A. Ranzo - Univ. "La Sapienza" - Dipartimento delle Bioscienze di

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A. Ranzo - Univ. "La Sapienza" - Dipartimento delle Bioscienze di
Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
AUTORE: Alessandro Ranzo
Dip. ITS-Area Strade/Univ. “La Sapienza” - Roma
TITOLO:
Applicazioni d’ingegneria virtuale
nel progetto dei dispositivi stradali di ritenuta
- SOMMARIO –
1. Introduzione .......................................................................................................................................................2
2.
La sicurezza d’esercizio di un’infrastruttura ..........................................................................3
3.
Criticità e costi delle prove al vero................................................................................................8
4.
Necessità di uno strumento progettuale ..................................................................................10
5.
L’ingegneria virtuale ................................................................................................................................12
6.
I modelli di simulazione ........................................................................................................................13
7.
Analisi dei componenti critici: veicolo e supporto...............................................................14
8.
Il modello numerico del veicolo leggero.....................................................................................16
9.
Modello del veicolo pesante ...............................................................................................................17
10. Modellazione del dispositivo di ritenuta ..................................................................................20
11.
Preparazione dei test virtuali..........................................................................................................25
12. Esempio di validazione di crash test virtuale .......................................................................26
13. Altri esempi di crash test riprodotti virtualmente..........................................................32
14. Conclusioni......................................................................................................................................................34
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INGVIRT/A.R.
1. Introduzione
I dispositivi di ritenuta dei veicoli stradali, da fuoriuscite accidentali dalla
piattaforma carrabile, costituiscono ancor oggi un sistema strutturale, la cui ideazione
e costruzione sfugge alla tradizionale consuetudine ingegneristica del progetto
razionale, centrato su schemi applicativi della meccanica classica.
Ciò può dipendere dal fatto che, almeno storicamente, sin dalla loro apparizione
(fine anni 50’) i dispositivi di ritenuta furono considerati alla stregua d’un accessorio
dell’ infrastruttura, a favore di altre componenti ritenute più importanti nei riguardi
della sicurezza, come le opere d’arte o i ponti, le opere in terra e le pavimentazioni.
Per molto tempo non si è posto, almeno formalmente, il quesito della prestazione
strutturale che questi dispositivi dovessero garantire, sicché si procedeva per lo più a
sentimento e senza alcun effettivo controllo tecnico organizzato da parte degli Enti
gestori.
E’ poi venuta l’epoca (fine anni 80’) della minima garanzia, durante la quale si è
posto il problema di assicurare, in ogni caso, un minimo livello di contenimento ma
senza tener troppo conto dell’esposizione al rischio degli occupanti dei veicoli
casualmente collidenti.
È giunta poi l’epoca delle norme cogenti (anno 1992), durante la quale, data la
complessità dei sistemi da installare, si è preferito sostituire ad ogni eventuale analisi
razionale uno strumento pragmatico: le prove sperimentali standardizzate, da
eseguire a scala reale su dispositivi prototipo per poi passare a procedure
d’omologazione per l’installazione su strada.
D’altra parte tale modus operandi era stato già adottato e da parecchio tempo
in molti altri Paesi, sia europei, sia extraeuropei, giudicandosi praticamente
improponibile qualsiasi procedura di calcolo convenzionale, data la notevole
complessità dei sistemi dinamici multicorpo da indagare, a comportamento non lineare
dei materiali, corrispondenti a veicoli collidenti contro dispositivi di ritenuta.
Attualmente, le procedure d’omologazione dei dispositivi di ritenuta, basate
essenzialmente su prove d’urto a scala reale, hanno raggiunto una considerevole
diffusione in tutto il mondo, ma rimangono ancora molti i dubbi e le incertezze su
questo modo di procedere, specie in relazione alle responsabilità che comunque
riguardano i progettisti stradali, i costruttori e i gestori, indipendentemente dalla
riuscita o meno delle prove d’urto.
Neanche l’introduzione delle Norme CEN 1317/1/2/3 (anno 2000) ha risolto tale
problematica, permanendo ancora una serie di quesiti irrisolti, e tuttora in discussione
nell’ambito dei lavori del Comitato TC226/CEN.
E’ infatti assegnato al progettista stradale, secondo la norma cogente italiana
(D.M.3.6.98 e ss.aa.) , il compito della scelta del tipo di dispositivo, della modalità
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d’installazione e di tutti gli adattamenti del prototipo omologato alle tante e diverse
situazioni d’impiego, anche parecchio dissimili dalle situazioni standard.
La necessità di incrementare e favorire la ricerca scientifica, per offrire
strumenti idonei alla progettazione dei dispositivi di ritenuta, è una necessità
evidente se si tiene conto del fatto che, ancora oggi, il progetto di questi sistemi
strutturali (dal prototipo al dispositivo in opera) si riduce in pratica, nella maggioranza
dei casi, ad una mera descrizione di una struttura scaturita da non pochi tentativi e
tutti essenzialmente sperimentali o empirici. Ma lo sviluppo abbastanza recente
dell’ingegneria virtuale, vale a dire dell’ingegneria che consente di modellare in modo
razionale numerico qualsiasi fenomeno fisico, tenendo esattamente conto delle
proprietà intrinseche dei materiali che compongono i diversi elementi del sistema, ha
aperto nuovi orizzonti anche nel caso dei dispositivi di ritenuta, caratterizzati da una
complessità che è legata alla molteplicità delle componenti presenti
contemporaneamente sulla scena incidentale nella quale s’inseriscono: il veicolo, l’uomo,
la strada, il dispositivo di ritenuta e l’ambiente circostante.
Se si punta quindi ad uno sviluppo tecnologico dei dispositivi di ritenuta, non si
può fare a meno di favorire un sano sviluppo della ricerca e di una conseguente
diffusione dei risultati applicativi.
Si vuole proporre, in questa occasione d’incontro tra tecnici e studiosi,
l’adozione di una procedura progettuale e cioè di un metodo che, senza nulla togliere al
valore delle prove sperimentali standardizzate, consenta però di esplorare una serie
di situazioni possibili, generalmente non coperte dalle prove sperimentali, ma che
possono figurare determinanti nei riguardi della sicurezza degli utenti e della
salvaguardia delle responsabilità assegnate ai progettisti.
E’ quindi anche questo un tentativo di rispondere concretamente all’atteso
miglioramento delle condizioni di sicurezza della rete stradale esistente e di quella
futura non ancora realizzata.
2. La sicurezza d’esercizio di un’infrastruttura
La sicurezza d’esercizio di una qualsiasi strada dipende da molti fattori, i più
rilevanti dei quali sono direttamente riconducibili al comportamento degli utenti,
mentre la sua dipendenza dalle condizioni ambientali e da quelle della strada e del
veicolo, è subordinata allo sviluppo di fasi progettuali, costruttive e manutentorie
delle singole componenti.
Affinché si attui un accettabile livello di sicurezza è necessario, ma non
sufficiente, che il progetto della strada e anche quello del veicolo siano sviluppati ad
un prefissato valore di qualità e che la manutenzione dei due sistemi garantisca la
continuità delle originarie prestazioni attese. Resta però al fattore umano e soltanto
ad esso il raggiungimento di una minima accettabilità per far sì che la sicurezza, ossia
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la lontananza da stati di crisi, sia sempre presente in ogni momento, a totale
protezione degli utenti.
Ma è soprattutto la strada, giacché supporto e guida indiretta del veicolo, che
assume un ruolo più che importante nella complessa generazione degli eventi
incidentali, contribuendo molte volte essa stessa ad instaurare, nel conducente,
situazioni d’incertezza percettiva e quindi d’indecisione, immediatamente prima
dell’incidente, o a non riuscire, la stessa strada, a contenere in tutto o in parte le
conseguenze, anche molto gravi dell’incidente già avvenuto, come è nel caso dei
dispositivi di ritenuta che non riescono a produrre le prestazioni attese.
Si ritiene che la sicurezza, poiché condizione necessaria per la salvaguardia
della vita umana, può essere conseguita soltanto in virtù di principi razionali che, se
applicati, consentono di fissare limiti convenienti sia al comportamento degli utenti e
sia alle prestazioni del veicolo, ma anche e soprattutto alle caratteristiche
geometriche, funzionali e costruttive delle strade.
Con il Codice della strada del 1993 il Legislatore, anche in Italia, ha voluto
disciplinare la complessa materia della costruzione e gestione delle strade, attraverso
norme tecniche cogenti che ”devono essere improntate alla sicurezza della
circolazione di tutti gli utenti”.
Inoltre, l’emanazione della legge del 17 luglio 1999, numero 144, istituendo il
Piano Nazionale della Sicurezza Stradale, ha consentito di definire gli obiettivi e le
caratteristiche di base dei futuri interventi di miglioramento dell’efficienza delle
infrastrutture. La sicurezza stradale è quindi un qualcosa che si può costruire per
gradi e si può realizzare attraverso un procedimento d’analisi, d’elaborazione e di
sintesi che parta da dati concreti ed obiettivi sugli elementi che concorrono al
verificarsi degli incidenti.
Gli incidenti costituiscono infatti uno stato di crisi del sistema stradale,
paragonabile ad uno vero e proprio stato di collasso strutturale.
Il progetto di una nuova strada o l’adeguamento alle Norme cogenti di una
strada esistente deve essere sviluppato nel pieno rispetto delle regole e dei principi
contenuti nelle medesime norme, che consentono di ritenere affidabile
l’infrastruttura per un determinato periodo di servizio, avendo prefissato le
condizioni di sicurezza per gli utenti ed i terzi.
Ciò sta a significare che il Progettista, una volta deciso la tipologia stradale, in
termini di sezione e di geometria d’asse, definisce sia il tracciato e sia tutte le opere
che potranno realizzarlo, ivi compreso i dispositivi di ritenuta, per ogni specifica
situazione.
Egli dovrà poi analizzare, sezione per sezione, quale possa essere la probabilità
di rischio incidentale, in relazione alle prevalenti condizioni ambientali e di traffico.
Il progettista di una strada organizza sempre, nel rispetto di norme, la
composizione degli elementi della piattaforma (corsie e banchine laterali) scegliendo
opportunamente le dimensioni, in relazione alla domanda di traffico, al tipo di
drenaggio e agli altri fattori influenti (caratteristiche superficiali della
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pavimentazione e tipologia dei sistemi di ritenuta) che possono correlarsi ai potenziali
rischi d’incidente o di riduzione della severità dei medesimi.
Occorre però chiarire che il compito di un Progettista non si esaurisce, ai fini
della sicurezza, nel processo di mero dimensionamento di un canale di traffico, ma si
estende con pari responsabilità anche al dimensionamento dei cosiddetti margini:
centrali interni (spartitraffico) ed esterni (laterali o bordi) di pertinenza, sedi
naturali ove vengono installati i dispositivi di ritenuta.
La sicurezza dei margini (Figura 1), ancora quasi sconosciuta in Italia, assume un
ruolo importante perché è stato dimostrato che gli spazi di margine influiscono sul
comportamento dell’utente e quindi prima che si verifichi l’incidente, costituendo
inoltre la base necessaria per la prestazione attesa dei dispositivi di ritenuta, ad
incidente ormai avvenuto.
E’ importante, infatti, riconoscere che per le nuove strade, ma anche per
l’adeguamento di quelle esistenti, si dovrebbe incominciare a guadagnare maggiori
spazi di margine, al fine anche di consentire non soltanto maggiori margini visuali ma il
corretto funzionamento dei dispositivi che necessitano, come è noto e come richiesto
dalla norma, di una minima “larghezza di lavoro”.
Tale dimensione deve essere sempre presente ai margini delle carreggiate,
anche sulle opere d’arte, all’aperto, e in galleria.
L’installazione di barriere di sicurezza è pertanto una parte delle scelte
progettuali che deve attentamente essere valutata, in relazione a soluzioni alternative
che consentano - ad es. - la loro eliminazione, come è già nel caso di rilevati di altezza
inferiore ai 2,5m, formati con scarpate massime pari a 1/3.
La sicurezza intrinseca di un’infrastruttura stradale, vale a dire quella che
riguarda la componente strutturale fissa, concerne in modo particolare le aree poste
al di fuori della sede vera e propria (piattaforma e banchine) e costituisce una materia
di gran rilievo nello sviluppo delle procedure progettuali e manutentorie.
Numerose sono le ragioni che possono causare la fuoriuscita di un veicolo dalla
sede stradale, alcune delle quali si connettono direttamente al comportamento
dell’utente che, a sua volta, è del tutto dipendente da processi percettivi visuali dello
spazio stradale; ma se le aree poste ai margini laterali o nello spartitraffico potessero
realizzarsi praticamente molto ampie, pianeggianti e senza ostacoli di sorta (alberi,
muri, pali, etc.), le conseguenze di una fuoriuscita accidentale potrebbero ridursi
veramente a ben poco e sino ad annullarsi del tutto.
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MARGINI
PIATTAFORMA
PIATTAFORMA
CORPO STRADALE
LA SICUREZZA DEI MARGINI RIGUARDA :
•SPARTITRAFFICO
•SCARPATE E ARREDO
•BORDI LATERALI ESTERNI
Figura 1 - La sicurezza dei margini stradali.
Nei sistemi aeroportuali, da citare soltanto com’esempio generico e
parzialmente comparabile, già da molto tempo le “strisce di sicurezza”, ampie
trasversalmente anche un centinaio di metri, fiancheggiano le sovrastrutture
pavimentate delle piste di volo e, in minore misura, quelle di rullaggio, al fine di
contenere eventuali fuoriuscite accidentali degli aeromobili durante le fasi di decollo
e atterraggio.
Come pure, negli autodromi, l’affermarsi degli ampi spazi laterali muniti di “letti
d’arresto” (altro esempio di dispositivo di ritenuta) come efficace intervento di
sicurezza passiva, concorre all’affermarsi d’un convincimento: eliminare per quanto
possibile ogni ostacolo rigido laterale, posto sui margini.
Alcuni elementi compositivi progettuali e costruttivi del corpo stradale, posti ai
margini degli spazi pavimentati, come le pendici dei rilevati, le scarpate degli scavi, lo
spartitraffico e tutti gli oggetti fissi e rigidi, gli specchi o corsi d’acqua e le altre
infrastrutture intersecate o fiancheggiate, costituiscono i potenziali fattori di rischio
che un veicolo dovrà affrontare nel caso di perdita accidentale di traiettoria, con
fuoriuscita incontrollata dalla piattaforma stradale.
Tutti questi fattori di rischio possono ovviamente presentarsi con diversi gradi
di pericolosità per i veicoli in circolazione, e quindi per gli occupanti dei medesimi e
per i terzi non utenti eventualmente presenti al di fuori della strada.
Purtroppo però le accennate condizioni ideali di disponibilità di spazi liberi posti
ai margini che, non solo teoricamente, potrebbero risolvere il problema della
sicurezza, superano quasi sempre le usuali ed immediate convenienze economiche
costruttive e d’uso del territorio ed allora le possibili misure che conviene prendere in
considerazione si riducono sostanzialmente, in ogni caso, a provvedimenti di pura
sicurezza passiva; vale a dire d’attenuazione delle conseguenze incidentali.
Le misure d’attenuazione delle conseguenze incidentali si riducono, in sostanza,
all’accettazione di una modalità di riduzione delle azioni d’impatto (impiegando
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dispositivi d’assorbimento d’energia o simili), da esaminare sempre in relazione alle
risorse economiche e di spazio, effettivamente disponibili.
Specialmente negli Stati Uniti l’impiego delle barriere di sicurezza e degli
attenuatori d’urto è sempre stato analizzato attentamente ed è ancor di più
attualmente condizionato ad una dimostrata impossibilità di realizzare misure
alternative veramente efficaci (come le “clear zones”, in altre parole spazi laterali
molto ampi e liberi da ostacoli con scarpate o pendici molto dolci), com’è chiaramente
descritto nel “Roadside Design Guide”, pubblicato dall’AASHTO nel 1994.
Resta pertanto valido il principio che, ove possibile, si dovrebbe preferire di
non istallare alcun sistema di ritenuta.
Infatti, quest’ultimi, per efficaci che siano, rappresentano quasi sempre una
sorta di ripiego, vale a dire d’utile compromesso tra domanda ed offerta, sia in termini
economici e sia in termini di protezione degli occupanti di un veicolo.
Il progetto delle citate “clear zones” è solitamente valutato con molta
attenzione, in funzione del tipo di strada (cioè della velocità di progetto e della
geometria d’asse e di sezione), del tipo di traffico (con il TGM) e delle condizioni
morfologiche dei siti attraversati, ed è per questo che non è poi così troppo facile
vedere realizzate le “clear zones”, com’è invece decisamente auspicabile.
Tornando alla situazione italiana, una particolare attenzione deve essere rivolta,
specie nel caso delle strade e autostrade esistenti, all’analisi dei possibili
attraversamenti accidentali dello spazio spartitraffico (definito dal Codice della
strada come esattamente “invalicabile”), soprattutto in relazione ai volumi e
composizioni di traffico prevedibili e alle dimensioni trasversali utilizzabili, poiché
anche in tal caso sarebbe preferibile poter disporre di un ampio spazio (maggiore
almeno di 10m d’ampiezza), eccezionalmente pavimentato (con materiali del tipo “letto
d’arresto”), e , in ogni caso, libero da ogni qualsiasi ostacolo rigido ed infrangibile.
E’ quindi veramente un atto di gran responsabilità, per il progettista della
strada o per quello degli interventi d’adeguamento, il dover scegliere una tipologia
organizzativa dello spartitraffico, in relazione alle effettive disponibilità di spazio
utile e alla salvaguardia degli occupanti dei veicoli, nel caso di urto accidentale di
quest’ultimi contro i dispositivi di ritenuta, stabilmente inseriti nello spartitraffico.
Infatti, l’efficacia di un moderno dispositivo di ritenuta è tanto maggiore
quanto maggiore è lo spazio trasversale di deformazione disponibile (spazio W.W.) per
la dissipazione d’energia conseguente all’azione d’urto. Nel caso d’insufficienza di
spazio di deformazione utile occorrerà accettare il minore dei mali: vale a dire un
aumento della rigidezza del sistema e quindi un aumento, consentito nei casi
particolari(D.M.3.6.98/Art.6), delle azioni impulsive sugli occupanti (ASI>1 ma <1,4), a
favore di una comprovata resistenza di contenimento del veicolo sulla carreggiata.
Inoltre, affinché l’efficacia delle scelte progettuali possa attuarsi pienamente,
è ritenuto utile e, in molti casi necessario, delimitare i margini della piattaforma
stradale con particolari strisce continue di assegnata funzione acustica (bande
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soniche), capaci d’avvertire immediatamente l’utente disattento o indisciplinato d’aver
raggiunto uno spazio improprio per la circolazione.
Come pure, ad esempio, lo spartitraffico dovrebbe garantire gli utenti dal
pericolo dell’abbagliamento notturno, procurato dai fari dei veicoli circolanti in senso
opposto di marcia, che potrà essere tanto più accentuato quanto più ridotta potrà
presentarsi la dimensione trasversale intervia, mentre eventuali schermi artificiali
potranno aumentare fortemente l’efficacia della funzione antiabbagliante.
Tuttavia l’organizzazione dello spazio spartitraffico dovrebbe anche tener
conto della domanda, irrinunciabile, di visuale libera per gli utenti, nei tratti curvilinei
del tracciato, che potrà essere tanto più soddisfatta per quanto più si possa disporre
di banchine ampie e di altezze continue dei sistemi di ritenuta, non eccedenti la
posizione media dell’occhio del guidatore, rispetto alla superficie carrabile.
Per tutti i suesposti motivi, attualmente si è del parere che una progettazione
razionale dei dispositivi di sicurezza passiva (o sistemi di ritenuta) non possa che
svilupparsi secondo procedimenti che possono giovarsi dell’ingegneria virtuale e cioè
di una procedura di simulazione e che consentano di portare in buon conto non soltanto
il comportamento del dispositivo ad un prefissato livello di contenimento ma anche e
soprattutto quello del veicolo, costituito com’è da una struttura deformabile e capace
di sviluppare velocità e accelerazioni in un campo di variabilità veramente grande, mai
esattamente prevedibile in caso d’incidente.
Il metodo delle simulazioni numeriche sviluppato per elementi finiti
tridimensionali, nell’ipotesi di comportamento non lineare e dinamico dei materiali di
corpi liberi deformabili, consente di raggiungere elevati livelli di affidabilità, come
d’altra parte può essere utilmente convalidato, attraverso le prove sperimentali d’urto
al vero in scala reale.
La ricerca effettuata nell’ambito del programma IASPIS – MURST (Cofin
2000/Università “La Sapienza” e Università di Bologna), sui metodi più convenienti di
simulazione del comportamento di veicoli leggeri e pesanti durante l’urto contro
barriere di sicurezza, costituisce un esempio di come si possa raggiungere un buon
livello qualitativo in termini di strumento d’uso, in fase progettuale, per indagare
situazioni anche lontane da quelle delle prove sperimentali standard e a relativo basso
costo. Inoltre l’impiego di modelli molto dettagliati per EF di veicoli consente di
predisporre prove virtuali di crash, utili per passare poi ad un affinamento delle reali
condizioni di prova al vero o di situazioni d’impiego su strada, anche molto diverse da
quelle convenzionali, previste dalle Norme.
3. Criticità e costi delle prove al vero
Attualmente, e non soltanto in Italia, le prove al vero necessarie per conseguire
l’omologazione di un dispositivo da installare su strada sono sempre prove abbastanza
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costose, che richiedono un tempo spesso lungo d’attesa, ma che non sollevano i
progettisti dalle loro personali responsabilità.
Anche in campo automobilistico la tradizione ha da sempre privilegiato di più lo
sviluppo di prototipi reali da sperimentare direttamente su strada e di meno il
seguire, almeno preventivamente, la via razionale del progetto e del calcolo.
Viceversa, in campo strutturale civile, non potendosi realizzare prototipi, se non
in scala molto ridotta, è stato da sempre adottato il metodo razionale del progetto,
sia pure con accettabili approssimazioni e attraverso prove convenzionali su campioni
di materiale dei componenti.
Lo studio di un dispositivo di ritenuta è stato considerato nella maggioranza dei
casi soltanto un processo intuitivo iterativo di tentativo, spesso non sostenuto da
alcuna minima considerazione d’ingegneria strutturale.
Tanto è vero che, ancora attualmente, è abbastanza arduo raggiungere con un
dispositivo le prestazioni attese secondo norma, per l’esiguità delle prove
effettivamente sostenibili, soprattutto in termini di costo e per mancanza o quasi di
modelli di calcolo affidabili.
Senza contare il fatto che l’esito di un prova può dipendere fortemente – a
parità di classe e condizioni di norma - dal tipo di veicolo impiegato, per la diversità di
resistenza all’urto della scocca e per le dimensioni dell’abitacolo, in relazione ai danni
provocati sugli occupanti. (Figura 2)
Figura 2 - Diversità di conseguenze incidentali per diversi tipi di veicolo
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Infine è da sottolineare l’incomunicabilità pratica tra i costruttori dei veicoli e
quelli dei dispositivi di ritenuta, entrambi impegnati nella ricerca della migliore
sicurezza, ma dipendenti ognuno da due diversi insiemi normativi, di fatto quasi
divergenti.
Bisogna infatti ricordare che l’esecuzione dei crash test, effettuata secondo le
specifiche dell’industria automobilistica, non corrisponde in alcun caso alle modalità di
prova dei dispositivi di ritenuta stradale: in queste condizioni, infatti, i veicoli vengono
sollecitati secondo direzioni per le quali non sono stati né progettati né verificati e
omologati.
Per l’esecuzione della prova, al fine di ottenere l’omologazione del dispositivo di
ritenuta, in accordo agli standard fissati, occorre in ogni caso procedere all’acquisto
di veicoli in buono stato di efficienza, predisporre tutta una serie di attrezzature di
rilievo e di memorizzazione dei dati, contare su personale specializzato e soprattutto
necessita la disponibilità in tempi accettabili d’un laboratorio, ufficialmente
autorizzato a rilasciare certificazione.
L’affermarsi dell’ingegneria virtuale e dei suoi impieghi può però consentire un
efficace integrazione alle prove al vero, attraverso l’esecuzione di simulazioni in
numerose condizioni, coprendo un più ampio spettro di situazioni e garantendo
prestazioni molto maggiori in termini di sicurezza.
Vi è infatti un numero di situazioni che, non solo per vincoli economici, è
impossibile riprodurre con delle prove al vero; inoltre, con lo strumento della
simulazione numerica ad elementi finiti, si riesce ad avere informazioni molto più
dettagliate sullo stato di sollecitazione globale e locale, utili per la fase di
progettazione e per l’ottimizzazione nell’uso dei materiali.
4. Necessità di uno strumento progettuale
Lo studio di un nuovo tipo di dispositivo di ritenuta e anche il suo impiego
nell’ambito della realizzazione o dell’adeguamento di una strada deve necessariamente
passare attraverso una fase di accurata progettazione.
Nel passato lo studio era ridotto a valutazioni molto semplificate, inadeguate
alla natura complessa del problema, mentre, nella progettazione dell’infrastruttura
stradale, la fase dedicata alla sicurezza dei margini era risolta frettolosamente, a
posteriori, mediante una scelta da catalogo.
Molto era dovuto alla indubbia difficoltà ad affrontare un problema così
complesso mediante gli strumenti analitici consueti della meccanica dei solidi e della
scienza delle costruzioni.
Proprio questo aspetto è stato risolto mediante l’utilizzo della simulazione
numerica ad elementi finiti, che consente di impostare il problema suddividendo il
continuo in elementi discreti e di demandare la fase di calcolo ad un elaboratore
elettronico.
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Nello studio dei fenomeni d’urto è necessario, per ottenere risultati validi,
utilizzare un codice di calcolo che preveda legami costitutivi complessi e di ottenere la
soluzione per integrazioni successive o passi nel tempo, conservando memoria delle
sollecitazioni e deformazioni negli stati precedenti.
La realizzazione dei modelli di calcolo richiede competenze specifiche, dato
che, per la molteplicità delle interazioni tra i componenti, la scarsa cura dei particolari
può rendere il risultato della simulazione non rispondente alla realtà fisica del
fenomeno.
Lo strumento della simulazione non è però utile nella sola fase di studio di un
dispositivo nuovo o nel miglioramento dell’esistente, ma viene in aiuto al progettista in
tutte quelle situazioni particolari di impiego che non sono previste nella prova di
omologazione.
Si pensi al semplice fatto che la prova di omologazione, che ha un carattere
puramente convenzionale, avviene in piano, su un tratto rettilineo di barriera, secondo
modalità ben definite. Dovendo riprodurre una situazione particolare, può accadere
che la nuova configurazione si riveli critica per lo stesso tipo di barriera che dai
risultati della prova di omologazione sembrava adeguata. Sarà quindi opportuno
progettare gli interventi atti a ricreare le giuste condizioni di sicurezza. È da notare
che la norma cogente prevede che il progettista delle barriere di sicurezza
dell’infrastruttura verifichi queste situazioni.
PROCEDURA SPERIMENTALE PROPOSTA
1
Progetto del prototipo
2
Test statici e dinamici sui componenti
3
4
test virtuali al computer
(meccanica computazionale)
Test reali sulla barriera
5
Verifica,
Calibrazione,
Validazione
del Computer Code
6. PROGETTO ESECUTIVO IN SITUAZIONE REALE
Geometria
stradale
Suolo di
fondazione
Vehicle
crashwortiness
Impatto
Fuori aderenza
7. SIMULAZIONE PER OGNI SITUAZIONE REALE
Figura 3 - Procedura sperimentale e progettuale proponibile
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5. L’ingegneria virtuale
Al fine di risolvere in modo conveniente il problema della verifica o del calcolo
di un dispositivo di ritenuta, si ritiene veramente utile il ricorso all’ingegneria virtuale,
vale a dire all’impiego dei metodi di simulazione o di riproduzione artificiale virtuale
dei fenomeni fisici e meccanici.
Tale procedura è antica, risalendo almeno idealmente a Leon Battista Alberti,
famoso architetto, filosofo e pittore genovese, vissuto fra il XIV e il XV secolo, che
fu il primo ad affrontare scientificamente il problema di una riproduzione fedele della
scena reale, dettando le regole pratiche del disegno prospettico, poi riprese e
ampliate sia da Leonardo da Vinci sia da Michelangelo Buonarroti.
Lo sviluppo delle scienze matematiche e fisiche, nel XVII e XVIII secolo hanno
poi portato all’interpretazione razionale di molti fenomeni fisici, ma è soltanto con la
diffusione del calcolo automatico che è stato possibile, nel XX secolo, riprodurre
esattamente tanti processi reali, non soltanto da un punto di vista geometrico ma
anche da un punto di vista di comportamento dei materiali, attraverso una dettagliata
descrizione numerica dei singoli componenti secondo le regole della Scienza delle
Costruzioni, meglio nota universalmente come “Strength of Materials”.
Geometria
2001
1990
1980
1970
Modelli
3D
autocad
Fisica
materiali
Modelli
Strutturali
3D
Modelli
E.F. 3D dinamici
Simulazione
numerica
Disegno
Automatico
2D
Figura 4 - Evoluzione dell’ingegneria virtuale
Tutto è iniziato, in chiave moderna, con l’introduzione dei
Codici
CAD/CAE/CAM, capaci di automatizzare la descrizione geometrica di qualsiasi
oggetto, ma è soprattutto l’evolversi dell’ingegneria strutturale che, mediante
l’impiego dei metodi di calcolo per elementi finiti (Zienkiewicz 1967), ha consentito
prima la modellazione di sistemi monodimensionali e bidimensionali e poi quella dei
sistemi tridimensionali, in campo dinamico, anche con più corpi liberi deformabili in
movimento.
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Operando in tal modo è possibile produrre artificialmente esperimenti molto
complessi e pervenire a risultati confrontabili con quelli corrispondenti ad esperimenti
reali.
Il caso dei dispositivi stradali di sicurezza è uno dei tanti esempi ove
l’ingegneria virtuale può portare un notevole e consistente contributo, nel consentire
l’assemblaggio di modelli complessi di simulazione, corrispondenti esattamente a
situazioni reali d’impatto di veicoli contro ostacoli fissi o mobili, in un vasto campo di
variabilità di condizioni, iniziali e di contorno.
6. I modelli di simulazione
Nel modellare virtualmente un qualsiasi fenomeno reale è necessario introdurre
alcune approssimazioni, volte a limitare il più possibile i tempi necessari per le
elaborazioni. Si trascura, per questo motivo, in una fase preliminare, la descrizione
dettagliata degli elementi che risultano essere meno influenti rispetto al
comportamento investigato.
La scelta degli elementi da trascurare presenta però notevoli difficoltà, in
quanto occorre valutare accuratamente l’effetto delle ipotesi poste alla base della
modellazione. Per questo, è necessario procedere in maniera graduale, partendo dallo
studio di casi facilmente controllabili, almeno negli aspetti principali, sia qualitativi sia
quantitativi.
La via da seguire parte perciò da casi relativamente semplici, sui quali è
possibile provare le diverse ipotesi di modellazione, per poi passare a casi più
complessi per i quali risultano disponibili i risultati di test sperimentali, tramite i quali
è possibile verificare i risultati ottenuti.
Lo strumento analizzato e perfezionato, ad esempio, durante lo svolgimento
delle ricerche concluse per il progetto MURST/Iaspis 2000, è consistito nella
simulazione numerica di crash test coinvolgenti veicoli leggeri e pesanti e barriere di
sicurezza stradali, mediante l’utilizzo del codice di calcolo ad elementi finiti Dyna-3D.
I modelli studiati erano costituiti dalle seguenti componenti principali:
- Dispositivo di ritenuta o “barriera”.
- Veicolo.
- Pavimentazione stradale.
- Supporti di ancoraggio.
Il dispositivo di ritenuta è stato schematizzato in modo che la geometria e gli
spessori degli elementi strutturali siano quelli reali, modellando con particolare cura le
giunzioni tra i diversi elementi e i materiali utilizzati, descritti con un appropriato
legame costitutivo (elasto – plastico, elasto – plastico con rottura, etc.).
La modellazione del veicolo è stata realizzata, invece, con un dettaglio che ha
tenuto conto della complessa interazione di questo con la barriera, ma che al
contempo non appesantisse l’elaborazione numerica.
13
Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
È comunque irrinunciabile che il veicolo sia schematizzato correttamente
almeno per i seguenti parametri:
- Massa.
- Posizione del baricentro e distribuzione delle masse.
- Dimensioni esterne.
- Deformabilità delle parti a contatto con la barriera
In particolare, la schematizzazione del veicolo pesante è stata effettuata per
fasi successive, partendo da modelli con geometria scatolare, nella quale sia gli
spessori, sia la schematizzazione dei materiali, sono stati assunti in modo fittizio ma
calibrati in maniera da riprodurre i risultati di prove sperimentali al vero. Nelle fasi
successive si è provveduto ad un miglioramento della modellazione, aggiungendo ad
esempio le ruote per simulare correttamente il contatto con la pavimentazione
stradale, e migliorando la geometria generale, suddividendo il veicolo in più elementi
scatolari.
Nel caso dei veicoli leggeri e in vista della misurazione dell’indice ASI, è
necessario avere a disposizione un modello di veicolo sufficientemente raffinato, da
equipaggiare eventualmente anche con un manichino strumentato virtuale (crash test
dummy), analogamente a quanto avviene nella realtà.
Sono disponibili in libreria alcuni modelli preconfezionati di dummies e di alcuni
tipi di autoveicoli, già testati in alcune condizioni particolari (es. urti frontali oppure
laterali).
La pavimentazione stradale, nello studio dei crash test, assolve a due compiti
essenziali: offrire un vincolo unilaterale di appoggio al veicolo e garantire un contatto
strisciante con un certo attrito (in modo da potere riprodurre il rotolamento dei
pneumatici).
Per tali scopi essa può essere modellata con macroelementi shell dotati di
notevole rigidezza e vincolati con incastri ai quattro nodi estremi, oppure con
superfici infinitamente rigide.
La modellazione dei supporti ove la barriera è ancorata viene tradizionalmente
omessa, imponendo ai montanti vincoli di incastro perfetto al piede. Questa
approssimazione limita la complessità del modello ma non consente di cogliere la reale
interazione supporto-montante.
Occorre notare infatti che, durante l’urto, la rigidezza offerta dalla barriera è
notevolmente differente se si considera un incastro (rigidezza infinita) oppure se si
realizza un vincolo cedevole.
7. Analisi dei componenti critici: veicolo e supporto
Il problema della progettazione e dell’analisi di nuovi dispositivi di sicurezza può
essere affrontato con metodologie che potremmo definire di tipo empirico o
razionale.
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Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
I metodi empirici sono costituiti da schemi predeterminati di interazione
veicolo-struttura e si basano su equilibri energetici tra l’energia cinetica del veicolo
collidente e l’energia dissipata dalla deformazione del dispositivo di ritenuta, con i
seguenti:
- vantaggi: semplicità di impiego, modesto numero di dati richiesti, rapidità di
esecuzione, mezzi di calcolo modesti;
- svantaggi: impossibilità di tener conto delle condizioni al contorno e quindi di
valutare il reale fenomeno interazione veicolo-struttura; inoltre non
forniscono alcuna informazione sulle modalità di rinvio dei veicoli in
carreggiata.
I metodi razionali prevedono, invece, lo studio di interazione veicolo-struttura e
si basano su modelli numerici in grado di simulare gli urti tra solidi, discretizzati col
metodo degli elementi finiti ottenendo i seguenti :
- vantaggi: possibilità di prendere in considerazione le condizioni al contorno e
di valutare l’interazione veicolo-struttura; forniscono le modalità di rinvio
dei veicoli in carreggiata, consentono di individuare le caratteristiche
cinematiche di ogni punto nel corso dell’intero evento e quindi di calcolare gli
indici biomeccanici significativi e consentono di ridurre drasticamente i
crash test in vera grandezza e quindi di contenere i costi;
- svantaggi: notevole complessità di impiego, elevato numero di dati richiesti,
lunghi tempi di preparazione delle mesh e di elaborazione, complessità di
interpretazione dei risultati, richiesta di mezzi di calcolo potenti (dalla
workstation in su).
Per la realizzazione modelli numerici, come quelli illustrati nel presente lavoro si
è utilizzato il codice ad ampio raggio agli elementi finiti (LS-DYNA) che è
comunemente utilizzato per studiare la risposta dinamica non lineare di strutture
inelastiche tridimensionali. La sua capacità di realizzare l’analisi automatica dei
contatto tra corpi diversi consentono di risolvere con successo complessi problemi di
crash e di metal forming.
Il Codice DYNA-3D offre moltissime aree di utilizzo, tra queste si ricordano, in
particolare:
- la Vehicle Crashworthiness (automobili, aeroplani, navi, treni);
- la protezione degli occupanti dei veicoli ed applicazioni biomediche;
- il sheet metal forming;
- il testing di prodotti
- l’analisi sismica;
- l’interazione fluidi-struttura e lo studio di deflagrazioni sottomarine;
- lo studio di fenomeni termici ed acustici.
Un così diffuso utilizzo di questo Codice ne testimonia le capacità: sono
presenti infatti più di un centinaio di modelli costitutivi per simulare un ampio spettro
di materiali (acciai, materiali compositi, schiume leggere, calcestruzzo, ecc), ivi
compreso il materiale definibile dall’utente. Il codice ha, inoltre, una copiosa libreria
15
Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
di elementi, tra cui membrane, elementi shell, truss, beam, brick, spring e dumpers,
seatbelts elements e rigid bodies. Funzioni speciali riguardano gli algoritmi di contatto
automatico, l’airbag inflation, l’utilizzo delle cinture di sicurezza e l’interazione corpo
deformabile-corpo rigido. L’introduzione di tecniche risolutive di tipo LagrangianeEuleriane (ALE) ed Euleriane, ha aperto il campo alla modellazione di interazioni
fluido-struttura e di problemi con fluidi in generale. Un risolutore termico implicito
consente di modellare problemi accoppiati termico-strutturali.
8. Il modello numerico del veicolo leggero
Questa fase comporta una vera e propria costruzione del veicolo. Il veicolo
deve infatti essere costituito da un numero di elementi finiti tale da garantire una
rappresentazione dei particolari paragonabile a quella che si può ottenere nello
schematizzare una barriera di sicurezza.
Un numero troppo elevato o troppo ridotto di elementi creerebbe
disomogeneità all’interno del modello complessivo. Quindi, un livello omogeneo di
definizione nella rappresentazione dei due componenti principali è il primo passo verso
una corretta simulazione.
Il modello di veicolo leggero è stato prelevato, nel caso riportato, dal sito del
NCAC (National Crash Analysis Center) statunitense (http://www.ncac.gwu.edu/).
Dalla SUZUKI Swift originaria, composta da circa 16000 elementi, si è passati prima
ad affinare la mesh nelle parti che sarebbero andate ad urtare la barriera, in modo da
evitare i problemi di compenetrazione dei nodi che si possono presentare quando le
dimensioni delle mesh non sono omogenee, poi, alla calibratura del peso del veicolo e in
modo che non solo il peso complessivo rientrasse nelle tolleranze definite nelle
normative, ma anche la posizione del centro di gravità fosse quella prescritta.
Si è ottenuto un veicolo con un peso complessivo di 929 kg e con il centro di
gravità posizionato ad un’altezza di 0.545 m ().
Figura 5 – Parti del modello “wireframe” di veicolo leggero per i crash test virtuali
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Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
Figura 6 – modello completo “wireframe” di veicolo leggero
TIPO DI
NORMATIVA
MODELLO
REALIZZATO
INDICAZIONI
DELLE
NORMATIVE
MASSA STATICA
TOTALE
(kg)
929
ALTEZZA DA
TERRA DEL
BARICENTRO (m)
0.545
Italiana ed europea
900? 40
0.49 ? 0.05
Statunitense
895? 25
0.55 ? 0.05
Tabella 1 - Caratteristiche del veicolo leggero secondo le normative vigenti.
9. Modello del veicolo pesante
Il modello del veicolo pesante è stato interamente sviluppato nel laboratorio di
ingegneria virtuale dell’Area Strade dell’Università di Roma “La Sapienza”.
Per l’occasione, è stato scelto un veicolo di tipologia adatta alle prove per classe
H4a, quindi un quattro assi con massa complessiva di 30 t. E’ stato accuratamente
effettuato un rilievo su di un veicolo Fiat 180 e ne sono state riprodotte le
caratteristiche geometriche, strutturali e dinamiche, poi confluite in un modello
virtuale.
17
Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
Figura 7 – Veicolo Fiat 180 riprodotto virtualmente
Particolare cura è stata posta nel riprodurre le sospensioni e il cinematismo di
assi e ruote.
Figura 8 – Dettaglio degli assi e delle ruote
18
Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
Figura 9 – Dettaglio della struttura portante e delle sospensioni a balestra
Figura 10 – Veicolo completo in fase di modellazione, visualizzazione wireframe
19
Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
Figura 11 – Dati geometrici e dinamici del veicolo reale di riferimento,
la secondo scheda di prova (LIER)
10. Modellazione del dispositivo di ritenuta
Il dispositivo di ritenuta riprodotto nella simulazione riportata è una barriera
da ponte di classe H4, in acciaio; al fine di conoscere il comportamento degli ancoraggi
è stato modellato un impalcato da ponte, ipotizzato come cassone unico con uno sbalzo
20
Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
laterale di 2.5 m, determinato in base a esempi di ponti già costruiti presenti in
letteratura.
La barriera è stata modellata con elementi finiti di tipo piano (shell), solo per gli
ancoraggi si sono usati degli elementi di tipo lineare (beam); l’intero impalcato è stato
realizzato con elementi solidi (brick) a otto nodi, con integrazione completa.
Gli elementi “shell” usati sono elementi a quattro nodi con la formulazione di
Belytschko – Tsay mentre gli elementi beam degli ancoraggi sono del tipo Hughes – Liu
con integrazione sulla sezione.
Il materiale utilizzato per la barriera è un materiale elastoplastico con strani
softening e rottura, corrispondente ad un Fe430, utilizzato nella realtà per tutti gli
elementi.
Materiale Elasto plastico con strain softening e rottura
6.00E+02
5.00E+02
MPa
4.00E+02
Materiale 24
3.00E+02
2.00E+02
1.00E+02
0.00E+00
0
10
20
30
40
50
60
‰
Figura 12 – Materiale elastoplastico (tipo 24) utilizzato per la barriera
Per saggiare le proprietà del legame costitutivo utilizzato per modellare
l’acciaio sono stati simulati i test di trazione con un provino realizzato con elementi
brick.
Nella prova vengono correttamente evidenziate le fasi salienti di una prova
reale, con la strizione e la rottura finale.
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Figura 13 – Fase iniziale della simulazione di prova a trazione
Figura 14 – Fase finale (rottura) della simulazione di prova a trazione
22
Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
Anche per il materiale utilizzato per il calcestruzzo sono state realizzate prove
simulate per riprodurre test di laboratorio; in questo caso è stato riprodotto un
provino cilindrico di dimensioni normalizzate e sono state controllate le deformazioni
durante la prova.
Figura 15 – Simulazione di prova di rottura a compressione per il calcestruzzo
La barriera da ponte utilizzata è composta di numerosi elementi strutturali, che
sono stati tutti modellati tenendo conto delle loro caratteristiche di spessore e di
mutua connessione.
Figura 16 – Vista frontale della barriera completa di ancoraggi
23
Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
Figura 17 – Vista assonometrica di un tratto di barriera
L’obiettivo principale, per questa classe di contenimento, è quello di contenere i
veicoli pesanti, ma allo stesso tempo è necessario controllare che sia impedito il
ribaltamento dei veicoli leggeri e che le accelerazioni sugli occupanti siano limitate
entro valori accettabili.
24
Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
ID Parte
Nome
Mat.
Nome materiale
1
TELAIO
20
NAME:TELAIO
2
PARAURTI 31
NAME:S205JR-R
3
IRR_TELA
20
NAME:TELAIO
4
AMMORT
23 NAME:AMM_WEAK
5
ASSI
26
NAME:ASSI
6
CERCHI_I
20
NAME:TELAIO
7
CABINA
17
NAME:CABINA
8
VANO_POS 21
NAME:V_POST
9
F_ANT
18
NAME:F_ANT
10
F_POST
20
NAME:TELAIO
11
MOTORE
22
NAME:MOTORE
12
CERCHIO
20
NAME:TELAIO
13
PNEUM
19
NAME:PNEUM
14
AMM_2
24
NAME:AMM_STRN
15
CARICO
25
NAME:CARICO
17
AMM-SH
34
NAME:AMM_SH
18
AX-APP
16
NAME:AX-APP
16
PNEUM2
19
NAME:PNEUM
50
MONTF
30
NAME:S235JR-R
51
NASTROF
27
NAME:S235JR
52
DISTINFF
31
NAME:S205JR-R
53
DISTSUPF 30
NAME:S235JR-R
54
DISTCENF 30
NAME:S235JR-R
55
CORINFF
30
NAME:S235JR-R
56
CORSUPF 30
NAME:S235JR-R
56
CORSUPF 30
NAME:S235JR-R
57
DIAGONF
30
NAME:S235JR-R
58
CSUPPOST 30
NAME:S235JR-R
59
ALAMONT
30
NAME:S235JR-R
60
PIASTRA
30
NAME:S235JR-R
62
ANCSUP
32
NAME:ANCOR
63
ANCINF
32
NAME:ANCOR
71
IMPALC
33
NAME:CLS
80
SOLETTA
33
NAME:CLS
81
PAV_RIG
35
NAME:RIGIDO
Tipo Materiale
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_ELASTIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_ELASTIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
*MAT_RIGID
?
1000
7860
1000
1000
100
1000
1000
40000
1000
1000
3200
1000
800
1000
910
1000
7860
800
7860
7860
7860
7860
7860
7860
7860
7860
7860
7860
7860
7860
7860
7860
2500
2500
2500
E
2.10E+11
1.10E+11
2.10E+11
2.10E+10
2.11E+11
2.10E+11
2.10E+10
2.11E+11
2.10E+10
2.10E+11
2.11E+11
2.10E+11
2.10E+09
4.11E+10
2.00E+05
1.00E+11
2.10E+11
2.10E+09
2.10E+11
2.10E+11
1.10E+11
2.10E+11
2.10E+11
2.10E+11
2.10E+11
2.10E+11
2.10E+11
2.10E+11
2.10E+11
2.10E+11
2.11E+11
2.11E+11
3.10E+10
3.10E+10
3.10E+10
Tabella 2 – Elenco dei materiali e loro caratteristiche
11. Preparazione dei test virtuali
Una volta completata la realizzazione numerica del veicolo pesante e della
barriera si è passati alla fase di assemblaggio della barriera con ciascuno dei veicoli.
La barriera è stata ruotata e traslata in modo che il veicolo andasse ad urtare la
stessa con un angolo d’impatto di 20 gradi.
Quindi al veicolo sono state imposte le condizioni iniziali di velocità, pari a
100 km/h per il veicolo leggero (prova standard TB11 – EN1317) e pari a 68 km/h per il
veicolo pesante (prova standard TB71 – EN1317).
La fase che ha richiesto più attenzione è stata quella relativa alla definizione
dei vari elementi contatto. Nel modello sperimentale illustrato, sono stati identificati
tre tipi di contact interface: ‘sliding’.
Dei contatti di tipo sliding, il primo è identificato come “a5: automatic nodes to
surface”. Questo tipo di contatto riguarda i nodi del veicolo che vanno ad urtare
direttamente con la barriera. Tutti i nodi del veicolo, in particolare quelli del fianco
destro, costituiscono gli slave nodes, mentre i nodi della barriera che rientrano nella
zone in cui avviene l’urto, costituiscono i contact segment master.
Il vantaggio del tipo “a5” rispetto al tipo “5: nodes to surface” risiede nel fatto
che non occorre controllare che le normali a queste superfici, indicate come master,
siano contrarie alla direzione con cui i nodi slave vanno ad urtare le stesse, perché ciò
25
Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
viene fatto in automatico in base alla direzione di provenienza degli slave nodes.
Questo comporta un grosso vantaggio che riduce notevolmente le possibilità di
compenetrazione dei nodi e conseguentemente i problemi di "snagging" della mesh e di
blocco dell'analisi.
Il secondo e il terzo tipo di contatto sliding è identificato come “13: automatic
single surface” e riguardano rispettivamente tutti i nodi del veicolo e della barriera.
Questo tipo di contatto impedisce che le varie parti, deformandosi, penetrino nelle
parti adiacenti, compromettendo l’esito della simulazione. Anche in questo caso, la
determinazione della normale alle superfici viene fatta in automatico, in base al lato in
cui avviene il contatto. Nella Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. e
Tabella 4 vengono riassunte le caratteristiche della barriera modellata con l’LSDYNA.
BARRIERA IN ACCIAIO
ELEMENTI
MATERIALI
LS-DYNA
Shell: Belytschko-Tsay
Elasto-plastico: tipo 3
Tabella 3 - Caratteristiche della barriera
SUPERFICI
PENALTY FACTOR
MASTE
MASTE
SLAVE
SLAVE
R
R
a5: Automatic nodes to surface Veicolo Barriera
0.05
20
Barriera Barriera
1
1
13: Automatic single surface
Veicolo Veicolo
1
1
CONTATTI LS-DYNA:
SLIDING
Tabella 4 - Superfici di contatto sliding
Il modello è stato completato definendo un campo di gravità costante e pari a
9.81 m/s2 (= 9810 mm/s2). Il calcolo è stato sviluppato per un tempo di 0.8 secondi,
piuttosto lungo rispetto all’effettiva durata dell’urto, in modo da poter fare
considerazioni sulla traiettoria post urto del veicolo.
12. Esempio di validazione di crash test virtuale
Una volta costruito il modello di simulazione e risolti i primi problemi di
elaborazione, è necessario validarlo mediante il confronto con una prova al vero
riguardante lo stesso tipo di barriera e lo stesso veicolo. Nel caso in cui il confronto
tra le due situazioni, reale e simulata, mostrasse differenze troppo marcate, sarà
necessario studiare le correzioni da apportare al modello di simulazione, affinché ci
sia una risposta adeguata.
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Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
Nelle figure riportate viene mostrato il confronto visuale prospettico tra la
prova reale (LIER 360) e la prova simulata, con veicolo e barriera analoghi.
Come si può notare viene riprodotto sia il moto del veicolo sia la deformazione
della barriera, con evidente buon grado di attendibilità.
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Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
L’analisi delle tensioni permette di avere informazioni aggiuntive sullo stato
tensionale di tutte le parti della barriera, in modo molto più dettagliato di quanto si
potrebbe nelle prove reali, in quanto sarebbe necessario predisporre tanti strumenti
quanti sono i punti da controllare.
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Csm1.30.6
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Figura 18 – Diagrammi delle tensioni nella barriera durante la prova
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Figura 19 – Diagrammi tensionali della sezione di impalcato modellata
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Csm1.30.6
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Ai fini dell’omologazione vengono controllate le deformazioni laterali massime
dinamiche e statiche residue della barriera; esse sono poi utilizzate per il calcolo della
deflessione dinamica (D) e dello spazio di lavoro (W), che sono limitati secondo classi
indicate nella norma.
Figura 20 – Massima deformazione laterale dinamica
Figura 21 - Deformazione laterale residua
Gli andamenti delle deformazioni per il nodo che si deforma maggiormente, in
testa alla trave superiore della barriera, sono diagrammati nel tempo (time history).
In questo modo vengono ben rappresentate le fasi dell’urto, il ritorno elastico e le
deformazioni residue.
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Csm1.30.6
INGVIRT/A.R.
Def. Lat. (m)
0,04
0,00
0,03
-0,10
0,03
-0,20
0,02
-0,30
Def (m)
Def (m)
Def. Long. (m)
0,02
0,01
0,01
0,00
0,0
-0,01
-
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
-0,40
-0,50
-0,60
-0,70
0,2
0,4
0,6
0,8
Tempi (sec)
1,0
1,2
1,4
1,6
-0,80
Tempi (sec)
Figura 22 – Time histories delle deformazioni in testa alla barriera
13. Altri esempi di crash test riprodotti virtualmente
Una volta validati i materiali e i modelli dei veicoli utilizzati, sono stati
riprodotti test su differenti tipi di barriere.
Figura 23 – Simulazione di test TB71 e barriera in calcestruzzo
32
Csm1.30.6
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Figura 24 – Fase iniziale della redirezione
Per alcune simulazioni è stato possibile effettuare un confronto con prove al
vero in condizioni molto simili.
Figura 25 – Confronto tra simulazione e test TB11 su barriera di calcestruzzo
33
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INGVIRT/A.R.
Figura 26 – Confronto tra simulazione e test TB11 su barriera in calcestruzzo
14.
Conclusioni
I risultati fin qui conseguiti attraverso il lavoro di ricerca svolto possono
evidenziare come la metodologia di studio proposta sia valida ed efficace e consenta,
con costi relativamente contenuti, lo studio di una casistica altrimenti non
effettuabile ricorrendo ai costosi test in scala reale.
Nell’ambito di una proposta metodologica di verifica razionale dei sistemi di
sicurezza, si è illustrato come esista la possibilità di simulare numericamente il
complesso fenomeno di un urto fra due solidi articolati quali un veicolo (leggero e/o
pesante) ed una barriera di sicurezza, tenendo conto delle reali condizioni al contorno.
Con questa metodologia, infatti, le sollecitazioni non vengono imposte
dall’esterno ma derivano dall’interazione dei solidi caratterizzati meccanicamente e di
cui sono note le velocità iniziali.
In particolare è possibile analizzare:
?? la traiettoria spaziale che segue il veicolo durante e dopo l’impatto, tramite i
fotogrammi e i filmati che si possono visualizzare;
?? le accelerazioni relative subite dagli occupanti del veicolo, attraverso
l’inserimento di uno o più accelerometri virtuali;
?? le deformazioni e le tensioni che nascono nei diversi corpi coinvolti nell’urto;
?? le velocità di ogni elemento del sistema;
Questo procedimento, se da un lato non consente di surrogare completamente i
crash test reali, che tra l’altro costituiscono un fondamentale strumento di taratura
dei modelli, dall’altro è senz’altro in grado di ridurne il numero e quindi l’onere
finanziario, consentendo soprattutto d’esplorare quelle situazioni d’impiego su strada,
abbastanza diverse da quelle corrispondenti alle prove d’omologazione.
34
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15.
Bibliografia sommaria
1. Ministero dei Lavori Pubblici (1992) DECRETO 18 febbraio 1992, n.223 Regolamento recante istruzioni tecniche per la progettazione, l’omologazione e
l’impiego delle barriere stradali di sicurezza.
2. Ministero dei Lavori Pubblici (1999) DECRETO 11 giugno 1999 - Integrazioni e
modifiche al decreto ministeriale 3 giugno 1998, recante: "Aggiornamento delle
istruzioni tecniche per la progettazione, l'omologazione e l'impiego delle
barriere stradali di sicurezza".
3. UNI EN 1317-1 – Barriere di sicurezza stradali – Terminologia e criteri generali
per i metodi di prova. UNI, Milano, maggio 2000.
4. UNI EN 1317-2 – Barriere di sicurezza stradali – Classi di prestazione, criteri
di accettazione delle prove d’urto e metodi di prova per le barriere di
sicurezza. UNI, Milano, maggio 2000.
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aggiornamento e circolare recante l'elenco degli istituti autorizzati alle prove d
impatto al vero ai fini dell'omologazione.
6. Ministero dei Lavori Pubblici (1998) DECRETO 3 giugno 1998 - Ulteriore
aggiornamento delle istruzioni tecniche per la progettazione, l'omologazione e
l'impiego delle barriere stradali di sicurezza e delle prescrizioni tecniche per le
prove ai fini dell'omologazione.
7.Ministero dei Lavori Pubblici (1987) CIRCOLARE 11 luglio 1987, n. 2337 - Legge
21 aprile 1962, n.181, art. 1, lettera f). Provvedimenti per la sicurezza stradale.
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8.Ministero dei Lavori Pubblici (1995) CIRCOLARE 9 giugno 1995, n. 2595 Barriere stradali di sicurezza. Decreto ministeriale 18 febbraio 1992, n. 223.
9.Ministero dei Lavori Pubblici (1996) DECRETO 10 ottobre 1996, n.4621 Allegato 1 - Istruzioni tecniche sulla progettazione, omologazione ed impiego
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