Friksjon på sommerføre
Hvordan er sammenhengen mellom friksjon og ulike variabler tilknyttet vegdekke?
Tomas Brandsdal og Ingeborg Steine Jensen
Bachelor i ingeniørfag - bygg
Innlevert: mai 2018
Veileder: Astrid Stadheim
Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Institutt for vareproduksjon og byggteknikk
II
Oppgavens tittel:
Friksjon på sommerføre
Dato: 16.05.2018 Antall sider: 53
Masteroppgave: Bacheloroppgave X Navn:
Tomas Brandsdal og Ingeborg Steine Jensen Veileder:
Astrid Stadheim
Eventuelle eksterne faglige kontakter/ veiledere:
Geir Berntsen Sammendrag:
Etter en bilulykke i Hyvingstunnelen på Voss, der en person omkom på grunn av dårlig friksjon i vegbanen, ba direktoratet regionene undersøke sommerfriksjon på utsatte vegstrekninger. Målinger i 2016 og 2017 ga grunn til bekymring og det ble behov for at noen forøkte å finne årsaken til friksjonsproblemene.
Vår oppgave ble derfor å se nærmere på hvilke variabler som spiller inn på tap av friksjon.
Etter en grundig litteraturstudie var vi klar på hvilke variabler som skulle inngå i analysen.
Gjennom vegdatabanken hadde vi tilgang på store mengder data, og vegstrekninger med alle data tilgjengelig ble plukket ut. Det ble så gjennomført en regresjons- og korrelasjonsanalyse for å finne ut hvor my de ulike variablene påvirker friksjonen.
Resultatene fra analysen ga klare svar; alt tydet på at friksjonen øker med antall kjøretøy.
Felles for veger med høy årlig døgntrafikk er strengere krav til egenskapene til stein, høyere største nominelle steinstørrelse og stivere bindemiddel i asfalten.
Stikkord:
Friksjon Sommerføre Friksjonsmåling Regresjonsanalyse
III
Abstract
Following an accident in Hyvingstunnelen in Voss, where one person died due to poor friction in the roadway, the directorate commissioned the Norwegian Public Roads Administration to investigate the summer friction on high risk road stretches. Measurements in 2016 and 2017 gave cause for concern and the need for someone to try and find a cause arose.
Our task was therefore to investigate which variables that are involved in loss of road friction.
After a thorough literature study, we were aware of the variables that would be included in the analysis. Through the Norwegian road database, we had access to large amounts of data, and road stretches that included all the necessary data were picked out. A regression and correlation analysis were then conducted to find out how much the different variables affect friction.
The results of the analysis gave clear answers; Everything suggested that friction increased with the number of cars on the road. Common for roads with high annual daily traffic is that there are stricter requirements for the properties of stone, higher largest nominal stone size and harder binders in the asphalt.
IV
Forord
Denne oppgaven markerer slutten på et treårig bachelorstudium som byggingeniør- anlegg ved NTNU Gjøvik. Bacheloroppgaven gir oss de siste 20 studiepoengene og er skrevet i samarbeid med Statens Vegvesen. Vi vil motta kr. 7500 per student fra Statens Vegvesen for arbeidet vi utfører i denne oppgaven.
Vi vil gjerne takke alle som har bidratt i oppgaven, da spesielt Statens Vegvesen og vår eksterne veileder Geir Berntsen. Han har vært til stor hjelp gjennom hele oppgaven og alltid vært tilgjengelig for å svare på spørsmål.
Vi vil også takke vår interne veileder, førstelektor Astrid Stadheim.
Gjøvik, 16.mai 2018
V
Innholdsfortegnelse
Abstract ... III Forord ... IV Innholdsfortegnelse ... V Figurliste ... VII
1 Innledning ... 1
1.1 Bakgrunn ... 1
1.2 Formål og problemstilling ... 2
1.3 Oppgavens oppbygning ... 5
2 Metode ... 6
2.1 Tilnærming ... 6
2.2 Litteraturstudie... 6
2.3 Begrensning ... 7
2.4 Statistikk ... 8
2.5 Regresjonsanalyse ... 9
2.6 Visualisering ... 11
2.7 Validitet og reliabilitet ... 11
2.8 Feildata/feilkilder ... 12
3 Teori ... 13
3.1 Beskrivelse av analyserte variabler ... 13
3.1.1 Generelt om friksjon ... 13
3.1.2 Friksjon på vegdekket ... 14
3.1.3 MPD ... 17
3.1.4 ÅDT ... 18
3.1.5 Steinstørrelse ... 18
3.1.6 Alder ... 18
3.1.7 Bindemiddelets stivhet ... 18
3.2 Andre relevante variabler ... 19
3.3 Tidligere studier ... 21
3.4 Prosedyrer i utlandet/ny teknologi ... 22
3.4.1 Slurry seal ... 22
VI
3.4.2 High Friction Surfaces- system ... 22
4 Analyse ... 24
5 Diskusjon ... 31
5.1 Resultat ... 31
5.2 Kommentarer ... 35
5.3 Andre faktorer som kan påvirke resultatet ... 37
6 Konklusjon ... 39
7 Videre studier ... 40
Litteraturliste ... 41
Vedlegg ... 43
VII
Figurliste
Figur: 2.6.1: Sammenheng mellom friksjon og ulykkesrisiko (Elvik, 2016) ... 2
Tabell 1: Ulykkeskostnader pr skadetilfelle etter skadegrad (Veisten, Flügel og Elvik, 2010) . 3 Figur 3.1.1.1: Demonstrasjon av krefter på legeme. (Hill, 2007) ... 13
Figur 3.1.2.1: Demonstrasjon av friksjon ved adhesjon (Nonstad, 2017) ... 14
Figur 3.1.2.2: Mekanisk innlåsing sørger for statisk friksjon. (Aksnes et al., 2015) ... 15
Figur 3.1.2.3: Et dekk komprimeres/ekspanderes mens det glir over en ujevn overflate. (Aksnes et al., 2015) ... 15
Tabell 2: Anbefalte dekketyper ut fra ÅDT, bruksområde og slitasje. (Aksnes et al., 2016) .. 20
Figur 3.3.1: Sammenhengen mellom friksjon og dekketype/steinstørrelse (Opsahl, 2009) .... 21
Figur 3.3.2: Sammenheng mellom friksjon og asfaltgrusbetong (Opsahl, 2009) ... 21
Figur 3.4.1.1: Utlegging av slurry seal- blandingen. (Macropaver, 2012) ... 22
Figur 3.4.2.1: Demonstrasjon av HFS (Waters, 2011) ... 23
Tabell 3: Korrelasjon mellom friksjon og variablene i 2016. ... 24
Tabell 4: Korrelasjon mellom friksjon og variablene i 2017. ... 25
Tabell 5: Regresjonsstatistikk 2017. ... 25
Tabell 6: Regresjonanalyse 2017 ... 25
Tabell 7: Regresjonsstatistikk 2017. ... 26
Tabell 8: Regresjonsanalyse 2017 ... 26
Figur 4.1: Regresjonslinje for 2016 ... 27
Figur 4.2: Regresjonslinje for 2017 ... 27
Figur 4.3: Friksjon/MPD 2016 ... 28
Figur 4.4: Friksjon/MPD 2017 ... 29
Figur 4.5: Friksjon/Steinstørrelse-vegdekketype 2016 ... 29
Figur 4.5: Friksjon/Steinstørrelse-vegdekketype 2017 ... 30
Figur 5.2.1: Sammenligning av Fv 249. ... 35
Figur 5.2.2: Sammenligning av Fv 255. ... 36
Figur 5.2.3: Sammenligning av Fv 452. ... 36
1
1 Innledning
Dette kapittelet er ment som en innledning for studiet og presenterer bakgrunn for oppgaven, formål og problemstilling. Videre beskrives hvorfor dette er et viktig tema og konsekvensen av dårlige friksjonsforhold på veg. Avslutningsvis blir oppgavens oppbygning presentert.
1.1 Bakgrunn
Sommerfriksjon har tidligere ikke blitt sett på som et stort problem i Norge. Piggdekkbruk har hver sesong medført slitasje av mørtel og bindemiddel på vegoverflaten. Dermed har
friksjonen blitt gjenopprettet hver sesong. I senere tid er piggdekkbruken redusert og etter en ulykke 26. september 2011 i Hyvingstunnelen på Voss, der en person omkom, ble det større fokus på måling av friksjon i vegbanen på sommeren. Ulykken mellom et vogntog og en varebil oppsto på grunn av for høy fart og for lav friksjon i tunnelen. Enkelte steder i tunnelen var det målt friksjon ned mot 0,2. (transport, 2013) Noen steder på Østlandet er det også målt friksjon ned mot 0,2 på asfaltdekker. Etter Statens Vegvesen sine retningslinjer skal
friksjonskoeffisienten på våt, bar veg om sommeren være ≥ 0,4 i fartssoner under 80 km/t og
≥ 0,5 i fartssoner over 80km/t. (Hauer, 2014)
Vegdirektoratet har i NA- rundskriv 2014/16 bedt regionene om å overvåke og følge opp sommerfriksjonen på strekninger hvor det kan forventes friksjonsproblemer ut fra ulike kriterier, som høy ÅDT eller gammelt vegdekke. Etter gjennomførte friksjonsmålinger sommer og høst 2016 og 2017 ble det oppdaget spesielt dårlig friksjon på vegstrekninger i Oslo, Oppland og Østfold. I denne sammenheng har Statens vegvesen, region øst, behov for at noen prøver å finne årsaken til friksjonsproblemene. Dette er et område hvor få lignende studier har blitt gjennomført tidligere.
2
1.2 Formål og problemstilling
En del av ulykkene i landet har hatt dårlig friksjon som en av årsakene, men det er gjort en rekke undersøkelser på sammenhengen mellom friksjon og ulykkesrisiko, og det er klare sammenhenger. Dersom friksjonen på en bar veg er under 0,4, vil ulykkesrisikoen være høy.
Da vil det fort oppstå farlige situasjoner, spesielt i kryss og rundkjøringer der nedbremsing forekommer.
Figur: 2.6.1: Sammenheng mellom friksjon og ulykkesrisiko (Elvik, 2016)
I figur 2.6.1 beskrives sammenhengen mellom friksjon og ulykkesrisiko på både våt og tørr veg. Den øverste stiplede linjen er målinger for tørr veg, og den nederste for våt veg. Friksjonen vil bli høyere ved tørr veg på grunn av adhesjon. Den heltrukne linjen viser en gjennomsnittlig kurve av den relative ulykkesrisikoen for friksjon mellom 1 og 0,1.
Ut i fra en studie gjort av Transportøkonomisk Institutt er hver omkomne i trafikken i snitt en kostnad for staten på 30,22 millioner kroner. I tabell 1 ser vi en oversikt over kostnadene ved skader i trafikken (pr 2009).
3
Tabell 1:
Ulykkeskostnader pr skadetilfelle etter skadegrad (Veisten, Flügel og Elvik, 2010)
Vedlikehold
Dersom det hele norske vegnettet skulle blitt bygd i dag ville det ha kostet rundt 700-1000 milliarder kroner. Veger som blir lagt skal normalt sett holde i 100 år, men de vegene som ble lagt på 1900-tallet holder ikke standarden vi trenger i dag, på grunn av økning i trafikk.
Dersom man deler antall kroner det koster å bygge nytt vegnett på antall år, vil man få 7- 10 milliarder kroner som skal brukes årlig til vedlikehold. Siden trafikken endrer seg fort kan vi halvere dekkelevetiden og doble kostnader til vedlikehold. Det blir da 15- 20 milliarder kroner til vedlikehold, men på grunn av de store trafikkendringene siden 1900-tallet er det mye forbedringer som må gjøres. 15- 20 milliarder kroner i året strekker da ikke til for å klare å holde vedlikeholdet. (Aksnes et al., 2015)
Ytre miljø
For å sikre det ytre miljø følger Statens Vegvesen ulike lover, blant annet naturmangfoldloven som sikrer bærekraftig bruk av naturen og forurensningsforskriften som sikrer unødvendig forurensing. Det finnes overordnede krav til hvordan man skal ta hensyn til miljø i drift og vedlikehold av veg. Det er at man må forsikre seg om at lover og forskrifter overholdes, at man klarer å sikre at andre forventninger til miljø oppfylles og at ressursene blir brukt mest mulig effektivt.
4
Piggdekkgebyr er et miljømessig tiltak for å få ned piggdekkbruken i de store byene.
Piggdekk hjelper til å rue opp vegdekket, men konsekvensen av dette er svevestøv.
Svevestøvet er ikke bra å puste inn, og er derfor et miljøproblem. Dersom friksjon blir for høy vil det også oppstå miljømessige problemer. Støynivået fra vegene vil da bli høyere, og vil plage bebyggelsen rundt vegene (Aksnes et al., 2015)
I håndbok N200 er det satt krav til friksjonskoeffisienten. På bar veg med fartsgrense under 80 km/t skal friksjonskoeffisienten være ≥ 0,4 med en tilsatt våtfilm på 0,5mm. På veg med tillatt hastighet over 80 km/t skal friksjonskoeffisienten være ≥ 0,5. Det er strenge krav til gjennomføringen av friksjonsmålingene og det er viktig at forholdene er konstante. Friksjonen på bar veg skal måles med en hastighet på 60 km/t. (Hauer, 2014)
Problemstilling:
Hvordan er sammenhengen mellom friksjon og ulike variabler tilknyttet vegdekke?
Formålet med denne bacheloroppgaven er å finne ut:
− Er det noen sammenheng mellom de ulike variablene?
− Hvordan kan vi bygge veg som gir høyere grad av tilfredsstillende friksjonskoeffisient?
5
1.3 Oppgavens oppbygning
Studiet er bygd opp på følgende måte:
Kapittel 1: Innledning: Dette kapittelet presenterer bakgrunn for oppgaven, formål og problemstilling. Videre beskrives hvorfor dette er et viktig tema og konsekvensen av dårlige friksjonsforhold på veg.
Kapittel 2: Metode: Dette kapittelet presenterer metodevalg, valg av variabler og fremgangsmåte for dataanalyse. Det vil også inneholde en vurdering av oppgavens troverdighet og gjentagelsesnøyaktighet.
Kapittel 3: Teori: Dette kapittelet gir en beskrivelse av relevante opplysninger rundt variablene vi har valgt å ta hensyn til i denne studien. Kapittelet inneholder også resultat fra tidligere studie samt et utdrag av metoder benyttet for forbedring av friksjon i utlandet.
Kapittel 4: Analyse: I dette kapittelet presenteres funn fra regresjonsanalysen samt en visualisering av bemerkelsesverdige tabeller og diagram.
Kapittel 5: Diskusjon: Dette kapittelet starter med en drøfting av resultatene fra kapittel 4.
Deretter drøftes og sammenlignes vårt resultat med resultatet fra studien i Nord-Norge. Videre kommer en oppsummering og forklaring av andre faktorer som kan påvirke friksjonen, men som ikke er tatt med i denne studien.
Kapittel 6: Konklusjon: I dette kapittelet trekkes konklusjoner ut fra drøftingen i kapittel 5.
Kapittel 7: Videre studie: Dette kapittelet gir en beskrivelse av studier og emner tilknyttet temaet friksjon som det kan være interessant å se videre på i fremtiden.
6
2 Metode
Dette kapittelet presenterer metodevalg, valg av variabler og fremgangsmåte for dataanalyse.
Det vil også inneholde en vurdering av oppgavens troverdighet og gjentagelsesnøyaktighet.
2.1 Tilnærming
I analyseforskning benyttes to hovedstrategier, kvalitative og kvantitative studier. Den kvalitative metoden går i dybden for å forstå, mens man i kvantitativ metode ønsker å forklare.
Kvantitativ data er data som uttrykkes i tall eller mengdeenheter, mens andre data betegnes som kvalitative. Disse metodene er ytterpunkter på en skala og det er problemstillingen som avgjør hvilken metode som bør benyttes. (Gripsrud, Olsson og Silkoset, 2017)
Hovedfokus for denne oppgaven er en kvantitativ tilnærming for datainnsamling og valg av analyse. Kvantitativ metode er godt egnet til testing av hypoteser/teorier og blir benyttet for å trekke beskrivende slutninger om årsaksforhold. Datainnsamlingen foregår gjennom vegdatabanken og en analyse av dataen vil gi oss god innsikt i hvor stor grad ulike variabler påvirker friksjonen.
2.2 Litteraturstudie
I sammenheng med analyser er det vanlig å foreta en litteraturstudie. I vårt tilfelle er litteraturstudiet gjennomført for å avdekke hva som allerede er forsket på, hva man allerede vet, øke forståelsen av temaet og kartlegging av årsak og virkningssammenhenger. Litteraturstudiet har gitt oss muligheten til å ta avgjørelser for begrensning av studien og hvilke variabler som skal analyseres i analysedelen.
Vi har for det meste funnet litteraturen vår i Statens Vegvesen sine rapporter og i master- og bacheloroppgaver skrevet om temaet. Vi har brukt oria.no og google scholar som søkemotorer for å finne litteratur. Søkeord benyttet er for eksempel asfalt, friksjon, friksjonsproblemer og friksjonsbedring. Disse er også brukt på Engelsk.
7
2.3 Begrensning
Denne studien er begrenset til vegstrekninger i Oppland fylke. Dette gjelder totalt 91 vegstrekninger bestående av riksveger, fylkesveger og europaveger. Det er gjennomført målinger av friksjon og MPD i 2015, 2016 og 2017. 2015- målinger har vi sett bort i fra i denne oppgaven da det er usikkert om disse friksjonsmålingene stemmer. Usikkerheten gjelder en løs reim på måleutstyret. Dette ble oppdaget etter 2016- målingene var gjennomført, da vi så vesentlig forskjell på målingene. Vi har derfor kun sett på målinger fra 2016 og 2017.
Valg av variabler
En variabel er en egenskap ved en enhet. Variabelens verdi sier noe om variasjonen i egenskaper for ulike enheter. Det finnes ulike former for variabler og disse deles gjerne inn i dikotome, diskontinuerlige og kontinuerlige variabler.
I denne oppgaven vil både kontinuerlige og diskontinuerlige variabler benyttes. Kontinuerlige variabler er variabler som kan ha uendelig mange verdier, mens diskontinuerlige variabler er variabler som kan deles inn i et bestemt antall verdier. (Gripsrud, Olsson og Silkoset, 2017) Friksjonsforholdene er sesongbasert og blir påvirket av flere ulike faktorer. Om våren vil friksjonsforholdene være gode på grunn av oppruing etter piggdekk om vinteren. Ut over sommeren vil friksjonen synke igjen. Friksjonsforholdene er optimale i april/ mai, og på sitt laveste i september. Disse store variasjonene i friksjonen gjør det vanskelig å finne den rette variabelen for å oppnå god friksjon. Vi skal se litt mer på hvilke variabler som samsvarer med slitasjen av vegdekket og endring i friksjon.
Litteraturstudie har gitt oss en oversikt over hvilke variabler som er med på å påvirke friksjonen.
Vi gjorde en vurdering i forhold til hvilke variabler som var kvantifiserbare, om hvilke data som var tilgjengelig og hvor stor hensikt variablene har. Det ble konkludert med at følgende variabler skulle inngå i analysen:
- MPD - ÅDT
- Øvre nominelle steinstørrelse
8
- Vegdekkets alder
- Stivheten til asfaltens bindemiddel
Og at følgende variabler skulle inngå i visualiseringen av resultatet:
- Friksjon/MPD
- Friksjon/Steinstørrelse-Asfalttype
2.4 Statistikk
I statistikk kan generalisering ha flere betydninger. Generalisering blir vanligvis delt inn i to hovedgrupper; estimering og hypotesetesting. I estimering kan det være snakk om gjennomsnitt, median, prosentandel osv. Mens det i hypotesetesting testes hvordan en påstand om et forhold ser ut. Begge disse formene for generalisering vil bli benyttet i denne studien.
I denne oppgaven har vi tilgang til store mengder data. All data benyttet i denne studien er tilgjengelig i vegdatabanken. Dataprogrammet som er brukt for tilgang til vegdatabanken heter NVDB123. Grunndata er hentet ut og organisert i Excel– filer. Ellers har vi tilgang på en rapport om målingene gjennomført i 2016. Denne rapporten inneholder kommentarer for friksjonsmålingene. For at dataen i dataanalysen skal være håndterbar vil generalisering bli hyppig benyttet. Beregninger av middelverdier vil være spesielt viktig. Generaliseringen vil gjøre resultatet mer overførbart og øke gjentagelsesnøyaktigheten.
Disse estimatene organiseres i en tabell (vedlegg 1 og 2) og danner grunnlaget for videre analyse. Alle strekningene benyttet i denne studien har gjennomførte målinger av friksjon og MPD. Strekningene skal også ha estimater for ÅDT samt oppgitt største nominelle steinstørrelse og alder. Alle strekninger hvor enkelte av disse variablene mangler fra vegdatabanken er blitt fjernet.
For 2016 og 2017 endte vi opp med henholdsvis 40 og 51 vegstrekninger hvor alle disse grunndataene var tilgjengelige. Dette har vært den største og mest tidskrevende delen av studiet.
Verdiene er beregnet eller hentet ut fra et datagrunnlag av store Excel- filer. Strekningene varierer mye i lengde, dekketype, alder, ÅDT og modifikasjoner. Enkelte strekninger har partier
9 med variasjon i største nominell steinstørrelse. For disse strekningene ble et gjennomsnitt estimert.
Tabellene brukt som grunnlag for analysen (vedlegg 1 og 2) inneholder vegidentitet for vegstrekningen, lengde, felt, og estimater av alle variablene beskrevet tidligere. For friksjon og MPD inneholder tabellen også beregnet standardavvik, 10% fraktil og 50% fraktil.
Ekstremverdier er ikke tatt hensyn til i denne studien. Ekstremverdier oppstår på enkelte områder hvor det for eksempler er fartsdump, oljesøl, start - og sluttmålinger osv. For gjennomsnittsverdier vil konsekvensen av ekstremverdier være minimal, men man kan tenke seg en liten bedring i korrelasjon og nøyaktighet om disse verdiene ble fjernet.
2.5 Regresjonsanalyse
For analyse av data vil tilleggsprogramvaren dataanalyse fra Excel benyttes.
En regresjonsanalyse er den vanligste metoden som benyttes for å studere sammenhengen mellom en avhengig variabel Y og flere uavhengige variabler X1, X2 ... Xn. Formålet med regresjonsanalysen er å gi en indikasjon på hvor godt de uavhengige variablene forklarer endringen til den avhengige variabelen.
En regresjonsanalyse kan aldri bevise årsakssammenheng, men tester om mulige sammenhenger er signifikant forskjellig fra null. Valg av uavhengige variabler skal være teoretisk begrunnet slik at regresjonsanalysen vil fungerer som en teoritest.
Den vanligste formen for regresjonsanalyse er en lineær regresjonsanalyse. Det vil si at Y antas å være en lineær funksjon av X1, X2 ... Xn. Man er likevel klar over at flere faktorer enn de man har valgt ut kan være med på å påvirke Y. Av denne grunn benyttes et feilledd ε som skal representere det uforklarte. Regresjonsligningen er grunnlaget for regresjonslinjen som blir benyttet i resultatkapittelet for visualisering av forventet friksjon. Regresjonsligningen til en multippel regresjon blir seende slik ut:
𝑌 = 𝑎 + 𝐵1∙ 𝑋1+...𝐵𝑛∙ 𝑋𝑛+ 𝜀
10 Her er:
Y = Den avhengige variabelen X = Den uavhengige variabelen
a og B = konstanter som skal beregnes 𝜀 = feilleddet
Konstantleddet, a, angir verdien til Y når alle variablene antar verdien null.
Regresjonskoeffisientene Bi (i=1,2,3,4) angir den isolerte effekten som hver enkelt variabel har på den uavhengige variabelen når man forutsetter at de andre variablene holdes konstante.
For denne studien er det mest interessante med regresjonsanalysen signifikansen og determinasjonskoeffisienten.
Når en hypotese er valgt må man velge et signifikansnivå. Signifikans brukes for å beskrive sannsynligheten for at noe er et resultat av tilfeldigheter. I vårt tilfelle kalles signifikansnivået P-verdi. Denne verdien angir sannsynligheten for at nullhypotesen er sann. Jo nærmere P- verdien er null, desto større er sannsynligheten for at det er en sammenheng mellom avhengig og uavhengig variabel. Det er vanlig å velge signifikansnivå på 95%. Det vil si at en sammenheng ikke kan statistisk bevises ved P-verdi over 0,05.
Determinasjonskoeffisienten, R2, benyttes som mål på regresjonslinjens forklaringskraft. R2 vil ha en verdi mellom 0 og 1. Jo nærmere R2 er 1 desto større prosent av variasjonen til den avhengige variabelen kan forklares ut fra regresjonsligningen. Hvis R2 er 0,5 vil 50% av variasjonen til den avhengige variabelen forklares av de uavhengige variablene, mens 50%
forklares av andre faktorer som ikke er tatt med i modellen. Det er altså et tall på hvor godt de uavhengige variablene til sammen korrelerer med den avhengige variabelen. Det er vanlig å benytte en såkalt R2-justert. Her er forklaringskraften sett i sammenheng med antall frihetsgrader. R2 – justert er vanligvis et par prosent lavere enn R2. (Gripsrud, Olsson og Silkoset, 2017)
11
2.6 Visualisering
Linjediagram er et diagram hvor en linje demonstrerer mange datapunkter over tid eller strekning. Vi har valgt å bruke linjediagram i vår fremstilling av gjennomsnittlig friksjon og MPD. Hver måling er gjort med ca. fem meters mellomrom.
Søylediagram, eller stolpediagram, er et diagram der hver søyle viser til en viss verdi. Lengden på søyla viser hvor stor andel kategorien har. Vi har valgt å bruke denne metoden i vår fremstilling mellom variablene vegdekketype og steinstørrelse, og friksjon. Ved hjelp av søylediagram vil vi enkelt kunne se sammenhengen mellom variablene.
2.7 Validitet og reliabilitet
I kvantitativ forskningsstudie er det viktig å vurdere troverdigheten, påliteligheten og gjentagelsesnøyaktigheten til studien. I denne sammenheng benyttes begrepene validitet og reliabilitet.
Validitet beskriver i hvilken grad resultatet fra en studie er gyldig. Det skilles gjerne mellom intern validitet og ekstern validitet. Dvs. i hvilken grad resultatet er gyldig for utvalget som er undersøkt og i hvilken grad resultatet kan overføres til andre utvalg.
Reliabiliteten beskriver i hvilken grad en studie kan etterprøves. Her skilles det mellom indre og ytre reliabilitet. Indre reliabilitet er hvor godt andre kan anvende data på sammen måte som den opprinnelige forskeren. Ytre reliabilitet sier noe om hvilken i grad ulike forskere vil oppdage samme fenomen i andre aktuelle og lignende situasjoner. (Gripsrud, Olsson og Silkoset, 2017)
For å øke validitet og reliabilitet i denne studien er følgende tiltak gjennomført:
1. Grundig litteraturstudie i forkant av regresjonsanalyse og valg av variabler.
2. Det er benyttet et stort datasett over 2 år.
3. Middelverdier som fjerner risikoen for målefeil og ekstremverdier.
4. Sammenligninger mellom de to årene og annet studie med lignende tema.
5. Målinger vil fortsette i årene fremover og øke utvalget for fremtidig gjentakelse av studien.
12
2.8 Feildata/feilkilder
Resultat fra analysearbeidet kan ha mange typer feilkilder, disse er delt inn i to hovedgrupper.
Den ene hovedgruppen er manglende observasjoner, mens den andre hovedtypen er forskjellige typer målefeil.
Feilkilder i form av manglende observasjoner vil i vårt tilfelle være dekningsfeil, mangel på informasjon og utvalgsfeil. Dekningsfeil er feil som skyldes at området det ønskes å si noe om ikke er dekket godt nok. Dette kan for eksempel være et for lite utvalg av strekninger. Vi vet ikke om de utvalgte strekningene vi tar for oss er representative for alle vegstrekninger.
Vi har ingen garanti for at de variablene vi har valgt ut er de avgjørende faktorene. Variablene vi har valgt å ta med i regresjonsanalysen er basert på informasjon vi har tilegnet oss gjennom litteraturstudiet vi har gjennomført. Det kan også være at vi har oversett viktige kilder der det står mer informasjon om temaet og metoder som brukes for å forbedre friksjon.
Vi fikk opplyst at det var feil i målingen for 2015. Siden vi ikke har fått bekreftet feil i målingene fra 2016 og 2017 må vi regne med at de er riktige. Det er mange faktorer som spiller inn når det gjelder hva resultatet blir etter en friksjonsmåling. Resultatet vil aldri bli det samme dersom man måler samme strekningen to ganger. Fart, grus i vegbanen, fartsdumper, overgangsfelt og andre uforutsette forhold vil ha negativ innvirkning på nøyaktigheten til måleresultatet. Når vi utfører regresjonsanalysen bør de største svingningene i måleresultatene fjernes, slik at resultatet blir mer reelt.
Hjulet som blir brukt under måling av friksjon har også litt å si for resultatet. Det er mange forskjellige målehjul å velge mellom, så for å få et godt resultat av de ulike målingene må hjulene være mest mulig like. Det blir oftest brukt glatte dekk fordi de er mer følsomme for makroteksturen. Gummiblandingen i dekket kan også være en avgjørende variabel på grunn av de forskjellige egenskapene til de ulike sommerdekkene. (Opsahl, 2009)
13
3 Teori
Dette kapittelet gir en beskrivelse av relevante opplysninger rundt variablene vi har valgt å ta hensyn til i denne studien. Kapittelet inneholder også resultat fra tidligere studie samt et utdrag av metoder benyttet for forbedring av friksjon i utlandet.
3.1 Beskrivelse av analyserte variabler
3.1.1 Generelt om friksjon
Friksjon motstår relativ bevegelse mellom to faste overflater i kontakt. Forholdet mellom kontaktkreftene, friksjonskraften fk og normalkraften N, gir friksjonskoeffisienten µ. Til sammen utgjør disse den generelle likningen for friksjon: fk = µN.
Figur 3.1.1.1: Demonstrasjon av krefter på legeme. (Hill, 2007)
Friksjonskraften virker alltid i motsatt retning av kraftpåvirkningen. Dette gjelder både for den kinetiske friksjonskraften, fk, og den statiske friksjonskraften, fs. Den kinetiske friksjonskraften oppstår når et legeme glir over en overflate, mens den statiske friksjonskraften gjelder når det ikke er en relativ bevegelse mellom to legemer. Den statiske friksjonskraften er som regel større enn den kinetiske friksjonskraften, og er grunnen til at det er vanskeligere å sette i gang bevegelse enn å holde bevegelse gående. Når man ser på en kloss er størrelsen på den statiske friksjonen gitt ved kraften som skal til for å starte en bevegelse, mens størrelsen til den kinetiske friksjonen er kraften som må tilføres for at farten skal holde seg konstant. (Ormestad, 2018)
14
3.1.2 Friksjon på vegdekket
Friksjonen mellom et bildekk og vegen bestemmer maksimal akselerasjon, og enda viktigere minimal stopplengde. Derfor er friksjon svært avgjørende for sikkerhet og effektiv transport.
På et hvilket som helst tidspunkt er en svært liten del av overflaten av et dekk i kontakt med bakken. Hvis bilen beveger seg fremover er det den statiske friksjonen som forhindrer bildekket fra å gli på underlaget. Når dekket ruller blir en ny del av dekket senket, mens den delen som var i kontakt med bakken blir hevet. Ren rulling innebærer bare statisk friksjon, ikke kinetisk friksjon. Friksjonskraften som oppstår mellom bildekk og vegdekket kan deles inn i ulike komponenter. Disse komponentene kalles friksjonsmekanismer og de tre viktigste friksjonskomponentene for friksjon mellom dekk og veg er vedheft (adhesjon), deformasjon (hysterese) og slitasje. (Aksnes et al., 2015)
Adhesjon
Adhesjonskraften er en overflatekraft som oppstår mellom dekk og vegoverflate. Adhesjon er sterkt påvirket av fri overflateenergi og kontaktoverflate, og er den komponenten som har størst innflytelse på friksjon ved tørre forhold og lav hastighet. Når to overflater er i kontakt med hverandre dannes molekylære bindinger mellom flatene. Et hjul som beveger seg vil føre til at de molekylære bindingene strekker seg, brytes og nye bindinger dannes. Dette gir et energitap, og skaper en kraft som virker mot bevegelsesretningen. Friksjonskraften adhesjon er illustrert på figuren under. (Al-Assi og Emad, 2017; Persson et al., 2004)
Figur 3.1.2.1: Demonstrasjon av friksjon ved adhesjon (Nonstad, 2017)
15 Deformasjon
Makro- og mikroteksturen til et vegdekke vil aldri være helt jevn. Det vil alltid være en topografi med bunnpunkt og toppunkt. Ved tilføring av en vertikal kraft vil et relativt mykt materiale som gummi presses ned i teksturen. Dette skaper mange små områder hvor gummien bøyer seg rundt ujevnhetene. Det reelle kontaktarealet mellom dekk og veg vil derfor være mindre enn det tilsynelatende kontaktarealet. Dette vil variere og er avhengig av blandt annet mykheten til gummien, størrelsen på vertikalkraft, dekktrykk og topografi. Når et dekk ruller vil trykkfordelingen på toppene i ujevnheten gi en netto horisontalkraft som virker mot bevegelsesretningen. (Aksnes et al., 2015)
Figur 3.1.2.2: Mekanisk innlåsing sørger for statisk friksjon. (Aksnes et al., 2015)
Hysterese er et fenomen som oppstår når de horisontale kreftene påført hjulet, overstiger en grense gitt av den statiske friksjonen. Gummien vil nå skli over vegdekket og man går over til kinetisk friksjon. Når et dekk sklir over en ujevn overflate må gummien deformeres/komprimeres før den går over toppene. Etter at toppene er passert vil den elastiske gummien "fjære tilbake" i neste grop og prosessen starter på nytt. (Kverneland, 2013)
Figur 3.1.2.3: Et dekk komprimeres/ekspanderes mens det glir over en ujevn overflate. (Aksnes et al., 2015)
16 Slitasje
Når et dekk sklir over en ujevn overflate vil det forårsake en nedslitning av både bildekket og vegoverflaten. Ser man på hysteresen kan man fortsette resonnementet og tenke seg at gummien ikke alltid klarer å komprimere seg fort nok. Dette fører til at små biter av gummi rives løs fra bildekket. Denne nedslitingsprosessen krever energi og bidrar dermed til friksjon.
Måling av friksjon
Friksjonen på vegdekket kan måles ved bruk av mange forskjellige metoder og typer utstyr.
Alle disse metodene opererer i praksis ut fra tre måleprinsipper; måling av bremselengde, retardasjonsmålere eller måling ved forskjellige typer slipp. Friksjonstallene i denne oppgaven er målt med Roar Mark ΙΙΙ som benytter måling med forskjellig typer slipp.
Målinger ved forskjellige typer slipp
Når et gummihjul bremses ned uten at kjørehastigheten reduseres oppstår det en glidebevegelse mellom hjulet og vegoverflaten som kalles slipp. Slippmålere beregner friksjonskoeffisienten ved å måle dreiemomentet som blir påført gummihjulet når det bremses ned til forskjellige slipphastigheter.
De to vanligste målemetoden med slipp er måling med variabel slipp og måling med fast slipp.
Ved måling med variabel slipp vil friksjonen måles kontinuerlig fra 0%- 100% slipp, der 0%
slipp er fritt rullende hjul og 100% slipp er låst hjul. Ut fra disse dataene vil maksimal friksjon registreres.
Ved måling med fast slipp er det vanlig å operere med en slipp på mellom 10% og 20%.
Statens vegvesen har (pr. 2011) 5 stk. Roar Mark III. Dette er en avansert friksjonstilhenger som kan operere med enten fast eller variabel slipp. Disse kalibreres hvert år opp mot en Oscar- måler, som det bare finnes 1 av i Norge. (Aksnes et al., 2015)
Forbedring av friksjonen
For å forbedre friksjonen på eksisterende vegdekke benyttes et mangfold av tiltak. Dette inkluderer avstrøing, rilling og høytrykksspyling. Avstrøingen med sand eller asfaltert pukk er tilpasset det aktuelle dekket og skjer enten med eller uten oppvarming. På eldre dekker kan det
17 være aktuelt å frese opp asfalten. Dette kan gjøres i form av rilling, ved høytrykksspyling eller lignende virkemidler. Ved rilling av vegdekke freses renner på langs eller tverrgående for bedre vannavrenning og friksjon. Ved høytrykksspyling vaskes det øverste dekkelaget. Dette etterlater vegdekke med bedre tekstur og dermed friksjon. (Nonstad, 2017)
3.1.3 MPD
MPD står for Mean Profile Debth og er en verdi som beskriver gjennomsnittlig makrotekstur.
MPD- verdien sier noe om overflateruheten til vegbanen, det vil si overflateruhet mellom 0,5mm til 50mm. Makrotekstur bestemmes av en kombinasjon av optimal steinstørrelse, korngradering, bindemiddel og hulrom. Lav MPD-verdi gir mindre støy fra vegdekket. Høyere MPD vil kunne gi bedre friksjon og mindre fare for vannplaning. Normalt sett vil vegdekket være konstruert med en viss makrotekstur for å opprettholde kombinasjonen av friksjon og egnet vanndannelse. (Aksnes et al., 2016)
Figur 3.1.3.1: Beskrivelse av tekstur og utregning av MPD (Opsahl, 2009)
MPD beregnes som vist på figuren ovenfor. En laser monteres på en standard ViaPPS- målebil.
Denne kartlegger en baselinje på 100 mm langs kjøreretningen. I NVDB123 er MPD oppgitt hver 20 m.
18
3.1.4 ÅDT
ÅDT er en mengdefaktor som beskriver døgntrafikken i løpet av et år. Der ÅDT er høy vil oppruingen fra piggdekk være god, men kortvarig. Når vi bytter om til sommerdekk vil poleringen skje like fort som oppruingen. (Garathun, 2017)
3.1.5 Steinstørrelse
Største nominelle steinstørrelse forteller om størrelsen på steinen som er tilsatt asfalten. I Norge er det mest brukte største nominelle steinstørrelse 8mm, 11mm eller 16mm. Vegnormal N200 gir krav til kornfordeling og mekaniske egenskaper. Normalt tillates det at 10% av steinmaterialet er større enn største nominelle steinstørrelse i asfaltdekke.
3.1.6 Alder
Når vegdekket begynner å bli gammelt og slitt vil bindemiddelets egenskaper endres. Bitumen vil bli hardere med årene og vegdekket vil bli polert. Når vegdekket poleres, vil også friksjonen avta. Dette er en prosess som gjentar seg hvert år. Prosessen fra produsent til utlagt vegdekke er kritisk og kan ha stor betydning for skader senere og tap av dekkelevetid. (Aksnes et al., 2016)
3.1.7 Bindemiddelets stivhet
For at vegdekke skal kunne inngå i analysen ser vi på bindemiddelets stivhet. Vi har rangert de ulike bindemidlene benyttet i vegdekketypene på en skala fra 1 til 3 ut fra stivheten til bindemiddelet hvor 1 er mykest og 3 er stivest. Følgende vegdekketyper inngår i undersøkelsen:
1. Mykasfalt (Ma): For lavtrafikkerte veger. Et fleksibelt dekke som kan følge med i bevegelser fra telehiv og setninger med mykere bindemiddel enn Agb.
2. Asfaltgrusbetong (Agb): For lavtrafikkerte veger. Ensartet blanding av tørket, oppvarmet steinmateriale og bitumen. Mykere bindemiddel enn Ab.
3. Skjelettasfalt (Ska): For høytrafikkerte veger. Bindemiddelrik, tettgradert asfaltmasse med gode sliteegenskaper.
19 Asfaltbetong (Ab): For høytrafikkerte veger der det er krav om høy stabilitet. Ensartet blanding av tørket, oppvarmet steinmateriale og bitumen.
(Ska og Ab har samme verdi og har den stiveste formen for bindemiddel.) (Aksnes et al., 2016)
Asfalten tilpasses det den skal brukes til og blir produsert på et asfaltverk ved hjelp av en godkjent asfaltresept. På denne resepten står det hva den ferdige asfalten skal inneholde av bitumen og steinmateriale. Etter utlegging av asfalten blir det sett etter eventuelle blødninger eller fete, bindemiddelrike partier som kan føre til friksjonstap. (Aksnes et al., 2015)
3.2 Andre relevante variabler
PSV er en tallverdi gitt av en mekanisk testmetode som tester steinmaterialets poleringsmotstand. Hvor god poleringsmotstand et steinmateriale har vil være avhengig av steinmaterialets oppbygging og mikrotekstur. Testmetoden er viktig for å bestemme friksjonsegenskapene i vegdekke. Høy PSV-verdi indikerer bedre poleringsmotstand og dermed mer stabil friksjon. Som en veiledende verdi bør PSV være over 44 på veger med ÅDT større enn 1500 til 3000, og over 50 på høyere ÅDT enn 3000. I dag stilles det ingen krav til PSV og det blir derfor heller ikke testet. Årsaken til dette er at piggdekkslitasjen hjelper på å øke friksjonen. (Berntsen, 2007) Det hadde vært interessant med et prøveresultat for å sjekke sammenhengen og derfra fastslå hvorvidt PSV påvirker friksjonen.
Som nevnt tidligere er det i dag ingen krav til PSV på grunn av piggdekkslitasje, men på grunn av nedgangen i bruk av piggdekk vil det være realistisk å sette krav til PSV i fremtiden. Dette dersom bruken av piggdekk fortsetter å synke.
Internt i vegvesenet diskuteres det i hvilken grad poleringsmotstanden påvirker friksjonen. Selv om vi ikke har data tilgjengelig for PSV kan vi fortsatt resonnere oss til slutninger basert på trafikkemengde og alderen til vegdekke.
Krav til steinmaterialet varierer ut i fra trafikkemengde og dekketype. Det er satt krav til flisighetsindeks, Los Angeles – verdi, mølleverdi og gnusningsgrad. Disse kravene finnes i Statens Vegvesen håndbok N200. Kravene øker med trafikkmengde og stivheten til bindemiddelet.
20
Tabell 2:
Anbefalte dekketyper ut fra ÅDT, bruksområde og slitasje. (Aksnes et al., 2016)
Tabell 2 viser en forenkling av metoden benyttet for valg av dekketype og største nominelle steinstørrelse ut fra ÅDT og slitasje.
21
3.3 Tidligere studier
I litteraturstudiet ble det oppdaget en lignende studie fra Nord-Norge. Denne studien tar for seg 20 vegstrekninger over 4 år som hver har en lengde på omtrent 1500m. Strekningene befinner seg i Region Nord og er både på kysten, i fjellet og i innlandet.
Aktuelle resultater fra denne studien er følgende.
Figur 3.3.1: Sammenhengen mellom friksjon og dekketype/steinstørrelse (Opsahl, 2009)
Figur 3.3.2: Sammenheng mellom friksjon og asfaltgrusbetong (Opsahl, 2009)
22
3.4 Prosedyrer i utlandet/ny teknologi
I litteraturstudiet fant vi det naturlig å undersøke hvilke metoder som blir brukt for forbedring av friksjon i utlandet. De to metodene vi har valgt ut er benyttet i USA og Storbritannia. Dette er metoder utviklet i senere tid og de er ikke prøvd ut i Norge.
3.4.1 Slurry seal
For å forlenge levetiden til et asfaltdekke, ved å tette eksisterende overflate og for å gi forbedret overflatestruktur, kan man bruke slurry seal. Produktet er en blanding av vann og finmalt asfaltemulsjon som danner en væskelignende blanding. Denne metoden blir i hovedsak brukt på veger med lite trafikk, da stor trafikk vil ødelegge asfaltdekket raskere.
Figur 3.4.1.1: Utlegging av slurry seal- blandingen. (Macropaver, 2012)
Et av de største problemene med slurry seal er at blandingen løsner fra det underliggende asfaltdekket. Dette skyldes støv på underlaget. Slurry seal må legges på en helt ren overflate når utetemperaturen ligger på mellom 10- 15C for best mulig resultat. Etter utlegging bør den valses med en gummivalse, dette er ikke påkrevd, men anbefales for best mulig resultat.
(Brown, 1988)
3.4.2 High Friction Surfaces- system
Bakgrunnen for utvikling av denne type dekker kommer av at Storbritannia på 60- tallet opplevde høy økning av trafikk, og økning i trafikkulykker spesielt i rundkjøringer og kryss.
Etter litt etterforskning oppdaget Transport and Research Laboratory (TRRL) at dekkene i disse områdene lett ble polerte, og friksjonen ble lavere over tid. Greater London Counsil (GLC)
23 etterforsket saken nærmere og konkluderte med at den mest effektive metoden for å øke friksjonen var å legge på et 3mm tykt lag med kalsinert bauxitt (KB) på et bitumen- epoxy- bindemiddel.
Figur 3.4.2.1: Demonstrasjon av HFS (Waters, 2011)
HFS ble utviklet av GLC og TRRL i samarbeid med to andre firmaer. Systemet viste seg å redusere ulykker på grunn av friksjon med 60- 70%, og totalt alle ulykker med 50%.
New Zealand har brukt HFS siden 90- tallet på steder med stort antall ulykker. Systemet er veldig dyrt i forhold til andre metoder. Derfor blir det kun brukt på steder der antall ulykker er svært høye. Selv om HFS er veldig effektivt er det blitt identifisert tre problemer som kan oppstå. Det er at HFS løsner fra asfalten på grunn av adhesjonsproblemer mellom bindemiddelet og den underliggende flaten, KB løsner på grunn av adhesjonsproblemer mellom KB og den underliggende flaten og at HFS- bindemiddelet løsner fra asfalten på grunn av feil i asfaltens bindemiddel.
Med tanke på kostnader og kvaliteten på produktet er dette ikke noe å satse på. Kostnadene er for store i forhold til hvor kort HFS fungerer. For at HFS skal bli liggende på asfalten må den være ferdig herdet og uten sprekker eller andre ujevnheter. Asfaltdekket må være helt tørt for at HFS skal bli hengende. For at vi skal kunne bruke denne metoden i Norge må forholdene være optimale. (Waters, 2011)
24
4 Analyse
I dette kapittelet presenteres funn fra regresjonsanalysen samt en visualisering av bemerkelsesverdige tabeller og diagram.
For å kunne starte med regresjonsanalyse må vi sortere ut hvilke verdier som kan brukes. Siden Excel- filene med målingene er utrolig store og består av mange tusen rader har dette vært den største og mest tidskrevende delen av studiet. Vi har regnet ut gjennomsnittfriksjon på hver enkelt strekning og felt. Dette er totalt 40 strekninger fra 2016 og 51 strekninger fra 2017. Det er få av disse strekningene som er like. Noen målinger er gjort på samme veg, men på forskjellige strekninger, mens på andre målinger er det målt en veg i 2016 og en annen veg i 2017, og motsatt. Etter å ha sortert dataene beregnet vi standardavvik, 10% fraktil og 50%
fraktil for målingene. Vi har også funnet informasjon i vegdatabanken om hver enkelt strekning.
Dette er informasjon om ÅDT, vegdekketype, største nominelle steinstørrelse, leggedato og eventuelle endringer som er blitt gjort siden asfalten har blitt lagt. Det vil si endringer som fresing, sporfylling og flatelapping. Da dette var utført kunne vi starte med regresjonsanalyse og sammenligninger. Regresjonsanalysen skal hjelpe oss med å finne ut i hvilken grad de ulike variablene påvirker hverandre og sammenligningene hjelper oss å se en tydeligere likhet eller forskjell på de to årene.
Korrelasjonsanalyse
Tabell 3:
Korrelasjon mellom friksjon og variablene i 2016.
25
Tabell 4:
Korrelasjon mellom friksjon og variablene i 2017.
Tabellene ovenfor viser matematisk sammenheng mellom friksjon og variablene MPD, ÅDT, største nominelle steinstørrelse, alder, og bindemiddelets stivhet. Hvis korrelasjonskoeffisienten er over ± 0,25 skal den uavhengige variabelen være med i regresjonsanalysen.
Regresjonsanalyse
Tabellene nedenfor viser resultatet av en multippel regresjonsanalyse for hvert år. P – verdien avgjør om resultatet er signifikant. Det er bare variablene med p – verdi under 0,05 som regnes som signifikante. Alle variablene med p – verdi over 0,05 fjernes og regresjonsanalysen gjentas.
Tabell 5:
Regresjonsstatistikk 2017.
Tabell 6:
Regresjonanalyse 2017
26
I tilfellet fra 2016 står vi bare igjen med ÅDT, dette var den verdien med høyest korrelasjon.
Forklaringskraften vil da bli korrelasjonskoeffisienten til ÅDT opphøyd i andre. Dette gir en forklaringskraft på over 0,6.
Tabell 7:
Regresjonsstatistikk 2017.
Tabell 8:
Regresjonsanalyse 2017
For 2017 er bare MPD signifikant. Dette gir en forklaringskraft på korrelasjonskoeffisienten til MPD opphøyd i andre.
Begge tabellene ovenfor gir tydelig uttrykk for at variablene er avhengige av hverandre. Dette var forventet og vil bli kommentert videre i diskusjonskapittelet. Det kommer også en forklaring på hva dette resultatet faktisk forteller oss.
27 Regresjonslinje
Diagrammene nedenfor viser regresjonslinjen gitt av regresjonsanalysen.
Figur 4.1: Regresjonslinje for 2016
Diagram 1 viser forventet gjennomsnittlig friksjon på ulike punker av ÅDT. Man ser en tydelig økende trend for økende ÅDT.
Figur 4.2: Regresjonslinje for 2017
Diagrammet viser forventet gjennomsnittlig friksjon i forhold til gjennomsnittlig MPD.
Forventet friksjon øker tydelig med økende MPD.
28
Friksjon/MPD
Begge diagrammene nedenfor er en visualisering av sammenhengen mellom friksjon og MPD.
Tallverdien for denne sammenhengen finner man i korrelasjonstabellene. For 2016 var korrelasjonen 0,74, mens den var 0,78 for 2017. Begge diagrammene viser en klar sammenheng. Hver stolpe er en strekning med tilhørende MPD-verdi ovenfor.
Figur 4.3: Friksjon/MPD 2016
29
Figur 4.4: Friksjon/MPD 2017
Friksjon/Steinstørrelse-vegdekketype
Figur 4.5: Friksjon/Steinstørrelse-vegdekketype 2016
30
Figur 4.5: Friksjon/Steinstørrelse-vegdekketype 2017
Denne visualiseringen viser hvor stor gjennomsnittlig friksjon er i forhold til hvordan vegdekketyper og steinstørrelse som er benyttet. Både diagrammet fra 2016 og 2017 viser at dekketyper med mykt bindemiddel har dårligere friksjon enn de med stivere bindemiddel. Man ser også en trend ved at større steinstørrelse gir bedre friksjon.
31
5 Diskusjon
Dette kapittelet starter med en drøfting av resultatene fra kapittel 4. Deretter drøftes og sammenlignes vårt resultat med resultatet fra studien i Nord-Norge. Videre kommer en oppsummering og forklaring av andre faktorer som kan påvirke friksjonen, men som ikke er tatt med i denne studien.
5.1 Resultat
Hvis man sammenligner tabell 1 og 2 er det en klar likhet mellom korrelasjonskoeffisientene fra 2016 og 2017. Det er spesielt stor likhet for korrelasjonskoeffisientene til MPD, ÅDT og bindemiddelets stivhet. Dette er nyttig informasjon da utvalget friksjonsmålte vegstrekninger er forskjellig fra 2016 og 2017. Dette øker altså studiens troverdighet betraktelig og gir grunn til å anta høy gjentagelsesnøyaktighet.
Både den multiple regresjonsanalysen fra 2016 og 2017 ga en signifikant variabel.
Korrelasjonstabellene viser tydelig matematisk sammenheng mellom de signifikante variablene fra regresjonsanalysene, altså ÅDT fra 2016 og MPD fra 2017, og de resterende variablene.
Variablene er dermed avhengig av hverandre. Det vil for eksempel si at sammenhengen mellom friksjon og MPD i 2016 i stor grad kan forklares av sammenhengen mellom friksjon og ÅDT.
Når det justeres for denne sammenhengen vil ikke den matematiske korrelasjonen være stor nok til å gi signifikante verdier, selv om alle variablene er signifikante i en regresjonsanalyse hver for seg. Dermed er ikke MPD signifikant i 2016.
Man kan også si at de valgte variablene i betraktelig grad dekkes av hverandre og at den manglende forklaringskraften kommer av variabler som ikke er tatt med i denne studien.
Forklaringskraften kan også variere av tilfeldige årsaker. Likevel gir en forklaringskraft på over 0,6 en god indikasjon på forventet gjennomsnittlig friksjon.
Friksjon har stor nok sammenheng med alle variablene til at det ikke kan komme av tilfeldige årsaker. Denne analysen gir uttrykk for at MPD spiller en stor rolle for friksjonen. Det kommer også frem at ÅDT og MPD har korrelasjonsverdi på 0,76 for begge årene. ÅDT samsvarer også godt med økende steinstørrelse og økende stivhet i asfaltens bindemiddel. Alt dette tyder på at
32
jo mer vegen blir brukt jo bedre vil friksjonen være. Vegstrekninger med høy ÅDT har strengere krav til stivheten til bindemiddelet og styrken på steinmaterialet benyttet i asfalten.
Det kan derimot nevnes at selv om kravet til friksjon er uavhengig av trafikkmengde vil friksjonsforbedring likevel i praksis fokuseres på vegstrekninger med høy trafikkmengde og på steder hvor det er behov for god friksjon. Dette vil være i kurver, foran gangfelt, i kryss og lignende. Dette er en vurdering vegvesenet gjør i forhold til potensialet for ulykker og alvorlighetsgraden til eventuelle ulykken. Det er derfor vanskelig for oss å komme til en konklusjon om hvor stor grad dette spiller inn. Vi ber derfor leser og eventuelle referanser om å ta stilling til hvordan dette kan påvirke resultatet av studien og konklusjonen som trekkes.
Resultatet er også interessant med tanke på PSV og spekulasjoner om at økende polering (større trafikkmengde) og hardere styrkekrav på stein gir glattere vegdekke. Dette gir denne studien motstridende resultater på.
Alder har negativ korrelasjon med friksjon og på dette punktet kan poleringsmotstanden til steinen ha betydning. Den negative korrelasjonen tyder på at steinmaterialet blir mer polert i sommerhalvåret enn den friksjonsøkningen piggdekkene gir på vintertid. God poleringsmotstand vil gjøre at denne reduksjonen i friksjon blir mindre over tid.
Samtidig er det vanskelig å tildele friksjonstap til polering fordi en veg med høy ÅDT kan ha trafikkmengden tilsvarende flere år av en veg med lav ÅDT. Strekninger med høy ÅDT burde derfor poleres i langt høyere tempo og dermed ha dårligere friksjon enn veger med lav ÅDT.
En forklaring kan være at økt ÅDT på disse strekningene fører til mer slitasje enn hva dekke blir polert og at det dermed får et positivt friksjonsutfall.
Siden en rasjonalisering av resultatet er motstridende med tanke på PSV er det naturlig å tenke at en nedgang i friksjon over tid også kan skyldes andre faktorer. Dette kan være naturlige prosesser tilknyttet aldring av vegdekke. Man kan også tenke seg at det i senere tid er større fokus på kvaliteten på bindemiddel, steinstyrke, utlegging, osv. enn det var før. Dette blir bare spekulasjoner og det blir vanskelig å dra slutninger ut fra denne studien uten håndfast data om PSV.
33 Diagrammet med friksjon og MPD gir en visualisering av resultatet for korrelasjonsanalysen.
Disse figurene bidrar til å bekrefte slutninger fra regresjonsanalysen. Samtidig spekuleres det i akkurat hvor stor sammenheng friksjon og MPD har. Denne studien antyder tydelig sammenheng, men tidligere studer har gitt varierende resultater. Motstridende eller blandede resultater fra tidligere studier kommer ofte fra storbyområder.
Det er verdt å nevne at disse byene ofte har piggdekkgebyr og dermed mindre piggdekkbruk.
Dette fører til mindre slitasje på vegdekke og derav dårligere friksjon. Det vil også være mer forurensning i vegbanen som kan tette igjen mikrostrukturen. Friksjonen vil da være mer avhengig av den mekaniske friksjonskraften adhesjon. Denne friksjonskraften blir svakere jo høyere hastigheten er. Hvis forurensning i mikrostrukturen i tillegg forhindrer slitasje og deformasjon kan friksjonen bli ekstremt lav. Dermed har andre variabler enn MPD også betydning for friksjonen. Dette kan for eksempel være poleringsegenskaper. Mikrostrukturen på hver enkelt stein får da større betydning.
Stolpediagrammene med Friksjon/Steinstørrelse-dekketype bekrefter også slutninger fra regresjonsanalysen. Mykere bindemiddeltyper har lavere friksjon enn stive og større steinstørrelse gir generelt høyere friksjon. Dette samsvarer godt i forhold til at høyere ÅDT har strengere hardhetskrav på bindemiddelet og større nominell steinstørrelse.
For stolpediagrammene var utvalget av strekninger med dekketyper og største nominelle steinstørrelse under enkelte kategorier for små. Det var for eksempel ikke gjennomført friksjonsmålinger på Ab-dekker med 16mm nominell steinstørrelse i 2016. Andre kategorier kan mangle et stort nok utvalg. Til sammen utgjør utvalget 40 strekninger i 2016 og 51 strekninger i 2017. Disse utvalgene består hovedsakelig ikke av de samme strekningene.
Det er likevel grunn til å anta god troverdighet da resultatet samsvarer med tidligere studie fra Nord- Norge.
Refererer til figur 3.3.1. som viser tydelig økende trend for økende største nominelle steinstørrelse. Selv om Agb generelt har lavere friksjon enn de andre dekketypene viser diagrammet en trend på at steinstørrelse har større betydning for friksjonen. Ma-16 har veldig bra friksjon og det er derfor synd at vi mangler sammenligningsgrunnlag. Man må også poengtere at 20 strekninger er et lavt utvalg og flere strekninger må til for å gi en troverdig
34
representasjon. Det er likevel interessant å se likheter mellom vårt resultat og resultatet fra denne studien.
Figur 3.3.2. er enda en interessant graf fra denne studien. Grafen viser friksjonskoeffisienten for Agb-11 (grønn) og Agb-16 (gul) fra 2004 til 2008. Dette samsvarer med våre resultat fra 2016. For 2017 har Agb – 16 lavere friksjon enn Agb – 11. Hvis man går inn og ser på dataene legger man merke til at dekkene med Agb – 16 er lagt for 3 år siden, mens dekkene med Agb – 11 er lagt fra 9 – 25 år siden. Asfalt har en tildens til å ha lavere friksjon de tidligste årene. Vi vet at friksjonen generelt er dårligst på et nylagt dekke og at friksjonen øker når piggdekkene sliter bort bindemiddelfilm fra steinmaterialet og mørtelen mellom de grove steinene i overflaten. Det kan derfor ikke med sikkerhet sies at vårt resultat fra 2017 er motstridende.
Dette er grunnen til lavere korrelasjon for alder med friksjon. Da innplotting av alder og friksjon ikke er rettlinjet, men gir en form av en halvsirkel vil korrelasjonskoeffisienten bli svekket av lavere friksjon i tidlig alder.
Etter å ha undersøkt metoder som er brukt i utlandet, fant vi ut at slurry seal og high friction system er to metoder som har effekt på friksjon. Disse metodene brukes i land med høyere gjennomsnittstemperatur. Klima vil være en utfordring og hvis disse metoden skal prøves ut i Norge må de spesialtilpasses. På grunn av den store faren for telehiv og sprekker i vegdekket vil ikke disse blandingene henge på asfaltdekket, men sprekke opp og løsne. Dette vil derfor ikke fungere i Norge. Kostnadene på disse blandingene er også veldig høy, og ettersom den lave varigheten metodene har, vil det ikke være verdt det.
35
5.2 Kommentarer
Det er verdt å poengtere at målinger av friksjonskoeffisienten for 2016 generelt er vesentlig lavere enn målingene gjennomført i 2017. Det er dermed grunn til å anta kalibreringsfeil for 2016. Dette er bekreftet av statens vegvesen. Denne kalibreringsfeilen påvirker friksjonskoeffisientens størrelse, men ikke korrelasjonen mellom friksjon og variablene. Dette vil derfor ikke påvirke troverdigheten til resultatet av denne studien.
Konsekvensen av denne oppdagelse er heller endring av vegvesenets antagelser om alvorlighetsgraden til friksjonsproblemet på sommerføre. Det er likevel også vegstrekninger fra 2017 under friksjonskravet, men omfanget av problemet er mindre enn antatt før resultatene for 2017 kom ut. Figurene nedenfor viser eksempler på forskjellen i verdien til friksjonskoeffisient for 2016 (rød) og 2017 (blå).
Figur 5.2.1: Sammenligning av Fv 249.
36
Figur 5.2.2: Sammenligning av Fv 255.
Figur 5.2.3: Sammenligning av Fv 452.
Det er også gjennomført regresjonsanalyse av hele grunndata for friksjon og MPD i 2016. Dette vil si målinger tatt for friksjon og MPD hver 20 m på alle vegstrekningene i denne studien (gjelder strekningene i 2016). Resultatet av denne analysen ga lavere korrelasjon og forklaringskraft enn ved analyse av middelverdier. Det var også stor variasjon fra vegstrekning til vegstrekning. Selv om korrelasjonen var lavere for hele datasettet var den fortsatt så stor at sammenhengen ikke kan antas som tilfeldig.
37
5.3 Andre faktorer som kan påvirke resultatet
Når det kommer til målinger av friksjon og MPD er det mange faktorer som kan påvirke resultatet og øker usikkerheten. En ting er utstyrssvikt og menneskelige feil, her kan det også oppstå feil og usikkerheter som hverken skyldes mennesker eller utstyr. Det er for eksempel ikke lett å holde en bil på samme sted i vegbanen hele tiden. Friksjon og MPD måles av forskjellige biler på forskjellige dager. Det er også mange faktorer som kan påvirker friksjonen fra dag til dag og som varierer mye avhengig av hvor i vegbanen man befinner seg.
Tilsetningsmidler og modifikasjoner på asfalten kan ha påvirkning på friksjonen. I Norge er det vanlig med tilsetning av revet gummi, cellulosefiber og polymerer. Disse brukes blant annet for å øke bindemiddelinnholdet i asfaltdekke, endre hardheten og elatiteten til bitumene eller endre graden asfalt blir påvirket av temperatur. (Aksnes et al., 2016)
Steinmaterialene er ikke like over hele landet. Stein som tilsetning i asfalt varierer derfor veldig på de ulike strekningene. Dette er fordi hvert asfaltverk har sin egen steinleverandør. Før stein kan brukes som tilsetningsstoff må de analyseres, fordi det stilles krav til mekaniske egenskaper avhengig av hvor i vegkonstruksjonen de skal brukes og antatt trafikkmengde på vegdekket. De ulike analysemetodene er sikteanalyse som bestemmer korngraderingen, slemmeanalyse som bestemmer innhold av finstoff, måling av flisighetsindeks (FI), måling av motstandsevne mot nedknusing etter LA- metoden, måling av motstandsevne mot slitasje med micro- Deval- mølle, måling av motstand mot piggdekkslitsje ved møllemetoden og måling av knusingsgrad. (Hauer, 2014)
På bar veg vil friksjonen avta ved høyere hastighet. Samtidig vil økt fart fører til mer slitasje og dermed jevnere og høyere friksjon. De mekaniske friksjonskreftene vil endre seg avhengig av hastighet. Rundt storbyer vil forurensning ha større påvirkning og kanskje tette deformasjoner og slitasje. Friksjonen vil da være mer avhengig av adhesjon. Denne friksjonskraften blir svakere jo høyere hastigheten er og dette kan derfor være årsaken til lavere friksjon rundt storbyer.
Piggdekkslitasje er en av hovedfaktorene som er med på å forbedre friksjonen. De siste årene har slitasje fra piggdekk blitt betydelig mindre på grunn av piggdekkavgiften, piggfrie dekk og mer slitesterke asfaltdekker. I storbyer som Oslo og Bergen er det lagt inn piggdekkgebyr for å
38
få ned piggdekkbruken. Dette fordi hovedfaktoren for svevestøv er piggdekkslitasje. For det enkelte kjøretøy spiller faktorene, lufttrykk, gummiegenskaper, alder på dekkene/
mønsterdybde, temperatur og om dekket er vått eller tørt, inn på friksjon. Dersom disse faktorene er optimale vil friksjonen generelt sett være god.
Andel tungtrafikk er en faktor som spiller inn på friksjonen på grunn av slitasjen av tyngre laster. Slitasjen tungtrafikk tilfører er i hovedsak spordannelser. Dette er et problem med tanke på vannplaning. På veger som er bindeledd mellom storbyer, som E6 mellom Oslo og Trondheim, ser vi at slitasjen er større enn på mindre tungtrafikkerte veger. ÅDT er også større på bindeleddsvegene, fordi disse vegene er raskere og mer anbefalt enn andre. Tungtrafikk ville i denne analysen i stor grad bli dekket av ÅDT. Dette gjelder alle vegstrekninger utenfor sentrum av byene.
Friksjonen vil også være påvirket av klima og forurensning. Etter lange tørrværsperioder kan friksjonen gå tapt på grunn av overflateforurensinger som pollen og støv. På grunn av den allerede synkende bruken av piggdekk om vinteren vil friksjonen i sommerhalvåret allerede være lav. Da er det lite pollen og støv som skal til for at friksjonen avtar. Friksjonen er avhengig av jevnlig vasking. (Aksnes et al., 2015)
Temperaturforskjeller har en betydning for friksjonen på vegdekke. Kalde perioder vil føre til mikroskopiske sprekker i vegdekket som vil øke teksturen og friksjonen. Sprekkene vil bli større over tid på grunn av vanngjennomtrenging og frostsprengning. Varme perioder har motsatt effekt på vegdekket. Ved høye temperaturer vil det oppstå blødninger av bitumen. Det vil si at bitumen kommer til overflaten på vegdekket og gjør det glattere.
39
6 Konklusjon
Studien er med på å styrke teorien om at MPD har stor innvirkning på friksjonen. ÅDT har veldig høy positiv korrelasjonskoeffisient. Dette viser tydelige tegn på at de strengere kravene til pukk, den høyere største nominelle steinstørrelse og det stivere bindemiddelet påvirker friksjonen på en positiv måte samtidig som disse faktorene gjør opp for eventuelle negative virkninger fra økt polering av vegdekke.
Ut fra funnene i denne studien anbefales fremtidige vegdekker å bruke 16mm som største nominelle steinstørrelse. Det kan også være verdt å bruke stivere bitumen og strengere krav til steinmaterialet benyttet selv på veger med lav ÅDT. Dette vil være en vurdering i forhold til andre ønskede egenskaper, vedlikeholdskostnader osv.
40
7 Videre studier
Som videre studie kan det være interessant å se på hvordan målingene utvikler seg over flere år. Det kan også vær interessant å se på målinger fra andre fylker enn Oppland. Dette kan fortelle mye om reliabiliteten til studiet.
Andre ting som kan være interessant å studere nærmere er:
1. Asfaltreseptene og hvor steinmateriealene kommer fra. På grunn av den store variasjonen i stein kan det være spennende å se om noen bergarter er bedre egnet som tilslag enn andre.
2. Prøvemålinger av PSV. Dette kan gi oss bedre indikasjoner på hvor mye poleringsmotstanden påvirker friksjon.
3. Det kan også være interessant å forske på i hvilken grad de ulike friksjonsmekanismene påvirker friksjonen i ulike hastigheter.
41
Litteraturliste
Aksnes, J. et al. (2015) Lærebok Drift og vedlikehold av veg. Oslo: Vegdirektoratet/ Statens Vegvesen.
Aksnes, J. et al. (2016) Lærebok Vegteknologi. Oslo: Vegdirektoratet/ Statens Vegvesen.
Al-Assi, M. og Emad, K. (2017) Evaluation of Adhesion and Hysteresis Friction of Rubber- Pavement System. Moscow, USA.
Berntsen, G. (2007) Vegdekker- generelt. Tilgjengelig fra:
http://geir.be/Kurs/Vegdekker_Generelt.ppt.
Brown, E. R. (1988) Preventative maintenance of asphalt concrete pavements. (NCAT 88- 01). Alabama, USA: National Center for Asphalt Technology Auburn Univercity.
Tilgjengelig fra:
http://lightspeed.eng.auburn.edu/research/centers/ncat/files/reports/1988/rep88-01.pdf (Hentet: 23. januar).
Elvik, R. (2016) Bedring av vegdekkers friksjon. Tilgjengelig fra:
https://tsh.toi.no/doc641.htm (Hentet: 16.01 2018).
Garathun, M. G. (2017) Når piggdekk skiftes til sommerdekk øker sjansen for ulykker- for alle bilister. Tilgjengelig fra: https://www.tu.no/artikler/nar-piggdekk-skiftes-til-sommerdekk- oker-sjansen-for-ulykker-for-alle-bilister/398449 (Hentet: 13.mars 2018).
Gripsrud, G., Olsson, U. H. og Silkoset, R. (2017) Metode og dataanalyse. Oslo: Cappelen Damm.
Hauer, L. E. (red.) (2014) Vegbygging, N200. Oslo: Statens Vegvesen.
Hill, C. (2007) Friksjon. Tilgjengelig fra:
https://no.wikipedia.org/wiki/Friksjon#/media/File:Friksjon_2.JPG (Hentet: 14.mars 2018).
Kverneland, J. K. (2013) Førerens fartsvalg under ulike friksjonsforhold. Masteroppgave, NTNU.
Macropaver, V. (2012). Finnes ved Digitalt fotografi. Tilgjengelig fra:
https://www.forconstructionpros.com/pavement-maintenance/preservation-
maintenance/product/10081332/vss-macropaver-division-of-reed-international-expandable- microsurfacing-box (Hentet: 23. januar 2018).
Nonstad, B. (2017) Friksjon og friksjonsmåling. Tilgjengelig fra:
https://www.vegvesen.no/_attachment/1758462/binary/1168507?fast_title=31+Friksjon.pdf (Hentet: 15. januar 2018).
Opsahl, V. L. (2009) Asfaltdekkets friksjonsegenskaper. Oslo. Tilgjengelig fra:
https://brage.bibsys.no/xmlui/bitstream/handle/11250/189952/asfaltdekkersfriksjonsegenskap er.pdf?sequence=1 (Hentet: 05.april 2018).
Ormestad, H. (2018) friksjon. Tilgjengelig fra: https://snl.no/friksjon (Hentet: 14.mars 2018).
Persson, B. N. J. et al. (2004) On the nature of surface roughness with application to contact mechanicms, sealing, rubber friction and adhesion, Physics: Condensed Matter, 17(1), s. 62.
doi: 10.1088/0953-8984/17/1/R01.
transport, S. h. f. (2013) Rapport om møteulyke mellom vogntog og varebil i Hyvingstunnelen på E16 ved Voss 26. september 2011. (Rapport om vegtrafikkulykke 1). Lillestrøm: Statens havarikommisjon for transport. Tilgjengelig fra:
https://www.aibn.no/Veitrafikk/Rapporter/2013-01?pid=SHT-Report-ReportFile&attach=1 (Hentet: 16. januar).
Veisten, K., Flügel, S. og Elvik, R. (2010) Den norske verdsettingsstudien. (1053C/2010).
toi.no: Transportøkonomisk institutt. Tilgjengelig fra:
https://www.toi.no/getfile.php?mmfileid=16062 (Hentet: 10.april 2018).
