De stappentheorie gevalideerd (VK 3/2013)

Liselotte Kroon, TU Delft

Jan-Auwke Verspuij, Witteveen+Bos

Alex van Loon, Rijkswaterstaat

De stappentheorie
De ‘stappentheorie’ is een passage in de Nederlandse ontwerprichtlijn voor autosnelwegen [1]. Deze theorie betreft de samenhang tussen ontwerpelementen met verschillende ontwerpsnelheden en heeft vooral betrekking op het ondersteunen van de snelheidsafbouw van het autoverkeer bij aansluitingen en in knooppunten.

Door de ontwerpsnelheid van opeenvolgende wegelementen stapsgewijs af te bouwen, wordt de overgang naar een lagere ontwerpsnelheid geleidelijk ingezet. Hierdoor zou de automobilist beter in staat zijn om zijn snelheid op een natuurlijke manier aan te passen aan het daaropvolgende weggedeelte. Ook wordt hiermee verondersteld dat de verkeersveiligheid wordt gediend.

Figuur 1: Afrit waarbij de ontwerpsnelheid stapsgewijs wordt teruggebracht

Om zo’n stapsgewijze snelheidsafbouw te realiseren, wordt gebruik gemaakt van uitvoegstroken en horizontale bogen, zie figuur 1 hierboven. In de stappentheorie ligt het verschil in ontwerpsnelheid tussen de opeenvolgende ontwerpelementen tussen de 20km/uur en 30km/uur. Een grotere stapgrootte zou in theorie leiden tot hachelijke manoeuvres van de weggebruiker, omdat de weggebruiker dan niet goed in staat is om zijn snelheid geleidelijk aan te passen.

Ondanks het feit dat deze theorie al jaren in onze richtlijnen staat, is deze nog nooit gevalideerd. Het is onduidelijk of een stapsgewijze afbouw in ontwerpsnelheid inderdaad leidt tot een geleidelijke aanpassing van de daadwerkelijke snelheid. De daaropvolgende relatie met verkeersveiligheid is dan ook nooit vastgesteld. Aanhangers van de stappentheorie geloven dat de richtlijn noodzakelijk is om de verkeersveiligheid op aansluitingen te waarborgen, terwijl anderen dit in twijfel trekken. Veel aansluitingen zijn ook ontworpen zonder een geleidelijke afbouw van de ontwerpsnelheid. Wat hier exact de gevolgen van zijn is onduidelijk.

Op dit moment worden de richtlijnen herzien en rijst de vraag of we nog steeds moeten vasthouden aan de stappentheorie. Vandaar dat er een studie is uitgevoerd om te achterhalen in welke mate de stappentheorie bijdraagt aan de verkeersveiligheid van aansluitingen op Nederlandse snelwegen.

Het onderzoek is op verzoek van Rijkswaterstaat geïnitieerd als afstudeeropdracht van de TU Delft en is uitgevoerd onder begeleiding van bureau Witteveen en Bos.
In het onderzoek is stilgestaan bij zowel de relatie tussen stapgrootte en snelheidsaanpassingen, als naar de relatie met de verkeersveiligheid. Dit onderzoek richtte zich op twee type aansluitingen: verbindingswegen in knooppunten en afritten. Op deze aansluitingen moet de bestuurder altijd zijn snelheid minderen om de overgang veilig door te komen. Daarnaast komen deze aansluitingen in verschillende configuraties voor, door uitvoegstroken en horizontale bogen anders achter elkaar te positioneren. De drie onderzochte wegconfiguraties betroffen de overgang tussen: de uitvoegstrook en eerste bocht (rechtstand-bocht), twee tegengestelde horizontale bogen (S-bocht) en twee gelijkgerichte horizontale bogen (gelijkgerichte-bocht). Tabel 1 laat een overzicht zien van de variabelen.

Tabel 1: Categorisatie van de variabelen

Literatuuronderzoek
Uit literatuuronderzoek bleek dat er nauwelijks onderzoek is verricht naar verkeersveiligheid bij een stapsgewijze afbouw van snelheid met name in relatie tot aansluitingen op snelwegen. Daarentegen zijn er wel veel studies gedaan naar consistentie van wegontwerp op doorgaande provinciale wegen. Zo stelt Lamm [2] dat een stapgrootte van 20km/uur in ontwerpsnelheid nog binnen redelijk wegontwerp valt. Daarentegen wordt een stapgrootte van 30km/uur al gezien zien als slecht wegontwerp op doorgaande provinciale wegen. Hij baseert zijn criteria op ongevalscijfers, maar heeft deze nooit statistisch kunnen valideren. Desondanks worden ze wel veelvuldig overgenomen door andere studies.

Fitzpatrick [3] voert een soortgelijke studie uit voor goed, matig en slecht wegontwerp en stelt dat zijn ‘observaties sterk de indruk geven dat consistentietheorieën op basis van snelheidsreductie een betere indicator is voor het inschatten van de potentiële verkeersveiligheid van een wegalignement, dan door alleen naar de boogradius te kijken’( orgineel citaat: ‘observation makes a strong case that a design consistency methodology based on speed reduction provides a better method for anticipating and improving the potential safety performance of a proposed alignment alternative than a review of horizontal curve radii alone’.

Ook Polus en Matter-Habib [4] kijken naar consistentie in wegontwerp en de relatie met verkeersveiligheid. Hierbij bepalen ze een consistentiefactor voor een doorgaande weg, op basis van de afwijking van de gemiddelde ontwerpsnelheid op dit traject. Met deze consistentiefactor schatten zij een model om het ongevalsrisico te bepalen. Door hun model te vergelijken met ongevallen op 39 locaties in de VS, concluderen zij dat het aannemelijk is dat een consistenter wegontwerp bijdraagt aan de verkeersveiligheid.

Al deze studies richten zich echter niet op wegen waarbij een (structurele) snelheidsafbouw wordt gerealiseerd en ook het verwachtingspatroon van de weggebruiker anders is. De gestelde grenzen voor goed en slecht wegontwerp zijn daarom niet direct over te nemen. Desondanks laten deze studies wel zien dat een relatie tussen consistentietheorieën en ongevalsrisico’s aannemelijk is. Het blijft echter onduidelijk in welke mate deze visies daadwerkelijk bijdragen aan de verkeersveiligheid. Daarmee lijkt het erop dat de stappentheorie mogelijk ook een positief effect op verkeersveiligheid zou kunnen hebben, maar op basis van literatuur is hier geen uitspraak over te doen.

Onderzoeksmethode
Voor dit onderzoek is zowel een rijsimulatorstudie als een ongevalstudie uitgevoerd. Door deze tweedelige aanpak kon het effect op zowel snelheidsveranderingen als verkeersveiligheid meer in detail worden geanalyseerd. De uitgevoerde rijsimulatorstudie gaf inzicht in de gerealiseerde snelheden van 38 deelnemers. Daarnaast kon met behulp van vier rijprestatie-indicatoren ook een inschatting gemaakt worden van de verkeersveiligheid. De ongevalstudie is uitgevoerd om meer inzicht te krijgen in de werkelijke verkeersveiligheid van aansluitingen van het Nederlands snelwegennet. Door de resultaten van deze twee studies met elkaar te vergelijken, kon met meer zekerheid de validiteit van de stappentheorie vastgesteld worden

Stapgrootte
Om het effect van verschillende stapgroottes op snelheid en veiligheid te meten, is gekozen om de variabele te meten op een intervalbasis, met 10km/uur verschil in ontwerpsnelheid. Voor de ongevalstudie zijn de daadwerkelijke stapgroottes op de aansluitingen gemeten. Deze konden oplopen van 0km/uur tot wel 70km/uur verschil in ontwerpsnelheid tussen twee opeenvolgende wegelementen. Voor de rijsimulatorstudie was het echter niet haalbaar om alle denkbare stapgroottes te simuleren. Daarom is het aantal onderzochte stapgroottes beperkt tot 20km/uur, 30km/uur en 40km/uur, gezien deze binnen de visie van de stappentheorie vallen.

Indicators voor rijsimulator
Om in te schatten hoe veilig deelnemers reden onder verschillende condities in de rijsimulator, is gekeken naar verschillende indicatoren. Laterale positie, stuuruitslag en laterale snelheid geven een indicatie van hoe goed de automobilist in staat is om de weg netjes te volgen. Op het moment dat de automobilist slingert of continu aan het bijsturen is, is hij namelijk risicovol bezig. Beter zou zijn om gelijkmatig de bocht in te sturen en de weg te volgen. Voor snelheid geldt hetzelfde principe. Als de automobilist geleidelijk zijn snelheid aanpast zou dit de verkeersveiligheid ten goede komen. Vandaar dat per indicator een waarde wordt toegekend aan de mate waarin de automobilist in staat is gelijkmatig de aansluiting te nemen, hoe lager de waarde, hoe beter voor de verkeersveiligheid.

Indicator voor ongevalstudie
Om het ongevalsrisico van een overgang in wegontwerp te bepalen, is gekeken naar het aantal ongevallen op snelwegaansluitingen in heel Nederland over een periode van 5 jaar. Op basis van een geografische database van Rijkswaterstaat kon het type weg en type configuratie worden bepaald. Op basis van de coördinaten uit deze database bleek het echter niet mogelijk om de lengte van een wegelement te bepalen. Ook zijn er nauwelijks gegevens over intensiteiten op aansluitingen. Het ongevalsrisico kon daardoor niet nauwkeurig worden bepaald.

Om toch een zo goed mogelijk beeld te krijgen van het ongevalsrisico van aansluitingen is besloten om alle locaties in Nederland mee te nemen en niet te beperken tot een selectie. Uiteindelijk is ongeveer 95 procent van het gehele Nederlandse snelwegennet meegenomen in de studie om mogelijke vertekende resultaten. Tevens zal de conclusie gebaseerd worden op trends die in zowel de ongevalstudie als de rijsimulatorstudie terugkomen, om mogelijke vertekeningen in de resultaten te ondervangen.

Naast de rijsimulatorstudie en ongevalstudie heeft ook een veldonderzoek plaats gevonden om aannames te kunnen maken, die nodig waren voor een goede uitvoering van de twee hoofdstudies. Verder zijn de gemeten snelheden in de veldstudie ook gebruikt om de rijsimulator achteraf te valideren.

Rijsimulatorstudie
Voor de rijsimulatorstudie zijn de drie verschillende stapgroottes (20-30-40km/uur) getest in relatie tot de drie configuratietypes (rechtstand-bocht, S-bocht en gelijkgerichte-bocht). Dit resulteerde in negen experimentele omgevingscondities. Het aansluitingstype (verbindingsweg of afrit) werd vervolgens random toegewezen aan een van deze negen condities. Daarnaast zijn ook vier extra omgevingscondities gesimuleerd om twee type gedragseffecten te meten. Een daarvan was om effecten van verveling, vermoeidheid en oefening te meten. Op basis van de overige drie referentiecondities, die een afspiegeling waren van de locaties in de veldstudie, kon een inschatting gemaakt worden van de validiteit van de rijsimulator.

Algemeen
Van de 45 deelnemers aan de rijsimulator werden helaas 4 deelnemers rijsimulatorziek. Daarnaast waren er ook deelnemers die het onderzoek niet serieus namen en tijdens de rit buitensporig gedrag vertoonden (racen, verkeersregels negeren). Hierdoor bleef een dataset over van 38 deelnemers. Voorafgaand aan de statistische toetsen is een clusteranalyse uitgevoerd om te kijken of er een significant verschil te vinden was tussen leeftijd, geslacht of andere factoren, maar dit bleek niet het geval. Om te bepalen hoe realistisch men gereden heeft in de rijsimulator, zijn de snelheden gemeten in de rijsimulatorstudie vergeleken met de veldstudie. Deze kwamen redelijk overeen, daarbij bevestigden de observaties dat de deelnemers de rijomgeving realistisch vonden. Ook bleken de effecten van verveling of vermoeidheid mee te vallen. De rijsimulatorstudie bevatte daarom geen afwijkingen die de validiteit ernstig zouden beïnvloeden. Daarmee is het aannemelijk dat de condities onderling met elkaar vergeleken kunnen worden.

Snelheid
Op basis van de resultaten van de rijsimulator leken de gerealiseerde snelheden afhankelijk van het aansluitingstype. Alle deelnemers decelereerden naar een gemiddelde snelheid van 90km/uur, ongeacht het wegtype of de stapgrootte. Echter, na de eerste bocht decelereerden deelnemers verder op de afritten, terwijl ze consequent accelereerden op verbindingswegen. Dit is opvallend omdat de ontwerpsnelheid in alle gevallen verlaagd werd. Daarmee lijkt het erop dat het rijgedrag verschilt tussen verbindingsbogen en afritten, waarbij het zo zou kunnen zijn dat de automobilist op een verbindingsboog geneigd is zo snel mogelijk te accelereren om weer op een aanvaardbare invoegsnelheid te komen.

Fixed-base rijsimulator van de TU Delft

Verkeersveiligheid
De verkeersveiligheid werd ingeschat door de fluctuaties in de vier indicatoren over tijd te meten. De variabele stapgrootte resulteerde in een geringe tot matige effectgrootte op deze indicatoren. Bij een stapgrootte van meer dan 30km/uur nam de gemiddelde fluctuatie van het rijgedrag consequent toe, hetgeen duidt op een verhoogd risico. Een duidelijke trend van het rijgedrag over een toenemende stapgrootte (lineair of kwadratisch) kon echter niet worden vastgesteld. Door de effecten per bochtconfiguratie te beschouwen, werd duidelijk dat de S-bocht structureel een hoger risico geeft dan de andere configuraties. Nog steeds laten alle configuraties een duidelijke toename zien boven een stapgrootte van 30km/uur. Bij de laagste stapgrootte van 20km/uur scoort alleen ook de S-bocht structureel hoger. Hierdoor lijkt een stapgrootte van 30km/uur in het algemeen best te presteren voor de S-bocht. De overige bochtconfiguraties laten niet zo’n piek zien voor een lage stapgrootte.

Ongevalstudie
De ongevalstudie had betrekking op een periode van 5 jaar, van 2005 tot en met 2009. Dit resulteerde in een database met 1341 locaties en 1774 ongevallen. De studie liet zien dat maar in 23,8 procent van de onderzochte wegen de stappentheorie was geïmplementeerd (stapgroottes van 20km/uur of 30km/uur). Daarnaast is 25 procent van alle aansluitingen in Nederland aangelegd met een kleinere stapgrootte en is 50 procent aangelegd met een grotere stapgrootte dan geadviseerd wordt op basis van de stappentheorie, zie Tabel 2.

Tabel 2: Overzicht van het aantal aansluitingen in relatie tot de toegepaste stapgrootte op deze overgang

Als alleen gekeken wordt naar de stapgrootte in relatie tot ongevalscijfers, blijkt dat de overgangen met stapgroottes van 20km/uur en 30km/uur het laagste ongevalsrisico met zich meebrengen. Meer inzicht is verkregen door de analyse op te splitsen naar de configuraties, zie 2. Hierdoor wordt duidelijk dat voor de configuratie rechtstand-bocht het ongevalrisico kwadratisch toeneemt voor een toenemende stapgrootte. Opvallend is dat de S-bocht van deze kwadratische trend afwijkt voor stapgroottes kleiner dan 20km/uur. Ongevalrisico’s voor deze lage stapgroottes zijn opeens weer hoog, zoals ook werd geconcludeerd in de rijsimulatorstudie. Het was niet mogelijk conclusies te trekken voor de gelijkgerichte-bocht, omdat de data hiervoor niet toereikend was.

De ongevalstudie liet ook zien dat ongevalrisico’s op verbindingswegen structureel hoger liggen dan voor afritten het geval is. Ook is gekeken of de afloop van ongevallen ernstiger was voor grotere stapgroottes, dit bleek echter niet significant te verschillen.

Figuur 2: Ongevalsrisico per stapgrootte en configuratie

Conclusies
Op basis van alle deelstudies is het mogelijk om een uitspraak te doen over het effect van toepassing van de stappentheorie in het ontwerp op snelheidsaanpassingen en verkeersveiligheid. Het effect van stapgrootte op snelheden is geanalyseerd met behulp van de rijsimulatorstudie. Op basis van deze resultaten kon niet worden vastgesteld dat er een relatie is tussen stapgrootte en de richting of mate waarin de weggebruiker zijn snelheid aanpast. Wel kon worden vastgelegd dat er een relatie is met fluctuaties in de snelheidsafbouw. Weggebruikers pasten hun snelheid het meest geleidelijk aan bij een stapgrootte van 30km/uur.

Ook is er ook een relatie gevonden tussen de stapgrootte en verkeersveiligheid. Beide studies laten dezelfde trends zien, waardoor het aannemelijk is dat bij een stapgrootte van 20km/uur en 30km/uur de verkeersveiligheid het best gewaarborgd wordt. Dit effect is echter sterk gerelateerd aan de configuratie. Voor de configuratie rechtstand-bocht lijkt het erop dat het ongevalrisico kwadratisch toeneemt bij een grotere stapgrootte. De S-bocht wijkt van deze trend af met een relatief hoger ongevalrisico ook bij de laagste stapgroottes (0-10km/uur). Beide studies verschaffen helaas te weinig inzicht in de gelijkgerichte-bocht om hier uitspraken over te doen.

Tot slot kan gesteld worden dat de stappentheorie een valide visie op het rijgedrag en verkeersveiligheid is. Deze ondersteunt de veiligheid op aansluitingen wanneer er horizontale bochten worden toegepast en er een structurele afbouw in ontwerpsnelheid plaatsvindt. Het wordt daarom aanbevolen om in de richtlijnen vast te houden aan de stappentheorie en standaardstappen van 20km/uur of 30km/uur verschil in ontwerpsnelheid tussen opeenvolgende wegelementen toe te passen. Stapgroottes kleiner dan 20km/uur voor opeenvolgende tegengestelde bogen zouden uit oogpunt van verkeersveiligheid moeten worden vermeden.

Literatuur

1. Rijkswaterstaat Adviesdienst Verkeer en Vervoer (2007). Nieuwe Ontwerprichtlijnen Autosnelwegen. Nijkerk: Drukkerij van de Ridder bv.
2. Lamm, R., Psarianos, B., Mailaender, T. (1999). HIGHWAY DESIGN and TRAFFIC SAFETY ENGINEERING HANDBOOK. Chicago: R. R. Donnelley & Sons Company.
3. Fitzpatrick K., Anderson I.B., Bauer K.M., et all (2000). Evaluation of Design Consistency Mehtods for Two-lane Rural Highways. Texas: Texas Transportation Institute.
4. Polus, A. and Mattar-Habib, C. (2004). New Consistency Model for Rural Highways and its Relationship to Safety. Journal of Transportation Engineering, Vol. 130, No. 3.

 
Auteur: Margriet Verhoog