Test og simulering af Test og simulering af kantstenspåkørsler

Transkript

1 Test og simulering af Test og simulering af kantstenspåkørsler Udført af DanCrash Dato 29. september 2017 Sagsbehandler Charlotte Veiss-Pedersen Mail Telefon Dokument DokNr Side 1/18 1

2 Indhold Indledning... 3 Praktiske forsøg... 4 Dokumentation af praktiske forsøg... 5 Værdierne for accelerationer i de tre retninger (x, y og z)... 7 Teori i forhold til de praktiske forsøg... 8 Resultater fra forsøg på køreteknisk anlæg... 9 Konklusion af forsøg Simuleringer Resultater fra simuleringer med 50 mm opspring, Fiat Punto Resultater fra simuleringer med 50 mm opspring, Toyota Avensis Resultater fra simuleringer med 100 mm opspring, Fiat Punto Resultater fra simuleringer med 100 mm opspring, Toyota Avensis Konklusion af simuleringer Simulering af angivne situationer Samlet konklusion af forsøg og simulering BILAG Bilag 1: notat fra DanCrash Simulering af kantstenspåkørsler Bilag 2: notat fra DanCrash Simulering af kantstenspåkørsler Motorvej Bilag 2: Møde mellem VD og DanCrash den 23. februar 2017 Yderligere dokumentation Fotos og film fra forsøg 2

3 Indledning Historisk er kantsten etableret med et opspring på mm på de danske veje. I de nyeste vejregler anbefales det, at kantsten etableres med et opspring på 50 mm af trafiksikkerhedsmæssige grunde. Det lavere kantstensopspring ved nyanlæg giver vedligeholdelsesmæssige udfordringer, da der ikke er plads til etablering af nyt slidlag. Det betyder, at der skal fræses gammel belægning væk før der udlægges nyt slidlag. For afdækning af, hvilken løsning, der totaløkonomisk set over 20 år er den bedste, er der udarbejdet en række katalogark, hvor der udføres en sammenligning af kantsten sat med hhv. 50 mm og 100 mm opspring i henholdsvis byområder og åbent land. I forbindelse med udarbejdelse af katalogarkene blev det tydeligt, at der mangler dokumentation for, hvad der egentlig sker med køretøj og fører/passagerer ved påkørsel af kantsten ved de to forskellige opspring. Firmaet DanCrash er derfor bedt om at udføre test og simulering af kantstenspåkørsler for at afdække, hvad der reelt sker ved forskellige opspring med forskellige hastigheder. Opgaven består af to dele: 1. En række praktiske forsøg på teknisk køreanlæg i Hammerum med to forskellige køretøjer, der passerer kantsten med hhv. 50 mm opspring og 100 mm opspring ved både middel og høj hastighed. 2. Udførte simuleringer af forskellige situationer, udpeget af Vejdirektoratet. Forsøg ved middel hastighed (50-60 km/h) skal danne baggrund for katalogark i byer og forsøg med høj hastighed (80-90 km/h) skal danne baggrund for katalogark i åbent land. Overkørslerne skal dokumentere overensstemmelse mellem de senere foretagne simuleringer i programmet PC-Crash, og blev udført med en variation indenfor disse parametre: Kantstenshøjde Vinklen under hvilken overkørslen sker Hastighed 3

4 Praktiske forsøg De praktiske forsøg blev udført fredag d 7. april 2017 ved Køreteknisk Anlæg i Hammerum. To repræsentanter fra DanCrash deltog sammen med 2 repræsentanter fra Vejdirektoratet (Rikke Smed Winding og Charlotte Damén Schultz-Nielsen). Figur 1: praktiske forsøg med kørsel over kantsten Der er udført kørsler med to forskellige køretøjer, der tilsammen bredt repræsenterer størstedelen af de personbiler, der færdes på det danske vejnet: Figur 2: En familiebil af mærket Toyota Avensis Figur 3: En lille bil af mærket Fiat Punto Det er forudsat, at der er tale om mindre øvede chauffører og at rattets position fastholdes ved påkørslen. Begge biler skal påkøre en fastmonteret træbjælke med en udformning, der svarer til en kløvet granitkantsten med fas. Figur 4: "Kantsten" som kløvet granitkantsten med fas 4

5 Dokumentation af praktiske forsøg Forsøgene er dokumenteret ved hjælp af videofilm og målinger som angivet nedenfor. Drone video Gennemkørsler er dokumenteret af video monteret på en drone. Dette sikrer dokumentation af vinklen mellem bilens retning og kantstenenes længdeakse. Video Tillige er benyttet video i Video Vbox samt fra stationær position ved overkørslerne. Figur 5: Video og billeder af alle overkørsler Video Vmax Dokumentation af hastigheder samt accelerationer ved måling, GPS og 2 videokameraer. Figur 6: Skærmdump fra Video Vmax Ovenfor ses et skærmdump fra Video Vmax, hvor de seks billeder angiver følgende: 1. Videokamera 1 der viser oversigt (Low resolution) 2. Videokamera 2 i High Resolution 3. Accelerationerne vist i g-meter 4. De ønskede outputs i graferne 5. Grafisk visning af forløbet for de valgte parametre 6. Banens udseende (den kørte rute) 5

6 PicDAQ5 Alle påvirkninger i både x, y og z retning er målt ved hjælp af PicDAQ5 måleapparat, der er fastmonteret i bunden af bilen. Figur 7: PicDAQ5 Hastigheder og accelerationer dokumenteres i tredimensionelt miljø således, at også vinkeldrejninger måles. Nedenfor ses et skærmdump fra PicDAQ5, hvor de seks billeder angiver følgende: 1. Vinkelhastighed 2. Hastighed i x, y og z (hvor z er retningen op/ned) 3. Vinkel 4. Accelerationer i massemidtpunktet (i x, y og z) 5. Afstand 6. Accelerationer i x, y og z Figur 8: Skærmdump fra PicDAQ5 6

7 Værdierne for accelerationer i de tre retninger (x, y og z) De målte Peak-værdier er impulser, og dermed ikke et udtryk for en kraft i gængs forstand. Dvs. værdierne kan virke høje, hvis man sammenligner med almindelig viden om accelerationer i racerbiler. Da der her er tale om impuls-værdier, kan der ikke sammenlignes med værdier for en vedvarende kraft. Værdierne i de viste skærmdumps kan derfor være vanskelige at forholde sig til. Er 10 m/s 2 en høj eller lav værdi? Figur 9: Eksempel på accelerationer i x, y og z For at belyse, hvilken påvirkning de enkelte værdier svarer til, er der foretaget målinger ved en testkørsel på almindelig vej i forskellige situationer. Ad bynær industrivej er kørt med en hastighed på 50 km/h og udført hhv. almindelig opbremsning, hård opbremsning og katastrofe opbremsning. Desuden er foretaget meget hurtig kørsel i en rundkørsel (hasarderet tur i rundkørsel). Nedenfor er vist målinger fra køreturen i de tre forskellige retninger og på næste side en kort forklaring på, hvordan det føltes i bilen. Figur 10: Køretur på almindelig vej 7

8 Rød kurve beskriver acceleration i kørselsretningen (x). Påvirkningen af en almindelig bremsning (på voksne mennesker) er typisk ikke over 3 m/s 2. Af grafen ses, at påvirkningen af køretøjet er på ca. 10 m/s 2 ved en katastrofeopbremsning. Rent fysisk føltes det ikke direkte ubehageligt og bilen tog ikke skade. Det var mere forskrækkelsen over, at bilen pludselig bremsede op, der gav en reaktion for personer i bilen. Blå kurve beskriver accelerationen på tværs af kørselsretningen (y). En sideværts påvirkning på 3 3,5 m/s 2 svarer til en hurtig kørsel i en rundkørsel. Af grafen ses, at påvirkningen af køretøjet er på lidt over 6 m/s 2 ved en hasarderet kørsel i en rundkørsel. Rent fysisk føltes det ikke ubehageligt, og bilen tog ikke skade. Det var mere fornemmelsen af, at det gik lidt for hurtigt, der gav en reaktion for personer i bilen. Grøn kurve beskriver accelerationen op/ned (z). En impuls påvirkning på op til 10 m/s 2 (svarende til 1 g) er en mærkbar men ikke ubehagelig impuls i z- retningen. Af grafen ses, at der er målt en påvirkning på ca. 7 m/s 2 ved almindelig opbremsning. Denne impuls kunne slet ikke mærkes i bilen. Teori i forhold til de praktiske forsøg Ved fastgørelse af måleinstrumentet (PicDAQ5) i bilens bund opnås en meget præcis måling af bilens bevægelser. Det er dog ikke den samme påvirkning, der opleves af fører/passagerer, idet bevægelsen dæmpes af bilens konstruktion. Reaktionen opstår på dækkets trædeflade, altså hvor dækket møder asfalten. Når dækket passerer en ujævnhed, foregår en dæmpning af påvirkningen, idet dækket deformeres. Samtidig trykkes fjederen i hjulophænget sammen. Det stød, der ellers ville forplante sig til bil og personer i bilen bliver reduceret til en mindre bevægelse. Dertil skal bevægelsen forplante sig gennem sædet, hvis polstring ligeledes har en dæmpende effekt. De meget korte påvirkninger (impulser) opleves derfor ikke som bevægelser i særlig høj grad. Til gengæld opleves i høj grad, at der er en påvirkning rent lydmæssigt. Vedrørende forcering af samme kantstensopspring med forskellige hastigheder skal bemærkes, at hjulet skal hoppe over den samme højde, hvormed det alene er tiden, der ændres. Det vil sige, at samme (teoretisk rigide) bevægelse sker på omtrent den halve tid. I praksis sker der imidlertid en øgning på 7 x belastningen ved en øgning på 1,8 gange hastigheden. Dette skyldes at dækket ikke når at kompensere for punktbelastningen, og derfor sender kraftimpulsen videre gennem bærearmen til fjeder og støddæmper, der ligeledes ikke når at dæmpe impulsen. Man skal derfor være opmærksom på dækkets type, idet lavprofil dæk ikke kan optage så meget opspring som almindelige dæk. Biler med lavprofildæk er altså mere følsomme for overkørslerne end biler med almindelige dæk. 8

9 Resultater fra forsøg på køreteknisk anlæg Toyota Avensis I kørselsretningen (x) opnås samme påvirkning ved både 50 km/t og 90 km/t nemlig 2 m/s 2. Altså under normalen for almindelig kørsel. På tværs af kørselsretningen (y) registreres en lille forskel i påvirkning ved de to forskellige hastigheder, idet der opnås 3 m/s 2 ved 50 km/t og 3,5 m/s 2 ved 90 km/t. Begge svarende til hurtig kørsel igennem en rundkørsel. Bevægelsen op/ned (z), afstedkommer ca. 2 m/s 2 ved 50 km/t og op til 15 m/s 2 (svarende til 1,5 g) ved 90 km/t. Ingen af værdierne giver anledning til hverken ødelæggelse af køretøj eller skade på personer. Figur 11: Måleresultater fra Toyota Avensis, 90 km/h Fiat Punto I kørselsretningen (x) registreres en påvirkning på 4 m/s 2 ved 50 km/t og 15 m/s 2 (svarende til 1,5 g) ved 90 km/t. Altså lidt højere end for en katastrofeopbremsning. På tværs af kørselsretningen (y) registreres samme målinger som ovenfor. Dvs. 4 m/s 2 ved 50 km/t og 15 m/s 2 (svarende til 1,5 g) ved 90 km/t. Den højeste værdi er højere end værdien for hasarderet kørsel i rundkørsel, men fornemmelsen i bilen er kortvarig og næsten ikke mærkbar. For bevægelsen op/ned (z), registreres en påvirkning på 10 m/s 2 (svarende til 1 g) ved 50 km/t og op til 25 m/s 2 (svarende til 2,5 g) ved 90 km/t. Som for bevægelsen på tværs af kørselsretningen, er fornemmelsen ved påkørsel inde i bilen kortvarig og næsten ikke mærkbar. Det er støjen, der giver en ubehagelig oplevelse for personer i bilen. 9

10 Figur 12: Måleresultat for Fiat Punto, 90 km/t Konklusion af forsøg Forventeligt er der større påvirkninger for den lille bil (Fiat) i forhold til den store familiebil (Toyota) og samlet set ses de største påvirkninger for den høje hastighed (90 km/h). Mest interessant er bevægelsen op/ned (z), hvor den lille bil (Fiat) har værdier over 2,5 g, der svarer til næsten den dobbelte påvirkning i forhold til den store bil (Toyota), der har en værdi på 1,5 g. Påvirkningerne er af arten kraftimpulser, som tiltager eksponentielt med en øgning af hastigheden. Kraftimpulserne kan mærkes, når man kører over kantstenen, men medfører ikke tab af herredømmet over bilen. Ved en kantstenshøjde på 50 mm er der ikke for nogen af bilerne målt eller oplevet påvirkninger, der afviger fra almindeligt forekommende påvirkninger fra vejens forløb. Kantsten med opspring på 50 mm vurderes derfor ikke at udgøre nogen risiko for almindelige biler. Ved kantstenshøjde på 100 mm er der registreret større påvirkning, særligt for den lille bil. Dog ikke påvirkninger, der gør skader på køretøj eller personer, ligesom køretøjer ikke slås ud af kurs ved påkørsel af kantstenen. Risikoen ved det højere opspring er førerens reaktion, i det tilfælde, at vedkommende bliver forskrækket over f.eks. den høje lyd påkørslen kan medføre. 10

11 Simuleringer Efter udførelser af testkørslerne, er der udført simuleringer af påkørsel af kantsten ved hhv. 50 mm og 100 mm ved middel (50 km/h), høj (90 km/h) og meget høj hastighed (130 km/h). I programmet PC-Crash er Toyota Avensis justeret til samme værdier som opnået ved de praktiske forsøg. Det giver ved 90 km/t og 10 cm kantsten resultaterne vist nedenfor. Figur 13: Simulering i PC-Crash Der er således afvigelser mindre end 7 %, hvilket anses for tilfredsstillende især under hensyntagen til variationer indenfor dæktryk, slitage af hjulophæng, belæsning m.v. Fiat Punto opnår efter justeringer tilsvarende de 2,5 g, der opnåedes ved forsøgene. Bilerne er således opdateret i PC-Crash til at reagerer som målt ved forsøgene. Opsummering af simuleringer: højeste accelerationspåvirkning i de forskellige situationer: Accelerationspåvirkning Opspring 5 cm Opspring 10 cm Hastighed Retning Fiat Punto Avensis Fiat Punto Avensis 50 km/t Langs (x) 0,1 m/s 2 0,1 m/s 2 15,4 m/s 2 5,5 m/s 2 50 km/t Tværs (y) 0,7 m/s 2 0,1 m/s 2 16,0 m/s 2 10,0 m/s 2 50 km/t Op (z) 3,9 m/s 2 0,2 m/s 2 17,0 m/s 2 10,0 m/s 2 90 km/t Langs (x) 0,1 m/s 2 0,4 m/s 2 12,5 m/s 2 7,5 m/s 2 90 km/t Tværs (y) 0,3 m/s 2 0,1 m/s 2 17,1 m/s 2 4,0 m/s 2 90 km/t Op (z) 3,1 m/s 2 0,3 m/s 2 25,0 m/s 2 10,0 m/s km/t Langs (x) 0,1 m/s 2 0,1 m/s 2 11,5 m/s 2 8,5 m/s km/t Tværs (y) 0,3 m/s 2 0,0 m/s 2 16,0 m/s 2 10,7 m/s km/t Op (z) 2,5 m/s 2 0,1 m/s 2 19,0 m/s 2 25,0 m/s 2 11

12 Resultater fra simuleringer med 50 mm opspring, Fiat Punto 50 km/t Højeste accelerationspåvirkning i længderetningen [long] 0,1 m/s 2 90 km/t tværretningen [lat] 0,7 m/s 2 vertikalt [vert] 3,9 m/s 2 Højeste accelerationspåvirkning i længderetningen [long] 0,1 m/s km/t tværretningen [lat] 0,25 m/s 2 vertikalt [vert] 3,1 m/s 2 Højeste accelerationspåvirkning i længderetningen [long] 0,1 m/s 2 tværretningen [lat] 0,3 m/s 2 vertikalt [vert] 2,5 m/s 2 12

13 Resultater fra simuleringer med 50 mm opspring, Toyota Avensis 50 km/t Højeste accelerationspåvirkning i længderetningen [long] 0,1 m/s 2 90 km/t tværretningen [lat] 0,1 m/s 2 vertikalt [vert] 0,2 m/s 2 Højeste accelerationspåvirkning i længderetningen [long] 0,4 m/s km/t tværretningen [lat] 0,1 m/s 2 vertikalt [vert] 0,3 m/s 2 Højeste accelerationspåvirkning i længderetningen [long] 0,1 m/s 2 tværretningen [lat] 0,0 m/s 2 vertikalt [vert] 0,1 m/s 2 13

14 Resultater fra simuleringer med 100 mm opspring, Fiat Punto 50 km/t Højeste accelerationspåvirkning i længderetningen [long] 15,4 m/s 2 tværretningen [lat] 16,0 m/s 2 vertikalt [vert] 17,0 m/s 2 90 km/t Højeste accelerationspåvirkning i længderetningen [long] 12,5 m/s km/t tværretningen [lat] 17,1 m/s 2 vertikalt [vert] 25,0 m/s 2 Højeste accelerationspåvirkning i længderetningen [long] 11,5 m/s 2 tværretningen [lat] 16,0 m/s 2 vertikalt [vert] 19,0 m/s 2 14

15 Resultater fra simuleringer med 100 mm opspring, Toyota Avensis 50 km/t Højeste accelerationspåvirkning i længderetningen [long] 5,5 m/s 2 tværretningen [lat] 10,0 m/s 2 vertikalt [vert] 10,0 m/s 2 90 km/t Højeste accelerationspåvirkning i længderetningen [long] 7,5 m/s 2 tværretningen [lat] 4,0 m/s 2 vertikalt [vert] 10,0 m/s km/t Højeste accelerationspåvirkning i længderetningen [long] 8,5 m/s 2 tværretningen [lat] 10,7 m/s 2 vertikalt [vert] 25,0 m/s 2 15

16 Konklusion af simuleringer Simuleringerne viser det samme som forsøgende, nemlig at opspringet på 50 mm ikke giver anledning til påvirkninger, der kan relateres til skade på almindeligt forekommende biler eller nogen personskade. Ved opspring på 100 mm ændres påvirkningen markant, dog relativt størst for det lille køretøj, Fiat Punto. For den højeste hastighed 130 km/t ses, at påvirkningen aftager igen. Det kan virke mystisk, men forklares ved at impulserne ikke kan nå at optages eller påvirke køretøjet med den højere hastighed. Simulering af angivne situationer Vejdirektoratet har udpeget en række situationer, som der er udført simuleringer af på samme vis som ovenfor beskrevet. Situationerne er nævnt i vejregelhåndbøger, f.eks. Prioriterede vejkryds i åbent land, afsnit T-kryds Der er ingen situationer i dette eksempel, hvor 50 mm opspring vil udgøre en risiko. Kørsel med begge biler og 100 mm medfører maksimale accelerationspåvirkninger på 1,4 g, hvilket ikke forårsager kursændring af bilerne. Byport med midterhelle Byporten vil kunne rammes på samme vis som helleanlæg ved T-kryds, og opbyder derfor heller ingen fare. 16

17 Byport med sideheller Samme funktion og samme minimale risiko som ved anvendelse af byport med midterhelle, Rundkørsler Der er ingen kritiske punkter/strækninger, hvor en retlinet simulering overskrider hidtil beregnede påvirkninger. Der kan simuleres situationer, hvor begyndende undvige ved drejning medfører, at bilerne kommer sidelæns hen imod kantstene, hvilket vil kunne medføre væltning, men sådan situation kan opstå alle steder, uanset afgrænsning mellem vejen (kørebanen) og det omkringliggende areal. 17

18 Samlet konklusion af forsøg og simulering Det er ikke muligt at simulere - eller ved forsøg at opnå - påvirkninger ved overkørsel af kantsten, uanset vinkel og højde (under eller lig med 100 mm), der medfører, at bilens bevægelsesretning ændres, eller at fører kan forventes at miste herredømmet grundet den fysiske påvirkning. Der er forøget risiko for ombyggede biler, hvor bilen ændres med kortere fjedre og større dæmpningsgrad, hvilket forstærker virkningen og øger risikoen for skader på bilens undervogn. Det er ikke muligt at påvise skadelig påvirkning ved 50 mm høj kantsten, og der er ikke almindelige situationer i almindelige biler, der forårsager skade eller retningsændring ved 100 mm kantsten. Der er grund til at påpege at enhver uventet handling vil medføre reaktioner fra fører, hvilket gælder indenfor audio (forskrækkelse grundet lyd), det visuelle (noget der virker skræmmende i situationen) og at disse afledte effekter selvsagt optræder hyppigt ved større opspring og ved større hastigheder. Der er således ingen potentiel fare for menneskers helbred, ligesom der ikke kunne konstateres afvigelse i forhold til den forventede kørselsretning for nogen af kørselsforsøgene. Personens oplevelse af overkørslen kan være ubehagelig og afstedkomme en forskrækkelse med deraf følgende uhensigtsmæssig reaktion. 18