In questa tesi di laurea magistrale sono considerati i sistemi di ritenuta stradale costituiti da elementi prefabbricati in calcestruzzo armato, indicati comunemente come New Jersey.
Al contrario di quanto possa essere semplicisticamente supposto, questi sistemi di ritenuta, in funzione delle loro connessioni in direzione longitudinale fra i diversi moduli e in verticale fra i singoli moduli e il piano di appoggio, possono sviluppare comportamenti prestazionali altamente differenziati, in particolare per quanto riguarda la capacità di dissipare l’energia dovuta all’urto di veicoli. Il loro progetto e verifica prestazionale, oltre a necessarie prove sperimentali, può utilmente sfruttare le capacità di simulazione numerica proprie della meccanica computazionale.
Nello specifico, questo contributo vuole evidenziare:
a) l’importanza della concezione strutturale di questi sistemi di ritenuta sottolineandone i meccanismi elementari e il loro accoppiamento;
b) confrontare due diverse tipologie di connessioni, una sviluppata agli inizi degli Anni ’90 (TIPOLOGIA B), una successiva di uso corrente (TIPOLOGIA A);
c) valutare l’importanza del degrado per corrosione delle connessioni fra moduli sulle capacità prestazionali dell’intero sistema di ritenuta;
d) sottolineare l’utilità e l’importanza di simulazioni numeriche che permettano di prevedere il comportamento complessivo del sistema di ritenuta, ovvero di risalire alle cause di malfunzionamento dello stesso in un evento incidentale nei procedimenti di ingegneria forense.
Proprio quest’ultima considerazione risulta, purtroppo, di attualità a seguito di recenti eventi che hanno funestato il traffico, primo fra tutti quello del luglio del 2013 sull’autostrada A16 Napoli-Canosa che ha visto un pullman precipitare dal viadotto di Acqualonga all’altezza di Monteforte Irpinio (AV), causando la morte di 40 persone.
Giornata tecnica da Acque del Chiampo, 27 marzo 2024 | MAZZOLA Rosario
Simulazioni numeriche di urti su barriere di sicurezza new jersey poste a bordo ponte
1. FACOLTA’ DIINGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE
TESI DILAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA CIVILE
(Strutture)
Relatore: Candidato:
Prof. Ing. Franco Bontempi Alessandro Greco
Correlatore
Ing. Alessandra Lo Cane
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey
poste a bordo ponte
2. 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 newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
3. L’INCIDENTE DELL’IRPINIA DEL 2013
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
4. L’INCIDENTE DELL’IRPINIA DEL 2013
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
5. LE BARRIERE DISICUREZZA STRADALE
Schema dell’urto: 4 FASI
1
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
SICUREZZA STRADALE PASSIVA
•airbag
•cinture di sicurezza
•barriere di sicurezza stradale
3
4
2
FUNZIONI
•contenimento decelerazione veicolo
•non ribaltamento veicolo
•reindirizzamentoin 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
6. CLASSE T1:
CLASSE T2:
CLASSE T3:
CLASSE N1:
CLASSE N2:
CLASSE H1:
CLASSE H2:
CLASSE H3:
CLASSE H4 a:
CLASSE H4 b:
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
NORMATIVA IN MATERIA DIDISPOSITIVI DIRITENUTA 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 ton
VELOCITA’ 65 km/h
ANGOLO DIIMPATTO 20°
ENERGIA D’URTO724 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
7. ANALISI COMPARATIVA DIDUE BARRIERE NEW JERSEY
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
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
2
Barriere
New Jersey
Fine anni ‘90
Progettata da
Autostrade S.p.a.
primi anni ‘90
“tipo IRPINIA”
TIPOLOGIA “A”
Meno rigida
Barriera
Cordolo viadotto
8. CARATTERISTICHE PROGETTUALI
6 m
Barra rullata ϕ28
in acciaio C45
Manicotto a doppia filettatura
Piastre bullonate al piede in acciaio Fe 360
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
Testate
Maschio-Femmina
9. CARATTERISTICHE PROGETTUALI
Mancorrente tubolare antiribaltamento
d=157,3 mm; s=8 mm
in acciaio Fe510
Montante porta mancorrente
in acciaio Fe510
4 barre rullate ϕ20
L=435 mm
in acciaio C45
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
Giunto tra mancorrenti
d=168,3 mm; s=11 mm
in acciaio Fe510
+
2 Bulloni M24; L=200 mm
in acciaio grade10.9
10. CARATTERISTICHE PROGETTUALI
CAMERA DIESPANSIONE
FORO 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 m
1,5 m
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
BARRIERA
CORDOLO
6 m
TASSELLO
LIEBIG ULTRAPLUS M16
In acciaio grade10.9
Piastra 60x80x8 mm
in acciaio grade10.9
11. DIFFERENZA TRA LE DUE TIPOLOGIE DINEW JERSEY
CONFIGURAZIONE
INDEFORMATA
CONFIGURAZIONE
DOPO L’URTO
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
Il tassello entra in tensione al tempo t0di inizio urto
Il tassello entra in tensione in RITARDOrispetto al tempo t0di inizio urto
TIPOLOGIA “A”
TIPOLOGIA “B”
Tipo Irpinia
ASOLA IN ACCIAIO
Vano tasselli
50x100x90mm
Foro carotato
di diametro
30 mm
12. Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
IL COMPORTAMENTO DEL NEW JERSEY DA BORDO PONTE
FUNZIONAMENTO A CERNIERA
TASSELLI DIANCORAGGIO AL CORDOLO
MANCORRENTE ANTIRIBALTAMENTO
BARRE
RULLATE
PIASTRE
AL PIEDE
13. Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
ELEMENTI FINITI UTILIZZATI
•SOLID
•BEAM
•SHELL
•ALGORITMI DICONTATTO (contattotra superfici)
Corpo del NJ
Cordolo del viadotto
Piastre bullonate al piede
Ancoraggio al cordolo
Barra rullata
Mancorrente antiribaltamento
IL MODELLO IN LS-DYNA
14. Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
Dettagli del modello: IL CORDOLO DEL VIADOTTO
E.F.SOLID
CAMERE DIESPANSIONE
PER I TASSELLI
FORO ϕ100 mm
L=70 mm
NODI DECENTRATI RISPETTO AL BARICENTRO DEL FORO
E ALLINEATI CON IL TASSELLO DIANCORAGGIO
15. Dettagli del modello: IL CORPO DEL NEW JERSEY
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
E.F.SOLID
Testate
“MASCHIO-FEMMINA”
Rastremazione
per la piastra al piede
16. Dettagli del modello: ANCORAGGIO AL PIEDE DEL NEW JERSEY
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
TIPOLOGIA“A”
(con vano tasselli)
TIPOLOGIA“B”
(senza vano tasselli)
“Tipo Irpinia”
17. Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
Dettagli del modello: IL TASSELLO DIANCORAGGIO AL CORDOLO
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 DIESPANSIONE
del CORDOLO
ΔT = -90 °C
(σ=0,2σy)
PER IL MODELLO A
(con vano tasselli)
COPPIA SERRAGGIO
18. Dettagli del modello: LA BARRA RULLATA E LA PIASTRA AL PIEDE
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
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
19. Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
Dettagli del modello: IL MANCORRENTE ANTI-RIBALTAMENTO
TUBOLARE ϕ157,3 mm, sp. 8 mm
AD ELEMENTI SHELL RETTANGOLARI
GIUNTO ϕ168,3 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
20. Superficie MASTER: meshmeno fitta o densità materiale più alta
Superficie SLAVE: meshpiù fitta o densità materiale più alta
1.DEFINIZIONE DEI SEGMENTI DELLE SUPERFICI MASTER E SLAVE
2.ASSEGNAZIONE DEL COEFFICIENTE DIATTRITO μ
Contatti di LS-DYNA utilizzati:
1.AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE: SOLID-SOLID ; SOLID-SHELL
2.AUTOMATIC_NODES_TO SURFACE: SOLID-BEAM
METODO DEI VINCOLI CINEMATICI: modellazione del contatto tra due superficie
ALGORITMI DICONTATTO
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
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)
•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 diattrito tipico tra due superfici in acciaio
21. 0
200
400
600
800
1000
1200
0
3
5
8
10
13
15
18
20
23
25
28
Tensione σ[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
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
I MATERIALI
22. 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]
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
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 retto
Impulso semi-sinusoidale equivalente
β
293 330 N
460 761 N
23. Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
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 5NEW JERSEY: tutte le connessioni integre
Stesa di3 NEW JERSEY: tutte le connessioni integre
MENO RIGIDO
LE ANALISI SVOLTE
30 m
Verifica Non Rottura
TIPO B (Irpinia)
TIPO A (vano tas.)
1 MODULO DINEW JERSEY
CON TASSELLI
ROTTURA
ANALISI STATO DEGRADODELLE BARRIERE SULL’A16
RESISTENZA INSUFFICIENTE
ASSENZA/
CORROSIONE
CONNESSIONI
24. RISULTATO della SIMULAZIONE
New Jersey con “vano tasselli”: 5 moduli con tutte le connessioni
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
25. RISULTATO della SIMULAZIONE
New Jersey con “vano tasselli”: 5 moduli con tutte le connessioni
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
26. New Jersey con “vano tasselli”: 5 moduli con tutte le connessioni
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
RISULTATO della SIMULAZIONE
27. New Jersey con “vano tasselli”: 5 moduli con tutte le connessioni
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
RISULTATO della SIMULAZIONE
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
DEL NEW JERSEY CENTRALE
Limite di Snervamento
ε=εy= 0,0044
28. Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
RISULTATO SIMULAZIONE
New Jersey con “vano tasselli”: 5 moduli con tutte le connessioni
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
29. RISULTATO SIMULAZIONE
New Jersey con “vano tasselli”: 5 moduli con tutte le connessioni
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
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
Spostamento dir. 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
30. RISULTATO SIMULAZIONE
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
New Jersey tipo Irpinia: 3 moduli con tutte le connessioni
Amp. = 10
31. Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
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
Spostamento dir. 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
New Jersey tipo Irpinia: 3moduli con tutte le connessioni
32. RISULTATO SIMULAZIONE
New Jersey tipo Irpinia: 3 moduli con tutte le connessioni
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
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/mm2]
Tempo [s]
TENSIONE DIVON MISES
Tassello A
Tassello B
Tassello C
Tassello D
ε–σsnervamento
σrottura = 1040 N/mm2
εrottura = 0,09
A
D
C
B
33. New Jersey tipo Irpinia: 1 modulo ancorato al cordolo con i tasselli
RISULTATO della SIMULAZIONE
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
34. STATO DIDEGRADO DELLE BARRIERE NEW JERSEY SULL’ A16
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
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
35. New Jersey tipo Irpinia
3 moduli:Tasselli corrosi al 20%, assenza piastre al piede, assenza barre rullate
RISULTATO della SIMULAZIONE
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
36. New Jersey tipo Irpinia
3 moduli:Tasselli corrosi al 20%, assenza piastre al piede, assenza barre rullate
RISULTATO della SIMULAZIONE
Simulazioni numeriche di urti
su barriere di sicurezza newjersey poste a bordo ponte
Alessandro Greco
DISCONTINUITA’ DELLA SUPERFICIE DEL NEW JERSEY:
il veicolo non riesce a reindirizzarsi in carreggiata
t = 0,6