Die geometrische Gestaltung von Hochgeschwindigkeitsstraßen ist eine komplexe technische Disziplin, die sorgfältige Aufmerksamkeit auf Sicherheit, Betriebseffizienz und Fahrerkomfort erfordert. Die geometrische Gestaltung von Autobahnen beeinflusst direkt die Fahrzeugdynamik, das Fahrerverhalten und die Gesamtleistung der Fahrbahn. Dieser umfassende Leitfaden untersucht die grundlegenden Prinzipien, praktischen Überlegungen und detaillierten Berechnungen, die für die Schaffung einer sicheren und effizienten Hochgeschwindigkeitsinfrastruktur erforderlich sind.

Grundlagen für die Gestaltung von Hochgeschwindigkeitsstraßen

Die Konstruktion von Hochgeschwindigkeitsstraßen umfasst einen systematischen Ansatz zur Schaffung einer Verkehrsinfrastruktur, die Fahrzeuge mit erhöhten Geschwindigkeiten unter Beibehaltung optimaler Sicherheitsmargen unterbringt. Die geometrischen Merkmale dieser Straßen müssen harmonisch funktionieren, um den Fahrern ein vorhersehbares, komfortables und sicheres Reiseerlebnis zu bieten. Ingenieure müssen mehrere konkurrierende Faktoren wie Geländebeschränkungen, Umweltaspekte, Baukosten und Betriebsanforderungen ausgleichen.

Das Green Book ist das umfassende politische Dokument von AASHTO, das geometrische Designstandards und Richtlinien für Autobahnen und Straßen aller funktionalen Klassifikationen festlegt.

Der Entwurfsprozess beginnt mit der Festlegung grundlegender Parameter wie der Auslegungsgeschwindigkeit, der Projektionen des Verkehrsaufkommens und der funktionalen Klassifizierung. Die Auslegungsgeschwindigkeit sollte mit der Geschwindigkeit übereinstimmen, die der Fahrer erwartet. Dieser Grundsatz stellt sicher, dass die Fahrbahngeometrie den Erwartungen des Fahrers entspricht, wodurch die Wahrscheinlichkeit von geschwindigkeitsbedingten Unfällen verringert und die Gesamtleistung der Fahrbahn verbessert wird.

Design Speed und seine entscheidende Rolle

Die Konstruktionsgeschwindigkeit ist die maximale sichere Geschwindigkeit, für die eine Straße ausgelegt ist und die als Grundlage für alle geometrischen Konstruktionselemente dient. Dieser grundlegende Parameter beeinflusst jeden Aspekt der geometrischen Gestaltung, von horizontalen Kurvenradien bis hin zu den Anforderungen an den Sichtabstand. Ingenieure müssen Konstruktionsgeschwindigkeiten auswählen, die die beabsichtigte Funktion der Fahrbahn, des umgebenden Kontexts und des erwarteten Fahrerverhaltens widerspiegeln.

Für Hochgeschwindigkeitsanlagen wie Autobahnen und ländliche Arterien liegen die Auslegungsgeschwindigkeiten in der Regel zwischen 60 und 80 Meilen pro Stunde. Diese Auslegungsgeschwindigkeit sollte jedoch nicht weniger als 50 Meilen pro Stunde betragen. Die gewählte Auslegungsgeschwindigkeit muss der angegebenen Geschwindigkeitsgrenze entsprechen oder diese überschreiten, um sicherzustellen, dass alle geometrischen Merkmale ausreichende Sicherheitsmargen für gesetzliche Betriebsgeschwindigkeiten bieten.

Die Konstruktionsgeschwindigkeit betrifft zahlreiche geometrische Elemente, einschließlich minimaler Kurvenradien, erforderlicher Sichtabstände, Überhöhungsraten und vertikaler Kurvenlängen. Höhere Konstruktionsgeschwindigkeiten erfordern flachere horizontale Kurven, längere Sichtabstände und allmählichere Übergänge zwischen geometrischen Elementen. Diese Verbindung bedeutet, dass die Konstruktionsgeschwindigkeitsauswahl kaskadierende Effekte auf die gesamte Fahrbahngestaltung hat.

Funktionale Klassifikation und Kontext

Die Gruppe stellte fest, dass nicht nur "traditionelle" funktionale Klassifikationen für Straßen - wie lokale Straßen, Sammler, Arterien und Autobahnen - im Grünen Buch enthalten sind, sondern auch eine erweiterte Reihe neuer "kontextueller" Klassifikationen - wie ländliche, ländliche Städte, Vororte, Städte und städtische Kerne -, die dazu beitragen werden, geometrische Designbemühungen besser zu steuern.

Schnellstraßen fallen typischerweise in Kategorien wie Autobahnen, Schnellstraßen und Landadern. Jede Klassifikation hat spezifische Designerwartungen und Standards. Autobahnen mit ihrem kontrollierten Zugang und gradgetrennten Knotenpunkten unterstützen die höchsten Designgeschwindigkeiten und Verkehrsaufkommen. Landadern können mit ähnlich hohen Geschwindigkeiten betrieben werden, aber mit unterschiedlichen Zugangsmanagementstrategien und geometrischen Einschränkungen.

Horizontales Ausrichtungsdesign

Die horizontale Ausrichtung definiert den Fahrbahnverlauf in der horizontalen Ebene, der aus Tangentenabschnitten besteht, die durch horizontale Kurven miteinander verbunden sind. Die horizontale Ausrichtung wirkt sich erheblich auf die Arbeitsbelastung des Fahrers, die Fahrzeugstabilität und die Gesamtsicherheit bei hohen Geschwindigkeiten aus. Die richtige horizontale Ausrichtung erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der Kurvengeometrie, der Übergangselemente und der Beziehung zwischen aufeinanderfolgenden Kurven.

Horizontale Kurvengrundlagen

Horizontale Kurven sind Kurven in der horizontalen Ebene, die die Sicherheit und den Komfort bei Kurven beeinflussen. Diese Kurven ermöglichen es, die Fahrbahnen unter Beibehaltung sicherer und komfortabler Betriebsbedingungen für Fahrzeuge zu ändern.

Kreisbogen ermöglichen eine Richtungsänderung der Fahrbahn. Der Mindestbogenradius einer Kurve, der für eine bestimmte Auslegungsgeschwindigkeit verwendet wird, ist in Kapitel 3 der Richtlinie über die geometrische Gestaltung von Autobahnen und Straßen angegeben. Der Zusammenhang zwischen Kurvenradius und Auslegungsgeschwindigkeit ist für eine sichere Fahrbahngestaltung von grundlegender Bedeutung.

Die mechanischen Gesetze, die den Betrieb des Fahrzeugs auf Kurven bestimmen, wie Reibungsfaktoren, Geschwindigkeit und Höhe der Überhöhung, tragen dazu bei, dieses Minimum zu ermitteln. Wenn ein Fahrzeug eine horizontale Kurve durchquert, wirkt die Zentrifugalkraft nach außen und drückt das Fahrzeug nach außen, wobei dieser Kraft durch eine Kombination von Fahrbahnüberhöhung und Reifenbelagreibung entgegengewirkt werden muss.

Berechnung des Mindestradius

Der Mindestradius einer horizontalen Kurve hängt von der konstruktiv festgelegten Geschwindigkeit, der maximalen Überfluggeschwindigkeit und dem maximalen Seitenreibungsfaktor ab. In seiner Grundform lautet die vereinfachte Kurvenformel: f = Seitenreibungsfaktor, V = Fahrzeuggeschwindigkeit, mph, R = Kurvenradius, ft, e = Überfluggeschwindigkeit, %. Der Mindestradius einer bestimmten konstruktiv festgelegten Geschwindigkeit kann berechnet werden, indem man e(max) für e, f(max) für f und die konstruktiv festgelegte Geschwindigkeit für V in die vereinfachte Kurvenformel einfügt.

Die Grundgleichung für die horizontale Kurvenauslegung lautet: e + f = V2/(127R), wobei e die Überhöhenrate (dezimal), f den Seitenreibungsfaktor (dezimal), V die Fahrzeuggeschwindigkeit in Kilometern pro Stunde und R den Kurvenradius in Metern darstellt. Diese Formel kann umgeordnet werden, um den Mindestradius zu lösen: R = V2/[127(e + f)].

Betrachten Sie zum Beispiel eine Hochgeschwindigkeitsstraße mit einer Geschwindigkeit von 110 km / h (ca. 70 mph), einer maximalen Überhöhung von 0,08 (8%) und einem maximalen Seitenreibungsfaktor von 0.12. Der minimale Radius wäre: R = (110)2/[127 (0,08 + 0,12)] = 12,100/25,4 = 476 Meter (ca. 1.562 Fuß).

Die Triebfahrzeuge weisen typischerweise Kurvenradien auf, die größer als das berechnete Minimum sind, um den Komfort des Fahrers zu verbessern und zusätzliche Sicherheitsmargen zu bieten.

Seitenreibungsfaktoren

Die in EXHIBIT 8 dargestellten, maximal zulässigen Seitenreibungsfaktoren für verschiedene Konstruktionsgeschwindigkeiten sind in Verbindung mit der Überhöhung als Seitenreibung die zwischen Fahrzeugreifen und der Fahrbahnoberfläche bei Kurvenfahrten entstehende Seitenkraft, die der Zentrifugalkraft entgegenwirkt.

Bei niedrigeren Geschwindigkeiten (30-40 mph) können die maximalen Seitenreibungsfaktoren 0,17 erreichen, während sie bei höheren Geschwindigkeiten (70-80 mph) typischerweise zwischen 0,10 und 0.12. liegen.

Die tatsächliche verfügbare Reibung hängt von zahlreichen Faktoren ab, darunter die Eigenschaften der Fahrbahnoberfläche, der Reifenzustand, die Wetterbedingungen und die Fahrzeugeigenschaften.

Superelevation Design und Anwendung

Die Höhe ist eine der wichtigsten geometrischen Merkmale für die Konstruktion von Hochgeschwindigkeitsfahrbahnen. Die Höhe ist die Querneigung entlang der Breite der Fahrbahn, um den sicheren Durchgang des Fahrzeugs in einer horizontalen Kurve zu erleichtern. Durch die Ablagerung der Fahrbahnoberfläche hilft die Höhe, Zentrifugalkräften entgegenzuwirken und die Anforderungen an die Reifenbelagreibung zu verringern.

Superelevation Prinzipien und Vorteile

Die Ueberhöhung ist die Querneigung, die der Fliehkraftwirkung entgegenwirkt und die Neigung des Fahrzeugs zum Umkippen und zum seitlichen Ausrutschen durch Anheben der Belagaußenkante gegenüber der Innenkante verringert, was für Hochgeschwindigkeitsfahrten vielfache Vorteile bringt.

Das Anheben des Fahrzeugs durch Hinzufügen einer Erhöhung hat zwei Effekte: Es verringert die Komponente der Fliehkraft, die parallel zur Fahrbahnoberfläche wirkt, und vor allem erzeugt es eine Komponente des Gewichts eines Fahrzeugs, die in einer Richtung parallel zum Fahrbahnbelag wirkt, um Widerstand zu leisten, und dadurch die Wirkung der Fliehkraft reduziert die Höhe der Seitenreibung, die erforderlich ist, um ein Fahrzeug auf einer gekrümmten Bahn zu halten, und folglich das Gefühl, dass der Fahrer nach außen geschoben wird, reduziert.

Die richtige Erhöhung erhöht die Fahrzeugstabilität, verbessert den Fahrerkomfort, verringert den Reifenverschleiß und minimiert die Beanspruchung des Fahrbahnbelags. Sie ermöglicht es Fahrzeugen, höhere Geschwindigkeiten durch Kurven zu halten, während sie innerhalb sicherer Reibungsbedarfsgrenzen arbeiten. Ohne ausreichende Erhöhung müssen die Fahrer entweder die Geschwindigkeit erheblich reduzieren oder auf übermäßige Reibungskräfte angewiesen sein, die unter ungünstigen Bedingungen möglicherweise nicht verfügbar sind.

Höchstwerte für die Erhebung

Die maximalen Höhenlagen variieren je nach Klima, Gelände und Entwicklungskontext. Daher wurde der maximale Höhenwert in ebenem und herrschendem Gelände und in schneebegrenzten Gebieten vom IRC mit 6,7 Prozent festgelegt, d.h. 1 von 15. Für Hügelstraßen, die nicht durch Schnee begrenzt sind, beträgt die maximale Grenze der Höhenlagen jedoch bis zu 10 %, d.h. 1 von 10 wurde durch die IRC-Werte empfohlen.

In den Vereinigten Staaten liegen die Höchstwerte für die Überflughöhe in der Regel zwischen 4 und 12 %, je nach den örtlichen Gegebenheiten, während in ländlichen Gebieten mit minimalem Eis und Schnee Höchstwerte von 10 bis 12 % gelten, während in Gebieten mit häufigen Vereisungsbedingungen die Höchstwerte für die Überflughöhe oft auf 6 bis 8 % begrenzt werden.

Die Wahl der maximalen Höhe der Erhöhung wirkt sich erheblich auf die Mindestkurvenradien aus. Höhere maximale Höhe der Erhöhungen ermöglichen schärfere Kurven für eine bestimmte Konstruktionsgeschwindigkeit, was möglicherweise die Baukosten und die Umweltauswirkungen verringert. Eine übermäßige Höhe kann jedoch Probleme für langsam fahrende Fahrzeuge verursachen und zu Entwässerungsproblemen führen.

Berechnungsmethode für die Berechnung der Höhe

Die Auslegung der Höhenlage folgt einem systematischen Verfahren, das mehrere Überlegungen ausgleicht. Fahrzeuge haben nicht die gleiche Geschwindigkeit auf einer horizontalen Kurve, daher liegt in diesem Fall nur ein gemischter Verkehrsfluss vor. Für die Berechnung der Höhenlage unter gemischten Verkehrsflussbedingungen ist die Geschwindigkeit als 75 % der Auslegungsgeschwindigkeit anzunehmen, d. h. 0,75 V, und die seitliche Reibung "f" ist für sichere Bedingungen zu vernachlässigen.

Das Standard-Designverfahren umfasst drei Hauptschritte:

Schritt 1: Berechnen Sie die Gleichgewichtsüberhöhung

Schritt 1: Berechnung der Höhe, die 75 % der Auslegungsgeschwindigkeit entspricht, wobei die Rolle der seitlichen Reibung vernachlässigt wird. Dieser Ansatz erkennt an, dass Verkehrsströme Fahrzeuge umfassen, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten fahren. Die Gleichgewichtsformel für die Höhe ist: e = V2/(225R), wobei V 75 % der Auslegungsgeschwindigkeit darstellt.

Beispielsweise bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h und einem Bogenhalbmesser von 500 Metern: e = (75)2/(225 × 500) = 5,625/112,500 = 0,005 oder 5,0 %.

Ist die berechnete Gleichgewichtserhöhung kleiner oder gleich der maximal zulässigen Rate, kann dieser Wert direkt verwendet werden; wenn er den Höchstwert überschreitet, gehen Sie zu Schritt 2.

Schritt 2: Überprüfen Sie die Reibungsnachfrage bei Designgeschwindigkeit

Schritt 2: Geben Sie e = emaximum an und finden Sie den Wert der Seitenreibung 'f'. Wenn f 0.15, dann fixieren Sie f = 0.15. Berechnen Sie mit der vollen Auslegungsgeschwindigkeit und maximalen Erhöhung den erforderlichen Reibungsfaktor: f = V2/(127R) - e max.

Fortsetzung des vorherigen Beispiels mit maximaler Erhöhung von 7% (0,07): f = (100)2/(127 × 500) - 0,07 = 10.000/63,500 - 0,07 = 0,157 - 0,07 = 0,07 = 0,0787.

Da der berechnete Reibungsfaktor (0,087) kleiner als der maximal zulässige Wert ist (typischerweise 0,15), ist das Design mit maximaler Erhöhung akzeptabel.

Schritt 3: Verifizieren der Design-Geschwindigkeitskompatibilität

Schritt 3: Nun nehmen Sie f = 0,15, e = Emaximum und finden Sie die tatsächliche Geschwindigkeit wird auf der Autobahn zur Verfügung gestellt werden. Wenn Vdesign Vactual, dann die Geschwindigkeit durch die Bereitstellung von Geschwindigkeitsbegrenzungen Zeichen begrenzen. Diese abschließende Prüfung stellt sicher, dass die Kombination von Überhöhung und maximale Reibung kann die Konstruktionsgeschwindigkeit unterstützen.

Überlagerung und Runoff

Die Gesamtübergangslänge (L) ist die Länge, bei der der Übergang von der normalen Krone (NC) zur vollen Übergangslänge (Voll) erfolgt. Die Formel für die Gesamtübergangslänge findet sich in der Standardzeichnung RD11-SE-1. Der Übergang von der normalen Krone zur vollen Übergangslänge muss schrittweise erfolgen, um abrupte Änderungen zu vermeiden, die Fahrzeuge destabilisieren könnten.

Der Überhöhungsübergang besteht aus zwei Komponenten: dem Tangentenauslauf und dem Überhöhungsauslauf. Tangentenauslauf ist die Länge, die erforderlich ist, um die ungünstige Querneigung (den Teil der normalen Krone, der von der Kurve abfällt) zu entfernen.

Bei einer einfachen Kurvenlänge liegt die Hälfte der Übergangslänge vor und die Hälfte nach dem P.C. oder P.T. Bei einer Spiralkurve L ist sie gleich der Spirallänge. Bei Verwendung von Spiralübergangskurven erfolgt der Überhöhungsübergang typischerweise entlang der Spirallänge, wodurch eine koordinierte Änderung sowohl der horizontalen Krümmung als auch der Querneigung erreicht wird.

Die Geschwindigkeit der Änderung der Höhe beeinflusst den Komfort des Fahrers und die Fahrzeugstabilität. Zu schnelle Übergänge können Lenkschwierigkeiten und Unannehmlichkeiten für die Passagiere verursachen. Die Konstruktionsnormen legen maximale Änderungsraten fest, die typischerweise als maximale relative Steigung zwischen der Fahrbahnmittellinie und der Kante ausgedrückt werden.

Methoden zur Erreichung der Superelevation

Es gibt zwei Hauptmethoden, um von der normalen Krone zur vollen Höhe überzugehen: Rotation um die Mittellinie und Rotation um den inneren Rand. Wie oben gezeigt, wird der innere Rand der Straße zum Drehpunkt gemacht, und die Krone sowie die äußere Kante werden so angehoben, dass ein voller Betrag der Höhe erreicht wird.

Die Rotation um die Mittellinie ist die gebräuchlichste Methode für geteilte Autobahnen und Fahrbahnen mit schmalen Medianen, wobei die Mittellinienprofilerhöhung bei gleichzeitigem Anheben der Außenkante und Absenken der Innenkante erhalten bleibt, die Erdarbeiten minimiert und die vertikale Ausrichtung der Fahrbahnmittellinie konstant gehalten wird.

Trotz zweier Nachteile wird dieses Verfahren begünstigt, da es keinerlei Entwässerungsprobleme mit sich bringt. Die Drehung um den Innenrand erfordert mehr Erdarbeiten, kann aber die Entwässerungsgestaltung vereinfachen, indem die Entwässerung über die gesamte Belagbreite während des Übergangs positiv bleibt.

Transition Curves und Spiral Design

Übergangskurven, typischerweise Spiralen, bewirken eine allmähliche Änderung der Krümmung zwischen Tangentenabschnitten und Kreiskurven, die den Komfort des Fahrers und die Fahrzeugstabilität verbessern, indem sie Lenkeinstellungen schrittweise statt abrupt ermöglichen.

Zweck und Vorteile von Spiral Curves

Spiralübergangskurven dienen mehreren wichtigen Funktionen bei der Gestaltung von Hochgeschwindigkeitsfahrbahnen. Sie bieten dem Fahrer einen natürlichen Weg, dem er beim Ein- oder Ausfahren von Kreiskurven folgen kann, was dem Lenkverhalten entspricht, das der Fahrer natürlich anwendet. Der sich allmählich ändernde Radius einer Spirale ermöglicht eine schrittweise Zunahme der Zentrifugalkraft, wodurch das Unbehagen der Passagiere und die Instabilität des Fahrzeugs verringert werden.

Die koordinierte Änderung der Krümmung und der Querneigung schafft ein ausgewogenes Design, bei dem die Überhöhungsrate an jedem Punkt entlang der Spirale dem Kurvenradius entspricht. Diese Koordination minimiert Reibungsbedarfsschwankungen und erhöht die Gesamtsicherheit.

Bei Hochgeschwindigkeitsanlagen gewinnen Spiralübergänge zunehmend an Bedeutung. Bei Geschwindigkeiten über 50 Meilen pro Stunde werden Spiralen im Allgemeinen für alle außer den flachsten Kurven empfohlen. Die Länge der Spirale nimmt mit der Konstruktionsgeschwindigkeit zu und nimmt mit dem Kurvenradius ab, was die Notwendigkeit von graduelleren Übergängen bei höheren Geschwindigkeiten und schärferen Kurven widerspiegelt.

Spiralkurvengeometrie

Die am häufigsten verwendete Spirale im Autobahnbau ist die Clothoiden- oder Euler-Spirale, die die Eigenschaft hat, dass die Krümmung linear mit dem Abstand entlang der Spirale zunimmt. Der Radius an jedem Punkt entlang der Spirale ist umgekehrt proportional zum Abstand vom Spiralbeginn.

Die wichtigsten Parameter für die Spirallänge (Ls), den Radius der Kreiskurve (R) und den Spiralwinkel (θs) müssen ausreichen, um den Übergang in die Höhe zu ermöglichen und eine komfortable Lenkdynamik zu gewährleisten.

Die Beziehung zwischen Spirallänge und Radius wird oft durch den Spiralparameter A ausgedrückt, wobei A2 = R × Ls ist. Dieser Parameter trägt dazu bei, eine konsistente Spiralgeometrie über verschiedene Kurvenradien hinweg zu gewährleisten. Größere Spiralparameter zeigen graduellere Übergänge an, die für Anlagen mit höherer Geschwindigkeit geeignet sind.

Anforderungen an die Sichtweite

Die Sichtweite ist die für den sicheren Betrieb entscheidende Entfernung, die ein Fahrer voraussehen kann. Angemessene Sichtweite ermöglicht es dem Fahrer, Fahrbahnzustände, andere Fahrzeuge und mögliche Gefahren wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Hochgeschwindigkeitsstraßen erfordern aufgrund erhöhter Haltewege und reduzierter verfügbarer Reaktionszeit wesentlich größere Sichtweiten als Einrichtungen mit niedrigerer Geschwindigkeit.

Arten von Sight Distance

Die Sichtweite ist die Länge der Autobahn, die vor dem Fahrer sichtbar ist. Bei der Autobahngestaltung gibt es vier Arten von Sichtweiten. Dazu gehören die Sichtweite beim Anhalten, die Sichtweite bei der Entscheidung, die Sichtweite beim Überqueren und die Sichtweite bei der Kreuzung. Jeder Typ dient einem bestimmten Zweck bei der Straßengestaltung.

Die größte Voraussetzung ist der Haltesehnenabstand (SSD), der erforderlich ist, damit der Fahrer ein Objekt auf der Fahrbahn wahrnehmen, mit Bremsen reagieren und das Fahrzeug vor dem Erreichen des Objekts vollständig zum Stillstand bringen kann.

Die Formel für das Stoppen des Sehabstands lautet: SSD = 0,278Vt + V2/(254(f ± G)), wobei V die Konstruktionsgeschwindigkeit in km/h, t die Wahrnehmungs-Reaktionszeit in Sekunden, f der Reibungskoeffizient für das Bremsen und G die Fahrbahngraduierung (positiv für Upgrades, negativ für Downgrades) ist.

Bei einer bauartbedingten Geschwindigkeit von 110 km/h in ebenem Gelände mit Standardannahmen (t = 2,5 Sekunden, f = 0,35): SSD = 0,278(110)(2.5) + (110)2/(254 × 0,35) = 76,5 + 136,1 = 212,6 Meter (ca. 698 Fuß).

Die Entscheidungssichtweite bietet für komplexe Entscheidungssituationen eine zusätzliche Länge, die über die Anhaltesichtweite hinausgeht. Diese Orte umfassen Knotenpunkte, Hauptkreuzungen und Bereiche mit komplexen visuellen Informationen. Die Entscheidungssichtweite kann je nach Komplexität der erforderlichen Entscheidung 1,5 bis 2,5 Mal größer sein als die Anhaltesichtweite.

Sichtweite auf horizontalen Kurven

Horizontale Kurven können den Sichtabstand einschränken, wenn Objekte wie geschnittene Hänge, Gebäude oder Vegetation die Sichtlinie des Fahrers im Inneren der Kurve versperren. Der erforderliche horizontale Sichtlinienversatz (HSO) hängt vom Kurvenradius, der Anforderung des Sichtabstands und der Lage der Hindernisse ab.

Für einen gegebenen Kurvenradius R und einen erforderlichen Sichtabstand S kann der mittlere Ordinatenabstand M (der senkrechte Abstand von der Kurve zur Sehne) berechnet werden, der den Mindestabstand darstellt, der von der Mittellinie der Innenspur benötigt wird, um einen ausreichenden Sichtabstand zu gewährleisten.

Die Formel für die mittlere Ordinate ist: M = R(1 - cos(28,65S/R)), wobei S die erforderliche Sichtweite und R der Kurvenradius ist, beide in den gleichen Einheiten. Für lange Sichtweiten relativ zum Kurvenradius ist eine vereinfachte Näherung: M ≈ S2/(8R).

Die Beibehaltung eines angemessenen Sichtabstands auf horizontalen Kurven kann eine Abflachung der Kurvenradien, eine Räumung der Vegetation oder eine Anpassung der Schnittneigung erfordern.

Sichtweite auf vertikalen Kurven

Vertikale Kurven sind Kurven in der vertikalen Ebene, die die Sicherheit und den Komfort von Gleisen beeinträchtigen. Vertikale Kurven verbinden Fahrbahnen und müssen so ausgelegt sein, dass sie einen ausreichenden Sichtabstand über den Kurvenbergen und einen ausreichenden Lichtausleuchtungsabstand auf den Kurvenhängen gewährleisten.

Für wackelförmige Kurven hängt die erforderliche Kurvenlänge von der algebraischen Differenz in den Klassen (A) und der erforderlichen Sichtweite (S) ab. Wenn die Sichtweite kleiner als die Kurvenlänge (S < L) ist, lautet die Formel: L = AS2/(200(h1^0,5 + h2^0,5)2), wobei h1 die Höhe des Fahrerauges (normalerweise 1,08 Meter oder 3,5 Fuß) und h2 die Objekthöhe (normalerweise 0,60 Meter oder 2,0 Fuß) ist.

Für das Anhalten der Sehdistanz mit Standard-Augen- und Objekthöhen vereinfacht sich dies zu: L = AS2/658 (bei Verwendung von metrischen Einheiten mit S in Metern) oder L = AS2/2,158 (bei Verwendung von US-üblichen Einheiten mit S in Fuß).

Vertikale Schmalzkurven müssen bei Nachtlichteinstrahlung der Fahrbahn einen ausreichenden Sichtabstand bieten. Die erforderliche Kurvenlänge für Absinkkurven ist im Allgemeinen geringer als für Kammkurven mit ähnlichen Steigungsänderungen, wobei jedoch die Konstruktion unter Umständen auf Entwässerungs- und Komfortaspekte des Fahrers ausgerichtet ist.

Vertikale Ausrichtungsbetrachtungen

Die Steigung ist die Steigung der Fahrbahn, die sich auf Sicherheit, Komfort und Fahrzeugleistung auswirkt. Bei der vertikalen Ausrichtung werden die geeigneten Steigungen ausgewählt und mit vertikalen Kurven verbunden, die einen ausreichenden Sichtabstand und einen ausreichenden Komfort für den Fahrer gewährleisten.

Maximale und minimale Noten

Die maximalen Steigungen für Hochgeschwindigkeitsanlagen hängen von der Konstruktionsgeschwindigkeit, dem Gelände und der funktionalen Klassifizierung ab. Autobahnen und Schnellstraßen begrenzen die maximalen Steigungen in der Regel auf 3% bis 5% im ebenen und rollenden Gelände, wobei steilere Steigungen (bis zu 6% oder 7%) in bergigem Gelände zulässig sind. Diese relativ flachen Steigungen tragen dazu bei, die Fahrzeuggeschwindigkeiten konstant zu halten und die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Pkw und schweren Lastkraftwagen zu minimieren.

Mindestgraden sind in erster Linie eine Entwässerung. Auf gebremsten Fahrbahnen ist typischerweise eine Mindestgradation von 0,5 % erforderlich, um eine positive Entwässerung zu gewährleisten. Auf ungebremsten Fahrbahnen mit ausreichender Querneigung kann die Profilgradation eine Höhe (0 %) aufweisen, da Querneigung eine Entwässerung ermöglicht.

Notenbrüche (Stufenwechsel) sollten bei Hochgeschwindigkeitsanlagen minimiert werden. Häufige Notenwechsel erhöhen die Arbeitsbelastung des Fahrers und können zu Einschränkungen des Sichtabstands führen. Sind Notenwechsel erforderlich, müssen vertikale Kurven vorgesehen sein, um einen reibungslosen Übergang und einen ausreichenden Sichtabstand zu gewährleisten.

Kritische Länge des Grades

Langanhaltende Steigungen können die Geschwindigkeiten von Lastkraftwagen erheblich verringern und Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Personenkraftwagen und schweren Fahrzeugen verursachen.

Kritische Länge der Steigung ist die maximale Länge einer bestimmten Aufrüstung, auf der ein beladener LKW ohne unangemessene Geschwindigkeitsreduzierung fahren kann, wobei diese Länge mit der Steigung und der Eintrittsgeschwindigkeit von LKW variiert, beispielsweise könnte eine 3%-Klasse eine kritische Länge von 1.500 Metern haben, während eine 5%-Klasse eine kritische Länge von nur 500 Metern haben könnte.

Wenn die Noten die kritische Länge überschreiten, sollten die Konstrukteure erwägen, Kletterspuren für langsam fahrende Fahrzeuge bereitzustellen, die es ermöglichen, dass schnellere Fahrzeuge LKW passieren, ohne auf die gegenüberliegende Fahrspur zu gelangen, was die Sicherheit erhöht und die Verkehrsflusseffizienz aufrechterhält.

Koordination horizontaler und vertikaler Ausrichtung

Die Beziehung zwischen horizontaler und vertikaler Ausrichtung beeinflusst die Fahrbahnästhetik, den Fahrerkomfort und die Sicherheit erheblich. Eine schlechte Koordination kann zu unerwarteten Sichtabstandsbeschränkungen, unangenehmer Fahrdynamik und erhöhtem Crashrisiko führen.

Allgemeine Koordinierungsgrundsätze

Horizontale und vertikale Ausrichtungen sollten koordiniert werden, um eine konsistente, vorhersehbare Fahrbahn zu schaffen, die in der Landschaft natürlich erscheint. Scharfe horizontale Kurven sollten nicht an oder in der Nähe des Kamms von vertikalen Kurven platziert werden, da diese Kombination den Sichtabstand einschränkt und einen unerwarteten Zustand für den Fahrer schafft.

Lange Tangentenabschnitte in horizontaler Ausrichtung sollten mit sanften vertikalen Kurven statt scharfen Bruchlinien gebrochen werden. Diese Koordination schafft eine ästhetisch ansprechendere Fahrbahn und verringert die Ermüdung des Fahrers. Umgekehrt sollten lange Tangentenabschnitte in vertikaler Ausrichtung sanfte horizontale Kurven enthalten, um die Aufmerksamkeit des Fahrers aufrechtzuerhalten und visuelles Interesse zu wecken.

Horizontale Kurven sollten im Allgemeinen länger sein als vertikale Kurven, um das Auftreten von Knicken oder gebrochenen Kurven zu vermeiden; wenn sich vertikale und horizontale Kurven überschneiden, sollten sie ähnliche Längen haben und ihre Krümmungspunkte sollten so koordiniert sein, dass eine glatte, fließende Ausrichtung entsteht.

Dreidimensionales Ausrichtungsdesign

Modernes Straßendesign verwendet zunehmend dreidimensionale Visualisierungswerkzeuge, um die Ausrichtungskoordination zu bewerten. Diese Werkzeuge ermöglichen es Designern, die Sicht des Fahrers auf die Fahrbahn zu simulieren, mögliche Sichtabstandsbeschränkungen, verwirrende visuelle Hinweise oder unangenehme geometrische Kombinationen vor dem Bau zu identifizieren.

Dreidimensionales Design betrachtet die Fahrbahn als eine Raumkurve und nicht als separate horizontale und vertikale Ausrichtungen. Dieser Ansatz ermöglicht die Optimierung von Erdarbeiten, verbessertes Entwässerungsdesign und verbesserte ästhetische Qualität. Computergestützte Designsoftware kann perspektivische Ansichten, Durchfahrtssimulationen und quantitative Messungen der Ausrichtungsqualität erzeugen.

Querschnittsgestaltungselemente

Der Fahrbahnquerschnitt umfasst alle Elemente senkrecht zur Fahrbahnmittellinie, einschließlich Fahrspuren, Schultern, Mittellinien und Seitenschrägen. Eine geeignete Querschnittsgestaltung ist für die Aufnahme von Verkehrsaufkommen, die Bereitstellung von Erholungsbereichen für fehlerhafte Fahrzeuge und die Steuerung der Entwässerung von wesentlicher Bedeutung.

Lane Breite Überlegungen

Die Fahrspurbreite ist die Breite einer Fahrspur, die sich auf Kapazität, Sicherheit und Komfort auswirkt. Hochgeschwindigkeitsanlagen verwenden typischerweise Fahrspurbreiten von 3 Metern, um für große Fahrzeuge einen ausreichenden seitlichen Abstand zu gewährleisten und den Komfort des Fahrers bei hohen Geschwindigkeiten zu verbessern. Schmalere Fahrspuren können bei niedrigeren Geschwindigkeiten oder in eingeschränkten städtischen Umgebungen akzeptabel sein, aber Fahrspurbreiten unter 11 Fuß werden im Allgemeinen nicht für Hochgeschwindigkeitsstraßen empfohlen.

Breitere Fahrspuren bieten mehrere Vorteile, darunter eine erhöhte Kapazität, reduzierte Crashraten und einen verbesserten Fahrerkomfort, jedoch können zu breite Fahrspuren höhere Geschwindigkeiten fördern und die Bau- und Wartungskosten erhöhen. Bei der Wahl der Fahrspurbreite sollten die Verkehrszusammensetzung, die Auslegungsgeschwindigkeit und das Vorhandensein benachbarter fester Objekte berücksichtigt werden.

Schulterdesign

Schulterbreite ist die Schulterbreite, die einen Sicherheitsrand und einen Nothaltbereich bietet; Schultern dienen mehreren kritischen Funktionen, einschließlich der Bereitstellung von Raum für behinderte Fahrzeuge, des Zugangs von Notfahrzeugen, des seitlichen Abstands von festen Gegenständen und der strukturellen Unterstützung des Straßenbelagrandes.

Hochgeschwindigkeitsanlagen erfordern typischerweise Schultern von 8 bis 12 Fuß (2,4 bis 3,6 Meter) auf der rechten Seite und 4 bis 10 Fuß (1.2 bis 3,0 Meter) auf der linken Seite geteilter Fahrbahnen. Breitere Schultern korrelieren mit reduzierten Crashraten und verbesserten Verkehrsbetrieben. Gepflasterte Schultern sind für Hochgeschwindigkeitsanlagen unerlässlich, um stabile Oberflächen für Notstopps zu bieten und die Straßenbelagstruktur zu unterstützen.

Wenn Bordsteine auf Landstraßen mit hoher Geschwindigkeit eingesetzt werden, müssen sie sich außerhalb des Randes der Nutzschulter befinden. Es empfiehlt sich, Bordsteine, die entlang des Außenrandes der Nutzschulter einer Hochgeschwindigkeitsanlage verwendet werden, vom Typ der montierbaren Bordsteine zu verwenden, die auf eine Höhe von 4 Zoll begrenzt sind. Diese Führung erkennt an, dass Bordsteine Gefahren für fehlerhafte Fahrzeuge bei hohen Geschwindigkeiten verursachen können.

Medianes Design

Mediane sind der Bereich zwischen den entgegengesetzten Verkehrsrichtungen, der für Trennung und Sicherheit sorgt; Mediane auf Hochgeschwindigkeitsanlagen dienen der Trennung von den entgegengesetzten Verkehrsströmen, bieten Erholungsraum für irrende Fahrzeuge, schaffen Raum für zukünftige Erweiterungen und beherbergen Entwässerungsanlagen und Verkehrsleitgeräte.

Schmale Mediane (4 bis 10 Fuß) können an eingeschränkten Stellen verwendet werden, erfordern jedoch typischerweise mediane Barrieren. Breite Mediane (40 bis 80 Fuß oder mehr) bieten einen erheblichen Trennungs- und Erholungsraum ohne Barrieren, obwohl sie mehr Vorfahrt erfordern und die Baukosten erhöhen können.

Die Barrierenauswahl hängt von der mittleren Breite, dem Verkehrsaufkommen und der Geschwindigkeit sowie der Crash-Historie ab. Betonbarrieren, Kabelbarrieren und Strahlschutzsysteme bieten unterschiedliche Leistungsmerkmale in Bezug auf Eindämmung, Ablenkung und Wartungsanforderungen.

Designstandards und Flexibilität

Titel 23 USC 109 sieht vor, dass Design-Standards für Projekte auf dem National Highway System (NHS) müssen vom Sekretär des US-Verkehrsministeriums in Zusammenarbeit mit den State Highway Departments genehmigt werden.

AASHTO Green Book Framework

AASHTO sagte, die neueste Ausgabe des "Green Book" präsentiert ein aktualisiertes Framework für geometrisches Design, das flexibler, multimodaler und leistungsbasierter ist als in der Vergangenheit - und bietet Anleitung für Ingenieure und Designer, die sich bemühen, einzigartige Designlösungen zu entwickeln, die die Bedürfnisse aller Autobahn- und Straßenbenutzer auf Projektbasis erfüllen.

Der leistungsbasierte Ansatz betont das Erreichen der gewünschten Sicherheits- und Betriebsergebnisse und nicht nur die Einhaltung vorgeschriebener Standards. Darüber hinaus gelten für die Zwecke der Festlegung geometrischer Entwurfskriterien bei der Anwendung des Grünbuchs 2018 umfassende Straßenersatzprojekte, die bestehende Geometrien beibehalten, nicht als "Änderung des grundlegenden Straßentyps". Das Grünbuch 2018 bevorzugt einen leistungsbasierten Ansatz für die Berücksichtigung der Auswirkungen geometrischer Entwurfsentscheidungen. Bei einem leistungsbasierten Entwurfsansatz sollte der Umfang geometrischer Verbesserungen für Projekte auf bestehenden Straßen, die den bestehenden grundlegenden Straßentyp beibehalten, von der früheren Sicherheits- und Betriebsleistung und der prognostizierten zukünftigen Leistung für alle Verkehrsträger bestimmt werden.

Design Ausnahmen und Flexibilität

Kritische Konstruktionselemente, die nicht den AASHTO-Normen entsprechen, erfordern eine genehmigte Konstruktionsausnahme: Konstruktionsgeschwindigkeit, Fahrspurbreite, Schulterbreite, Brückenbreite, Baukapazität, vertikaler Abstand, horizontale Ausrichtung, vertikale Ausrichtung, Abstand der Haltesehnen, Querneigung, Höhe, Lebensdauer und Noten.

Ausnahmen von der Auslegung stellen einen formalen Prozess zur Dokumentation von Situationen dar, in denen die Erfüllung von Standardkriterien nicht machbar oder kosteneffektiv ist; der Ausnahmeprozess erfordert die Dokumentation der Entwurfsentscheidung, die Prüfung von Alternativen und die Bewertung der Sicherheits- und Betriebsauswirkungen; dieser Prozess stellt sicher, dass Abweichungen von Normen sorgfältig geprüft und gerechtfertigt werden und nicht willkürlich sind.

Die jüngsten nationalen Untersuchungen haben zu einem besseren Verständnis der Beziehung zwischen geometrischen Konstruktionsmerkmalen und der Crashhäufigkeit und -schwere geführt. Um die Effizienz der Entwicklung von RRR-Projekten auf bestehenden Autobahnen zu verbessern, erlaubt diese endgültige Regel den staatlichen DOTs, Verfahren oder Entwurfskriterien anzunehmen, die von der FHWA genehmigt wurden und es dem Staat ermöglichen, RRR-Projekte auf Autobahnen, einschließlich Autobahnen, durchzuführen, ohne auf Konstruktionsausnahmen zurückzugreifen, solange die RRR-Verfahren oder -Kriterien erfüllt sind.

Praktische Designüberlegungen

Über die technischen Berechnungen und Standards hinaus erfordert eine erfolgreiche Hochgeschwindigkeits-Fahrbahngestaltung die Berücksichtigung praktischer Faktoren wie Baubarkeit, Wartung, Umweltauswirkungen und Wirtschaftlichkeit.

Terrain und Earthwork

Geländeeigenschaften beeinflussen die geometrischen Designentscheidungen erheblich. Niveaugelände ermöglicht eine relativ uneingeschränkte horizontale und vertikale Ausrichtung, so dass die Konstrukteure die Designstandards mit minimalen Erdarbeiten erfüllen oder übertreffen können. Rollendes Gelände führt moderate Einschränkungen ein, die ein Ausgleichen von Schnitt- und Füllvolumen erfordern, während akzeptable Steigungen und Kurvenradien beibehalten werden. Bergiges Gelände stellt strenge Einschränkungen dar, die oft Designausnahmen erfordern und sorgfältige Optimierung der Ausrichtung, um die Kosten für Erdarbeiten zu minimieren.

Die moderne Konstruktionspraxis betont die Balancierung von Schnitt- und Füllvolumen, um die Transportwege und Entsorgungskosten zu minimieren. Eine dreidimensionale Konstruktionssoftware ermöglicht eine präzise Berechnung der Erdbaumengen und die Optimierung der vertikalen Ausrichtung, um eine ausgewogene Erdbauarbeit zu erreichen. Umweltaspekte können die Entsorgungsstellen einschränken oder einen besonderen Umgang mit Aushubstoffen erfordern, was die Erdbauplanung weiter erschwert.

Entwässerungsintegration

Die Entwässerungsplanung muss vollständig mit der geometrischen Konstruktion integriert sein, um die Leistung und Sicherheit des Straßenbelags langfristig zu gewährleisten. Straßenränder und Querneigungen müssen eine positive Entwässerung ermöglichen, um Teiche zu verhindern, die zu einer hydroplaning und beschleunigten Verschlechterung des Straßenbelags führen können. Vertikale Kurven müssen so ausgelegt sein, dass keine Entwässerungstiefpunkte an unerwünschten Stellen entstehen.

Übergänge in der Höhe verursachen besondere Herausforderungen bei der Entwässerung, da Teile der Fahrbahn vorübergehend ungünstige Querschrägen oder flache Abschnitte aufweisen können. Designer müssen diese Orte sorgfältig bewerten, um eine ausreichende Entwässerung durch sorgfältige Beschaffenheit, zusätzliche Eingänge oder modifizierte Übergangslängen zu gewährleisten.

Umwelt- und Kontextsensibilität

Zeitgenössisches Straßendesign legt zunehmend Wert auf Umweltverantwortung und kontextsensitive Lösungen. Die Auswahl der Ausrichtung sollte die Auswirkungen auf Feuchtgebiete, Bäche, historische Eigenschaften und andere sensible Ressourcen minimieren. Geometrische Designentscheidungen beeinflussen den Fußabdruck der Fahrbahn und damit das Ausmaß der Umweltauswirkungen.

Flachere horizontale Kurven und längere Sichtabstände erfordern größere klare Zonen und können die Anforderungen an Vorfahrten und Umweltauswirkungen erhöhen. Konstrukteure müssen Sicherheits- und Betriebsvorteile gegen Umweltkosten abwägen und nach Lösungen suchen, die die Projektziele erfüllen und gleichzeitig die negativen Auswirkungen minimieren.

Aufkommende Technologien und zukünftige Richtungen

Fortschritte in der Fahrzeugtechnik und Verkehrsleitsystemen beeinflussen die geometrische Konstruktionspraxis. Vernetzte und automatisierte Fahrzeuge können eventuell zu einer Verringerung des Fahrzeugabstands, zu einer Verengung der Fahrspuren oder zu einer Änderung der Anforderungen an den Sichtabstand führen, müssen jedoch in absehbarer Zeit der vorhandenen Fahrzeugflotte und der Fahrerpopulation Rechnung tragen.

Integration intelligenter Verkehrssysteme

Intelligente Transportsysteme (IVS) können die Leistung des geometrischen Entwurfs verbessern, indem sie dem Fahrer Echtzeitinformationen zur Verfügung stellen, den Verkehrsfluss steuern und auf Vorfälle reagieren. Variable Geschwindigkeitsbegrenzungen können die Betriebsgeschwindigkeiten an die Bedingungen anpassen, was in einigen Situationen möglicherweise aggressivere geometrische Gestaltung ermöglicht. Das geometrische Design sollte jedoch nicht auf IVS-Betrieb beruhen, da diese Systeme möglicherweise nicht immer wie vorgesehen funktionieren.

Design für alle Benutzer

Während Hochgeschwindigkeitsstraßen in erster Linie dem motorisierten Verkehr dienen, können Bestimmungen für Fußgänger, Radfahrer und Transit in einigen Kontexten angemessen sein. Komplette Straßenprinzipien fördern die Berücksichtigung aller Benutzer im Designprozess, obwohl die Anwendung dieser Prinzipien mit der funktionalen Klassifizierung und dem Kontext variiert.

Qualitätskontrolle und Design Review

Die Gewährleistung der Entwurfsqualität erfordert systematische Überprüfungsprozesse und Qualitätskontrollmaßnahmen. Entwurfsberechnungen sollten unabhängig auf ihre Richtigkeit hin überprüft werden. Dreidimensionale Modelle sollten auf die Koordination zwischen horizontaler und vertikaler Ausrichtung, angemessene Sichtweite und geeignete Übergänge in der Höhe überprüft werden.

Durch Peer-Reviews erfahrener Konstrukteure können mögliche Probleme identifiziert und Verbesserungen vor dem Bau vorgeschlagen werden. Durch Bauprüfungen unter Beteiligung von Bauunternehmern und Bauingenieuren können praktische Herausforderungen im Bauwesen und Möglichkeiten für Kosteneinsparungen ermittelt werden. Wertorientierte Studien können alternative Ansätze aufzeigen, die gleichwertige oder überlegene Leistungen zu geringeren Kosten bieten.

Schlussfolgerung

Die Gestaltung geometrischer Merkmale für Hochgeschwindigkeitsstraßen erfordert ein umfassendes Verständnis der Fahrzeugdynamik, des Fahrerverhaltens, der Designstandards und der praktischen Einschränkungen. Die grundlegenden Elemente - horizontale Kurven, Überhöhung, Sichtweite und vertikale Ausrichtung - müssen zusammenarbeiten, um sichere, effiziente und komfortable Fahrbahnen zu schaffen.

Der Erfolg hängt von der sorgfältigen Anwendung der festgelegten Gestaltungsprinzipien, einer gründlichen Analyse der standortspezifischen Bedingungen und einer sorgfältigen Berücksichtigung von Kompromissen zwischen konkurrierenden Zielen ab. Während Gestaltungsstandards wichtige Leitlinien bieten, bleibt ein professionelles Urteilsvermögen bei der Anpassung allgemeiner Prinzipien an spezifische Situationen von entscheidender Bedeutung.

Mit der Weiterentwicklung der Verkehrstechnologie und der Verschiebung der gesellschaftlichen Prioritäten wird sich die geometrische Entwurfspraxis weiter anpassen. Die grundlegende Physik, die die Fahrzeugbewegung und die Grundprinzipien der sicheren Straßengestaltung regelt, wird jedoch weiterhin relevant bleiben. Ingenieure müssen mit den sich entwickelnden Standards und der Forschung auf dem neuesten Stand bleiben und sich dabei auf das Hauptziel konzentrieren: die Schaffung von Straßen, die den Nutzern in den kommenden Jahrzehnten sicher und effizient dienen.

Für weitere Informationen zu geometrischen Designstandards und Best Practices konsultieren Sie die AASHTO Policy on Geometric Design of Highways and Streets und die Federal Highway Administration Ressourcen. Professionelle Entwicklung durch Organisationen wie die American Association of State Highway and Transportation Officials und Weiterbildungsprogramme helfen Designern, mit sich entwickelnden Praktiken auf dem Laufenden zu bleiben. Das FHWA Office of Safety bietet wertvolle Forschung und Anleitung zu sicherheitsrelevanten geometrischen Designfragen, während das Transportation Research Board innovative Forschung zu allen Aspekten der Autobahngestaltung und -operationen veröffentlicht.