林道の幾何構造に関する研究 - 幾何構造と運転者の生理的負担 -
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概要
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本論文は林道設計の技術的な基準である林道規程に示されている線形要素について，林道の利用者の側からも評価・検討し，合理的な線形設計の基準を究明しようとするものであり，以下各車ごとに得られた結果の要点を取りまとめ総括する。 1．林道設計の技術的な基準である林道規程は昭和30年4月道路法にいう「道路構造令」に準じたものを想定し定められたが，交通情勢の変化や，林道（自動車道）が農山村地域の一般交通路としての役割を果たしていることから交通・輸送の一貫性を図るため，昭和48年4月に新しく設計速度の考えを取り入れた新規程が制定された。新規程は道路構造令に示されている第3種第5級の道路（計画交通量1日500台未満）の構造規格に準拠して定められたことにより旧規程に比べて自動車走行にとってプラスの構造規格となっている。その中で，砂利敷路面を原則とする林道の縦断勾配が舗装道路の数値を用いて算定された道路構造令の縦断勾配の規格値と同一になっている。砂利道のころがり抵抗係数μの値を0.03として道路構造令と同様の方法で縦断勾配制限値を算定すると，現行の7，8，9%が5，6，7%となり，より高規格な結果となる。2．一方，林道の急勾配部についての実態調査の結果，林道規程制限値をこえる勾配区間を有する林道が数多く存在し，これら急勾配の車両走行に対する影響は乗用車の類では比較的小さく，貸物自動車の場合，大であることが確認できた。それゆえ，砂利道における運材トラックの走行速度を考慮して，走行可能を最急勾配について主として走行性能の面から検討した。その結果，路面条件により同一の速度で登坂可能な勾配は異なり，また同じ条件でも車両の大きさにより異なること，下り勾配部についてほ，40km/時の速度で走行する場合を除き，かなりの勾配まで停止できること，さらに，路面の良好な林道においては12%の勾配部を積載量の小さい車両（4.5トン車以下）は20km/時の速度で，大型車両（5.25～6.5トン車）は15km/時の速度で走行できるが路面条件が悪化すると走行速度は低下することがわかり，輸送用としての色彩の濃い幹線林道においては，理論的には良好な路面を普通貨物自動車が15km/時～20km/時で走行する場合の最急勾配は12%程度，幹線以外の林地内作業路として利用される林道においては，もう少し限界を上げて17%程度としても良いことがわかった。 しかし，林道は安全に走行できることが第一の要件であり，危険感や不安感などが存在すると運転者の負抱が増大し，安全上の問題が考えられる。そこで，林道，自動車，運転者の三者を人間工学系としてとらえ，運転中の運転負担と林遺構造との関係を運転者の心身反応測定により求め，林道連行時の運転者にかかる生理的負担から林道の構造について検討した。その結果，時間に縛られた走行やより速いスピードを出しての走行あるいは他車に追従した走行方法などではなく，通常の走行方法により走行するかぎりは曲線半径や縦断勾配は運転者の生理的負抱に大きな影響を及ぼさないこと，運転作業中の運転者の心拍数増加率が20%以上となったのは測定数の17.5%で，大部分が平地歩行時の心拍数増加率28．33より低いことがわかった。これらは車両走行実験という環境における測定値であり，運転負抱プラス実験測走による余分な負担が加わっていることが考えられ，日常の走行時の運転負担はこれらの低よりいく分か小さい値となることが予想される。 したがって，運転者の負担度の点からも輸送路としての色彩の濃い幹線林道においては良好な路面を維持できる場合の最急勾配は12%程度，幹線以外の林道においては限界を上げて17%程度としても問題はないと言える。 3．縦断勾配とともに林道の線形設計の重要な要素である曲線半径は林道規程第15条に最小値が定められているが規程値より小さい曲線半径を有する林道も存在する。林道屈曲部における曲線半径の大きさは車両が安全に走行できる値であることが必要である。曲線半径は大きいほど，車両の走行にとって好都合であるが，地形の制約をうけて常時大きな曲線半径を適用することは不可能である。そこで，搬出材長，設計車両の大きさといった物理的形状と運転者に対する乗心地の良さから，林道屈曲部における曲線半径を算定し，最小曲線半径の大きさについて検討した。その結果，通常の短材を搬出する場合は材長，幅員，曲線半径の関係を問題とする必要はないが，全幹材や農相を搬出する場合は所要の半径に満たない曲線部では幅員外へ材がはみ出し，とくに両カッティングの箇所や谷回りの曲線部では搬出材の先端が法面に接触する場合も起こり得ることがわかった。また，乗心地の点からは大きい曲線半径が望ましく，現行規程値を適用した曲線部では直線部走行時と同じ速度で走行することは無埋であり，必ず曲線手前で制動し，速度を低下させて曲線部を通過する必要がある。 運転者の生理的負担の点からは，砂利敷林適において通常の走行方法により走行するかぎりは曲線半径は運転者に大きな影響を及ぼさない結果となったが，曲線半径の大きさと生理的負担の間には曲線半径の増大に伴って運転者の生埋的負担は小さくなることが推測される。 したがって，林道設計に際してはできるだけ大きな半径の曲線が設置されることが望ましいが，地形の関係上，どうしても小さい半径の曲線を設置せざるを得ない箇所では，現行規定値の20～30mの曲線半径の曲線を設置するかぎりは全幹材の搬出作業が実施されても幅員外への材のはみ出しも比較的少なく，通常の走行方法により走行するかぎりは運転者の乗心地 生理的負担度の点からも問題はない。しかし，8m，12mといった小さい曲線半径が設置される箇所では長材の搬出 走行速度，乗心地といった点で支障がでるものと判断される。 4．林道の路面は，砂利敷路面を原則としているが，砂利敷林道における運材トラックの走行速度と登坂勾配は路面条件の違いにより，異なった値となることから，林道勾配部を舗装することにより，どの程度の速度が確保でき，どれほどのスピードアップが期待できるかを検討した。その結果，一般的には舗装路における速度は砂利道における速度に比べて大きいこと，上り援勾配部における貨物車類は急勾配に比べて速度差が大きく，緩勾配部の速度比（舗装路速度／砂利道速度）は貨物車（4.5～6.5トン車）の場合，およそ2かそれ以上となること，下り勾配部については，上り勾配部と同様に舗装路における速度は砂利道における速度に比べて大きく，とくに荷を積んだ大型貸物車の速度差が大きいこと，下降勾配の増大に伴う速度低下の割合は舗装路に比べて砂利道のほうが大きく，勾配が急になるほど舗装路速度と砂利道速度の速度比は大きくなり，大型車両の積車の場合の速度比は約2～3となることが予想される。 また，運転者の生埋的負担の点からは，走行時の路面状態の違い，すなわち，砂利道と舗装路，空車走行と実車走行，上り勾配走行と下り勾配走行といった走行条件の違いが運転者の生理的負担に影響を持ち，舗装路走行時の心拍数増加率が砂利道走行時に比べて大きい結果となったが，それらの差は大きいものではなく，車両振動の減少，走行速度の増加の点で運転者にとって林道の路面舗装は有効であることが明らかとなった。 したがって，普通自動車を設計車両とする1級・2級の林道においては，林道の路面状態が車両走行に大きな影響を持ち，林道が一般道路と接続され地域路網を形成しているところからも，交通・輸送の一貫性を図るため交通量の多い，利用頻度の高い林道については，今後，登坂力の確保のみならず輸送効率向上の点からも林道の舗装は積極的に取り入れられるペきものであることがわかった。 以上が本論文で明らかにした主要事項の概要であるが，要するに林道設計に際してはできるだけ緩やかな縦断勾配，大きな曲線半径の適用が望ましいが，車両の運転者，車両の性能の面からみて，輸送路としての色彩の濃い幹線林道においては良好な路面を維持できる場合の最急勾配は12%程度，幹線以外の林道においては17%程度まで規格の枠を拡げても問題はない。また，最小曲線半径は現行規程の20～30mの値を適用するかぎりは問題が少ないが， 8m，12mといった小さい半径が設置される場合は走行速度，乗心地といった点での支障を覚悟しておかねばなら憩い。また，上記の線形要素とは別に，路面舗装を導入することにより，より安全で輸送能力の高い林道へと機能向上をはかることが可能となる。Forest roads are built with a structure based on forest road standards. Forest road standards consist of specifications that deal with the physical properties of the road such as width of carriageway, maximum gradient, minimum radius of curvature, and the like. The geometrical design factors, such as longitudinal gradient and road alignment, have an effect orr the cost of road construction. The purpose of this study is to propose a rational basis for forest road design. The radius of curvature and the longitudinal gradient which were shown in the forest road standard used as the technical basis in forest road design, were examined from the standpoint of the physiological loading of the driver. This thesis is composed of six chapters : namely, I. Introduction, Ⅱ. Specifications of geometrical structure of forest roads, Ⅲ. The longitudinal gradient of forest roads, IV. The radius of curvature of forest roads, V. The pavement of forest roads surface, and Ⅵ. Conclusion. The results obtained in this study are summarized as follows :1. At first the forest road standard was set in 1955. In 1973 it was renewed by a general idea of design road speed so as to secure a consistency of traffic and transport. As the new forest road standard was decided to conform with a municipal road standard, drivers can drive on forest roads more easily than on the roads built with the old forest road standard. But, though the forest road is a gravel road, as a rule, the value of longitudinal gradient is the same value that was calculated with a coefficient of rolling resistance on pavecl road. If we calculate a longitudinal gradient with the coefficient of rolling resistance on gravel road we get a lower value(5, 6, 7% )than the value of the standing rule.2. As for the results of an investigation into actual conditions of steep grade sections of forest roads, a large number of steep grade sections which exceed the limit of forest road standards do exist. Theso steep sections decrease running speed of motor trucks. Hence, thc climbable maximum gradient with due regard to the driving speed of log trucks on gravel forest roads was examined mainly by using the running ability of trucks. As a result of the investigation, the maximum gradient of the primary forest road, with fine road surface, mainly used as a tranportation route for rnotor trucks traveling at a speed of 15?20kilometers an hour, is about a 12%grade. It is possible to increase the value of maximum gradient of the for:est road utilized for spur roads to about 17%grade. But it is necessary that motorists can drive safely on the forest road. If the driver feels danger or some misgivings, his physiological loading will become greater. A question about safety will occur. Therefore, the man-machine system with the forest road, vehicle and driver was considered. And thegeometrical design factor was investigated from the physiological loading of the driver. The maximum longitudinal gradient and the minimum radius of curvature in this study were designed at 20% and 7m respectively. And the heart rate of drivers in normal driving was measured as a physiological indicator by using an electrocardiogram. The driven speed and the vibration acceleration were meusured on the driving vehicle, too. These datum were analyzed by using the quantification method. The heart rate of drivers was not significantly influenced by various values of the radius of curvature and longitudinal gradient of forest roads. So, from a viewpoint of physiological loading of the driver, the maximum gradient is thought to be up to 17%. That was found to be a possible maximurn gradient for the running ability of motor trucks, too.3. Both the radius of curvature and the longitudinal gradient are important design factors of forest roads. The minimum radius of curvature that exceeds the limit of forest road standards is in existence. But it is necessary that motorists can drive safely at curve sections on forest roads. The large radius of curvature is suitable for operation of vehicles but it can not be set at all times in mountainous regions. So, the minirum radius of curvature was examined from a physical size of hauling logs and driving comfort. It was found that the radius of curvature with unsatisfactory size for hauling of tree length logs and long timber caused a problem. From the standpoint of driving comfort, it is desirable that a large radius of curvature should be set. At a curved section built with the standing rule, it is impossible for a vehicle to operate at the same speecl as on a straight section of forest road. Therefore it is necessary to decrease speed for the curve. In the case of normal driving on forest road, it can be stated that geometrical design factors have no effect on the plysiological loading of the driver. But it is supposed that the physiological loading decreses as the radius of curvature increses. Therefore, it is desireable to set a large radius of curvature in forest road designs. In places where a small radius of curvature must be laid out as influencecl by topography, when the radius of 20 ～ 30 meters showed in the standing rule is set, most of the tree length logs are transported without protrusion from road width. And in the case of normal driving, it can be stated that there are no problems from a viewpoint of the physiological loading and driving comfort. But in the small curve section such as 8meter or 12meter radius, there is a problem in respect to hauling tree length logs, the operating speed of the motor vehicle, and driving comfort.4. In principle, the forest road is a gravel road. But the operating speed and the climbable gradient of logging trucks on gravel roads vary with the condition of the road surface. From a standpoint of transportation efficiency on forest roads, the speed difference between driving on gravel roads and driving on asphalt paved roads was examined with the theoretical value from the automobile performance diagram and the results from a survey of the operating speed. In general, the operating speed of motor vehicles on paved roads is higher than on gravel roads. That difference in the running speed of motor trucks on up-grade section is greater at the gentle grade section than at the steep grade section, and it is expected that the running speed ratio(the speed on paved roads / the speed on gravel roads ) of motor trucks ( 4.5ton ～ 6.5ton) at the gentle grade section will be about 2 or more. On down-grade sections, the decreasing rate of running speed with the increase of favourable gradient is greater on gravel roads than on paved roads, and the steeper the gradient becomes, the greater the running speed ratio increnses. Also, it is expected that the operating speed ratio of a laden large-sized vehicle will be about 2 or 3.Mtoreover, from a standpoint of physiological loading of the driver, the difference in quality of road surface, namely, gravel road and paved road, the difference between laden and unladen trucks and the difference between adverse grade and favourable grade have an influence on the physiologioal loading of the driver, and the increased heart rate of the driver on paved roads is higher than on gravel roads. But, there is little difference between them. It became clear that the paved forest road surface was better for the driver in that there was a decrease of vibration and an increase of vehicle speed. Therefore, on the first and second class forest roads on which an ordinary motor vchicle is to operate, it is reccomended that the forest road with high density of traffic and high frequency in use should be paved with asphalt to guarantee high transportation efficiency as well as gradability in the future.
- 1987-02-01
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