Tesi di Laurea Alessandro Greco: presentazione

1. FACOLTA’ DI INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE
TESI DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA CIVILE
(Strutture)
Relatore: Candidato:
Prof. Ing. Franco Bontempi Alessandro Greco
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza new jersey
poste a bordo ponte

2. L’INCIDENTE DELL’IRPINIA DEL 2013
➢ 28 Luglio 2013 ore 20:30
➢ Viadotto di “Acqualonga” – A16 Napoli - Canosa
➢ Pullman Gran Turismo con a bordo 49 persone precipita dal viadotto
➢ 40 MORTI
Alessandro Greco 2

3. Alessandro Greco
L’INCIDENTE DELL’IRPINIA DEL 2013
3

4. Alessandro Greco
L’INCIDENTE DELL’IRPINIA DEL 2013
4

5. Alessandro Greco
Cordolo viadotto
CARATTERISTICHE COMUNI:
Materiale: Calcestruzzo leggero (1800 kg/m3)
Collocazione: Bordo ponte
Livello di contenimento: 724 KJ
DIFFERENZE:
Ancoraggio al cordolo del viadotto
2
Barriere
New Jersey
TIPOLOGIA “B”
Più rigida
TIPOLOGIA “A”
Meno rigida
Primi anni ’90
“tipo IRPINIA”
Fine anni ‘90
Progettata da
Autostrade S.p.a.
SIMULAZIONE DI URTO SU DUE DIFFERENTI TIPOLOGIE DI BARRIERA
Barriera
5
Si ringrazia ABESCA

6. Alessandro Greco
Schema dell’urto: 4 FASI
1
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 verticale
az
Decelerazione trasversale
ax-y
LE BARRIERE DI SICUREZZA STRADALE
6

7. Alessandro Greco
FUNZIONAMENTO A CERNIERA
TASSELLI DI ANCORAGGIO
AL CORDOLO
MANCORRENTE
ANTIRIBALTAMENTO
BARRE
RULLATE
PIASTRE
AL PIEDE
IL COMPORTAMENTO DEL NEW JERSEY DA BORDO PONTE
7

8. Alessandro Greco
CLASSE T1:
CLASSE T2:
CLASSE T3:
CLASSE N1:
CLASSE N2:
CLASSE H1:
CLASSE H2:
CLASSE H3:
CLASSE H4 a:
CLASSE H4 b:
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 ton
VELOCITA’ 65 km/h
ANGOLO DI IMPATTO 20°
ENERGIA D’URTO 724 KJ
θ
Indici di controllo nei CRASH TEST
Livello di severità
dell'urto
Valori
indici
A ASI ≤ 1
THIV ≤ 33 km/h
PHD ≤ 20 g
B 1 < ASI ≤ 1,4
C 1,4 < ASI ≤ 1,9
Classe larghezza
operativa W
Livelli di larghezza operativa
(m)
W1 W ≤ 0,6
W2 W ≤ 0,8
W3 W ≤ 1,0
W4 W ≤ 1,3
W5 W ≤ 1,7
W6 W ≤ 2,1
W7 W ≤ 2,3
W8 W ≤ 2,5
NORMATIVA IN MATERIA DI BARRIERE DI SICUREZZA STRADALE
8

9. Alessandro Greco
CARATTERISTICHE PROGETTUALI
6 m
Barra rullata ϕ 28
in acciaio C45
Manicotto a doppia filettatura
Piastre bullonate al piede in
acciaio Fe 360
Testate
Maschio-Femmina
CARATTERISTICHE TECNICHE: connessioni tra moduli
9

10. Alessandro Greco
Mancorrente tubolare
antiribaltamento
d=157,3 mm; s=8 mm
in acciaio Fe510
Montante porta
mancorrente
in acciaio Fe510
4 barre rullate ϕ 20
L=435 mm
in acciaio C45
Giunto tra mancorrenti
d=168,3 mm; s=11 mm
in acciaio Fe510
+
2 Bulloni M24; L=200 mm
in acciaio grade 10.9
CARATTERISTICHE TECNICHE: connessioni tra moduli
10

11. Alessandro Greco
CAMERA DI ESPANSIONE
FORO d=100 mm, H=70 mm
MANTO
STRADALE
FORO PER TASSELLO
ANCORAGGIO
d=30 mm, H=190 mm
SOLETTA
VIADOTTOCORDOLO
VIADOTTO
1,5 m 1,5 m1,5 m
BARRIERA
CORDOLO
VIADOTTO
6 m
TASSELLO
LIEBIG ULTRAPLUS M16
(acciaio grade 10.9)
Piastra 60x80x8 mm
(acciaio grade 10.9)
CARATETRISTICHE TECNICHE: ancoraggio al cordolo
11

12. Alessandro Greco
CONFIGURAZIONE
INDEFORMATA
CONFIGURAZIONE
DOPO L’URTO
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 tasselli
50x100x90mm
Foro carotato
di diametro
30 mm
DIFFRENZA DI ANCORAGGIO AL CORDOLO TRA LE DUE BARRIERE
12

13. 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
LS-DYNA
Giunto tra tubolari
contigui
IL MODELLO
13

14. Alessandro Greco
Testate
“MASCHIO-FEMMINA”
Rastremazione
per la piastra al piede
DETTAGLI DEL MODELLO: il corpo del New Jersey
E.F. SOLID
14

15. Alessandro Greco
PIASTRA AD
ELEMENTI SHELL s=10 mm
BARRA RULLATA ϕ=28 mm
AD ELEMENTI BEAM
NODI BEAM BLOCCATI AI NODI
SOLID DEL NJ
BULLONI M24; L=50 mm
AD ELEMENTI BEAM
NODI BEAM BLOCCATI AI
NODI SOLID DEL NJ
PARTE
ESAGONALE ELASTICA
(dado tassello)
PARTE
ELASTO-PLASTICA
DETTAGLI DEL MODELLO: barre rullate e piastre al piede
15

16. Alessandro Greco
E.F. SOLID
CAMERE DI ESPANSIONE
PER I TASSELLI
FORO ϕ 100 mm
L=70 mm
NODI DECENTRATI RISPETTO AL BARICENTRO DEL FORO
E ALLINEATI CON IL TASSELLO DI ANCORAGGIO
DETTAGLI DEL MODELLO: il cordolo del viadotto
16

17. Alessandro Greco
TASSELLO AD
ELEMENTI BEAM
d=16 mm
Gambo tassello
d=30 mm
Cartuccia in testa
PIASTRA AD
ELEMENTI SHELL
PARTE
ELASTICA
(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: il tassello di ancoraggio al cordolo
17

18. Alessandro Greco
TIPOLOGIA “A”
(con vano tasselli)
TIPOLOGIA “B”
(senza vano tasselli)
“Tipo Irpinia”
18
DETTAGLI DEL MODELLO: ancoraggio al piede del New Jersey

19. Alessandro Greco
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 mm
AD ELEMENTI BEAM SEZ. CORCOLARE
Ala: s=8 mm
Anima: s=8 mm
Anello: s=11 mm
Costole: s=8 mm
Piastra: s=15 mm
4 BARRE RULLATE
ϕ=20 mm
AD ELEMENTI BEAM
MONTANTE AD ELEMENTI SHELL
Profili a doppio T curvo
DETTAGLI DEL MODELLO: il mancorrente anti - ribaltamento
19

20. Alessandro Greco
Definizione di:
➢ Superficie MASTER: mesh meno fitta o densità materiale più alta
➢ Superficie SLAVE: mesh più fitta o densità materiale più alta
Assegnazione di:
➢ COEFFICIENTE DI ATTRITO μ
Contatti di LS-DYNA utilizzati:
➢ AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE: solid-solid ; solid-shell
➢ AUTOMATIC_NODES_TO SURFACE: solid-beam
METODO DEI VINCOLI CINEMATICI: modellazione del contatto tra due superficieAUTOMATIC
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)
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
ALGORITMI DI CONTATTO
20

21. Alessandro Greco
0
200
400
600
800
1000
1200
0 3 5 8 10 13 15 18 20 23 25 28
Tensioneσ[N/mm2]
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 Mpa
BARRE RULLATE
PIASTRE AL PIEDE
MANCORRENTE
TASSELLI /
BULLONI
I MATERIALI
21

22. Alessandro Greco
4 m
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
400000
450000
500000
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80
Forza[N]
Tempo [s]
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 turto = Δt = 0,8 s
Impulso retto
Impulso semi-sinusoidale equivalente
β
LA FORZA D’URTO
22
𝐼𝑟𝑒𝑡𝑡𝑜 = 𝑀 · 𝛥𝑣 𝑜𝑟 = 𝐹 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 · 𝛥𝑡
𝑭 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 =
𝑀 · 𝛥𝑣 𝑜𝑟
𝛥𝑡
= 𝟐𝟗𝟑. 𝟑𝟑𝟎 𝑵 = 𝑓𝑜𝑟𝑧𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎
𝐼𝑟𝑒𝑡𝑡𝑜 = 𝐼𝑠𝑒𝑚𝑖−𝑠𝑖𝑛𝑢𝑠𝑜𝑜𝑑𝑎𝑙𝑒 = න
0
𝑇
2
𝛽 · 𝑠𝑒𝑛 𝜔 · 𝑡 = න
0
𝑡 𝑢𝑟𝑡𝑜
𝛽 · 𝑠𝑒𝑛 𝜔 · 𝑡
𝑇 = 2 · 𝑡 𝑢𝑟𝑡𝑜 = 1,6 𝑠 = 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑛𝑢𝑠𝑜𝑖𝑑𝑒
𝜔 =
2𝜋
𝑇
= 3,9 𝑠−1
𝜷 =
𝐹𝑜𝑟 · 𝑡 𝑢𝑟𝑡𝑜 · 𝜔
1 − cos(𝜔 · 𝑡 𝑢𝑟𝑡𝑜)
= 𝟒𝟕𝟎. 𝟕𝟔𝟏 𝑵 = 𝑎𝑚𝑝𝑖𝑒𝑧𝑧𝑎 𝑠𝑖𝑛𝑢𝑠𝑜𝑖𝑑𝑒
Fmedia

23. Alessandro Greco
1 2 3 4 5
FORZA D’URTO
18 m
1 2 3
FORZA D’URTO
BARRIERA TIPOLOGIA “A”
(con vano tasselli)
MENO RIGIDA
BARRIERA TIPOLOGIA “B”
(tipo Irpinia)
PIU’ RIGIDA
Stesa di 5 NEW JERSEY: tutte le connessioni integre Stesa di 3 NEW JERSEY: tutte le connessioni integre
30 m
Verifica
Non
Rottura
TIPO B
(Irpinia)
TIPO A
(vano tas.)
1 MODULO DI NEW JERSEY
CON TASSELLI
ROTTURA
ANALISI STATO DEGRADO
DELLE BARRIERE SULL’A16
RESISTENZA
INSUFFICIENTE
ASSENZA/
CORROSIONE
CONNESSIONI
LE ANALISI SVOLTE
23

24. Alessandro Greco
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey con vano tasselli
5 moduli con tutte le connessioni
24

25. Alessandro Greco
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey con vano tasselli
5 moduli con tutte le connessioni
25

26. Alessandro Greco
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey con vano tasselli
5 moduli con tutte le connessioni
26

27. Alessandro Greco
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0,2 0,4 0,6 0,8
σ[N/mm2]
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
Limite di Snervamento
ε =εy = 0,0044
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey con vano tasselli
5 moduli con tutte le connessioni
27

28. Alessandro Greco
Barra rullata
Acciaio C45
Piastre bullonate al
piede dei New Jersey
Acciaio Fe 360
Von Mises
Von Mises
PLASTICIZZAZIONI NELLA BARRA RULLATA E
NELLE PIASTRA AL PIEDE
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey con vano tasselli
5 moduli con tutte le connessioni
28

29. 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
Spostamentodir.X[mm]
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 s
I TASSELLI ENTRANO
IN TENSIONE
(punto di flesso curve)
SEZIONE MEZZERIA
New jersey Centrale
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey tipo IRPINIA
5 moduli con tutte le connessioni
29

30. Alessandro Greco
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey tipo IRPINIA
3 moduli con tutte le connessioni
Amp. = 10
30

31. Alessandro Greco
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey tipo IRPINIA
3 moduli con tutte le connessioni
Amp. = 5
31

32. 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
Spostamentodir.x[mm]
Tempo [s]
SPOSTAMENTI TRASVERSALI NEL TEMPO D’URTO
BASE LATO STRADA
TESTA LATO STRADA
TESTA LATO BORDO PONTE
BASE LATO BORDO PONTE
MANCORRENTE
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey tipo Irpinia
3 moduli con tutte le connessioni
32

33. 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
TASSELLO A
TASSELLO B
TASSELLO C
TASSELLO D
Espsylon snervamento
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/mm2]
Tempo [s]
TENSIONE DI VON MISES
TASSELLO A
TASSELLO B
TASSELLO C
TASSELLO D
Sigma snervamento
Sigma rottura
A B C D
Limite di Snervamento
ε =εy = 0,0044
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey tipo IRPINIA
3 moduli con tutte le connessioni
PLASTICIZZAZIONI NEI TASSELLI
33

34. Alessandro Greco
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey tipo IRPINIA
1 modulo ancorato al cordolo con i tasselli
34

35. Alessandro Greco
Ipotesi dello stato di degrado
➢ Assenza piastre al piede in vari tratti
➢ Barre rullate completamente arrugginite e
disconnesse
➢ Tasselli corrosi a causa dei sali anti-ghiaccio
utilizzati nel corso degli anni
➢ Degrado del calcestruzzo
STATO DEL DEGRADO DELLA BARRIERE SULL’ A16 Napoli - Canosa
35

36. Alessandro Greco
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey tipo IRPINIA
3 moduli con connessioni parziali
36

37. DISARTICOLAZIONE TESTATE MASCHIO-FEMMINA
(la barriera non riesce a reindirizzare il veicolo in carreggiata)t = 0,6 s
RISULTATI DELLA SIMILAZIONE
New Jersey tipo IRPINIA
3 moduli con connessioni parziali
37Alessandro Greco

38. Alessandro Greco 38