Table of Contents

Superelevation, ook bekend als wegbanking of cant, is een kritisch ontwerpelement in snelweg- en transporttechniek dat het wegdek kantelen bij horizontale bochten. Dit bankeffect helpt voertuigen navigeren bochten veilig en comfortabel door het tegengaan van centrifugale krachten die voertuigen duwen naar buiten tijdens het draaien manoeuvres. Een goede superelevatie ontwerp is essentieel voor het verminderen van het risico van skiën, rollover ongevallen, en bestuurder ongemak, terwijl ook het verbeteren van de algehele veiligheid van de weg en de operationele efficiëntie. Deze uitgebreide gids onderzoekt de fundamentele principes, berekeningsmethoden, ontwerpnormen en praktische toepassingen van superelevation in moderne wegenbouw.

De fundamentele beginselen van de superelevatie begrijpen

Wanneer een voertuig over een gebogen pad reist, ervaart het centrifugale kracht die het naar de buitenkant van de curve duwt. Zonder de juiste tegenmaatregelen, kan deze zijdelingse kracht ervoor zorgen dat voertuigen naar buiten slippen, vooral bij hogere snelheden of op bochten met kleinere radii. Superelevation pakt deze uitdaging aan door het wegoppervlak te kantelen, waardoor een bankhoek ontstaat die gravitatiekrachten helpt omleiden om het centrifugale effect tegen te gaan.

Het concept van superelevatie wordt gebruikt in het transport ontwerp voor meer dan een eeuw, met toepassingen variërend van spoorbanen tot moderne snelwegen en racebanen. Het primaire doel is om een evenwicht te creëren tussen de innerlijke component van het voertuig gewicht (door het bankieren) en de externe centrifugale kracht, waardoor voertuigen om bochten navigeren met minimale afhankelijkheid van banden-ruimte wrijving alleen.

Doeltreffende superlift ontwerp moet rekening houden met meerdere factoren, waaronder ontwerpsnelheid, curve radius, voertuigkenmerken, bestrating wrijving, klimaatomstandigheden, en bestuurdersgedrag. Het ontwerpproces vereist zorgvuldig rekening met deze variabelen om een optimale balans tussen veiligheid, comfort en praktische bouwbeperkingen te bereiken.

De natuurkunde achter Superelevation Design

Om superelevatie berekeningen te begrijpen, is het essentieel om de onderliggende fysica te begrijpen. Wanneer een voertuig met een constante snelheid door een horizontale bocht rijdt, ervaart het een acceleratie van de centripetaal richting het midden van de curve. Deze versnelling is noodzakelijk om de richting van het voertuig te veranderen en wordt geleverd door een combinatie van twee krachten: de zijdelingse wrijving tussen de banden en de bestrating, en het horizontale onderdeel van de normale kracht die voortvloeit uit de gekante galerijen oppervlak.

Krachten die handelen op een voertuig in een bocht

Verschillende krachten werken op een voertuig dat een superverheven bocht navigeert. Het gewicht van het voertuig werkt verticaal naar beneden door de zwaartekracht. Op een geplaveid oppervlak kan dit gewicht worden opgelost in twee componenten: een loodrecht op het wegdek (normaal onderdeel) en een parallel aan het oppervlak (tangentiële component). Het tangentiële onderdeel werkt langs de helling van de superlift, waardoor het voertuig naar de binnenkant van de curve wordt getrokken.

De centrifugale kracht, die eigenlijk een pseudo-kracht ervaren in het roterende referentieframe van het voertuig, lijkt het voertuig naar buiten te duwen van de curve. In werkelijkheid, de traagheid van het voertuig veroorzaakt het willen blijven in een rechte lijn, en het gebogen pad vereist een netto inkomende kracht. De wrijvingskracht tussen de banden en bestrating kan zowel naar binnen als naar buiten, afhankelijk van de vraag of het voertuig sneller of langzamer dan het evenwicht snelheid voor de gegeven superhoogte.

Gelijkrichtsnelheid en zijfrictie

Voor elke combinatie van superhoogte en curvestraal bestaat er een evenwichtssnelheid waarbij een voertuig de curve kan navigeren zonder dat er op zijwaartse wrijving wordt vertrouwd. Bij deze snelheid balanceert het horizontale onderdeel van de normale kracht precies de vereiste centripetale kracht. Wanneer voertuigen sneller dan de evenwichtssnelheid rijden, moet zijfrictie naar binnen werken om te voorkomen dat ze naar buiten afslipt. Omgekeerd moet bij langzamer dan evenwichtssnelheid wrijving naar buiten werken om te voorkomen dat het voertuig naar beneden glijdt naar de binnenkant van de curve.

De zijfrictiefactor vertegenwoordigt de verhouding van de zijdelingse wrijvingskracht tot de normale kracht tussen de banden en bestrating. Deze factor is afhankelijk van tal van variabelen, waaronder bestratingsoppervlak kenmerken, band conditie, weersomstandigheden, en voertuigsnelheid. Ontwerpnormen meestal maximale zijfrictie factoren die veilig kunnen worden vertrouwd op, met waarden afnemen als ontwerpsnelheid stijgt rekening houdend met verminderde band-pavement interactie bij hogere snelheden.

Berekeningsmethoden en formules voor superheffing

De fundamentele vergelijking voor superhoogte ontwerp betreft de superhoogte, zij wrijvingsfactor, ontwerpsnelheid en curve radius. Deze relatie is afgeleid van het evenwicht van krachten die werken op een voertuig reizen door een horizontale curve.

De basis-superhoogtevergelijking

De primaire formule die wordt gebruikt in superhoogte ontwerp is:

e + f = V2 / (g × R)

waarbij:

  • e = Superelevatiepercentage (uitgedrukt als decimaal, zoals 0,06 voor 6%)
  • f = Zijfrictiefactor (dimensieloos)
  • V = ontwerpsnelheid (in meter per seconde of voet per seconde)
  • g = versnelling door zwaartekracht (9,81 m/s2 of 32,2 ft/s2)
  • R = Straal van de horizontale curve (in meter of voet)

Deze vergelijking kan worden herschikt om voor een van de variabelen op te lossen, afhankelijk van de ontwerpbeperkingen. In de meeste praktische toepassingen, de ontwerpsnelheid en curve radius zijn bekend of vooraf bepaald, en de vergelijking wordt gebruikt om de vereiste superhoogte te bepalen.

Alternatieve formules voor verschillende unitsystemen

Bij het werken met metrische eenheden en de ontwerpsnelheid uitgedrukt in kilometer per uur, kan de formule worden herschreven als:

e + f = V2 / (127 × R)

Waar V zich in km/h bevindt en R in meter. De constante 127 is het resultaat van de eenheidsomzetting en de zwaartekrachtversnelling (127 ≈ 3,62 × 9,81).

Voor het keizerlijke systeem met snelheid in mijlen per uur en radius in voeten, wordt de formule:

e + f = V2 / (15 × R)

Wanneer V in mph en R in voeten is. De constante 15 is verantwoordelijk voor de juiste eenheidsconversie (15 ≈ 1.4672 × 32.2).

Bepalen van de hoogte van de superhoogte

Om de vereiste superhoogte voor een specifieke curve te berekenen, wordt de vergelijking herschikt als:

e = (V2 / (g × R)) - f

De zijfrictiefactor (f) wordt meestal verkregen uit ontwerptabellen of grafieken die maximale waarden op basis van ontwerpsnelheid specificeren. Deze waarden vertegenwoordigen de maximale wrijving die veilig kan worden gebruikt onder verschillende omstandigheden. Door gebruik te maken van de maximaal toelaatbare wrijvingsfactor, kunnen ontwerpers de minimale vereiste superheffen berekenen. Echter, ontwerppraktijk houdt vaak in dat de laterale krachtvraag wordt verdeeld tussen superheffen en wrijving op een meer evenwichtige manier, in plaats van het maximaliseren van wrijvingsgebruik.

Minimumstraalberekeningen

De superelevatievergelijking kan ook worden gebruikt om de minimale straal voor een gegeven ontwerpsnelheid te bepalen wanneer maximale superlift- en wrijvingswaarden worden toegepast:

Rmin = V2 / (g × (emax + fmax)]

Deze berekening is van cruciaal belang tijdens de voorbereidende ontwerpfase om ervoor te zorgen dat de voorgestelde horizontale uitlijningen de ontwerpsnelheid met aanvaardbare superhoogtesnelheden kunnen aanpassen. Curves met een radiaal kleiner dan de minimumwaarde zouden ofwel lagere ontwerpsnelheden of superhoogtesnelheden boven praktische grenzen vereisen.

Ontwerpnormen en richtlijnen voor superheffing

Verschillende organisaties en transportbureaus hebben uitgebreide normen en richtlijnen voor superlift ontwerp opgesteld. Deze normen bieden gedetailleerde procedures, tabellen en grafieken om ingenieurs te helpen bij het bepalen van passende superlift tarieven voor verschillende wegen classificaties en ontwerpvoorwaarden.

ASHTO-richtsnoeren en -normen

De Amerikaanse Vereniging van Staatssnelweg- en Vervoersambtenaren (AASHTO) publiceert de veelgebruikte "A Policy on Geometric Design of Highways and Streets," algemeen bekend als het Green Book, die dient als de primaire referentie voor wegenontwerp in de Verenigde Staten. De AASHTO richtlijnen bieden uitgebreide procedures voor superlevation ontwerp, waaronder aanbevolen maximumsnelheden, zij-frictie factoren, en distributiemethoden.

Volgens de AASHTO-normen variëren de maximale overschrijdingspercentages doorgaans van 4% tot 12%, afhankelijk van de klimaatomstandigheden, het terrein en het type gebied (platteland of stad). In gebieden met veel ijs en sneeuw worden lagere maximumtarieven (4% tot 6%) aanbevolen om te voorkomen dat voertuigen het beschuiven van het begroeide oppervlak bij lage snelheden op gladde stoep. In gematigde klimaten met minder zwaar weer zijn maximumtarieven van 8% tot 10% gebruikelijk, terwijl sommige plattelandsgebieden in warme klimaten tarieven tot 12% kunnen gebruiken.

ASHTO biedt gedetailleerde tabellen met maximale zij-frictiefactoren voor verschillende ontwerpsnelheden. Deze waarden nemen over het algemeen af naarmate de snelheid toeneemt, wat de verminderde interactie tussen banden en banden bij hogere snelheden weerspiegelt. Bijvoorbeeld, bij een ontwerpsnelheid van 30 km/u (50 km/u), kan de maximale zij-frictiefactor 0,17, terwijl bij 70 km/u (110 km/u) worden verminderd tot 0.10.

Internationale normen voor ontwerpen

De Commissie heeft de Raad op 20 juni een voorstel voor een richtlijn voorgelegd betreffende de onderlinge aanpassing van de wetgevingen der Lid-Staten inzake het gebruik van bepaalde gevaarlijke stoffen in de weg, met name wat de gevaarlijke stoffen betreft.

De Transport Association of Canada (TAC) biedt geometrische ontwerprichtlijnen voor Canadese wegen, die vergelijkbaar zijn met de ASHTO-normen, maar aangepast zijn aan Canadese voorwaarden en praktijken. Australische normen, gepubliceerd door Austroads, en Britse normen uit het Design Manual for Roads and Bridges (DRMB) bieden vergelijkbare richtsnoeren op maat van hun respectieve contexten.

Maximale superhoogte-snelheidsselectie

De selectie van de maximale superhoogte voor een project omvat het overwegen van meerdere factoren. Klimaat is een primaire overweging, omdat ijzige of besneeuwde omstandigheden leiden tot gevaren voor voertuigen die langzaam reizen op hoge geankerde bochten. In dergelijke omstandigheden, het voertuig kan glijden naar de binnenkant van de curve als gevolg van onvoldoende wrijving om de helling te bestrijden.

Het type van de bodem beïnvloedt de keuze, waarbij bergachtige gebieden soms lagere maximumtarieven vereisen vanwege de uitdagingen van de aanleg en het behoud van steile dwarshellingen. Stedelijke versus landelijke context ook van belang is, aangezien stedelijke gebieden meestal lagere maximumtarieven gebruiken (vaak 4% tot 6%) om langzamer rijdende voertuigen, frequente stops, en de aanwezigheid van voetgangers en fietsers tegemoet te komen. Plattelandswegen, met name hoge-snelheidsvoorzieningen, kunnen hogere tarieven (8% tot 12%) gebruiken om hun primaire functie van accommoderen door het verkeer op ontwerpsnelheid beter te vervullen.

De frequentie van langzaam rijdende voertuigen is een andere overweging. Wegen die regelmatig vrachtwagens in steile klassen of landbouwuitrustingen kunnen profiteren van lagere maximale superverheffing tarieven om de moeilijkheid die deze voertuigen ervaren bij het passeren van geasfalteerde bochten bij lage snelheden te verminderen.

Verspreidingsmethoden voor superhoogte

Designstandaarden presenteren doorgaans verschillende methoden voor het verdelen van de laterale krachtvraag tussen superhoogte en zij wrijving over een reeks van curve radii.ASHTO beschrijft vijf methoden, elk met verschillende filosofieën over hoe deze twee componenten in balans te brengen.

Methode 1 omvat het gebruik van een curvilineaire verdeling die probeert een consistente relatie te behouden tussen superelevatie en wrijving over het gehele bereik van curve radii. Methode 2 maakt gebruik van superelevatie en wrijving in directe verhouding tot hun maximumwaarden. Methode 3 past een curvilineaire verdeling toe vergelijkbaar met methode 1, maar met verschillende verhouding. Methode 4 maakt gebruik van maximale superelevatie voor alle curven die meer dan een bepaalde minimumwaarde vereisen, afhankelijk van wrijving voor de rest. Methode 5 maakt gebruik van een lineaire verdeling van superelevatie tot de maximale waarde.

De keuze tussen deze methoden is afhankelijk van de ontwerpfilosofie, met sommige agentschappen die de voorkeur geven aan het maximaliseren van superelevation gebruik om het vertrouwen op wrijving te minimaliseren, terwijl anderen zoeken naar een meer evenwichtige aanpak. Methode 5 wordt vaak gebruikt vanwege de eenvoud en de relatief soepele progressie van superlevatiesnelheden produceert.

Ontwerp van de overgang naar superhoogte

De overgang van een normaal gekroonde of dwarshellingsweggedeelte naar een volledig oververheft gedeelte is een kritisch aspect van het ontwerp van de curve. Deze overgang moet geleidelijk worden bereikt om abrupte veranderingen die de bestuurder ongemak, voertuig instabiliteit, of drainage problemen kunnen veroorzaken te voorkomen.

Superelevation Runoff lengte

De superhoogte runoff is de lengte van de weg nodig om de verandering in dwarshelling van een normaal deel naar een volledig superverheven sectie te bereiken. Deze lengte is afhankelijk van verschillende factoren, waaronder ontwerpsnelheid, aantal gedraaide rijstroken, en de totale verandering in dwarshelling vereist. Hogere ontwerp snelheden vereisen langere runoff lengtes om ervoor te zorgen dat de verandering van de zijversnelling blijft binnen comfortabele grenzen voor bestuurders.

ASHTO biedt tabellen en formules voor de berekening van minimale hoogteverschillen op basis van ontwerpsnelheid en de verandering in hoogte van de bestratingsrand. Het algemene principe is dat de relatieve helling tussen de rand van bestrating en de centrale lijn (of draaias) bepaalde maximumwaarden niet mag overschrijden, meestal variërend van 0,35% tot 0,80% afhankelijk van de ontwerpsnelheid.

De minimale runoff lengte kan worden berekend met behulp van de formule:

L = (w × Δe) / Δmax

waarbij:

  • L = minimale runofflengte
  • w = breedte van één rijstrook (of afstand van draaias tot bestratingsrand)
  • Δe = Totale verandering in het percentage superliften
  • Δmax = Maximum relatieve gradiënt

Lengte van de runout van de Tangent

Voordat de superhoogte runoff begint, moet de normale kroon of dwarshelling worden verwijderd, waardoor een sectie met nul dwarshelling (vlak over de breedte) ontstaat. De lengte die voor deze overgang nodig is wordt de tangens runout genoemd. De tangens runout lengte wordt meestal berekend als de lengte die nodig is om de normale dwarshelling te verwijderen met dezelfde snelheid die wordt gebruikt voor de superhoogte runoff.

Voor een tweebaansweg met een normale kroon verwijdert de raaklijn de kroon door de buitenste rijstrook naar boven te draaien totdat de gehele dwarsbaan vlak is. Deze lengte is in het algemeen evenredig met de normale dwarshelling en volgt dezelfde relatieve hellingscriteria als de superhoogteloop.

Rotatieas

De draaias is de lengtelijn waaromheen de dwarsas van de bestrating tijdens de overgang van de superhoogte draait. De gebruikelijke opties omvatten rotatie rond de centrale lijn, de binnenrand, of de buitenrand van de afgelegde weg. De keuze beïnvloedt drainage, uiterlijk, en de verticale uitlijning van verschillende delen van de weg.

Centerline rotatie is het meest gebruikelijk voor onverdeelde snelwegen, omdat het minimaliseert veranderingen in het profiel kwaliteit en behoudt symmetrie. Voor verdeelde snelwegen, elke weg wordt meestal gedraaid over zijn eigen middenlijn of binnenrand. Binnenrand rotatie kan voordelig zijn voor scherpe bochten, omdat het minimaliseert de hoogte verandering aan de buitenkant, terwijl buitenrand rotatie kan worden gebruikt in speciale omstandigheden om drainage te controleren of overeenkomen met de bestaande omstandigheden.

Plaatsing van de overgang naar superhoogte

De ontwerpnormen geven aanwijzingen waar de superhoogteovergang ten opzichte van de curve geplaatst moet worden. In het algemeen wordt de raaklijn volledig geplaatst op het raaklijn (rechts) gedeelte dat de curve nadert, terwijl de superhoogte runoff verdeeld wordt tussen de raaklijn en de curve zelf. Een gemeenschappelijke praktijk is om ongeveer twee derde van de runoff op de raaklijn te plaatsen en een derde op de curve, hoewel dit kan variëren op basis van specifieke voorwaarden en agentschapsvoorkeuren.

De overgang moet worden voltooid voordat het punt waar volledige superverhoging nodig is, dat is meestal op of iets voor het begin van de cirkelcurve. Voor bochten met spiraalovergangen, de superverhoging runoff wordt vaak gecoördineerd met de spiraal lengte, met de volledige superverhoging bereikt aan het einde van de spiraal waar de cirkel curve begint.

Speciale overwegingen in Superelevation Design

Verschillende speciale situaties vereisen aangepaste benaderingen van superlift ontwerp, waaronder samengestelde bochten, omgekeerde bochten, lage snelheid stedelijke straten, en kruispunten.

Samengestelde en omgekeerde bochten

De samengestelde curven bestaan uit twee of meer opeenvolgende cirkelcurves in dezelfde richting met verschillende radii. Wanneer de radii aanzienlijk verschillend zijn, kan elke curve een andere superhoogte nodig hebben. De overgang tussen deze snelheden moet zorgvuldig worden ontworpen om abrupte veranderingen te voorkomen. Als het verschil in superhoogte is klein, kan een enkele tussensnelheid worden gebruikt voor beide curven om de constructie te vereenvoudigen en het comfort van de bestuurder te verbeteren.

De omgekeerde bochten, die van richting veranderen zonder een tussenliggende raaklijn, vormen bijzondere uitdagingen. De superhoogte moet overgaan van bankieren in één richting naar bankieren in de tegenovergestelde richting. Dit vereist het verwijderen van de superhoogte van de eerste curve, passerend door een vlakke of normaal gekroonde sectie, en dan het toepassen van superhoogte voor de tweede curve. De totale lengte die nodig is voor deze overgang kan aanzienlijk zijn, en ontwerpnormen meestal adviseren het verstrekken van een raaklijn tussen omgekeerde curven waar mogelijk om de overgang comfortabeler te kunnen aanpassen.

Low-Speed Urban Streets

Stedelijke straten met design snelheden onder 45 km/u (70 km/u) vaak gebruik maken van verlaagde superlift rates of kunnen een superlift helemaal weglaten op zachte bochten. Deze aanpak erkent dat stedelijke straten dienen meerdere functies buiten voertuig beweging, waaronder voetgangers toegang, on-street parkeren, en frequente opritten. Hoge superliften kunnen leiden tot moeilijkheden voor deze toepassingen en kan leiden tot drainage problemen in de stedelijke omgeving.

Voor stadscurves kunnen ontwerpers ervoor kiezen om de normale dwarshelling (typisch 2% voor drainage) te behouden in plaats van superelevatie toe te passen, volledig op zijfrictie om de noodzakelijke zijdelingse kracht te leveren. Dit is aanvaardbaar voor zachte bochten bij lage snelheden waar de wrijvingsvraag binnen veilige grenzen blijft. Wanneer superelevatie wordt gebruikt op stedelijke straten, zijn de tarieven meestal beperkt tot 4% tot 6% maximum.

Superhoogte bij intersecties

De doorsneden vormen een unieke uitdaging voor het ontwerp van superhoogtes, vooral wanneer een horizontale bocht zich in de buurt of binnen het snijvlak bevindt. De aanwezigheid van draaiende voertuigen, gestopte voertuigen en het oversteken van het verkeer bemoeilijkt de toepassing van superhoogte. Ontwerppraktijk beveelt in het algemeen aan om superhoogteovergangen binnen snijgebieden te vermijden en een constante dwarshelling door het kruispunt te handhaven, bij voorkeur de normale dwarshelling voor drainage.

Wanneer bochten onvermijdelijk zijn in de buurt van kruispunten, moet de superhoogteovergang worden voltooid voordat het kruispunt begint, of de curve moet worden ontworpen met een verminderde superhoogte die geschikt is voor de lagere snelheden die in de snijomgeving worden verwacht. Bijzondere aandacht moet worden besteed aan zichtafstand, aangezien superhoogte de zichtbaarheid van naderende voertuigen en verkeersvoorzieningen kan beïnvloeden.

Verdeelde snelwegen en multibaanfaciliteiten

De wegen met gescheiden rijwegen vereisen speciale aandacht bij het ontwerp van een superhoogte. Elke weg wordt doorgaans onafhankelijk van elkaar verhoogd, wat kan leiden tot verschillende profielgraden voor de twee richtingen, met name bij scherpe bochten. De mediane breedte kan variëren door de bocht, aangezien de twee wegen onder verschillende hoeken worden gekanteld.

Voor multibaanfaciliteiten worden alle rijstroken in dezelfde richting meestal als één enkel vlak samengedraaid, waarbij een constante dwarshelling over alle rijstroken wordt gehandhaafd. Deze aanpak vereenvoudigt de constructie en biedt consistente omstandigheden voor bestuurders in alle rijstroken. Zeer brede rijstroken kunnen echter speciale behandeling vereisen, zoals het draaien van verschillende delen over verschillende assen om het totale hoogteverschil over de breedte van de weg te beperken.

Praktische voorbeelden en casestudies

Het onderzoeken van praktische voorbeelden helpt de toepassing van superelevatie ontwerp principes en berekeningen in real-world scenario's illustreren.

Voorbeeld 1: Rural Highway Curve Design

Beschouw een landelijke tweebaans snelweg met een ontwerpsnelheid van 100 km/h (62 km/h) en een horizontale bocht met een straal van 400 meter (1,312 voet). De maximale superhoogte voor de regio is 8% (0,08) als gevolg van af en toe winterweer. De maximale zijfrictiefactor voor deze ontwerpsnelheid is 0,11 volgens AASHTO richtlijnen.

Met de metrische formule: e + f = V2 / (127 × R)

e + f = (100) 2 / (127 × 400) = 10.000 / 50,800 = 0,197

Als we methode 5 (lineaire verdeling) gebruiken, berekenen we de superhoogte op basis van het aandeel van de scherpte van de curve ten opzichte van de minimale straal. De minimale straal voor deze ontwerpsnelheid met maximale superhoogte en wrijving zou zijn:

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

Aangezien de werkelijke straal (400 m) kleiner is dan de minimale straal (414 m), zou deze curve de maximale superhoogte van 8% vereisen.

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

Deze wrijvingsfactor (0,117) overschrijdt de maximaal toegestane waarde (0.11), wat aangeeft dat de curve te scherp is voor de ontwerpsnelheid met de beschikbare superhoogte. De ontwerper zou ofwel de curvestraal moeten verhogen, de ontwerpsnelheid moeten verlagen, of goedkeuring moeten vragen om een hogere maximale superhoogte te gebruiken indien de omstandigheden dit toelaten.

Voorbeeld 2: Urban Arteriële Bocht

Een stadsaderige straat heeft een ontwerpsnelheid van 60 km/h (37 mph) en heeft een horizontale bocht met een straal van 250 meter. De maximale superhoogte voor stedelijke gebieden in deze jurisdictie is 6% (0,06) en de maximale zijfrictiefactor bij deze snelheid is 0,15.

Met de metrische formule: e + f = V2 / (127 × R)

e + f = (60)2 / (127 × 250) = 3,600 / 31,750 = 0,113

De minimale straal voor deze ontwerpsnelheid zou zijn:

Rmin = (60)2 / (127 × (0,06 + 0,15)) = 3,600 / 26,67 = 135 meter

Aangezien de werkelijke straal (250 m) groter is dan de minimale straal (135 m), kan de curve worden ontworpen met minder dan maximale superhoogte. Met behulp van een lineaire verdelingsmethode kunnen we de juiste superhoogtesnelheid berekenen. Voor krommen vlaker dan de minimale straal, kan de superhoogte worden geproportioneerd op basis van de krommingsgraad.

Een redelijke benadering zou zijn om superhoogte op te lossen en wrijving te beperken tot een comfortabele waarde, zoals de helft van het maximum (0,075):

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

Deze superverhoging van ongeveer 4% zou een comfortabel ontwerp bieden dat niet zwaar afhankelijk is van wrijving, terwijl het ruim binnen het maximaal toegestane tarief voor stedelijke omstandigheden blijft.

Voorbeeld 3: Berekening van de overgang naar superhoogte

Voor het landelijke snelweg voorbeeld hierboven met 8% superhoogte, moeten we de transitie lengtes berekenen. Stel een tweebaans snelweg met 3,6-meter (12-voets) rijstroken en een normale kroon van 2% (1% aan elke kant van de hartlijn). De ontwerpsnelheid is 100 km/h.

Voor rotatie rond de centrale lijn is de totale verandering in dwarshelling voor de buitenstrook van -1% (vanaf het midden) naar +8% (vanaf het midden), een totale verandering van 9% of 0,09. Met een maximale relatieve helling van 0,50% (geschikt voor deze ontwerpsnelheid):

Afvoerlengte L = (3,6 × 0,09) / 0,005 = 0,324 / 0,005 = 64,8 meter

De raaklijnlengte, die nodig is om de 1% kroon op de buitenstrook te verwijderen, zou zijn:

Tangense runout = (3,6 × 0,01) / 0,005 = 0,036 / 0,005 = 7,2 meter

De totale transitielengte van de normale kroon naar de volledige superhoogte zou 65 + 8 = 73 meter bedragen. Na de gebruikelijke praktijk zou de 8-meter raaklijn volledig op de raaklijn worden geplaatst, en ongeveer 43 meter van de runoff zou op de raaklijn staan met de resterende 22 meter op de kromme.

Voorbeeld 4: Freeway Ramp Design

De snelweghellingen hebben meestal lagere ontwerpsnelheden dan de hoofdlijn en bevatten vaak relatief scherpe bochten. Denk aan een afrit met een ontwerpsnelheid van 50 km/h (31 mph) en een bochtstraal van 60 meter (197 voet). De maximale superhoogte voor oprijplaten is 8%, en de maximale zijfrictiefactor bij deze snelheid is 0,18.

e + f = (50)2 / (127 × 60) = 2.500 / 7,620 = 0,328

De minimumstraal zou zijn:

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

De werkelijke straal (60 m) is kleiner dan de minimale straal (76 m), wat aangeeft dat deze curve een maximale superhoogte vereist en nog steeds aanzienlijke wrijving vereist:

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

Deze wrijvingsvraag (0,248) overschrijdt de maximaal toelaatbare waarde (0,08), wat aangeeft dat de curve te scherp is voor de ontwerpsnelheid. De ontwerper moet ofwel de straal verhogen tot ten minste 76 meter ofwel de ontwerpsnelheid verlagen. Als de straal niet kan worden verhoogd vanwege de beperkingen van de locatie, moet de ontwerpsnelheid worden verlaagd tot ongeveer 40 km/h om de curve aanvaardbaar te maken:

V = √(127 × R × (emax + fmax)) = √(127 × 60 × 0,26) = √1,882 = 44,5 km/h

Dit voorbeeld illustreert het belang van het coördineren van de curvestraal met de ontwerpsnelheid tijdens de voorlopige ontwerpfase om situaties te voorkomen waarin geometrische beperkingen niet de gewenste bedrijfssnelheden kunnen opvangen.

Ontwerpsoftware en gereedschappen voor Superelevation

Moderne snelweg ontwerp is sterk afhankelijk van computer-geaid ontwerp (CAD) en gespecialiseerde civiele techniek software om te berekenen en model superelevation. Deze tools automatiseren veel van de complexe berekeningen en helpen visualiseren van de drie-dimensionale geometrie van superverheven curves.

Civiele 3D en Highway Design Software

Software pakketten zoals Autodesk Civil 3D, Bentley OpenRoads Designer, en Trimble Business Center omvatten uitgebreide superelevation ontwerpmodules. Deze programma's kunnen ingenieurs om horizontale en verticale uitlijningen te definiëren, de ontwerpcriteria met inbegrip van maximale superelevatiesnelheden en wrijvingsfactoren, en automatisch berekenen superelevatiesnelheden en transitielengtes voor elke curve.

De software kan gedetailleerde rapporten genereren met een hoge verhogingsfrequentie op regelmatige tijdstippen langs de uitlijning, doorsnede-weergaven die de bestratingrotatie illustreren, en driedimensionale visualisaties van het voltooide ontwerp. Deze mogelijkheid helpt potentiële problemen zoals drainage problemen, conflicten met aangrenzende functies, of ongemakkelijke overgangen voordat de bouw begint te identificeren.

Spreadsheetcalculatoren

Voor eenvoudigere projecten of voorontwerpen, spreadsheet-gebaseerde rekenmachines kunnen efficiënt uitvoeren superelevation berekeningen. Deze tools omvatten meestal de fundamentele formules, ontwerptabellen van ASHTO of andere normen, en geautomatiseerde berekening van transitie lengtes. Terwijl minder verfijnd dan volledige CAD-software, spreadsheet rekenmachines zijn toegankelijk, transparant in hun berekeningen, en geschikt voor vele ontwerptaken.

Veel transportbureaus ontwikkelen hun eigen spreadsheet tools aangepast aan hun specifieke ontwerpnormen en procedures, zorgen voor consistentie tussen de projecten en het vereenvoudigen van het ontwerpproces voor routinetoepassingen.

Constructie-overwegingen en kwaliteitscontrole

Een goede constructie van superlift is essentieel om de beoogde ontwerpprestaties te bereiken. De bouw uitdagingen zijn het nauwkeurig vaststellen van de ontworpen dwarshellingen, het handhaven van soepele overgangen, en het garanderen van adequate drainage door de superlevende secties.

Controle van de optrekking en de graad

De constructie moet voldoende informatie verschaffen om de door de constructie ontworpen dwarshellingen nauwkeurig te kunnen bouwen. Traditionele stakeholders omvatten het regelmatig inzetten van stakes met snij- of vulinformatie voor meerdere punten over de breedte van de weg. Moderne constructie maakt steeds vaker gebruik van machinebesturingssystemen met GPS of totale stationgeleiding, die automatisch gradatieapparatuur kunnen besturen op basis van driedimensionale ontwerpmodellen.

Kwaliteitscontrole tijdens de bouw houdt in dat kruishellingen op meerdere locaties gecontroleerd worden om na te gaan of de gebouwde superhoogte overeenkomt met het ontwerp. Afwijkingen van de ontwerpkruishelling kunnen de prestaties van voertuigen en de afvoer van voertuigen beïnvloeden, zodat het handhaven van nauwe toleranties belangrijk is.

Drainage ontwerp voor Superlevende secties

Superelevation beïnvloedt aanzienlijk de drainagepatronen van de weg. Op een volledig superverhoogde curve, stroomt water over de gehele bestrating breedte naar de binnenkant, waarvoor een zorgvuldig ontwerp van drainage inlaten en sloten om te verzamelen en overbrengen runoff. De transitie zones presenteren bijzondere uitdagingen, omdat de veranderende dwarshelling creëert gebieden waar waterstroom patronen verschuiven.

Tijdens de raaklijn, wanneer de kroon wordt verwijderd, bestaat een vlak of bijna vlak gedeelte waar water kan stromen als niet goed aangepakt. Ontwerpers moeten zorgen voor voldoende longitudinale kwaliteit en kunnen nodig zijn om extra drainage in deze gebieden. De superhoogte runoff sectie moet ook aandacht om ervoor te zorgen dat water blijft uitlekken effectief als de dwarshelling verandert.

Verspreidingsgrenstoleranties

De constructiespecificaties omvatten doorgaans toleranties voor hellingen van de dwarshellingen om de kwaliteit te waarborgen en tegelijkertijd praktische beperkingen van de bouwmethoden te herkennen. De gemeenschappelijke toleranties variëren van ±0,3% tot ±0,5% voor de dwarshelling. Voor hogesnelheidsvoorzieningen of bochten met kritische superhoogte-eisen kunnen grotere toleranties worden gespecificeerd.

Systematische fouten in dwarshelling, zoals het consequent steilere of vlakkere hellingen bouwen dan ontworpen, kunnen zich ophopen om significante afwijkingen van de beoogde geometrie te creëren. Kwaliteitscontroleprogramma's moeten statistische analyse van dwarshellingsmetingen omvatten om systematische vooroordelen te identificeren en te corrigeren.

Veiligheidsprestaties en onderzoekresultaten

Onderzoek naar de veiligheidsprestaties van superverheven curven heeft waardevolle inzichten opgeleverd in de effectiviteit van ontwerpnormen en de relatie tussen geometrische ontwerp- en crashsnelheden.

Crash tarieven op horizontale krommen

Horizontale curven vertonen consequent hogere crashsnelheden dan raaklijnen, waarbij de toename varieert op basis van krommescherpte, ontwerpsnelheid en andere factoren. Studies hebben aangetoond dat curven met onvoldoende superhoogte voor hun straal en ontwerp snelheid ervaring verhoogde crash rates, vooral voor run-off-road en rollover crashes.

De relatie tussen de hoge levensverwachting (het verschil tussen de geboden en theoretisch vereiste superverhoging) en het risico op crash is onderzocht in meerdere onderzoeksstudies. Hoewel de resultaten variëren, is er algemene overeenstemming dat significante superliften correleren met een verhoogd risico op crash, vooral in natte of ijzige omstandigheden wanneer de beschikbare wrijving wordt verminderd.

Ball Bank Indicator Studies

De balbank indicator is een apparaat dat het gecombineerde effect van superelevatie en zijdelingse versnelling meet op de inzittenden van het voertuig. Onderzoek met behulp van balbank indicatoren heeft geholpen bij het vaststellen van comfortabele limieten voor zijdelingse versnelling en heeft de ontwikkeling van zij wrijvingsfactoren gebruikt in ontwerpnormen beïnvloed. Studies hebben aangetoond dat balbank metingen goed correleren met bestuurderscomfort en dat het handhaven van metingen onder bepaalde drempels (gewoonlijk 8 tot 14 graden afhankelijk van snelheid) resulteert in acceptabele comfortniveaus voor de meeste bestuurders.

Onderzoek naar bedrijfssnelheid

Onderzoek naar de werkelijke bedrijfssnelheden op curven heeft aangetoond dat bestuurders vaak sneller reizen dan de ontwerpsnelheid op zachte curven en langzamer kunnen reizen dan de ontwerpsnelheid op scherpe curven. Dit gedrag beïnvloedt de werkelijke wrijvingsvraag ervaren op curven. Studies hebben geleid tot de ontwikkeling van de operationele snelheidsvoorspelling modellen die ontwerpers helpen anticiperen op de werkelijke voertuigsnelheden en ervoor zorgen dat geometrische ontwerp geschikt is voor realistisch gedrag van de bestuurder in plaats van alleen vertrouwen op de geplaatst snelheidslimieten.

Onderhoud en herstel van Superelevated Curves

Het handhaven van een goede superverhoging gedurende de levensduur van een weg is belangrijk voor de voortdurende veiligheid en prestaties. Pavement revalidatie projecten bieden mogelijkheden om superverhoging tekortkomingen te corrigeren of aanpassing van de superverhoging aan de huidige normen.

Overlay effecten op de pavement

Wanneer bestrating overlays worden toegepast op bestaande wegen, kan de dwarshelling worden beïnvloed als de dikte van de overlay varieert over de breedte van de bestrating. Uniforme dikte overlays behouden de bestaande dwarshelling, maar variabele dikte overlays kunnen worden gebruikt om kruishellingen of corrigerende tekortkomingen aan te passen. Ontwerpers moeten zorgvuldig overwegen hoe overlay projecten superhoogte beïnvloeden en ervoor zorgen dat de resulterende geometrie veilig en functioneel blijft.

Meerdere overlays in de tijd kan geleidelijk verminderen superlift snelheid als de overlay dikte is groter aan de binnenkant dan de buitenkant, een gemeenschappelijk voorkomen als gevolg van drainage patronen en verkeersslijtage. Periodieke enquêtes van dwarshellingen helpen identificeren locaties waar superlift is aangetast en revalidatie nodig is.

Corrigeren van de tekortkomingen van de superheffing

Wanneer bestaande curven onvoldoende superhoogte hebben, zijn er verschillende opties voor correctie. De meest directe benadering is het reconstrueren van de curve met een goede superhoogte, die kan leiden tot aanzienlijke grondwerk en bestrating reconstructie. Een goedkoper alternatief is het verminderen van de ontwerpsnelheid voor de curve en het installeren van passende waarschuwingsborden en adviessnelheid plaques, hoewel deze aanpak niet aanvaardbaar is op snelle faciliteiten.

In sommige gevallen kan de curvestraal worden verhoogd door aanpassing, waardoor de vraag naar superverhoging wordt verminderd. Deze optie vereist de juiste weg en kan milieu- en vergunningsoverwegingen omvatten. Veiligheidsverbeteringen zoals verbeterde afbakening, rommelstrips en oppervlaktebehandelingen met hoge wrijving kunnen ook helpen het risico op crash op curven met superverheffingsgebreken te verminderen, hoewel deze maatregelen symptomen aanpakken in plaats van het fundamentele geometrische gebrek te corrigeren.

De vooruitgang in voertuigtechnologie en transportsystemen beginnen overwegingen van het ontwerp van superliften te beïnvloeden en kunnen de komende jaren tot veranderingen in ontwerppraktijken leiden.

Aangesloten en autonome voertuigen

De ontwikkeling van verbonden en autonome voertuigen (CAV's) roept vragen op over toekomstige eisen inzake superliftontwerp. Autonome voertuigen met nauwkeurige snelheidsregeling en geavanceerde sensorcapaciteiten kunnen consistenter navigeren op bochten dan menselijke bestuurders, mogelijkerwijs voor verschillende ontwerpbenaderingen. Echter, gemengde verkeersomstandigheden met zowel mens-gedreven als autonome voertuigen zullen waarschijnlijk tientallen jaren aanhouden, waarvoor ontwerpen nodig zijn die beide soorten bedrijfsactiviteiten kunnen omvatten.

Onderzoek is gaande om te begrijpen hoe CAV-technologie de geometrische ontwerpnormen kan beïnvloeden, waaronder de eisen inzake superlevatie. Sommige onderzoekers suggereren dat nauwkeurige snelheidscontrole kan leiden tot een lagere snelheid of een strakkere curve, terwijl anderen de noodzaak benadrukken om ontwerpen te behouden die geschikt zijn voor menselijke bestuurders en adequate veiligheidsmarges bieden voor systeemstoringen of onverwachte omstandigheden.

Geavanceerde materialen voor het versturen van materialen

Ontwikkeling van hoog-frictie bestrating oppervlakken en geavanceerde materialen kunnen invloed hebben op de wrijvingsfactoren die worden gebruikt bij het ontwerp van superelevatie. Sommige instanties hebben geëxperimenteerd met hoge wrijving oppervlakte behandelingen op curven om de beschikbare wrijving te verhogen en de veiligheid te verbeteren. Als dergelijke behandelingen standaard praktijk, ontwerp procedures kunnen worden gewijzigd rekening houdend met de verbeterde wrijvingskenmerken, mogelijk waardoor een lagere verhoging van de snelheid of scherpere curves voor een gegeven ontwerpsnelheid.

Overwegingen inzake klimaatverandering

Klimaatverandering kan invloed hebben op de beslissingen over het ontwerp van superliften in sommige regio's. Gebieden die historisch vaak ijs en sneeuw ervaren, wat leidt tot de selectie van lagere maximale superliften, kan een verminderde winterservigheid zien en zou kunnen overwegen hogere maximumsnelheden in toekomstige ontwerpen. Omgekeerd, regio's met verhoogde neerslag kunnen nodig om meer nadruk te leggen op drainage ontwerp voor superlevende secties. Ontwerpnormen kunnen evolueren om klimaatprognoses te integreren en zich aan te passen aan veranderende omgevingsomstandigheden over de ontwerp levensduur van wegen.

Conclusie en beste praktijken

Superelevation ontwerp is een fundamenteel aspect van de snelweg geometrische ontwerp dat rechtstreeks van invloed is op de veiligheid, comfort en operationele prestaties. Succesvolle superelevation ontwerp vereist begrip van de onderliggende fysica, toepassing van passende berekeningsmethoden, volgens gevestigde ontwerpnormen, en rekening houdend met de specifieke context van elk project.

Beste praktijken in superlift ontwerp omvatten het selecteren van maximale superlift tarieven geschikt voor klimaat en context, met behulp van consistente ontwerpmethoden voor alle projecten, het verstrekken van adequate transitie lengtes voor bestuurders comfort, het coördineren van superlift met drainage ontwerp, en het waarborgen van kwaliteitscontrole tijdens de bouw. Ontwerpers moeten ook overwegen operationele snelheid onderzoek en de werkelijke bestuurder gedrag bij het vaststellen van ontwerpcriteria, in plaats van alleen vertrouwen op de geposte snelheidsbeperkingen.

Regelmatige evaluatie en actualisering van ontwerpnormen helpt bij het opnemen van nieuwe onderzoeksresultaten en aanpassen aan veranderende omstandigheden. Transportbureaus moeten uitgebreide ontwerphandleidingen handhaven die duidelijke richtsnoeren bieden over procedures voor superverhogingsontwerp, waaronder uitgewerkte voorbeelden en speciale casebehandelingen. Trainingsprogramma's voor ontwerpingenieurs moeten het belang van een goed ontwerp van superhoogten benadrukken en praktische ervaring bieden met berekeningsmethoden en ontwerpsoftware.

Naarmate transportsystemen evolueren met nieuwe technologieën en veranderende reispatronen, zullen superelevatie ontwerppraktijken blijven ontwikkelen. Echter, de fundamentele principes van het balanceren van centrifugale krachten door wegbankieren zal centraal blijven staan in een veilig en efficiënt snelwegontwerp. Door het toepassen van een gedegen ingenieursoordeel, volgens gevestigde normen, en rekening houdend met site-specifieke voorwaarden, kunnen ontwerpers superverhoogde bochten creëren die het reizende publiek nog decennia lang veilig en effectief dienen. Voor extra bronnen over geometrische ontwerpnormen, bezoek de website Federal Highway Administration[], die toegang biedt tot ontwerpbegeleiding, onderzoeksverslagen en technische middelen voor transportprofessionals.