Farklı Miktarlarda Kar Yağışı Altında Buzlu Kaldırımların Sürtünme Katsayılarının Belirlenmesi

Özet

Burada, iç mekanlarda farklı buz kalınlıklarına sahip kaldırımların sürtünme katsayısını belirlemek için bir yöntem sunuyoruz. Tüm prosedür, ekipmanın hazırlanmasını, kar yağışının hesaplanmasını ve analizini, ekipman kalibrasyonunu, sürtünme katsayısının belirlenmesini ve veri analizini içerir.

Özet

Yol yüzeylerindeki buz, sürtünme katsayısında önemli bir azalmaya neden olabilir ve böylece sürüş güvenliğini tehlikeye atabilir. Bununla birlikte, buzla kaplı kaldırımlar için kesin sürtünme katsayısı değerleri sağlayan ve hem yol tasarımına hem de kışlık yol bakım önlemlerinin seçimine zarar veren hiçbir çalışma hala yoktur. Bu nedenle, bu makale kışın buzlu yol yüzeylerinin sürtünme katsayısını belirlemek için deneysel bir yöntem sunmaktadır. Deney için sarkaç sürtünme katsayısı ölçer olarak da bilinen bir İngiliz taşınabilir test cihazı (BPT) kullanıldı. Deney aşağıdaki beş adıma ayrıldı: ekipmanın hazırlanması, kar yağışının hesaplanması ve analizi, ekipman kalibrasyonu, sürtünme katsayısının belirlenmesi ve veri analizi. Son deneyin doğruluğu, ayrıntılı olarak açıklanan ekipman doğruluğundan doğrudan etkilenir. Ayrıca, bu makale, karşılık gelen kar yağışı miktarları için buz kalınlığını hesaplamak için bir yöntem önermektedir. Sonuçlar, çok hafif kar yağışının oluşturduğu yamalı buzun bile, kaldırımın sürtünme katsayısında önemli bir azalmaya yol açabileceğini ve böylece sürüş güvenliğini tehlikeye atabileceğini göstermektedir. Ek olarak, buz kalınlığı 5 mm'ye ulaştığında sürtünme katsayısı zirvededir, yani bu tür buzun oluşumunu önlemek için koruma önlemleri alınmalıdır.

Giriş

Kaldırım sürtünmesi, araç lastikleri ile altta yatan yol yüzeyi¹ arasındaki kavrama olarak tanımlanır. Yol tasarımında kaldırım sürtünmesi ile en sık ilişkilendirilen endeks, kaldırım sürtünme katsayısıdır. Sürtünme, yol tasarımında en önemli faktörlerden biridir ve dayanıklılıktan sonra ikinci sıradadır. Kaldırım sürtünme performansı ile kaza riski² arasında güçlü ve net bir korelasyon vardır. Örneğin, trafik kazası oranları ile kaldırım kayma direnci ^3,4,5 arasında anlamlı bir negatif korelasyon vardır. Kaldırım sürtünmesinin azalmasına çeşitli faktörler katkıda bulunabilir ve bu faktörlerin en doğrudan ve etkili olanlarından biri kar yağışı^6'dır. Spesifik olarak, kar yağışı kaldırımda buz oluşmasına neden olur, böylece yol sürtünme katsayısı ^7,8'de önemli bir azalmaya neden olur. Güney Finlandiya'daki trafik kazası oranlarını etkileyen faktörlere odaklanan bir çalışma, kaza oranlarının genellikle yoğun kar yağışlı günlerde zirveye ulaştığını ve 10 cm'den fazla karın kaza oranının iki katına çıkmasına neden olabileceğini belirtmiştir⁹. Benzer sonuçlar hem İsveç'te hem de Kanada'da yapılan çalışmalarda da bulunmuştur^10,11. Bu nedenle, karla donmuş kaldırımların sürtünme özelliklerini incelemek, yol güvenliğini artırmak için çok önemlidir.

Buzlu kaldırımların sürtünme katsayısının belirlenmesi karmaşık bir işlemdir, çünkü sürtünme katsayısı farklı kar yağışı seviyeleri ve kaldırım buz kalınlıkları altında değişebilir. Ayrıca, değişen sıcaklıklar ve lastik özellikleri de sürtünme katsayısını etkileyebilir. Geçmişte, lastiklerin buz¹² üzerindeki sürtünme özelliklerini incelemek için çok sayıda deney yapılmıştır. Bununla birlikte, bireysel ortamlardaki farklılıklar ve lastik özellikleri nedeniyle, tutarlı sonuçlar elde edilemez ve teorik çalışmalar için bir temel olarak kullanılamaz. Bu nedenle, birçok araştırmacı lastiklerin buz üzerindeki sürtünmesini analiz etmek için teorik modeller geliştirmeye çalışmıştır. Hayhoe ve Sahpley¹³ , lastikler ve buz arasındaki arayüzde ıslak sürtünme ısı değişimi kavramını önerirken, Peng ve ^ark.14 , yukarıdaki konsepte dayanarak sürtünmeyi tahmin etmek için gelişmiş bir veri modeli önerdi. Ek olarak, Klapproth pürüzsüz buz¹⁵ üzerindeki kaba kauçuğun sürtünmesini tanımlamak için yenilikçi bir matematiksel model sundu. Bununla birlikte, yukarıdaki modellerin, esas olarak lastiklerin buz¹⁶ üzerindeki sürtünme özelliklerini doğru ve verimli bir şekilde karakterize edememeleri nedeniyle önemli hatalara sahip oldukları gösterilmiştir.

Teorik modellerin hatalarını azaltmak için, büyük miktarda deneysel veriye ihtiyaç vardır. Finlandiya Meteoroloji Ajansı, buzlu kaldırım sürtünmesini tahmin etmek için bir sürtünme modeli geliştirdi ve bu modelin formülü öncelikle yol hava istasyonlarından ve istatistiksel analiz yoluyla elde edilen verilere dayanıyordu¹⁷. Ayrıca, Ivanović ve ark. lastiklerin buz üzerindeki sürtünme özelliklerini analiz ederek önemli miktarda deneysel veri toplamış ve regresyon analizi¹⁸ ile buzun sürtünme katsayısını hesaplamıştır. Gao ve ark. ayrıca, buz^19'daki sürtünme katsayısının formülünü elde etmek için Levenberg-Marquardt (LM) optimizasyon algoritmasını bir sinir ağıyla birleştirerek lastik-kauçuk-buz çekişinin yeni bir tahmin modelini önerdi. Yukarıdaki tüm modeller ya onaylanmış ya da pratikte uygulanmıştır ve bu nedenle uygulanabilir olarak kabul edilmektedir.

Teorik yöntemlere ek olarak, karlı ve donmuş alanlarda kaldırımların sürtünme katsayısının ölçülmesi için birçok pratik yöntem geliştirilmiştir. Havanın özellikleri nedeniyle, bu yöntemler İsveç, Norveç ve Finlandiya²⁰ gibi İskandinav ülkelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. İsveç'te, aşağıdaki üç ana sürtünme ölçüm cihazı türü kullanılmaktadır: BV11, SFT ve BV14. Kış bakım değerlendirmeleri için özel olarak geliştirilmiş çift sürtünme test cihazı BV14, ölçüm aracına doğrudan bağlıdır ve her iki tekerlek yolundaki kuru sürtünmeyi aynı anda ölçer²⁰. Finlandiya'da, sürtünme ölçüm aracı (TIE 475) kış yol bakım değerlendirmeleri için kullanılırken, Norveç'te ROAR sürtünme ölçüm cihazı (susuz) yaygın olarak kullanılan bir ekipman parçasıdır². İsveç, Norveç ve Finlandiya'da gerçekleştirilen kış sürtünme ölçümlerinin çoğu, ABS'li sıradan binek otomobiller ve^2,20 frenleme altında yavaşlamayı ölçen aletler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemin avantajı, basit ve nispeten ucuz olmasıdır ve ana dezavantajı, yöntemin doğruluğunun çok düşük olmasıdır.

Yukarıda açıklanan çalışmalar, buz üzerindeki sürtünme katsayılarını tahmin etmek ve tespit etmek için yöntemler sunmaktadır. Bununla birlikte, yol tasarımcılarına rehberlik etmek için tek tip bir yöntem ve belirli bir değer hala sağlanmamıştır. Ayrıca, kış yolları için, lastikler ve buz arasındaki sürtünme katsayısı farklı buz kalınlıklarına göre değişebilir ve farklı bertaraf önlemleri de uygulanmalıdır²¹. Bu nedenle, bu yazıda buzlu yolların farklı miktarlarda kar yağışı altında sürtünme katsayısını belirleme amaçlanmıştır.

Uluslararası olarak, İngiliz taşınabilir test cihazı (BPT) ve İsveç Yol ve Ulaşım Araştırma Enstitüsü taşınabilir sürtünme test cihazı (VTI PFT) şu anda sürtünme katsayısı^22,23'ü ölçmek için en yaygın kullanılan cihazlardır. PFT, VTI tarafından geliştirilen taşınabilir bir sürtünme test cihazıdır ve operatörün dik konumda ölçüm yapmasına ve verileri bilgisayara kaydetmesine olanak tanır²². PFT, çoğu konturlu yol işaretini ölçebilir, ancak şu anda mevcut olan cihazların sayısı hala çok küçüktür². BPT, İngiliz Yol Araştırma Laboratuvarı (RRL, şimdi TRL) tarafından geliştirilen bir sarkaç sürtünme katsayısı test cihazıdır. Cihaz, bir lastik sürgü kenarının bir test yüzeyi üzerinde itildiği durumlarda enerji kaybını ölçmek için kullanılan dinamik bir sarkaç darbe tipi test cihazıdır. Sonuçlar, bu test cihazına özgü olduklarını ve diğer cihazlardakilere doğrudan eşdeğer olmadıklarını vurgulamak için İngiliz Sarkaç Sayıları (BPN'ler) olarak rapor edilmiştir²⁴. Cihazın deneysel kaldırım alanı^23'teki sürtünme katsayılarının belirlenmesinde yararlı olduğu gösterilmiştir. Bu deney, sürtünme katsayılarının belirlenmesi için BPT'yi kullanır.

Bu çalışmada, iç mekanlarda farklı kar yağışı miktarlarına karşılık gelen buzlu kaldırımların sürtünme katsayısının ölçülmesi için deneysel prosedür açıklanmaktadır. Deneysel kalibrasyon, deneysel uygulama, veri analizi yöntemleri gibi deneylerde dikkat edilmesi gereken problemler ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Mevcut deneysel prosedürler aşağıdaki beş adımla özetlenebilir: 1) ekipmanın hazırlanması, 2) kar yağışının hesaplanması ve analizi, 3) ekipman kalibrasyonu, 4) sürtünme katsayısının belirlenmesi ve 5) veri analizi.

Protokol

1. Ekipmanın hazırlanması

1. BPT (Mesleki Mücadele T
   1. BPT'nin (Şekil 1) hizmet ömrü içinde olduğundan ve yüzeyin temiz ve hasarsız olduğundan emin olun.
      NOT: BPT'nin bileşenleri taban, tesviye spirali, tesviye kabarcığı, işaretçi, sarkaç, kaldırma spirali, sabitleme spirali, tutamak ve kadrandır.
2. Asfalt levhalar
   1. Deney için kullanılan asfalt karışımı numune boyutunun 30 cm x 30 cm x 5 cm olduğundan emin olun.
3. Dondurma ekipmanları
   1. Kullanılan dondurma ekipmanının -20 °C ile 0 °C arasındaki sıcaklığı serbestçe düzenleyebildiğinden emin olun.
4. Deneyde kullanılan diğer ekipmanları hazırlayın: bir tripod, bir ölçüm silindiri, bir lastik levha, bir kaldırım termometresi, bir sürgülü uzunluk cetveli ve bir fırça.
   NOT: Deneyde kullanılan kauçuk levhanın boyutu 6,35 mm x 25,4 mm x 76,2 mm boyutlarındadır ve Tablo 1^24'te verilen kalite gereksinimlerini karşılamalıdır.
   1. Kauçuk levhanın aşağıdaki kusurlardan herhangi birine sahip olmadığından emin olun: 1) yağ lekeleri; 2) genişlik kenar aşınması 3,2 mm'den büyük; veya 3) uzunlamasına yollar 1,6 mm'den daha büyük aşınır.
   2. Yeni bir kauçuk levha kullanmadan önce, resmi test için kullanmadan önce kauçuk tabakanın kuru bir yüzeyde BPT kullanılarak 10 kez ölçüldüğünden emin olun.

2. Kar yağışının hesaplanması ve analizi

NOT: Tablo 2 , kar yağışı sınıfı sınıflandırmasını sağlar. Aşırı durumlar göz önüne alındığında, ekipman çalışmayı yürütmek için 24 saat kar yağışı gerektirir.

1. Deneyin kolaylığını sağlamak için, her kar yağışı seviyesi için üst sınırı kullanarak ilgili hesaplama ve analizi yapın.
   NOT: Kar yağışı derinliğinin farklı seviyeleri ve hesaplamadan sonra numunelerin karşılık gelen su hacmi Tablo 3'te verilmiştir. Deney, olağanüstü kar fırtınalarının etkisini dikkate almadı ve çok hafif kardan büyük kar fırtınalarına kadar olan kategoriler 1'den 6'ya kadar numaralandırıldı.

3. Ekipman kalibrasyonu

1. Tesviye ve sıfır ayar
   1. BPT'yi uygun bir konuma yerleştirin.
      NOT: Uygun bir konum, zeminin düz ve çukursuz olduğu anlamına gelir.
   2. Tesviye balonunun orta konumda kalmasını sağlamak için BPT'nin tabanındaki tesviye spiralini döndürün.
   3. Sabitleme spiralini gevşetin, sarkaç kaldırma ve serbestçe sallanma yapmak için kaldırma spiralini döndürün ve ardından sabitleme spiralini sıkın.
   4. Sarkaç kolunu sarkaç tablasının sağ konsoluna yerleştirin, işaretçiyi kolla aynı hizada olacak şekilde sağ tarafa doğru döndürürken kolu yatay konumda tutun.
   5. Sarkaç kolunun serbestçe sallanmasına izin vermek için serbest bırakma düğmesine basın. Sarkaç en yüksek noktaya ulaşmak için en düşük noktayı geçtiğinde, elle tutun.
      NOT: Doğruysa, işaretçi şu anda sıfır göstermelidir.
   6. İşaretçi sıfır noktasını göstermiyorsa, sıfırlama somununu gevşetin veya sıkın ve işaretçi sıfır noktasını gösterene kadar adım 3.1.4 ve adım 3.1.5'i yineleyin.
2. Kayar uzunluğun kalibrasyonu
   1. Sabitleme spiralini gevşetirken asfalt levhayı doğrudan sarkaç altına yerleştirin, böylece kauçuk levhanın en alt kenarı asfalt levhanın yüzeyine temas eder.
   2. Kayar uzunluk cetvelini hazırlayın ve kauçuk tabakaya yaklaştırın.
   3. Taşıma kolunu, sürgülü uzunluktaki cetvelin sol ölçek işaretinin kauçuk tabakanın en alt kenarıyla aynı hizada olacak şekilde kaldırın.
   4. Taşıma kolunu kaldırın ve sarkacı sağa doğru hareket ettirin, böylece kauçuk tabakanın en alt kenarı asfalt levhanın yüzeyine temas eder.
   5. Kayar uzunluk cetvelinin kauçuk tabakanın kenarı ile düzleştirilip düzleştirilmediğini gözlemleyin. Eğer öyleyse, sürgülü uzunluk 126 mm gereksinimini karşılar. Aksi takdirde, aşağıdaki işlemlere devam edin.
   6. Sarkaçın yüksekliğini ayarlamak için kaldırma spiralini çevirin ve kayma uzunluğunu gereksinimleri karşılayacak şekilde ayarlamak için 3.2.3-3.2.5 adımlarını tekrarlayın.
   7. İnce ayar gerektiğinde, tesviye spiralini taban üzerinde döndürün.
      NOT: Dengeleme balonunun ayarlama sırasında merkezde kalması gerekir.

4. Sürtünme katsayısı tayini

1. Yedi asfalt levha parçası seçin, bir fırçayla temizleyin ve oda sıcaklığında doğal olarak kurulayın.
2. Asfalt levhaları 1-7 sırasına göre numaralandırın.
3. Asfalt plakalarını kalıplara yerleştirin ve aynı anda bir su tabakasıyla soğutun ve dondurun.
   NOT: Bu deneyde, yedi numune 24 saat boyunca -10 °C kontrollü bir sıcaklıkta dondurucuya yerleştirildi. İlgili su hacimlerine sahip farklı numuneler Şekil 2'de gösterilmiştir.
   1. Örnek 1: Çok hafif karı simüle etmek için, asfalt numunesine 9^cm3 su dökün. Asfalt levha yüzey boşluğunu suyla doldurun ve yükseltilmiş kısmı düzleştirin. Buz tabakasının numune yüzeyi asfalt parçacıklarını tamamen kaplaması beklenmemektedir. Bu nedenle, bazı parçacıklar açığa çıkacak ve bu fenomen yamalı buz olarak bilinir.
   2. Örnek 2: Hafif karı simüle etmek için, bir ölçüm silindiri kullanarak asfalt numunesine 216^cm3 su dökün. Beklenen buzlanma kalınlığı 2.17 mm'dir. Bu durumda, su tabakası numunenin yüzeyini tamamen kaplar. Buzlanmadan sonra tamamen dondurulmalıdır.
   3. Örnek 3: Orta karı simüle etmek için, bir ölçüm silindiri kullanarak asfalt numunesine 441^cm3 su dökün. Beklenen buz kalınlığı 5.4 mm'dir.
   4. Örnek 4: Yoğun karı simüle etmek için, bir ölçüm silindiri kullanarak asfalt numunesine 891^cm3 su dökün. Beklenen buz kalınlığı 11 mm'dir.
   5. Örnek 5: Bir kar fırtınasını simüle etmek için, bir ölçüm silindiri kullanarak asfalt numunesinin üzerine 1.791^cm3 su dökün. Beklenen buz kalınlığı 22.1 mm'dir.
   6. Örnek 6: Büyük bir kar fırtınasını simüle etmek için, bir ölçüm silindiri kullanarak asfalt numunesinin üzerine 2.691^cm3 su dökün. Beklenen buz kalınlığı 33.2 mm'dir.
   7. Örnek 7: Karşılaştırma için kuru dondurulmuş numune olarak su eklemeden numuneyi soğutma için doğrudan dondurucuya yerleştirin.
4. Dondurulduktan sonra, örnekleri dondurucudan çıkarın; Buna karşılık, kalıpları çıkarın ve daha önce düzleştirilmiş ve sıfırlanmış BPT merkezlerine yerleştirin.
5. Numunenin yüzey sıcaklığını ölçmek ve kaydetmek için kaldırım termometresini kullanın.
6. 126 mm'lik bir kayma mesafesi sağlamak için kayar uzunluk kalibrasyonu gerçekleştirin.
7. Sarkaç kolu serbest bırakma düğmesine basın. Sarkaç kolu en alçak noktayı geçtiğinde ve en yüksek noktaya sallandığında, elle tutun ve sonucu okuyun ve kaydedin.
8. Hem sarkaç kolunu hem de işaretçiyi sırasıyla sıfır ve yatay konumlara geri yükleyin.
   NOT: Kayar uzunluk, her yeni numune test edildiğinde yeniden kalibre edilmelidir.
9. Adımları toplam 10 kez tekrarlayın ve yedi örneği sırayla ölçün.
   NOT: Her numunenin 10 ölçüm okuması vardır ve hem minimum hem de maksimum değer farkları 3'ten az olmalıdır.

5. Veri analizi

1. Şekil 3'teki verileri bir tabloya kaydedin ve nihai sonucu elde etmek için ölçüm sonuçlarının ortalamasını alın (Tablo 4).
2. Sarkaç değerleri için sıcaklık düzeltmesi
   1. Sıcaklık dengelemeli BPN değerini elde etmek için sıcaklık değeri ölçümlerini aşağıdaki denkleme girin:
      
      NOT: Orijinal denklemde kullanılan sıcaklık birimi Kelvin'dir, deneysel sıcaklıkların hepsi santigrat derecededir, bu nedenle bir sıcaklık dönüşümü yapılmalıdır. İki sıcaklık birimi aşağıdaki gibi dönüştürülür:
      T (K) = 273,15 + T (^oC)
   2. Son sıcaklık dengelemeli BPN değerini elde etmek için telafi edilen BPN değerini Tablo 4'teki ortalama BPN değerinden çıkarın.
   3. Daha sezgisel sonuçlar için Tablo 4'teki son BPN değerlerini çubuk grafik olarak çizin (Şekil 4).

Sonuçlar

Tablo 4'teki Örnek 7, kuru numune kontrol grubuyken, kalan numune 1-6, çok hafif kardan büyük bir kar fırtınasına kadar değişen buz kalınlıklarına karşılık gelir.

Örnek 7 ve diğer altı grup karşılaştırıldığında, buz oluşumunun kaldırımın sürtünme katsayısını önemli ölçüde azalttığı gözlenmiştir. Ayrıca, kaldırım sürtünme katsayısı artan buz kalınlığı ile azaldı ve buz kalınlığı orta karda karşılık gelen 5 mm'de sta...

Tartışmalar

Bu yazıda BPT kullanılarak buzlu kaplamanın sürtünme katsayısının test edilmesi prosedürü incelenmektedir. Birkaç noktanın kapsamlı bir şekilde analiz edilmesi ve burada ayrıntılı olarak tartışılması gerekir. İlk olarak, asfalt karışımı numunelerinin hazırlanması açısından, numuneleri hazırlamak için yol petrol asfaltı kullanılmaya çalışılmalıdır, ancak bu bir gereklilik değildir. Asfalt karışımı numunelerinin hazırlanması, ASTM (D6926-20) deney protokollerine sıkı sıkı...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Brush	Shenzhen Huarui Brush Industry Co., LTD	L-31
Freezing equipment	Haier Group	BC/BD-251HD
Measuring cylinder	Zhaoqing High-tech Zone Qianghong Plastic Mould Co., LTD	lb1
Pavement thermometer	Fluke Electronic Insrtument Company	F62MAX
Pendulum Friction Cofficient Meter	Muyang County Highway Instrument Co., LTD	/
Rubber sheet	Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD	785120123500
Sliding length ruler	Jiangsu Muyang Xinchen Highway Instrument Co., LTD	785120123500
Tripod	Hangzhou Ruiqi Trading Co., LTD	TRGC1169