Modeliranje in analiza pasivno varnih polietilenskih obcestnih stebričkov

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Modeliranje in analiza pasivno varnih polietilenskih obcestnih stebričkov

Diplomska naloga visokošolskega strokovnega študijskega programa I.

stopnje STROJNIŠTVO

Jure Jordan Kozjak

Ljubljana, avgust 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Modeliranje in analiza pasivno varnih polietilenskih obcestnih stebričkov

Diplomska naloga visokošolskega strokovnega študijskega programa I.

stopnje STROJNIŠTVO

Jure Jordan Kozjak

Mentor: doc. dr. Miha Ambrož, univ. dipl. inž.

Ljubljana, avgust 2021

(6)

(7)

(8)

(9)

v

Zahvala

Ob nastanku pričujočega dela se v prvi vrsti zahvaljujem svojemu mentorju, doc. dr. Mihi Ambrožu, za čas, profesionalnost in usmerjanje k odličnosti.

Prav tako se zahvaljujem podjetju Timplast d. o. o. in direktorju gospodu Mateju Naprudniku za plodno sodelovanje, za posredovane informacije in kooperativnost pa gospodu Urošu Brumcu.

Za jezikovni pregled se iskreno zahvaljujem lektorici Patriciji Palčnik, mag. prof. slov. jez.

in knjiž.

Naposled se za moralno podporo v času študija zahvaljujem svoji družini, predvsem bratu Žigi za strokovno podkrepljene komentarje.

(10)

vi

(11)

vii

Izjava

(12)

viii

(13)

ix

Izvleček

UDK 625.748:006.3/.8(497.4)(043.2) Tek. štev.: VS I/919

Modeliranje in analiza pasivno varnih polietilenskih obcestnih stebričkov

Jure Jordan Kozjak

Ključne besede: pregled standardov analiza poškodb gostota snega

obremenitve pluženja konstrukcijska rešitev

V diplomski nalogi so predmet raziskave in preračunov pasivno varni stebrički. Glavni problem je njihova skladnost s trenutno veljavno slovensko zakonodajo in neželene ter nepredvidene poškodbe, ki nastajajo pri njihovi uporabi. V sklopu pregleda literature je poudarek na slovenskem pravilniku za cestno opremo. Predstavljeni so tudi evropski standardi, ki veljajo v Sloveniji, ter izračuni, ki jih narekuje slovenski pravilnik. V praktičnem delu naloge je zasnovan postopek za izračun obremenitev PVS pri pluženju in predstavljen potek meritev gostote snega. Predstavljena je konstrukcijska rešitev temelja, ki preprečuje neželen zasuk PVS. Rezultati so pokazali, da pri običajnih pogojih PVS brez težav prestanejo pluženje in da sta zelo pomembna dejavnika hitrost pluga ter gostota snega. Kar se tiče zagotavljanja pasivne varnosti, je najbolje, da ostane geometrija PVS takšna, kot je, in se več pozornosti posveti odstranitvi snega z vozišča.

(14)

x

(15)

xi

Abstract

UDC 625.748:006.3/.8(497.4)(043.2) No.: VS I/919

Modelling and analysis of passively safe polyethylene roadside bollards

Jure Jordan Kozjak

Key words: standards check damage analysis snow density

snow ploughing load design solution

This diploma thesis deals with passively safe polyethylene roadside bollards (PSB). The main problems are their compliance with the current Slovenian legislation as well as the unwanted and inadvertent damage that occurs in their application. The literature section focuses on the Slovenian Rules on Traffic Signs and Equipment on Roads. European standards, valid in Slovenia, are presented as well as the calculations that the Slovenian rules dictate. In the practical part of the thesis, the procedure is designed for calculating the load of PSB during ploughing. The course of measuring snow density and the design solution of the base that prevents the unwanted twist of the PSB are also presented. The results have shown that under normal conditions the PSB undergo ploughing without difficulty; two crucial factors are the speed of the plough and snow density. As far as ensuring passive safety goes, it is best to leave the PSB geometry as it is; more attention should be paid to removing snow from the carriageway.

(16)

xii

(17)

xiii

Kazalo

Kazalo slik ... xv

Kazalo preglednic ... xvii

Seznam uporabljenih simbolov ... xix

Seznam uporabljenih okrajšav ... xxi

1. Uvod ... 1

1.1. Ozadje problema ... 1

1.2. Cilji naloge ... 1

2. Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1. Pravilnik o prometni signalizaciji in prometni opremi na cestah ... 4

2.2. Standard SIST EN 12899-1 (prometni znak) ... 6

2.3. Standard SIST EN 12899-3 (smerniki) ... 9

2.3.1. Statični test ... 9

2.3.2. Dinamični udarni test za material ... 10

2.3.3. Dinamični udarni funkcijski test ... 10

2.3.4. Dinamični udarni test trk z vozilom pri 70 km/h ... 11

2.4. Standard SIST EN 12767:2008 (pasivna varnost) ... 11

2.5. CEN TS 1317-8:2012 ... 12

2.6. Ugotovitve in komentar standardov ter pravilnikov ... 12

3. Metodologija raziskave ... 15

3.1. Pregled stanja na terenu ... 15

3.1.1. Zgornje Jezersko ... 16

3.1.2. Ravbarkomanda ... 16

3.1.3. Lašče pri Dvoru ... 17

3.2. Poškodbe na terenu ... 17

3.3. Analiza pluženja in dejanskih obremenitev ... 17

3.3.1. Kombinacije obremenitvenih primerov ... 20

3.3.2. Hitrost snega ... 22

3.3.3. Volumen odstranjenega snega ... 26

3.3.3.1. Splošen primer ... 26

3.3.3.2. Obremenitev zgornjega dela ... 28

(18)

xiv

3.3.3.3. Obremenitev spodnjega dela ... 29

3.3.4. Izračun mase ... 29

3.3.4.1. Meritve gostote snega ... 30

3.3.5. Čas trajanja trka ... 35

3.3.6. Gibalna količina in sila na stebričke ... 36

3.3.7. PVS kot konzolni nosilec ... 38

3.3.7.1. Splošen primer ... 38

3.3.7.2. Obremenitev zgornjega dela ... 40

3.3.7.3. Obremenitev spodnjega dela ... 41

3.3.8. PVS z usmerjevalnim znakom ... 42

3.3.9. Dopustna napetost za PEHD ... 42

3.4. Konstrukcijska izboljšava temelja PVS ... 43

4. Rezultati ... 45

5. Diskusija ... 47

6. Zaključki ... 51

Literatura ... 53

Priloga A ... 55

(19)

xv

Kazalo slik

Slika 2.1: (a) PVS (b) PVS z usmerjevalno tablo [4] ... 3

Slika 2.2: Običajni smernik proizvajalca Valplast d. o. o. [5] ... 4

Slika 2.3: Zahteve za znak 3312, povzeto po Pravilniku [6] ... 5

Slika 3.1: (a) Zlomljen PVS z znakom. (b) Odlomljen znak z nosilca ... 16

Slika 3.2: Zaradi pluženja zvit nosilec znaka ... 17

Slika 3.3: Odmet snega za splošen primer ... 18

Slika 3.4: Odmet snega v primeru obremenitve zgornjega dela ... 19

Slika 3.5: Odmet snega v primeru obremenitve spodnjega dela ... 19

Slika 3.6: 3D matrika kombinacij obremenitvenih primerov ... 21

Slika 3.7: Prikaz koordinatnih sistemov in geometrije pluga [15] ... 23

Slika 3.8: Izris geometrije pluga v programu Solidworks ... 24

Slika 3.9: Shematski prikaz komponent hitrosti snega pri odmetu v x-y ravnini ... 25

Slika 3.10: Shematski prikaz rezultante snega pri odmetu snega v x-y ravnini ... 25

Slika 3.11: Prikaz zajetega volumna v določenem trenutku... 27

Slika 3.12: Shematsko prikazan volumen, upoštevan pri trku s PVS ... 27

Slika 3.13: Prikazana sta dva trenutka med pluženjem za oceno odmetanega volumna ... 28

Slika 3.14: Izmerjene dimenzije v mm za obremenitev zg. dela ... 28

Slika 3.15: Izmerjene dimenzije v mm za obremenitev sp. dela ... 29

Slika 3.16: Lokacija za meritev gostote ob cesti ... 31

Slika 3.17: (a) Utež z znano maso za preverjanje tehtnice. (b) Tehtanje snega ... 32

Slika 3.18: (a) Nastavljena prazna posoda pred sneženjem. (b) Posoda napolnjena s snegom ... 34

Slika 3.19: Prikaz zajetega zaslona z zapisanim časom za izračun časa trajanja trka ... 36

Slika 3.20: PVS kot konzolni nosilec za splošen primer ... 38

Slika 3.21: Prerez PVS – kolobar z merami ... 39

Slika 3.22: PVS kot konzolni nosilec za obremenitev zgornjega dela ... 40

Slika 3.23: PVS kot konzolni nosilec za obremenitev spodnjega dela... 41

Slika 3.24: Dodana rebra na temelju PVS ... 44

Slika 4.1: Diagram napetosti v odvisnosti od snežne odeje za splošen primer pri 30 km/h ... 46

(20)

xvi

(21)

xvii

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: PAF razredi povzeti po SIST EN 12899-1 [8] ... 6

Preglednica 2.2: Materialni varnostni faktorji povzeti po SIST EN 12899-1 [8]... 7

Preglednica 2.3: Razredi WL za tlak vetra povzeti po SIST EN 12899-1 [8] ... 7

Preglednica 2.4: Dinamični tlak snega povzet po SIST EN 12899-1 [8] ... 8

Preglednica 2.5: Največja začasna deformacija zaradi upogiba [8] ... 8

Preglednica 2.6: Začasni odklon smernika po SIST EN 12899-3 [9] ... 10

Preglednica 3.1: Ožji izbor obremenitvenih primerov ... 21

Preglednica 3.2: Gostote snega po EN: 1991-1-3 [14] ... 30

Preglednica 3.3: Gostote snega izmerjene na Aljaski [17] ... 30

Preglednica 3.4: Rezultati meritev gostote snega 9. 4. 2021 ... 32

Preglednica 3.5: Rezultati meritev gostote snega 13. 4. 2021 ... 33

Preglednica 3.6: Določene gostote za različne vrste snega ... 34

Preglednica 3.7: Izračunane mase za različne obremenitvene primere in vrste snega ... 35

Preglednica 3.8: Časi trajanj trkov upoštevani za izračun povprečnega časa trka ... 35

Preglednica 3.9: Izračunane sile na PVS za različne primere ... 37

Preglednica 3.10: Podatki o materialu PEHD ... 42

Preglednica 4.1: Rezultati preračunov obremenitev za osem izbranih primerov ... 45

(22)

xviii

(23)

xix

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

a m razdalja od vpetja do obremenitve

b m širina pluga

c m globina zajema snega

h m višina snežne odeje

D mm zunanji premer

d mm notranji premer

F N sila

M N m upogibni moment

m kg, g masa

L m dolžina

P kPa obremenitev smernika

p kg m s^-1 gibalna količina

q N m^-1 zvezna obtežba

t s čas

V m² volumen

W m³ odpornostni moment

v m s^-1, km h^-1 hitrost

α ° kot pluženja

γ / varnostni faktor

δ mm začasni upogib

η / normirana dolžina

θ ° kot pluga

ρ g l^-1, kg m^-3 gostota

σ MPa napetost

Indeksi

cel celotni

dop dopustni

F varnost

k končni

m material

max maksimalni

pos posoda

S sneg

tra trajni

W veter

z začetni

(24)

xx

(25)

xxi

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

ASI indeks silovitosti pospeška (angl. Acceleration severity index)

CEN Evropski komite za standardizacijo

DRSI Direkcija Republike Slovenije za infrastrukturo

DSL dinamična snežna obremenitev (angl. Dynamic snow load)

HE visoka absorpcija energije

JVO jeklena varnostna ograja

LE nizka absorpcija energije

NE brez absorpcije energije

PAF faktor varnosti za obremenitve (angl. Partial action factor)

PEHD polietilen visoke gostote

PVS pasivno varni stebriček

TDB začasen dovoljen upogib (angl. Temporary deflection bending) THIV teoretična hitrost čelnega trka (angl. Theoretical head impact velocity)

WL delovanje vetra (angl. Wind action)

(26)

xxii

(27)

1

1. Uvod

1.1. Ozadje problema

V cestnem prometu, ki ga je iz leta v leto več[1], se pojavljajo nezgode. Trend prometnih nezgod s smrtnim izidom v Sloveniji kljub vedno večjemu številu registriranih vozil pada [2]. Zaskrbljujoče pa je dejstvo, da je delež poškodovanih motoristov pri tem neprimerno večji od njihovega deleža v cestnem prometu [3]. Zato se je pojavila potreba po cestni opremi, ki bi zagotavljala večjo varnost tudi motoristom, saj sodijo ti med najbolj ogrožene udeležence v cestnem prometu.

Posebno nevarnost za motoriste predstavlja obcestna točkovna oprema, npr. drevesa, znaki, obcestna oprema, tudi smerniki in obcestni stebrički. V Sloveniji so se tako začeli pojavljati pasivno varni stebrički, ki s svojo konstrukcijo ob naletu predvsem motoristom zagotavljajo večjo varnost kot konvencionalni smerniki, saj se pri močnejšem naletu pasivno varni stebriček (PVS) poruši in zmanjša oziroma preprečuje nastanek primarnih poškodb na udeležencih.

Problem trenutnih PVS je, da so glede na slovensko zakonodajo testirani enako, kot običajni smerniki in da prihaja v realnosti do poškodb PVS pri običajnih pogojih uporabe, kljub temu da so bili testirani v skladu z vsemi predpisanimi eksperimenti.

1.2. Cilji naloge

Cilj naloge je ugotoviti trenutno stanje in umeščenost PVS v slovenske cestne predpise ter kaj predpisujejo evropski cestni standardi. Po pregledu bomo podali ustrezen komentar s predlogom za umestitev pasivno varne opreme v predpise.

Z analizo dejanskega stanja na terenu želimo ugotoviti, kaj povzroča poškodbe na PVS in kako jih preprečiti. Glede na ugotovitve bodo podani zaključki, ki lahko služijo pripravi dokumenta o vzdrževanju pasivno varnih stebričkov, navodil za cestne službe in po potrebi izrisu cone na področju Slovenije, kjer morda zaradi geografskih vplivov uporaba tovrstne opreme ni najbolj smotrna. Cilj naloge je izdelati tudi alternativno konstrukcijsko rešitev za temelj PVS, s katero bi preprečevali neželeno rotacijo PVS okrog navpične osi.

(28)

Uvod

2

(29)

3

2. Teoretične osnove in pregled literature

V sklopu teoretičnega dela naloge smo v začetku pregledali standarde, ki predpisujejo uporabo trenutnih (običajnih) smernikov in prometnih znakov. Najprej je predstavljen pregled slovenskih predpisov, v nadaljevanju pregled preizkusov in standardov, ki so pogojeni s slovenskimi predpisi. Glavni predmet raziskovanja in preučevanja bodo pasivno varni stebrički, ki so relativno nov izdelek na trgu. To nam daje slutiti, da tako zakonska podlaga kot tudi standardi za tovrstne izdelke niso povsem dobro definirani. Zato bo po pregledu literature podan komentar z ugotovitvami in morebitnimi predlogi za bolj konsistentno opredelitev in obravnavanje pasivno varnih stebričkov.

Slika 2.1: (a) PVS (b) PVS z usmerjevalno tablo [4]

V sklopu raziskave se bomo navezovali na PVS in PVS z usmerjevalno tablo, ki jih proizvaja podjetje Timplast. PVS prikazuje slika 2.1 (a), PVS s tablo prikazuje slika 2.1 (b). Z omenjenim podjetjem smo sodelovali in pridobili tehnično dokumentacijo za PVS, ki jih proizvajajo in jih ponekod po Sloveniji že poizkusno nameščajo ob cestah. Prav tako

(30)

Teoretične osnove in pregled literature

4

so nam posredovali fotografije poškodb PVS z nekaterimi najpomembnejšimi podatki.

Naloga PVS in PVS s tablo je zelo podobna, in sicer usmerjanje prometa in nakazovanje roba vozišča. Usmerjevalna tabla poskrbi za dodatno vodenje voznikov v krivinah. S svojimi lastnostmi, izdelana sta iz PEHD (polietilen z visoko gostoto), zagotavljata tudi pasivno varnost za motoriste, saj se ob naletu motorista v PVS ta hitreje deformira in pusti na udeležencu manjše posledice, kot v primeru običajnega smernika ali običajne table za vodenje prometa.

Trenutno so na področju cestne infrastrukture v Sloveniji za označevanje roba vozišča v uporabi običajni smerniki, kakršnega prikazuje slika 2.2. Glavna razlika med običajnimi smerniki, in PVS je v dimenzijah ter osnovni geometriji in v tem, da PVS s svojimi prej omenjenimi lastnostmi nudi pasivno varnost, torej zmanjšuje ter preprečuje primarne poškodbe. Usmerjanje prometa v ovinkih se zagotavlja z usmerjevalnimi tablami, ki so izdelane iz pločevine in večinoma pritrjene na jeklene stebre. Alternativno rešitev v tem primeru predstavljajo PVS z možnostjo pritrditve usmerjevalne table, ki je prav tako izdelana iz PEHD.

Slika 2.2: Običajni smernik proizvajalca Valplast d. o. o. [5]

V nalogi bomo za poimenovanje PVS uporabljali tudi besedo stebriček, saj se lahko osnovni PVS uporabi kot nosilec (steber) za usmerjevalno tablo. Za konvencionalne smernike bomo uporabljali besedo smernik. Tako bo ločevanje med enimi in drugimi v nadaljevanju jasno določeno.

2.1. Pravilnik o prometni signalizaciji in prometni opremi na cestah

V Sloveniji je na področju cestne opreme v veljavi Pravilnik o prometni signalizaciji in prometni opremi na cestah (v nadaljevanju Pravilnik) [6]. Ta opredeljuje, katere standarde in konstrukcijske zahteve je treba upoštevati pri izdelavi prometnih znakov, cestnih

(31)

5 smernikov itn. Natančneje sta izvedba in postavljanje smernikov opredeljeni v 42. členu (Izvedba in postavljanje cestnih smernikov), kjer je predpisano, kateremu standardu in katerim zahtevam skladno s predpisanim standardom morajo ustrezati.

Cestni smerniki morajo biti izvedeni v skladu z zahtevami standarda SIST EN 12899-3. V drugem odstavku 42. člena Pravilnika o prometni signalizaciji pa so natančneje opredeljene še naslednje lastnosti [6]:

- način vgradnje – tip D3, na malo prometnih cestah in javnih poteh tip D2, - svetlobno odbojna površina – tip R1 razreda RA3 ali tip R2 razreda RA2, - pritisk vetra – WL1,

- odpornost svetlobno odbojne površine proti udarcem – DH 1.

Smernik mora v skladu s predpisom omogočati tudi namestitev snežnega kola na telo smernika, namestitev smernikov za preprečevanje prehoda divjadi čez cesto in namestitev označb za označevanje cest.

Pri pasivno varnih stebričkih, na katerih je nameščen znak za usmerjanje prometa, kar dovoljuje tudi Pravilnik, mora nameščeni znak ustrezati tudi predpisu, ki ga določa Pravilnik z 8. členom (Izvedba prometnih znakov). To pomeni, da mora biti konstrukcija prometnega znaka skladna s standardom SIST EN 12899-1, Pravilnik [6] podaja še naslednje zahteve:

- faktor varnosti za obremenitve – PAF 1, - pritisk vetra – razred WL5,

- dinamični pritisk pri čiščenju snega – razred DSL1, - največja dopustna deformacija pri upogibu razred TDB4.

Podrobna opredelitev znakov za usmerjanje prometa v ovinkih je prikazana na sliki 2.3.

Slika 2.3: Zahteve za znak 3312, povzeto po Pravilniku [6]

(32)

6

V prvem odstavku 70. člena je predpisano, da zajema oprema za vodenje prometa opremo za vodenje, usmerjanje in drugo prometno opremo. Natančneje (z oznako, obliko, barvo, pomenom in namenom označevanja) je oprema popisana v preglednici 70. člena Pravilnika. V preglednici Pravilnika najdemo pod oznako 1112 usmerjevalne stebričke, ki so še najbolj podobni PVS. Pri usmerjevalnem stebričku iz preglednice Pravilnika gre za pritrditev neposredno v vozišče z vijaki, pri PVS, ki je predmet raziskav te naloge, pa predvsem obravnavamo uporabo temelja, ki se zakoplje v zemljo.

Prav tako je v preglednici 70. člena opredeljeno, da mora biti višina usmerjevalnih stebričkov (1112) med 400 in 800 mm. Pri PVS proizvajalca Timplast je višina približno 1200 mm nad tlemi (v primeru dodane usmerjevalne table višina znaša 1500 mm).

Pravilnik pri usmerjevalnih stebričkih ne predpisuje ničesar o varnosti in dodatnih standardih, ki bi jih bilo treba upoštevati pri izdelavi, razen prej omenjen in opisan 42.

člen. Ugotavljamo, da gre zgolj za navidezno, vizualno podobnost. Torej bi bilo smiselno pasivno usmerjevalne stebričke posebej opredeliti, predpisati standard, ki bi ga bilo treba upoštevati pri izdelavi, in ostale konstrukcijske zahteve. Glede na to, da pasivno usmerjevalni stebrički nimajo vloge zgolj usmerjati, temveč je njihova vloga do neke mere tudi zagotavljanje varnosti, nima smisla dodajati nove kategorije v preglednico 70. člena Pravilnika, ampak dodati nov člen, ki bi določal namen, uporabo, konstrukcijske zahteve in postavitev pasivno varnih elementov cestne opreme.

PVS se od običajnih smernikov razlikujejo tudi po velikosti in geometriji, predvsem so višji ter večjega premera. Po pregledu celotnega Pravilnika ugotovimo, da niso nikjer omenjeni preizkusi, standardi in konstrukcijske zahteve za pasivno varne elemente, ki bi ločevali običajne smernike od pasivno varnih stebričkov. Po drugi strani pa je v Sloveniji v veljavi standard SIST EN 12767:2008 Pasivna varnost nosilnih konstrukcij za opremo cest [7], ki je predstavljen v poglavju 2.4.

2.2. Standard SIST EN 12899-1 (prometni znak)

Pravilnik [6] veleva, da morajo biti prometni znaki izdelani skladno s standardom SIST EN 12899-1 [8]. V nadaljevanju so predstavljeni najpomembnejši deli, izračuni in preglednice, ki jih je treba upoštevati pri dimenzioniranju prometnih znakov za uporabo v Sloveniji.

Pravilnik [6] narekuje, da mora biti faktor varnosti za obremenitve razreda PAF1, ki je opredeljen v standardu [8]. Vrednost PAF (angl. Partial action factor) razreda odčitamo iz preglednice 2.1, ki je zapisana v standardu.

Preglednica 2.1: PAF razredi povzeti po SIST EN 12899-1 [8]

PAF razred Dinamične obremenitve snega, vetra in točkovne

obremenitve Skrajna obremenitev

PAF 1 1,35 1,2

PAF 2 1,50 1,35

(33)

7 Pri plastičnih prometnih znakih, kot so tudi PVS, je potrebno upoštevati materialni parcialni varnostni faktor 1,8, glede na preglednico 2.2, ki jo določa standard SIST EN 12899-1 [8].

Preglednica 2.2: Materialni varnostni faktorji povzeti po SIST EN 12899-1 [8]

Material γm

jeklo 1,05

aluminij 1,15

les 1,35

z vlakni utrjen polimer 1,50

plastika 1,80

Celotni varnostni faktor γcel dobimo s produktom faktorja varnosti za obremenitve γF

(razreda PAF1 iz preglednice 2.1) in materialnega faktorja γm (iz preglednice 2.2), kot je prikazano v enačbi (2.1).

𝛾_cel= 𝛾_F∙ 𝛾_m= 1,35 ∙ 1,8 = 2,43 (2.1)

Tlak vetra mora biti v vrednosti razreda WL5, kar znaša 1 kPa. Standard sicer dopušča možnost, da tlak vetra preverimo eksperimentalno ali z vrednostmi iz preglednice 2.3, vendar je s Pravilnikom [6] striktno določeno, da je treba upoštevati vrednosti iz preglednice 2.3. Kratica WL (angl. Wind action) pomeni delovanje vetra.

Preglednica 2.3: Razredi WL za tlak vetra povzeti po SIST EN 12899-1 [8]

Razred Tlak vetra [kN/m²]

WL0 /

WL1 0,40

WL2 0,60

WL3 0,80

WL4 0,90

WL5 1,00

WL6 1,20

WL7 1,40

WL8 1,50

WL9 1,60

Vrednosti iz preglednice 2.3 za veter ne upoštevajo parcialnega faktorja in oblikovnega faktorja. Zato je treba dobljeno vrednost z njima pomnožiti. Glede na izračun tlaka vetra Pw po enačbi (2.2), morajo PVS vzdržati tlak vetra v vrednostih do 2,92 kPa.

𝑃_w = 1,0 ∙ 2,43 ∙ 1,2 = 2,92 kPa (2.2)

(34)

8

Standard opozarja, da so lahko hitrosti vetra v hribovitem okolišu ali v priobalnem svetu tudi do 40 % višje od hitrosti vetra v drugih področjih. Zato je smiselno pri postavitvi smernikov na omenjenih območjih upoštevati višji razred pri tlaku vetra. Omenjeno upoštevanje višjih razredov s Pravilnikom [6] ni posebej predpisano. Standard SIST EN 12899-1 [8] predpisuje oblikovni faktor za smernike vrednosti 1,2. Dinamični tlak pri čiščenju snega PS je po Pravilniku določen z razredom DSL1. Glede na preglednico 2.4, predpisano s standardom, je to vrednost 1,5 kN/m². Kratica DSL (angl. Dynamic snow load) pomeni dinamično snežno obremenitev.

Preglednica 2.4: Dinamični tlak snega povzet po SIST EN 12899-1 [8]

Razred Dinamični tlak snega [kN/m²]

DSL0 /

DSL1 1,5

DSL2 2,5

DSL3 3,0

DSL4 4,0

Upoštevamo še izračunani varnostni faktor, ki znaša 2,43, in po enačbi (2.3) dobimo tlak pri čiščenju snega, ki znaša 3,65 kPa. Dinamičen tlak pri čiščenju snega se ne upošteva sočasno z obremenitvijo vetra.

𝑃_s= 2,43 ∙ 1,5 = 3,65 kPa (2.3)

Pri začasni deformaciji je treba upoštevati razred TDB4, ki dovoljuje 25 mm povesa na 1 m višine. Vrednost TDB (angl. Temporary deflection bending, dovoljen začasen upogib) razreda odčitamo iz preglednice 2.5. Po enačbi (2.4) izračunamo dovoljeni začasni upogib.

Upoštevamo višino PVS 1200 mm (1,2 m), saj se navezujemo na PVS proizvajalca Timplast, ki od tal do maksimalne višine meri ravno toliko.

𝛿_dop = 1,2 ∙ 25 = 30 mm (2.4)

Pri višini PVS 1,2 m nad tlemi je začasen dovoljen upogib δdop enak 30 mm.

Preglednica 2.5: Največja začasna deformacija zaradi upogiba [8]

Razred Upogib [mm/m]

TDB0 /

TDB1 2

TDB2 5

TDB3 10

TDB4 25

TDB5 50

TDB6 100

(35)

9 Začasna deformacija, kot posledica vetra, snega ali točkovne obremenitve je določena v poglavju 5.4.3 s preračunom ali v poglavju 5.4.4 z eksperimentom. Poglavje 5.4.3 določa takšen preračun, da je začasna deformacija znotraj področja elastične deformacije pri obremenitvi vetra, točkovne obremenitve ali dinamičnem tlaku pri čiščenju snega.

Omenjeni poglavji sta zapisani v standardu SIST EN 12899-1 [8].

2.3. Standard SIST EN 12899-3 (smerniki)

Standard SIST EN 12899-3 [9] cestne smernike klasificira v štiri različne skupine:

- D1 smerniki za pritrjevanje v tla, ki niso dimenzionirani za ponovno uporabo po udarnem testu, opisanem v poglavju standarda 7.4.1.3.

- D2 smerniki za pritrjevanje v tla, ki so dimenzionirani za ponovno uporabo po udarnem testu, opisanem v poglavju 7.4.1.3 (npr. takšni smerniki, pri katerih se del med testiranjem loči od celote in ga je možno po trku (testiranju) zopet pritrditi na prvotno mesto).

- D3 smerniki za pritrjevanje v tla, ki so dimenzionirani tako, da se po udarnem testu, opisanem v poglavju standarda 7.4.1.3 povrnejo nazaj v pokončen položaj (vzmetno povračljivi ali fleksibilni).

- D4 smerniki za pritrjevanje v nosilne konstrukcije, npr. mostovi, varnostne odbojne ograje.

Standard SIST EN 12899-3 [9] za smernike določa statični test, dinamični udarni test materiala, dinamični funkcijski udarni test in dinamični udarni test trka z vozilom pri 70 km/h.

Standard predvideva tudi test na odpornost proti koroziji v primeru, da je smernik izdelan iz rjavečega materiala, teste naravnega preperevanja za smernike in teste za odsevne materiale.

2.3.1. Statični test

Predpogoj je, da so trije novi smerniki vsaj 4 ure na temperaturi 23 ± 2 °C. Smernik je treba obremeniti z 0,42 kN/m² po sredini smernika v smeri, v kateri bo potekal promet (za primer PVS z okroglim, osno simetričnim prerezom smer obremenjevanja ni pomembna).

Po 120 s je treba izmeriti začasen odklon na vrhu smernika (obremenitev še vedno prisotna).

Po meritvi pri 120 s odstranimo breme in izmerimo trajni odklon na vrhu smernika.

Izmerjeni vrednosti začasnega in trajnega odklona je treba podati kot odstotek celotne višine smernika, ki je po montaži nad tlemi. V primeru obravnavanih PVS, ta višina znaša 1200 mm.

Po opravljeni izvedbi opisanega testa, smerniki tipov D1, D2 in D3 ne smejo biti poškodovani oziroma ne smejo kazati znakov trajnega odmika, ki bi presegal 5 % višine

(36)

10

smernika nad tlemi. Začasni odklon ne sme presegati vrednosti, prikazanih v preglednici 2.6. Pravilnik [6] pravi, da je treba upoštevati razred WL1.

Preglednica 2.6: Začasni odklon smernika po SIST EN 12899-3 [9]

Razred Maksimalen začasni odklon smernika na najvišji točki nad tlemi

WL0 /

WL1 15%

WL2 5%

Pri višini PVS 1200 mm nad tlemi znaša začasni pomik δz 180 mm, izračun je prikazan v enačbi (2.5).

𝛿_z = 0,15 ∙ 1200 = 180 mm (2.5)

Trajni pomik lahko znaša 5 % višine nad tlemi. Izračunan največji trajni pomik δtra v našem primeru pri višini PVS 1200 mm znaša 60 mm. Izračun je zapisan enačbi (2.6).

𝛿_tra = 0,05 ∙ 1200 = 60 mm (2.6)

2.3.2. Dinamični udarni test za material

Dinamični udarni test za material se izvaja pri temperaturi – 20 ± 2 °C. Po opravljenem testu ne smo biti noben smernik poškodovan ali se razleteti na več kosov. Prav tako trajni odmik ne sme biti večji od 5 % višine smernika nad tlemi. Meritve o trajnem odmiku morajo biti izvedene v roku 24 ur po opravljenem testiranju materiala.

Za izvedbo testa mora biti uporabljena posebna udarna naprava, ki zagotovi primerno energijo trka. V standardu, v poglavju 7.4.1.2, sta izvedba testa in udarna naprava podrobneje opredeljeni [9].

2.3.3. Dinamični udarni funkcijski test

Udarni funkcijski test se izvaja pri temperaturi 23 ± 2 °C. Uporabiti je treba enako udarno napravo kot pri dinamičnem udarnem testu materiala. Drugačna je začetna višina udarnega nihala, s čimer se posledično spremeni tudi obremenitev na smernik. V standardu, v poglavju 7.4.1.3, je izvedba testa podrobneje opisana. Smerniki D2 morajo biti primerni za ponovno uporabo in smerniki tipa D3 morajo biti primerni za ponovno uporabo ter se vrniti v vertikalni položaj. Ne sme biti trajnega odmika pri smernikih tipa D2 in D3, ki bi presegal 5 % višine smernika nad tlemi. Meritve trajnega odmika morajo biti izvedene v roku 24 ur po opravljenem funkcijskem testiranju.

(37)

11

2.3.4. Dinamični udarni test trk z vozilom pri 70 km/h

Dinamični udarni test trk z vozilom je obvezen za smernike z maso večjo od 6 kg. Testirati je treba tri nove smernike, rezultati morajo biti podani v skladu s standardom EN 12767.

Hitrost vozila pri naletu mora biti 70 km/h. Omenjeni standard je predstavljen v poglavju 2.4.

2.4. Standard SIST EN 12767:2008 (pasivna varnost)

Standard SIST EN 12767:2008 [7] deli pasivno varne nosilne konstrukcije v tri skupine:

- visoka absorpcija energije (HE), - nizka absorpcija energije (LE), - brez absorpcije energije (NE).

Nosilne konstrukcije, ki absorbirajo energijo, znatno upočasnijo vozilo, zato je tveganje za nastanek sekundarnih nezgod z ostalo cestno opremo, drevesi, pešci in drugimi cestnimi udeleženci zmanjšano. Nosilne konstrukcije, ki ne absorbirajo energije, vozilu po trku dovoljujejo nadaljnje gibanje z nekoliko omejeno hitrostjo. Pri tovrstnih nosilnih konstrukcijah lahko zagotovijo manjše tveganje za primarne poškodbe kot elementi, ki absorbirajo energijo.

Standard upošteva 4 različne stopnje varnosti potnikov. Stopnje 1, 2 in 3 zagotavljajo naraščajoče stopnje varnosti v navedenem vrstnem redu z zmanjševanjem resnosti trka. Za te tri stopnje sta predpisana sledeča testa:

- test pri 35 km/h za zagotavljanje sprejemljivega delovanja nosilne konstrukcije pri nizkih hitrostih,

- test pri kategorizirani hitrosti (50, 70 ali 100 km/h).

Stopnja 4 pripada majhnim varnim nosilnim konstrukcijam, ki imajo potrjene ustrezne certifikate, s katerimi zagotavljajo zanemarljiv vpliv na povzročanje dodatne škode na udeležencih v prometu. Za stopnjo 4 veljajo poenostavljeni testi pri kategoriziranih hitrostih. Test za zagotavljanje sprejemljivega delovanja konstrukcije pri hitrosti 35 km/h ni potreben. V to stopnjo spadajo zgolj elementi brez absorpcije energije.

Razvrščanje cestne opreme v skupine glede na absorpcijo energije in stopnjo varnosti je izvedeno na podlagi največjih vrednosti indeksa pospeška ASI in teoretične hitrosti trka vozila THIV, ki nastopijo pri izvedenih preizkusih z različnimi začetnimi hitrostmi. Za dodelitev posamezne cestne opreme v kategorijo absorbiranja energije mora biti nujno izveden test pri 35 km/h in pri katerikoli kategorizirani hitrosti (50, 70 ali 100 km/h).

Določitev in izračun indeksa pospeška ASI (angl. Acceleration severity index) in teoretične hitrosti trka THIV (angl. Theoretical head impact velocity) je predstavljen v standardu.

Za izvedbo testov se uporablja vozilo, ki mora imeti 825 ± 40 kg. V vozilu mora biti lutka z maso 78 ± 5 kg, ki ponazarja človeško telo. Dodatni tehnični podatki o vozilu so zapisani v poglavju 6.2 obravnavanega standarda.

(38)

12

Različne stopnje varnosti potnikov in različne kategorije glede absorbiranja energije omogočajo državnim in lokalnim upraviteljem cest, da navedejo, kateri stopnji izvedbe mora ustrezati cestna oprema v skladu z vplivom na potnike pri trku s cestno opremo.

Dejavniki, ki jih je pri tem treba upoštevati ob obravnavi, morajo vključevati:

- opazno tveganje za poškodbe pri nezgodi, - tip ceste in njen geometrični načrt,

- povprečne hitrosti vozil na tem odseku,

- prisotnost ostale cestne opreme, dreves, pešcev, - varnost, ki jo nudi vozilo.

Pomanjkljivost standarda je, da so vsi preizkusi in testiranja izvedena z avtomobilom in pri tem obravnavamo zgolj varnost potnikov v vozilu (avtomobilu). Nikjer niso predpisani posebni testi za motoriste, ki so pri naletu v tovrstno cestno opremo še posebej ranljivi.

Posledično, ker so testiranja predvidena zgolj za avtomobile, je standard ustrezen zgolj za pasivno varno opremo za potnike avtomobilov, pasivno varna oprema za motoriste pa izpade iz tega standarda.

2.5. CEN TS 1317-8:2012

Predpisi na področju zaščite motoristov po Evropi niso enotni. Večinoma se uporabljajo trije različni protokoli, in sicer L.I.E.R, UNE 135900 in BASt [10], [11]. Vsak ima svoje značilnosti in zahteve. Posledično produkti v odvisnosti od tega, kateri zakonodaji sledijo, ponudijo različne lastnosti (prednosti) glede varnosti in stroškov. Zaradi različnih postopkov in metod preverjanja opreme, jih je med seboj tudi težko primerjati. To je razlog, da je Evropski urad za standardizacijo CEN v januarju 2012 sprejel enotno tehnično specifikacijo CEN TS 1317-8 [10], s katero skušajo v skladu z veljavnimi standardi uvesti dodatne postopke preverjanja opreme za zagotavljanje varnosti motoristov.

Eden izmed glavnih problemov, ki ga navajajo v specifikaciji, so zaščitne ograje in ostala varnostna cestna oprema, ki je dimenzionirana za avtomobile ter težka vozila. Predlagajo uvedbo različnih zaščitnih ukrepov in sistemov za motoriste. Specifikacija obravnava tri različne primere naletov lutk v cestno opremo in pri tem preverja varnost motoristov pri naletu. Prvi primer je namenjen testiranju kontinuirnih in prekinjenih sistemov zaščite, drugi testiranju prekinjenih sistemov in, tretji testiranju neprekinjenih sistemov. V sklopu specifikacije so nato opredeljeni kriteriji poškodbe glave, poškodbe vratu in poškodbe prsnega koša.

2.6. Ugotovitve in komentar standardov ter pravilnikov

Za ustrezno postavitev in uporabo PVS v Sloveniji je treba upoštevati Pravilnik o prometni signalizaciji in prometni opremi na cestah. Trenutno so PVS obravnavani enako kot običajni smerniki. Pravilnik poda zahtevane vrednosti, ki jih je treba upoštevati pri izvedenih testih v skladu z evropskimi standardi. V primeru, da je na PVS nameščen še znak za usmerjanje prometa v ovinkih (po Pravilniku znak 3312-2), je iz Pravilnika treba

(39)

13 upoštevati tudi zahteve, ki so podane za prometne znake. Testi, predpisani z evropskimi standardi, se nanašajo na odpornost proti vetru, dinamični tlak na znake pri čiščenju snega, dinamične udarne teste (material), funkcijski dinamični udarni test in test trka z vozilom pri 70 km/h. Pravilnik zahteva pri smernikih in pri prometnih znakih različni kategoriji pri testu tlaka vetra, in sicer kategorijo WL5 za prometne znake in WL1 za smernike, zato je smiselno pri smernikih, ki imajo možnost pritrditve prometnega znaka, že v začetku upoštevati bolj strog kriterij, torej klasifikacijo WL5.

Po pregledu standardov SIST EN 12899-3 [9] ugotovimo, da za smernike ni predviden test za preverjanje odpornosti PVS med pluženjem.

Za PVS so bile do sedaj že opravljene raziskave in testi, ki jih predpisuje Pravilnik [6]. Z izvedbo numeričnih analiz in simulacij je bila določena najustreznejša geometrija PVS [12]. Izvedeni so bili eksperimentalni statični preizkus vetrne obremenitve, eksperimentalni dinamični preizkusi na udarni napravi v skladu z zahtevami standarda SIST EN 12899-3 in numerične analize naleta lutke v PVS [13]. Vse eksperimente in analize so PVS uspešno prestali.

Kljub temu da so bili po določeni najustreznejši geometriji PVS vsi testi, ki jih predpisujejo standardi znotraj želenih rezultatov, pogojenih s Pravilnikom v Slovenji, ti preizkusi niso najboljši odraz tega, kar v praksi rabimo. Ne služijo namenu v celoti, kajti na terenu so se po montaži PVS, ki so bili testirani skladno z zahtevami, pojavile težave.

Smiselno bi bilo pregledati, kje je prihajalo do težav, najti vzrok zanje, razmisliti kako jih odpraviti in kakšne nove preizkuse zasnovati, da dobimo odraz realnega stanja.

(40)

14

(41)

15

3. Metodologija raziskave

Praktični del naloge smo izvedli v sodelovanju s podjetjem Timplast d. o. o. Pridobili smo tehnično dokumentacijo za njihove PVS in videoposnetke, ki prikazujejo pluženje snega na odsekih, kjer so nameščeni PVS. Posredovali so nam tudi fotografije poškodb, ki so nastale na terenu. V sodelovanju z DRSI in CGP, d. d. smo pridobili (izkustvene) podatke o razmerah med pluženjem in o snežnih plugih.

S pridobljeno dokumentacijo smo analizirali pluženje. Videoposnetke smo si ogledali v upočasnjenem teku, zajemali posnetke zaslona in tako določili nekatere predpostavke za obravnavo dinamičnih sil na PVS med pluženjem. Z videoposnetki smo določili oziroma ocenili tudi nekatere fizikalne količine (volumen snega, način obremenitve). Na podlagi opravljene analize smo izračunali obremenitve na PVS za različne obremenitvene primere.

Pri vseh izračunih smo upoštevali dimenzije PVS proizvajalca Timplast d. o. o. Za uporabo ravno teh posnetkov, ki smo jih prejeli od Timplast d. o. o., smo se odločili, ker najbolje odražajo dejansko stanje med pluženjem po slovenskih cestah.

Za določitev gostote snega smo kot izhodišče upoštevali evropski standard Evrokod 1 [14].

Ker težko ocenimo, za kakšen sneg gre glede na kategorizacijo v standardu [14] in ali zapisane vrednosti okvirno veljajo tudi za območje Slovenije, smo izvedli lastne meritve gostote snega. V nadaljevanju smo za izračune definirali gostote snega, ki so primerne za analizo dinamičnih obremenitev PVS med pluženjem.

V zadnjem delu je predstavljena konstrukcijska rešitev, s katero bi se preprečevalo neželen zasuk okrog navpične osi PVS, hkrati pa lahko s to rešitvijo delno rešimo problem zasipavanja temelja PVS.

3.1. Pregled stanja na terenu

V praksi se je izkazalo, da nekateri PVS na različnih cestnih odsekih po državi niso bili kos dinamičnim obremenitvam, ki so nastale pri pluženju snega. Tudi obremenitveni pogoji so bili na različnih mestih različni, npr. hitrost pluga, količina snega, specifična teža snega. V

(42)

Metodologija raziskave

16

nadaljevanju sledi pregled, kaj se je s postavljenimi PVS dogajalo na različnih cestnih odsekih. Zbran je spisek poškodb, ki so v nadaljevanju naloge analizirane.

3.1.1. Zgornje Jezersko

Odlomljen PVS pri pluženju snega z vozišča (2. 12. 2021). PVS je bil fizično poškodovan, zlom stebrička v bližini vpetja kot posledica napake voznika pluga in ne kot posledica dinamične obremenitve pri pluženju. Drugih vidnih poškodb ni zaznati.

3.1.2. Ravbarkomanda

Na prvi krivini je bil pri čiščenju snega z vozišča s cestnim plugom poškodovan, skoraj odlomljen PVS z nameščenim znakom za usmerjanje prometa v ovinku.

Slika 3.1: (a) Zlomljen PVS z znakom. (b) Odlomljen znak z nosilca

Odlomljen je bil tudi znak za usmerjanje prometa v ovinku, ki je bil pritrjen na jekleno varnostno ograjo (JVO). Hitrost snežnega pluga je bila približno 45 km/h. Obe poškodbi prikazuje slika 3.1.

Na drugi krivini so bili med pluženjem snega s ceste poškodovani vsi znaki za usmerjanje prometa v ovinku, ki so nameščeni na JVO. Eden izmed znakov je bil odlomljen, ostali pa so bili zviti oz. so bili zviti nosilci, na katerih so znaki pritrjeni. Po navedbah konstruktorjev so bili jekleni nosilci napačno nameščeni in je zato prišlo do nepredvidenih poškodb. Pri pravilni namestitvi do takšnih poškodb naj ne bi prišlo. Hitrost snežnega pluga je bila približno 55 km/h. Zvit nosilec usmerjevalne table zaradi pluženja prikazuje slika 3.2.

(a) (b)

(43)

17 Slika 3.2: Zaradi pluženja zvit nosilec znaka

3.1.3. Lašče pri Dvoru

Na cesti Kočevje–Dvor so nameščeni PVS, PVS z znaki za usmerjanje prometa v ovinkih in PVS nameščeni na JVO. V minuli zimi med pluženjem na nobenem izmed elementov ni prišlo do poškodb. Voznik pluga je vozil s hitrostjo približno 35 km/h.

3.2. Poškodbe na terenu

- Odlomljen PVS zaradi trka s snežnim plugom, - poškodovan znak za usmerjanje prometa, - popolnoma zvit PVS z nameščenim znakom, - odlomljen znak nameščen na JVO.

Škoda je večinoma nastajala med pluženjem zaradi dinamičnih obremenitev. V enem primeru je prišlo do loma stebrička, pri nekaterih se je odlomil znak za usmerjanje prometa pripet na JVO, večinoma je prihajalo do deformacije nosilca, ki drži znak za usmerjanje prometa na JVO. Slednja težava je že odpravljena, saj je prišlo do nepravilne montaže nosilcev za znake na JVO.

3.3. Analiza pluženja in dejanskih obremenitev

Izkazalo se je, da vsi PVS niso zdržali obremenitev, ki nastanejo pri pluženju. Tako nastale obremenitve so posledica različnih pogojev, hitrosti pluženja in gostote snega. Plug pri vožnji pred seboj nariva in usmerja sneg pod določenim kotom. Večja gmota snega nato

(44)

18

odleti iz območja pluga proti obrobju vozišča. Na tej poti so postavljeni stebrički in tako pride do trka med snegom ter PVS, zato je za dejansko obremenitev stebrička smiselno predvideti, kakšen sunek sile nastane pri tem. Treba je določiti oziroma oceniti, kakšna masa snega je v gmoti, ki zadane stebriček, in kakšna je hitrost snega pri trku.

Z analizo videoposnetkov pluženja, ki so nastali 31. 1. 2021 na relaciji Kočevje–Dvor pri povprečni hitrosti 35 km/h, lahko opazimo, da s približno konstantno hitrostjo snežnega pluga in pri enaki gostoti snega nastanejo različni primeri izmeta snega ter posledično različne obremenitve cestne opreme. Povprečna hitrost snežnega pluga je bila ocenjena na podlagi pridobljenega grafa hitrosti snežnega pluga, z dne 31. 1. 2021. Iz posnetka so izrezane slike, ki prikazujejo zasutje stebrička z odstranjenim snegom z vozišča. Izbrani so najbolj nazorni in med seboj različni primeri.

V prvem primeru se izpodrinjen sneg razprši in v celoti zasuje stebriček tako, da je obremenjen od vpetja do najvišje točke nad tlemi. Ob vozišču ni dodatnih ovir, ki bi onemogočale oziroma preprečevale gibanje snega na poti odstranjevanja. Predstavljen primer se v realnosti največkrat pojavi, saj ni dodatnih dejavnikov, ki bi ovirali odmet snega, zato bo v nadaljevanju ta obremenitveni primer poimenovan kot splošen primer.

Prikazuje ga slika 3.3.

Slika 3.3: Odmet snega za splošen primer

V drugem primeru je PVS postavljen za JVO. Med pluženjem snega ne moremo odriniti z vozišča, saj mu to preprečuje JVO. Zato se nabira večja, bolj stisnjena gmota snega, ki stebriček obremeni pretežno v zgornjem delu. Gre za bolj specifičen primer, ki je pogojen s prisotnostjo JVO ob vozišču. Navedene lastnosti tudi narekujejo, da v takšnem primeru upoštevamo zgolj zbit sneg, bolj natančno pa bodo te obremenitvene kombinacije definirane v 3D matriki dejavnikov na obremenitve. Opisani primer bo v nadaljevanju obravnavan kot obremenitev zgornjega dela, prikazuje ga slika 3.4.

(45)

19 Slika 3.4: Odmet snega v primeru obremenitve zgornjega dela

V tretjem primeru se PVS nahaja v bližini zaključka JVO. Sneg je v zbiti gmoti, zaradi prej prisotne JVO. V tem primeru gmota snega obremeni PVS v spodnjem delu, bližje vpetja nekje do polovice višine. Zopet gre za zelo značilen primer, ki je posledica prisotnosti JVO. Opisan primer bo v nadaljevanju poimenovan kot obremenitev spodnjega dela.

Prikazan je na sliki 3.5.

Slika 3.5: Odmet snega v primeru obremenitve spodnjega dela

(46)

20

S predstavljenimi primeri zajamemo širši možni nabor obremenitev PVS, ki so posledica odmeta snega.

Poleg tega je treba upoštevati, da snežni plugi vozijo z različnimi hitrostmi. Po navedbah cestnih podjetij, ki čistijo ceste, vozijo snežni plugi približno s hitrostjo 30 km/h oziroma največ 45 km/h na glavnih in regionalnih cestah. Kljub temu je bilo pri pregledu dokumentacije o pluženju ugotovljeno, da nekateri vozniki na določenih odsekih pri pluženju presežejo hitrost 45 km/h. Zato bodo pri obremenitvenih kombinacijah upoštevane tri različne hitrosti, in sicer 30, 45 in 60 km/h.

Tretji dejavnik, ki vpliva na obremenitev PVS, je tip snega. Na vozišču se večinoma pojavlja novozapadli sneg, vlažen sneg, v najslabšem primeru zbit (stisnjen) sneg. Pri omenjenih različnih primerih prihaja do bistvene razlike v gostoti snega. Različni primeri gostot snega so natančneje definirani v poglavju 3.3.4.1 Meritve gostote snega. Pri splošnem obremenitvenem primeru je najbolje upoštevati novozapadli ali kvečjemu vlažen sneg, pri preostalih dveh obremenitvenih primerih je kombinacija z zbitim snegom ustrezna.

Vsekakor je pomemben dejavnik tudi višina snežne odeje. Cestna podjetja pričnejo s čiščenjem snega s ceste takoj, ko se prične oprijemati vozišča. Treba je upoštevati, da so posamezni odseki, ki jih pluži isti snežni plug, lahko dolgi tudi do 15 km. Če pri tem upoštevamo še povratno pot, to skupaj nanese 30 km. Po podatkih cestne službe v najslabših primerih ob močnem sneženju na cesti nastane do 15 cm debela snežna odeja.

3.3.1. Kombinacije obremenitvenih primerov

Iz navedenih različnih dejavnikov, ki vplivajo na obremenitev stebričkov, lahko dobimo 27 kombinacij različnih primerov obremenitev. V nadaljevanju bodo v obliki diagrama (3D matrike) predstavljene možne kombinacije, nato bodo podrobneje obravnavane zgolj nekatere. Na sliki 3.6 številke predstavljajo hitrost pluga (30, 45 oz. 60 km/h).

Obremenitvene primere smo zaradi različnih primerov odmeta snega poimenovali kot splošen, zg. del, sp. del. Zapisani so v enakem vrstnem redu, kot so zgoraj opisani.

Različen tip snega je označen kot lahek, vlažen in zbit.

V matriki je prikazanih 27 različnih kombinacij, ki jih dobimo z upoštevanjem vseh prej naštetih vplivnih dejavnikov. Nekateri od naštetih obremenitvenih primerov so malo verjetni, če ne celo nemogoči, kot npr. da lahek (pršeč) sneg deluje zgolj na zgornji ali spodnji del stebrička, ali da močno zbit sneg obremeni stebriček po celotni višini. Smiselno je torej upoštevati in preračunati zgolj nekatere od primerov, in sicer takšne, ki so v resnici najbolj pogosti, in takšne, pri katerih nastanejo ekstremne obremenitve. Tako bomo dobili na koncu nazorno sliko s prikazom dejanskega stanja s posebnostmi, ki se utegnejo zgoditi v primeru ekstremnih razmer.

(47)

21 Slika 3.6: 3D matrika kombinacij obremenitvenih primerov

Pri vseh izbranih kombinacijah bomo upoštevali debelino snežne odeje 15 cm. S tem ponazorimo najbolj neugodne razmere, kar se tiče višine snežne odeje in se izognemo dodatnemu številu možnih kombinacij, ki bi nastale kot posledica variiranja višine snežne odeje. Izbrane kombinacije so oštevilčene in prikazane v preglednici 3.1. Zapisane so z oznako, ki je uporabljena v matriki. Oznake so v preglednici tudi opisane.

Preglednica 3.1: Ožji izbor obremenitvenih primerov

Št. Oznaka iz matrike Opis

1. 30, splošen, lahek Hitrost pluga 30 km/h, odmet snega je razpršen in obremeni stebriček po celotni višini, novozapadli (lahek) sneg.

2. 30, splošen, vlažen Hitrost pluga 30 km/h, odmet snega je razpršen in obremeni stebriček po celotni višini, vlažen sneg.

3. 30, sp. del, zbit Hitrost pluga 30 km/h, odmet snega obremeni sp. del stebrička, sneg je zbit.

4. 30, zg. del, zbit Hitrost pluga 30 km/h, odmet snega obremeni zg. del stebrička, sneg je zbit.

5. 45, splošen, vlažen Hitrost pluga 45 km/h, odmet snega je razpršen in obremeni stebriček po celotni višini, vlažen sneg.

6. 45, sp. del, zbit Hitrost pluga 45 km/h, odmet snega obremeni sp. del stebrička, sneg je zbit.

7. 45, zg. del, zbit Hitrost pluga 45 km/h, odmet snega obremeni zg. del stebrička, sneg je zbit.

8. 60, splošen, lahek Hitrost pluga 60 km/h, odmet snega je razpršen in obremeni stebriček po celotni višini, novozapadli sneg.

(48)

22

Iz analize videoposnetkov pluženja na relaciji Kočevje–Dvor opazimo, da se največkrat pojavi obremenitev po celotnem stebričku (splošni primer). Še zlasti je izrazit pri večji količini snega in pri bližji montaži stebričkov vozišču oziroma, kadar se snežni plug bolj približa stebričkom. Zato smo štiri od osmih primerov ožjega izbora posvetili splošni obremenitvi in preverili vzdržljivost PVS pri različnih hitrostih (30, 45 in 60 km/h). Pri najnižji hitrosti bomo obremenitve preverili za vse vrste snega in pričakujemo, da bo PVS zdržal lahek ter vlažen sneg (morebiti tudi zbit sneg). Tako bomo potrdili ali so bile naše ocene in predpostavke ustrezne, saj se je z dosedanjo prakso izkazalo, da so omenjene obremenitve PVS prestali. Pri višjih hitrostih bosta za splošni obremenitveni primer upoštevan zgolj lahek in vlažen sneg, saj smo z opisom definirali, da sneg zasuje celoten PVS, torej kategorija zbit sneg ni povsem ustrezna. Za različne primere bomo preverili tudi, kako višina snežne odeje vpliva na obremenitve in kje je morebitna meja v hitrosti snežnega pluga oziroma višine snega, da PVS še zdržijo obremenitve.

Drug zelo pogost primer je obremenitev spodnjega dela. Kot že omenjeno, je lahko posledica prisotnosti JVO in gre za bolj ekstremen pojav, saj je sneg, ki trči s stebričkom, v vsakem primeru bolj zbit kot pred pluženjem. Omenjeni obremenitveni primer se lahko pojavi tudi, kadar je na vozišču manj snega (večkrat tudi v primeru plundre) in kadar so stebrički bolj odmaknjeni od roba vozišča. Zato smo za obremenitev spodnjega dela izbrali kombinacijo hitrosti pluga 45 km/h in zbit sneg.

Obremenitev samo zgornjega dela stebrička je redkejša, saj je pogojena s prisotnostjo JVO ob vozišču, ko sneg nima proste poti za izstop. JVO so vsekakor prisotne skoraj na vseh cestnih odsekih, zato te obremenitve ne smemo zanemariti. Tudi v tem primeru je pomembno, kako blizu JVO vozi voznik pluga. Kadar je s plugom skorajda naslonjen na JVO, se zagotovo pojavita omenjeni obremenitvi. Ko pa je nekoliko bolj oddaljen, ima odmetani sneg možnost bolj razpršene in manj zbite forme. Za obremenitev zgornjega dela smo izbrali hitrost pluga 45 km/h in zbit sneg. Za lahek in vlažen sneg ne bomo preverjali, saj smo že v definiciji obremenitve navedli, da gre za zbit sneg.

3.3.2. Hitrost snega

Kun Shou in soavtorji v svojem delu [15] obravnavajo primer pluženja snega in sile, ki pri tem delujejo na plug. Povzamemo lahko izračun hitrosti snega pri pluženju, ki jo izračunamo iz hitrosti vozila in geometrije snežnega pluga.

Za izračun potrebujemo geometrijske lastnosti pluga, kot, pod katerim je plug nameščen med pluženjem, in kot nagiba pluga. Tovrsten preračun naj bi bil glede na zapisano veljaven do hitrosti pluženja približno 50 km/h. Pri višjih hitrostih je večja možnost nastanka zbitih zaplat snega, zato tovrsten preračun ni najbolj zanesljiv in je treba uporabiti bolj kompleksne modele pluženja snega. V našem primeru bodo vsi preračuni, tudi pri hitrosti snežnega pluga 60 km/h, izdelani z enakim modelom pluženja, saj bomo tako najlažje primerjali dobljene rezultate. Pri tem se je treba zavedati, da so izračuni in model pluženja poenostavljen inženirski približek z namenom prikaza čim bolj realnega stanja pri pluženju.

(49)

23 Slika 3.7: Prikaz koordinatnih sistemov in geometrije pluga [15]

Na sliki 3.7 koordinatni sistem x-y-z predstavlja koordinatni sistem vozila; os x kaže vzdolž gibanja, os y prečno na smer gibanja, os z je navpična, pravokotna na vozno ploskev.

Koordinatni sistem n-t-z je koordinatni sistem na plugu. Os n kaže pravokotno na plug v smeri izmeta snega, os t teče vzdolž površine pluga, os z je skupna s koordinatnim sistemom vozila. Osi x in n oklepata kot α, imenovan kot pluženja. V točki, kjer želimo izračunati hitrost snega, na plug (gledano pravokotno na stranski rob pluga) narišemo tangento in normalo, ki jo podaljšamo, da dobimo presečišče s koordinato n. Skozi presečišče narišemo še navpičnico, ki je vzporedna z osjo z. Med podaljškom normale in navpičnico dobimo kot θ, ki ga potrebujemo pri izračunu.

V našem primeru bomo sneg obravnavali kot uniformno telo z enakomerno gostoto in hitrostjo po celotnem volumnu. Tangento in normalo na plug smo tako naredili na polovici višine izmeta snega. Višino izmeta snega na plugu smo določili na podlagi tega, do kod je plug obrabljen. Pri naših izračunih bomo upoštevali polovico te višine, saj se pri pluženju težišče snega nahaja bolj pri tleh, ker se težji sneg ne povzpne po plugu navzgor. Sneg, ki utegne imeti višjo hitrost (višje na plugu kot izstopi, večji je kot θ in posledično višja hitrost), ni kritičen, saj ima nižjo gostoto in povzroči manjše obremenitve na PVS.

Ob spreminjanju kota pluženja α, se hitrost snega bistveno spremeni. Večji je kot pluženja, manjša je izstopna hitrost. Po pregledu tehničnih specifikacij snežnih plugov, ki so objavljene na spletni strani proizvajalca Riko Ribnica [16], so vrednosti kotov za vse pluge 30° oziroma 36°, pri nekaterih modelih (sicer namenjenih bolj za traktorje) celo 45°. Ker je hitrost izmeta snega pri nižjih vrednostih kota pluženja večja, bo pri vseh preračunih uporabljena vrednost kota pluženja 30°.

(50)

24

Slika 3.8: Izris geometrije pluga v programu Solidworks

Pri kotu θ je bilo treba oceniti njegovo velikost. Na podlagi fotografije snežnega pluga, podobnega modelu Riko RPS 36, s kakršnim so plužili na analiziranih videoposnetkih, smo v programu Solidworks narisali skico, iz katere smo nato izmerili kot θ, kar je prikazano na sliki 3.8. Ker je kot θ zgolj ocenjen na podlagi skice, je dobro vedeti, kako sprememba kota θ vpliva na izstopno hitrost snega. Upoštevajoč enačbo (3.1) za hitrost izmeta snega ugotovimo, da se pri spremembi kota θ za 10° velikost absolutne izstopne hitrosti snega spremeni za približno 4 km/h. To velja za vrednosti kota do nekje 70°. Z nadaljnjim večanjem kota se razlika med za desetico povečanim kotom zmanjšuje. V nadaljevanju bo pri vseh obremenitvenih primerih upoštevan kot θ velikosti 80°. Gre za ocenjeno vrednost.

Izbrali smo jo zato, ker je v tem primeru absolutna hitrost odmetanega snega večja kakor hitrost snežnega pluga in tako še dodatno zaostrimo kriterij. Upoštevati je treba, da se na različnih cestah po državi uporabljajo različni plugi z različnimi tehničnimi značilnostmi, s čimer dobimo več možnih primerov z variiranjem kota θ. Matrika obremenitev bi se torej zopet povečala. Z izbranim kotom θ v velikosti 80° zmanjšamo število kombinacij, določen je takšen kot, ki predstavlja bolj neugoden primer. V resnici ne potrebujemo tehnične dokumentacije dotičnega snežnega pluga, saj želimo izdelati model, ki bi v splošnem popisal obremenitve stebričkov med pluženjem in pri tem zadostuje primerna ocena kota θ.

Hitrost snega smo izračunali po enačbi (3.1), kjer je vs izstopna hitrost snega, v hitrost vožnje snežnega pluga.

𝑣⃑s= 𝑣 ∙ (cos²𝛼 (1 − cos 𝜃)𝑥⃑ − sin 𝛼 cos 𝛼(1 − cos 𝜃) 𝑦⃑ + cos 𝛼 sin 𝜃 𝑧⃑) (3.1)

Enačba (3.2) je zapisana v obliki posameznih komponent, saj se tudi sneg v resnici giblje v različnih smereh z različnimi hitrostmi. Ker nas zanima, s kakšno hitrostjo sneg zadane stebriček okroglega prereza, je najbolj ugodno, da uporabimo kar absolutno hitrost odstranjenega snega, saj ne potrebujemo hitrosti v posameznih smereh. Pri nadaljnji obravnavi in preračunu obremenitev stebrička bo to zelo pomembno, saj bo stebriček obravnavan kot enostransko vpet nosilec. Absolutno hitrost snega izračunamo tako, da kvadratično seštejemo komponente hitrosti x, y in z, kot prikazuje enačba (3.2).

(51)

25

𝑣_snega = √𝑣_𝑥²+ 𝑣_𝑦²+ 𝑣_𝑧² (3.2)

V enačbi (3.2) je vx komponenta hitrosti v x smeri, vy komponenta hitrosti v y smeri in vz

komponenta hitrosti v z smeri glede na koordinatni sistem vozila, vs velikost absolutne hitrosti odstranjenega snega. Slika 3.9 shematično prikazuje gibanje snega v x in y smeri koordinatnega sistema vozila.

Slika 3.9: Shematski prikaz komponent hitrosti snega pri odmetu v x-y ravnini

Pri izračunu hitrosti smo upoštevali, da se sneg giblje kot uniformno telo, izračunana hitrost snega velja samo za gmoto, ki ni več v stiku s plugom, torej z že odmetanim snegom. Prav tako je treba upoštevati tudi, da je izračunana hitrost trodimenzionalna, saj vsebuje vertikalni (z os) prispevek, ki pri naših obremenitvenih primerih načeloma ni relevanten. Kljub temu bo absolutna hitrost, uporabljena za izračun gibalne količine, upoštevala tudi vertikalni prispevek (komponenta hitrosti v z smeri). Tako dobimo nekoliko višje hitrosti, kar na koncu rezultira v večje obremenitve stebričkov. S tem lahko upravičimo možne primere, ki se zgodijo znotraj predvidenih kombinacij, npr. dodatna zbita zaplata med razpršenim snegom, in jih v naših primerih ne bomo upoštevali. Na sliki 3.10 je prikazana absolutna hitrost snega v x-y ravnini (tlorisni pogled na pluženje).

Slika 3.10: Shematski prikaz rezultante snega pri odmetu snega v x-y ravnini

Smer vožnje

Cestišče Splužen sneg

x

y

Splužen sneg x

y

Smer vožnje

Cestišče