Farklı Miktarlarda Kar Yağışı Altında Buzlu Kaldırımların Sürtünme Katsayılarının Belirlenmesi

Kaldırım sürtünmesi, araç lastikleri ile altta yatan yol yüzeyi¹ arasındaki kavrama olarak tanımlanır. Yol tasarımında kaldırım sürtünmesi ile en sık ilişkilendirilen endeks, kaldırım sürtünme katsayısıdır. Sürtünme, yol tasarımında en önemli faktörlerden biridir ve dayanıklılıktan sonra ikinci sıradadır. Kaldırım sürtünme performansı ile kaza riski² arasında güçlü ve net bir korelasyon vardır. Örneğin, trafik kazası oranları ile kaldırım kayma direnci ^3,4,5 arasında anlamlı bir negatif korelasyon vardır. Kaldırım sürtünmesinin azalmasına çeşitli faktörler katkıda bulunabilir ve bu faktörlerin en doğrudan ve etkili olanlarından biri kar yağışı^6’dır. Spesifik olarak, kar yağışı kaldırımda buz oluşmasına neden olur, böylece yol sürtünme katsayısı ^7,8’de önemli bir azalmaya neden olur. Güney Finlandiya’daki trafik kazası oranlarını etkileyen faktörlere odaklanan bir çalışma, kaza oranlarının genellikle yoğun kar yağışlı günlerde zirveye ulaştığını ve 10 cm’den fazla karın kaza oranının iki katına çıkmasına neden olabileceğini belirtmiştir⁹. Benzer sonuçlar hem İsveç’te hem de Kanada’da yapılan çalışmalarda da bulunmuştur^10,11. Bu nedenle, karla donmuş kaldırımların sürtünme özelliklerini incelemek, yol güvenliğini artırmak için çok önemlidir.

Buzlu kaldırımların sürtünme katsayısının belirlenmesi karmaşık bir işlemdir, çünkü sürtünme katsayısı farklı kar yağışı seviyeleri ve kaldırım buz kalınlıkları altında değişebilir. Ayrıca, değişen sıcaklıklar ve lastik özellikleri de sürtünme katsayısını etkileyebilir. Geçmişte, lastiklerin buz¹² üzerindeki sürtünme özelliklerini incelemek için çok sayıda deney yapılmıştır. Bununla birlikte, bireysel ortamlardaki farklılıklar ve lastik özellikleri nedeniyle, tutarlı sonuçlar elde edilemez ve teorik çalışmalar için bir temel olarak kullanılamaz. Bu nedenle, birçok araştırmacı lastiklerin buz üzerindeki sürtünmesini analiz etmek için teorik modeller geliştirmeye çalışmıştır. Hayhoe ve Sahpley¹³ , lastikler ve buz arasındaki arayüzde ıslak sürtünme ısı değişimi kavramını önerirken, Peng ve ^ark.14 , yukarıdaki konsepte dayanarak sürtünmeyi tahmin etmek için gelişmiş bir veri modeli önerdi. Ek olarak, Klapproth pürüzsüz buz¹⁵ üzerindeki kaba kauçuğun sürtünmesini tanımlamak için yenilikçi bir matematiksel model sundu. Bununla birlikte, yukarıdaki modellerin, esas olarak lastiklerin buz¹⁶ üzerindeki sürtünme özelliklerini doğru ve verimli bir şekilde karakterize edememeleri nedeniyle önemli hatalara sahip oldukları gösterilmiştir.

Teorik modellerin hatalarını azaltmak için, büyük miktarda deneysel veriye ihtiyaç vardır. Finlandiya Meteoroloji Ajansı, buzlu kaldırım sürtünmesini tahmin etmek için bir sürtünme modeli geliştirdi ve bu modelin formülü öncelikle yol hava istasyonlarından ve istatistiksel analiz yoluyla elde edilen verilere dayanıyordu¹⁷. Ayrıca, Ivanović ve ark. lastiklerin buz üzerindeki sürtünme özelliklerini analiz ederek önemli miktarda deneysel veri toplamış ve regresyon analizi¹⁸ ile buzun sürtünme katsayısını hesaplamıştır. Gao ve ark. ayrıca, buz^19’daki sürtünme katsayısının formülünü elde etmek için Levenberg-Marquardt (LM) optimizasyon algoritmasını bir sinir ağıyla birleştirerek lastik-kauçuk-buz çekişinin yeni bir tahmin modelini önerdi. Yukarıdaki tüm modeller ya onaylanmış ya da pratikte uygulanmıştır ve bu nedenle uygulanabilir olarak kabul edilmektedir.

Teorik yöntemlere ek olarak, karlı ve donmuş alanlarda kaldırımların sürtünme katsayısının ölçülmesi için birçok pratik yöntem geliştirilmiştir. Havanın özellikleri nedeniyle, bu yöntemler İsveç, Norveç ve Finlandiya²⁰ gibi İskandinav ülkelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. İsveç’te, aşağıdaki üç ana sürtünme ölçüm cihazı türü kullanılmaktadır: BV11, SFT ve BV14. Kış bakım değerlendirmeleri için özel olarak geliştirilmiş çift sürtünme test cihazı BV14, ölçüm aracına doğrudan bağlıdır ve her iki tekerlek yolundaki kuru sürtünmeyi aynı anda ölçer²⁰. Finlandiya’da, sürtünme ölçüm aracı (TIE 475) kış yol bakım değerlendirmeleri için kullanılırken, Norveç’te ROAR sürtünme ölçüm cihazı (susuz) yaygın olarak kullanılan bir ekipman parçasıdır². İsveç, Norveç ve Finlandiya’da gerçekleştirilen kış sürtünme ölçümlerinin çoğu, ABS’li sıradan binek otomobiller ve^2,20 frenleme altında yavaşlamayı ölçen aletler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemin avantajı, basit ve nispeten ucuz olmasıdır ve ana dezavantajı, yöntemin doğruluğunun çok düşük olmasıdır.

Yukarıda açıklanan çalışmalar, buz üzerindeki sürtünme katsayılarını tahmin etmek ve tespit etmek için yöntemler sunmaktadır. Bununla birlikte, yol tasarımcılarına rehberlik etmek için tek tip bir yöntem ve belirli bir değer hala sağlanmamıştır. Ayrıca, kış yolları için, lastikler ve buz arasındaki sürtünme katsayısı farklı buz kalınlıklarına göre değişebilir ve farklı bertaraf önlemleri de uygulanmalıdır²¹. Bu nedenle, bu yazıda buzlu yolların farklı miktarlarda kar yağışı altında sürtünme katsayısını belirleme amaçlanmıştır.

Uluslararası olarak, İngiliz taşınabilir test cihazı (BPT) ve İsveç Yol ve Ulaşım Araştırma Enstitüsü taşınabilir sürtünme test cihazı (VTI PFT) şu anda sürtünme katsayısı^22,23’ü ölçmek için en yaygın kullanılan cihazlardır. PFT, VTI tarafından geliştirilen taşınabilir bir sürtünme test cihazıdır ve operatörün dik konumda ölçüm yapmasına ve verileri bilgisayara kaydetmesine olanak tanır²². PFT, çoğu konturlu yol işaretini ölçebilir, ancak şu anda mevcut olan cihazların sayısı hala çok küçüktür². BPT, İngiliz Yol Araştırma Laboratuvarı (RRL, şimdi TRL) tarafından geliştirilen bir sarkaç sürtünme katsayısı test cihazıdır. Cihaz, bir lastik sürgü kenarının bir test yüzeyi üzerinde itildiği durumlarda enerji kaybını ölçmek için kullanılan dinamik bir sarkaç darbe tipi test cihazıdır. Sonuçlar, bu test cihazına özgü olduklarını ve diğer cihazlardakilere doğrudan eşdeğer olmadıklarını vurgulamak için İngiliz Sarkaç Sayıları (BPN’ler) olarak rapor edilmiştir²⁴. Cihazın deneysel kaldırım alanı^23’teki sürtünme katsayılarının belirlenmesinde yararlı olduğu gösterilmiştir. Bu deney, sürtünme katsayılarının belirlenmesi için BPT’yi kullanır.

Bu çalışmada, iç mekanlarda farklı kar yağışı miktarlarına karşılık gelen buzlu kaldırımların sürtünme katsayısının ölçülmesi için deneysel prosedür açıklanmaktadır. Deneysel kalibrasyon, deneysel uygulama, veri analizi yöntemleri gibi deneylerde dikkat edilmesi gereken problemler ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Mevcut deneysel prosedürler aşağıdaki beş adımla özetlenebilir: 1) ekipmanın hazırlanması, 2) kar yağışının hesaplanması ve analizi, 3) ekipman kalibrasyonu, 4) sürtünme katsayısının belirlenmesi ve 5) veri analizi.