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
Simulazioni numeriche di urti su barriere di sicurezza new jersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
L’INCIDENTE DELL’IRPINIA DEL 2013
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LE BARRIERE DI SICUREZZA STRADALE
Schema dell’urto: 4 FASI
1
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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:
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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
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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
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Testate Maschio-Femmina
CARATTERISTICHE PROGETTUALI
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
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Giunto tra mancorrenti d=168,3 mm; s=11 mm
in acciaio Fe510+
2 Bulloni M24; L=200 mmin acciaio grade 10.9
CARATTERISTICHE PROGETTUALI
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
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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
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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
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IL COMPORTAMENTO DEL NEW JERSEY DA BORDO PONTE
FUNZIONAMENTO A CERNIERA
TASSELLI DI ANCORAGGIO AL CORDOLO
MANCORRENTE ANTIRIBALTAMENTO
BARRE RULLATE
PIASTRE AL PIEDE
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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
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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
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E.F. SOLID
Testate “MASCHIO-FEMMINA”
Rastremazione per la piastra al piede
Dettagli del modello: ANCORAGGIO AL PIEDE DEL NEW JERSEY
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TIPOLOGIA “A”(con vano tasselli)
TIPOLOGIA “B”(senza vano tasselli)
“Tipo Irpinia”
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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
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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
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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
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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)
• TASSELLO AL PIEDE
(slave)
CAMERA ESPANS. CORD.
(master)
* MODELLO A
(CON VANO AL PIEDE)
• TASSELLO 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
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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]
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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
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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
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RISULTATO della SIMULAZIONE
New Jersey con “vano tasselli”: 5 moduli con tutte le connessioni
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New Jersey con “vano tasselli”: 5 moduli con tutte le connessioni
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RISULTATO della SIMULAZIONE
New Jersey con “vano tasselli”: 5 moduli con tutte le connessioni
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RISULTATO della SIMULAZIONE
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
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RISULTATO SIMULAZIONE
New Jersey con “vano tasselli”: 5 moduli con tutte le connessioni
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
RISULTATO SIMULAZIONE
New Jersey con “vano tasselli”: 5 moduli con tutte le connessioni
Simulazioni numeriche di urti su barriere di sicurezza new jersey poste a bordo ponte
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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
RISULTATO SIMULAZIONE
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New Jersey tipo Irpinia: 3 moduli con tutte le connessioniAmp. = 10
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RISULTATO SIMULAZIONE
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
RISULTATO SIMULAZIONE
New Jersey tipo Irpinia: 3 moduli con tutte le connessioni
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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
RISULTATO della SIMULAZIONE
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STATO DI DEGRADO DELLE BARRIERE NEW JERSEY SULL’ A16
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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
RISULTATO della SIMULAZIONE
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New Jersey tipo Irpinia3 moduli: Tasselli corrosi al 20%, assenza piastre al piede, assenza barre rullate
RISULTATO della SIMULAZIONE
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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.
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