhe dem Design entspricht. Abweichungen von der Konstruktionsquersteigung können die Fahr- und Entwässerungsleistung beeinträchtigen, so dass die Einhaltung enger Toleranzen wichtig ist.

Entwässerungsdesign für erhöhte Abschnitte

Die Überhöhung wirkt sich erheblich auf die Fahrbahnentwässerungsmuster aus. Auf einer vollständig überhöhten Kurve fließt Wasser über die gesamte Fahrbahnbreite zum inneren Rand hin, was eine sorgfältige Gestaltung der Entwässerungseinlässe und -gräben zum Sammeln und Fördern von Abflüssen erfordert. Die Übergangszonen stellen besondere Herausforderungen dar, da die sich ändernde Querneigung Bereiche schafft, in denen sich die Wasserflussmuster verschieben.

Während des Tangentenauslaufs, wenn die Krone entfernt wird, besteht ein flacher oder nahezu flacher Abschnitt, an dem Wasser, wenn es nicht richtig angegangen wird, Teiche ablegen kann. Die Konstrukteure müssen eine ausreichende Längserstreckung gewährleisten und in diesen Bereichen möglicherweise zusätzliche Abflussöffnungen vorsehen. Der Abschnitt des Überhöhungsabflusses muss auch darauf achten, dass das Wasser bei Veränderungen der Querneigung weiterhin effektiv abläuft.

Pavement Cross Slope Toleranzen

Die Konstruktionsspezifikationen enthalten typischerweise Toleranzen für Straßenquerschrägen, um die Qualität zu gewährleisten, während gleichzeitig die praktischen Einschränkungen der Baumethoden anerkannt werden. Gemeinsame Toleranzen reichen von ±0,3% bis ±0,5% für die Querneigungsrate. Engere Toleranzen können für Hochgeschwindigkeitsanlagen oder Kurven mit kritischen Höhenlagenanforderungen angegeben werden.

Systematische Fehler in der Querneigung, wie z. B. die konsequente Konstruktion von Steigungen, die steiler oder flacher als geplant sind, können sich ansammeln, um signifikante Abweichungen von der vorgesehenen Geometrie zu erzeugen.

Sicherheitsleistung und Forschungsergebnisse

Die Erforschung der Sicherheitsleistung von überhöhten Kurven hat wertvolle Erkenntnisse zur Wirksamkeit von Designstandards und zur Beziehung zwischen geometrischem Design und Crashraten geliefert.

Crash-Raten auf horizontalen Kurven

Horizontale Kurven weisen durchweg höhere Crashraten auf als Tangentenabschnitte, wobei die Zunahme aufgrund von Kurvenschärfe, Auslegungsgeschwindigkeit und anderen Faktoren variiert. Untersuchungen haben gezeigt, dass Kurven mit unzureichender Erhöhung ihres Radius und ihrer Auslegungsgeschwindigkeit erhöhte Crashraten erfahren, insbesondere bei Run-Off-Road- und Rollover-Crashs.

Der Zusammenhang zwischen einem Überhöhungsmangel (der Differenz zwischen bereitgestellter und theoretisch erforderlicher Überhöhung) und dem Crashrisiko wurde in mehreren Forschungsstudien untersucht.Obwohl die Ergebnisse variieren, besteht allgemeine Übereinstimmung darüber, dass signifikante Überhöhungsmängel mit einem erhöhten Crashrisiko korrelieren, insbesondere bei nassen oder eisigen Bedingungen, wenn die verfügbare Reibung reduziert wird.

Ball Bank Indikatorstudien

Die Ballbankanzeige ist ein Gerät, das die kombinierte Wirkung von Überhöhung und Querbeschleunigung auf die Fahrzeuginsassen misst. Untersuchungen mit Ballbankanzeigen haben dazu beigetragen, komfortable Grenzwerte für die Querbeschleunigung festzulegen und die Entwicklung von Seitenreibungsfaktoren beeinflusst, die in Konstruktionsnormen verwendet werden. Studien haben gezeigt, dass Ballbankwerte gut mit dem Fahrerkomfort korrelieren und dass das Beibehalten von Werten unterhalb bestimmter Schwellenwerte (in der Regel 8 bis 14 Grad je nach Geschwindigkeit) zu einem akzeptablen Komfort für die meisten Fahrer führt.

Betriebsgeschwindigkeitsforschung

Die Untersuchung der tatsächlichen Betriebsgeschwindigkeiten in Kurven hat ergeben, dass Fahrer in sanften Kurven oft schneller als die Konstruktionsgeschwindigkeit fahren und in scharfen Kurven möglicherweise langsamer als die Konstruktionsgeschwindigkeit fahren. Dieses Verhalten beeinflusst die tatsächliche Reibungsanforderung in Kurven. Studien haben zur Entwicklung von Modellen für die Betriebsgeschwindigkeitsvorhersage geführt, die Designern helfen, die tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten zu antizipieren und sicherzustellen, dass das geometrische Design dem realistischen Fahrerverhalten entspricht, anstatt sich ausschließlich auf angegebene Geschwindigkeitsbegrenzungen zu verlassen.

Wartung und Rehabilitation von Superelevated Curves

Die Aufrechterhaltung einer angemessenen Höhe über die gesamte Lebensdauer einer Fahrbahn ist wichtig für die kontinuierliche Sicherheit und Leistung. Pavement-Rehabilitationsprojekte bieten Möglichkeiten, um Mängel in der Höhe zu beheben oder die Höhe an die aktuellen Standards anzupassen.

Pavement-Overlay-Effekte

Werden Fahrbahnüberzüge auf bestehende Fahrbahnen aufgebracht, kann die Querneigung beeinträchtigt werden, wenn die Dicke der Überdeckungen über die Fahrbahnbreite variiert. Überlagerungen mit gleichmäßiger Dicke behalten die bestehende Querneigung bei, aber Überlagerungen mit variabler Dicke können verwendet werden, um Querneigungen einzustellen oder Mängel zu beheben. Die Konstrukteure müssen sorgfältig prüfen, wie Überlagerungsprojekte die Überdeckung beeinflussen und sicherstellen, dass die resultierende Geometrie sicher und funktionsfähig bleibt.

Mehrere Überlagerungen können im Laufe der Zeit die Überlagerungsraten allmählich verringern, wenn die Überlagerungsdicke an der Innenkante größer ist als die Außenkante, was häufig durch Entwässerungsmuster und Verkehrsverschleiß auftritt.

Korrektur von Überhöhtungsmängeln

Wenn sich herausstellt, dass vorhandene Kurven eine unzureichende Höhe aufweisen, gibt es mehrere Möglichkeiten zur Korrektur. Der direkteste Ansatz besteht darin, die Kurve mit einer angemessenen Höhe zu rekonstruieren, was erhebliche Erdarbeiten und Straßenbelagrekonstruktionen erfordern kann. Eine kostengünstigere Alternative besteht darin, die Auslegungsgeschwindigkeit der Kurve zu verringern und geeignete Warnschilder und Anzeigetafeln für die empfohlene Geschwindigkeit anzubringen, obwohl diese Vorgehensweise bei Hochgeschwindigkeitsanlagen möglicherweise nicht akzeptabel ist.

In einigen Fällen kann der Kurvenradius durch Neuausrichtung erhöht werden, wodurch der Bedarf an Überhöhungen verringert wird. Diese Option erfordert eine verfügbare Vorfahrt und kann Umwelt- und Genehmigungserwägungen umfassen. Sicherheitsverbesserungen wie verbesserte Abgrenzung, Rumpelstreifen und Oberflächenbehandlungen mit hoher Reibung können auch dazu beitragen, das Crashrisiko in Kurven mit Überhöhungsmängeln zu verringern, obwohl diese Maßnahmen eher auf Symptome abzielen als den grundlegenden geometrischen Mangel zu korrigieren.

Fortschritte in der Fahrzeugtechnik und in Transportsystemen beginnen, die Konstruktionsüberlegungen der Höhe zu beeinflussen und können in den kommenden Jahren zu Veränderungen in der Konstruktionspraxis führen.

Vernetzte und autonome Fahrzeuge

Die Entwicklung vernetzter und autonomer Fahrzeuge wirft Fragen über die künftigen Anforderungen an die Konstruktion von Hochebenen auf. Autonome Fahrzeuge mit präziser Geschwindigkeitsregelung und erweiterten Sensorfunktionen können möglicherweise konsistenter in Kurven navigieren als menschliche Fahrer, was möglicherweise unterschiedliche Konstruktionsansätze ermöglicht.

Einige Forscher schlagen vor, dass eine präzise Geschwindigkeitsregelung reduzierte Höhenlagen oder engere Kurven ermöglichen könnte, während andere die Notwendigkeit betonen, Designs beizubehalten, die menschliche Fahrer aufnehmen und ausreichende Sicherheitsmargen für Systemausfälle oder unerwartete Bedingungen bieten.

Fortgeschrittene Pavettenmaterialien

Die Entwicklung von hochreibungsfähigen Straßenbelagsoberflächen und fortschrittlichen Materialien kann die Reibungsfaktoren beeinflussen, die bei der Konstruktion von Hochebenen verwendet werden. Einige Agenturen haben mit Oberflächenbehandlungen mit hoher Reibung an Kurven experimentiert, um die verfügbare Reibung zu erhöhen und die Sicherheit zu verbessern. Wenn solche Behandlungen zur Standardpraxis werden, können die Konstruktionsverfahren geändert werden, um die verbesserten Reibungseigenschaften zu berücksichtigen, was möglicherweise zu reduzierten Höhenlagen oder schärferen Kurven für eine bestimmte Konstruktionsgeschwindigkeit führen kann.

Überlegungen zum Klimawandel

Der Klimawandel kann die Entscheidungen über die Auslegung von Überhöhen in einigen Regionen beeinflussen. Gebiete, in denen in der Vergangenheit häufig Eis und Schnee auftraten, was zu einer Auswahl niedrigerer Höchstwerte für Überhöhen führte, können eine geringere Winterschwere aufweisen und könnten höhere Höchstwerte in zukünftigen Entwürfen berücksichtigen. Umgekehrt müssen Regionen mit erhöhtem Niederschlag möglicherweise stärker auf die Gestaltung von Überhöhenabwässern setzen. Gestaltungsnormen können sich entwickeln, um Klimaprojektionen zu berücksichtigen und sich an veränderte Umweltbedingungen während der Lebensdauer von Fahrbahnanlagen anzupassen.

Schlussfolgerung und Best Practices

Das Hochebenendesign ist ein grundlegender Aspekt des geometrischen Entwurfs von Autobahnen, der sich direkt auf Sicherheit, Komfort und Betriebsleistung auswirkt. Erfolgreiches Hochebenendesign erfordert das Verständnis der zugrunde liegenden Physik, die Anwendung geeigneter Berechnungsmethoden, die Einhaltung festgelegter Entwurfsstandards und die Berücksichtigung des spezifischen Kontexts jedes Projekts.

Zu den bewährten Verfahren bei der Auslegung von Höhenlagen zählen die Auswahl der höchstzulässigen Höhenlagen, die dem Klima und dem Kontext entsprechen, die Verwendung einheitlicher Entwurfsmethoden über Projekte hinweg, die Bereitstellung angemessener Übergangslängen für den Fahrerkomfort, die Koordinierung der Höhe mit der Auslegung der Entwässerung und die Gewährleistung der Qualitätskontrolle während des Baus.

Regelmäßige Überprüfung und Aktualisierung der Design-Standards hilft dabei, neue Forschungsergebnisse zu integrieren und sich an wechselnde Bedingungen anzupassen. Transportagenturen sollten umfassende Design-Handbücher pflegen, die klare Anleitungen zu den Verfahren für die Konstruktion von Höhenlagen bieten, einschließlich bearbeiteter Beispiele und Spezialfallbehandlungen. Trainingsprogramme für Konstrukteure sollten die Bedeutung des richtigen Designs für Höhenlagen betonen und praktische Erfahrungen mit Berechnungsmethoden und Design-Software bieten.

Da sich Transportsysteme mit neuen Technologien und sich ändernden Reisemustern entwickeln, werden sich die Verfahren zur Gestaltung von Überflugstrecken weiterentwickeln. Die grundlegenden Prinzipien des Ausgleichs der Zentrifugalkräfte durch Straßenbanken werden jedoch für eine sichere und effiziente Autobahngestaltung von zentraler Bedeutung bleiben. Durch die Anwendung eines fundierten technischen Urteils, nach etablierten Standards und unter Berücksichtigung standortspezifischer Bedingungen können Designer überhöhte Kurven erstellen, die der reisenden Öffentlichkeit in den kommenden Jahrzehnten sicher und effektiv dienen.