Xác định vận tốc khai thác đảm bảo an toàn khi xe ô tô chạy trên đường cong tròn trong điều kiện Việt Nam

Bài viết Xác định vận tốc khai thác đảm bảo an toàn khi xe ô tô chạy trên đường cong tròn trong điều kiện Việt Nam phân tích mối quan hệ giữa vận tốc và bán kính đường cong nằm dạng tròn đến điều kiện ổn định của xe ô tô, bài viết đã nghiên cứu và kiến nghị vận tốc khai thác đảm bảo an toàn khi xe ô tô chạy trong đường cong nằm dạng tròn với bán kính đường cong nằm tối thiểu giới hạn và bán kính đường cong nằm tối thiểu thông thường.

Journal of Science and Transport Technology University of Transport Technology Determination of safe operating speed of cars running on circular curves in Vietnam conditons Nguyen Van Chinh* *University of Transport and Communications Article info Type of article: Original research paper *Corresponding author: E-mail address: chinhnv@utc.edu.vn Received: 14/04/2022 Accepted: 18/05/2022 Published: 26/05/2022 JSTT 2022, (2), 20-27 Abstract: One of the most important goals in road construction is to provide safe driving at high speeds in order to reduce trip time and increase investment efficiency However, when a car run on a circular curve, it will be affected by centrifugal force, causing the vehicle to be in danger of overturning and sliding on the road surface, causing traffic insecurity Therefore, it is necessary to study and determine the operating speed when cars run on a circular curve to ensure traffic safety Based on analyzing the relationship between the speed and radius of the circular curve to the stability condition of the car, the article has researched and recommended the operating speed to ensure safety when cars run on circular curves with minimum radius and normal radius The research results of the article are the basis for the management agency to determine the reasonable operating speed of the route Keywords: Motorway, operating speed, traffic safety https://jstt.vn/index.php/vn Tạp chí điện tử Khoa học Công nghệ Giao thông Trường Đại học Công nghệ GTVT Xác định vận tốc khai thác đảm bảo an tồn xe tơ chạy đường cong trịn điều kiện Việt Nam Nguyễn Văn Chính* *Trường Đại học Giao thông vận tải Thông tin viết Dạng viết: Bài báo nghiên cứu *Tác giả liên hệ: Địa E-mail: chinhnv@utc.edu.vn Ngày nộp bài: 14/04/2022 Ngày chấp nhận: 18/05/2022 Ngày đăng bài: 26/05/2022 Tóm tắt: Mục tiêu quan trọng đầu tư xây dựng tuyến đường xe chạy an toàn với vận tốc cao để rút ngắn thời gian vận chuyển, nâng cao hiệu đầu tư Tuy nhiên xe ô tô chạy đường cong nằm dạng tròn chịu ảnh hưởng lực ly tâm khiến xe có nguy bị lật, trượt mặt đường gây an tồn giao thơng Do cần phải nghiên cứu, xác định vận tốc khai thác xe ô tô chạy đường cong nằm dạng trịn đảm bảo an tồn giao thơng Trên sở phân tích mối quan hệ vận tốc bán kính đường cong nằm dạng trịn đến điều kiện ổn định xe ô tô, báo nghiên cứu kiến nghị vận tốc khai thác đảm bảo an tồn xe tơ chạy đường cong nằm dạng trịn với bán kính đường cong nằm tối thiểu giới hạn bán kính đường cong nằm tối thiểu thông thường Kết nghiên cứu báo sở để quan quản lý xác định vận tốc khai thác hợp lý tuyến đường Từ khóa: Đường tơ; vận tốc khai thác; an tồn giao thông Giới thiệu Ở Việt Nam, vận tốc thiết kế dùng để tính tốn tiêu kỹ thuật chủ yếu tuyến đường trường hợp khó khăn ([1], [2], [3], [4], [5]) Do điều kiện bình thường xe phép chạy với vận tốc lớn vận tốc thiết kế Người tham giao thơng thường có xu hướng chạy với vận tốc cao để tiết kiệm thời gian chi phí vận chuyển Tuy nhiên xe chạy với vận tốc lớn đường cong nằm dạng trịn có nguy an toàn tác dụng lực ly tâm làm cho xe bị lật, trượt Do cần nghiên cứu xác định vận tốc khai thác phù hợp đảm bảo điều kiện chống lật, chống trượt xe đường cong nằm dạng tròn a) Nghiên cứu, xác định vận tốc khai thác xe ô tô đường cong nằm dạng trịn nước ngồi JSTT 2022, (2), 20-27 Nghiên cứu ổn định an toàn xe tơ đường cong nằm dạng trịn vấn đề xây dựng đường ô tơ nước ngồi Sử dụng cơng cụ tìm kiếm google với từ khóa “safe speed for horizontal curve” nhận 31.300.000 kết 0,58 giây Hình Giao diện xác định vận tốc khai thác xe ô tô đường cong nằm dạng tròn https://jstt.vn/index.php/vn JSTT 2022, (2), 20-27 Nguyễn Các kết nghiên cứu nước thường tiến hành dựa mối quan hệ vận tốc bán kính đường cong nằm dạng trịn với điều kiện ổn định xe tô để thiết lập công thức liên hệ vận tốc khai thác với bán kính đường cong nằm dạng trịn ([7], [8], [9], [10], [11]) Thậm chí cung cấp công cụ trực tuyến giúp cho kỹ sư nhanh chóng xác định vận tốc khai thác xe tơ đường cong nằm dạng trịn (Hình 1) Trong Hình 1, sau nhập bán kính đường cong nằm dạng tròn (Radius of Horizontal Curve), độ dốc siêu cao (Superelevation) nhận kết vận tốc đảm bảo an toàn cho xe đường cong nằm dạng trịn (Safe Speed for Horizontal Curve) Ví dụ: Với độ dốc siêu cao 6%, bán kính đường cong nằm dạng trịn 100m vận tốc khai thác 32,7014 mph b) Nghiên cứu, xác định vận tốc xe ô tô đường cong nằm dạng tròn Việt Nam Bảng Quy định bán kính đường cong nằm tối thiểu theo vận tốc thiết kế tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN 4054- 2005 Cấp đường I II III IV V VI 120 100 80 (60) 60 (40) 40 (30) 30 (20) - tối thiểu giới hạn 650 400 250 (125) 125 (60) 60 (30) 30 (15) - tối thiểu thông thường 1000 700 400 (250) 250 (125) 125 (60) 60 (50) - tối thiểu không siêu cao 5500 4000 2500 (1500) 1500 (600) 600 (350 350 (250 Tốc độ thiết kế, km/h Bán kính đường cong nằm (m) Bảng Tốc độ tối đa cho phép xe giới tham gia giao thông (trừ đường cao tốc) Tốc độ tối đa (km/h) Loại xe giới đường Đường đơi; đường chiều có từ hai xe giới trở lên Đường hai chiều; đường chiều có xe giới 60 50 Xe ô tô con, xe ô tô chở người đến 30 chỗ (trừ xe bt); tơ có trọng tải nhỏ 3,5 90 80 Xe ô tô trở người 30 chỗ (trừ xe buýt); ô tô có trọng tải 3,5 (trừ ô tơ xi téc) 80 70 Ơ tơ bt; tơ đầu kéo sơ mi rơ mc; xe mơ tơ; tô chuyên dùng (trừ ô tô trộn vữa, ô tô trộn bê tơng 70 60 Ơ tơ kéo rơ mc, ô tô kéo xe khác, ô tô trộn vữa, ô tô trộn bê tông, ô tô xi téc 60 50 I Trong khu đông dân cư Các phương tiện xe giới, trừ xe quy định Điều Thơng tư II Ngồi khu đơng dân cư 22 JSTT 2022, (2), 20-27 Nguyễn Mối quan hệ bán kính đường cong nằm dạng trịn vận tốc xe tơ thể giáo trình thiết kế yếu tố hình học đường tơ ([1]) với cơng thức sau: đường cong nằm dạng trịn g : Gia tốc trọng trường (m/s2) Xuất phát từ thực tế Việt Nam, báo “Xác định vận tốc khai thác đảm bảo an tồn xe tơ chạy đường cong nằm dạng trịn điều kiện Việt Nam” nhằm tính tốn, đề xuất vận tốc khai thác đảm bảo điều kiện ổn định (chống lật chống trượt) với bán kính đường cong nằm tối thiểu giới hạn bán kính đường cong nằm tối thiểu thơng thường (khơng xét với bán kính lớn lực ly tâm nhỏ nên ảnh hưởng) in : Độ dốc ngang mặt đường (%) Phương pháp nghiên cứu µ : Hệ số lực ngang 2.1 Phân tích điều kiện đảm bảo ổn định xe ô tô đường cong nằm dạng tròn R v2 g.(   i n ) (1) Trong đó: v : Vận tốc xe ô tô (m/s) Trong tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô, mối quan hệ bán kính đường cong nằm dạng trịn với vận tốc thiết kế thơng qua quy định bán kính đường cong nằm tối thiểu theo cấp đường vận tốc thiết kế ([2], [3], [4], [5]) Ví dụ quy định bán kính đường cong nằm tối thiểu theo vận tốc thiết kế tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN 4054- 2005 (Bảng 1) a) Các lực tác dụng xe chuyển động đường cong nằm dạng tròn Các lực tác dụng lên xe ô tô đường cong nằm dạng trịn phân tích giáo trình thiết kế yếu tố hình học đường tơ ([1]) thể Hình Các lực tác dụng lên xe gồm : (Ghi chú: Trị số Bảng quy định địa hình đồng núi, trị số ngoặc đơn áp dụng địa hình núi) G: Trọng lượng thân xe (đóng vai trị lực giữ ổn định xe tô) Quy định Bảng sử dụng để xác định bán kính đường cong nằm dạng trịn phù hợp với cấp đường Mặt khác vận tốc thiết kế thường hiểu vận tốc tối thiểu nên thường không sử dụng để xác định vận tốc khai thác tuyến đường Y: Các thành phần lực chiếu lên phương song song với mặt đường (đóng vai trị lực gây lật, trượt) Bộ Giao thông vận tải ban hành Thông tư số 31/2019/TT-BGTVT ngày 29/8/2019 quy định tốc độ tối đa cho phép xe giới đường ô tô (Bảng 2) Vận tốc quy định Bảng áp dụng cho tồn tuyến đường (khơng phân biệt đường thẳng đường cong nằm dạng tròn) Nhận xét: Phân tích cho thấy, mối quan hệ bán kính đường cong nằm dạng trịn vận tốc xe ô tô nêu giáo trình tiêu chuẩn thiết kế đường tơ Bộ giao thông vận tải ban hành thông tư quy định vận tốc khai thác tuyến đường Tuy nhiên chưa có quy định cụ thể vận tốc khai thác xe ô tô C: Lực ly tâm Y = C.cos ± G.sin (2) (Dấu "+ " trường hợp mặt đường mái, dấu "- " trường hợp có siêu cao) b) Điều kiện đảm bảo ổn định xe ô tô đường cong nằm dạng trịn Xe tơ đảm bảo ổn định đường cong nằm dạng tròn lực giữ (G) phải lớn lực gây lật, trượt (Y) Hệ số lực ngang đặc trưng tác dụng đơn vị trọng lượng xe) xác định theo công thức: Y  (3) G Công thức (3) cho thấy hệ số lực ngang lớn nguy xe mất ổn định cao Để đảm bảo an toàn cho xe cần hạn chế giá trị hệ số lực ngang mức độ phù hợp, giáo trình 23 JSTT 2022, (2), 20-27 Nguyễn thiết kế yếu tố hình học đường tơ ([1]) nêu giá trị hệ số lực ngang đảm bảo ổn định xe tơ đường cong nằm dạng trịn sau : - Đảm bảo điều kiện chống lật : ≤ 0,6 - Đảm bảo điều kiện chống trượt với mặt đường khô ráo: ≤ 0,36 - Đảm bảo điều kiện chống trượt với mặt đường ẩm, : ≤ 0,24 - Đảm bảo điều kiện chống trượt với mặt đường ẩm, có bùn: ≤0,12 Hình Các lực tác dụng xe chạy đường cong nằm dạng tròn 2.2 Xác định vận tốc khai thác đảm bảo an toàn xe chuyển động đường cong nằm dạng tròn a) Mối quan hệ hệ số lực ngang với bán kính vận tốc khai thác Biến đổi công thức (1) thay độ dốc ngang độ dốc siêu cao (isc) ta được:  v2  i sc g.R (4) Trong công thức (4), thay vận tốc từ đơn vị (m/s) đơn vị (km/h) ta :  V2  i sc 127.R (5) Phân tích cơng thức (4) (5) cho thấy hệ số lực ngang tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc thiết kế tỷ lệ nghịch với bán kính đường cong nằm dạng tròn Do để giảm hệ số lực ngang cần giảm vận tốc tăng bán kính đường cong nằm dạng trịn Tuy nhiên tăng bán kính đường cong nằm dạng trịn khó thực bị khống chế điều kiện địa hình chi phí đầu tư, giảm vận tốc phải tính tốn để xác định vận tốc khai thác phù hợp tránh xác định vận tốc thấp làm tăng chi phí vận tải giảm hiệu đầu tư b) Xác định vận tốc khai thác đảm bảo an toàn xe chuyển động đường cong nằm dạng tròn Trong công thức (5), với đường cong cụ thể (biết bán kính độ dốc siêu cao), giới hạn giá trị lực lực ngang đảm bảo chống lật chống trượt xác định vận tốc khai thác xe đường cong nằm dạng tròn Thể cơng thức (5) theo dạng đồ thị (Hình 3), vận tốc khai thác giao điểm đường quan hệ (µ- v) với giá trị lực ngang đảm bảo điều kiện chống lật, chống trượt Từ biểu đồ Hình 3, áp dụng xác định vận tốc khai thác xe đường cong nằm dạng tròn 24 JSTT 2022, (2), 20-27 với bán kính đường cong nằm tối thiểu giới hạn (Rmin) bán kính đường cong nằm tối thiểu thông thường (Rtt), độ dốc siêu cao tương ứng với cấp đường từ IV đến I tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô ([2]) Kết thể Hình Nhận xét: Kết Hình cho thấy: - Các tuyến đường cấp VI, V, IV: Với bán kính Rmin dù vận tốc khai thác vận tốc thiết kế chưa đảm bảo yêu cầu chống trượt - Với tuyến đường từ cấp III đến cấp I: Khi vận tốc khai thác vận tốc thiết kế đảm Nguyễn bảo điều kiện chống lật chống trượt Nếu vận tốc khai thác lớn vận tốc thiết kế xuất nguy xe bị trượt - Điều kiện chống trượt chịu ảnh hưởng tình trạng mặt đường Do cần khuyến cáo vận tốc khai thác xe đường cong vào điều kiện thực tế mặt đường - Với kết Hình sở để quan quản lý giao thông cắm biển giới hạn tốc độ đảm ổn định xe ô tô đường cong nằm dạng tròn ĐƯỜNG CẤP VI, Vtk=30km/h a) b) c) d) e) f) Hình Kết xác định vận tốc khai thác đảm bảo điều kiện chống trượt chống lật cho xe ô tô đường cong nằm dạng tròn 25 JSTT 2022, (2), 20-27 Nguyễn Hệ số lực ngang BIỂU ĐỒ HỆ SỐ LỰC NGANG- VẬN TỐC 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 Lực ngang- V chống lật trượt TH ẩm, có bùn trượt TH ẩm, Trượt: khô, 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 Vận tốc (km/h) Hình Xác định vận tốc đường cong dạng tròn đảm bảo điều kiện chống lật, chống trượt Bảng Tổng hợp kết đánh giá quy định vận tốc khai thác với yêu cầu an tồn xe tơ đường cong nằm dạng tròn Cấp đường VI V IV III II I Bán kính Vận tốc cho phép theo quy định 50 (km/h) 80 (km/h) Rmin Chỉ đảm bảo chống lật, không đảm bảo Không đảm bảo chống lật, chống chống trượt trượt Rtt Đảm bảo chống trượt với mặt đường khô, Rmin Chỉ đảm bảo chống trượt với mặt đường Không đảm bảo chống lật, chống khô, trượt Rtt Chỉ đảm bảo chống trượt với mặt đường Chỉ đảm bảo chống lật, không đảm ẩm, bảo chống trượt Rmin Đảm bảo chống lật, chống trượt Chỉ đảm bảo chống trượt với mặt đường khô, Rtt Đảm bảo chống lật, chống trượt Chỉ đảm bảo chống trượt với mặt đường ẩm, Rmin Đảm bảo chống lật, chống trượt Đảm bảo chống lật, chống trượt Rtt Đảm bảo chống lật, chống trượt Đảm bảo chống lật, chống trượt Rmin Đảm bảo chống lật, chống trượt Đảm bảo chống lật, chống trượt Rtt Đảm bảo chống lật, chống trượt Đảm bảo chống lật, chống trượt Rmin Đảm bảo chống lật, chống trượt Đảm bảo chống lật, chống trượt Rtt Đảm bảo chống lật, chống trượt Đảm bảo chống lật, chống trượt 2.3 Đánh giá quy định vận tốc khai thác đường ô tô tư số 31/2019/TT-BGTVT ngày 29/8/2019 Bộ Vận tốc tối đa cho xe ô tô trường hợp 50km/h với đường khu dân cư 80km/h với khu dân cư theo quy định thông giao thông vận tải ([6]) cho đường có 01 xe đường ngồi khu dân cư 26 JSTT 2022, (2), 20-27 Từ kết xác định vận tốc khai thác đảm bảo yêu cầu chống lật chống trượt đường cong nằm dạng trịn Hình 4, so sánh với quy định hành vận tốc tối đa khu dân cư để đánh giá điều kiện ổn định xe đường cong nằm dạng tròn Kết tổng hợp Bảng Nhận xét: Kết Bảng cho thấy quy định vận tốc khai thác khu dân cư 50km/h, khu dân cư 80km/h cho đường có 01 xe theo thơng tư số 31/2019/TT-BGTVT ngày 29/8/2019 Bộ GTVT chưa thực phù hợp Cụ thể: - Đối với tuyến đường từ cấp VI đến cấp IV chưa đảm bảo yêu cầu chống lật, chống trượt - Cấp đường thấp nguy ổn định đường cong nằm dạng tròn cao Do cần xem xét quy định vận tốc khai thác với tuyến đường cấp thấp, đường giao thông nông thôn Kết luận - Kết nghiên cứu báo xác định vận tốc khai thác đường cong đáp ứng yêu cầu chống lật chống trượt cho tuyến đường từ cấp VI đến cấp I Đây sở để quy định vận tốc khai thác thực tế Nguyễn [3] Bộ giao thông vận tải (2014) TCVN 10380:2014, Đường giao thông nông thôn- Yêu cầu thiết kế [4] Bộ giao thông vận tải (2007) TCXDVN 1042007, Đường ô tô thị- Yêu cầu thiết kế [5] Bộ giao thông vận tải (2012) TCVN 57292012, Đường ô tô cao tốc- Yêu cầu thiết kế [6] Bộ giao thông vận tải (2019), Thông tư số 31/2019/TT-BGTVT ngày 29/8/2019 quy định tốc độ khoảng cách an toàn xe giới, xe chuyên dùng tham gia giao thông đường [7] https://www.easycalculation.com /engineering/civil/safe-speed.php [8] https://www.state.nj.us/transportation/eng/tools /CalculatorESafeSpeedGreaterThan50.shtm [9] https://engineering.icalculator.info/safe-speedfor-horizontal-curve-calculator.html [10] https://www.calculatoratoz.com/en/designspeed-of-highway-calculator/Calc-16523 [11] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu /hbase/Mechanics/carbank.html - Quy định vận tốc khai thác theo thông tư số 31/2019/TT-BGTVT ngày 29/8/2019 Bộ GTVT chưa đảm bảo yêu cầu ổn định xe tơ đường cong nằm dạng trịn với tuyến đường từ cấp VI đến cấp IV Do cần phải xem xét, điều chỉnh - Đối tượng nghiên cứu kết báo xe ô tô nên chưa đại diện hết chủng loại xe tham gia giao thơng đường Vì cần tiếp tục nghiên cứu với loại xe khác Tài liệu tham khảo [1] X.C Bùi, Q.P Nguyễn (2006) Thiết kế yếu tố hình học đường tơ, Nhà xuất giao thông vận tải [2] Bộ giao thông vận tải (2005) TCVN 40542005, Đường ô tô- yêu cầu thiết kế 27 ... quan hệ vận tốc bán kính đường cong nằm dạng tròn đến điều kiện ổn định xe ô tô, báo nghiên cứu kiến nghị vận tốc khai thác đảm bảo an toàn xe ô tô chạy đường cong nằm dạng tròn với bán kính đường. .. (trừ ô tô trộn vữa, ô tô trộn bê tông 70 60 Ơ tơ kéo rơ mc, tơ kéo xe khác, ô tô trộn vữa, ô tô trộn bê tông, ô tô xi téc 60 50 I Trong khu đông dân cư Các phương tiện xe giới, trừ xe quy định Điều. .. số lực ngang đảm bảo ổn định xe ô tô đường cong nằm dạng tròn sau : - Đảm bảo điều kiện chống lật : ≤ 0,6 - Đảm bảo điều kiện chống trượt với mặt đường khô ráo: ≤ 0,36 - Đảm bảo điều kiện chống