NUEVAS TECNOLOGÍAS PARA EL DISEÑO YDESARROLLO DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN VIALPARA MOTORISTAS 1ª FASE

TAREA 2ESTUDIO DE LAS DISTINTAS SOLUCIONES PROPUESTAS MEDIANTESIMULACIONES POR ORDENADOR Y ENSAYOS EXPERIMENTALES.

ÍNDICE:

ÍNDICE: ................................................................................................................................................................. 2

1. INTRODUCCION ....................................................................................................................................... 3

2. OBJETIVOS DE ESTE PROYECTO ....................................................................................................... 4

3. METODOLOGÍA. ....................................................................................................................................... 4

4. DESCRIPCIÓN DE LAS TAREAS REALIZADAS ..................................................................................... 5

TAREA 1: BARRERA METÁLICA......................................................................................................................... 5TAREA 2 : MODELIZACIÓN DE LA BARRERA MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS. ................................................ 10

A. Caracterización de materiales. .......................................................................................................... 12B. Modelización de las piezas de la barrera. ......................................................................................... 14C. Caracterización de uniones en la barrera. ........................................................................................ 21D. Anclaje de la barrera metálica al suelo. ............................................................................................ 26

TAREA 3: RECOPILACIÓN DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN DE MOTORISTAS. ............................. 27A. Protecciones puntuales. ..................................................................................................................... 27B. Protecciones continuas. ..................................................................................................................... 32

TAREA 4: MODELIZACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN DE MOTORISTAS. ............................................. 36Protector de poliestireno expandido............................................................................................................ 36Protección continua: doble bionda.............................................................................................................. 39

TAREA 5: DEFINICIÓN DEL ENSAYO DE SIMULACIÓN DE IMPACTO DE MOTORISTA CONTRA BARRERA DESEGURIDAD........................................................................................................................................................ 43TAREA 6: COMPARACIÓN DE LA EFICACIA DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN............................... 52TAREA 7: ENSAYOS EXPERIMENTALES SOBRE PROTECTORES DE POSTE.......................................................... 60

Introducción................................................................................................................................................. 60Descripción de una máquina de ensayos de caída libre de masa................................................................ 60Concepción y resultados de los ensayos. ..................................................................................................... 66

5. CONCLUSIONES. .......................................................................................................................................... 70

BIBLIOGRAFÍA. ................................................................................................................................................ 71

1. INTRODUCCION

Las barreras de seguridad se diseñan para contener un vehículo en movimiento errante y reducir laseveridad del accidente en las salidas de calzada. La experiencia indica que los sistemasconvencionales diseñados de acuerdo a las especificaciones actuales han mejorado de alguna manerala protección ofrecida a los ocupantes de los turismos. Sin embargo, estos efectos plantean seriosinconvenientes en la seguridad de los motoristas.

Varias organizaciones plantean que la instalación de las actuales barreras de seguridad incrementa demanera importante el riesgo de daños muy graves en el motorista que se ve implicado en un impactocontra ellas. Caras y bordes afilados de postes y vallas provocan graves lesiones cuando no la muertedel accidentado.

Ante este problema, las soluciones que se proponen y que se implantan actualmente en las carreterasson variadas, y se basan en dos tendencias: bien recubrir los postes con cubiertas deformables paraimpedir el impacto directo contra las aristas cortantes, o bien situar por debajo del nivel de la vallaelementos longitudinales que impidan que el motorista franquee la barrera o choque contra el poste.Sin embargo, no se ha alcanzado una solución unánimemente aceptada, y la variedad de propuestasexistentes hace necesario un estudio que permita valorar y comparar los distintos sistemas.Este hecho, unido a que la nueva normativa EN1317 sobre sistemas de contención de vehículos nocontempla en modo alguno los sistemas de seguridad para estos usuarios de las carreteras, y a laescasez de información disponible acerca de la interacción entre barrera y motorista motiva el queCIDAUT se plantee como prioritario el iniciar una línea de investigación que aborde esta graveproblemática.

Para ello se utilizarán modernas tecnologías de cálculo basadas en la técnica de los elementos finitos.Estas herramientas permitirán profundizar en el comportamiento de los diferentes sistemas deseguridad y de los elementos que los forman, de sus materiales constituyentes, así como de sucomportamiento mecánico, lo que llevará a obtener soluciones más adecuadas en cada caso yalcanzar el fin último que es la mejora de la seguridad y la reducción tanto de la gravedad de laslesiones como del número de víctimas. A su vez se realizarán ensayos experimentales con los queintentar conocer el comportamiento de algunas de las soluciones propuestas.

Por tanto, con este proyecto se ofrecerán respuestas a un problema sobre el que hoy existe unacreciente concienciación, y al que ya se está buscando respuesta en el ámbito europeo.

2. OBJETIVOS DE ESTE PROYECTO

El presente proyecto ha llevado a cabo un estudio de los sistemas de protección para motoristas,analizando el problema de la interacción entre el motorista y las barreras de seguridad vial mediante eluso de la simulación por ordenador. A partir de este estudio, se ha podido esbozar unas pautasgenerales que deban inspirar el desarrollo de nuevos sistemas.Para ello se han desarrollado los siguientes objetivos específicos:

• Estudio de diferentes estructuras significativas ante el impacto de un motorista: estructuras deabsorción de energía.

• Identificación de los diseños más apropiados para la mejora de la seguridad de los motoristas.

• Estudio de los parámetros más influyentes en los valores de daño obtenidos en el maniquí.Estudio de la sensibilidad de dichos parámetros.

• Desarrollo de una metodología para afrontar y mejorar la protección de motoristas anteimpacto y su aplicación en futuras normativas.

3. METODOLOGÍA.

En este proyecto se pretende conseguir un conocimiento de los distintos sistemas de protección demotoristas y de su interacción con el motorista en caso de impacto.Se estructura el desarrollo del proyecto en las siguientes tareas:

TAREA 1: Barrera metálica. Se busca conocer el funcionamiento de la barrera metálica que actúacomo soporte de los distintos sistemas de protección existentes. Para ello primero se conocerán lossistemas de protección, los distintos tipos que existen y cuáles son los criterios de eficacia que debencumplir.

TAREA 2 : Modelización de la barrera mediante elementos finitos.

TAREA 3 : Recopilación de los distintos sistemas de protección existente en el mercado.Elegir los sistemas más representativos para desarrollar un estudio más exhaustivo.

TAREA 4 : Modelización de los sistemas de protección de motoristas e incluirlos en la modelización dela barrera metálica.

TAREA 5 : Definición de un ensayo simulado de impacto de motorista.

4. DESCRIPCIÓN DE LAS TAREAS REALIZADAS

TAREA 1: Barrera metálica.

Por definición, un sistema de contención es todo dispositivo que, instalado en el margen o la medianade la carretera, tiene por objeto reducir la gravedad de los incidentes originados por vehículos erráticosque abandonan la calzada. Estos sistemas actúan reemplazando la eventual colisión del vehículocontra un obstáculo o contra un tercero, la caída por desnivel o la invasión de una vía adyacente, porun impacto, más controlado, contra el propio sistema.

Dentro del conjunto de las infraestructuras viales de seguridad, los Sistemas de Contención deVehículos abarcan los siguientes equipos:

Barreras de Seguridad: Sistemas longitudinales en los bordes de la calzada. Según su posiciónpueden clasificarse como:

- Barreras en márgenes (situados en los bordes laterales de la carretera).- Barreras en mediana (situados en la parte central de la carretera).

Pretiles (situados en bordes de tablero de puentes, viaductos u otras obras de paso).

Atenuadores de Impactos. Elementos amortiguadores que se disponen como protección frente achoques directos contra obstáculos como postes de señalización, pilares de puente, etc.

Terminales y transiciones. Elementos que se sitúan en los extremos de un sistema de contención,bien para hacer de unión entre distintos tramos longitudinales, o bien como remate en el inicio o en elfinal del sistema.

Lechos de frenado. Recintos acondicionados expresamente para que en ellos se puedan realizarfrenadas de emergencia.

Entre estos distintos tipos, los sistemas que destacan por su mayor implantación en nuestrascarreteras son las Barreras de Seguridad, mientras que los demás tienen una aplicación más puntual.

La barrera metálica es el elemento de la infraestructura viaria sobre el que el presente documento harealizado el estudio. Representa, según todos los análisis realizados, uno de los obstáculos másagresivos sobre los que pueden llegar a contactar un motorista en caso de accidente en la carretera.Los elementos de que consta son los siguientes:

- Valla (viga). Elemento que toma y mantiene contacto con el vehículo, y cuyamisión fundamental es contenerlo y reconducirlo. La valla debe absorber demanera controlada parte de la energía cinética del impacto. Generalmente seemplea como valla un perfil tipo “doble onda”.

Las dos figuras siguientes muestran los planos de dos perfiles de barrera metálica existentes hoy endía. A la izquierda de la imagen aparece la sección del perfil “doble onda” característico y a la derechalas dimensiones de los taladros que conectan al separador que une la valla al poste.Se comprueba a su vez cómo habitualmente la separación entre postes es de cuatro metros.

Figura 1

Figura 2

- Poste. Actúa como elemento soporte de la valla y como medio de inserción de labarrera en el terreno. Dependiendo de la deformabilidad del material del suelo enque esté hincado, puede deformarse y moverse o bien abandonar su alojamientoen el terreno, a medida que la capacidad de absorción de energía del conjunto vaagotándose.

Generalmente los postes han sido siempre perfiles abiertos con aristas expuestas a cualquier objetoque golpee contra ellos.

Figura 3. Perfil IPN

Figura 4. Poste de barrera.

- Separador. Elemento de conexión entre valla y poste. Su función principal esdistanciar las ruedas del vehículo del poste, evitando que este último intercepte elprimero, así como el mantenimiento de la altura de la valla durante la deformacióndel poste.

Figura 5. Separador

El conjunto de los tres elementos forman la barrera metálica tal y como aparece en la figura siguiente.

Existen otros tipos de barrera con alma metálica pero recubrimiento externo de madera especialmentediseñada para lugares donde el impacto ambiental es una premisa relevante.

Figura 7. Barrera con exterior de madera

En lo referente a la evaluación del funcionamiento de barreras, la Normativa EN1317 establececriterios de eficacia que identifican y definen el comportamiento de cualquier sistema de contención.Son los siguientes:

- Nivel de contención: Capacidad de retención del sistema en términos de energía cinética delvehículo incidente. El nivel será mayor si el sistema de contención es capaz de impedir que unvehículo de mayor masa o a mayor velocidad atraviese el sistema, absorbiendo su energía.

- Severidad del impacto: Mide el riesgo de lesiones de los ocupantes, basándose principalmenteen el parámetro ASI (Indice de Severidad de la Aceleración). En ningún caso se hace referencia alos daños que podría sufrir un motorista.

- Deformación: Debe ser tal que permita absorber energía, reduciendo la severidad del impacto,pero sin permitir que el vehículo abandone la vía o choque contra un obstáculo.

- Capacidad de reconducción. Se trata de que el vehículo, tras el choque con el sistema, regresea la calzada con una trayectoria cuyo ángulo respecto del eje de la vía sea reducido.

TAREA 2 : Modelización de la barrera mediante elementos finitos.

A la hora de emprender un estudio mediante método de los elementos finitos, nos podemos planteardos opciones; una consiste en crear un nuevo software o utilizar uno ya existente en el mercado. Crearun nuevo software implicaría un extenso trabajo tanto de desarrollo como de validación, se necesitavalidar el software para estar seguros de que los resultados obtenidos son realistas y fiables.En nuestro caso debido a la complejidad del problema se opta por utilizar un software ya existente enel mercado.

Las distintas aplicaciones de software que se pueden utilizar para éste proyecto son:

• MADYMO, es la herramienta de multicuerpos más usada y validada para simular labiomecánica de un impacto. Esta desarrollado y vendido por TNO Automotive.

• VEDYAC, también es un programa de multicuerpos que posee más aplicaciones queMADYMO . Creado en el departamento de ingeniería aerospacial de la politécnica de Milano.

• PAM-CRASH y LS-DYNA son dos conocidos programas de elementos finitos que incluyen unaamplia base biomecánica. Tienen altos costes computacionales y pueden suministrar másdetalles de resultados.

Estos programas de simulación utilizados están basados en algoritmos de cálculo explícito, y estánespecialmente indicados para el tratamiento de problemas no lineales y de complejas condicionesdinámicas y de contacto-impacto.

Los programas de simulación aportan numerosas ventajas entre las cuales se pueden destacar:

• Proporcionan suficiente información que los ensayos experimentales no son capaces de aportar,como por ejemplo: Niveles de tensiones, desplazamientos, deformaciones, cargas.

• Bajo coste comparado con el gasto que supondría realizar un crash-test por su alto coste entiempo de preparación del ensayo y por el coste de los componentes a estudiar.

• Repetibilidad en las simulaciones que no es posible de conseguir en los ensayos experimentales.

• Permiten optimizar el diseño, gracias al ahorro de gran parte del tiempo y del coste que acarrearíala realización de ensayos repetitivos.

• Permiten optimizar parámetros, y observar en cada caso los efectos que provocarían susvariaciones en el comportamiento.

Para el desarrollo del proyecto se elige como herramienta de trabajo el software PAM-CRASH que yaha sido utilizado en numerosas ocasiones y que nos proporciona gran fiabilidad en los datos obtenidosal mismo tiempo que nos permite conocer con gran detalle cómo suceden los fenómenos de impacto

Además presentan la gran ventaja de que se puede conocer de forma rápida la influencia en el modelode ciertos parámetros, pertenecientes tanto a la barrera metálica, el rozamiento con el suelo, tipos deimpactores utilizados para chocar contra la barrera, distintos espesores en las piezas, etc.

Todos los sistemas de protección de motoristas van instalados en la barrera metálica siendo ésta unaparte fundamental en nuestro proyecto. Se necesitó conocer las partes de que se compone lascaracterísticas, materiales, misión que tienen que cumplir dentro del sistema. Se necesitó poseer unmodelo de elementos finitos fiables para asegurar que el comportamiento de los sistemas deprotección es fiable.

Para poder estudiar el fenómeno de impacto entre el motorista y la barrera de seguridad ha resultadonecesario representar esta barrera mediante elementos finitos para introducir en nuestro software,además se ha necesitado conocer las características de los materiales que se emplean en ella parapoder representar este comportamiento en nuestro modelo.

En el desarrollo del estudio de la barrera se siguieron estos pasos:

A. Caracterización de materiales.B. Modelización de las piezas de la barrera.C. Caracterización de uniones en la barrera.D. Anclaje de la barrera metálica al suelo.

A. Caracterización de materiales.

Para poder conseguir con éxito nuestro propósito era necesario construir progresivamente elconocimiento de la estructura de la barrera de seguridad y de su funcionamiento, siguiendo unproceso continuo. Este proceso comenzó por un estudio a fondo del material con el que estáconstruida la barrera, que aportó una descripción de sus características mecánicas. En este caso setrataba del acero. Una vez conocido el material, se pasó a describir de manera individual y aisladacada elemento constitutivo del sistema, empleando para ello la descripción del material obtenidaanteriormente. Y finalmente, contando con la descripción mecánica de cada componente se trató elsistema en su conjunto.

Si se pretende conocer adecuadamente las características de los materiales que constituyen elsistema, hay que tener en cuenta la variación que se produce en la ley de comportamiento de unmaterial en función de la velocidad de deformación. En fenómenos con cargas dinámicas, como sonlos de impacto, se dan velocidades de deformación altas, y aparecen asociados a ellas fenómenos deendurecimiento del material. En el caso de aceros, estos efectos son muy importantes, y afectan a lastensiones de fluencia y de fractura, cuya variación se expresa mediante leyes que son función de lapropia velocidad de deformación (también conocida como “strain rate”). Por tanto, era imprescindibleconocer el comportamiento del acero en el rango de velocidades de deformación que aparezcan en eldesarrollo del impacto del vehículo.

Para ello se sometieron a tracción en el banco de ensayos MTS distintas probetas normalizadas deacero (Figura 1), a diferentes velocidades de deformación. Los resultados obtenidos son las curvasfuerza-tiempo, curvas desplazamiento-tiempo que se usaron como datos de entrada en el programaPAM-CRASH de simulación por elementos finitos para ajustar las leyes de comportamiento de losmodelos de barrera.

Paralelamente a los ensayos experimentales de caracterización de material, se creó un modelo deelementos finitos de una probeta de acero (Figura 8). Éste fue el modelo que se empleó paraconseguir ajustar en él, a partir de los datos experimentales, los parámetros de cálculo relativos amateriales, de forma que la ley de comportamiento (tensión–deformación) que se incluye en el modelode elementos finitos se correspondiera con el material real.

En la siguiente figura se puede observar la ley de comportamiento del acero a una determinadavelocidad obtenida mediante el ensayo experimental. Se pueden distinguir claramente las dos zonasde comportamiento: la zona elástica y la zona plástica. En la zona elástica el material es capaz derecuperar cuando se dejan de aplicar esfuerzos, mientras que en la zona plástica el material poseeuna deformación permanente, llega un momento que la deformación existente es la máxima quesoporta el material y entonces llegaría a la rotura.

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014

0

50

100

150

200

250

300

350

Ensayo de determinación del Módulo de Elasticidad en tracción. V: 1 mm/min. Tª 23ºC

Muestra: Probeta metálica. Deformación por extensómetro dinámico (1 mm).

1

2

3

4

5

Esf

ue

rzo

(M

Pa

)

Deformación Unitaria

Figura 10. Ley de comportamiento del acero a una determinada velocidad de deformación.

B. Modelización de las piezas de la barrera.

Como ya se ha comentado, la barrera de seguridad consta de varias partes cada una con distintamisión dentro de la barrera metálica. La mejor manera de reproducir su comportamiento esprimeramente realizar un estudio parcial de cada componente, de ésta manera se consigue simplificarla complejidad del modelo y poder obtener conclusiones con un número de variables más reducido.Después que se conoce el comportamiento de cada parte por separado, se engloba todo en un mismomodelo que reproduce el comportamiento de la barrera. A continuación se detalla el trabajo relativo acada una:

Valla (viga). Su misión es muy importante, pues trabaja en contacto con el vehículo, y de elladependerá en gran parte que el sistema pueda contenerlo y reconducirlo. Para poder reconducir alvehículo ésta tiene que mantener su altura con respecto al suelo, porque si está altura disminuye elvehículo puede acabar atravesando o pasando por encima de la barrera.Mediante la deformación que sufre durante el impacto la valla se consigue disminuir la energíacinética del vehículo al mismo tiempo que se le redirecciona.

Se modeliza la valla mediante técnica de elementos finitos, en este caso se utilizan elementos tiposhell, es muy importante el tamaño de los elementos para que permita a la valla deformarse sin que eltamaño sea tan reducido que aumente en gran medida el tiempo de cálculo.

Figura 11. Discretización de la valla dentro de un tramo elemental de barrera.

Se realizan unos modelos parciales para conocer el comportamiento de la valla, éstos modelossimplificados tienen que reproducir el comportamiento de la valla para lo cual se introducen en losextremos de la valla las mismas condiciones de contorno a las cuales estaría sometida si consideraque la valla tiene continuidad a lo largo del margen de la carretera.

Valla

el objeto que la golpea con la diferencia de que ésta no recupera después del impacto porque harebasado su límite elástico.

Figura 12. Deformación sufrida por la valla en el modelo parcial.

En las figuras anteriores se puede observar el modelo de valla, el impactor y la forma de deformarsede la valla, de esta manera se conoce la deformación máxima que sufre siempre en condicionesideales, manteniéndose a la misma altura y estando sometida a una flexión pura.

Figura 13. Fuerza de contacto resultante del impacto.

En la figura anterior se representa la fuerza de contacto entre la valla y el impactor, como la valla tiene

valla se comporta de forma más rígida a medida que va llegando a su limite de deformación y lasuperficie de contacto va aumentando.

La gran capacidad de absorción de energía de la valla se debe también a su perfil tipo “doble onda”,que ante el choque del vehículo puede llegar a aplanarse, lo cual supone que se realice un trabajo deabsorción de energía de magnitud importante. Durante el ensayo se pudo observar el aplastamientoque se produce en el instante del impacto.

En definitiva, en la valla es importante el trabajo de flexión que realiza para poder estar en contactocon el vehículo en todo momento y conseguir la reconducción de éste.

En la siguiente figura se puede observar la deformación que sufre una valla durante el impacto de unvehículo, se puede observar la posición inicial y la posición final.

Figura 14. Deformación de la valla.

Poste. Como soporte de la valla, es el elemento encargado de transmitir al suelo todas las cargas dela barrera. El comportamiento del poste es muy distinto en función del terreno en el que esté anclado.Si el terreno es muy rígido el poste no tiene ningún desplazamiento y únicamente se deforma. Si elterreno no es tan rígido el poste se desplaza de su alojamiento mientras que el poste sigue sindeformarse, esto ayuda a la hora de la reconducción.

Figura 15. Discretización de los postes dentro de un tramo elemental de barrera.

Se realizaron modelos parciales para conocer el comportamiento del poste. En estos modelos seaplican en la base del poste unas condiciones de contorno impidiendo el desplazamiento (terrenorígido). Se utiliza un impactor con la misma masa que un vehículo ligero y con una velocidad inicialque golpea en la parte superior del poste.

La altura del poste respecto del suelo es de 0,75m, el poste está hincado en el terreno a unaprofundidad de 1 m. Debido a la posición del poste cuando el impactor contacta con el poste, el posteposee una rigidez a flexión más alta que a torsión, por lo que el poste sufre una torsión después comoel impactor sigue en contacto se produce la flexión. Como se puede observar el poste está sometido aunos esfuerzos combinados de flexión y de torsión.

Cuando el poste se encuentra dentro del modelo global de barrera, cuando sufre está deformación sualtura respecto al suelo va disminuyendo, y es necesario tener en cuenta que éste arrastra en sumovimiento a la valla, y si ésta disminuye por debajo de un cierto nivel, el vehículo puede pasar porencima de la barrera

Poste

Figura 16. Deformación sufrida por el poste en el modelo parcial.

En la siguiente curva se representa el contacto entre el poste y el impactor, el primer pico se debe alprimer contacto entre ambos, después la fuerza de contacto va disminuyendo porque el poste vadisminuyendo su altura pero el impactor mantiene su altura y trayectoria por lo que llega un momentoen que dejan de estar en contacto.

Figura 17. Fuerza de contacto resultante del impacto.

En las siguientes figuras se puede apreciar el comportamiento de un poste hincado en un terrenodeformable durante el impacto de un vehículo contra la barrera. En un primer momento el poste debidoal terreno sufre una rotación respecto de su parte inferior que produce un desplazamiento del poste.Después el poste se deforma por el impacto disminuyendo su altura respecto al suelo.

Figura 18. Comportamiento del poste en suelo deformable.

Separador. En este elemento de conexión entre valla y poste, dado que su función esencial esdistanciar las ruedas del vehículo del poste, no se busca en él una deformabilidad, sino más bien alcontrario. La rigidez del separador favorece el comportamiento de la barrera, porque cuando el postevaya deformándose y disminuyendo su altura respecto del suelo, el separador al ser rígido y nodeformarse mantiene la valla a mayor altura si mantiene su forma original.

Figura 19. Discretización de los separadores dentro de un tramo elemental de barrera.

Con la modelización del separador se pudo observar que se trata de una pieza muy rígida, y queapenas se deforma mediante el impacto, pudiendo así corroborar los conocimientos de los quepartíamos gracias a la distinta información recopilada anteriormente.

Separador

C. Caracterización de uniones en la barrera.

Una vez conocido el comportamiento de cada pieza por separado, se procedió a conocer elcomportamiento de cada componente dentro de la estructura de la barrera, para lo cual resultóimprescindible realizar un estudio de los distintos tipos de uniones con los que contaba la barrera. Seestudió el comportamiento de los distintos tipos de uniones existentes (tanto estática comodinámicamente) dependiendo de las distintas solicitaciones que aparecían en servicio

Se pueden distinguir tres tipos de uniones bien diferenciadas:

- Unión “valla-valla”.- Unión “poste –separador”.- Unión “valla –separador”.

Dado que todos los tipos de uniones son atornilladas, se llevó a cabo un estudio del comportamientode los tornillos. Cuando se produce el impacto de un vehículo contra la barrera, las accionesprincipales que a las que se producen en el impacto son una fuerza horizontal y un momentoresultante que tiende a derribar el poste. Estas acciones provocan que los tornillos de las distintasuniones estén cargados a tracción y a cortante.

Figura 20. Ensayo de tracción sobre un tornillo. Contornos de tensiones.

Para introducir el efecto de los tornillos en el modelo, se realizó una modelización por separado de los

Figura 21. Ensayo de cortante sobre un tornillo. Contornos de tensiones.

A partir de estos procesos se obtuvieron curvas características de los tornillos en las que serepresentan su resistencia a tracción y a cortante (Figura 13).

Figura 22. Curvas de fuerza resistente de cada tornillo.

Con toda la información obtenida anteriormente, se introduce en las distintas uniones para construir unmodelo de barrera en el cual se contemplaba la rotura de los tornillos a partir de un nivel de fuerzacorrespondiente a la resistencia del tornillo.

La unión “valla-valla”, cada valla tiene una longitud de 4m, para unir una valla con otra se solapan elfinal de las vallas y se unen mediante 8 fijaciones. Cada fijación consta de un tornillo M16x30 decabeza redonda, una arandela y una tuerca.

Los agujeros de las vallas son alargados, lo cual hace que el enlace tenga una pequeña holgura. Estopermite un movimiento relativo de las piezas en dirección longitudinal. Esta pequeña holgura se calculamediante la siguiente fórmula:

Holgura horizontal = longitud del agujero + altura agujero – 2*diámetro del tornillo.

En esta unión además de incluir la fuerza de resistencia del tornillo e incluir la rotura, se incluye unaholgura entre el tornillo y el agujero de 18.5 mm.En la siguiente figura se puede observar la posición de las ocho fijaciones, la forma y tamaño de cadaagujero.

Figura 23. Detalle de las fijaciones entre valla y valla.

En la siguiente figura se puede observar la posición de las fijaciones en el modelo de elementos finitos.

Figura 24. Detalle de la unión entre vallas.

La unión “poste-separador” presenta la particularidad de que en las proximidades del tornillo deunión, el material del poste puede llegar a romper por indentación cuando se alcanza un determinadonivel de tensiones. El tornillo atraviesa su alojamiento cuando el poste es altamente deformadomediante un impacto cuando esto ocurre, el agujero se ensancha y el tornillo queda suelto.Se realizó una modelización de esta unión, porque resultaba necesario conocer el valor máximo de lafuerza para el cual se produce la rotura. En este fenómeno influyen tanto fuerza normal como fuerzade cortadura.

El criterio de fallo que se usa en simulación está basado en las fuerzas de cortante y normalesaplicadas en la unión y se expresa de la siguiente manera:

1máxmáx

<+Ft

FtFn

Fn

Figura 25. Detalle de la unión entre poste-separador.

La rotura de esta unión permite que las vallas y el separador mantengan su altura con respecto alsuelo y no ser arrastradas con la deformación que sufre el poste.

La unión “valla-separador” presenta, de manera análoga a la unión poste-separador, una holguralongitudinal debida a la forma de los agujeros de las piezas. Se calculó el valor de la holgura permitidapara incluirla en el modelo, teniendo en cuenta las dimensiones de las piezas de la valla, el separadory la tornilleria.

En las siguientes figuras se puede apreciar la holgura longitudinal en la unión de la valla al separador,el tornillo de fijación va cambiando su posición en función del estado de cargas al que este sometido elsistema.

Figura 26. Holgura en la unión valla-separador.

En conclusión, el estudio de las uniones ha mostrado que, pese a tratarse de elementos puntuales, ala hora de analizar el comportamiento estructural de un sistema de contención su papel no es enabsoluto despreciable frente al de las piezas constitutivas o el propio material. Influyen en laelongación del sistema, -es decir, en su deformación y por tanto también en las tensiones- e introducencausas de fallo o de rotura del sistema.

D. Anclaje de la barrera metálica al suelo.

No hay que olvidar una parte fundamental en un sistema de este tipo, el suelo.Resultó necesario analizar la forma de unión de los componentes metálicos con el suelo, así comotambién los posibles tipos de suelo a emplear, diferenciándose los distintos tipos de suelo por sucompactación y rigidez.

Los suelos deformables se modelizaron estableciendo una unión entre terreno y poste que permitía elmovimiento de éste. Se empleó un modelo basado en muelles no lineales, que eran capaces derecoger las características del terreno aunque la variabilidad de las características de los suelos esmuy grande.

También se trataron los suelos rígidos, como el hormigón. Dentro de los distintos tipos de terreno elelegido para hacer un estudio más profundo del anclaje de la barrera fue el hormigón. Lautilización de este suelo permite conocer el comportamiento de la barrera en el caso más restrictivoporque cualquier desplazamiento del poste permite una mejor reconducción del vehículo que impactacontra ella. El suelo rígido de hormigón ofrece una fijación total de la parte más profunda del hincadodel poste, en la que estaba impedido cualquier tipo de desplazamiento. Sin embargo un factorimportante y que se ha tenido en cuenta es la profundidad de poste hincado a partir de la cual elarriostramiento no es total, a pesar de estar bajo el nivel del terreno. Por encima de esta cota sí puedeproducirse flexión en el poste.

En función del grado de deformabilidad del terreno el poste puede sufrir un desplazamiento o más bienuna rotación desde un punto de origen muy distintas como puede verse en las siguientes figuras.

Figura 27. Comportamiento del poste en función del grado de deformabilidad del terreno.

TAREA 3: Recopilación de los distintos sistemas de protección demotoristas.

El presente apartado describe los dispositivos empleados para proteger a los motoristas en caso deaccidentes contra barreras de carretera. Aún así se podría definir los sistemas de protección demotoristas en las barreras metálicas como cualquier dispositivo instalado en una barrera metálica o ensu entorno que tiene como finalidad reducir las consecuencias que sobre el cuerpo de un motoristapuede producir su salida incontrolada de calzada cuando impacta contra una barrera metálica o pasa através de ella.

Las soluciones propuestas se pueden separar en dos grupos dependiendo del tipo de protección quese quiera realizar:

A. Soluciones puntuales: dispuestos de manera puntual en torno al poste que sirvede soporte de la barrera metálica cuyo único objeto es disminuir la severidad delimpacto directo del motorista contra dicho poste.

B. Soluciones continuas: son sistemas dispuestos de manera continua a lo largode la barrera y que funciona mediante la contención del cuerpo del motoristadurante el impacto, evitando que atraviese la barrera y reconduciéndolo en ladirección de circulación del tráfico. Estos sistemas tienen por objeto no sóloproteger el cuerpo del motorista del impacto directo contra el poste de la barrerametálica sino también del tipo de accidente de vehículos que la barrera metálicapretende proteger (impacto contra obstáculo, caída por desnivel o invasión de unavía próxima). Todos los sistemas integrales funcionan también como sistemaspuntuales.

A. Protecciones puntuales.

Existen multitud de soluciones propuestas con el fin de eliminar las aristas de los postes metálicos. Lamayor parte tratan de rodear el poste con algún material absorbente que trate de minimizar las fuerzasdel impacto y aumentar la superficie con el fin de realizar una distribución mejorada de estas fuerzas.Todo ello está encaminado a la eliminación de las temidas amputaciones de los miembros o dañosmortales en el tórax.

Los materiales pueden ser diversos, predominando el poliestireno expandido, polietileno y cauchoreciclado. El cambio de densidad, geometría y material son los parámetros principales para modificarla capacidad de absorción de energía de estos productos.

A continuación se muestran una serie de ejemplos de estos tipos de productos:

El amortiguador de impactos desarrollado por TECNIVIAL está fabricado en polietileno de altadensidad (HDPE), estabilizado a los rayos UV y con una nula absorción de agua que hace que sea unmaterial no degradable. Esto hace que según su publicidad no existan indicaciones especiales depeligrosidad para las personas y el medio ambiente.

Figura 28. Protector Tecnivial

Está diseñado para ser instalado sobre poste en "C" o IPN 120 mm. de forma fácil y rápida mediante 4tornillos de material plástico impidiendo que el amortiguador se desprenda de su alojamiento.

El amortiguador de impactos ofrece la posibilidad de reforzar la visibilidad de la vía, pudiéndose aplicaruna banda reflectante.

La firma SIÑAR ofrece protectores fabricados en poliestireno expandido (EPS) tipo F(Autoextinguible), con una densidad entre 30 y 40 Kg/m3. Su diseño se adapta a todo tipo de postesmetálicos, IPN, C, IPE, etc.

Figura 30. Absorbedor de impactos Siñar.

TESA fabrica protectores de polietileno como se muestran en la fotografía siguiente.

Figura 31. Burlete sobre la bionda.

RS tiene en su catálogo protectores realizados con espuma de polietileno de densidadescomprendidas entre los 18 y 34 kg/m3.

Figura 32. Modelo fabricado por RS

Mobil Castilla utiliza caucho reciclado para recubrir el poste, y es el único que utiliza materiales queen teoría son de deshecho para fabricar los protectores.

Fig 33. protectores de caucho.

Un elemento curioso es el rodillo absorbedor de impactos realizado por ELOCOM. Está diseñadopara que gire cuando se someta a un impacto por parte de cualquier objeto. Parece razonable estegiro ya que en raras ocasiones el impacto resultará tan centrado como para que esto no ocurra.

Figura 34 . Rodillo de impactos.

Otras soluciones puntuales apuestan por el cambio de perfil tradicional por uno en C o buscar perfilesredondos que eliminen las aristas como es el caso de ASEBAL.

B. Protecciones continuas.

Si lo que se quiere no sólo es evitar las terribles amputaciones que provocan los postes metálicos delas carreteras sino llegar más allá e intentar reconducir al accidentado obligándolo a seguir unatrayectoria hasta su completa detención, son las protecciones continuas las que realizan estecometido.

Algunas de las firmas que aportan soluciones son las siguientes:

SEC-ENVEL, firma francesa de componentes metálicos proporciona en su catálogo lo que ellos llaman“Metal Shield”. Este dispositivo es un una hoja plana metálica colocada como un segundo raíl pordebajo del principal evitando así el contacto con el poste. Esta solución está siendo experimentadaprincipalmente en Francia

Figura 36. Metal Shield.

El Motorail construído por SOLOSAR se basa en los mismos principios y se muestra en la siguientefotografía.

También existen soluciones continuas que emplean materiales plásticos como absorbedores deenergía. SOLIDOR fabrica el “Plastirail” formado por multitud de elementos plásticos unidos paratapar tanto el poste como el hueco de la barrera.

Figura 38. Plastirail.

Si lo que se utiliza es material reciclado, SODIREL propone la utilización de su producto “Mototub”, enel que dos tubos realizados con un 70% de material reciclado son colocados bajo la bionda metálica dela barrera.

Figura 39. Mototub.

La firma BASSYCO fabrica una malla de material plástico y fibra que elimina la posibilidad de queun motorista que arrastre con el suelo pueda atravesar el hueco existente entre dos postes de barrera.Sobre el poste se coloca un protector de material plástico.

Figura 40. Malla protectora

HIASA fabrica barrera metálica a la que se la puede adaptar perfiles inferiores continuos que absorbenenergía a través de su propia deformación y la de los enganches a los postes.

Figura 41. Pantalla SPM

Otra posible alternativa es la sustitución de la barrera por la pared de cemento. Como ventaja es quepresenta una superficie plana sin ningún borde afilado y aunque cuesta más para instalar que labarrera metálica cuesta menos de mantener. Su principal problema es su incapacidad para absorber laenergía cinética, ya sea de un coche o de un cuerpo humano. Como efecto secundario, reduce el ruidoprovocado por el tráfico, pero también dificulta la retirada de la nieve.

Figura 42. Perfil de hormigón New Jersey.

Para realizar un estudio más exhaustivo la mejor elección consiste en protecciones que tengan unmecanismo de actuación distinto, pero al mismo tiempo incluir en el estudio una representación de lossistemas presentes en el mercado para poder conocer que ventajas y desventajas presentan cadauno.

Se piensa que la mejor elección es:

• Protección puntual: protector de poliestireno expandido.• Protección continua: Sistema de SEC-Envel

TAREA 4: Modelización de los sistemas de protección de motoristas.

Protector de poliestireno expandido.

Los protectores de poste tienen como misión la absorción de energía, para conseguir una disipaciónde la energía cinética con la que impacta el motorista. Los protectores de poste evitan en un primermomento que el motorista sufra con las aristas cortantes, pero no podemos garantizar que evitentotalmente estos cortes a los motoristas si se produce la rotura de éstos.

Tienen la limitación de que no son capaces de proteger cuando las velocidades del impacto sonelevadas (50-60 Km).

A mediados de la década de los 80 se llevaron a cabo en la Universidad Heiderberg unos ensayospara cuantificar la mejora que aportan los protectores frente al poste sin recubrir. En los ensayosrealizados a poste IPE 100 sin recubrir y a postes cubiertos con protectores. En ésta investigación seutilizó cadáveres para cuantificar los daños que sufrían en el impacto contra la barrera. El ensayoconsistía en lanzar los cadáveres fijados a un sled y este sled era frenado y éstos deslizaban sobre labarrera a una velocidad aproximada de 32 Km./h con una posición boca arriba y con los pies pordelante. Éstos ensayos demostraban que la presencia del protector reduce el valor máximo de laescala de valoración lesional AIS de 3 en el caso de postes sin proteger, a 1 para los postesprotegidos, y al 2 para los postes sigma recubiertos. El impacto contra poste IPE 100 causaamputaciones de brazos, el poste sigma causa fractura de brazos mientras que el poste IPE 100recubierto causa solamente contusiones ( 1)

Para poder incluir esta protección en nuestro modelo de elementos finitos, necesitamos seguir losmismos pasos que anteriormente, primeramente conocer las características que posee el material ydespués implementarlo en el modelo de elementos finitos.

A. Caracterización de material.

Figura 43. Sistema de protección

puntual.

A. Caracterización de material.

Se necesita conocer el comportamiento del poliestireno para incluirlo en nuestro modelo deelementos finitos para ello se realizan unos ensayos para conocer cual es su capacidad de absorciónde energía.

Estos ensayos consisten en dejar caer una impactor (con la misma forma que tendría una cadera y elmismo peso que son 19 Kg), desde una cierta altura para conseguir que en el momento de impactocon el protector el impactor posea la velocidad requerida para el ensayo. En nuestro caso se consiguióque el impactor golpease al protector a una velocidad de 3 m/s.En el ensayo se incluye el montaje del protector sobre el poste y se ensaya de dos formas distintas; elimpactor golpea contra el ala del perfil y golpeando contra el alma del perfil. Para comprobar si laspropiedades del material cambiaban en función del punto de impacto.Se obtiene como resultado la deceleración que sufre el impactor al golpear contra el protectormontado en el poste, de esta manera conocemos cual es la capacidad de absorción que dispone elprotector.En las siguientes figuras se puede observar el mismo ensayo pero mediante el uso de elementosfinitos, de esta manera se consigue ajustar el material de poliestireno para implementarlo en el modelode elementos finitos del protector.

Figura 44. Ensayo de falling weight sobre protector de poliestireno.

En la siguiente figura se puede observar las curvas experimentales que se obtienen en ambosensayos golpeando en el alma y en el ala del perfil, se aprecia que el comportamiento en ambas esmuy similar llegando a los mismos valores máximos de deceleración

C. Modelización del protector.

El protector ha sido modelizado mediante elementos 3D tipo sólido, que nos permite reproducir elcomportamiento a compresión del poliestireno. Este material no puede modelizarse medianteelementos tipo shell, porque el espesor de los elementos no puede ser mayor a la mitad del tamañodel elemento. Además es necesario modelizar el protector usando varias filas de elementos porquesólo con una fila de sólidos no se puede reproducir la deformación real que sufre el protector. A éstosprotectores les dotamos del material que ya hemos estudiado anteriormente.

Se introduce el modelo de protector dentro del modelo de barrera metálica y además reproducimos elmodo de fijación de éste al poste, que se produce mediante un ajuste.

Figura 46. Montaje de la barrera metálica con protector.

Protección continua: doble bionda.

Consiste en instalar una pantalla inferior, gracias a ella se aumenta la zona de impacto y se pasa deimpactar contra una superficie reducida y agresiva como es la del poste a hacerlo contra una bandacon pliegues redondeados disminuyendo la gravedad de las lesiones derivadas del impacto. Estesistema evita que la víctima pase por debajo de la bionda superior y choque contra los postespudiendo sufrir cortes por las aristas cortantes de la barrera.

La instalación de éste sistema en otros países como Francia y Alemania ha conseguido unosresultados muy positivos principalmente por dos motivos; la reducción de la severidad del impacto y lareducción del número de accidentes por el aviso que supone a los motoristas su presencia.

También la universidad de Heidelberg realizó ensayos con este sistema obteniendo unasheridas con un nivel de daño de AIS 1, heridas leves.

Figura 47. Sistema de protección de motoristas SEC-Envel.

Este sistema además de evitar el impacto directo contra el poste, evita gracias a la pantalla metálicainferior que el motorista pase entre dos postes.

El motorista al salirse de la carretera podría estar expuesto a chocar contra un objeto que se encuentredetrás de la línea de la barrera o también podría caer por un desnivel.

Figura 48 Impacto contra obstáculo Figura 49. Caída por un desnivel.

Para poder incluir esta protección en nuestro de elementos finitos, necesitamos seguir los mismospasos que anteriormente, primeramente conocer las características que posee el material y despuésimplementarlo en el modelo de elementos finitos.

A. Caracterización de material.B. Modelización del sistema de protección.

A.Caracterización de material.

El material usado por este sistema de protección es el mismo material del que está fabricada la barrerametálica por lo que no necesitamos volver a caracterizar el acero, ya conocemos su ley de materialpara incluirla en el modelo.

B.Modelización del sistema de protección.

Este sistema de protección consta de dos partes distintas que son denominadas pletina y pantalla.Cada una de éstas partes se une a la barrera metálica mediante tornilleria, la pletina se une a la parteinferior del separador y la pantalla va unida a la parte baja de la pletina. En la siguiente figura se puedeapreciar cuál es la situación de cada pieza y dónde están colocadas las fijaciones a la barrera.

Figura 50. Montaje del sistema de protección.

Gracias a la pantalla se evita que el motorista atraviese entre dos postes y que impacte directamentecontra el poste evitando los posibles cortes, ésta pieza absorbe parte de la energía del impactomediante el alto grado de flexibilidad que posee. Es muy importante el espesor de esta pieza si fueramuy rígida no se conseguiría deformarse y el motorista podría sufrir daños, es necesario que elespesor sea el mínimo para lograr su deformación pero al mismo tiempo que sea él suficiente para noperjudicar la instalación y montaje. Esta pantalla tiene un espesor de 2mm.

La pletina es una pieza de espesor 8 mm que sirve para unir la pantalla a la barrera al mismo que seconsigue mediante su geometría que exista una separación entre la pantalla y poste, gracias a éstaseparación el motorista no impacta directamente contra el poste, sino que impacta solamente contra lapantalla. La pletina durante el impacto empieza a deformarse, llega un momento que se apoya contrael poste y después la pantalla se apoya en el poste.

Fijaciones a labarrera

Pletina

Pantalla

En las siguientes imágenes se puede observar el mecanismo de funcionamiento del sistema.

Figura 51. Mecanismo de funcionamiento.

Se modelizan las distintas partes del sistema de protección; pletina y pantalla se introducen en elmodelo de elementos finitos de la barrera, que ya ha sido modelizada anteriormente. También seincluyen en el modelo las uniones pletina-separador y pantalla-pletina. En la siguiente figura se puedeobservar el modelo completo de barrera.

Figura 52. Modelización del sistema.

Se modeliza una barrera de longitud total 32 m, con esta longitud se representa las mismas

Pantalla

Pletina

TAREA 5: Definición del ensayo de simulación de impacto de motoristacontra barrera de seguridad.

La definición del ensayo es la parte más complicada teniendo en cuenta la ausencia de informaciónrelativa a los accidentes reales de motoristas. El ensayo incluye numerosos detalles como son lavelocidad, la localización, las características de la carretera (curvatura, trazado), el ángulo de impacto,la separación entre el motorista y la motocicleta.

Resulta necesario para definir el ensayo utilizar la documentación ya publicada y su viabilidad parapoder conseguir los objetivos planteados en esta investigación.Los aspectos más importantes a tener en cuenta son:

• Considerar las dos filosofías básicas de los diseños de barrera, retener al motorista cuandoimpacta con la barrera o permitir que el motorista pase a través de la barrera.

• Elegir una o varias metodológicas de ensayo par distinguir entre distintos conceptos de barrera:• Datos a medir en el dummy para conseguir valorar el nivel del daño sufrido.• Elección de un dummy conveniente que reproduzca fielmente el comportamiento del motorista.

El siguiente paso y más importante es decidir la mejor manera de representar el cuerpo del motorista,de este punto depende el éxito de este proyecto, ya que una mala elección provocaría no representarfielmente el comportamiento del motorista. Se barajan dos opciones principalmente:

• Bodyblock consiste en una modelización mediante elementos finitos de un torso rígido de 35 Kg depeso, que se equipa con un acelérometro triaxial, durante el ensayo se medirá la aceleración en x,y, z para después conocer la velocidad del impacto y a la fuerza que ha sido sometido.

• Dummy consiste en una modelización mediante elementos finitos del cuerpo de un persona. Estáformado por un conjunto de sólidos rígidos unidos entre si por unas juntas cinématicas quepermiten los giros. Además están dotados de varios acelerómetros en cabeza, tórax y cadera quepermiten medir la aceleración en x, y, z además gracias a las juntas puede conocer los esfuerzosque sufre el dummy por ejemplo; en el cuello nos permite medir la fuerza de tracción, compresión,cortadura y los momentos.

La información que nos aportaría un bodyblock es muy limitada solo podríamos conocer ladeceleración que sufre en el impacto, pero su comportamiento al ser un bloque rígido es muy distintoal de un motorista. Cuando el motorista impacta contra la barrera las lesiones que puede sufrir sonmúltiples desde daños en cabeza, cuello, tórax, extremidades, con el bodyblock no podemos conocertodas estas variables.

La mejor elección es la de utilizar un dummy porque su cinemática es más compleja y reproduce másfielmente el comportamiento del motorista, al mismo tiempo que nos permite conocer los aspectos delos daños que se produce en las distintas partes del cuerpo, de ésta manera podemos realizar unacomparativa más amplia ya que disponemos de más variables para comparar.

Figura 53. Bodyblock Figura 54. Dummy

Los motoristas van equipados con cascos, gracias a ellos se disminuyen en gran medida los daños enla cabeza gracias al relleno protector y además la literatura demuestra que en la mayoría de losaccidentes el motorista tiene protegida su cabeza por éste incluso después de sufrir el accidente, sinolvidar que la ley obliga al motorista a llevar puesto el casco. Todos los cascos existentes en elmercado tienen que cumplir el reglamento ECE R22-04 sobre homologación de cascos de protecciónpara conductores y pasajeros pero la Comisión Europea ya está preparando la siguiente que será laECE R22-05.

En este reglamente se establecen unas condiciones de ensayo, que consisten en dejar caer el cascodesde una cierta altura para conseguir que en el momento del impacto del casco contra dos tipos deobstáculos unos plano y otro puntiagudo. En el momento del impacto es necesario que el casco poseala velocidad requerida, repitiendo en varios casos para impactar con diferentes puntos del casco (parte superior de la cabeza, en la frente, en el cráneo y en las sienes). Debido a que los materialespueden reaccionar de forma diferente según la temperatura, estas pruebas se realizan a tres distintastemperaturas: a temperatura ambiente normal (20 ° C), y dos extremas (50° C y -20° C)Se toma como medida la aceleración resultante de la falsa cabeza que se coloca dentro del casco, siésta es menor del valor umbral se considera que la capacidad de absorción del casco es suficiente.

Es necesario equipar el dummy con un casco para reproducir las condiciones que aparecen en unaccidente. Para ello se modeliza un casco y se realiza el mismo ensayo que se detalla en la normapara poder conseguir un material de relleno que proteja a la cabeza de sufrir deceleracionessuperiores a las que puede soportar. Para este ensayo se utiliza una cabeza rígida de metal, sinembargo estas cabezas son difíciles de dañar, porque no absorben energía y los resultados de losensayos son reproducibles. Se supone que hay una correlación entre la aceleración de la cabezarígida y los esfuerzos que sufre el cerebro humano si ambos sufren el mismo impacto mientras llevanun casco.

cónico de acero con 90 J de energía de impacto y que éste no penetre y entre en contacto con lacabeza.

Se elige como espuma una espuma de poliestireno debido a su baja densidad y las buenascaracterísticas de absorción de energía que posee.

La cabeza se deja caer en caída libre desde una altura suficiente para que en el momento de impactoposea una velocidad de 7 m/s. Se mide la aceleración en el centro de gravedad de la falsa cabeza y sise considera que la capacidad de absorción del casco es suficiente cuando la aceleración resultantees menor a 150g durante 5 milisegundos continuos cualesquiera y en ningún instante supero 300g.

En la siguiente figura podemos observar el modelo de elementos finitos del casco en el momento deimpacto contra una superficie de acero rígida.

Figura 55. Modelización del casco.

Una vez elegido el dummy que representa el comportamiento del motorista, se necesitó definir elescenario del impacto.

Para poder realizar el estudio de la interacción entre el motorista y barrera, se necesita un simplificadoescenario, la primera discusión es suponer que el impacto ocurre directamente entre el motorista yla barrera sin incluir la motocicleta porque se supone que el motorista se separa de la moto antes delimpacto. Esta primera elección se justifica mediante éstas dos principales razones; Los daños quesufre el motorista son muy diferentes si choca contra la barrera aún montado en la moto o si impactacuando ya se ha separado, además la consideración de la motocicleta en el escenario del impactosupone aumentar la complejidad y la incertidumbre. La segunda razón, las consultas con motoristasrevelan que en la mayoría de los escenarios, los motoristas se han separado de la moto antes dechocar, entre las cuales se destacan:

• Quincey (1988) informa de que la mitad de los accidentes que envuelven impactos contra barrerasen el área urbana deslizan antes de impactar, 34 % ocurren cuando todavía el motorista continuamontado sobre la moto y el 24 % cuando el motorista se está separando de la moto.

Para definir el ángulo de impacto se utilizó la siguiente documentación:

• Oullet (1982) señala que los motoristas tienden a impactar con las barreras de seguridad a bajosángulos pero sin embargo no se apoya en datos reales.

• Las autoridades de Victorian y la policía NSW (Australia) sugieren que los típicos ángulos deimpacto son relativamente bajos (alrededor de 10° ) mientras que en las normativas tantoeuropeas como americanas señalan como ángulos entre 20-25°.

• El procedimiento homologado usado por INRETS, en Francia utiliza ángulos de 30° con unatolerancia de ±0.5°.

• Quincey (1988) realiza un estudio utilizando un ángulo de 30°.

El siguiente paso es la elección de la posición con que el motorista impacta, debido a la gran lagunaexistente en los partes de accidentología no podemos conocer cuál es la posición que más se repitepor lo cual utilizaremos la documentación recopilada hasta el momento. La documentación estudiadaes:

“Protocolo de ensayo de dispositivos de retención para mejorar la seguridad de motociclistas “ L.I.E.R.

En este informe determinan que las condiciones iniciales de impacto se deben efectuar teniendo encuenta la experiencia basada en análisis de choque de automóviles teniendo en cuenta la totalausencia de datos específicos correspondientes a accidentes de motos.

Determinan que es juicioso simular con ayuda de un maniquí el deslizamiento en el suelo y el impactocontra la pantalla de retención, además de considerar que la postura más estable desde el punto devista mecánico es la postura sobre la espalda y la situación más crítica resulta del impacto de lacabeza del maniquí con la pantalla de seguridad.

Proponen como condiciones iniciales una velocidad de impacto de 60 Km./h ya que es la velocidadcon la que impactaría un dummy contra la barrera si circula a una velocidad de 80 Km./m en elmomento de la caída y va deslizando por la calzada hasta alcanzar la barrera, en este fenómeno sepierde energía debido al rozamiento y calculan que la velocidad de choque es de 60 Km./h.

Eligen como ángulo de incidencia de 30° , basándose en un estudio Cayet-Godde que analiza losaccidentes sobre guardarraíles en los cuales se determina que son de media elevados (30°).Estas condiciones de ensayo representan una situación muy severa.

“ New concepts and materials for passive safety of motorcyclists “ G. Sala, P. Astori

En este artículo se realiza una comparativa del comportamiento de cuatro tipos de barrera: barrera dehormigón, barrera metálica, barrera metálica con una pantalla inferior de material composite, y unabarrera metálica con un raíl inferior un sistema que evite el contacto de las ruedas del vehículo con los

El modelo biomecánico utilizado representa un dummy Hibrid II 50 % percentil validado en la base dedatos en VEDYAC. Éste consta de 13 sólidos rígidos; cabeza-casco, cuello, pecho, abdomen, pelvis,brazos, antebrazos-manos, muslos, piernas-pies. Estos sólidos rígidos están unidos mediante unasarticulaciones que representan las del dummy.

La barrera está modelizada mediante sólidos rígidos que son poste y una secuencia de secciones dela bionda. Cada poste está anclado al suelo mediante unos beams sin masa que reproducen lascaracterísticas posee el poste anclado en el suelo.

El poste está unido a la bionda a través de beams sin masa simulando el comportamiento delseparador. La secciones de las blondas están unidas unas a otras mediante beams que reproducenlas características elásticas que ellas poseen.La pantalla inferior está modelizada mediante la unión de gran número de sólidos rígidos con beams.

La posición elegida par lanzar al motorista es cuando contacta con el pavimento de lado y deslizahacia atrás hasta impactar con la barrera con la espalda. En esta posición la cabeza y el torso impactadirectamente y si no exite protección después impactarían las extremidades superiores e inferiores.

Eligen como velocidad 15 Km./h y al ángulo de incidencia es de 15°.

La actitud del dummy respecto a la trayectoria de impacto es:

• 0º impacta la cabeza principalmente.• 15º la espalda paralela a la barrera.• 30º,45º,60º,75º y 90º la parte baja.

Después de la revisión de la documentación más significativa, se eligen como condiciones inicialesaquellas que permitan representar con fiabilidad como sería el impacto de un motorista, teniendo encuenta que este ensayo pueda después reproducirse para los ensayos experimentales.

La posición elegida es la más estable desde el punto de vista mecánico es en la que el motoristaapoya de espaldas sobre el suelo y está deslizando por el pavimento después que se ha separado dela motocicleta. La postura en que el dummy apoya lateralmente no podría ser reproducida en el ensayoexperimental porque debido a la inercia del cuerpo tendería a buscar el equilibrio bien apoyando con lazona delantera o trasera en su totalidad.

La velocidad elegida es la de 60 Km./h en el momento de impacto, teniendo en cuenta que la velocidadde circulación de los motoristas suele ser mayor pero en la caída y en el rozamiento perderían parte deésta.

El ángulo de impacto es de 30° es un ángulo de incidencia bastante elevado, ya que a medida quedisminuyamos el ángulo de impacto los daños irán disminuyendo.

La definición del ensayo es bastante restrictiva y el motorista está sometido a daños bastante severos,pero es mejor someter al motorista a un ensayo severo para poder conocer que daños sufre y si los

En la figura se puede observar como sería el montaje del ensayo y las condiciones elegidas para ello.

Como éstas condiciones son muy severas en el caso del impacto del motorista contra un protector deposte reduciremos la velocidad de impacto porque como ya habíamos visto anteriormente éstos noprotegen a velocidades elevadas.

Figura 56. Esquema del ensayo.

En las siguientes imágenes se puede observar el impacto que sufre el motorista al chocar contra unposte no recubierto, las condiciones del ensayo son las elegidas anteriormente, el dummy impactacontra la barrera con una trayectoria de 30°, y a una velocidad de 60 Km./h.

Debido a la posición elegida para el impacto el dummy impacta primero con la cabeza contra el poste,después según la trayectoria impacta contra el hombro. En este momento se produce unenganchamiento del hombro en el poste que provoca que el dummy se vea sometido a unadeceleración muy brusca, esto provoca que el cuello este sometido a un alto riesgo de daño.

Los principales daños que ha sufrido en este impacto es una deceleración en cabeza superior alumbral máximo lo que le hubiera provocado la muerte. En el momento del enganchamiento del hombroel cuello está sometido a unas elevadas fuerzas (compresión, tracción, cortante) que estarían porencima de los valores admitidos.

Hay que tener en cuenta que en cualquier momento el dummy puede sufrir cortes o amputaciones ensus miembros al golpear directamente contra las aristas cortantes tanto del poste como de la barrera.

En la siguiente secuencia de figuras se puede reproducir el impacto que sufre el motorista, se apreciaque el momento más critico es cuando el hombro golpea contra el poste y debido a esto se provoca unfuerte giro alrededor del poste.

Las partes del dummy que estarían expuestas de sufrir daños son; la cabeza (golpe contra el poste), laclavícula (golpe contra el poste), el cuello (debido al enganchamiento), las extremidades (puedensufrir cortes o amputaciones.

Figura 57. Secuencia del impacto del motorista contra poste sin proteger.

En las siguientes imágenes se puede observar el impacto que sufre el motorista al chocar contra unposte recubierto por un protector de poliestireno expandido, las condiciones del ensayo son lasexplicadas anteriormente, el dummy impacta contra la barrera con una trayectoria de 30°, y a unavelocidad de 60 Km./h.

El motorista impacta primeramente con la cabeza contra el poste, después según la trayectoriaimpacta contra el hombro. En este momento se produce un enganchamiento del hombro en el posteque provoca que el dummy se vea sometido a una deceleración muy brusca, el dummy tiendelevantarse del suelo. Después es expulsado fuera de la línea de la barrera.

El desarrollo del impacto es prácticamente similar al del golpe contra el poste sin recubrir, lasdiferencias es que el protector disipa parte de la energía cinética del impacto mediante deformación, yque las aristas del poste están cubiertas impidiendo los posibles cortes.

Con este sistema los principales daños que sufre el dummy son daños en cabeza y daños en cuello.Este sistema es capaz de proteger al motorista pero a bajas velocidades porque su capacidad deabsorción es moderada pudiendo incluso llegar a la rotura, lo que supondría un grave peligro porque elmotorista podría acabar golpeando con las aristas cortantes del poste que se pretendían proteger coneste sistema.

Este sistema no protege al motorista a altas velocidades porque no es capaz de absorber toda laenergía del impacto y éste acaba impactando contra el poste.

Mediante este sistema no se produce la reconducción del motorista y éste podría atravesarse en lacarretera y estar expuesto a incidentes posteriores.

En las siguientes imágenes se puede observar el impacto que sufre el motorista al chocar contra unsistema de protección continuo, las condiciones del ensayo son las explicadas anteriormente, eldummy golpea contra la barrera con una trayectoria de 30°, y a una velocidad de 60 Km./h.

El motorista impacta primeramente con la cabeza contra la pantalla, después según la trayectoriaimpacta contra el hombro, después con la cadera. Gracias a la pantalla inferior se consigue que elimpacto sea más suave, no se produce enganchamiento del hombro y la deceleración que sufre entodo momento es inferior a la que ocurre con el sistema de protector puntual de poste.

La pantalla inferior protege toda la longitud de la barrera al mismo tiempo que disipa energía cinéticagracias a la deformación que sufre. La pletina que une la pantalla al separador también sufre grandeformación disipando energía.

Con éste sistema se evita las posibles cortaduras porque el motorista no entra en ningún momento encontacto con el poste, evitando así la concentración puntual de fuerzas en el poste.

En la siguiente secuencia del impacto se aprecia como el golpe ha sido más gradual que en casosanteriores, el dummy es reconducido por la pantalla disminuyendo su velocidad gracias aldeslizamiento sobre la pantalla.

Figura 59. Secuencia del impacto entre el motorista

TAREA 6: Comparación de la eficacia de los distintos sistemas deprotección.

Antes de basarnos en criterios biomecánicos medidos en el dummy, se puede realizar unacomparativa mediante cuatro principios básicos, de las distintas barreras existentes en las carreterasen los impactos con motoristas. Estas variables son:

• Energía que disipa la barrera.• Máxima deformación de la barrera.• Mínimos picos de fuerza en la zona de impacto.• Distribución de las fuerzas.

Estas cuatro variables están altamente relacionadas entre sí, pero es difícil cuantificar o combinarestos cuatro criterios dentro de uno solo, con cada criterio se obtiene una percepción del rendimientode cada barrera, así como del diseño o aspectos de la barrera que aumenta el riesgo en losmotoristas.

Podemos intentar deducir el rendimiento de cada barrera desde los resultados de los impactos devehículos contra ellas. Si tenemos en cuenta que la masa de un coche pequeño es de 1000 Kg y lamasa de una persona es de alrededor 80-90 Kg. Esta diferencia de pesos provoca una gran diferenciaen energía cinética en el choque por lo que puede que no se consiga llevar al valor umbral que esnecesario para hacer trabajar esa barrera y que disipe energía cinética.

Energía que disipa la barrera; En ensayos de vehículo a 110Km/h con un ángulo de impacto de 20°en el caso de barrera de hormigón es capaz de disipar alrededor de un 12 % de la energía cinéticamientras que la barrera metálica disipa entre 33-35 %. Mucha de la energía que disipa la barrera dehormigón es por la deformación que sufre el vehículo.Si cambiamos la velocidad del vehículo a 80 Km./h y el ángulo a 45° la barrera de hormigón disipa un30% mientras que la barrera metálica un 50 %.

En nuestro caso para poder comparar la energía que absorbe el sistema primero necesitamos partir deuna referencia para poder comparar. Esta referencia será lo que ocurre durante el impacto de unmotorista contra una barrera sin ningún tipo de protección y después evaluar que cantidad de energíaabsorben los distintos sistemas.

En el impacto entre el motorista y la barrera sin ningún tipo de protección utilizamos las condicionesdefinidas anteriormente para el ensayo. El motorista impacta con la cabeza directamente contra elposte, la energía cinética del impacto se disipa en parte por la deformación de la barrera, por elrozamiento con el suelo, y otra parte que disipa directamente el motorista.

Se compara solamente la energía que disipa la barrera mediante deformación. En el caso de barrerasin protección el elemento que sufre deformación es el poste, éste representa el 53 % de la energíaque se disipa en el impacto.

Figura 60. Energía que disipa el poste.

Esta curva se observa que presenta dos escalones, el primero se debe al impacto de la cabeza contrael poste, el segundo escalón se debe al impacto entre el hombro y el poste. Este enganchamiento yaexplicado anteriormente provoca una gran deceleración en el dummy aumentando el riesgo de daño.Durante este impacto el dummy está sometido a una gran deceleración, disminuyendo su velocidad un70 %, este gran descenso en un intervalo de tiempo tan corto aumenta enormemente el riesgo de sufrirdaños tanto en cabeza como en cuello.

En el caso que el motorista golpea contra la barrera con el sistema de protección puntual (protector depoliestireno expandido), la barrera disipa energía mediante dos elementos: el poste y el protector depoliestireno. El poste disipa un 33 % mientras que el protector disipa un 24 %. El porcentaje deenergía el protector es en condiciones ideales, es decir el protector no sufre rotura durante el impacto ysolamente trabaja a compresión.

Figura 61. Energía que disipa el poste y el protector.

Durante este impacto el dummy está sometido a una gran deceleración, disminuyendo su velocidad un68 %, este gran descenso en un intervalo de tiempo tan corto aumenta enormemente el riesgo de sufrirdaños tanto en cabeza como en cuello.En el caso que el motorista impacta contra la barrera con el sistema de protección continua (SEC-Envel), la barrera disipa la energía mediante la deformación de dos elementos principalmente: lapletina y las pantallas. La pletina disipa un 13 % de la energía cinética y las pantallas disipan un 40%.

Figura 62 Energía que disipa la barrera con sistema de protección continuo.

Se observa en éstas curvas que la disipación de energía es más gradual no produciéndose losescalones que se observaban en las anteriores curvas. Esto significa que el hombro no impacta contrael poste, ya que gracias a la pantalla inferior es reconducido y desliza a lo largo de ella, de estamanera el impacto es más suave y el dummy no sufre una deceleración brusca (su velocidaddisminuye un 10 % durante el impacto) y con lo cual no sufre riesgo de daño tan elevado como en loscasos anteriores.

En este sistema el poste no sufre deformación, esto implica que el motorista no sufre los daños a losque estaría expuesto al chocar contra un objeto rígido.

Distribución de fuerzas:

Figura 63. Sistema sin protección.

Figura 64. Sistema de protección puntual.

Figura 65. Sistema de protección continua.

En las imágenes anteriores se puede observar la concentración de tensiones que aparecen en losdistintos sistemas en el momento del impacto. En el caso del poste aislado como es de suponeraparece gran concentración de tensiones en una superficie reducida (el ala del perfil). Lo mismoocurre con el poste, ya que la zona de contacto sigue siendo reducida. En cambio en el sistema deprotección continua la superficie es mayor y se distribuyen los esfuerzos y sus valores máximos sonmenores.

momentos, altas deceleraciones y fuerzas inerciales, las cuales en muchos casos están por encima delas tolerancias humanas.

La solución continua distribuye las fuerzas de contacto en una gran área y permite al motorista deslizarsobre ella y reconducirlo.

Fuerzas en la zona de impacto:

Existe una gran diferencia entre las fuerzas de contacto entre el dummy –barrera en función delsistema de protección, la diferencia se puede apreciar tanto en la forma de la curva como en losvalores que alcanza.

En la siguiente figura se puede observar la fuerza de contacto entre el dummy y la barrera con elsistema de protección puntual. El funcionamiento de este sistema es proteger el primer impacto de lacabeza o del torso en función del ángulo de impacto, debido al impacto el motorista es rebotado haciafuera, por lo cual el contacto entre ambos dura menos tiempo.

El primer pico que se aprecia en la curva se debe al impacto entre cabeza-barrera , éste presenta unosvalores muy altos. Hay que tener en cuenta que el modelo de elementos del dummy es rígido, y estoprovoca que los contactos tengan valores más altos, porque el dummy no sufre deformación.

El segundo pico se debe al contacto entre el hombro-barrera y se produce el enganchamiento que yase ha explicado con anterioridad. El contacto con el hombro llega a unos valores más altos que elcontacto de la cabeza, esto se debe a que con el contacto del hombro se produce la deceleración detodo el cuerpo, y la superficie en contacto es mayor.

Figura 66. Fuerza de contacto en sistema de protección puntual.

En la siguiente figura se puede observar la fuerza de contacto entre el dummy y la barrera con elsistema de protección continua. El funcionamiento de este sistema es conseguir que el impacto seamás gradual, disminuir la velocidad del motorista, proteger al motorista en toda su longitud yreconducirlo.

El primer pico que se aprecia en la curva se debe al impacto entre cabeza- barrera, éste presenta unosvalores un 80 % inferiores a los del sistema puntual.

El segundo pico que se aprecia se debe al impacto entre hombro- barrera, éste presenta unos valoresun 85% inferiores a los del sistema puntual.

El tercer pico que se aprecia se debe al contacto entre cadera- barrera, éste contacto no aparecía enel sistema de protección anterior, ya que en el sistema anterior el dummy era rebotado hacia fuera, enel sistema protección continua todo el dummy entra en contacto con la barrera, ya que es reconducidoy va deslizándose a lo largo de la pantalla con toda la superficie del dummy en contacto.

El cuarto pico que se aprecia se debe al contacto entre piernas- barrera, que tampoco aparecía en elsistema de protección anterior. Después del impacto de la cadera contra la barrera, la cinématicanormal del dummy es golpear después con las piernas.

En este sistema las fuerzas de contacto más elevadas son las de cabeza y cadera contra la barrera,pero de valores mucho menores a los que se obtienen con el otro sistema.

Figura 67. Fuerza de contacto en sistema de protección continua.

Máxima deformación de la barrera

Este criterio es difícil de cuantificar porque partimos de dos sistemas con distinta geometría y distintomecanismo de actuación. En el caso de los protectores están sometidos a compresión por el impactode la cabeza o de cualquier parte del cuerpo contra ellos, llega un momento que se supera su límiteelástico y no recuperan su forma inicial, quedando deformados.En el caso de la barrera las partes que sufren deformación son la pletina y la pantalla, éstas tambiénsuperan su límite elástico no recuperando su forma inicial.La pletina se deforma porque apoya con un borde sobre la superficie del poste, éste borde actúa comouna bisagra deformando el resto de la pieza.

Daños que sufre el dummy

Mediante el resultado de las simulaciones se pueden comparar cómo el impacto contra la barreraafecta al dummy. Se eligen como criterios de comparación las deceleraciones que sufren 3 partesdistintas del dummy: cabeza, torso y cadera.A mayor deceleración que sufra el dummy durante el impacto, mayor riesgo de sufrir daños serios.En las siguientes figuras se puede observar las deceleraciones que sufre el dummy con los distintossistemas de protección.

En el caso de los daños en cabeza la deceleración que sufre en el caso de sistema de protecciónpuntual es 70 % mayor a la que sufre con el sistema de protección continua, con el sistema deprotección continua los valores de deceleración están por debajo de los valores umbrales en el casode cabeza están cuantificados por el HIC, el HIC máximo es 1000 m/s2 a partir de este valor seentiende que existen daños cerebrales.

En el caso de los daños en torso la deceleración que sufre en el caso de sistema de protección puntuales 80 % mayor a la que sufre con el sistema de protección continua, con el sistema de proteccióncontinua los valores de deceleración están por debajo de los valores umbrales en el caso de cabezaestán cuantificados por el criterio de 60 g, el valor máximo de aceleración es de 600 m/s2.

En el caso de los daños en cadera la deceleración que sufre en el caso de sistema de protecciónpuntual es 70 % mayor a la que sufre con el sistema de protección continua.

Figura 69. Comparativa aceleraciones en sistema puntual.

TAREA 7: Ensayos experimentales sobre protectores de poste.

Introducción.

El apartado que nos ocupa trata de conocer aún más el comportamiento en servicio de dos tipos deprotectores de poste. Poliestireno expandido y caucho reciclado. Se ha optado por estos sistemas ymateriales al ser bastante usual encontrarlos en algunos tramos de carreteras españolas donde lacirculación de motoristas es bastante frecuente. Se quiere comprobar ante todo el grado de absorciónde energía de ambos materiales dependiendo de su diseño y de la densidad del compuesto en queestán fabricados. Para la realización de los ensayos se contó con la máquina de caída libre o FallingWeight existente en las instalaciones de Cidaut.

Descripción de una máquina de ensayos de caída libre de masa.

La máquina de ensayos de caída libre de masa, también denominada Falling Weight, es utilizada enensayos de compresión y de impacto. Este sistema suministra una carga al especimen en estudio, aldejar caer sobre él una masa desde una determinada altura. La técnica de este tipo de tests tiene lacapacidad de generar altas fuerzas en el rango de medio strain rate. Con este método se han logradoalcanzar capacidades de carga de hasta 900 kN junto con duraciones de ensayo desde 0.1 a 20 ms,dando lugar a velocidades de carga tan altas como 1 GN/s.

Idealmente la energía puesta en juego en estos tests, es la energía potencial que posee la masaliberada desde una determinada altura. La conservación de la energía relaciona tres de los parámetrosfundamentales en este tipo de ensayos:

mgh mv=12

2

Máquina de ensayos.

Un típico Falling Weight para ensayos de compresión se muestra en la siguiente figura:

Figura 71. Máquina de ensayos de caída libre de masa o Falling Weight.

El sistema consiste en la torre de caída firmemente anclada a una sólida base de hormigón, set decompresión dinámica y bloques de frenado. Un sistema con una capacidad de 900 kN utiliza una masaacoplada al carro de caída, cuyo valor se puede seleccionar entre 225 y 1000 kg, la altura máximadesde la que se libera es de 1.5 m. La base de 12000 kg de hormigón reforzado con acero,proporciona una elevada rigidez a la máquina de ensayos. El set para compresión dinámica transmitela fuerza hasta el cuerpo de ensayo a través de un pistón interior.

La instrumentación mínima en ensayos con este tipo de máquinas, consiste en un transductor paramedir la fuerza ejercida sobre el especimen, así como todo el equipo necesario para elacondicionamiento y adquisición de resultados. La frecuencia de muestreo debe ser superior a 35 kHz,lo que limita el equipo de adquisición y grabado de datos a osciloscopios y ordenadores.

A veces, se requiere conocer el desplazamiento en el ensayo o la deformación del sólido, en estoscasos la medida se puede realizar con un LVDT. También es conveniente utilizar dos LVDT colocadossimétricamente opuestos, de forma que promediando las medidas de los dos, se pueda eliminarcualquier lectura debida a movimientos vibratorios de las uniones de los dos LVDT. Se debe disponerde un sistema de acondicionamiento para los LVDT con una frecuencia de excitación de 20kHz. Estesistema tiene un tiempo de establecimiento de 0.2 ms, lo que representa mayor lentitud que el equipode medida de fuerza.

La medición exacta de la deformación sufrida por el cuerpo se puede conseguir colocando sobre éste

Este sistema se ha utilizado frecuentemente para medir tensiones de fractura a compresión, paradeterminar la relación Tensión-Deformación en la compresión de un material y para evaluar laestabilidad dimensional y la absorción de energía de componentes sometidos a impacto. En el caso derequerir el estudio a fractura de un material o en el caso de estudiar el comportamiento de la curvaTensión-Deformación, es necesario que la velocidad de deformación no varíe durante el ensayo. Estose consigue asegurando que la energia disponible sea tres veces mayor que la energía queposteriormente se absorberá en el ensayo.

Cuando la masa impacta, su velocidad disminuye hasta anularse, posteriormente ésta rebota,provocando picos de fuerza secundarios. Este efecto obliga a retirar el especimen o capturar la masaque impacta en el momento del rebote. Si esto no es posible, es necesario tener en cuenta estosrebotes a la hora de estudiar los resultados.

Respecto al cuerpo de ensayo, no existen requerimientos especiales. Sin embargo, existen variasconfiguraciones básicas comúnmente utilizadas, como son los cuerpos cilíndricos con longitudesmayores a dos veces su diámetro.

Como en todos los ensayos a compresión, existen especificaciones en cuanto a la lubricación de lassuperficies de contacto entre el cuerpo y los platos. Una falta de lubricación puede provocar que elcuerpo tenga restringido su movimiento, haciendo que las deformaciones no sean homogéneas yprovocando el fenómeno de barreling del cuerpo. Así mismo, se utilizan inserciones de aceroendurecido entre el cuerpo y los platos para evitar la limitación del movimiento del cuerpo por efectodel rozamiento.

Un Falling Weight es un sistema de ensayo que no proporciona un incremento constante deldesplazamiento ni de la fuerza. La velocidad y la forma con que aumenta la fuerza de compresión,dependen de la rigidez del cuerpo de ensayo y del sistema, así como de la velocidad de impacto y dela energía disponible en el Falling Weight. Las condiciones del ensayo deben ser determinadasmediante “prueba-error” o desde parámetros derivados empíricamente. Las velocidades de caída de lamasa y, consecuentemente, la velocidad de deformación y de carga están influenciadas tanto por larespuesta en frecuencia del equipo utilizado, como por la fuerza inercial del sistema. Estos efectoslimitan la velocidad del ensayo en muchos casos. Como norma general, cuando se requiere un valordeterminado de energía en el ensayo, se obtienen mejores resultados lanzando un peso elevadodesde una altura reducida que un peso menor desde gran altura. Una velocidad de impacto más bajareduce las cargas de inercia, a la vez que se consigue generar fuerzas máximas suficientes.

Los desplazamientos del cuerpo y los cálculos de energía, que son utilizados normalmente en estesistema, son bastante poco exactos, ya que las deformaciones del sistema pueden ser muchomayores que la deformación real del cuerpo de ensayo.

Falling weight de Cidaut.

En este punto se describe el Falling Weight utilizado en los ensayos llevados a cabo.

El Falling Weight es un sistema pensado para obtener altas velocidades de deformación en loscuerpos de ensayo, tal y como se ha descrito en el apartado anterior. El sistema utilizado en CIDAUT(ver figura), está compuesto por los siguientes elementos:

Figura 72. Vista general del Falling Weight de CIDAUT.

1. Torre de caída: con una altura máxima de 5 m. Esta altura permite una velocidadaproximada de caída del punzón de 10 m/s. Anclada a una sólida base de hormigón, queproporciona al sistema elevada rigidez.

2. Motor eléctrico: encargado de elevar las partes móviles a la altura deseada.

3. Carro: elemento que sirve de guía en la caída al resto de cuerpos que van fijos a él. Esteelemento es común para todos los ensayos, acoplándole las partes específicas de cadatest, ya sean punzones, sensores, etc. Posee una masa de 7.56 kg.

4. Punzón: es la parte de la máquina de ensayos encargada de aplicar directamente lafuerza sobre el especimen en estudio. Se dispone de dos tipos de punzones, cada uno delos cuales se elige según especificaciones del ensayo, acoplándolo al carro de caída. Unode ellos es rectangular plano, con una masa de 2.75 kg y otro está caracterizado por unperfil semiesférico y excéntrico cuya masa es de 8.74 kg. Ambos están construídos enacero y su forma y dimensiones se describen a continuación:

(a) Punzón curvo.

(b) Punzón plano.

Figura 74. Dimensones Punzón curvo y Punzón plano.

5. Pórtico: elemento situado entre la célula de carga y el cuerpo de ensayo. Su misión es la depermitir la correcta colocación del especimen sobre la célula de carga. Por lo tanto, pone encontacto al transductor con el resto de elementos, posee forma esférica en la zona de contactocon la célula para transmitir únicamente fuerzas axiales. Está dotado de cuatro guías queencajan en cuatro orificios en la placa base, estas están encargadas del guiado del pórtico,siempre persiguiendo que la aplicación de la fuerza sea axial, evitando posibles esfuerzos deflexión que dañarían el sensor. La masa de este elemento es de 12.83 kg.

170

600

140

50

70

90

9020

6. Célula de carga: Sensor de fuerza de la marca SEDEME modelo SAM10000. Suscaracterísticas principales son:

Sensibilidad=2.003mV/VRango=10000 kg=98610 N.

El bulón roscado conectado a la célula transmite la fuerza desde el pórtico al sensor, susuperficie también es semiesférica para garantizar la axialidad de la carga. Tiene una masa de0.5 kg.

A continuación, se muestran esquemáticamente los elementos comentados:

Figura 75. Esquema de los elementos fijos del Falling Weight.

Figura 76. Esquema de los elementos móviles del Falling Weight.

Pórtico

Placa inferior

Célula

Bulónroscado

Carro

Placaacoplepunzón

Punzóncurvo

Figura 77. Esquema general del Falling Weight.

Concepción y resultados de los ensayos.

Los ensayos realizados pretenden comprobar el grado de absorción de energía que tienen dos tiposde protectores de poste utilizados hoy en día. Uno de ellos está realizado en poliestireno expandido yel otro se fabricó con caucho reciclado.

El ensayo consiste en la caída libre de una masa que simula la cadera de un ser humano sobre elposte IPN recubierto con estas dos soluciones. A su vez, existen dos configuraciones de ensayo enfunción de que el impacto se realice en el alma o en el ala del poste recubierto.

La cadena de medida consiste en un acelerómetro Endevco 7264B-2000 colocado sobre el impactorcon su eje sensible en la dirección de caída. El acondicionador y filtro de señal es un equipo PacificInstruments y como sistema de adquisición se utiliza una tarjeta de adquisición de datos NationalInstruments.

El protector fabricado en caucho es relativamente innovador al haber sido realizado a partir decompuestos de caucho reciclado, por lo que se ha querido también comparar cómo actúa dichocompuesto a lo largo del tiempo. Para ello han sido ensayados varios tipos de protectores de caucho:

Resumen de las condiciones de ensayo:

- Masa del impactor: 18.6 kg simulando una cadera humana.- Velocidad de impacto: 24.1 km/h- Impacto A: Sobre alma del perfil.- Impacto B: Sobre ala del perfil.

La velocidad de ensayo se calculó para poner en juego una determinada energía, en este caso algomás de 400 Julios, a fin de poder comprobar la capacidad de absorber esta energía por parte deambos materiales.

A continuación se muestran imágenes de las secuencias de los ensayos.

Figura 78. Secuencia del impacto sobre un protector de caucho

Figura 79. Secuencia de impacto sobre protector de poliestireno

En todos los ensayos se midió la aceleración del impactor durante el contacto con el protector deposte. La comparativa de los resultados se muestra en las siguientes figuras.

0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050 0.055 0.060

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

Picos de aceleración.Impacto normal al ALMA del perfil.

Protector poliestireno Protector verde Protector envejecido térmicamente Protector envejecido intemperie Protector sin envejecer

Ace

lera

ción

(g)

El protector verde añadido a los especímenes de estudio es el mismo protector de caucho sinenvejecer pero con una mezcla de compuestos diferente, que le dan un color, a la vez que modificaligeramente su densidad.

Es fácil comprobar cómo el impactor que representa la pelvis muestra unos niveles de deceleraciónmenores en el caso del protector de poliestireno que en el resto realizados en caucho. A su vez, no seobservan picos acusados que significarían deformaciones mínimas del sistema. Los protectores decaucho son más rígidos y por lo tanto sus niveles de deceleración mayores. No se observanvariaciones acusadas de su comportamiento cuando éstos han sido envejecidos, y sí podemoscomprobar cómo cambios en la densidad del material (protector verde es menos denso) hace quedisminuya las aceleraciones máximas medidas.

0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

Picos de aceleración.Impacto normal a las ALAS del perfil. Protector poliestireno

Protector verde Protector envejecido térmicamente Protector envejecido intemperie Protector sin envejecer

Ace

lera

ción

(g)

Tiempo (s)

Figura 81.

Si el impacto se produce en las alas del perfil del poste, la deceleración medida es mucho mayor, yaque la superficie de apoyo sobre la que se impacta es menor. Las fuerzas se encuentran en este caso

5. CONCLUSIONES.

En este proyecto se ha llevado a cabo un estudio de diferentes soluciones representativasencaminadas a la protección de motoristas ante impactos contra barreras de seguridad. Estasestructuras tiene como misión disipar la energía cinética del impacto mediante su deformación.

Han sido identificadas la mayoría de las soluciones existentes en el mercado y mediante el estudioexhaustivo de dos de estas soluciones se ha desarrollado una metodología de trabajo para identificarlos aspectos a tener en cuenta en su diseño, tales como estructuras de absorción de energía,distribución de esfuerzos mejorada y criterios basados en datos biomecánicos de un maniquí deensayo.

En función de los resultados obtenidos se puede deducir que los sistemas de protección puntuales nollegan a proteger en su totalidad los riesgos que puede sufrir un motorista en una caída y posteriorimpacto contra una barrera de seguridad instalada en los márgenes de la carretera. Su principal misiónes evitar los cortes o amputaciones que sufren las extremidades del motorista, y esto sí se puedeprácticamente asegurar si la velocidad de impacto está dentro de los márgenes de velocidadpermitidos por el Código de Circulación. Lo que no es capaz es evitar los daños cerebrales o en cuelloque sufren los motoristas durante el golpe.

La energía cinética disipada por el sistema no es suficiente y el motorista puede acabar golpeándosecontra el poste. La posibilidad de fractura del protector puede dejar aflorar las aristas del perfil, aunquetambién es cierto que dicha rotura puede actuar como liberador de tensiones y ayude en la mejora dela distribución de fuerzas. Se puede decir que, en general, someten al motorista a una fuertedeceleración y no son capaces de distribuir las fuerzas que acaban concentrándose en una pequeñasuperficie.

Un sistema de protección continua parte de una filosofía de comportamiento distinta y ayuda asolucionar en gran medida los problemas a los que está expuesto el motorista. Este sistema favorece aque el impacto no sea tan brusco disminuyendo poco a poco la velocidad del motorista pordeslizamiento sobre la pantalla. Además evita que el motorista pueda atravesar entre dos postes yposteriormente caer por un desnivel o golpear contra otro objeto. Este sistema es capaz de disminuiren torno a un 70 % los daños que sufre el motorista la golpear contra un protector de poste.Evita los cortes con el poste y tiende a redireccionar al motorista gradualmente sin rebotarlobruscamente de nuevo a la carretera.

Estas conclusiones están basadas en un protocolo de ensayos determinado, éstas podrían variar si elensayo se realiza a distintas velocidades, distintas posiciones o distintos ángulos de impacto. Hay quetener en cuenta que cada accidente posee una tipología distinta y la única manera de conocerla esmediante accidentes reales. Debido a la laguna existente en cuanto a los accidentes y los daños quesufre el motorista, nos hemos basado en artículos para establecer nuestro protocolo de ensayos. Lascondiciones elegidas responden a unas condiciones severas, en las que el motorista estaría expuestoa graves lesiones.

BIBLIOGRAFÍA.

Ø (1): Sala G., Astori P.; ‘New Concepts and Materials for Passive Safety of Motorcyclists’;Aerospace Engineering Department. Politecnico di Milano. IRCOBI Conference, 1998.

Ø (2): Duncan C., Corben B., Truedsson N., Fitzharris M., “Motorcyclists and Barriers” AccidentResearch Centre, Monash Univertisy, 2001

Ø (3): “Final Report of the Motorcyclists & Crash Barriers Project”, Federation of EuropeanMotorcyclists Associations (FEMA)

Ø (4): Quincy R.; ‘Protocole d’essais de dispositif de retenue assurant la securite des motocyclistes’;Laboratoire d’essais Inrets Equipments de la Route (LIER), 1998.

Ø (5): Instituto Mapfre; “Recomendaciones de Infraestructuras para Vehículos de dos Ruedas”,(1998).

Ø (6); Domhan M.; “Guardrails and Passive Safety for Motorcyclist”, (BASt), (1987).

Ø (7): Searle J. “The Trajectories of Pedestrians, Motorcycles, Motorcyclists etc., Following a RoadAccident. (1983)