автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Теоретические основы и практические методы повышения пассивной безопасности дорожных ограждений



ЫОСКОВСКИЛ ГОСУДАРСТВЕННЫ!! ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЭШШШ

автоыошьно -доишШ институт

(технический УНИВЕРСИТЕТ) - ЫАДИ

На правах рукописи

АСТРОВ ВАДИМ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ METO. ПОВЫШЕНИЯ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ДОРОЖНЫХ ОГРАВДШИЙ

( Специальность 05.23.11 - строительство автомобильных дорог и аэродромов)

АБТОРМЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА 1993

Работа выполнена в Государственном дорожном научно-исследовательсном институте (ЯкЩиРНИИ.

Официальные оппоненты - доктор технических ивук,

профессор и.И. 1еонович доктор технических наук, профессор А.И. Рябчинский доктор технических наук, профессор в.И. Майоров

Ведущая организация - ПШ СОЩДОРИРОШ

Зацита состоится " 17 м июня 1993 г. в 10.00 в ауд. 42 ца заседании специализированного Совета ВАК РФ Д 053. 30.01 при МАМ па адресу: 125829, Москва ГСП 47, Ленинградский проспект, 64.

С диссертацией иокш ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы в двух акзешлярах, заверенные печатьв, проаш направлять по адресу института учецоыу секретари.

Телефон для справок 155-03-28.

,__________________ П П Д ,

«л ¿и^сукраг' разиияыл » __' Г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета

кавд. техн. наук В.М. Сетпееоб

общая характеристика работы

Актуальность темы. Ежегодно на автомобильных дорогах России случается до 190 тыс. происшествий, в которых погибает около 37 тыс. человек и около 200 тыс. человек получают ранения. Из данных статистики известно танке, что 22 - 25? общего количества происшествий связано с непреднамеренный» (неуправляемыми) съездами автомобилей с дороги. Тяжесть последствий таких происшествий особенно велика - в них погибает кавдый пятый человек и в каждом из них имеются раненые, а материальный ущерб характеризуется серьезными повреждениями автомобилей и перевозимых грузов.

Наиболее эффективным средством снижения тяжести последствий указанных происшествий являются дорожные удерживающие ограждения для автомобилей. Целевая функция этих ограждений осуществляется без активных действий людей (водителей автомобилей), в связи с чем удерживающие огракдзния считают элементом системы пассивных средстЕ повышения безопасности дорожного движения.

Проблема повышения качества удерживающих ограждений для автомобилей вызвана тем, что большинство конструкций ограждения, применяемых в настоящее время в нашей стране, било заимствовано за рубежом (Канада, США), где они предназначались для легковых автомобилей, составляющих Основную часть транспортного потока на дорогах этих стран. В нашей стране ограждения должны обеспечивать также удержание грузовых автомобилей и автобусов, осуществляющих основную часть перевозок грузов и пассажиров. Б последние годы проблема повышения пассивной безопасности ограждений стада ещё более сложной в связи с появлением микролитражных легковых автомобилей (BAS IIII "Ока" и его аналоги).

Поэтому задание на решение проблемы удерживающих ограждений для автомобилей было включено в состав общегосударственной целевой комплексной программы 0.55.11 по повышению качества строительства автомобильных дорог. Данная диссертационная работа представляет вклад её автора в решение этой проблемы.

Цель_£§боты состоит £ создании научных основ (теории, методов расчета и испытаний) проектирования дорокннх удерживающих ограждений для автомобилей, как составной части общей совокупности методов прректирования средств повышения пассивно й безопасности автомобильной дороги. Создание теории имеет целью раскрытие физической сущности взаимодействия автомобиля с боковым и фронтальным ограждениями и определение путей улучшения функциональных свойств этих огракдений. Создание м методов расчета имеет целью обеспечение проектировщиков огракдений практическими способами определения и оценки важнейших свойств огравдений. Создание методов испытаний имеет цельс обеспечение проектировщиков и изготовителей ограждений способами проверки расчетных характеристик опытных и серийных образцов огракдений.

Научная новизна работы состоит в следующем: создании основ новой классификации ограждений с использованием признаков их распологения на дороге и характера взаимодействия с удерживаемым автомобилем, в отиичие от прежней классификации, основанной на признаках конструктивного исполнения ограждений;

формировании ряда новых понятий (удар первый, коррекция, удар второй, откренивание автомобиля; выбег автомобиля, критический прогиб ограждения), выражающих главные особенности предложенной автором модели процесса взаимодействия автомобиля с боковым ограждением;

наховденяи нового решения задачи о' силах соударения автомобиля с боковым ограждением на основе принципиально-нового подхода к решению задачи о продолжительности первого удара и работы поворота автомобиля при первом ударе с учетом рассеивания энергии в результате трения и неупруггас деформаций автомобиля и огракдения;

представлении работы ограждения в виде бегущей волны деформации, соответствующей взаимодействию автомобиля с ог-рагдешем в виде бокового скользящего соударения, с увеличением удерживающей способности огракдения посредством его работы с закритичесюш прогибом;

использовании идеи откренивания автомобиля в сторону

проезжей части дороги для принципиально-нового решения задачи о безопасном использовании эффекта откренивания для уменьшения сил соударения автомобиля с боновым недеформируе-ыим ограждением второго типа ("парапет");

впервые предложенном принципе действия и решении задачи о работе фронтального ограждения второго типа с буксируемыми инерционными модулями, открывающими возможности применения этого ограждения в качестве альтернативы гравитационного аварийного съезда, а также принцип действия и решение задачи о работе фронтально-бокового огравденжя, обеспечивающего бе- . зопасность наезда автомобиля на общий торец двух рядом расположенных боковых ограждений;

Епервье предложенной системе принципов обеспечения и критериев пассивной безопасности удерживающих ограждений для автомобилей;

предложенных практических методах расчета основных показателен работы боковых и фронтальных ограждений;

проведении натурных испытаний боковых к фронтальных ограждений и их элементов, подтвердивших результаты теоретических исследований г целесообразность предложенных принципов повышения пассивной безопасности ограждений.

Достоверность представленных в диссертации теоретических положений обоснована фундаментальным законом фязики -законом сохранения и превращения энергии и законами механики деформируемого твердого тела.

Достоверность результатов экспериментов обеспечена воспроизведением реальных условий работы мементов ограждений на установках динамического нагружения и реальней условиями наездов автомобилей на ограждения ври проведении испытаний ограждений на специальном полигоне.

Практическая_денность работы состоит в наховденая экономичных способов исключения случаев гибели лвдеЯ г уменьиенжя примерно на одну треть количества раненых в происвествяях, связанных с наездами автомобилей на дороикые огрввденжя; в создании условий для существенного сокращьдо! времени, трудовых и материальных затрат при создании новш технических решений и огштных образцов огрнжденлй, благодаря применению

разработанных методов их расчета с использованием ЭВМ, при одновременном ограничении объема трудоемких и дорогостоящих натурных испытаний ограждений задачами доводки и приемки опытных и серийных образцов.

Реализация_работы. Результаты работы использованы автором при разработке ГОСТ 26804-86 "Ограждения дорожные'металлические барьерного типа. Технические условия", дополнения (Изменения №1) к этом:' стандарту в части фронтально-бокового огракдения 2ПД0-НЭ и проекта стандарта "Ограждения дорожные удерживающие для автомобилей. Общие технические требования".

Результаты работы использованы также специалистами ПШ Сосздорпроект при создании альбома типовых конструкций ТК 3.503.1 - ь9 "Ограждения на автомобильных дорогах" и специалистами ВНШГПЭ Госкомизобретенжй при создании автоматизированной информационно-поисковой системы "Ограждения дорожные!

Промышленное изготовление ограждений по ГОСТ 26804-86 осуществлялось Волгодонским заводом А/0 Росавтодор, осуществляется металлургическим комбинатом "Амурсталь" и Артековским заводом "Стройиндустрия" (Украина).

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на международных (Алма-Ата 1975, Таллинн 1990), всесоюзных (Каунас 1981, Тбилиси 1987, Волгоград 1989) и региональных (Донецк 1974, Ленинград 1986, Киев 1990) научно-технических конференциях по проблемам безопасности дорожного движения и на 48-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ в 1990 г.

По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ и имеется 5 авторских свидетельств на изобретения.

2йь£М_®ссертации. Диссертация состоит из ЕЕедения, пяти глав, основных выводое и содержит 284 страницы машинописного текста, 45 таблиц, 43 рисунка и список использованной литературы, содержащий 168 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация открывается перечнем терминов, среди которых наиболее важными являются:

Безопасность ограждения активная - сеойстьэ ограждения, улучшающие зрительное ориентированно участников дорожного движения;

Безопасность ограждения пассивная - свойства ограждение, снижающие тяжесть последствий дорожно-транспортных происшествий, связанных с наездами автомобилей на огра^-ние;

Безопасность ограждения послеаварийная - полное или частичное сохранение свойств активной и пассивной безопасности ограядения после его соударения с автомобилем;

Удар первый - первая часть процесса взаимодействия автомобиля с боковым ограждением, определяемая моментами возникновения дх контакта и окончания коррекции;'

Коррекция - поворот 2зто.'.:об::л..: ; положение, параллельное линии бокового огра-лДокля во время первого удара;

Удар второй - вторая часть процесса взахиодейстзия автомобиля с боковш ограздением, определяемая моментами окончания коррекции и начала аыбега автомобиля;

Удерживающая способность ограждения - сьо;;ство огравде-ния снижать до нуля поперечную к линии огрэкдения составляющую скорости двикения автомобиля (боковое ограждение) или полную величину скорости движения лвто;.:обилл (фронтальное ограждение);

Выбег автомобиля - движение автомобиля с момента прекращения его контакта с боковым ограздением.

?°_£2едении автор обосновывает актуальность теми диссертации и её главную цель - создание научных основ проектирования дорожных удерживающих ограждений для автомобилей.

§_9§Шой_главе Дан обзор развития требований к удерживающим огравдениям, существующих представлений о процессах взаимодействия автомобиля и ограждения, методов расчета ограждений и их технических решений. Обзор охватывает наиболее значительные работы, выполненные в нааек стране (В.Л. Агами-ров, г.к. Артемов, В.Я. Буйленко, Е.Б. Гибишан, Б.М. Елисеев,

В.П. Залуга, В.А. Каро-Маде, М.А. Кретоз, П.К. Малинин, И.Д. Сахарова, В.И. Шестериков, Т.А. Шилакадзе) и за рубежом (Б.Бейкерс, Дж. Брайден, М. Бронстед, Дж. Винер, Г. Грайм, М. Грехем, В. Гыо, Д. Данлеп, А. Джайлс, В. Джиавотто, Г.Ка-мошлла, А. Керни, А. Лейкер, Дж. Мичи, А. Ранцо, Ф. Гамани-ни, Ф. Флери, Д. Френч, Т. Хирч) и выявляет недостатки элементов теории, методов расчета и конструктивных решений ограждений, существующих ё настоящее время. Глава заканчивается перечнем задач, намеченных автором для достижения поставленной цели:

уточнить основные понятия, относящиеся к удерживающим ограждениям для автомобилей;

разработать основу новой классификации удерживающих ограждений с использованием признаков их целевой функции и принципов её реализации;

уто -шить представления о кинематике и динамике процесса соударения автомобиля с ограадением и работы ограждения;

разрэботать математические модели этик процессов и провести их исследование с целью установления наиболее значимых критериев пассивной безопасности ограждений;

разработать практические методы расчета наиболее значимых показателей соударения автомобиля с ограждением и работы бокового и фронтального ограждений;

разработать методы натурных испытаний элементов ограждений на специальных стендах динамического нагружения и усовершенствовать метод полномасштабных испытаний ограждений наездами автомобилей;

провести стендовые и полигонные испытания и сравнить их результаты с результатами вычислительных экспериментов, выполненных с использованием ЭВМ;

разработать концепции технических решений ограждений, отвечающих современным требованиям пассивной безопасности и конструктивной экономичности.

§°_эторой_главе изложены теоретические основы обеспечения пассивной безопасности огравдений.

Глава открывается предложенной классификацией дорожных

ограждений, полагающей их деление на сигнальные, защитные и удерживающие. Для классификации последних предложено использовать общий принцип деления технических объектов на классы, типы, группы и виды.

Класс ограждения предложено определять признаками расположения ограждения на дороге. Для класса боковых ограждений характерно линейное расположение вдоль проезжей части дороги. х*ри этом длина ограждения значительно превышает лирину его поперечного сечения, т.е. все боковые ограждения обладают общим признаком барьера. Для класса фронтальных ограждений характерно сосредоточенное расположение перед ограждаемым препятствием, т.е. все фронтальные ограждения обладают признаком буфера.

Тип бокового ограждения определяется способом передачи нагрузки от балки ограждения полотну дороги. У ограждений первого типа передача нагрузки осуществляется посредством стоек. Для ограждений второго типа характерно непооредстнен-ное опирание балки на поверхность дороги. Тип фронтального ограждения определяется признаками его взаимодействия с автомобилем: для первого типа характерно взаимодействие только с передней частью автомобиля, для втпрого - охват удерживаемого автомобиля спереди и с боков.

Группа ограждения определяется признака™ места его установки (на земляном или мостобом полотне дороги).

Вид ограждения определяется признакам! его компоновки и исполнения.

Условия, при которых происходят наезды автомобилей на ограждения, достаточно полно рассмотрены в работах В.П. За-луги и В.Я. Буйленко. Поэтому в данной работе основное внимание уделено рассмотрению процесса взаимодействия автомобиля с ограждением.

Для удержания автомобиля боковым ограждением необходимо, чтобы их взаимодействие происходило в виде скользящего соударения. Проведенный автором анализ кадров скоростной киносъемки процесса соударения показал, что в общем случае взаимодействие происходит в виде двух последоватедьнмх уда-

рев. В течение первого удара происходит коррекция направления движения автомобиля-его поворот в положение, параллельное линии ограждения. Для осуществления коррекции необходимо выполнение условия

агс > {1)

где ¿^-угол между боковой стороной автомобиля и линией,соединяющей центр масс автомобиля с точкой контакта автомобиля и ограждения (рис. 1,а); -¿'-угол наезда; ^/-коэффициент трения автомобиля и ограждения. ^

Рассматривая коррекцию как случай плоскопараллельного движения, автор выражает продолжительность первого удара зависимостью » , л ^

4- - А«- + ?-*-/«-ЛПХГ ОХ*.

Уо Л'/2 - ' ( 2 }

где Д,-деформация автомобиля; ^-поперечный прогиб ограждения; у^-расстоякие от точки контакта до середины задней оси автомобиля; с*!-угол между боковой стороной автомобиля и линией ; '¿-скорость автомобиля в момент его наезда на огрэ ждение.

Силу первого удара предложено считать состоящей из трех компонентов, первый из которых обусловлен угловым ускорением поворота автомобиля

£ -$4 1 з >

второй-центробекной силой, обусловленной криволинейностью трактории коррекции

^(ъ-гъ)^ (4)

третий-трением автомобиля и ограждения

£ = (Ъ <51

Таким образом, сила первого удара

где ^-полярный момент инерции автомобиля; с/и €-плечи нормальной и касательной составляющих силы удара; /^-ыисса автомобиля; ¿¥с-центробежное ускорение; ^-коэффициент попо-

речного сцепления колес автомобиля с дорогой; Ь -база автомобиля; -расстояние от передней оси до центра масс автомобиля.

В процессе первого удара и коррекции часть энергии удара преобразуется в энергию вращения автомобиля, величина которой в конце удара определяется величиной работы трения автомобиля и ограждения и поглощением энергии в результате неупругих деформаций ограждения и автомобиля. Наличие остатка энергии удара

^ В = [о.^^пд?- % ( ? }

означает, что вслед за первым ударом произойдет второй, при котором автомобиль дополнительно довернется на угол

Ъ = <8>

где -коэффициент восстановления;^ -скорость выбега автомобиля.

Второй удар совершается наиболее массивным элементом задней части автомобиля-его задним мостом. Сила второго уда-

9Г--

( 9 >

При малых размерах автомобиля его взаимодействие с неде-формируемым ограждением характеризуется минимальной продолжительностью удара. Для увеличения продолжительности и уменьшения силы удара необходимо уменьшить скорость соударения. С этой целью лицевой поверхности ограждения следует придать специальную форму (рис. 2), обеспечивающую откренивание автомобиля на угол /

А = СЮ)

в сторону проезжей части дороги до момента соударения автомобиля с ограждением,/

Наезд на нижнюю наклонную грань лицевой поверхности ограждения предложено выразить импульсом откренивания

Рис. 2

о/ ■ <ш

где ^/а-осевой момент инерции автомооиля. В результате скорость соударения автомобиля с верхней частью лицевой поверхности ограждения уменьшится до величины

Использование эффекта откренивания сопряжено с опасностью опрокидывания автомобиля в сторону проезжей части дороги. Для предотвращения опрокидывания иыпульс откренивания в процессе соударения должен быть погаяен суммарным действием моментов импульсов трения автомобиля и огравдения и силы веса автомобиля _

где -моментв импульсов силы трения и силы веса.

* Для грузовых автомобилей и автобусов аффект откренивания не имеет существенного значения, так как при тех же размерах профиля лицевой поверхности ограждения, но значительно большей величине колеи »тих автомобилей, угол откренивания у них невелик и энергия откренивания незначительна по сравнение с общей величиной кинетической энергии автомобиля.

Безопасность человека ь салоне автомобиля при фронтальных ударах обеспечивается посредством специальных удерживающих устройств (ремней безопасности). Но при наезде автомобиля на Ооковде ограждение не исключена возможность удара человека о боковую панель салона. Соударение человека с па-нельв салона рассмотрено на примере наезда легкового автомобиля на боковое недеформируемое ограждение, создающее эффект откренивания.

Проведенные исследования показали, что для осуществления бокового скользящего соударения автомобиля с ограждением

высота оси балки ограждения первого типа должна быть не ме-

ü)

Pus. Ii

нее половины наружного диаметра колеса грузового автомобиля или автобуса, а нижняя кромка балки должна находиться на высоте, исключающей возможность заезда под балку колеса легкового автомобиля ( рис.3,а). При атом нижняя часть профиля лицевой поверхности балки не должна иметь скоса, способного вызвать заклинивание колеса под балкой. Таким образом, ширина балки, симметричной относительно её продольной оси, дол- ■ жна быть

¿Л/ = ¿(¿о - 4г/ (14)

и соответствующая высота ограждения должна быть

и ^ О > (15>

нв = О.^ , зеу

Высота бокового ограждения второго типа (рис. 3,6) определяется высотой подъема колеса грузового автомобиля (автобуса) по лицевой поверхности ограждения и предельной величиной угла поперечного крена легкового автомобиля

км л» (16)

где # ^Г^

^ fia.it. ^

Для осуществления взаимодействия с боковым деформируемым ограждением в виде скользящего удара необходимо также, чтобы прогиб ограждения имел форму пологой плавной волны с размерами, соответствующими продольному и поперечному перемещениям точки контакта автомобиля с ограждением при первом ударе. Необходимо также исключить возможность непосредственного контакта автомобиля со стойками ограждения. ПоэГоыЗ соединение балки со стойками должно быть выполнено посредством консолей и центр вращения стойки должен находиться ниже поверхности дороги.(рис. 4,а). При одинаковой величине прогиба ограждения угол отклонения деформируемой стойки больше чем у недеформируемой на величину

где к -вылет консоли; @ -ширина стойки.

Реальный характер работа ограждений показывает, что отклонение стоек происходит при предельном сопротивлении грунта. Поэтому для решения задачи о работе отклонения стойки автор использовал известное решение Г.И, Глуишова и В.В. Ле-венстама о предельной нагрузке короткой сваи, дополнив его учетом сил инерции стойки и тела вшора грунта.

Для увеличения удерживающей способности деформируемого ограждения необходимо увеличение длины волны прогиба. При заданной форме прогиба это означает работу ограждения с зак-ритическим прогибом (рис. 4,6). Повышение удерживающей способности недеформируеыого ограждения второго типа ("парапет") достигается передачей нагрузки на соседние секции балки, в связи с чем первостепенное значение имеет обеспечение прочности стыков секций. На основе реального характера разрушения стыков автором предложена новая схема для их расчета на прочность.

В отличие от бокового, фронтальное ограждение должно обеспечить полную остановку автомобиля. Взаимодействие автомобиля с фронтальным ограждением представлено моделью, учитывающей массу автомобиля, его жесткость Сцш жесткость ограждения Сд . В соответствии с этой моделью длина остановочного пути автомобиля

С учетом толерантности человека к действию продольной перегрузки и скорости её нарастания, минимальная длина остановочного пути

установиваейся величине перегрузки; \/ - скорость автомобиля в конце нарастания перегрузки. *

Рассмотрены особенности работы фронтальных ограждений первого и второго типов.

(18)

Обобщение особенностей работы боковых огравдений обоих типои позволило автору сформулировать ряд наиболее существенных критериев их пассивной безопасности:

первый критерий - равенство энергии соударения и работы деформации автомобиля и ограждения

Лп&Т - ил+У6 <20>

второй - величина замедления поступательного движения автомобиля вдоль ограждения

ах - ~ ^ + 9.81 К^ (21)

третий - коэффициент формы волны поперечного прогиба ограждения

четвертый - величина несущей способности балки ограждения

Pg Ъ- (23)

пятый - реакция стойки

Гр = (24)

шестой - высота оси балки ограждения первого типа над поверхностью дороги

Ао = О^Яь/ (25)

седьмой - расстояние от нижней кромки балки до поверхности дороги

/г* = (26)

восьмой - величина валета консоли

девятый - условие безопасности откренивания автомобиля в сторону проезжей части дороги (для огравдений второго типа)

- с»

17

Главный критерий пассивной безопасности фронтального ограждения - равенство

й^ъ-С - & - Ш (29)

второй критерий - минимальная длина и прямолинейность остановочного пути автомобиля(19).

Общими для всех удерживающих ограждение критериями безопасности являются:

предельно-допустимые величины перегрузок, действующих □с главным осям автомобиля (продольная 12, поперечная 9, вертикальная 7);

скорость нарастания перегрузки (не более 4905 м/с3);

иддекс тяжести травм людей в автомобиле

ЩЩЩЩГЩЩ < .

Третья глава посвящена методам расчета показателей пассивной безопасности ограждений. Для расчета скорости наезда автомобиля на ограждение автор рекомендует использовать известные формулы В.П. Залуги и В.Я. Буйленко. Для расчета величины угла наезда - предложенный им способ, в соответствии с которым

где X = • Я "Р®™0 кривизны линии ог-

раждения; /^,-радиус кривизны траектории сближения автомобиля с ограждением; /^.-расстояние меаду автомобилем и ограждением в начале сближения.

В частном случае (= оо ; X = 0)

£ = агс &$(<!- (51)

Обобщение данных о повреждениях автомобилей при соударениях с боковыми ограждениями показало, что в случаях соударения легковых автомобилей с недеформируеыш ограздением величину деформации автомобиля следует рассчитывать по формуле

А? - Сс< * й/Ын^^'п , (32)

где ¿^-передний свес автомобиля,к величину ^.-по формуле

Л 0.2^3^ <®>

в при соударении с деформируемым огрввдением - по формулам: = С^/г/Ц^ (35)

Деформация автобуса и грузового автомобиля во всех случаях не выходит за пределы переднего свеса, т.е. для расчета величин ¿^и следует использовать формулы (35) и (36).

Входящую в формулу силы первого удара величину плеча ¿¿в случае соударения легкового автомобиля с недеформируе-мым ограждением предложено рассчитывать по формуле

и = 2£Ва+ ¿ЯУ/, (37)

а в случае соударения легкового, грузового автомобиля л автобуса с деформируем™ ограждением - по формуле

и. =« 0//*%$у(ь*о.^р0.¿у (38)

Величину плеча во всех случаях предложено рассчитывать по формуле

е -о^/щрЬа о.увя/ (39)

Величина работы деформации бокового ограждения первого типа определяется суммой работ изгиба его балки, изгиба (отклонения) стоек и натяжения балки

Ц-Мв-П + Ц'»'«, ' «°>

где^-угол изгиба балки; У? -угол изгиба (отклонения) стойки; ^-приведенное число стоек в пределах волны деформации огравдения; -сила натяжения балки; -длина волны де-

формации ограждения.

При работе ограждения в режиме бегущей волны деформации угол изгиба балки предложено рассчитывать как отношение приращения длины волк¿1 к радиусу кривизны изгиба.

Для расчета работы отклонения стоек предложены формулы приведения количества стоек с разными углами отклонения к числу стоек, отклоненных на угол, соответствующий критическому прогибу ограждения.

Для расчета работы натяжения балки, ввиду неопределенности реальных величин взаимного смещения её секций в стыках (из-за разницы усилий затяжки болтов и коррозии), автор предлагает использовать данные о натяжении балки, получаемые при испытаниях ограждений наездами автомобилей.

Расчет работы изгиба балки из стального гнутого профиля 312 х 83 х 4 мм показал, что при работе ограждения с прогибом до 1.25 м работа изгиба достигает 26 кДж. В сочетании с этой балкой в применяемых в настоящее время ограждениях работают деревянные, железобетонные и стальные стойки, показатели которых приведены в табл. I. Из данных этой таблицы

Таблица I

Норматив- Марка и ный доку- материал мент стойки

I 2

тпр 503-0-17

гост 26804-86

Момент, кН м Реакция, кН

в задел- изгибав- по за- по из-

ке щий делке гибу

~~3 4 ~ 5~____|Г_

31.4 24.2 48.4 13.3 22.1 20.5

40.5 41.9 62.3

8.9 15.0 11.7

Деревянная 15.6

Железобетонная 14.4 Стальная(двутавр16)27.2

СД-1 (ивеллер 12) 9.0

видно, что деревянная стойка имеет почти двукратный запас прочности. У железобетонной стойки запаса прочности нет. Стальная стойка их двутавра 16 имеет почти полуторный запас срочности, излишне увеличивающий её металлоёмкость. Наиболее удачно подобран* стойка СД-1 по ГОСТ 26804-86.

Расчет углов отклонения стоек при критическом прогибе

2и

ограждения показал, что угол отклонения недсформируемых стоек по ТПР 503-0-17 составляет 0.3 рад. (17.2 град.), а у деформируемой (изгибаемой) стойки СД-1 по ГОСТ 26804-86 достигает 0.66 рад. (37.8 град).

Основу расчетн показателей безопасности соударения автомобиля с боковым недеформируемым ограждением второго типа ("парапет") составляют изложенные выше представления о преобразовании части кинетической энергии поступательного движения автомобиля в работу его откренивания. Решение задачи обеспечения пассивной безопасности этого ограждения сводится к выбору варианта размерных соотношений элементов профиля лицевой поверхности ограждения по предложенным критериям.

Главной задачей расчета фронтального ограждения с инерционными разрушаемыми модулями является определение их масс и количества. При определении размеров модулей необходимо иметь в виду, что для предотвращения въезда автомобиля на ограждение и попадания частей модулей в его салон, размеры модулей должны быть ограничены по высоте: снизу - в соответствии с величиной дорожного просвета под балкой переднего моста автомобиля; сверху - в соответствии с высотой передней кромки его капота.

Основу расчета фронтального ограждения в виде блока деформируемых модулей составляет баланс энергии фронтального удара и работы деформации модулей. Главная задача проектирования такого ограждения состоит в определении количества и деформативно-силовых характеристик модулей.

Для повышения безопасности наезда автомобиля на торцевой участок сопряжения двух рядом расположенных боковых ограждений автором разработано фронтально-боковое ограждение 211Д0-НЭ. Дан пример его расчета.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям, цель которых состояла в сравнении расчетных и фактических показателей пассивной безопасности ограждений, а главная задача - в получении этих показателей путем вычислитель-

ных экспериментов и натурных испытаний элементов огравдений на установках динамического нагружения и испытаний огравдений наездами автомобилей на специальном полигоне.

Результаты расчетов угла наезда по предлокенной автором формуле показали хорошую сходимость с величинами угла, установленными В.П. Залугой и В.Я. Буйленко на основании анализа данных статистики происшествий с наездами автомобилей на ограждения.

Сравнение расчетных и фактических показателей взаимодействия автомобилей с боковыми ограждениями показало, что их относительная погрешность находится в пределах, допустимых при разработке экспериментальных и опытных конструкций ограждений. Так, например, расчеты, выполненные применительно к наезду на боковое деформируемое ограждение автобуса ЛИАЗ 677 со скоростью 50 км/ч под углом 20 град., показали расчетное время коррекции 0.849 с (фактическое 0.880 с), угол поперечного крена автобуса 0 град, (фактический 6 град) и угол выбега 9 град, (фактический 5 град).

Особый интерес представляют результаты исследования соударения легкового автомобиля ВАЗ IUI "Ока" с недеформи-руемым ограждением второго типа ("парапет"), тлеющим различные размеры профиля лицевой поверхности (табл. 2), Из данных

________________________________________Таблица 2______

Параметр Бкини- Название профиля лицевой поверх-

соударения ца изме- --------------—-----------

рения Дженерал Нью Нью Моторс Джерси Джерси Ф

Угол откренинания, град. 22 15 а

Время, с 0.132 0..Î34 0.128

Сила первого удара,кН 40.8 41,2 44.9

Сила второго удара»кН 13.8 13.3 12.4

Угол крена, град. 44 43 • 14

Перегрузка поперечная 5.1 5.2 5.2

Индекс тяжести травм 0.57 0.57 0.66

этой таблицы видно, что наиболее безопасным является профиль

"Нью Джерси Ф", в то время как профиль "Дженерал Моторс", обеспечивавший наибольший угол откренивания^уожет вызвать опрокидывание автомобиля. Для проверки расчета угла крека било проведено испытание огравдения с профилем "Нью Джерси Ф" наездом микролитражного легкового автомобиля "Дайхатцу Домино" (аналог ВАЗ IIII "Ока) массой 0.7 т. Наезд на огравдение был выполнен со скоростью 86 км/ч под углом 15 град. Результат испытания подтвердил расчетную величину угла поперечного крена автомобиля 16 град.

Для проверки расчетных величин показателей отклонения стоек ограждения была спроектирована и изготовлена специальная установка (маятниковый копер), позволяющая воспроизводить условия ударного приложения нагрузки к испытываемым стойкам со скоростью до 6.5 м/с с энергией удара до 9 кДж. Испытаниям на этой установке были подвергнуты стойки СД-1 по ГОСТ 26804-86, их заменители из стальных гнутых швеллеров и труб, а также железобетонные стойки по ТПР 503-0-17. Испытания стоек СД-1 подтвердили наличие участка пластической деформации на глубине 0.15 - 0.17 м от поверхности грунта, отделение консоли от стойки при отклонения последней на угол 35 - 37 град, и величину работы отклонения стойки 6 кДж.

Для испытаний ограждений наездами автомобилей на территории ВНВДЦМТ (ЦНИ Автополигона НАШ) был построен специальный комплекс, включающий грунтовую' полосу в плоаадку для установки огравденнй я цеиеятобеноняув полосу для разгона испытательных автомобилей. Размеры грунтовой полосы позволяют устанавливать на ней боковые огравдения длиной до 54а ■л располагать их под углами 12, 15 и 20 град, по отноаешш к оси полосы разгона. Процесс соударения автомобиля с ограждением снимали скоростными кинокамерами. Для определения характера перемещений человека внутр^ салона автомобиля в ряде испытаний испол&зовалв ианехены, закрепленные ва сиденьях диагонально-пояснаш ремияыи.

В качестве базы для сравнения пассивной безопасноотя боковых деформируемых огравденнй были использованы результаты испытаний ограждения первого типа с балкой яз стального гнутого профиля 312 х. 83 х 4 ш, установленной на железобо-тонных стойках по ТПР 503-0-17 с нагом стоек 4 к. Лошпааве

»того ограждения наездом автомобиля ГАЗ 2401 "Волга" массой 1.5 т. со скоростью 45 км/ч под углом 20 град, подтвердило расчетные предположения: балка ограждения получила значительный прогиб в нагруженном пролете, вследствие чего произошло блокирование автомобиля и его разворот поперек ограждения. Результатом испытания этого ограждения наездом автобуса ЛИАЗ 677 массой II т. со скоростью наезда 47 км/ч под углом 20 град, было разрушение ограждения.

Испытание, наиболее наглядно показавшее осуществление взаимодействия автомобиля с ограждением в виде двух последовательных скользящих ударов, было проведено с использованием базовой конструкции ограждения ПДО-З по ГОСТ 26804-86. Для испытания был использован легковой автомобиль ГАЗ 2401 "Волга", массой 1.5 т, наехавший на ограждение со скоростью 80— под углом 20 град. Это испытание подтвердило правильность принципа ограничения реакции стойки величиной, равной двум третям несущей способности балки: поперечный прогиб ограждения составил 0.72 м при длине волны 14 м.

Правильность принципа работы ограждения с закритическим прогибом была подтверждена испытанием ограждения 11Д0-2 по ГОСТ 26804-86 наездом автобуса ЛИАЗ 677 массой II т со скоростью 52 кц/ч под углом 15 град. Поперечный прогиб ограждения составил 1.45 м при длине волны 30 м.

Проверка возможности опрокидывания автомобиля через ограждение была проведена с использованием наиболее опасного в этом отношении автомобиля-самосвала ЗИД-ММЗ-555 (малая величина переднего свеса и короткая база в сочетании с высоким расположены центра масс). Наезд этого автомобиля со скоростью 70 кц/ч под углом 20 град, на ограждение 11Д0-2, безопасно удержавшее автобус ЛИАЗ 677, подтвердило расчетные предположения: автомобиль-самосвал опрокинулся через ограждение.

В каческве базы для сравнения пассивной безопасности фронтальных ограждений были использованы результаты наезда автомобиля ГАЗ 2401 "Волга" со скоростью 80 км/ч на общий торе4 двух радом расположенных боковых ограждений первого тжпа. Испытание показало, что балка одного из ограждений

пробила переднюю часть кузова автомобиля и проникла в его салон, повредив манекен, находившийся на переднем свденье. Испытания фронтально-бокового ограждения 2ВД0-НЭ подтвердили безопасность этого огравдения (табл. 3).

Таблица 3

Показатели ------------В5а_нав§а§------------

соударения Фронтальный_______Боковой___

Расчет Эксперимент Расчет Эксперимент

Автомобиль ГАЗ 2401

Масса автомобиля,кг 1500

Скорость наезда,км/ч 80

Угол наезда, град. О

Путь в контакте, м 9.2 Деформация ограждения, м:

продольная 8.7 поперечная Перегрузка автомобиля:

продольная поперечная

2.7

ГАЗ 2401 ГАЗ 2401 ГА32402

1500 1500 1700

80 80 70

О 20 25

8.8 4.4 4.3

8,7

2.9

0.5 0.45 3.3 3.4

Наряду с данными собственных испытаний для сравнения результатов вычислительных и натурных экспериментов были использованы данные наиболее показательных испытаний ограждений за рубежом. Сравнение расчетных и фактических показателей взаимодействия автомобилей с боковыми ограждениями представлено рис. 5.

Цятая глава посвящена учету показателей пассивной безопасности ограждений при оценке экономической эффективности их применения. Ввиду того, что главным фактором ущерба от происшествий, связанных с наездами автомобилей на ограждения, является частота наездов, известная методика её определения дополнена предложениями по учету степени сложности дорожных условий, базирующимися на данных В.Ф. Бабхова и В.П. Залуги, а также на данных Т.А. Литвиновой о частоте происшествий с автомобилями разных типов.

В связи с перестройкой экономических отношений и неу-

Сравнение расчетных и экспериментальных величин показателей соударений автомобилей с боковыми ограждениями: а) продолжительность первого удара, с; б) поперечная перегрузка автомобиля; в) угол поперечного крена автомобиля, град.; г) угол выбега, град.

Обозначения: Р-величины, подученные расчетом; Э-вели-чины, полученные в результате испытаний ограждений наездами автомобилей; У-относительная погрешность; ^ -коэффициент корреляции.

9 0.8

о.б

ол о. г

|/

■1 Л

V = 6.

У 1/ 1 =

о.2 а. 6 о. 8 р

О 1

• 1

в /Г £ =

> 1 К» = о.в<1 1

/

? Г

Ао

2.о

■ъ) • /

в •

Г = о.^

ло

Г

2.0 Р

Рис. 5

V X А

/ / / А.

У /ш = 0.88

Чо

становившимися процессами ценообразования, получение точного ответа на вопрос о величине экономического эффекта в результате повышения пассивной безопасности ограждений в настоящее время невозможно. Но, в рамках решения этой задачи, даны рекомендации по определению соотношений наиболее значимых факторов, влияющих на величину ущерба при отсутствии ограждения (или его недостаточной удерживающей способности) и при наличии безопасного удерживающего ограждения.

Важнейшим результатом повышения пассивной безопасности ограадений является уменьшение случаев гибели и ранения людей в происшествиях, связанных с наездами автомобилей на ог-равдения. По данным ВШИЦД МВД СССР повышение пассивной безопасности ограадений, достигнутое в результате применения изложенных выше новых принципов их проектирования, обеспечило сокращение потерь почти в 10 раз по сравнению с ограждениями прежних конструкций. О повышении качества ограждений новых конструкций свидетельствуют также показатели их конструктивной экономичности (табл. 4).

основные вывода

1. Данные статистики дорокно-транспортных происшествий, связанных с наездами автомобилей на ограждения, свидетель-стъуют о необходимости повышения удерживающей способности и безопасности ограждений.

2. Анализ состояния имеющихся научных основ проектирования удерживающих ограждений для автомобилей выявил необходимость более глубокого осмысления процессов взаимодействия автомобилей с боковиии и фронтальными ограждениями с целью создания общей теории этих процессов и соответствующих методов расчета и испытаний ограждений.

Сз. Главны® результатами данной работы являются:

новая классификация дорожных ограадений, предусматривающая подразделение удерживающих ограждений для автомобилей на классы, типы, группы и виды в соответствии с признаками расположения ограждений на дороге, принципами их действия и особенностями конструктивного исполнения;

рад новых понятий и соответствующих терминов для выражения процессов взаимодействия автомобиля с удерживающим

2?

Таблица 4

Нормативный документ сечения балки,

Момент

сопрога

вления

Шаг стоек,

Материал стоики

Работа деформации ограждения, ВДж,

при его поперечном прогибе, м

см

Конструктивная экономичность ограждения, —5Й5___

кг/пог.м, при зго поперечном про_ Гибе^ м _

0.50

1,00

1.25

0.50

,1.25,

8

ТПР

503-0-17

ГОСТ

26004-86

35

35

2

1

4

3

2 I

Деревянная 32.5

Железобетон 31.6

Сталь (дву- 61.6 тавр № 16)

26.2

Сталь (швел-30.7 лер № 125 35>б

50.4

55.1 62.6 77.4 121.9

68,6 78.5 98.3 157.6

1.91 1.26 1.31

1.31

1.33 1.37 1.40

3.41 3.43 3.78 4.38

Показатели фронтальных ограждений

Работа деформации, кДж Масса металлоконструкции, кг Конструктивная экономичность, цДж/кг

Негер (ФРГ)

29 126 0.23

Марка ограждения

ГРЕЙТ (США)___211Д0-НЭ (РФ)

370 2000

370 550

0.19

0,67

ограждением;

принципиально-новые решения задач о продолжительности соударения автомобиля о ограадением; силах первого и второго ударов; устойчивости автомобиля против опрокидывания через ограждение; уменьшения сил ударов и предотвращения опрокидывания автомобиля в сторону проезжей части дороги в случая наезда автомобиля на боковое недеформируемое ограждение второго типа ("парапет"); необходимых соотношениях размеров основных элементов ограждений и автомобилей; необходимой форме волны поперечного прогиба ограждения и работе бокового ограбления первого типа с закритическим прогибом; работе фронтального ограждения с комбинированным использованием деформационных, инерционных и фрикционных свойств его элементов;

система критериев пассивной безопасности боковых и фронтальных огравдений;

методы расчета показателей важнейших функциональных свойств ограждений;

методы испытаний элементов ограждений на установках динамического нагружения и полигонных испытаний ограждений наездами автомобилей;

экспериментальное подтверждение эффекта значительного увеличения удерживающей способности и повышения конструктивной экономичности бокового ограадения первого типа при его работе с закритическим прогибом и фронтального ограадения с комбинированным использованием деформационных, инерционных и фрикционных свойств его элементов.

4. Достоверность полученных теоретических решений обоснована фундаментальным законом сохранения и превращения энергии я законами механики деформируемого твердого тела. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена воспроизведением реальных условий работы элементов огравдений на установках динамического нагружения и реальных условий наездов автомобилей на ограждения при проведении испытаний огравдени на специальном полигоне.

5. Ценность теоретических результатов работы состоит в дополнении ими общей теории пассивной безопасности комплек-

са "Человек-Автомобиль-Дорога-Окружающая среда" в части удерживающих ограждений »являющихся гяавным средством повышения пассивной безопасности автомобильной дороги.

6. Главная практическая ценность работы состоит в решении проблемв существенного сокращения случаев гибели и ранений людей, а также уменьшении повреждений автомобилей в происшествиях, связанных с наездами автомобилей на ограждения.

7; Ценность работы для проектировщиков ограждений состоит в обеспечении возможности создания новых технических решений ограждений преимущественно расчетными методами с использованием ЭВМ при одновременном ограничении обьема трудоемких и дорогостоящих натурных испытаний ограждений задачами доводки и приемки их опытных и серийных образцов.

8. Использование результатов работы позволило создать технические решения ограждений, положенные в основу ГОСТ 26804-86 "Ограждения дорожные металлические барьерного типа. Технические условия" и дополнения (Изменения К I) к нему в части фронтально-бокового ограждения 211ДО-НЭ, а также разработать проект стандарта "Ограждения дорожные удерживающие для автомобилей. Общие технические требования?

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Аатров В.А. Современные требования к элементам инженерной обстановки автомобильных доров с позиций безопасности движения // Тез. докл. Респ. науч.-техн. конф. Прогрессивные методы создания безопасных условий движения автотранспорта

и пешеходов средствами дорожной службы. -Киев. -1974. -с. 12-14.

2. Астров В.А. Совершенствование средств пассивной безопасности на автомобильных дорогах // Тез, докл. Первой науч.-техн. конференции стран-членов СЭВ по проблема*! безопасности дорожного движения. -Алма-Ата. -1975. -с. 407-413.

3. Астров В.А., Елисеев Б.М., Ыартыненко В.В. Методические рекомендации по созданию безопасных инженерных обустройств автомобильных дорог. -М.: Союздорнни. -1975. -16с.

4. Астров В.А. Совершенствование конструкций направлявших ограждений на основе требований безопасности движения // Совершенствование инженерных обустройств автомобильных дорог в целях повышения безопасности дорожного движения /Сб. науч. тр./ Союздорнии. -М.:-1976. с. 23-40.

5. Астров В.А. Требования к средствам пассивной безопасности на автомобильных дорогах // Совершенствование инженерных обустройств автомобильных дорог в целях повышения безопасности дорожного движения / Сб. неуч, тр./ Союздорнии. -Ы.: -1976. -с. 5-14.

6. Астров В.А. Современные конструкции дорожных ограждений, опор знаков и мачт освещения // Тез. докл. Всесоюзн. науч.-техн. конф. Современные тенденции в обустройстве автомобильных дорог. -Каунас. -1981. -с. 30-31.

7. Астров В.А., Сахарова И.Д., Серегин И.Н. Современные требования к проектировании безопасных ограждений проезжей части автомобильннх дорог и мостов // Вопросы создания безопасных конструкций дорожных и мостовых ограждений, опор дорожных знаков, мачт освещения /Сб. науч. тр./ Союздорнии. -li. :-1982. с. 4-15.

8. Астров В.А., Малинин П.К. Безопасные конструкции ограждающих устройств на автомобильных Дорогах. -М.: ЦБНТИ Минавтодора РСФСР. -1983. -!«3. -42 с.

9. Астров В.А., Елисеев Б.М., Малинин П.К. Надежность и безопасность дорожного бокового ограждения барьерного типа // Тез. докл. науч.-техй. конф. Пути повышения безопасности дорожного движения транспортных средств е плане реализации программы "Интнесификация-90". -Ленинград. - I9B6. -с. 61-65.

10. Астров В.А., Малинин U.K. Повышение надежности ограждения барьерного типа //Автомобильные дороги. -1986. -II. с. 13-14.

11. Астров В.А., Малинин П.К. Принцип работы, метод расчета и конструктивное решение бокового ограждения барьерного типа // Совершенствование транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог и их обустройств / Сб. науч. тр./ Союздорнии. —ГЛ. г 1986. -с. I04-II9.

12. Астров В.А. Критерии качества дорожного огравдения // Тез. докл. У1 Всесоюзн. науч.-техн. конф. Пути повышения безопасности дорожного движения. -Тбилиси. -1987. с.119-120.

13. Астров В.А., Кретов М.А., Кмурина И.И. Критерии оценки боковых ограждений // Совершенствование планирования и проектирования автомобильных доров /Сб. науч. тр./ Союз-дорнии. - М.: -1987. - с. 94-99.

14. Астров В.а. Принцип работы и метод расчета безопасного фронтально-бокового огравдения // Развитие методов и средств использования ЭВМ для оценки проектных решений автомобильных дорог /Сб. науч. тр./ Союэдорнии. -М.: -1981. -с. 103-116.

15. Астров В.А. Методика оценки устойчивости автомобиля против опрокидывания при наезде на боковое недеформируемое ограждение // Развитие методов и средств использования ЭВМ для оценки проектных решений автомобильных дорог/Сб. науч. тр./ Союздоршш. -М.: -198р. -с. 159-163.

16. Астров В.А. Использование изношенных покрышек автомобильных шин для повышения надежностидорожноро огравдения. // Тез. докл. регион, науч.-техн. конф. Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог. -Суздаль. -1989. -с. 32.

17. Астров В.а. К вопросу об оценке устойчивости автомобиля против опрокидывания при наезде на боковое недеформируемое огравдение. // Тез. докл. Всесоюзн. науч.-техн. конф. Пути совершенствования эксплуатационных качеств автомобильных дорог и повышения безопасности движения. -Волгоград. -1989. -с. 66-67.

18. Лстров В.А., Малинин П.К., Лыоров М.В. Безопасное фронтально-боковое ограждение. //Автомобильные дороги.-1989. -¡¿5. -с. II-12.

19. Лстров В.А. Повышение качества ограждений автомобиль ньк дорог. -41.: ВПТМТРАНССТРО;; Минтрансстроя СССР. -1989. -17 с.

20. Астров В.А. Повышение качества удерживающих ограждений // Тез. докл. науч.-техн. конф. Безопасность движения. -Таллин. -1990. -с.57-59.

'¿L. Астров В.Л. ¡юьиленпе H;j,;.'-4hncTn дорожных удержи- ■ ьающих ограждений. : ¡йЗНТЛ Роидориндорс.* концерна Росав-тодор. -1УУ1. -65 и.

22. Методы обеспечении пассивной безопасности автомобильных дорог (в коллектив!, авторов) ШИИЩ УЩ СССР. -i93G. -79 с.

<¡3. Астров H.A., Калинин U.K. Надежность и оезоиасно-сть бокового удерживающего ограждения барьерного типа.-Алма-Ата.: КазНИШТИ. -1985. -П с.

24. ГОСТ ¿6804-ti6 "играадения дорожные металлические барьерного типа. Технические .условия" (в коллективе авторов). -М.: Издательство стандартов. -19U6. -21 с.

Альбом типовых конструкции 3.503.1-89 "Ограждения на автомобильных дорогах" (в коллективе авторов). -i<!.: ПМ Союздорпроект. -1939.

Авторские свидетельства на изобретения по конструкциям дорожных удерживающих ограждении для автомобилей: 648679; I44I000; 1486547; I49I936; 1687699.

-"¡„дцлемо V : г-:о.тг = ^

-^•"".jTb сГссшсл. Еу.-лга "'..чр;' J... экз. Зглчмз 21-3.

Zi-l-'i/lZ