Premi Abertis 2016 en seguretat viària amb la tesi doctoral “Disseny d’una nova barrera contínua de formigó in situ”.

• Introducció i raó de ser
• Objectius
• Metodologia
• Disseny d’una nova forma de perfil de barrera
• Resultats més destacats
• Principals conclusions
• Autors

Introducció i raó de ser

En el marc de la seguretat viària, l’objectiu prioritari és reduir la sinistralitat de les carreteres i, en cas de que es produeixi un accident, la probabilitat de patir danys greus. A l’any 2015 es van registrar 1.126 víctimes mortals i 4.843 persones ferides en vies interurbanes de Espanya (dades de la Direcció General de Trànsit). Entre els tipus d’accidents que es van produir, el més comú són les sortides de via que van representar un 40 % dels accidents mortals.

Amb l’objectiu de minimitzar aquesta classe d’accidents, es disposen de diferents tipus de sistemes de contenció per ajudar a redirigir o esmorteir el desviament del vehicle de la via. A més, per ajudar a evitar aquesta anomalia, és imprescindible un correcte condicionament de la carretera en tots els sentits i de la col·laboració de tots els actors implicats.

Atesa la importància d’aquest tipus d’accidents i amb l’objectiu de disminuir la gravetat d’impacte, en l’any 2010, a l’àmbit europeu es va redactar la Norma EN1317 que classifica els sistemes de contenció en 3 classes (A, B i C) segons el seu nivell de severitat d’impacte. A Espanya, mitjançant la circular 35/2014 solament es permet la instal·lació de sistemes de contenció de classe A o B.

A l’any 2011, no hi havia empreses espanyoles dels sector de la construcció de barreres de formigó in situ en possessió d’un certificat de classificació A o B dels seus productes. En conseqüència, les empreses EIFFFAGE, FCC - SERVIA CANTO, GIVASA i IDIADA amb la col·laboració de la Universitat Politècnica de Catalunya van definir una estratègia d’actuació per poder complir amb els requisits normatius necessaris per aconseguir la classificació amb una nova barrera de formigó in situ. En aquest context, la tesis doctoral amb el títol de “Disseny d’una nova barrera de formigó in situ” recull el treball realitzat en el projecte centrant-se particularment en aquells aspectes més nous i genuïns de la investigació.

Objectius

L’objectiu principal de la tesi doctoral és dissenyar un perfil de barrera de formigó in situ de classe A o B que garanteixi una millora en les prestacions de seguretat de les actuals barreres que s’estan instal·lant. Però no només es busca una nova barrera que sigui més segura, sinó que també compleixi una sèrie de requisits perquè sigui viable la seva construcció. S’ha de complir que la nova barrera sigui segura, econòmica, innovadora, respectuosa amb el medi ambient, sostenible i econòmica. D’aquesta manera, complint amb aquests requisits, la barrera serà competitiva per a la seva implantació a la xarxa viària.

Figura 1. Factors a complir amb la nova barrera

Metodologia

Per avaluar la severitat d’impacte, la Norma EN 1317 estableix diferents tipus d’assajos entre els que destaca l’assaig tipus TB11. L’assaig TB11 es basa en un cotxe de 900 kg de massa, a una velocitat d’impacte de 100 km/h i amb un angle d’impacte de 20º. Els valors de referència per mesurar la severitat d’impacte són els índexs ASI i THIV. L’índex ASI és un paràmetre en el que s'estima de forma indirecta a través del valor de les acceleracions, els moviments que té una persona situada en el seient davanter més proper al lloc de l’impacte. L’índex THIV és la velocitat del cap del conductor quan impacta en l’interior del vehicle. Segons els valors d’aquests paràmetres, les barreres es classifiquen en les classes A,B i C.

Taula 1. Classificació dels índexs de severitat d’impacte segons la Norma EN1317

  Per donar resposta a l’objectiu principal de dissenyar una nova barrera de formigó in situ de classe A o B, la tesi doctoral es divideix en 3 línies principals d’investigació: disseny d’una nova forma de perfil de barrera, dissipació global de l’impacte i disseny estructural.

Disseny d’una nova forma de perfil de barrera

En aquesta primera línia d’investigació, el treball se centra en l’estudi de la forma geomètrica de perfil més òptima. Per això, s’inicia d’acord amb una forma de perfil de referència, la proposició de nous perfils usant simulacions numèriques amb el programa LS-DYNA, i segons l’anàlisi dels resultats obtinguts de la modelització es contrasten els resultats amb un assaig a escala real. Gràcies a aquest estudi es determina quines són les variables geomètriques claus i els seus rangs de valors per reduir la severitat d’impacte.

Dissipació global de l’impacte

La segona línia d’investigació es basa en millorar les prestacions de severitat d’impacte obtingudes en la primera línia d’investigació. En aquest cas, s’implementen una sèrie de mesures mecàniques sobre la barrera de formigó per tal de dissipar i minorar l’energia d’impacte. L’objectiu se centrava en la barrera, la qual absorbiria part de l’energia d’impacte en lloc del cotxe.

Disseny estructural

La tercera línia d’investigació se centra en l’estudi de resistència estructural de la barrera enfront  l’impacte d’un vehicle. En la normativa vigent no només s’exigeix que una barrera de seguretat tingui un cert nivell de severitat d’impacte, sinó que, a més, ha de tenir un cert nivell de contenció. En aquesta fase, bàsicament s’analitza estructuralment la resistència de l’impacte d’un vehicle amb l’ús del mètode de línies de trencament.

Figura 3. Imatges d’un assaig de simulació i d’un assaig real i metodologia de les propostes de perfil simulades i assajades.

Resultats més destacats

Un cop desenvolupada cada línia d’investigació s’extreuen els resultats següents -que s’han obtingut gracies a la realització de més de 100 simulacions numèriques i 11 assajos d’impacte real (assaig tipus TB11):

Disseny d’una nova forma de perfil de barrera

La forma geomètrica amb millors resultats ha estat el perfil 51. Cal destacar els valors geomètrics del plint i els angles d’inclinació com a factors clau per la severitat d’impacte i pel comportament del vehicle durant l’impacte i postimpacte.

Dissipació global de l’impacte

S’han adoptat les mesures mecàniques següents per tal que la barrera absorbeixi part de l’energia d’impacte:

• Reducció del coeficient de fregament mitjançant la introducció d’una capa de plàstic a la base, o una capa base de porexpan.
• Reducció del consum del formigó que repercuteix amb una barrera de menor pes, emprant perfils de barrera més òptims i/o introduint perfils de porexpan en el seu interior.
• Dotar de certa deformabilitat de la barrera enfront l’impacte, que es comporta com ròtules de les juntes realitzades cada 3 - 4 metres ja sigui mitjançant talls o pretalls.
• Donar continuïtat a la barrera mitjançant les barres d’acer longitudinals convencionals (2 o 3 barres tipus φ12) o la substitució de les esmentades barres d’acer per formigó amb fibres plàstiques polipropilè amb una dosificació de 2-3 kg/m³.

  Tot seguit es mostren diferent fotografies de les mesures aplicades.

Taula 2. Mesures aplicades sobre la barrera.

  Addicionalment, en aquesta fase d’estudi s’ha formulat una fórmula empírica basada en les dades mecàniques de disseny d’una barrera tipus amb la qual cosa s’aconsegueix obtenir el valor de desplaçament i el valor de índex ASI. Sobre la base dels resultats obtinguts d’aquesta tesi, els valors de precisió de la fórmula se situen en una variació entre un -6% i +10% del valor real.

Disseny estructural

Sobre la base de les formes de trencament més usuals que es produeix en carreteres, trencament en forma ovoide o trapezoidal a la coronació de la barrera, resulta convenient:

• Dissenyar un ample de coronació de 150 mm.
• Substitució de les dues barres d’acer convencionals (2φ12) per una dosificació de formigó amb fibres plàstiques de polipropilè de l’odre 2-3 kg/m3.
• Segons la barrera dissenyada i la seva deformabilitat enfront l’impacte, pot ser necessari afegir 1 barra addicional a les dues barres tradicionals.

Principals conclusions

D’acord amb els resultats obtinguts de cada fase d’estudi de la tesi es conclou:

• S’han aconseguit dos perfils de formigó in situ de classe B: perfils 122 i 123.
• Les noves barreres permeten reduir fins a un 10% el consum de formigó i evitar l’emissió de fins 6,6 tones de CO₂ per quilòmetre de barrera construïda.
• Els perfils més usuals en carreteres són de classe C (perfils New Jersey i F), inclòs el perfil de referència inicial (CSB) que dóna un ASI = 1,9; en comptes d’un valor teòric ASI ≤ 1,4. Per la qual cosa, milloren notablement les prestacions de seguretat amb els nous perfils 122 i 123.
• Mitjançant l’estudi de la forma geomètrica del perfil de barrera es determina un interval de valors ASI compresos entre 1,4 i 1,9. Per això, ha resultat necessari implementar mesures addicionals mecàniques sobre la barrera per tal que el vehicle absorbeixi menys energia d’impacte i, en conseqüència, menys severitat d’impacte.
• Sobre la base de l’anàlisi estructural, les barreres estudiades condueixen a factors de seguretat superiors a 2,00 a la resistència davant l’impacte del vehicle de l’assaig TB11 amb trencaments en la part superior de la barrera.

Figura 5. Perfil 122

Figura 6. Perfil 123

Autors

Redactat de la noticia: Jordi Cañas Gallart i Marga Torre

Per saber-ne més: Jordi Cañas Gallart