DĘBSKI Hubert 1 FERDYNUS Mirosław 2 KRUPA Paweł 3 Bariery ochronne jako środki bezpieczeństwa transportu drogowego WSTĘP Podstawowym zadaniem barier ochronnych jest zapewnienie bezpieczeństwa w ruchu drogowym. Znajdują one zastosowanie w miejscach, w których istnieje niebezpieczeństwo wyjechania poza krawędź jezdni lub przekroczenia pasa oddzielającego dwa przeciwbieżne pasy drogi, zagrażając bezpieczeństwu kierowcy, pasażerów oraz innych użytkowników ruchu. Warunki, które musi spełniać miejsce, w którym ma zostać zainstalowana bariera ochronna szeroko opisuje dokument Wytyczne stosowania drogowych barier ochronnych na drogach krajowych (GDDKiA, 2014r)[3]. Bariery ochronne stosowane są na prostych odcinkach drogi np. w przypadku obiektów znajdujących się w sąsiedztwie jezdni (podpory wiaduktów, słupy, budynki itp.), czasami również np. przy nasypach i urwiskach. Stosuje się je również na drogach górskich, na mostach, wiaduktach lub na niebezpiecznych zakrętach. Istnieje również kilka innych przypadków barier, takich jak bariery linowe, z tworzyw sztucznych, barierki oddzielające dla pieszych czy bariery betonowe lub plastikowe, oddzielające prace wykonywane przy drogach. Prawie wszystkie typy barier ochronnych z wyjątkiem barier linowych wyraźnie wyznaczają krawędź drogi, co ułatwia poruszanie się pojazdów np. podczas złych warunków pogodowych (deszcz, mgła itp.) lub w nocy. Drogowe bariery ochronne należy stosować tylko i wyłącznie wtedy, gdy jest to konieczne. Najechanie pojazdu na barierę zamontowaną, wykonaną i usytuowaną zgodnie z normą PN-EN 1317 i zaleceniami producenta, również może być wypadkiem drogowym o poważnych skutkach. Zgodnie z przepisami barierę ochronną stosuje się w miejscach, w których przewidywane skutki wypadku drogowego byłyby poważniejsze od skutków kolizji pojazdu z barierą. Wadliwa konstrukcja lub błędny montaż bariery ochronnej może stanowić poważne zagrożenie dla uczestników ruchu, ponieważ w przypadku uderzenia przez pojazd w wadliwą konstrukcję, może dojść do przerwania bariery lub jej przechylenia, doprowadzając do tzw. efektu katapulty. W celu zapobiegania takim sytuacjom należy przeprowadzać montaż barier zgodnie z obowiązującą normą PN-EN 1317 pt. Systemy ograniczające drogę oraz zaleceniami producenta [1]. 1. ZASADA DZIAŁANIA I MONTAŻ BARIERY DROGOWEJ Bariera drogowa ma za zadanie powstrzymać samochód przed wypadnięciem z drogi, jak również wyprowadzić pojazd z powrotem na drogę, w miarę równolegle do krawędzi jezdni. Nie może dojść do odbicia pojazdu, czy sprężystego odrzucenia od bariery, ponieważ pojazd nie powinien stwarzać dodatkowego zagrożenia dla innych uczestników ruchu: Bariera ochronna powinna powstrzymać pojazd i zmienić jego kierunek bez całkowitego złamania wzdłużnych elementów systemu. (PN-EN 1317-2:2001) [3]. W przypadku niewłaściwego odbicia pojazdu na drogę istnieje niebezpieczeństwo zderzenia z np. nadjeżdżającymi pojazdami z przeciwka. Fizycznie głównym zadaniem bariery jest przejęcie energii kinetycznej i zamiana jej na pracę. Prawidłowo zaprojektowana i zamontowana bariera w przypadku wypadku powinna powodować jak najmniejsze uszkodzenia pojazdu, w miarę możliwości ograniczające się do elementów nadwozia, aby nie utrudniać utrzymania kierunku i toru ruchu pojazdu. 1 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; 20-618 Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: + 48 81 538-42-01, Fax: + 48 81 538-42-00, h.debski@pollub.pl 2 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; 20-618 Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: + 48 81 538-42-06, Fax: + 48 81 538-42-00, m.ferdynus@pollub.pl 3 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; 20-618 Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Student. 2926
Montaż barier ochronnych powinien odbywać się zawsze zgodnie z instrukcją montażu, przygotowaną przez producenta systemu. Instrukcje różnych rodzajów barier różnić się mogą rozstawem słupków podporowych, metodą skręcania prowadnic, sposobem montażu zakończeń barier lub siłą skręcania śrub. Instalacja powinna być przeprowadzana przez wykfalifikowaną załogę z odpowiednim sprzętem. Osadzanie słupków w gruncie przeprowadza się metodą wbijania lub wwibrowywania za pomocą młotów, kafarów lub wibromłotów. Podczas montażu nie wolno odcinać żadnych elementów, wiercić otworów czy wprowadzać innych zmian bez uprzedniej zgody producenta. W trakcie zagłębiania słupków może dojść do zniekształcenia górnej części słupka oraz uszkodzenia powłoki cynkowej. W takim przypadku należy pokryć zniekształcony element powłoką cynkową. Zabrania się natomiast odcinania zdeformowanej części. Długość bariery powinna być dostateczna do uzyskania pełnej charakterystyki działania systemu. Wartość zagęszczenia gruntu, w którym zagłębione są słupki barier powinny być zgodne z normą PN-S-02205;1998. Częstą przyczyną tragicznych w skutkach wypadków drogowych jest błąd w montażu bariery niewłaściwy montaż prowadnic, niedokręcenie śrub, uszkodzenie bariery itp.. W takim przypadku najczęstszymi skutkami jest przerwanie bariery i wypadnięcie pojazdu poza obszar jezdni. Często w podobnych sytuacjach dochodzi do tragicznego w skutkach przedostania się instalacji (prowadnicy) do pojazdu. Jednym z przykładów takiego zdarzenia był wypadek polskiego kierowcy wyścigowego oraz rajdowego Roberta Kubicy w trakcie rajdu Ronde di Andora w 2011 roku. Przyczyną wypadku była nierówna nawierzchnia drogi, lecz znajdująca się tam bariera ochronna nie spełniła swojej roli przerywając się i przebijając auto, w wyniku czego kierowca doznał wielu poważnych obrażeń rys.1a. Przykład niewłaściwie zamontowanej bariery drogowej, posiadającej przerwę w instalacji stanowiącą poważne zagrożenie dla uczestników ruchu przedstawia rys. 1b. Rys. 1. a) Przerwanie bariery ochronnej, b) przykład nieprawidłowej instalacji bariery ochronnej 2. PROJEKTOWANIE BARIER DROGOWYCH Testy zderzeniowe określane terminem crash testy są nieodzowną częścią projektowania oraz badań bezpieczeństwa barier ochronnych. Zastosowanie barier ochronnych na polskich drogach warunkuje pomyślne przeprowadzenie testów zderzeniowych zgodnie z normą PN-EN 1317, po których, w przypadku spełnienia warunków testu bariera zostaje oznaczona znakami B lub CE. Każda taka bariera powinna posiadać aprobatę techniczną oraz dodatkowo jej producent powinien posiadać Krajowy Certyfikat Zgodności. Testy zderzeniowe barier ochronnych w Polsce wykonuje się od 2005 roku w Instytucie Badawczym Dróg i Mostów na specjalnym poligonie w Inowrocławiu. Inowrocławska firma jako jedyna w kraju i jedna z nielicznych w Europie ma uprawnienia do prowadzenia testów zderzeniowych barier drogowych. Instytut pozwala na uzyskanie znaku CE, który otwiera wszystkie rynki europejskie dla badanych instalacji. Należy zwrócić uwagę na fakt, że około 70% ogólnej liczby barier w Polsce zostało zainstalowanych, zanim nowe przepisy PN-EN 1317 weszły w życie, to znaczy, że większość barier na polskich drogach nie przeszło testów 2927
zderzeniowych (IBDiM) [2]. Przykłady testów zderzeniowych realizowanych na poligonie w Inowrocławiu prezentuje rys.2. Rys. 2. a) Test zderzeniowy samochodu osobowego, b) test zderzeniowy autobusu o masie 13 000 kg Projektowane bariery drogowe muszą zatem spełniać szereg wymogów określonych w/w przepisami i normami, dotyczących zarówno warunków technicznych, jak i zapewnienia bezpieczeństwa w trakcie zderzenia. Dodatkowe utrudnienia w projektowaniu tego typu konstrukcji stanowi fakt, że ta sama bariera narażona jest na obciążenia dynamiczne wymuszone różnymi warunkami, tzn. od uderzenia samochodu osobowego o masie od 900 kg do zderzenia z autobusem, czy samochodem ciężarowym o masie dochodzącej do 38000 kg. Fakt ten wymaga od konstruktorów uwzględnienia w procesie projektowania wszystkich czynników wpływających na wytrzymałość i sztywność elementów konstrukcyjnych bariery, stanowiącej przykład konstrukcji cienkościennej. Nowoczesnym narzędziem wspomagającym proces projektowania tego typu ustrojów jest oprogramowanie CAE (Computer Aided Engineering), wykorzystujące Metodę Elementów Skończonych (MES) [4]. Wykorzystanie oprogramowania CAE umożliwia prowadzenie numerycznych symulacji pracy konstrukcji, pozwalających na bieżącą weryfikację jej wytrzymałości oraz prowadzenie optymalizacji parametrów konstrukcyjnych na etapie wykonywania projektu. 3. NUMERYCZNA ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCI BARIERY DROGOWEJ Przedmiot rozważań stanowiła bariera drogowa wykonana przez firmę Stalprodukt S.A. z Bochni, będącej od 1992 roku producentem wszystkich spotykanych na rynku polskim typów barier drogowych i mostowych, również na specjalne zamówienie z prowadnicą z profilowanej taśmy stalowej typu A i typu B oraz wszelkiego rodzaju elementów spawanych, łączników, czy prowadnic łukowych. Do analizy numerycznej przyjęto barierę ochronną o oznaczeniu StalPro Rail S/4 o poziomie powstrzymywania H1 i szerokości pracującej W4 (W=1,2m), wykonaną ze stali S235JR rys.3. Rys. 3. Schemat badanej bariery drogowej wraz z jej mocowaniem 2928
Model geometryczny badanego fragmentu bariery ochronnej wykonano z wykorzystaniem oprogramowania CAD (Computer Aided Design) program CATIA V5. Szczegóły konstrukcyjne wykonanego modelu przedstawia rys.4. Rys. 4. a) Model geometryczny bariery ochronnej-widok ogólny, b) widok szczegółowy konstrukcji Wykonany model geometryczny stanowił podstawę opracowania modelu dyskretnego, który wykonano poprzez usunięcie szczegółów konstrukcyjnych, jak m.in. śruby, nakrętki, otwory, nieistotnych z punktu widzenia wytrzymałości konstrukcji, a w istotny sposób zwiększających rozmiar modelu obliczeniowego. Dyskretyzację konstrukcji przeprowadzono z wykorzystaniem powłokowych elementów skończonych typu S4R, stanowiących elementy czterowęzłowe, posiadające po 6 stopni swobody w węźle elementu [1]. Zastosowany typ elementu skończonego stanowił element pierwszego rzędu, ze zredukowanym całkowaniem, przeznaczony do obliczeń zagadnień dynamicznych. Warunki brzegowe modelu numerycznego zdefiniowano poprzez utwierdzenie dolnych części słupków bariery, na poziomie ich mocowania w podłożu. Zagadnienie numeryczne sformułowano jako zagadnienie dynamiczne, odwzorowujące warunki uderzenia pojazdu o masie 900 kg w barierę ochronną pod kątem 20 0 z prędkością 100 km/h. Powyższe warunki spełniają założenia testu zderzeniowego o oznaczeniu TB 11, określonego normą PN-EN 1317. Zastosowanym narzędziem numerycznym był program Abaqus/Explicit. W obliczeniach zastosowano uproszczony model pojazdu, reprezentowany w postaci zderzaka samochodu, do którego przypisano parametry analizy, tj.: masę pojazdu oraz prędkość początkową rys.5. Rys. 5. Model numeryczny symulujący zderzenie pojazdu z barierą ochronną 2929
Przeprowadzona analiza numeryczna umożliwiła określenie stopnia odkształcenia oraz wytężenia elementów konstrukcyjnych bariery ochronnej, odpowiadającego warunkom symulacji testu zderzeniowego. Analizie poddano rozkłady naprężenia zredukowanego, wyznaczonego na podstawie hipotezy wytrzymałościowej Hubera-Misesa-Hencky ego (H-M-H). Z ogólnego rozkładu naprężenia przedstawionego na tle odkształconego modelu bariery (rys.6) wynika, że największe naprężenia wystąpiły na połączeniu prowadnic, w miejscu ich przetłoczenia. Otrzymane wartości naprężenia w tym obszarze kształtują się na poziomie 380 MPa, przekraczając wartość granicy plastyczności materiału wynoszącą Re = 235 MPa, oraz osiągając poziom granicy wytrzymałości materiału wynoszący Rm = 380 MPa. Oznacza to, że w rozważanym obszarze konstrukcja została maksymalnie wytężona, jednakże poziom naprężeń dopuszczalnych nie został przekroczony. Istnieje zatem ryzyko niewielkiego lokalnego uszkodzenia bariery, jednakże co w tym przypadku jest najistotniejsze, nie doszło do przerwania instalacji. Rys. 6. a) Rozkład naprężenia zredukowanego w konstrukcji bariery, b) miejsce połączenia prowadnic-obszar najwyższych wartości naprężenia zredukowanego Maksymalne odkształcenia powstałe w wyniku dynamicznego uderzenia w barierę ochronną zlokalizowane zostały w obszarze za środkowym słupkiem podporowym. Największe przemieszczenia węzłów bariery wyniosły w tym miejscu 480 mm - rys. 7. Rys. 7. a) Odkształcenie bariery widok ogólny, b) miejsce maksymalnych przemieszczeń węzłów konstrukcji 2930
Największe przemieszczenia konstrukcji w rozważanym przypadku nie przekroczyły wartości 0,5m, co potwierdza spełnianie określonego przepisami poziomu powstrzymywania bariery H1. WNIOSKI Bariery ochronne projektowane są w celu zapewnienia bezpieczeństwa ruchu drogowego w miejscach szczególnie niebezpiecznych. Należy je stosować tylko w miejscach lub na odcinkach dróg, gdzie przewidywane skutki wypadku będą poważniejsze, niż skutki najechania pojazdu na barierę. Drogi i obiekty znajdujące się w bezpośrednim otoczeniu drogi powinny być tak projektowane, żeby ograniczać stosowanie drogowych barier ochronnych do minimum. Również należy zaznaczyć, że bariery nie są urządzeniem neutralnym i nie eliminują wypadków czy kolizji drogowych, lecz przy prawidłowym zastosowaniu wyłącznie łagodzą ich skutki. W najkorzystniejszej sytuacji bariery ratują zdrowie i życie osobom uczestniczącym w wypadkach drogowych, uszkadzając jedynie pojazd. W zasadzie wszystkie typy i odmiany barier ochronnych są równoważne, jeżeli zostały przebadane w prawidłowy sposób na poligonie zderzeniowym. Różnią się jedynie swoimi właściwościami kolizyjnymi. Zaprezentowane w pracy programy symulacji komputerowej wykorzystujące metodę elementów skończonych mogą stanowić bardzo wartościowe narzędzie, wspierające proces projektowania barier ochronnych. Prowadzone symulacje numeryczne mogą stanowić jeden ze sposobów testowania nowych rodzajów barier ochronnych, eliminujących konieczność kilkukrotnych testów zderzeniowych na obiektach fizycznych, redukując w ten sposób czas i koszty wykonania nowego projektu. Streszczenie W pracy przedstawiono problematykę związaną z projektowaniem i wykorzystaniem drogowych barier ochronnych, stanowiących środki bezpieczeństwa w transporcie drogowym. Zwrócono uwagę na wymagania stawiane tego typu konstrukcjom, mającym zapewniać bezpieczeństwo w miejscach szczególnie niebezpiecznych, narażonych na występowanie kolizji drogowych. Zaprezentowana w pracy numeryczna symulacja testu zderzeniowego, określonego normą PN-EN 1317, umożliwiła określenie stopnia wytężenia i odkształcenia analizowanej bariery ochronnej. Otrzymane wyniki obliczeń potwierdziły dostateczną wytrzymałość konstrukcji oraz spełnianie określonego przepisami poziomu powstrzymywania bariery H1. Podkreślono zalety wykorzystania numerycznej analizy z wykorzystaniem metody elementów skończonych w procesie projektowania drogowych barier ochronnych. Słowa kluczowe: bezpieczeństwo transportu drogowego, bariery ochronne, metoda elementów skończonych Protective barriers as a means of road transport safety Abstract The paper presents the issues related to the design and use of road safety barriers, which are security measures in road transport. Attention was drawn to the requirements of this type of constructions, having to provide security in places particularly dangerous, exposed to the occurrence of road traffic collisions. Work presented in numerical simulation of crash test referred to PN-EN 1317, allowed the determination of the degree of effort and strain analyzed barrier. The results of calculations confirmed sufficient structural strength and to fulfill the statutory level of containment barriers H1. Highlights the advantages of the use of numerical analysis using the finite element method in the design of road safety barriers. Keywords: drivetrain, planetary gear, satellite wheel, gearing BIBLIOGRAFIA 1. Abaqus HTML documentation. 2. Kornalewski L. IBDiM: Drogowe bariery ochronne środkiem poprawy bezpieczeństwa ruchu drogowego błędy w projektowaniu i wykonawstwie. 3. Norma PN-EN 1317:2001. Część 1 i 2. 4. Rusiński E., Czmochowski J., Smolnicki T.: Zaawansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych. Wrocław: Politechnika Wrocławska, 1999. 2931