MOGUĆNOST PRIGUŠENJA SILE UDARA VOZILA NA GRAĐEVINSKE OBJEKTE

POSSIBILITIES OF DAMPING IMPACT FORCE CAUSED BY VEHICLES

ON CIVIL ENGINEERIG BUILDINGS

Sažetak: Neki građevinski objekti kao mostovi su predviđeni za preuzimanje sile udara vozila, dok drugi kao zgrade nisu dimenzionirani na ovakve sile. Na kritičnim mjestima puteva i auto puteva mogućnost ovakvih nesreća može biti velika. Ogradama sa prigušivačima absorpcijom energije pri udaru moguće je smanjiti ubrzanje putnika u vozilu i sile udara vozila. Na taj način moguće je smanjiti stepen povrede putnika koji su vezani sigurnosnim pojasevima za slučaj udara u čvrstu prepreku. Na putevima i ulicama gradova na kritičnim mjestima moguća je veća zaštita pješaka ovakvim ogradama. Ključne riječi: Udar vozila, prigušenje, građevinski objekti. Abstract: Some civil engineering structures, like bridges, are designed to withstand the possible impact loads due to vehicles’ crashes. However, other structures, like buildings, do not predict such loads. On critical places on roads and highways possibility for accidents is high due to crash of vehicles. During the crash or accident, absorbing energy of vehicles, with barriers contributes to forces’ and acceleration’s decreasing. In these cases, if passengers are fastened by seat belts, light injuries may be expected due to impact on a stiff structure. Proposed barriers on critical places on roads and streets in cities and towns could ensure higher security of population. Key words: Vehicle impact, damping, civil engineering buildings.

Prof.dr.ing. Zlatko Maglajlić Građevinski fakultet u Sarajevu,

Patriotsle lige 30., BiH, e-mail: gfsa@gf.unsa.ba

1. UVOD Razojem saobraćaja i povećanjem broja vozila mogućnost nesreća se povećala. Građevinske konstrukcje kao stubovi mostova su predviđeni za slučaj udara vozila ili brodova, dok druge konstrukcije u gradovima kao zgrade i fabrike nisu projektovane za takva opterećenja. U poslednje vrijeme došlo je do razvoja sigurnosnih ograda, kao i pripreme standarda sigurnosti za diskusiju i primjenu, (Road restrain system, Part 1-Terminology and general criteria for test methods and Part 2-Safety barriers-Performance classes, impact test acceptance criteria and test methods, Brussels, 1995),[1,2,3]. U ovom radu analizirane su sigurnosne ograde sa prigušivačima koje mogu poslužiti za smanjenje sile udara vozila u građevinske objekte na autoputevima, putevima i gradovima. 2. UBRZANJE PRI UDARU Intenzitet ubrzanja(usporenja) pri udaru vozila od velikog je značaja za stepen povreda putnika i vozača. Prema današnjim saznanjima ako su putnici vezani sigurnosnim pojasevima mogu se očekivati lakše ozljede za granične vrijednosti ubrzanja ax=12g; ay=9g; az=10g, gdje je g=9.81m/s2. Vrieme trajanja udara zavisi od više faktora i može se računati da je prosječna vrijednost oko 50ms. Brzine i ugao pri udaru, mase i kinetička energija koja se apsorbuje zaštitnim ogradama mostova sa date u tabeli 1., [2,3]. Vrijednost absorbovane kinetičke energije Ek za vrijeme udara u ogradu u tabeli 1. je data prema eksperimentima i Evropskim standardima EN 1317-2,[3].

3. KARAKTERISTIČNE VELIČINE ZA VRIJEME UDARA VOZILA

Zakon puta, izraz (1), pri pravolinijskom kretanju je, x=x0+v0*t+1/2*a*t2 ; v=v0+a*t (1) gdje su, x, x0 pomjeranja, v0, v brzine, a ubrzanje i t vrijeme. U trenutku udara sa x0=0 izraz (1) je oblika,

x=v0*t+1/2*a*t2 ; v=v0+a*t

(2) t=(v-v0)/a. iz izraza (2) pomjeranje x i ubrzanje a je, x=1/2*(v2-v0

2)/a ; a=(v2-v02)/(2*x).

Kada se vozilo pri udaru zaustavi tada je brzina jednaka nuli v=0 pomjeranje ograde je x i vrijeme trajanja udara je T pa je, T=v0/a -> x=1/2*v0

2/a , (3) gdje je v0 brzina u trenutku udara, x pomjeranje ograde i a ubrzanje pri udaru težista vozila [2], a=v0

2/2x. (4) Odnosi v(t), a(t) , x(v,a,t) za vrijeme udara su dati na slici 1.

Tabela. 1. Brzina pri

udaru (km/h) Ugao pri udaru

(o) Masa vozila (t) Tip vozila Ek ograde

(kJ=103*Nm) 80 15 1.3 auto 21.5 80 20 1.5 auto 43.3 70

100 15 20

10 0.9

kamion + auto

126.6

65 100

20 20

30 0.9

kamion + auto

572.0

v v0 v T tv a t -a x x(t)=(v2-v0

2)/(2*a) x(t) x(T)=v0

2/2a tv t

Slika. 1: Zavisnosti v(t), a(t), x(t) za vrijeme udara Ako se sila pri udaru vozila u čvrstu prepreku predpostavi kao konstantna veličina P=const., prema zakonu o promjeni kitetičke energije je ½*m*(v2-v2

0)=-P*x, (5) gdje je m masa vozila. Masa vozila srednje klase je oko 1.0t i ako se prepostavi deformacija prednjeg dijela vozla oko x~1.0m toliko se pomjeri težište vozila. Za slučaj brzine pri udaru v0=65miles/h~100km/h prema ispitivanjima[4], iz izraza (4) je a=385.4m/s2 , tada je odnos a/g=39.4, Sl. 2. Sila za vrijeme udara je intenziteta P=393.3kN i vrijeme trajanja udara iznosi T=0.072s=72ms izrazi (3-5). 4. PRIMJER U primjeru će se razmatrati pomjeranje ograda sa prigušivačima za brzine pri udaru od 100km/h i 70 km/h i odgovarajuće vrijednosti ubrzanja i sila udara. Ako se predpostavi ubrzanje pri udaru od a=11.0*g i a=22*g i za težinu vozila Q tada je sila P i odgovarajuće pomjeranje ograde x. P=m*a=Q/g*11g=11*Q; (22*Q) v0*100km/h => (27.8m/s)

a=11*g x=27.82/(2*11*9.81)=3.58m ; rezultati analize su dati u tabeli 2. Tabela 2.

v0 [km/h]

a x [m] P

100 11*g 3.58 11*Q 100 22*g 1.79 22*Q 70 11*g 1.75 11*Q 70 22*Q 0.88 22*Q

Napomena: Smatra se da pri ubrzanju pri udaru (uspornju) od 11*g dolazi do lakših ozljeda putnika koji su vezani sigurnosnim pojasevima,[2]. U slučaju kočenja vozila prije udara u čvrstu prepreku od 10m pri brzini od 100km/h i 7m pri brzini od 70km/h dolazi do smanjenja brzine. Prema zakonu o promjeni kinetičke energije određuje se brzina pri udaru, pri tome se pretpostavlja koeficijent trenja guma o suhi kolovoz �~1.0, pa je sila kočenja Pk=1.0*Q=Q, izraz (5). ½*m*(v2-v0

2)=Q*xk (m=Q/g) => ½*(v2-v02)/g=xk

v=100km/h=27.8m/s ; xk=10m ; 1/(2*9.81)*(27.82-v0

2)=10 v0=24.0m/s ; za a=11*g pomjeranje prepreke je x=2.67m. Za intenzitet ubrzanja pri udaru od a=11*g vrijednosti v, v0, xk, x su date u tabeli 3. a=11*g Tabela 3. v[km /hm/s]

xk [m] v0 [m/s] x [m]

100 ; 27.8 10.0 24.0 2.67 70 ; 19.45

7.0 15.5 1.11

U ova dva razmatrana slučaja sile deformacije ograde su P=11*Q gdje je Q težina vozila, za vozila težine oko 10 kN ta sila iznosila oko P=110kN.

v0~100km/h 1m

Q=10kN

P m=1.0t P~400kN Slika. 2: Predpostavljena deformacija vozila-udar u čvrstu

prepereku,[4]

Ako pri kočenju od 10.0m i 7.0m sa brzinama koje su određene u tabeli 3, dođe do udara vozila u čvrstu prepreku za deformaciju prednjeg dijela vozila od x=1.0m dolazi do ubrzanja pri udaru a=v0

2/2*x. v=100km/h ; xk=10.0m ; v0=24.0m/s => a=288.0m/s2=29.4*g >>>11*g v= 70km/h ; xk=7.0m ; v0=15.5m/s => a=172.0m/s2=17.5*g >> 11*g U ovim slučajevima udara vozila u čvrstu prepreku i pored kočenja mogu se očekivati teške ozljede putnika u vozilima jer je ubrzanje(usporenje) pri udaru znatno veće od 11*g. Ukoliko bi se koristile ograde sa prigušivačima na putevima sa dozvoljenom brzinom od 100km/h za deformaciju ograde sa prigušivačima od 2.7m i brzinu 70km/h za deformaciju od 1.2m mogu se očekivati lakše ozljede putnika u vozilima. Ako dođe do udara vozila težine oko 10kN sile udara pri ubrzanju a=11*g su intenziteta oko 110kN. Kako je 110kN<400kN, slika. 2., može se ukazati da se očekuju manja oštećenja vozila. Sile udara preuzima ograda tako da neće doći do oštećenja konstrukcija koje nisu predviđene za slučaj udara vozila. U gradovima gdje su brzne kretanja vozila oko 60km/h i prosječne težine oko 10kN sa ogradama sile deformacije oko 110kN i pomjeranja samo 1.0m mnogi obekti neće pretrpiti oštećenja, a i životi pješaka u zonama gdje postoji mogućnost udara vozila će biti spašeni. 5. ZAKLJUČNE NAPOMENE Sigurnosne ograde sa prigušivačima ispred građevinskih konstrukcija mogu biti konstruisane na kritičnim mjestima puteva i autoputeva, kao i u gradovima. U ovom slučaju smanjiće se sile i ubrzanja pri udaru i na taj način uticati na smanjenje stepena povrede putnika u vozilima, a sa druge strane smanjiće se oštećenja građevinskih konstrukcija. U slučaju mase vozila od 1.0t silama prigušenja oko 110kN i deformacijama ograde od oko 3m do 1m dolazi do velikog gubitka kinetičke enrgije vozila. Na ovaj način sa djelimičnim kočenjem prije udara u ogradu sa prigušivačima mogu se očekivati apsorpcija energije odara, manja ili zanemarliva oštećenja građevina i znatno veća bezbijednost putnika i pješaka na putevima i gradovima. Ovakve ograde mogu biti konstruisane i za vozila veće težine ili plovila na rijekama.

LITERATURA [1] Pravilnik o tehničkim normativima za oređivanje veličina opterećenja mostova, Sl. list br. 1. od 04. januara 1991., str. 1-11. [2] Mancini G., Safety barriers for Highway Bridges, Structural Engineering Internacional(Journal of the IABSE), Vol. 9, Num. 1/99., Zurich 1999., pp. 49-53. [3] Beton Kalender 2004/1, Brucken-Parkhauser, Leiteinrichtungen fur Brucken, Ernest&Sohn, 2004., pp 299-302. [4] Discovery Channel-TV- Sarajevo, Car Crash, Friday, 14th October, 2005., 01-02 am.