Bauingenieure finden Einsparungen dort, wo der Gummi auf die Straße trifft: Steifere Straßen senken den Kraftstoffverbrauch

Bauingenieure finden Einsparungen dort, wo der Gummi auf die Straße trifft: Steifere Straßen senken den Kraftstoffverbrauch
Bauingenieure finden Einsparungen dort, wo der Gummi auf die Straße trifft: Steifere Straßen senken den Kraftstoffverbrauch
Anonim

Eine neue Studie von Bauingenieuren des MIT zeigt, dass die Verwendung steiferer Gehwege auf den Straßen des Landes den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen um bis zu 3 Prozent senken könnte - eine Einsparung, die sich auf 273 Millionen Barrel Rohöl pro Jahr belaufen könnte. oder 15,6 Milliarden Dollar bei den heutigen Ölpreisen. Dies würde zu einem begleitenden jährlichen Rückgang der CO2 Emissionen von 46,5 Millionen Tonnen führen.

Die Studie, die kürzlich in einem von Experten begutachteten Bericht veröffentlicht wurde, ist die erste, die mathematische Modellierung anstelle von Straßenexperimenten verwendet, um die Auswirkungen der Durchbiegung des Bürgersteigs auf den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen im gesamten U.S. Straßennetz. Ein Artikel zu dieser Arbeit wurde ebenfalls zur Veröffentlichung im Laufe dieses Jahres im Transportation Research Record akzeptiert.

Die Autoren der Studie, Professor Franz-Josef Ulm und der Doktorand Mehdi Akbarian, schlussfolgern durch die Modellierung der physikalischen Kräfte, die beim Abrollen eines Gummireifens über die Fahrbahn wirken, dass aufgrund der Art und Weise, wie Energie dissipiert wird, die maximale Auslenkung der Last befindet sich hinter der Fahrbahn. Dies bewirkt, dass die Reifen des Fahrzeugs kontinuierlich eine leichte Steigung hinauffahren, was den Kraftstoffverbrauch erhöht.

Die Durchbiegung unter den Reifen ähnelt der von Strandsand unter den Füßen: Bei jedem Schritt stampft der Fuß den Sand von der Ferse bis zu den Zehen auf, was dem Fußgänger mehr Kraft abverlangt als beim Gehen auf hartem Untergrund. Auf den Straßen hinterlässt sogar ein Anstieg des gesamten Kraftstoffverbrauchs um 1 Prozent einen erheblichen ökologischen Fußabdruck. Steifere Fahrbahnen – die durch Verbesserung der Materialeigenschaften oder Erhöhung der Dicke der Asph altschichten, Umstellung auf eine Betonschicht oder Asph alt-Beton-Verbundkonstruktionen oder Änderung der Dicke oder Zusammensetzung der Unterschichten der Straße erreicht werden können – würden die Durchbiegung verringern und reduzieren Sie diesen Fußabdruck.

"Bei dieser Arbeit trifft buchstäblich der Gummi auf die Straße", sagt der Ulmer George-Macomber-Professor am Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen. „Wir müssen Wege finden, um den ökologischen Fußabdruck unserer Straßeninfrastruktur zu verbessern, aber frühere empirische Studien zur Bestimmung der Kraftstoffeinsparungen haben sich alle mit den Auswirkungen von Rauheit und Straßenbelagstyp für einige nicht schlüssige Szenarien befasst, und die Ergebnisse waren manchmal unterschiedlich eine Größenordnung. Wo finden Sie identische Straßen auf denselben Böden unter denselben Bedingungen? Sie können nicht. Sie bekommen Nebenwirkungen. Der empirische Ansatz funktioniert nicht. Also haben wir statistische Analysen verwendet, um diese Nebenwirkungen zu vermeiden.

Die neue Studie definiert die Schlüsselparameter, die bei der Analyse der strukturellen (Dicke) und materiellen (Steifigkeit und Art des Unterbaus) Eigenschaften von Fahrbahnen beteiligt sind. Das mathematische Modell basiert daher auf dem tatsächlichen mechanischen Verh alten von Fahrbahnen unter Belastung.Um ihre Ergebnisse zu erh alten, haben Ulm und Akbarian ihre Modelldaten von 5.643 repräsentativen Abschnitten der Bundesstraßen aus Datensätzen der Bundesstraßenverw altung eingespeist. Diese Daten umfassen Informationen über die Oberflächen- und Untergrundmaterialien von Gehwegen und den darunter liegenden Böden sowie die Anzahl, Art und das Gewicht der Fahrzeuge, die die Straßen benutzen. Die Forscher berechneten und berücksichtigten auch die Kontaktfläche von Fahrzeugreifen mit der Fahrbahn.

Ulm und Akbarian schätzen, dass die kombinierten Auswirkungen von Straßenunebenheit und -durchbiegung für einen jährlichen durchschnittlichen zusätzlichen Kraftstoffverbrauch von 7.000 bis 9.000 Gallonen pro Spurmeile auf stark befahrenen Straßen verantwortlich sind (die meisten nicht eingeschlossen). stark befahrene Straßen) in den 8,5 Millionen Fahrspurmeilen, aus denen das US-Straßennetz besteht. Sie sagen, dass bis zu 80 Prozent dieses zusätzlichen Kraftstoffverbrauchs, der über den normalen Kraftstoffverbrauch der Fahrzeuge hinausgeht, durch Verbesserungen der grundlegenden Eigenschaften von Asph alt, Beton und anderen Materialien, die zum Bau der Straßen verwendet werden, reduziert werden könnte.

"Wir verschwenden unnötig Kraftstoff, weil das Straßendesign mehr auf der Minimierung der Anschaffungskosten als auf der Leistung - wie gut die Straßendecke hält - basiert, wenn es auch den ökologischen Fußabdruck von Straßendecken basierend auf Schwankungen berücksichtigen sollte äußeren Bedingungen", sagt Akbarian. „Wir können jetzt Umweltauswirkungen, Fahrbahnleistung und – schließlich – ein Kostenmodell einbeziehen, um die Fahrbahnkonstruktion zu optimieren und die niedrigsten Kosten und die geringste Umweltbelastung mit der besten strukturellen Leistung zu erzielen.“

Die Forscher sagen, dass sich die Anschaffungskosten für bessere Fahrbahnen nicht nur durch Kraftstoffeffizienz und geringere CO2 Emissionen, sondern auch durch geringere Wartungskosten schnell bezahlt machen würden.

"Es gibt ein Missverständnis, dass man mehr Geld ausgeben muss, wenn man umweltfreundlich werden will, aber das stimmt nicht unbedingt", sagt Akbarian. „Ein besseres Fahrbahndesign über die gesamte Lebensdauer würde viel mehr Geld bei den Kraftstoffkosten einsparen als die anfänglichen Kosten für Verbesserungen.Und die staatlichen Verkehrsbehörden würden Geld sparen und gleichzeitig ihren ökologischen Fußabdruck im Laufe der Zeit verringern, da die Straßen nicht so schnell verfallen."

"Bei dieser Arbeit geht es nicht um Asph alt gegen Beton", sagt Ulm. „Das ultimative Ziel ist es, die Infrastruktur unseres Landes nachh altiger zu machen. Unser Modell wird dazu beitragen, dies zu ermöglichen, indem es Straßenbauingenieuren ein Werkzeug an die Hand gibt, um Nachh altigkeit als Designparameter einzubeziehen, genau wie Sicherheit, Kosten und Fahrqualität.“

"Diese MIT-Forschung hat den Weg für ein rigoroses mathematisches Rahmenwerk bereitet, das den Kraftstoffverbrauch mit der mathematisch vorhergesagten Durchbiegung der Fahrbahn in Beziehung setzt. Dieses Rahmenwerk legt eine Grundlage für die kontinuierliche Entwicklung und zukünftige Verbesserung fortschrittlicher Fahrbahn-Fahrzeug-Interaktionsmodelle", sagt Lev Khazanovich, Professor für Bauingenieurwesen an der University of Minnesota, der nicht an dieser Forschung beteiligt war. „Die Integration der Ergebnisse dieser Studie mit dem Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide, der kürzlich von der American Association of State Highway Transportation Officials angenommen wurde, wird es den Verkehrsbehörden ermöglichen, den Kraftstoffverbrauch des Verkehrs bei Entscheidungen über das Design von Straßenbelägen zu berücksichtigen.Dies macht die Forschung von Akbarian und Ulm heute besonders wichtig angesichts der Bemühungen der Verkehrsbehörden, den ökologischen Fußabdruck des Verkehrssystems zu verringern."

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