| dc.description.abstract | Denne masteroppgaven undersøkte historiske friksjonsmålinger for å evaluere totalfriksjonsverdier på bruer under vinterforhold. Kunnskap om friksjonens oppførsel er viktig ettersom at sidekreftene som kan tas opp gjennom friksjon i kurvebevegelser reduseres når vegene blir glatte. Uventede fall i friksjon kan komme overraskende på sjåfører slik at de ikke rekker å justere hastigheten for å imøtekomme friksjonsforholdene før de er inne i kurva, og dermed øker risikoen for ulykker. Vegbruer har dessverre gode forhold for rimdannelse som tillater at tynne lag med rim legger seg på bruene uten at resten av vegen påvirkes. Norske vegbruer i dag utformes derfor med strengere krav til minste horisontalkurveradius for å redusere sidekreftene som kjøretøyene opplever i kurver, og reduserer dermed behovet for sidefriksjon i kurver. Likevel er lite kjent om hvilke friksjonsverdier som faktisk opptrer på bruer under vinterforhold.
Oppgaven tok for seg historiske friksjonsmålinger fra 2018 til 2021, målt med kontinuerlige friksjonsmålere, Road analyzer and Recorder versjon 5 og versjon 6, utført av profesjonelle sjåfører hos Statens Vegvesen. Målinger med lufttemperaturer eller vegoverflatetemperaturer lavere enn 1 grad celsius ble knyttet til vegbruer og vinterdriftsklasser i Nasjonal VegDataBank ved bruk av databankens API og programmet QGIS. Det ble laget buffersoner rundt bruene og rundt bruenes endepunkter i QGIS for å finne målinger som var mindre enn 100 meter unna bruene i luftavstand. Deretter ble målingene som var utført på bruer analysert mot målingene som var utført på vegstrekningene utenfor bruene.
Analysene vurderte totalfriksjon avhengig av henholdsvis vinterdriftsklasse, temperatur og luftfuktighet. Førstnevnte inkluderte densitetsfordelinger, 5-persentiler, 15-persentiler, gjennomsnittsverdier og standardavvik. De to resterende avhengighetene ble analysert visuelt gjennom spredningsplott, inkludert trendlinjer for luftfuktighet. I tillegg ble det utført sensitivitetsanalyser av variabler som inngår i dimensjoneringen av minste horisontalkurveradius. Dette inkluderte sidefriksjonsandeler, sikkerhetsfaktorer for friksjon, og overhøyder. Til slutt ble totalfriksjonsverdiene fra de historiske målingene vurdert opp mot dagens krav til 50 % økning av minste horisontalkurveradius for å vurdere hvor godt dagens krav fungerer.
Resultatene viste at totalfriksjonen generelt sett var signifikant høyere på bru enn utenfor bru. Dette gjaldt for 5-persentil, 15-persentil og gjennomsnittlige verdier. Blant vinterdriftsklassene ble det samme observert for vinterdriftsklasse E, mens vinterdriftsklasse B, høy, hadde signifikant lavere totalfriksjon for 15-persentil og gjennomsnittsverdi. Vinterdriftsklasser med barvegsstrategi hadde både høyere verdier og lavere standardavvik enn vinterdriftsklasser med vintervegsstrategi. Lavest 5-persentilverdi på bru blant vinterdriftsklassene ble registrert for klasse C, med totalfriksjon lik 0,18. Vegoverflatetemperaturen var stort sett lik på bruene som utenfor bruene. Målinger med høy luftfuktighet hadde en tendens til å ha lavere totalfriksjon under vinterforholdene. Sensitivitetsanalysen viste at overhøyden var den mest kritiske variabelen når den ble kombinert med lave totalfriksjonsverdier. Ved plausible avvik i overhøyde kombinert med rim kan behovet for horisontalkurveradius bli mer enn det dobbelte av den minste horisontalkurveradiusen for vanlig veg dersom man skal ivareta sikkerheten ved normalhastigheter.
Behov for minste horisontalkurveradius kan beregnes ved å koble vinterdriftsklasser opp mot vegdimensjoneringsklassene og legge de registrerte 5-persentilene fra de historiske målingene til grunn. En slik tilnærming stemmer ikke så verst overens med dagens krav om 50 % økning av minste horisontalkurveradius. I dette tilfellet kan både vegklasse H5 og H3 redusere kravet til 25 % økning. Likevel er det tvilsomt at denne fremgangsmåten vil redusere ulykkesrisiko så mye som man ønsker. Som oftest er friksjonsforholdene bedre på bruene enn utenfor, og dermed vil trafikantene som oftest justere hastigheten til de gjeldene forholdene lenge før de når bruene. Hovedutfordringen knyttes til tilfeller med rim på bruer uten at forholdene blir dårligere på vegene rundt. For å håndtere dette bør totalfriksjonsverdien til rim på 0,15 legges til grunn for dimensjoneringen av minste horisontalkurveradius på bru. Dette medfører å øke kravet til ca 70-75 % økning av minste horisontalkurveradius for de fleste vegklassene. Vegklasse H5 kan bruke dagens krav til 50 % økning, mens vegklasse H3 kan redusere kravet til 40 % økning.
De historiske målingene som ligger til grunn for resultatene i denne oppgaven har flere utfordringer med å representere norske vinterforhold på bruer bredt nok. Målingene dekker kun tre fulle vintersesonger, mer enn 75 % av målingene er utført i Trøndelag fylke, og mer enn 85 % av alle målingene ble gjennomført mellom klokken 8 og 20. Til gjengjeld dekker disse målingene over 4800 delstrekninger på bruer, og over 19000 delstrekninger utenfor bruer. Dessverre stemmer ikke alle disse delstrekningene overens med faktiske bruer som har blitt undersøkt. I noen tilfeller har bruer som krysser på tvers over den målte vegstrekningen blitt definert som bru på selve målestrekningen. I motsatt tilfelle har også noen bruer som faktisk lå på målestrekningen ikke blitt plukket opp. Metoden med de historiske målingene som ble brukt i denne oppgaven er også lite egnet til å fange opp tilfeller med rimfrost på bruer. | |
| dc.description.abstract | This thesis studied historical friction measurements for the purpose of evaluating total friction values on and off bridges during winter conditions. Building an understanding of the friction's behavior is important as the amount of side forces that can be counteracted in horizontal curves is dependent on the available side friction, subsequently increasing the risk of accidents on slippery roads. Unexpected reductions of friction may catch drivers off guard, not giving them time to reduce their speed to match the conditions before they enter a curve. Unfortunately, road bridges have some of the best conditions for the formation of hoar frost, allowing tiny layers of hoar frost to form on bridges without affecting nearby roads. Norwegian road bridges are therefore designed with stricter requirements to the minimal horizontal curve radius in order to reduce side forces in curves, thus reducing the need for side friction in curves. Despite these requirements, little is known about which friction values actually occur on bridges during winter conditions.
The thesis examined historical friction measurements from 2018 to 2021 measured by continuous friction measurers, Road analyzer and Recorder version 5 and version 6, performed by professional drivers at the Norwegian Public Roads Administration. Measurements with air temperatures or road surface temperatures lower than 1 degree Celsius were connected to road bridges and winter maintenance classes in the National Road DataBase using the database’s API and QGIS. To find measurements less than 100 meter away from the bridges, buffer zones were made around the bridges and around the bridges’ endpoints in QGIS. Afterwards, the measurements done on bridges were analyzed against the measurements done outside of the bridges on both sides of the bridges.
The analyses consisted of total friction analyzed against winter maintenance classes, temperature and humidity, respectively. The first analysis considered density distributions, 5-percentiles, 15-percentiles, averages and standard deviations. The rest of the analyses were done visually through scatter plots, including trend lines for humidity. Additionally, sensitivity analyses were done for variables affecting the minimum horizontal curve radius. This included shares of side friction, safety factors for friction, and superelevation. Finally, the total friction values from the historical measurements were evaluated against today’s requirements for 50 % increasement of the minimal horizontal curve radius in order to evaluate how well this requirement works.
The results showed that the total friction, generally speaking, was significantly higher on the bridges as opposed to off the bridges. This was true for 5-percentile, 15-percentil and average values. When total friction was examined for winter maintenance classes, class E had significantly higher values for both of the percentiles and the average, whereas class B, high, had significantly lower values for the 15-percentile and the average value. Winter maintenance classes with strategies allowing no ice nor snow had higher total friction values and less standard deviation than the classes with winter road strategies. The lowest 5-percentile value among the different winter maintenance classes on bridges was registered on class C with a total friction of 0,18. Road surface temperatures were mostly constant, both on and off the bridges. Measurements with higher humidity tended to have lower total friction values during winter conditions. The sensitivity analyses showed that the superelevation was the most critical factor when combined with low total friction. Plausible deviations in superelevation combined with hoar frost would require more than twice the minimum horizontal curve radius in order to upkeep safe driving at normal limit.
The need for minimum horizontal curve radius can be calculated by tying the different winter maintenance classes to the road dimensioning classes, and using the registered 5-percentiles for total friction from the historical measurements. This approach coincides fairly well with the current requirements of 50 % increasement of the minimum horizontal curve radius. The requirements could even be lowered to 25 % for the road classes H5 and H3. However, the friction conditions tend to be better on the bridges as opposed to off the bridges, meaning that if the friction conditions are bad, the drivers are likely to adjust their speed way before they ever reach the bridges. The main problem comes from cases where hoar frost only forms on the bridges, leaving the connecting roads with decent friction conditions. To accommodate these cases, the total friction value of hoar frost of 0,15 should be used as the dimensioning total friction value when calculating the minimum horizontal radius on bridges. This requires about 70-75 % increasements of the minimum horizontal radii for most of the road classes, but road class H5 can stay unchanged with 50 % increasement, and road class H3 can be reduced to 40 % increasement.
The historical measurements, which make up the basis for the results in this thesis, have some challenges with representing Norwegian winter conditions on bridges broadly enough. There were only measurements from three full winter seasons, more than 75 % of the measurements were done in the county of Trøndelag, and more than 85 % of the measurements took place between 8 am and 8 pm. Despite these limitations, more than 4800 measurements were carried out on bridges, with an additional 19000 measurements done off the bridges. Unfortunately, not all these measurements coincide with actual bridges that were measured. In some cases, if there was a bridge crossing the road where the actual measurements took place, the measurements were wrongfully attributed to the bridge. In the opposite case, a few bridges were left out despite having measurements done on them. Additionally, using these historical measurements fail to pick up any significant number of bridges with hoar frost formation. | |
