Diseño, desarrollo, validación

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Sesión: II.- DISEÑO DE VÍAS PARA UNA MOVILIDAD MÁS SEGURA
3. Diseño de infraestructuras más seguras
Diseño, desarrollo y validación de una barrera de hormigón in situ, sostenible y de altas
prestaciones
Autor/Autores
Eloi Boix, René Molina, Xavier Latorre: Applus+ IDIADA. L’Albornar – PO Box 20, E-43710,
Santa Oliva, Tarragona, Spain (eboix@idiada.com, xlatorre@idiada.com,
rmolina@idiada.com)
Eva Campmol, Carolina Rios, Christian Cortés: Servià Cantó S.A. C/ Bonastruc de Porta, 20-
2ª, E-17001, Girona, Spain (ECampmolAy@fcc.es, ccortesfu@fcc.es)
Ginés Antolino: GIVASA S.A. Polígon Industrial El Barcelonès, C/ Can Noguera, 13, E-
08630, Abrera, Barcelona, Spain (ginesantolino@givasa.com)
María Elena Hidalgo: EIFFAGE Infraestructuras. Pol. Industrial Carretera de la Isla, Parcela
E-L.3, Ctra. El Copero – Esq. c/ Río Viejo, E-41703, Dos Hermanas, Sevilla, Spain
(mehidalgo@infraestructuras.eiffage.es)

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1 Resumen
Las barreras de hormigón ofrecen ventajas significativas respecto a otros sistemas de
contención de carretera, como una fácil instalación, la posibilidad de ser construidos in situ
evitando altos costes de transporte, uso de materiales reciclados o la delimitación de los
carriles de circulación. Sin embargo, las estadísticas muestran que las consecuencias en
caso de colisión contra barrera rígida de hormigón son frecuentemente severas para los
ocupantes del vehículo.
El proyecto BAHORIS aspira a resolver las diferencias técnicas identificadas entre las
barreras de hormigón actuales y el resto mediante el uso de una barrera universal que
ofrezca una elevada protección para todos los usuarios de las carreteras, bajos costes de
producción e instalación y sostenibilidad medioambiental, tanto en su manufactura como en
su composición. Para ello, se implementaron simulaciones de impactos de vehículos contra
barreras de hormigón con el fin de determinar a priori la estructura más apropiada para su
construcción. Paralelamente, se llevó a cabo un estudio de materiales para definir las
características mecánicas y un proceso de construcción sostenible de la barrera. En la
última etapa se validó el modelo desarrollado mediante ensayos de choque definidos en el
protocolo de evaluación del producto.
Este artículo presenta la adaptación del software que normalmente se utiliza en los cálculos
de choque de vehículos para aplicarlo al estudio de impactos de vehículos contra barreras
de hormigón. El objetivo es diseñar y desarrollar una barrera innovadora en un horizonte
temporal reducido y con un coste menor que el invertido mediante los métodos de diseño
tradicionales.
Después del proceso de adaptación de la barrera y del vehículo, las aceleraciones están en
el mismo rango y la dinámica del impacto es la misma que la mostrada en los ensayos
reales, por lo que se puede concluir que se ha desarrollado un sistema de simulación fiable.

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2 Introducción
Las simulaciones de colisiones de vehículos contra barreras deformables se llevan a cabo
con el objetivo de diseñar una estructura del vehículo resistente a impactos. El uso de este
tipo de tecnología y procedimiento de análisis para estudiar los impactos de los vehículos
contra las barreras instaladas en las carreteras se muestra como un reto innovador y
presenta nuevos desafíos en el diseño de las propias barreras.
En la simulación de un vehículo que impacta contra un sistema de retención de vehículos,
se deben caracterizar de una forma precisa los elementos y los materiales de la barrera
tales como las fibras adheridas al hormigón o el anclaje con el suelo, modelar la fractura y
definir parámetros como la fricción entre los elementos que impactan con la barrera.
Por otro lado, así como la duración de los choques simulados en el mundo de la automoción
es del orden de los milisegundos, los choques contra los sistemas de retención de la
carretera pueden tomar varios segundos, con lo que es necesaria una nueva configuración
de los cálculos con escalas de tiempo mayores para optimizar los recursos del procesador.
Además del trabajo virtual, también es necesaria la realización de ensayos reales con el fin
de comprobar la exactitud de los resultados y correlacionar así las simulaciones definidas.
3 Metodología para la simulación de sistemas de retención de
carreteras de hormigón fabricados in situ
Para que se pueda instalar en una carretera europea, una barrera debe ser sometida con
éxito a dos ensayos de impacto de vehículo completo1, 2
. En el primero, se verifica si la
barrera retiene al vehículo chocado mientras que, en el segundo, se comprueba que los
ocupantes no sufran lesiones graves a causa de la colisión. En ambas pruebas se lanza un
vehículo contra la barrera con el mismo ángulo de impacto, las condiciones que varían son
la masa del vehículo (vehículo más pesado en el primer ensayo que en el segundo) y la
velocidad de impacto.
En el caso concreto de colisiones contra barreras de hormigón, el ensayo del vehículo ligero
(900 kg) es el más crítico ya que el impacto es muy agresivo para los ocupantes del coche
debido a la gran diferencia entre las masas del vehículo y de la barrera y a que la barrera no
disipa la energía del impacto.

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El parámetro principal que se analiza en los ensayos de impacto de vehículo contra
sistemas de contención de la carretera es el índice de la severidad de la aceleración (ASI,
Acceleration Severity Index), que muestra cuáles serían las consecuencias (graves o leves)
del impacto en los ocupantes del vehículo.
En cuanto a los procedimientos más comunes en el campo de la simulación de impactos de
vehículos, el método de los elementos finitos (FEM) es el más extendido gracias a la
multitud de posibilidades que ofrece en diferentes áreas de la ingeniería.
Para llevar a cabo las simulaciones de impacto contra sistemas de contención de carretera,
LS-Dyna fue el software elegido porque se trata de una herramienta de propósito general
ampliamente utilizada en la industria de automoción para el diseño y desarrollo de proyectos
que impliquen la mejora y seguridad de los ocupantes de los vehículos. Por otra parte, en la
industria aeroespacial se utiliza este mismo software en el estudio de materiales y la
prevención de errores estructurales en nuevos diseños.
Para la caracterización de los ensayos tanto de simulación como reales, se desarrolló un
protocolo de trabajo. Se dividió en tres etapas principales: la primera consistió en definir la
barrera a ensayar; después, se seleccionaron y modelaron los vehículos a ensayar y, por
último, se establecieron las condiciones límite del impacto.
3.1 Definición de las características de la barrera
Cuando se produce un accidente de tráfico y el vehículo implicado colisiona contra una
barrera de hormigón construida in situ, ésta no experimenta ningún tipo de desplazamiento o
deformación3
. Aun así, el sistema de contención no se puede considerar como una pared no
deformable, ya que la simulación también debería mostrar cómo y donde aparecen las
grietas o la rotura de la barrera en caso de producirse.
3.1.1 Curva fuerza-deformación del material
Para monitorizar el comportamiento del material de la barrera, se definió una curva de
fuerza-deformación del material. El hormigón normalmente no tiene asociados datos fiables
de cuál es su comportamiento en condiciones dinámicas debido a su naturaleza
heterogénea. Para trazar esta curva de fuerza-deformación, se llevaron a cabo una serie de
ensayos de componentes.

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El objetivo de estos ensayos era simular un choque de un vehículo contra una barrera pero
en un escenario reducido y simple, con el fin de hacer el procedimiento repetible. Consiste
en lanzar una estructura de impacto guiada (carro) contra una sección de barrera de
hormigón de 4 metros de longitud. En la zona frontal del carro se instaló el elemento de
impacto, un saliente angular con el objetivo de concentrar la energía del impacto en una
zona reducida.
Se fijaron varias velocidades de impacto mediante la simulación con el objetivo de definir el
punto de rotura del material y se llevaron a cabo varios lanzamientos donde se registró la
aceleración y el desplazamiento de la barrera en el entorno del punto de impacto. Se
correlacionaron los valores de la simulación y los de los ensayos de componentes reales
para, finalmente, definir una curva de fuerza-deformación del material.
La estructura de elementos finitos del modelo de la barrera consiste en bloques de cuerpos
sólidos resultantes de la extrusión del perfil de la barrera. Gracias a la curva definida en los
ensayos de componentes, la barrera puede experimentar deformaciones y/o roturas en los
ensayos de simulación.
3.2 Selección de los vehículos
Para poder simular los ensayos con todos los tipos de vehículos, es necesario reproducir
cada modelo en el software seleccionado. Con el mismo criterio que en el proceso de
selección del software, se tomaron como base modelos del National Crash Analysis Center
(NCAC) y se adaptaron a las características particulares de cada modelo de ensayo de tal
manera que la dinámica del vehículo tuviera una buena correlación entre la simulación y el
ensayo real.
Los vehículos a reproducir son los siguientes:
 Turismo de 900 kg
 Turismo de 1300 kg
 Turismo de 1500 kg
 Camión rígido de 10.000 kg
 Camión rígido de 16.000 kg

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 Autocar
 Camión rígido de 30.000 kg
 Camión articulado
3.2.1 Turismo de 900 Kg
Las principales modificaciones se llevaron a cabo en la estructura del vehículo. Por un lado,
las ruedas originales fueron reemplazadas por otras de mayor diámetro; los frenos, el buje y
la suspensión también se cambiaron. Por otro lado, el comportamiento de la rueda delantera
izquierda en la simulación no correspondía con la realidad en el momento del impacto contra
la barrera, con lo que se aplicaron medidas como bloquear la dirección de la rueda o
provocar el reventón del neumático después del impacto.
Se rigidizaron y endurecieron diferentes piezas de la estructura del coche, se definió un
nuevo subchasis. Como complemento, el área de unión al buje del trapecio también se
rigidizó y se le aplicó un límite elástico similar al del nuevo subchasis.
3.2.2 Turismos de 1300 kg y 1500 kg.
Los vehículos de 1300 kg y 1500 kg se basaron en el mismo modelo. Comparten la
plataforma pero el vehículo de 1500 kg se adaptó a su peso mediante el aumento del grosor
de la plataforma del vehículo. Las principales modificaciones que se produjeron en estos
modelos se llevaron a cabo en la estructura del vehículo.
Se endureció la zona trasera de la unión entre el eje trasero y la base del maletero a causa
de la gran deformación resultante en esa área a causa del impacto contra la barrera. El
material del parachoques delantero fue modificado para deformarse de manera similar al
ensayo real y el grosor de las partes fue aumentada debido a su excesiva deformación.
Con el modelo original, la llanta de la rueda rompió a causa del impacto, con lo que se
produjeron deformaciones no reales en las zonas del trapecio y del subchasis. Como
consecuencia, se modificaron las características del material de la llanta.
Finalmente, se endureció la zona trasera del coche después de haber comprobado que se
deformaba en exceso a causa del impacto contra la barrera de hormigón.

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3.2.3 Camión rígido de 10.000 kg y 16.000 kg.
Aunque la dinámica del impacto de los modelos originales ya seguía una tendencia similar a
la de los ensayos reales, se añadieron dos barras transversales en los extremos delanteros
para rigidizar la estructura de la zona que recibía directamente el impacto y se agregó una
barra que simula la transmisión al eje trasero.
3.2.4 Autocar
Se reforzaron la mayoría de las uniones y se crearon nuevas traviesas a lo largo de la
estructura del vehículo para aumentar su rigidez. Se modificó el sistema de dirección, se
añadieron traviesas en la parte delantera del vehículo y, finalmente, se añadieron soportes
alrededor de la base de la traviesa central del compartimento de carga con el objetivo de
disminuir la tensión en cada arco de la estructura.
3.2.5 Camión rígido de 30.000 kg
Como también es un vehículo rígido, se tomó la misma estructura que la del camión rígido
de 16.000 kg. Para este caso, fue necesario añadir un eje adicional en las zonas delantera y
trasera del camión y la suspensión se rediseñó porque el peso del vehículo por eje era
prácticamente el doble que en el caso del camión de 16.000 kg. Además, se reforzaron las
barras en los extremos delanteros para rigidizar las traviesas centrales y se añadieron
traviesas de refuerzo en la base del remolque.
3.2.6 Camión articulado
Se cambió la suspensión del eje delantero, se sustituyeron las traviesas de sección
cuadrada (22,5 mm de lado) por traviesas más rígidas y de perfil “I” (3,5 mm de grosor) y se
aumentó la resistencia del gancho que unía la cabina y el remolque.
Como acción correctora, se dobló el espesor del eje de transmisión, con lo que se logró una
estructura más rígida.
Finalmente, se añadió una barra para simular la transmisión a los ejes traseros.
3.3 Establecimiento de las condiciones límite
Una definición realista de los contactos entre el coche y la barrera en el momento del
impacto asegura una correlación fiable entre la simulación y el escenario real. En este tipo
de ensayo, el comportamiento del vehículo depende especialmente de, por una parte, los

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contactos entre la estructura del vehículo y la barrera y, por otro lado, entre las ruedas y la
barrera. Al ser entre elementos de materiales diferentes, el coeficiente de fricción de la
barrera con el acero de la estructura no puede ser considerado el mismo que el coeficiente
de fricción con el neumático.
El siguiente paso a definir consistió en establecer el tiempo de simulación del choque.
Cuanto más larga sea la simulación, se obtienen resultados más claros, sin embargo, se
requiere un tiempo de cálculo mayor, con lo que es necesario un mayor espacio de
almacenaje datos. En ensayos de vehículo ligero (900 kg), tomando un segundo de tiempo
en la simulación es suficiente, ya que la mayoría de la energía de impacto es liberada en los
instantes iniciales tras la colisión y todos los datos relevantes quedan registrados en ese
intervalo de tiempo.
Los instantes de referencia en una simulación de un impacto de vehículo ligero contra una
barrera de hormigón in situ dependen de la amplitud del análisis:
 0.4 s: comportamiento del vehículo durante la colisión contra la barrera y el inicio de
la trayectoria resultante
 0.2 s: análisis de la colisión solamente
 0.1 s: solamente cuando la zona de impacto frontal es interesante
En este tipo de impactos, las aceleraciones más elevadas se producen en los primeros 100
ms. Al basarse en la lectura de las aceleraciones, el ASI máximo puede ser calculado con
un tiempo corto de simulación. Los datos registrados crean una instantánea del vehículo
cada 5 ms; es la frecuencia óptima ya que por un lado, a alta frecuencia de muestreo, los
cálculos son demasiado pesados en términos de requerimiento de memoria y, por otro, a
baja frecuencia, se complica el poder determinar la distribución de fuerzas a causa del
impacto. Una alternativa que se utiliza en algún ensayo que se considere crítico, es realizar
cálculos a una frecuencia de 1 ms; a pesar de ser un paquete de datos muy complejo de
gestionar debido a su excesivo peso en la memoria del ordenador, se utilizan para estudiar
más exactamente las deformaciones en las áreas del vehículo más críticas.
El tiempo de choque de la simulación depende del tipo de ensayo, esto es, el peso del
vehículo. El tiempo de contacto entre el vehículo y la barrera es más o menos largo
dependiendo de la masa del vehículo. Por ejemplo, se asignan 0,5 segundos de simulación

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al impacto del turismo de 900 kg contra la barrera, mientras que el tiempo de contacto para
autobuses y camiones es de 1,5 segundos.
Finalmente, el último paso consiste en definir la velocidad de impacto del vehículo y el lugar
de la barrera en el ángulo deseado dependiendo del tipo de ensayo.
De la misma manera que el coeficiente de fricción cuando el vehículo impacta contra la
barrera, la velocidad del vehículo debe ser aplicada de dos maneras. Por un lado, la
velocidad angular en las ruedas del vehículo y al eje correspondiente. Por el otro, se debe
aplicar velocidad lineal al resto del vehículo.
4 Resultados
Después del proceso de modificación, el modelo del vehículo de 900 kg fue correlacionado
con un ensayo real. La simulación y el ensayo real mostraron que la dinámica y el
coeficiente ASI del mismo vehículo son más próximos de lo esperado.
Ilustración 1. Comparación de ASI entre la simulación y el ensayo real en un vehículo ligero (900 kg)
4.1 Análisis detallado de los ensayos reales realizados
En este proyecto se han realizado hasta la fecha un total de 7 ensayos de impacto según la
norma UNE EN 1317 de clase TB11 más un ensayo nulo. El ensayo más crítico para una
barrera de hormigón in situ que recoge esta normativa pretende evaluar el comportamiento
de un vehículo ligero de 900 kg de masa chocando contra una barrera de contención de

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carreteras a una velocidad de 100 Km/h con un ángulo de 20º de la dirección del vehículo
respecto a la dirección longitudinal de la barrera. Las condiciones que debe cumplir el
vehículo es no sobrepasar la barrera, ni elevarse por encima de la misma, tampoco debe
volcar, y cumplir con el ASI para clases A (ASI ≤ 1) y B (ASI ≤ 1,4).
Los 8 ensayos que se han realizado corresponden a barreras diferentes diseñadas y
desarrolladas a lo largo del proyecto. Para modelarlas, se han considerado diferentes
materiales según sus propiedades físicas y varios perfiles que dependían de la inclinación y
de la superficie de impacto con el vehículo. En los 5 primeros ensayos, los resultados ya han
sido analizados y servirán como comparación y tendencias de resultados con los nuevos
ensayos.
Los objetivos de estos ensayos tienen el denominador común de comprender mejor el
comportamiento del vehículo durante el choque contra la barrera, detectar las diferencias y
similitudes entre los ensayos, entender mejor todo el desarrollo de impacto del coche sobre
la barrera, encontrar alguna tendencia que indique un aumento o disminución, qué
parámetros influyen en el vuelco y ver la diferencia de resultados entre los distintos perfiles
definidos.
4.1.1 Variables a analizar
Se estableció una metodología de estudio para poder entender mejor este análisis. Se basa
en analizar cada una de las variables (mediciones hechas por ordenador) que se han creído
oportunas para examinar:
Longitud de rozamiento: Se miden y cuantifican las medidas de las marcas de rozamiento
dejadas por el vehículo sobre la barrera una vez finalizado el ensayo. Las medidas son
longitudinales a la barrera y son: la longitud total de la marca, la longitud de remonte sobre
el plinto, la longitud tras superar el plinto, la longitud de la parte superior de la barrera, la
longitud de desfase entre la marca de la rueda y el morro del vehículo sobre la barrera.

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Ilustración 2. Longitudes de las marcas de rozamiento del vehículo sobre la barrera
Ángulos de rozamiento: En este apartado se miden y cuantifican los ángulos de
deslizamiento que ha experimentado el vehículo sobre la barrera. Es decir, se extraen los
ángulos de inclinación de las líneas de rozamiento dejados por el coche. Todos siguen el
mismo patrón con un ángulo de inclinación más abierto y un segundo en el remonte.
Ilustración 3. Longitudes de las marcas de rozamiento del vehículo sobre la barrera
Distancia de lanzamiento del vehículo: Otra de las variables que se ha creído conveniente
medir es la distancia de lanzamiento del vehículo desde el final del rail donde se lanza el
coche a 100 km/h hasta impactar contra la barrera. Se ha considerado esta variable porque
en los 8 ensayos esta distancia varía y puede ser susceptible de cara a los resultados
obtenidos. Se ha considerado oportuno medir el raíl más cercano a la barrera para seguir un
criterio común para todas las mediciones de los 8 ensayos hasta la base del perfil.

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Como se puede ver en la imagen, el ángulo que forma la dirección del rail con la dirección
de la barrera es de 200
tal y como indica la norma.
Ilustración 4. Distancia de lanzamiento entre raíl y barrera
Distancia transversal del coche a la barrera: Esta variable corresponde a la distancia
transversal entre la base de la barrera de contención y la rueda que contacta en el suelo
después del vuelo producido por el choque. Esta longitud permite saber el rebote producido
por el impacto del vehículo contra el perfil. Es de suponer que cuánto más vertical sea el
perfil, más rebotará el coche.
Ángulo transversal del coche: Esta variable corresponde al ángulo de inclinación
transversal del coche respecto a la horizontal. Este ángulo se mide en el instante que el
vehículo contacta con el suelo después del vuelo. Con la medición de este ángulo se podrá
entender mejor el comportamiento del vehículo después del impacto del coche y se podrá
saber si el coche rota sobre sí mismo con la posibilidad del vuelco que pueda conllevar.
Con la posibilidad de vuelco en base a las medidas geométricas de los perfiles ensayados, a
continuación se recogen las características del perfil que deberá seguir una barrera para no
volcar:
 Altura de plinto igual o superior a 20 cm.
 Anchura de escalón (parámetro “g”) inferior a 17 cm, recomendable plantear
valores cercanos a 12 cm.
 Ángulo después del escalón (ángulo β) no tiene incidencia.
 Plano vertical de la parte superior de la coronación (parámetro “k”) inferior a 20
cm o eliminarlo.

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Deformaciones del vehículo: La última variable se centra en observar las diferentes
deformaciones experimentadas de cada vehículo. Para ello se compararon las fotografías de
las vistas en planta de la parte inferior y superior delantera del vehículo y la vista en alzado
de la parte frontal. Aun así esta variable no aporta información relevante y por ello se ha
desestimado analizarla.
5 Conclusiones
Actualmente, las simulaciones de impactos de vehículos están en un nivel muy avanzado de
desarrollo. Sin embargo, el campo de análisis de los impactos de vehículos contra sistemas
de contención de carretera, no tiene repercusiones o está en una etapa temprana de
desarrollo.
Bajo el marco del proyecto BAHORIS, se desarrolló en su fase inicial una metodología para
analizar las colisiones de vehículos contra elementos de la infraestructura.
En primer lugar, se realizó un ensayo de choque real para tener una base con la que
comparar el comportamiento del vehículo y la barrera en la fase de simulación con un
escenario real. Después, a través del software de LS-Dyna, se adaptó el modelo de vehículo
público Geo Metro a las características de este tipo de ensayo. Después de llevar a cabo
varios ensayos reales por un lado con modificaciones en la barrera ensayada y, por el otro,
con las mismas características del coche, se realizaron varios cambios en la simulación con
el doble objetivo de conocer las dinámicas de vehículos similares y valores equivalentes de
aceleración, especialmente en el área del vehículo donde se recibe el impacto. Después de
este proceso de adaptación, la dinámica del impacto es la misma que en los ensayos reales
y las aceleraciones están en el mismo rango. Se puede concluir que se logró un sistema de
simulación fiable.
La simulación es capaz de reproducir escenarios de accidentes reales con un coste
económico mínimo. La metodología descrita en este artículo permitirá el desarrollo de
barreras de contención de carretera sin llevar a cabo un gran número de ensayos reales, lo
que incluye grandes ahorros en la actividad de desarrollo del producto.
Después de la etapa donde se desarrolló la simulación, se realizaron 8 ensayos reales
donde se llevó a cabo el análisis de les distintas variables que influyen en los choques. Se
concluyó que dotar a la barrera de una mayor flexibilidad con cortes no induce a mayores o

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menores longitudes de rozamiento pero que, a la vez, amortiguan el impacto del vehículo y
experimentan un menor rebote.
También se concluyó que un perfil con un plinto bajo facilita la subida del vehículo sobre la
barrera y las mediciones de los ensayos con ángulos transversales iguales o superiores a
45º producen el vuelco del vehículo mientras que, para valores inferiores, no se produce el
vuelco. La posibilidad de vuelco se basa en la forma geométrica del perfil y deberá cumplir
las siguientes apreciaciones para no producirse: altura de plinto igual o superior a 20 cm,
anchura de escalón (parámetro “g”) inferior a 17 cm recomendable plantear valores
cercanos a 12 cm, ángulo después del escalón (ángulo β) no tiene incidencia, y el plano
vertical de la parte superior de la coronación (parámetro “k”) inferior a 20 cm o eliminarlo.

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6 Referencias Bibliográficas
[1] UNE-EN 1317-1, “Road restraint systems – Part 1: Terminology and general criteria for
test methods”, Comité Européen de Normalisation (CEN) (2010).
[2] UNE-EN 1317-2. “Road restraint systems – Part 2: Performance classes, impact test
acceptance criteria and test methods for safety barriers including vehicle parapets”, Comité
Européen de Normalisation (CEN) (2010).
[3] D. Illescas Pérez: Simulación de un choque frontal de un vehículo automóvil contra
diferentes tipos de barrera, Universidad Carlos III, Madrid (2009).