Bepaling van de wrijvingscoëfficiënten van ijzige trottoirs bij verschillende hoeveelheden sneeuwval

Wegdekwrijving wordt gedefinieerd als de grip tussen de banden van het voertuig en het onderliggende wegdek¹. De index die het meest wordt geassocieerd met stoepwrijving in het wegontwerp is de wrijvingscoëfficiënt van het wegdek. Wrijving is een van de belangrijkste factoren in het wegontwerp en is de tweede alleen voor duurzaamheid. Er is een sterke en duidelijke correlatie tussen de wrijvingsprestaties van het wegdek en het ongevalsrisico². Er is bijvoorbeeld een significante negatieve correlatie tussen het aantal verkeersongevallen en de weerstand tegen trottoirs ^3,4,5. Verschillende factoren kunnen bijdragen aan een afname van de wrijving van het wegdek, en een van de meest directe en invloedrijke van deze factoren is sneeuwval⁶. In het bijzonder zorgt sneeuwval ervoor dat er ijs op de stoep ontstaat, wat resulteert in een aanzienlijke vermindering van de wrijvingscoëfficiënt ^7,8. Een studie gericht op de factoren die van invloed zijn op de verkeersongevallen in Zuid-Finland merkte op dat het aantal ongevallen vaak piekt op dagen met zware sneeuwval en dat meer dan 10 cm sneeuw kan leiden tot een verdubbeling van het aantal ongevallen⁹. Vergelijkbare resultaten zijn gevonden in studies uitgevoerd in zowel Zweden als Canada^10,11. Daarom is het bestuderen van de wrijvingseigenschappen van besneeuwde trottoirs cruciaal voor het verbeteren van de verkeersveiligheid.

Het bepalen van de wrijvingscoëfficiënt van ijzige verhardingen is een complex proces omdat de wrijvingscoëfficiënt kan variëren onder verschillende sneeuwvalniveaus en verhardingsijsdiktes. Bovendien kunnen verschillende temperaturen en bandeneigenschappen ook van invloed zijn op de wrijvingscoëfficiënt. In het verleden zijn talloze experimenten uitgevoerd om de wrijvingskarakteristieken van banden op ijs^{te bestuderen 12}. Vanwege de verschillen in individuele omgevingen en bandenkenmerken kunnen consistente resultaten echter niet worden verkregen en gebruikt als basis voor theoretische studies. Daarom hebben veel onderzoekers geprobeerd theoretische modellen te ontwikkelen om de wrijving van banden op ijs te analyseren. Hayhoe en Sahpley¹³ suggereerden het concept van natte wrijvingswarmte-uitwisseling op het grensvlak tussen banden en ijs, terwijl Peng et ^al.14 een geavanceerd gegevensmodel voorstelden om wrijving te voorspellen op basis van het bovenstaande concept. Daarnaast presenteerde Klapproth een innovatief wiskundig model voor het beschrijven van de wrijving van ruw rubber op glad ijs¹⁵. Van de bovenstaande modellen is echter aangetoond dat ze aanzienlijke fouten bevatten, voornamelijk vanwege hun onvermogen om de wrijvingseigenschappen van banden op ijs nauwkeurig en efficiënt te karakteriseren¹⁶.

Om de fouten van theoretische modellen te verminderen, is een grote hoeveelheid experimentele gegevens nodig. Het Finse meteorologische agentschap ontwikkelde een wrijvingsmodel voor het voorspellen van ijzige verhardingswrijving, en de formule voor dat model was voornamelijk gebaseerd op gegevens verkregen van weerstations op de weg en door statistische analyse¹⁷. Bovendien verzamelden Ivanović et al. een aanzienlijke hoeveelheid experimentele gegevens door de wrijvingskarakteristieken van banden op ijs te analyseren en de wrijvingscoëfficiënt van ijs te berekenen door regressieanalyse¹⁸. Gao et al. stelden ook een nieuw voorspellingsmodel voor van banden-rubber-ijstractie door het Levenberg-Marquardt (LM) optimalisatiealgoritme te combineren met een neuraal netwerk om de formule voor de wrijvingscoëfficiënt op ijs¹⁹ te verkrijgen. Alle bovenstaande modellen zijn gevalideerd of in de praktijk toegepast en worden dus haalbaar geacht.

Naast theoretische methoden zijn er veel praktische methoden ontwikkeld voor het meten van de wrijvingscoëfficiënt van verhardingen in besneeuwde en bevroren gebieden. Vanwege de bijzonderheden van het weer zijn deze methoden op grote schaal gebruikt in Scandinavische landen zoals Zweden, Noorwegen en Finland²⁰. In Zweden worden de volgende drie hoofdtypen wrijvingsmeetapparatuur gebruikt: de BV11, SFT en BV14. De BV14, een dubbele wrijvingstester die speciaal is ontwikkeld voor winteronderhoudsbeoordelingen, is direct verbonden met het meetvoertuig en meet tegelijkertijd de droge wrijving op beide wielpaden²⁰. In Finland wordt het wrijvingsmeetvoertuig (TIE 475) gebruikt voor beoordelingen van het onderhoud van wegen in de winter, terwijl in Noorwegen het ROAR-wrijvingsmeetapparaat (zonder water) een veelgebruikt apparaat is². De meeste winterwrijvingsmetingen die in Zweden, Noorwegen en Finland zijn uitgevoerd, zijn uitgevoerd met gewone personenauto’s met ABS en instrumenten die de vertraging meten bij het remmen ^2,20. Het voordeel van deze methode is dat het eenvoudig en relatief goedkoop is, en het grootste nadeel is dat de nauwkeurigheid van de methode erg laag is.

De hierboven beschreven studies bieden methoden voor het voorspellen en detecteren van wrijvingscoëfficiënten op ijs. Een uniforme methode en een specifieke waarde om wegontwerpers te begeleiden zijn echter nog steeds niet verstrekt. Bovendien kan voor winterwegen de wrijvingscoëfficiënt tussen de banden en het ijs variëren met betrekking tot verschillende ijsdiktes, en moeten ook verschillende verwijderingsmaatregelen worden geïmplementeerd²¹. Daarom is dit artikel bedoeld om de wrijvingscoëfficiënt van ijzige wegen onder verschillende hoeveelheden sneeuwval te bepalen.

Internationaal zijn de Britse draagbare tester (BPT) en de Zweedse Road and Transport Research Institute portable friction tester (VTI PFT) momenteel de meest gebruikte instrumenten voor het meten van de wrijvingscoëfficiënt^22,23. De PFT is een draagbare wrijvingstester ontwikkeld door VTI en stelt de operator in staat om metingen rechtop uit te voeren en de gegevens op de computer op te slaan²². De PFT kan de meeste voorgevormde wegmarkeringen meten, maar het aantal instrumenten dat momenteel beschikbaar is, is nog steeds erg klein². De BPT is een slingerwrijvingscoëfficiënttester die is ontwikkeld door het British Road Research Laboratory (RRL, nu TRL). Het instrument is een dynamische slingerslag-type tester die wordt gebruikt om het energieverlies te meten in gevallen waarin een rubberen schuifrand over een testoppervlak wordt voortgestuwd. De resultaten worden gerapporteerd als British Pendulum Numbers (BPN’s) om te benadrukken dat ze specifiek zijn voor deze tester en niet direct gelijkwaardig aan die van andere apparaten²⁴. Het instrument is nuttig gebleken voor de bepaling van wrijvingscoëfficiënten in het experimentele verhardingsveld²³. Dit experiment gebruikt de BPT voor het bepalen van wrijvingscoëfficiënten.

De huidige studie beschrijft de experimentele procedure voor het meten van de wrijvingscoëfficiënt van ijzige verhardingen die overeenkomen met verschillende sneeuwvalhoeveelheden binnenshuis. De problemen die in de experimenten moeten worden opgemerkt, zoals experimentele kalibratie, experimentele implementatie en de methoden van gegevensanalyse, worden in detail uitgelegd. De huidige experimentele procedures kunnen worden samengevat in de volgende vijf stappen: 1) de voorbereiding van de apparatuur, 2) de berekening en analyse van de sneeuwval, 3) kalibratie van de apparatuur, 4) bepaling van de wrijvingscoëfficiënt en 5) gegevensanalyse.