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V Congreso Iberoamericano de Seguridad Vial.
Santiago de Chile, 7, 8 y 9 de noviembre de 2016
Título del trabajo: Metodología para la Certificación de una Barrera de Contención Respaldada por LS-DYNA.
Tema: Diseño de Vías para una Movilidad más Segura.
Subtema: Transferencia de Conocimientos. Ejemplos de I+D.
Autor: Diego Nicolás Valdivieso Cascante
Empresa / Institución: Tecnovial S.A
Cargo: Jefe de Ingeniería
Dirección: Santa Marta #1717, Maipú, Chile
Email: [email protected]
Teléfono: +56971398688
RESUMEN
En estos últimos años, la seguridad vial chilena ha tenido un progreso consistente en
materia de tecnología y de conocimiento, esto ha permitido disminuir los accidentes y
sus brutales efectos. Pero independiente de estos avances, los métodos de ensayo
para la evaluación de impactos en las estructuras de las carreteras, especialmente en
barreras de contención, aún se encuentra en desarrollo, sobre todo en materia de
ensayos a pequeña escala apoyados por modelaciones computacionales.
El estudio busca mostrar las diferentes etapas que tiene un proyecto de ingeniería
para el desarrollo de una barrera de contención certificada (made in Chile) bajo norma
europea EN1317 y de aplicación en el territorio nacional. El desarrollo comienza
utilizando el software LS-Dyna para modelar la barrera de contención y su
comportamiento dinámico frente al impacto de vehículos fuera de control tomando las
consideraciones establecidas en el volumen 6 del Manual de Carreteras Chileno, lo
establecido en la EN1317 y los lineamientos para el desarrollo de modelaciones
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computacionales establecido en CEN Technical Report TR16303. Posteriormente se
validan los supuestos y resultados de la modelación por medio de ensayes
destructivos a pequeña escala, esto permite confirmar o corregir los supuestos
establecidos inicialmente. Finalmente, se verifica y certifica el sistema de contención
mediante un ensayo a escala real “Crash Test” en base a lo establecido en la norma
europea EN1317.
Además, se quiere dejar establecida la inquietud de la utilización de software
computacionales (como por ejemplo LS-Dyna) para resolver problemas en seguridad
vial que hasta el momento se desconoce su comportamiento dinámico, dado que los
ensayos a escala real para estos casos son inviables económicamente y por tanto,
esta alternativa de ingeniería a través de modelos computacionales permite dar
sustento técnico a casos como transiciones entre barreras de contención o
modificaciones del sistema de carácter medio o leve según la norma EN1317.
PALABRAS CLAVE:
Seguridad Vial, Barrera de Contención Certificada, Crash Test, LS-Dyna, Ancho de trabajo, Nivel de Contención, Índice de Severidad, EN 1317, vehículo de diseño, H2, triple onda, separador tipo D.
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MOTIVACIÓN
En Chile, los sistemas de contención vehiculares certificados han ido desplazando los
modelos establecidos en el manual de carreteras. El mercado nacional ha respondido
a la demanda por estos sistemas, sin embargo, los altos costos de los ensayos que
permiten certificar un nuevo modelo frenan las inversiones nacionales. Se requiere
establecer una metodología que permita minimizar las repeticiones de los ensayos
para la obtención de un modelo certificado y además garantizar los resultados
esperados.
El siguiente estudio establece una metodología para el desarrollo de un sistema de
contención certificado, el cual se basa en las siguientes etapas:
I. Ingeniería del Prototipo
II. Fabricación del Prototipo
III. Crash Test
La metodología planteada en conjunto con las modelaciones computacionales permite
predecir el comportamiento dinámico del sistema de contención vehicular de acuerdo a
los parámetros fijados como objetivo del sistema, arrojando desviaciones marginales.
Esta metodología debe ser aplicada en nuevos estudios que permitan nutrir y verificar
su exactitud. De igual forma, se deja abierta la puerta para la aplicación de esta
metodología para la verificación de terminales extrusores y amortiguadores de
impacto.
INTRODUCCIÓN
En Chile, las Barreras de Contención Certificadas han ido adquiriendo mayor
importancia en su implementación, tanto en proyectos de conservación como en
proyectos nuevos públicos o privados. Se hace relevante desarrollar una metodología
que permita a los fabricantes nacionales producir sistemas de contención certificados
“made in Chile” que les permita responder a las necesidades de infraestructura vial
nacional y latinoamericana considerando la experiencia en certificación de los países
más desarrollados. La metodología a plantear considera como base la normativa
Europea EN 1317:2011, la cual establece los criterios a considerar para la certificación
y aprobación de un sistema de contención vehicular.
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La experiencia Europea ha ido evolucionando conforme empresas del rubro de
infraestructura vial, como DUERO, IMEVA, CRM Group y otras, se han aventurado en
la realización de pruebas a escala real Crash Test y en base a sus resultados
compartidos en conferencias, han ido modificando sus procedimientos para la
obtención de nuevos sistemas utilizando modelaciones computacionales como
herramienta predictiva del comportamiento del prototipo a ensayar y con esto
aumentar la eficiencia de las inversiones. Esta experiencia europea, de ensayo y
error, que han sido compartidas por las empresas del rubro permitieron mejorar los
estándares exigidos en la norma Europea EN 1317 para la certificación de nuevos
sistemas de contención y también, se ha desarrollado un reporte técnico que rige las
modelaciones computacionales (CEN/TR 16303-1:2012) el cual ha sido preparado por
el Comité TECNICO CEN/TC 226 “Equipamiento de Carreteras”. Un ejemplo de estas
experiencias se detalla en el estudio realizado por el laboratorio LIER: C.Goubel,
M.Massenzio y S.Ranel(2011): Wood – Steel structure for roadside safety barriers.
La modelación computacional también puede ser utilizada en aquellos casos donde el
ensayo a escala real “Crash Test” no es capaz de entregar solución o es inviable
económicamente, tal es el caso de: transiciones entre sistemas de contención,
transiciones a puentes, variabilidad de tipos de suelo, etc.
El proyecto de diseño y desarrollo de una Barrera de Contención Certificada tiene tres
etapas claras, las cuales están orientadas a la realización de un ensayo a escala real
“Crash Test” que certifique y ratifique el comportamiento del modelo probado. Estas
son:
I. Ingeniería del Prototipo
II. Fabricación del Prototipo
III. Crash Test
Para el prototipo de este trabajo, la empresa Tecnovial S.A en el año 2013 determinó,
en base a la información de los requerimientos del mercado, que el nivel de contención
H2 experimentaría un aumento en la demanda puesto que los estándares de los
caminos y carreteras nacionales estaban aumentando dejando atrás el nivel de
contención N2 y H1.Para el prototipo objetivo de este estudio se espera obtener un
ancho de trabajo que no supere los 1.3m y un índice de severidad ASI de a lo más 1.0.
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DESARROLLO
I. INGENIERÍA DEL PROTOTIPO
Esta etapa tiene como objetivo principal desarrollar sistema de contención prototipo
que tenga un comportamiento probado mediante la modelación computacional y
ensayos destructivos a pequeña escala.
Las etapas de la ingeniería del prototipo son:
i. Ingeniería de mercado
ii. Diseño preliminar
iii. Ingeniería de detalles
iv. Ensayos destructivos de los componentes
Para el diseño del prototipo a ensayar, se toma como referencia la norma europea EN
1317:2011, esta establece seis parámetros de control a considerar en el diseño:
a) Limitar la severidad del impacto de los ocupantes (ASI por sus siglas en inglés)
b) Retener el vehículo: la barrera de contención debe tener la capacidad
estructural suficiente para lograr contener y re direccionar al vehículo fuera de
control.
c) Minimizar la salida de la carretera: la energía inducida por el vehículo fuera de
control produce una deformación de la barrera de contención, ésta debe ser
compatibilizada con el espacio disponible con obstáculos en la vía.
d) Evitar el cambio de dirección: se aceptan giros, inclinaciones y derrapes de
carácter menor.
e) Limitar la proyección de piezas sueltas.
f) Controlar la trayectoria tras el choque.
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i. Ingeniería de Mercado
La ingeniería de mercado busca analizar las variables del mercado local con el fin de
orientar el diseño del sistema de contención. Se toma como referencia parámetros
tales como: tendencias en el nivel de contención requerido en los diseños de las vías,
modelos existentes en el mercado y el crecimiento en infraestructura vial. Como
resultado de esta etapa se espera definir el nivel de contención, ancho de trabajo e
índice de severidad esperado del prototipo a ensayar y también referencias del peso
por metro (kg/m) de cada uno de los modelos existentes en el mercado nacional e
internacional con el fin de evaluar tendencias y desarrollar innovaciones en post de
obtener sistemas más eficientes para que con igual inversión la autoridad pueda
proteger una mayor cantidad de kilómetros. Además, se desarrolló un estudio de los
modelos de sistemas de contención certificados existentes en el mercado chileno,
donde se obtuvo la tendencia mostrada en la Figura 1, como conclusión de este
estudio se comprueba que a mayor ancho de trabajo el peso del sistema (kg/m) es
menor. Otros parámetros obtenidos del estudio de mercado son: geometría, materias
primas y metodología de montaje.
En base a la información del estudio de mercado se busca desarrollar un prototipo
eficiente en kg/m innovando en la geometría, calidades de los aceros, tipos de pernos
usados en las conexiones, facilidad de montaje, etc. Para ello se debe considerar la
información obtenida de los estudios de mercado y realizar diseños preliminares que
permitan ir despejando variables para la obtención del prototipo.
Figura 1
01020304050607080
W7 W3 W5 W2 W5 W6 W5 W4 W4
W4
Peso
[kg/
m]
Fabricante
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ii. Diseño Preliminar
El objetivo de esta etapa es validar el comportamiento estructural dinámico de los
modelos evaluados, a fin de descartar aquellos que entreguen parámetros no
competitivos. Para esto, se utiliza el software LS-DYNA en conjunto con el CEN/TR
16303-1:2012, que establece los parámetros a considerar y la validación de las
modelaciones computacionales, y lo establecido en la EN1317:2011.
Los parámetros a ingresar en la modelación se resumen en:
• Vehículo de diseño, en función del nivel de contención esperado.
• Tipo de suelo, en función de las características propias del suelo nacional.
• Geometría del modelo
• Materialidad del modelo
• Longitud a ensayar
• Terminales de la barrera
• Criterios de falla
En esta etapa se toman en consideración los siguientes parámetros para aceptar o
rechazar un modelo:
• Índice de severidad
• Ancho de trabajo
• Nivel de contención
• Caja de salida (Exit Box)
Para el caso práctico de este estudio y en base a lo establecido en la norma EN
1317:2011 para un nivel de contención H2 se deben realizar los ensayos a escala real
TB11 (impacto vehículo de 900kg a una velocidad de 100 km/h en un ángulo de 20º) y
TB52 (impacto vehículo de 13000kg a una velocidad de 70 km/h en un ángulo de 20º).
En la Figura 2 se muestran los prototipos iniciales a modelar A, B, C y D en base al
levantamiento del estudio de mercado realizado a nivel nacional.
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Figura 2
A continuación se detallan los resultados de la modelación computacional para un
prototipo inicial “A” que es sometido a prueba, los resultados obtenidos son:
• Ensayo TB11
o Exit Box: Cumple
o Índice de severidad: 1.01, clasifica como B (Ver Figura 3)
o Retención del vehículo: Cumple (Ver Figura 3)
• Ensayo TB51
o Exit Box: Cumple
o Ancho de Trabajo: 1.23, clasifica como W4 (Ver Figura 4)
o Retención del vehículo: Cumple (Ver Figura 4)
En base a los resultados obtenidos se descarta el prototipo A puesto que genera un
índice de severidad B.
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Figura 3
Figura 4
iii. Ingeniería de Detalles
Conforme se han descartado prototipos, geometrías y materiales no óptimos para el
resultado buscado, en esta etapa se busca corroborar y definir los parámetros finales
del sistema de contención a certificar. Dentro de estos se encuentran:
• Geometría final de los componentes
• Espesores de los componentes
• Tipo de materia prima
• Distancia entre postes más óptima
• Altura de postes
• Longitud a instalar
• Suelo más probable donde será instalada
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La Figura 5 muestra la geometría y distancia entre postes del prototipo D. Este es
seleccionado para detallar y variar algunos parámetros con el fin de obtener mayor
eficiencia del diseño.
Figura 5
Esta etapa es iterativa hasta lograr las mejoras en el prototipo seleccionado que
garanticen un performance deseado y que cumpla con todos los criterios de
aceptación de la EN 1317:2011.
Para el prototipo D, se realizan las siguientes iteraciones:
• Prototipo D.1: distancia entre postes 2 m, separador ancho 135mm, poste
costanera y viga triple onda
• Prototipo D.2: distancia entre postes 2 m, separador ancho 270mm, poste
costanera y viga triple onda
• Prototipo D.3: distancia entre postes 2.25 m, separador ancho 270mm, poste
costanera y viga triple onda
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• Prototipo D.4: distancia entre postes 2 m, separador ancho 270mm, poste
omega y viga triple onda
Los resultados del prototipo D.2 (Ver Figura 6, 7,8 y 9) indican que se cumple con el
objetivo establecido, nivel de contención H2, un ancho de trabajo que no supere los
1.3m y un índice de severidad ASI de a lo más 1.0, y un peso (kg/m) más eficiente.
Los resultados de la modelación computacional del ensayo TB11 se muestran en la
Figura 6 y 7. La Figura 6 muestra los datos de entrada al modelo, en la Figura 7 se
muestra el grafico de desaceleraciones al interior del vehículo de 900kg, el grafico
muestra un peak de 0.87m clasificando al sistema con ASI A de acuerdo a lo
establecido en la EN 1317:2011.
Figura 6
Figura 7
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La Figura 8 y 9 muestra los resultados de la modelación computacional del ensayo
TB51. En la Figura 8 se muestra los datos de entrada al modelo y en la Figura 9 se
obtiene el cálculo del ancho de trabajo clasificado al sistema como W4 en base a lo
establecido en la EN 1317:2011.
Figura 8
Figura 9
Finalizados los análisis de los componentes del prototipo D.2, se procede a realizar un
modelo de sensibilidad sobre la longitud del sistema con el fin de evaluar el largo de
los abatimientos y la longitud del tramo recto que produzca el menor riesgo en el
ensayo a escala real. En este caso se evaluaron los siguientes casos:
• Prototipo D.2.1: Abatimiento entrada 12m, tramo recto 84m y abatimiento de
salida 12m.
• Prototipo D.2.2: Abatimiento entrada 12m, tramo recto 60m y abatimiento de
salida 12m.
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• Prototipo D.2.3: Abatimiento entrada 12m, tramo recto 80m y abatimiento de
salida 8m.
• Prototipo D.2.4: Abatimiento entrada 12m, tramo recto 60m y abatimiento de
salida 8m.
La tabla 1 muestra el resumen de los resultados obtenidos en la modelación
computacional para las diferentes longitudes planteadas. En conclusión se procede
con el prototipo D.2.3 dado que se ajusta a la longitud de tramos existente en el
mercado y mantiene los niveles de riesgo a falla en niveles marginales.
Figura 10
Tabla 1
iv. Ensayos Destructivos de los Componentes a Pequeña Escala
Con el prototipo ya validado por la modelación computacional (Ver Figura 10), se
procede a la fabricación de muestras del prototipo “D.2.3” a certificar, con el objetivo
de validar mediante ensayos destructivos a pequeña escala las consideraciones
utilizadas en la modelación. Los ensayos a realizar son:
• Curva de resistencia viga triple onda.
• Curva de resistencia unión empernada de vigas.
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• Curva de resistencia a tracción conjunto perno + tuerca.
• Curva de resistencia separador.
La Figura 11 muestra el ensaye mecánico de resistencia realizado en la viga triple
onda considerando dos casos simple (solo una viga triple onda) y doble (dos vigas
triple onda superpuestas). La Figura 12 muestra las curvas fuerza-deformación de
cada ensayo realizado, estas permiten validar los resultados ingresados en la
modelación computacional como valor de diseño del acero S420.
Figura 11
Figura 12
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La Figura 13 muestra el ensayo mecánico de resistencia del separador tipo D. Para
este ensayo se procede a analizar dos puntos de carga, el primero en el centro de las
perforaciones y el segundo en el centro geométrico del separador. La Figura 14
muestra las curvas fuerza-deformación que permite validar el concepto de trabajo
diferenciado dependiendo del punto de impacto. Como conclusión se comprueba que
para el impacto del vehículo de 900kg el separador ofrece menor resistencia y permite
que la desaceleración al interior del vehículo se mantenga dentro de los límites
establecidos por la EN 1317:2011 para clasificar con ASI A. Cuando el vehículo de
13000kg impacta la resistencia que ofrece el separador es mayor y por tanto ayuda a
la contención del vehículo permitiendo brindar mayor seguridad al diseño.
Figura 13
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Figura 14
La Figura 15 muestra las curvas fuerza-deformación donde para todos los casos se
produce una falla antes de lograr la resistencia de diseño establecida en la
modelación. Analizadas las causas de esta falla prematura, se establece que el hilo de
las tuercas no cumple con las tolerancias de fabricación y por tanto deben ser
fabricadas nuevamente.
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Figura 15
Los resultados mostrados en los ensayos a pequeña escala permiten validar los
supuestos establecidos en la modelación computacional y además permitieron, previo
al ensayo a escala real, identificar que las tuercas del sistema estaban fabricados
fuera de la tolerancia aceptada.
II. FABRICACION DEL PROTOTIPO FINAL
En esta etapa se procede a la fabricación de los componentes en base a los planos de
diseño, respetando las tolerancias de diseño y geometría de las perforaciones.
Generar un Check List de control considerando al menos los siguientes puntos:
• Verificar fabricación de los componentes en base a los planos de diseño y las
tolerancias establecidas
• Verificar calidad de las materias primas
• Verificar la resistencia de los pernos y tolerancias de fabricación
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• Verificar tipo de suelo donde se instalará el prototipo a ensayar, para ello se
debe hincar un poste en el terreno y aplicar una fuerza, se debe medir la
deformación con el fin de obtener la rigidez de este.
• Chequear logística de despacho al Laboratorio
III. ENSAYO A ESCALA REAL CRASH TEST
El objetivo de esta etapa es validar los resultados expuestos por las modelaciones
computacionales y obtener una certificación de acuerdo a la norma EN
1317:2011:2011 del comportamiento del sistema de contención. Se establece un
procedimiento de instalación a fin de sostener las condiciones establecidas en la
modelación computacional. Se establece entre otros aspectos el torque de los pernos,
el tipo de suelo donde la barrera debe ser instalada, la disposición de los postes,
separadores y vigas. Finalmente, se deben establecer tolerancias para la instalación
del sistema. La Figura 16 y 17 muestra la comparación entre el modelo computacional
y el ensayo a escala real.
Figura 16
Figura 17
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La Tabla 2 muestra la comparación de los resultados obtenidos en la modelación con
los del ensayo real.
Tabla 2
Ensayo Parámetro LS-DYNA Crash Test
TB11
Ancho de Trabajo (m) 0.721 0.530
Deflexion Dinámica (m) 0.356 0.370
ASI 0.950 1.080
Longitud de Contacto
(m) 5.450 6.000
TB51
Ancho de Trabajo (m) 1.270 1.520
Deflexión Dinámica (m) 0.979 1.200
Longitud de Contacto
(m) 17.880 15.800
Finalizado el proceso de verificación y validación de la ingeniería de la barrera de
contención certificada, se obtiene un sistema cuyo performance se encuentra
garantizado por una casa certificadora bajo la norma EN 1317:2011.
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CONCLUSIONES
Basados en los resultados de la experiencia desarrollando barreras de contención
certificadas, se puede concluir que la metodología planteada de tres etapas en
conjunto con el software para la modelación computacional de un sistema de
contención, es completamente válido para dar prueba del comportamiento de un
sistema. Sin embargo, aun cuando se requiere un ensayo a escala real para validar lo
que indica el software, perfectamente puede ser utilizada esta metodología para
validar soluciones como transiciones, cambios en el tipo de suelo donde se hincará la
barrera, o modificaciones del sistema de carácter medio o pequeña. Tal como en
Europa existe un reporte técnico sobre las modelaciones computacionales, es
importante como país tener criterios de aceptación de simulaciones para aquellas
situaciones donde un ensayo a escala real es inviable económicamente.
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BIBLIOGRAFÍA
1. CEN Technical Report TR16303-1:2012.
2. Norma Europea EN 1317:2011: Sistemas de Contención para Carreteras.
3. Manual de Carreteras Volumen 6: Seguridad Vial.
4. C.Goubel, M.Massenzio y S.Ranel(2011): Wood – Steel structure for roadside
safety barriers.
5. Gráficos, tablas y modelaciones son de elaboración del propio autor.