የመንገድ ሱፐርኤሌቬሽን ፊዚክስ እና የጎንዮሽ ፍላጎት
ተሽከርካሪዎች በአግድም የመንገድ መታጠፊያዎች ላይ በሚጓዙበት ወቅት፣ ወደ ውጭ የሚገፋቸው ሴንትሪፊዩጋል ኃይል ያጋጥማቸዋል። ይህንን ኃይል ለመቋቋም እና የተሽከርካሪዎችን መረጋጋት ለመጠበቅ የመንገዱ ውጫዊ ጫፍ ከውስጠኛው ከፍ እንዲል ተደርጎ ይገነባል፤ ይህም የጎን ዘንበልታ ወይም ሱፐርኤሌቬሽን (Superelevation) ይባላል።
በመታጠፊያ ላይ ያለን ተሽከርካሪ መረጋጋት የሚገዛው መሰረታዊ የነጥብ-ክምችት (Point-mass) እኩልዮሽ የሚከተለው ነው፦
e + f = V² ÷ (k × R)
እዚህ ላይ e የመንገዱ የጎን ዘንበልታ መጠን ሲሆን፣ f ጥቅም ላይ የዋለው የጎን ግጭት ፋክተር (Side friction factor) ነው። V የዲዛይን ፍጥነትን፣ R የከርቭ ራዲየስን፣ እንዲሁም k የዩኒት መቀየሪያ ኮንስታንትን (በሜትሪክ 127፣ በኢምፔሪያል 15) ይወክላሉ። ከዚህ እኩልዮሽ የምናገኘው ጠቅላላ እሴት የጎንዮሽ ፍላጎት (Lateral demand) ተብሎ የሚጠራ ሲሆን፣ ይህም በጎን ዘንበልታ እና በጎማና አስፋልት መካከል ባለው የጎን ግጭት መጋራት አለበት።
AASHTO ዘዴ 5 የስርጭት መርህ
በአሜሪካ የስቴት ሀይዌይ እና ትራንስፖርት ባለስልጣናት ማህበር (AASHTO) "Green Book" (2018, 7ኛው እትም) መመሪያ መሠረት፣ የጎንዮሽ ፍላጎት (D) በጎን ዘንበልታ (e) እና በጎን ግጭት (f) መካከል የሚከፋፈለው በዘፈቀደ ሳይሆን በስልታዊው "ዘዴ 5" (Method 5) ስርጭት ነው። ይህ ዘዴ በዝቅተኛ ፍጥነት ወይም ሰፊ ራዲየስ ባላቸው መታጠፊያዎች ላይ አሽከርካሪዎች ምቾት እንዲሰማቸው ለማድረግ ፍላጎቱን በይበልጥ ወደ የጎን ዘንበልታው ያደላል።
የዘዴ 5 ቀመር የሚከተለው ነው፦
e = D × e_max ÷ (e_max + f_max)
እዚህ ላይ e_max የመንገድ ባለሥልጣኑ የወሰነው ከፍተኛው የፖሊሲ ጣሪያ ሲሆን፣ f_max ደግሞ ለዚያ የዲዛይን ፍጥነት የተፈቀደው ከፍተኛው የጎን ግጭት ወሰን ነው። የጎን ግጭት ወሰን (f_max) በአሽከርካሪዎች ምቾት ላይ ተመስርቶ የሚወሰን ሲሆን፣ ፍጥነት እየጨመረ ሲሄድ የመንሸራተት ስጋትን ለመቀነስ እሴቱ ይቀንሳል። ለምሳሌ በሜትሪክ ስሌት f_max በ 30 ኪ.ሜ/ሰ ላይ 0.17 ሲሆን፣ በ 120 ኪ.ሜ/ሰ ላይ ወደ 0.09 ዝቅ ይላል። በኢምፔሪያል ደግሞ በ 20 ማይል/ሰ ላይ 0.17 የነበረው በ 80 ማይል/ሰ ላይ ወደ 0.08 ይወርዳል። በእነዚህ የሰንጠረዥ እሴቶች መካከል ያሉ ፍጥነቶች በኢንተርፖሌሽን ይሰላሉ።
የሽግግር ርዝመት እና የቀጥታ መንገድ ሽግግር
የመንገዱ ተሻጋሪ ቅርጽ በቀጥታ መንገድ ላይ ካለው መደበኛ ክራውን (Normal crown) ወደ መታጠፊያው ሙሉ የጎን ዘንበልታ (Superelevation) ደረጃ በደረጃ መለወጥ አለበት። ይህ የሽግግር ሂደት በሁለት ዋና ዋና ክፍሎች ይከፈላል፦
- የቀጥታ መንገድ ሽግግር (Tangent runout - L_t)፦ የውጭኛው የመንገድ መስመር ከተቃራኒው ተሻጋሪ ቁልቁለት ተነስቶ ከማዞሪያው ዘንግ ጋር እኩል ደረጃ (0%) እስኪሆን ድረስ የሚሽከረከርበት ርዝመት ነው።
- የሱፐርኤሌቬሽን ረንኦፍ (Superelevation runoff - L_r)፦ የመንገዱ አስፋልት ከደረጃው (0%) ተነስቶ ሙሉ በሙሉ ወደ ተሰላው የዲዛይን ሱፐርኤሌቬሽን መጠን የሚሽከረከርበት ርዝመት ነው።
AASHTO የሽግግር ርዝመቱን የሚወስነው በአስፋልቱ ውጫዊ ጫፍ እና በማዞሪያው ዘንግ መካከል ካለው ከፍተኛ አንጻራዊ ግሬዲየንት (Δ) በመነሳት ነው። ይህ አንጻራዊ ግሬዲየንት ለደህንነት ሲባል በከፍተኛ ፍጥነት ላይ ረገብ እንዲል ይደረጋል (ለምሳሌ በ 20 ኪ.ሜ/ሰ 0.80% ሲሆን፣ በ 120 ኪ.ሜ/ሰ ላይ ወደ 0.38% ዝቅ ይላል)።
ስፓይራል (Spiral) ሽግግር በሌላቸው መደበኛ ክብ መታጠፊያዎች ላይ፣ ከሽግግሩ ርዝመት (L_r) ውስጥ በግምት ሁለት ሶስተኛው (67%) ከመታጠፊያው መጀመሪያ (PC) በፊት ባለው ቀጥተኛ መንገድ ላይ የሚቀመጥ ሲሆን፣ ቀሪው አንድ ሶስተኛ (33%) ደግሞ ከመታጠፊያው መጀመሪያ በኋላ ባለው ከርቭ ውስጥ ይደረጋል።
የአየር ንብረት እና የፖሊሲ ጣሪያዎች (e_max)
የመንገድ ዲዛይነሮች እንደየአካባቢው የአየር ንብረት እና የመንገዱ ዓይነት ተገቢውን የፖሊሲ ጣሪያ (e_max) መምረጥ አለባቸው። AASHTO አምስት ዋና ዋና የፖሊሲ ጣሪያዎችን ያቀርባል፦
- 4% እና 6%፦ በተደጋጋሚ መቆም እና ዝግተኛ ትራፊክ ባለባቸው የከተማ መንገዶች ላይ ጥቅም ላይ ይውላል። ይህም ዝቅተኛ ፍጥነት ያላቸው ተሽከርካሪዎች ወደ ውስጥ እንዳይንሸራተቱ ይከላከላል。
- 8%፦ በረዶ እና አመዳይ በብዛት በሚከሰትባቸው አካባቢዎች የሚመከር ከፍተኛው ጣሪያ ነው። በረዶ በበዛበት መንገድ ላይ ተሽከርካሪዎች በዝግታ በሚጓዙበት ወቅት ወደ መታጠፊያው ውስጠኛ ክፍል እንዳይዘለሉ ይረዳል。
- 10% እና 12%፦ በረዶ በሌለባቸው ሞቃታማ አካባቢዎች እና ከፍተኛ ፍጥነት በሚነዳባቸው የገጠር አውራ ጎዳናዎች ላይ ብቻ ጥቅም ላይ ይውላል።
የምክር ፍጥነት (Advisory Speed) አሰላለፍ
ለነባር ወይም ላልተስተካከሉ መታጠፊያዎች የሚለጠፈውን የሚመከር ፍጥነት (Advisory speed) ለመወሰን የነጥብ-ክምችት እኩልዮሹን ለፍጥነት (V) መፍታት ያስፈልጋል። ነገር ግን ፍጥነት በጨመረ ቁጥር ከፍተኛው የግጭት ወሰን (f_max) አብሮ ስለሚቀንስ፣ ይህ እኩልዮሽ ቀጥተኛ የሂሳብ መፍትሄ የለውም።
ይህንን ለመፍታት ማስያው የሁለትዮሽ ክፍፍል (Bisection iteration) የተባለውን ተደጋጋሚ የቁጥር ስሌት ዘዴ ይጠቀማል። ማስያው ትክክለኛውን መገናኛ ነጥብ ካገኘ በኋላ፣ ለትራፊክ ምልክት ምቹ እንዲሆን ውጤቱን ወደ ታች ወደ ቀጣዩ የ 5 ብዜት ያጠጋጋዋል።
የስሌት አጠቃቀም መመሪያ እና ገደቦች
ይህ የመንገድ ሱፐርኤሌቬሽን ማስያ በይነመረብ ላይ በነፃ የሚገኝ ሲሆን፣ ሙሉ በሙሉ በተጠቃሚው የድር አሳሽ (Browser) ውስጥ ይሰራል። ያስገቧቸው የከርቭ እሴቶች እና ግብዓቶች መቼም ቢሆን መሣሪያዎን አይለቁም።
ማስያው ለቅድመ ዲዛይን እና ለማረጋገጫ ስራዎች እጅግ ጠቃሚ ቢሆንም፣ የሚከተሉትን ገደቦች ማወቅ ያስፈልጋል፦
- ዝቅተኛ ፍጥነት ያላቸው የከተማ መንገዶች፦ የዲዛይን ፍጥነታቸው 70 ኪ.ሜ/ሰ (45 ማይል/ሰ) እና ከዚያ በታች የሆኑ መንገዶች የተለየ የ Green Book መመዘኛዎችን ይከተላሉ።
- የባቡር መስመሮች፦ የባቡር ሀዲድ ዲዛይን የራሱ የሆነ የተለየ ፎርሙላ (Equilibrium cant) ይጠቀማል።
- ሌሎች የዲዛይን ሁኔታዎች፦ ይህ ማስያ የአስፋልት ፍሳሽ ማስወገጃን (Drainage)፣ የማየት ርቀትን (Sight distance) እና የስፓይራል ሽግግሮችን ዝርዝር ሁኔታዎች አይተካም። የመጨረሻ ዲዛይኖች ሁልጊዜ ፈቃድ ባለው መሃንዲስ መረጋገጥ አለባቸው።
ተደጋግሞ የሚጠየቁ ጥያቄዎች (FAQ)
የአንድ ነባር መታጠፊያ የሚመከር ፍጥነት (Advisory speed) እንዴት ይገኛል?
ይህ የመታጠፊያው የግጭት ፍላጎት ከምቾት ወሰን በታች የሚቆይበት ከፍተኛው ፍጥነት ነው — ለ V የሚሰላው በ V² = 127·R·(e + f_max(V)) ፎርሙላ ከተለካው የጎን ዘንበልታ e ጋር ነው። የግጭት ወሰኑ ራሱ ፍጥነት ሲጨምር ስለሚቀንስ፣ እኩልዮሹ ቀጥተኛ መፍትሄ የለውም፤ ስለዚህ ማስያው በሁለትዮሽ ክፍፍል (Bisection) ደጋግሞ በማስላት መገናኛውን ይፈልጋል፣ ከዚያም ለሚለጠፈው እሴት ውጤቱን ወደ ታች ወደ ቀጣዩ 5 ያጠጋጋዋል። በሰንጠረዡ ውስጥ ያለው ዝቅተኛው ፍጥነት እንኳ ከወሰኑ በላይ ከሆነ፣ መታጠፊያው ተጨማሪ ራዲየስ ወይም ተጨማሪ የጎን ዘንበልታ ያስፈልገዋል፤ መገናኛው ከ 130 ኪ.ሜ/ሰ በላይ ከሆነ ደግሞ መታጠፊያው በተሸፈነው ክልል ውስጥ ፍጥነትን አይገድብም።
የትኛውን የፖሊሲ ጣሪያ መምረጥ አለብኝ?
የመታጠፊያ ወጪን፣ የዝግተኛ ተሽከርካሪዎችን መረጋጋት እና የአየር ንብረትን የሚያመዛዝነውን የመንገድ ባለሥልጣኑን ፖሊሲ ያዛምዱ። AASHTO አምስት ጣሪያዎችን ያቀርባል፦ በተደጋጋሚ መቆም እና ዝግተኛ ትራፊክ ላለባቸው የከተማ አካባቢዎች 4% እና 6%፣ በረዶ እና አመዳይ ለሚበዛባቸው አካባቢዎች 8%፣ እና በከፍተኛ ፍጥነት በሚነዳባቸው የገጠር አውራ ጎዳናዎች ላይ በረዶ በሌለባቸው አካባቢዎች ብቻ 10% ወይም 12% — ዝግተኛ ተሽከርካሪ በጣም ዘንበል ባለ በረዶማ መታጠፊያ ላይ ወደ ውስጥ ሊንሸራተት ይችላል።
የሽግግር ርዝመት (Superelevation runoff) እና የቀጥታ መንገድ ሽግግር (Tangent runout) ምንድን ናቸው?
የመንገዱ የጎን ዘንበልታ ከመደበኛው የጋሪ ራስ (Normal crown) በመታጠፊያው ነጥብ ላይ በቀጥታ ወደ ሙሉ የጎን ዘንበልታ ሊዘል አይችልም። የቀጥታ መንገድ ሽግግር (Tangent runout) የውጭኛውን መስመር ከተቃራኒው ዘንበልታው ወደ እኩል ደረጃ ያሽከረክረዋል፤ ከዚያም የሽግግር ርዝመቱ (Superelevation runoff) ሙሉውን አስፋልት ከደረጃው ወደ ሙሉው መጠን ያሽከረክረዋል。 AASHTO የሽግግር ርዝመቱን የሚወስነው በአስፋልቱ ጫፍ እና በማዞሪያው ዘንግ መካከል ካለው ከፍተኛ አንጻራዊ ግሬዲየንት በመነሳት ነው — በ 20 ኪ.ሜ/ሰ 0.80% እስከ 120 ኪ.ሜ/ሰ 0.38% — ስለዚህ ከፍተኛ ፍጥነት ያላቸው መንገዶች ረዘም ያሉና ረገብ ያሉ ሽግግሮች ያገኛሉ። ስፓይራል ለሌለው መታጠፊያ፣ ከሽግግሩ ርዝመት ውስጥ ሁለት ሶስተኛው ያህሉ ከመታጠፊያው መጀመሪያ በፊት ባለው ቀጥተኛ መንገድ ላይ ይደረጋል፤ ስፓይራል ካለው ደግሞ ሽግግሩ በስፓይራሉ ርዝመት ላይ ይገነባል።
ማስያው በጎን ዘንበልታ እና በግጭት መካከል እንዴት ይወስናል?
የነጥብ-ክምችት (Point-mass) እኩልዮሽ e + f = V² ÷ (127·R) ከፍጥነት እና ከራዲየስ የሚመጣውን የጎንዮሽ ፍላጎት D ይወስናል። የ AASHTO ዘዴ 5 ከዚያም በሁለቱ ከፍተኛ እሴቶች መጠን ይከፍለዋል፦ e = D·e_max ÷ (e_max + f_max)፣ እዚህ ላይ f_max ለዲዛይን ፍጥነቱ በ Green Book ላይ የተመሰረተው በምቾት ላይ የተመሰረተ የግጭት ወሰን ነው — በ 30 ኪ.ሜ/ሰ 0.17 እስከ 120 ኪ.ሜ/ሰ 0.09፣ በሰንጠረዥ እሴቶች መካከል በኢንተርፖሌሽን የሚሰላ። ፈጣን ፍጥነቶች እና ይበልጥ ስለታም መታጠፊያዎች የፖሊሲው ጣሪያ እስኪደረስ ድረስ ፍላጎቱን ይበልጥ ወደ ጎን ዘንበልታው ይገፉታል፤ ከዚያ ካለፈ ግን ራዲየሱ በጣም አነስተኛ በመሆኑ ማስያው ውጤቱን በምስጢር ከመገደብ ይልቅ አነስተኛውን ራዲየስ ሪፖርት ያደርጋል።
ይህ ዘዴ የማይሠራው መቼ ነው?
የባቡር መስመሮች የተለየ ፎርሙላ (Equilibrium cant) ይጠቀማሉ። ዝቅተኛ ፍጥነት ያላቸው የከተማ መንገዶች (70 ኪ.ሜ/ሰ / 45 ማይል/ሰ እና ከዚያ በታች) ከፍተኛ የግጭት እሴቶች ያላቸው የተለዩ የ Green Book መመዘኛዎች አሏቸው። በስፓይራል የተገናኙ መታጠፊያዎች ሽግግሩን እዚህ ላይ ከሚታየው የቀጥታ መንገድ ክፍፍል ይልቅ በስፓይራሉ ላይ ይገነባሉ። እንዲሁም ምንም ዓይነት የዘንበልታ ስሌት የፍሳሽ ማስወገጃን፣ የማየት ርቀትን እና የአስፋልት ዲዛይንን አይተካም — የጎን ዘንበልታ መቀልበሻው በመንገዱ ዝቅተኛ ነጥብ ላይ ማረፍ የለበትም፣ እና በረዶማ አካባቢዎች ዝቅተኛ ጣሪያዎችን ይፈልጋሉ።