Simulazioni numeriche di urti su barriere di sicurezza new jersey poste a bordo ponte

FACOLTA’ DI INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE

TESI DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA CIVILE(Strutture)

Relatore: Candidato:Prof. Ing. Franco Bontempi Alessandro Greco

CorrelatoreIng. Alessandra Lo Cane

Simulazioni numeriche di urti su barriere di sicurezza new jersey

poste a bordo ponte

L’INCIDENTE DELL’IRPINIA DEL 2013

• 28 Luglio 2014 ore 20:30

• Viadotto di “Acqualonga” – A16 Napoli - Canosa

• Pullman Gran Turismo con a bordo 49 persone precipita dal viadotto

• 40 MORTI

Simulazioni numeriche di urti su barriere di sicurezza new jersey poste a bordo ponte

Alessandro Greco

L’INCIDENTE DELL’IRPINIA DEL 2013


Alessandro Greco

LE BARRIERE DI SICUREZZA STRADALE

Schema dell’urto: 4 FASI

1


Alessandro Greco

SICUREZZA STRADALE PASSIVA• airbag• cinture di sicurezza• barriere di sicurezza stradale

3

4

2

FUNZIONI• contenimento decelerazione veicolo• non ribaltamento veicolo• reindirizzamento in carreggiata

IL PROFILO “NEW JERSEY”

1) Dissipazione energia d’urto

• per attrito con il supporto

• per deformazione a “cerniera”

• spostamento grazie al peso ridotto

2) Superficie regolare lungo l’asse

CARATTERISTICHE

Decelerazione verticaleaz

Decelerazione trasversaleax-y

CLASSE T1: CLASSE T2: CLASSE T3:

CLASSE N1: CLASSE N2:

CLASSE H1: CLASSE H2: CLASSE H3:

CLASSE H4 a: CLASSE H4 b:


Alessandro Greco

NORMATIVA IN MATERIA DI DISPOSITIVI DI RITENUTA STRADALE

CEN – UNI-EN 1317 (sistemi di ritenuta stradali)

Livello di Contenimento: LC = ½ M (v senθ)2

Classificazione

Contenimento elevatissimo(tratti ad altissimo rischio – bordo ponte)

Contenimento con angolo d’urto basso

Contenimento elevato

Contenimento medio

CRASH TEST FULL SCALE

AUTOARTICOLATO 38 tonVELOCITA’ 65 km/hANGOLO DI IMPATTO 20°ENERGIA D’URTO 724 KJ

θ

Indici di controllo nei CRASH TEST

Livello di severità dell'urto

Valori indici

A ASI ≤ 1THIV ≤ 33 km/h

PHD ≤ 20 gB 1 < ASI ≤ 1,4

C 1,4 < ASI ≤ 1,9

Classe larghezza operativa W

Livelli di larghezza operativa (m)

W1 W ≤ 0,6W2 W ≤ 0,8W3 W ≤ 1,0W4 W ≤ 1,3W5 W ≤ 1,7W6 W ≤ 2,1W7 W ≤ 2,3W8 W ≤ 2,5

ANALISI COMPARATIVA DI DUE BARRIERE NEW JERSEY


Alessandro Greco

CARATTERISTICHE COMUNI:

Moduli di lunghezza 6 m

Calcestruzzo leggero (1800 kg/m3)

Bordo ponte

Livello di contenimento 724 KJ

DIFFERENZE:

Ancoraggio al cordolo del viadotto

TIPOLOGIA “B”Più rigida

2Barriere

New Jersey

Fine anni ‘90Progettata da

Autostrade S.p.a.

primi anni ‘90“tipo IRPINIA”

TIPOLOGIA “A”Meno rigida

Barriera

Cordolo viadotto

CARATTERISTICHE PROGETTUALI

6 m

Barra rullata ϕ 28in acciaio C45

Manicotto a doppia filettatura

Piastre bullonate al piede in acciaio Fe 360


Alessandro Greco

Testate Maschio-Femmina


Mancorrente tubolare antiribaltamento

d=157,3 mm; s=8 mmin acciaio Fe510

Montante porta mancorrente

in acciaio Fe510

4 barre rullate ϕ 20L=435 mm

in acciaio C45


Alessandro Greco

Giunto tra mancorrenti d=168,3 mm; s=11 mm

in acciaio Fe510+

2 Bulloni M24; L=200 mmin acciaio grade 10.9


CAMERA DI ESPANSIONEFORO d=100 mm, H=70 mm

MANTO STRADALE

FORO PER TASSELLO ANCORAGGIO

d=30 mm, H=190 mm

SOLETTA VIADOTTO

CORDOLO VIADOTTO

1,5 m 1,5 m1,5 m


Alessandro Greco

BARRIERA

CORDOLO

6 m

TASSELLO LIEBIG ULTRAPLUS M16

In acciaio grade 10.9

Piastra 60x80x8 mmin acciaio grade 10.9

DIFFERENZA TRA LE DUE TIPOLOGIE DI NEW JERSEY

CONFIGURAZIONE INDEFORMATA

CONFIGURAZIONE DOPO L’URTO


Alessandro Greco

Il tassello entra in tensione al tempo

t0 di inizio urto

Il tassello entra in tensione in

RITARDO rispetto al tempo t0 di

inizio urto

TIPOLOGIA “A”

TIPOLOGIA “B”

Tipo Irpinia

ASOLA IN ACCIAIO

Vano tasselli50x100x90mm

Foro carotatodi diametro

30 mm


Alessandro Greco

IL COMPORTAMENTO DEL NEW JERSEY DA BORDO PONTE

FUNZIONAMENTO A CERNIERA

TASSELLI DI ANCORAGGIO AL CORDOLO

MANCORRENTE ANTIRIBALTAMENTO

BARRE RULLATE

PIASTRE AL PIEDE


Alessandro Greco

ELEMENTI FINITI UTILIZZATI

• SOLID• BEAM• SHELL• ALGORITMI DI CONTATTO (contatto tra superfici)

Corpo del NJ

Cordolo del viadotto

Piastre bullonate al piede

Ancoraggio al cordolo

Barra rullata

Mancorrente antiribaltamento

IL MODELLO IN LS-DYNA


Alessandro Greco

Dettagli del modello: IL CORDOLO DEL VIADOTTO

E.F. SOLID

CAMERE DI ESPANSIONE PER I TASSELLI

FORO ϕ 100 mmL=70 mm

NODI DECENTRATI RISPETTO AL BARICENTRO DEL FORO E ALLINEATI CON IL TASSELLO DI ANCORAGGIO

Dettagli del modello: IL CORPO DEL NEW JERSEY


Alessandro Greco

E.F. SOLID

Testate “MASCHIO-FEMMINA”

Rastremazione per la piastra al piede

Dettagli del modello: ANCORAGGIO AL PIEDE DEL NEW JERSEY


Alessandro Greco

TIPOLOGIA “A”(con vano tasselli)

TIPOLOGIA “B”(senza vano tasselli)

“Tipo Irpinia”


Alessandro Greco

Dettagli del modello: IL TASSELLO DI ANCORAGGIO AL CORDOLO

TASSELLO ADELEMENTI BEAM

d=16 mmGambo tassello

d=30 mmCartuccia in testa

PIASTRA AD ELEMENTI SHELL

PARTEELASTICA

(dado tassello)

PARTE ELASTO-PLASTICA

NODI DEI BEAM BLOCCATI AI NODI DEI SOLID DEL CORDOLO

TASSELLO LIBERO NELLA CAMERA DI ESPANSIONE

del CORDOLO

ΔT = -90 °C(σ=0,2σy)

PER IL MODELLO A(con vano tasselli)

COPPIA SERRAGGIO

Dettagli del modello: LA BARRA RULLATA E LA PIASTRA AL PIEDE


Alessandro Greco

PIASTRA AD ELEMENTI SHELL s=10 mm

BARRA RULLATA ϕ=28 mmAD ELEMENTI BEAM

NODI BEAM BLOCCATI AI NODI SOLID DEL NJ

BULLONI M24; L=50 mmAD ELEMENTI BEAM

NODI BEAM BLOCCATI AI NODI SOLID DEL NJ

PARTEESAGONALE ELASTICA

(dado tassello)

PARTE ELASTO-PLASTICA


Alessandro Greco

Dettagli del modello: IL MANCORRENTE ANTI-RIBALTAMENTO

TUBOLARE ϕ 157,3 mm, sp. 8 mm AD ELEMENTI SHELL RETTANGOLARI

GIUNTO ϕ 168,3 mm, sp. 11 mm AD ELEMENTI SHELL RETTANGOLARI

BULLONI M24 ϕ, L=200 mmAD ELEMENTI BEAM SEZ. CORCOLARE

Ala: s=8 mmAnima: s=8 mm

Anello: s= 11 mmCostole: s=8 mm

Piastra: s=15 mm

4 BARRE RULLATEϕ=20 mm

AD ELEMENTI BEAM

MONTANTE AD ELEMENTI SHELLProfili a doppio T curvo

Superficie MASTER: mesh meno fitta o densità materiale più altaSuperficie SLAVE: mesh più fitta o densità materiale più alta

1. DEFINIZIONE DEI SEGMENTI DELLE SUPERFICI MASTER E SLAVE2. ASSEGNAZIONE DEL COEFFICIENTE DI ATTRITO μ

Contatti di LS-DYNA utilizzati:

1. AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE: SOLID-SOLID ; SOLID-SHELL2. AUTOMATIC_NODES_TO SURFACE: SOLID-BEAM

METODO DEI VINCOLI CINEMATICI: modellazione del contatto tra due superficie

ALGORITMI DI CONTATTO


Alessandro Greco

AUTOMATIC

CONTACT

Ls-Dyna

CLS-CLS

μ = 0,5

CLS-ACCIAIO

μ = 0,3

ACCIAIO-ACCIAIO

μ = 0,15

SURFCAE_TO

SURFACE

• CORDOLO

(slave)

BARRIERA

(master)

• TESTATA FEMMINA

(slave)

TESTATA MASCHIO

(master)

• PIASTRE AL PIEDE

(slave)

NEW JERSEY

(master)

• MONTANTE SUP.

(slave)

NEW JERSEY

(master)

• GIUNTO MANCORRENTE

(slave)

MANCORRENTE

(master)

• ANELLO MONTANTE

(slave)

MANCORRENTE

(master)

AUTOMATIC

NODES_TO_SURFACE

MODELLO IRPINIA

(CON FORO AL PIEDE)

• TASSELLO AL PIEDE

(slave)

FORO NEW JERSEY

(master)


(slave)

CAMERA ESPANS. CORD.

(master)

* MODELLO A

(CON VANO AL PIEDE)


(slave)

VANO TASSELLI NEW J.

(master)

* non avendo modellato l’asola si

è applicato un coefficiente di

attrito tipico tra due superfici in

acciaio

0

200

400

600

800

1000

1200

0 3 5 8 10 13 15 18 20 23 25 28

Te

nsi

on

e

σ[N

/m

m2

]

Deformazione ε [ %] Centinaia

COMPORTAMENTO DEI MATERIALI UTILIZZATI(Legame σ - ε)

GRADE 10.9

Fe 360

Fe 510

ACCIAIO C 45

ACCIAIO ELASTICO E=210000 Mpa

CLS elastico E=44000 Mpa

CLS ELASTICO E=36050 MpaBARRE RULLATE

PIASTRE AL PIEDE

MANCORRENTE

TASSELLI / BULLONI


Alessandro Greco

I MATERIALI

4 m

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

450000

500000

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80

Forz

a [

N]

Tempo [s]


Alessandro Greco

ϴ=20°Massa veicolo M = 38 ton

Velocità v = 65 km/h

Angolo di impatto θ = 20°

Energia E= ½ M (v*senϴ)2 = 724 KJ

Tempo d’urto 0,8 s

LA FORZA D’URTO

Impulso rettoImpulso semi-sinusoidale equivalente

β293 330 N

460 761 N


Alessandro Greco

1 2 3 4 5

FORZA D’URTO

18 m

1 2 3

FORZA D’URTO

TIPOLOGIA “A”(con vano tasselli)

TIPOLOGIA “B”(tipo Irpinia)

PIU’ RIGIDO

Stesa di 5 NEW JERSEY: tutte le connessioni integre Stesa di 3 NEW JERSEY: tutte le connessioni integre

MENO RIGIDO

LE ANALISI SVOLTE

30 m

Verifica Non

RotturaTIPO B

(Irpinia)

TIPO A (vano tas.)

1 MODULO DI NEW JERSEYCON TASSELLI

ROTTURA

ANALISI STATO DEGRADODELLE BARRIERE SULL’A16

RESISTENZA INSUFFICIENTE

ASSENZA/CORROSIONECONNESSIONI

RISULTATO della SIMULAZIONE

New Jersey con “vano tasselli”: 5 moduli con tutte le connessioni


Alessandro Greco



Alessandro Greco




Alessandro Greco


0

200

400

600

800

1000

1200

0 0.2 0.4 0.6 0.8

σ[N

/m

m2

]

Tempo [s]

TENSIONI DI VON MISES

TASSELLO A

TASSELLO B

TASSELLO C

TASSELLO D

Sigma snervamento

Sigma rottura

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0 0.2 0.4 0.6 0.8

ε

Tempo [s]

DEFORMAZIONI ASSIALI

TASSELLO A

TASSELLO B

TASSELLO C

TASSELLO D

Epsylon snervamento

A B C D

PLASTICIZZAZIONI NEI TASSELLI DEL NEW JERSEY CENTRALE

Limite di Snervamentoε =εy = 0,0044


Alessandro Greco

RISULTATO SIMULAZIONE


Barra rullataAcciaio C45

Piastre bullonate al piede dei New Jersey

Acciaio Fe 360

Von Mises

Von Mises

PLASTICIZZAZIONI NELLA BARRA RULLATA E NELLE PIASTRA AL PIEDE




Alessandro Greco

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Sp

ost

am

en

to d

ir. X

[m

m]

Tempo [s]

SPOSTAMENTI TRASVERSALI NEL TEMPO D’URTO

BASE LATO STRADA

TESTA LATO STRADA

TESTA LATO BORDO PONTE

BASE LATO BORDO PONTE

MANCORRENTE

D = 100 mm MASSIMA

DEFLESSIONE DINAMICA

t=0,3 sI TASSELLI ENTRANO

IN TENSIONE(punto di flesso curve)

SEZIONE MEZZERIA New jersey Centrale



Alessandro Greco

New Jersey tipo Irpinia: 3 moduli con tutte le connessioniAmp. = 10


Alessandro Greco


0

3

5

8

10

13

15

18

20

23

25

28

0.02 0.12 0.22 0.32 0.42 0.52 0.62 0.72 0.82

Sp

ost

am

en

to d

ir. x

[m

m]

Tempo [s]

SPOSTAMENTI TRASVERSALI NEL TEMPO D’URTO

BASE LATO STRADA

TESTA LATO STRADA

TESTA LATO BORDO PONTE

BASE LATO BORDO PONTE

MANCORRENTE

New Jersey tipo Irpinia: 3 moduli con tutte le connessioni


New Jersey tipo Irpinia: 3 moduli con tutte le connessioni


Alessandro Greco

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

ε

Tempo [s]

DEFORMAZIONE ASSIALE

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

σ[N

/m

m2]

Tempo [s]

TENSIONE DI VON MISES

Tassello ATassello BTassello CTassello Dε – σ snervamentoσ rottura = 1040 N/mm2

ε rottura = 0,09

A

DC

B

New Jersey tipo Irpinia: 1 modulo ancorato al cordolo con i tasselli



Alessandro Greco

STATO DI DEGRADO DELLE BARRIERE NEW JERSEY SULL’ A16


Alessandro Greco

Ipotesi dello stato di degrado

- Assenza piastre al piede in vari tratti

- Barre rullate completamente arrugginite e disconnesse

- Degrado del calcestruzzo

- Tasselli corrosi per via dei sali anti-ghiaccio utilizzati nel corso degli anni

New Jersey tipo Irpinia3 moduli: Tasselli corrosi al 20%, assenza piastre al piede, assenza barre rullate



Alessandro Greco

New Jersey tipo Irpinia3 moduli: Tasselli corrosi al 20%, assenza piastre al piede, assenza barre rullate



Alessandro Greco

DISCONTINUITA’ DELLA SUPERFICIE DEL NEW JERSEY: il veicolo non riesce a reindirizzarsi in carreggiatat = 0,6

CONCLUSIONI

Entrambi i modelli di barriera New Jersey da bordo ponte, in relazione ai differenti ancoraggi al cordolo del

viadotto, colgono il comportamento delle relative strutture reali e nessuno dei due a seguito dell’energia d’urto

pari a 724 KJ arriva a rottura;

la barriera posta sul viadotto di Acqualonga avrebbe potuto contenere il pullman il giorno dell’incidente in

quanto l’energia d’urto da questo impressa era pari a circa 700 KJ (considerando anche passeggeri e bagagli),

valore inferiore all’energia d’urto applicata nelle simulazioni e nei crash test full scale di omologazione. La

causa della rottura con buona probabilità è stata il degrado dei New Jersey posti sull’A16, così come risulta

dalla simulazione che ne ha tenuto conto;

il presente lavoro non ha le pretese di assumere la valenza di una perizia circa le cause dell’incidente in

quanto sono consapevole delle numerose approssimazioni fatte e il mio intento era diretto esclusivamente a

dimostrare la mia capacità di approcciarmi criticamente a problematiche inerenti ai fenomeni d’urto contro

barriere si sicurezza, nonché di essere in grado di sviluppare simulazioni ad elementi finiti;

seppur dalla mia modesta posizione di studente invito tutti i professionisti che si occupano di barriere di

sicurezza, in particolare i gestori, a rispettare ed applicare correttamente le normative inerenti alla

manutenzione dei dispositivi di ritenuta stradale, affinché incidenti di tale portata non si verifichino più.


Alessandro Greco

Simulazioni numeriche di urti su barriere di sicurezza new jersey poste a bordo ponte

Engineering

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