Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô part 5 pptx

Bán kính đường cong tròn không bố trí đường cong chuyển tiếp clothoid: Sau khi bố trí đường cong chuyển tiếp nối với đường cong tròn thì sinh ra độ dịch chuyển p hình 3.20, nếu p quá nh

Bằng phân tích hình học và từ kinh nghiệm thiết kế đường ô tô cấp cao, đường cao tốc ở trong nước và nước ngoài trong nhiều năm, người ta rút ra những nguyên tắc lựa chọn chiều dài và thông số A bố trí đường cong clothoid như sau:

1 Yêu cầu từ động lực học chạy xe: Bảo đảm gia tốc ly tâm tăng từ từ trên suốt

chiều dài ĐCCT cho đến một trị số nhất định vào đường cong cơ bản

2 Yêu cầu từ bố trí đoạn nối siêu cao: Bảo đảm trên ĐCCT thực hiện được đoạn

nối siêu cao để chuyển đều đặn từ trắc ngang hai mái sang trắc ngang một mái

có độ dốc bằng độ dốc siêu cao

3 Yêu cầu từ thụ cảm quang học: Để đảm bảo thụ cảm quang học tức là đảm

bảo thụ cảm đều đặn về mặt thị giác thì thông số A của đường cong phải thỏa mãn R A R

Tốc độ thiết kế VTK (km/h) Trị số tối thiểu của thông số A (m)

4 Yêu cầu về thời gian phản ứng khi thao tác của lái xe: Với lái xe có trình độ

chuyên môn trung bình thì thời gian này bằng 3s và ta có L = 0,83V (m)

5 Bán kính đường cong tròn không bố trí đường cong chuyển tiếp clothoid: Sau

khi bố trí đường cong chuyển tiếp nối với đường cong tròn thì sinh ra độ dịch chuyển p (hình 3.20), nếu p quá nhỏ thì có thể không cần đoạn đường cong clothoid vì đã thỏa mãn được quá trình xe chạy trên ĐCCT Giá trị p này theo nghiên cứu ở nước ngoài như sau:

Tuy nhiên các giá trị tính theo p này chỉ là tham khảo cùng hàng loạt các yêu cầu về quang học, phù hợp với địa hình, tổ hợp các đường cong, quyết định đến việc bố trí và tính toán ĐCCT

Chúng ta lần lượt nghiên cứu các dạng kết hợp cơ bản khi thiết kế tuyến clothoid như sau;

3.9.1 Đường cong tròn nối hai đầu bằng hai đường cong chuyển tiếp đối xứng

Đây là trường hợp thông thường nhất được áp dụng phổ biến để thiết kế bình đồ tuyến đường ô tô, trường hợp này chỉ thuận lợi tại những nơi mà tuyến đường ít phụ thuộc vào các điểm khống chế

R i

k i =

Hình 3.19 Bình đồ và đường biểu diễn độ cong k

Để đảm bảo tính thẩm mỹ của tuyến đường thì đường cong tròn chêm giữa hai đường cong chuyển tiếp phải có chiều dài tối thiểu phụ thuộc vào tốc độ xe chạy thiết kế như dưới đây:

Bảng 3.7 Chiều dài tối thiểu của đường cong tròn trong tổ hợp đường cong [24]

V (km/h) 30 40 50 60 70 80 90 100

Thường hay dùng : đường cong clothoid-đường cong tròn-đường cong clothoid theo tỷ lệ là 1:1:1

Nghiên cứu của CHLB Đức đã đưa ra lời khuyên về lựa chọn thông số A của đường cong clothoid phụ thuộc vào tốc độ thiết kế và các trị số bán kính đường cong như bảng sau:

Bảng 3.8 Các trị số quy định R và A cho đường Quốc lộ [24]

Điều kiện bố trí được của đường cong chuyển tiếp: α-2ϕ0≥0 hay α ≥ 2.ϕ0

Trong trường hợp không đủ hoặc không đảm bảo ta phải tăng bán kính R hoặc giảm chiều dài đường cong chuyển tiếp

Việc tính toán và cắm đường cong tổng hợp được thực hiện theo trình tự sau:

1 Tính toán sơ bộ (để sơ bộ bố trí và kiểm tra) các yếu tố cơ bản của đường cong

tròn theo góc ngoặt α và bán kính đường cong R

T=

2 α

tg

2cos

1.( α −

180

α

π R

2 Tính toán và lựa chọn chiều dài bố trí ĐCCT Lct dựa vào công thức, dựa vào chiều dài tối thiểu theo quy trình, phù hợp với địa hình và phối hợp tốt các yếu tố của tuyến, sau đó xác định thông số A= R.L ct

3 Tính góc kẹp ϕ0 và kiểm tra điều kiện bố trí ĐCCT α ≥ 2.ϕ0, nếu không thoả mãn điều kiện này thì phải tăng bán kính R hoặc giảm Lct

4 Xác định toạ độ của điểm cuối ĐCCT (X0,Y0) và xác định các chuyển dịch

) cos 1 (

2 sin

0

0 0

o R

y

p

L R

180

);

2 tan(

K R

6 Xác định chiều dài phần còn lại của đường cong tròn K0 ứng với góc α0 sau khi bố trí ĐCCT, 00

0 180

. α

π R

K = (hoặc K0 = R.α0 với α0 tính bằng rad)

7 Xác định điểm bắt đầu, kết thúc của ĐCCT và độ rút ngắn của đường cong

X O

§ N§

Hình 3.20 Tính toán đường cong chuyển tiếp trong trường hợp L 1 =L 2

8 Theo công thức (3) xác định toạ độ của các điểm ĐCCT cách nhau 5-10m/cọc sau đó dựa vào toạ độ này cắm nhánh 1 của ĐCCT

9 Tính và cắm nhánh thứ 2 của ĐCCT tương tự

10 Tính và cắm phần đường cong tròn còn lại K0

Một điểm A bất kỳ trên phần đường cong tròn có chiều dài cung đến TĐ là St với góc chắn cung β sẽ có tọa độ xt, yt theo hệ trục NĐ được tính theo công thức sau:

Hình 3.21 Sơ đồ tính toán phần đường cong tròn

3.9.2 Đường cong tròn nối hai đầu bằng hai đường cong chuyển tiếp không đối xứng

Trong trường hợp này hai đường cong chuyển tiếp clothoid nối ở hai đầu đường cong tròn có chiều dài khác nhau và thông số khác nhau (A1 ≠ A2) Để đảm bảo tính mỹ quan thì tỷ số của 2 thông số 1 2

Việc tính toán và cắm đường cong tổng hợp được thực hiện theo trình tự sau:

ϕ 1

Y 2

Hình 3.22 Tính toán đường cong chuyển tiếp trong trường hợp L 1≠L 2

1 Tính góc kẹp φ1 và φ2 tương ứng với hai đường cong chuyển tiếp theo công thức đã biết ;

R 2

Lct1

1 =

R 2

Lct2

2 =

Và kiểm tra điều kiện bố trí đường cong chuyển tiếp (φ1 + φ2) ≤ α (3.53)

2 Xác định các tọa độ điểm cuối của đường cong chuyển tiếp : X1,Y1,X2,Y2

3 Xác định các chuyển dịch po1, po2 từ đó tính được R1 và R2;

2 2

2 2

2

1 1

1 1

1

poRR)

cos1(RYpo

poRR)

cos1(RYpo

+

=

→ϕ

=αα

2 1

2

1 2

1R

Rcos

sin

cosR

Rtan

sin

cosR

Rtan

R cos

R R

cos

R

p

1 cos

1 R 2 po 1 cos

1 R po1 po2 p2 po1

p1

p

2

2 1

1

2

2 1

1

− α

= +

.

K

180

α π

= Với αo = (α1+α2)– (φ1+φ2) (3.60)

7 Xác định các điểm bắt đầu, kết thúc của đường cong chuyển tiếp, các điểm

ND, NC…

To1 = t1+T1 ; To2 = t2+T2 ; (3.61)

Những nội dung còn lại tương tự như trên

3.9.3 Đường cong tổng hợp bao gồm hai nhánh clothoid đối đầu

Các đường clothoid tiếp xúc nhau tạo thành một tổ hợp đường cong có hai nhánh clothoid đối đầu Tại điểm tiếp xúc 2 đường clothoid sẽ có cùng một bán kính cong và chung một đường tang Tuỳ theo việc sử dụng các nhánh đường clothoid

có thông số bằng nhau hoặc không bằng nhau để chia ra tổ hợp đường cong đối xứng hoặc không đối xứng

Ri

1 Li

1 k=

Li

§

§−êng th¼ng k= 0

§−êng cong clothoid

NC1 NC2

Hình 3.23 Bình đồ và đường biểu diễn độ cong k của hai đường cong

clothoid đối đầu đối xứng

Việc sử dụng tổ hợp đường cong có hai nhánh clothoid đối đầu đã nhiều lần bị chống lại bởi vì xuất hiện các vấn đề không thuận lợi khi phải tạo nên độ dốc ngang phù hợp với động lực chạy xe cần phải chuyển trực tiếp từ độ cong tăng sang độ cong giảm tại điểm giao nhau Sự ổn định chạy xe và mỹ quan khi đó sẽ

bị xấu đi, nhưng điều đó chỉ xảy ra khi bán kính cong tại chỗ giao nhau tương đối nhỏ và góc chuyển hướng lớn Vì thế người ta khuyên chỉ dùng loại tổ hợp đường cong này trong trường hợp địa hình bị khống chế và bán kính cong tại điểm tiếp xúc nhau lớn, đồng thời góc chuyển hướng nhỏ (R > 600 m; α ≤ 13,50)

1 Tổ hợp đường cong có hai nhánh clothoid đối đầu đối xứng

Các yếu tố của chúng được xác định trên hình vẽ Tại điểm tiếp xúc hai đường cong clothoid có cùng một bán kính cong R1=R2=Rmin và có chung đường tang

N§2 N§1

Hình 3.24 Tính toán đường cong tổng hợp có hai đường cong clothoid đối

đầu đối xứng

Theo hình vẽ ta có:

2tgYXT2tgYt

;tX

Việc tính toán cũng tương tự như trên

2 Tổ hợp đường cong có hai nhánh clothoid đối đầu không đối xứng

Hai đường clothoid có thông số khác nhau, tại điểm nối chúng có cùng một bán kính cong R1=R2=Rmin và có chung đường tiếp tuyến

Hai đường cong clothoid có chiều dài L1≠L2 thông số A1≠A2 và đường tang chính T1≠T2

Các yếu tố của đường cong tổng hợp được trình bày như hình vẽ

Góc ngoặt α = φ1+φ2

Trong đó các góc tiếp tuyến φ1, φ2 được xác định từ các công thức

Hình 3.25 Tính toán đường cong tổng hợp có hai đường cong clothoid đối

đầu không đối xứng

2

2 2 1

2

2 1 1

R 2

A

R 2

2

AARR

2 2

m

1

1 1

m

sin

YT

sin

YT

α

+ϕ

=

⇒α

−π

+

=ϕ

α

+ϕ

=

⇒α

−π

+

=ϕ

sin

)TT(sint

)sin(

TTsin

t

sin

)TT(sint)

sin(

TTsin

t

2 m 1 m 1 2

2 m 1 m 1

2

2 m 1 m 2 1

2 m 1 m 2

1

(3.66)

Xác định To1 và To2 thông qua Xo1 và Xo2 như sau:

2 2

2 2

1 1

1 1

gcotYXT

gcotYX

Từ đó tính ra được T1 và T2 và triển khai tương tự như các phần trên

3.9.4 Đường cong chữ S

Đường cong chữ S được tạo thành bởi hai nhánh clothoid ngược chiều nhau, hai đường clothoid này có chung điểm xuất phát (R = ∞), tại điểm ấy chúng có đường tang chung và điểm ấy cũng chính là điểm gặp nhau của hai nhánh clothoid Nó được sử dụng để nối hai đường cong ngược chiều nhau, sự chuyển tiếp của hai đường cong ấy được bảo đảm hài hoà Điều kiện để bố trí đường cong chuyển tiếp là khoảng cách giữa hai đường tròn “D” không được qúa lớn, hai đường tròn không được bao nhau, không được cắt nhau hoặc tiếp xúc nhau

Để đảm bảo nâng siêu cao được đều đặn, cả hai nhánh clothoid nên có thông số bằng nhau Nếu trong thực tế do hạn chế của địa hình không đảm bảo được điều kiện ấy thì tỷ lệ A1/A2 không nên vượt quá 1,5

Hình 3.26 Nguyên tắc của đường cong chữ S

Khi thiết kế điều kiện lý tưởng là đảm bảo cho hai bán kính đường cong tròn bằng nhau Nếu do điều kiện địa hình không thể thực hiện được yêu cầu ấy thì nên tuân theo những giới hạn dưới đây:

- A1 = A2 → R1 ≤ 2 R2

- A1 ≠ A2 → R1 ≤ 3 R2

- A1 = A2 → R1 = R2 (điều kiện lý tưởng)

Trị số xuất phát dể tính toán đường cong chữ S khi thiết kế là khoảng cách “D” của hai đường cong tròn sẽ tạo nên đường cong chữ S Có thể xác định trị số của khoảng cách “D” :

)RR(MM

R=

8

2 K

= L i

i L

k = 1

i

k = R

k =

R 1

Để có thể cắm đường cong chữ S với các thông số nguyên, cho phép tồn tại một đoạn thẳng ngắn chêm giữa hai điểm xuất phát của hai nhánh clothoid, chiều dài của nó không được vượt quá trị số dưới đây:

Vì như vậy người sử dụng đường vẫn cảm thấy đường không có điểm gẫy rõ rệt Phải tránh không để cho hai nhánh clothoid nằm trờm lên nhau Nếu cần phải bố trí một đoạn thẳng chêm giữa lớn thì phải đảm bảo chiều dài đoạn thẳng tối thiểu cho ở bảng 3.9 sau (Theo tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô của CHLB Đức [24])

Sử dụng các phần mềm thiết kế tuyến đường hiện đại như: LandDestop, Civil Design 3D, có thể vẽ, xác định tọa độ của đường cong chữ S cũng như các dạng đường cong kết hợp khác rất dễ dàng

Bảng 3.9 Chiều dài tối thiểu đoạn thẳng trong đường cong chữ S

Tốc độ thiết kế Vtk

(km/h) 30-40 50-60 70-80 90-100 100 120 140 Chiều dài tối thiểu

của đoạn thẳng

chêm Ltc (m) 60

100 150 200 300 300 300

3.9.5 Đường cong xoắn ốc

Một đường cong tròn dài liên tục không thể sử dụng được trong thực tế thiết kế

do vướng các công trình hoặc địa hình tự nhiên Một đoạn thẳng ngắn chêm giữa hai đường cong tròn cùng chiều hoặc là hai đường clothoid đối đầu làm cho hình ảnh con đường xuất hiện những điểm gẫy Nhờ đường cong chuyển tiếp với tư cách là một yếu tố liên kết đảm bảo cho hình ảnh con đường được hài hoà Muốn thực hiện được điều đó phải thoả mãn điều kiện hai đường tròn bộ phận cần phải thiết kế thành một đường cong chung, hai đường này không được cắt nhau và không được tiếp xúc nhau (hình 3.28) Bán kính đường cong tròn và thông số đường clothoid phải phù hợp với những quy định chung khi thiết kế tổ hợp đường cong Thông số của đường clothoid nên nằm ở các giới hạn sau đây:

D

2

2 M

M

§−ê ta

cña ®−ê

clooi

1

k = 2

R 1 = LiA

§−êng cong 2

k =ii

1 L

§−êng cong 1

1

k = 1 R

§−êng clothoid

§−ê tan

Hình 3.28 Nguyên tắc và bình đồ đường độ cong của đường cong xoắn ốc

2 = ; 0,003~0,03

R

D1

Với D là khoảng cách nhỏ nhất giữa hai đường cong tròn D = R1 - R2 - M

Khi tự tính đường cong xoắn ốc các phương pháp đặt ra cho người thiết kế cũng giống như trường hợp đường cong chữ S

3.9.6 Đường cong chuyển tiếp bằng các nhánh đường clothoid nối tiếp nhau

Đường này được lập nên từ một loạt các đoạn clothoid cùng hướng nhưng thông

số khác nhau, tại điểm tiếp xúc chúng có chung đường tang và cùng bán kính Loại đường này được lập lên từ hai hoặc nhiều nhánh clothoid Nếu đường này được dùng làm yếu tố đường cong ở các đường đã được phân cấp thì các trị số

Rmin và Amin phải lấy theo bảng 3.8 Tỷ lệ của các thông số đường clothoid nối tiếp nhau (A1:A2) không nên vượt quá 1,5 lần Loại đường này thường được sử dụng làm đường cong hãm phanh Theo hình 3.29 ta có các công thức sau đây cho trường hợp đường cong chuyển tiếp được tạo thành từ hai đoạn đường clothoid:

R

R

M

1 M

O' O

Y Y'

Hình 3.29 Nối tiếp hai đường cong clothoid OE 1 và E 1 E 2

- Đường clothoid 1 có chiều dài cung OE1=LE1, góc tiếp tuyến φ1, thông số

A1, bán kính cong R1 và hệ tọa độ OXY

- Đường clothoid 2 có chiều dài cung E1E2=L’E2, góc tiếp tuyến φ’2, thông

số A2, bán kính cong R và hệ tọa độ O’X’Y’

Quan hệ giữa các góc tiếp tuyến

Δφ = φ1 – φ’1 (3.71)

Tọa độ điểm E2 được xác định ở hệ OXY (XE, YE) phụ thuộc vào tọa độ của E1

và E2 ở các hệ trục OXY và O’X’Y’ như sau:

XE = XE 1 + (X’E 2 - X’E 1) cos Δφ - (Y’E 2 - Y’E 1) sin Δφ (3.73)

YE = YE 1 + (X’E 2 - X’E 1) sin Δφ + (Y’E 2 - Y’E 1) cos Δφ (3.74) Tọa độ của tâm M xác định bởi công thức

XM = XE 1 + (X’M - X’E 1) cos Δφ - (Y’M - Y’E 1) sin Δφ (3.75)

Trong đó khoảng cách f bằng

f = YE 1 + (X’M - X’E 1) sin Δφ + (Y’M - Y’E 1) cos Δφ – R (3.77)

Chiều dài tổng cộng của 2 đoạn clothoid nối tiếp:

Ltc = LE 1 + (L’E 2 - L’E 1) (3.78) Nhược điểm của đường này là sự chuyển tiếp ở các điểm nối, tại đó có sự thay đổi về độ cong (phụ thuộc vào bước nhẩy của thông số các đường clothoid)

3.9.7 Đường cong chữ C

Đường cong chữ C là sự kết hợp hai đường cong clothoid cùng chiều nối với nhau, có hoặc không có đường cong tròn ở giữa, loại này chỉ nên dùng trong những điều kiện địa hình đặc biệt

k = 1 i

k = 1

R21

3.9.8 Thiết kế và bố trí đường cong chuyển tiếp

Thực tế việc tính toán các yếu tố của ĐCCT và sự nối tiếp giữa các ĐCCT như trình bày ở trên rất phức tạp, hiện nay trong khảo sát thiết kế đường ô tô hiện đại những công việc tính toán này thường được thực hiện bằng máy tính

Trình tự khảo sát thiết kế bình đồ tuyến đường:

- Xây dựng hệ lưới khống chế: Khống chế mặt bằng và độ cao

- Đo toàn đạc khu vực bằng máy toàn đạc điện tử với mật độ điểm đo, tỷ lệ

và độ chính xác tùy theo cấp đường và địa hình

- Đưa số liệu đo toàn đạc vào máy tính, dùng các phần mềm thiết kế để vẽ bình đồ khu vực với tỷ lệ và khoảng cách các đường đồng mức theo yêu cầu của cấp đường

- Thiết kế tuyến trên bình đồ bằng các phần mềm hiện đại: Thiết kế các đoạn thẳng, đường cong tròn, đường cong chuyển tiếp và các tổ hợp của các yếu

tố này Xuất bảng tọa độ, cao độ của các điểm trên tuyến

- Đưa tuyến ra thực địa, chỉnh lý, bổ sung nếu cần

Thường được sử dụng hiện nay ở Việt Nam là bộ chương trình Civil Design 3D của hãng Autodesk

3.10 ĐẢM BẢO TẦM NHÌN TRÊN ĐƯỜNG CONG NẰM

Trong đường cong bằng có bán kính nhỏ, nhiều trường hợp có chướng ngại vật nằm ở phía bụng đường cong gây trở ngại cho tầm nhìn như mái ta luy đào, nhà cửa, cây cối, Muốn đảm bảo được tầm nhìn S trên đường cong cần phải xác định được phạm vi phá bỏ chướng ngại vật cản trở tầm nhìn

Tầm nhìn trên đường cong nằm được kiểm tra đối với các ô tô chạy trên làn xe phía bụng đường cong với giả thiết mắt người lái xe cách mép mặt đường 1,5m

và ở độ cao cách mặt đường 1,0m (tương ứng với trường hợp xe con)

Các phương pháp xác định phạm vi cần dỡ bỏ:

3.10.1 Phương pháp đồ giải:

Trên bình đồ đường cong nằm vẽ với tỉ lệ lớn (Hình 3.31), theo đường quỹ đạo

xe chạy, định điểm đầu và điểm cuối của những cung có chiều dài bằng chiều dài tầm nhìn S Vẽ đường cong bao những dây cung này ta có đường giới hạn nhìn Trong phạm vi của đường bao này tất cả các chướng ngại vật đều phải được phá

bỏ như cây cối, nhà cửa,…

Phương pháp này đảm bảo chính xác nhưng đòi hỏi khối lượng công việc lớn