numerična analiza naleta motorista v -stebriček jeklene ... · ) in ne vključujejo prednapete...

Numerična analiza naleta motorista v C-stebriček Jeklene Varnostne Ograje (JVO) brez zaščite in s HDPE zaščito

asist. dr. Jovan Trajkovski doc. dr. Miha Ambrož Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Katedra za modeliranje v tehniki in medicini

Uroš Brumec Republika Slovenija, Ministrstvo za infrastrukturo, Direkcija Republike Slovenije za Infrastrukturo,

izr. prof. dr. Robert Kunc Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Katedra za modeliranje v tehniki in medicini

Povzetek

Število registriranih motornih koles v Sloveniji kontinurano narašča. S povečanjem števila motornih koles na cestah, se povečuje tudi verjetnost za nastanek konfliktov z drugimi udeleženci prometa. Po drugi strani je pomanjkljivost cestnih zadrževalnih ograj v Evropi ta, da so razvite in potrjene glede na zahteve standarda EN 1317 za zadrževanje in preusmerjanje osebnih avtomobilov, avtobusov in težkih tovornih vozil. Na žalost so bili pri prvotni zasnovi tega standarda motoristi kot posebna skupina izpuščeni pri zagotavljanju varnosti v primeru naleta. Posledično, se je z uveljavitvijo standarda EN 1317 stanje za motoriste še poslabšalo [1]. Zaradi tega je Evropski odbor za standardizacijo (CEN) leta 2012 sprejel tehnično specifikacijo TS 1317-8, ki določa zahteve glede varnosti motoristov ob trku z ograjo. V tem prispevku so objavljeni rezultati numeričnih simulacij naleta lutke HYBRID III v C-stebriček jeklene varnostne ograje brez zaščite in s HDPE-zaščito (Polietilen visoke gostote, ang. High Density Polyethylene). Za oba modela so bili obravnavani različni začetni položaji lutk glede na vzdolžno os ograje in trki pri različnih naletnih hitrostih. Primerjani so bili poškodbeni parametri glave, vratu in prsnega koša. Rezultati so pokazali, da HDPE-zaščita učinkovito zmanjšuje poškodbene parametre do naletne hitrosti 30 km/h, medtem ko je pri višjih hitrostih njena učinkovitost omejena.

Numerical analysis of motorcyclist impact into C-profile of Steel Traffic Barrier with and without HDPE protection

Abstract

The number of registered motorcycles in Slovenia is growing continuously. The increase in the number of mo-torcyclists on roads also increases the risk of conflict with other road users. A fundamental weakness of the road restraint barriers in Europe is that they are developed and verified in accordance with the requirements of the EN 1317 standard for restraining and redirecting passenger cars, buses and heavy goods vehicles. Un-fortunately, the original standard requirements for ensuring safety in impact situations did not include mo-torcyclists as a specific group of road users. Consequently, the situation for motorcyclists deteriorated even more due to the establishment of the EN 1317 standard [1]. Therefore, the European Technical Specification TS 1317-8 with detailed requirements regarding the safety of motorcyclists in collisions with safety barriers was approved in 2012 by the European Committee for Standardization (CEN). This paper presents the results of numerical simulations of the HYBRID III test dummy impact with the C-post of a safety barrier with and without HDPE (High Density Polyethylene) protection. For both models, the tests were performed with differ-ent initial test dummy positions with respect to the longitudinal axis of the barrier and different impact veloc-ities. Comparisons were made of damage parameters of the human head, neck and torso. The results show

Trajkovski, J.; Ambrož, M.; Brumec, U.; Kunc, R.: Numerična analiza naleta motorista v C-stebriček Jeklene Varnostne Ograje (JVO) brez zaščite in s HDPE-zaščito

14. SLOVENSKI KONGRES O PROMETU IN PROMETNI INFRASTRUKTURI, Portorož, 24.‒26. oktobra 2018 2

that HDPE protection effectively decreases damage parameters at impact velocities up to 30 km/h, whereas with higher impact velocities its efficiency is limited.

1 Uvod

Pomanjkljivost cestnih zadrževalnih ograj v Evropi ta, da so razvite in potrjene glede na zahteve standarda EN 1317 za zadrževanje in preusmerjanje osebnih avtomobilov, avtobusov in težkih tovornih vozil. Pri prvotni zasnovi standarda EN 1317 so bili motoristi kot posebna skupina izpuščeni pri zagotavljanju varnosti v primeru trka. Posledično se je stanje za motoriste še poslabšalo [1]. Zakonodaja na področju zaščite motoristov v Evropi ni popolnoma usklajena. Kot je prikazano na sliki 2, se najpogosteje uporabljajo tri različne zakonodaje, in sicer Francoska L.I.E.R., Španska UNE 135900 in Nemški homologacijski postopek TL-SPU 93 [2], ki ga uporablja Nemški inštitut za varnost prometa (nem. BASt – Bundesanstalt für Straßenwesen). Omenjeni nacionalni standardi imajo različne protokole in kriterije za odobritev določene zaščite in jih je težko primerjati. Na podlagi obstoječih nacionalnih standardov je Evropski odbor za standardizacijo (CEN) sprejel tehnično specifikacijo TS 1317-8, ki je trenutno v uporabi kot del obstoječega standarda EN 1317. TS 1317-8 določa tri teoretično različne konfiguracije pri eksperimentalnem testiranju cestne infrastrukture oz. opremo, ki je namenjena zaščiti motoristov (Slika 1). Prva konfiguracija je namenjena testiranju kontinualnih in prekinjenih sistemov zaščite, druga konfiguracija je namenjena testiranju prekinjenih sistemov in tretja je namenjena testiranju kontinualnih sistemov. Pri raziskovalni nalogi numerične simulacije naleta lutke HYBRID III v točkovno infrastrukturo bosta uporabljeni prvi dve konfiguraciji.

Slika 1: Prikaz eksperimentalnih konfiguracij, ki jih določa TS 1317-8.

Slika 2: Zakonodaje v Evropi na področju zaščite motoristov.

V tem prispevku so objavljeni rezultati numeričnih simulacij naleta lutke HYBRID III v C-stebriček jeklene varnostne ograje brez zaščite in s HDPE-zaščito. Za oba modela so bili obravnavani različni začetni položaji lutk glede na vzdolžno os ograje in trki pri različnih naletnih hitrostih. Primerjani so bili poškodbeni parametri glave, vratu in prsnega koša. Rezultati so pokazali, da HDPE-zaščita učinkovito zmanjšuje poškodbene parametre do naletne hitrosti 30 km/h, medtem ko je pri višjih hitrostih njena učinkovitost omejena.



2 Geometrija, materialni modeli in materialni parametri cestne opreme

2.1 Modeliranje jeklenih varnostnih ograj

Geometrijski modeli jeklene varnostne ograje so sestavljeni iz štirih sestavnih delov: odbojnika, distančnika, vodila in stebra (Slika 3) in ne vključujejo prednapete vijačne zveze. Prednapeta vijačna zveza se modelira numerično, pri čemer se lahko definira dodatne karakteristike, ki omogočijo simulacijo prednapetja v vijačni zvezi. Osnovni geometrijski model jeklene varnostne ograje je 2,0 m dolg odsek, sestavljen iz odbojnika, distančnika, stebra in vodila. Numerični model jeklene varnostne ograje je izdelan v programskem paketu LS-DYNA. Numerični model jeklene varnostne ograje obravnava odsek varnostne ograje v dolžini 34,0 m. Vsi elementi ograje so izdelani z lupinskimi končnimi elementi (SHELL elementi), razen vijaki M10 in M16, ki so izdelani z linijskimi končnimi elementi (BEAM elementi). Pritrditev distančnika in vodila na steber ograje je izvedena z vijaki M10, pritrditev odbojnika na distančnik pa z vijaki M16 [SIST ISO 898-1 oz. DIN EN 20898-1]. Ker se predpostavi, da spoji pri podaljševanju odbojnika in vodila niso kritični, saj imajo zadostno prekritje (0,2 mm), sta odbojnik in vodilo izdelana iz enega dela. Model jeklene varnostne ograje je sestavljen iz treh C-stebrov in distančnikov na medsebojni oddaljenosti 2,0 m. Distančnik je na steber pritrjen z dvema vijakoma M10, odbojnik in vodilo pa sta pritrjena z enim vijakom M16. Numerični model jeklene varnostne ograje vsebuje tudi zaključne elemente ograje, ki so izdelani z linijskimi elementi in simulirajo nadaljevanje jeklene varnostne ograje. Pločevinasti elementi so diskretizirani z lupinskimi končnimi elementi s petimi integracijskimi točkami po debelini elementa. Posamezni numerični model jeklene varnostne ograje je sestavljen iz 7090 elementov in 7540 vozlišč.

Slika 4: Prikaz numeričnega odseka JVO.

Slika 3: Geometrijski model jeklene varnostne ograje.



2.2 Materialni modeli

Vsi elementi jeklene varnostne ograje so izdelani iz konstrukcijskega jekla S 235. Pri modeliranju ograje je za modeliranje pločevinastih elementov izbran plastični kinematični materialni model (MAT_PLASTIC_KINEMATIC) (

Tabela 1). Plastični kinematični materialni model je definiran z gostoto (ρ), modulom elastičnosti (E), poissonovim številom (ν), mejo elastičnosti (σpl), tangentnim modulom (Et) in mejo porušitve materiala (εF). Meja porušitve opredeli, za koliko odstotkov se material lahko deformira (raztegne), preden se poruši. Vijačna zveza je modelirana s pomočjo sestava mehanskega in temperaturno odvisnega dela. Mehanski del vijaka vsebuje plastični kinematični materialni model, temperaturni del vijaka pa elasto-plastični temperaturno odvisen materialni model (MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL). Elasto-plastični temperaturno odvisen materialni model je definiran z gostoto (ρ), temperaturnim območjem segrevanja ali ohlajanja (ΔT), modulom elastičnosti (E), poissonovim številom (ν), linearnim temperaturnim koeficientom (αT), mejo elastičnosti (σpl) in tangentnim modulom materiala (Et).

Tabela 1: Lastnosti materiala JVO.

D [mm]

debelina pločevine

E [G Pa]

modul elastičnosti

ν

poissonovo število

σy [M Pa]

meja elastičnosti

Et [M Pa]

tangentni modul

εF [%]

meja pretrga

3 190 0,29 285 696 0,41

4 200 0,29 330 969 0,41

5 ÷ 6 210 0,29 380 1200 0,41

2.2.1 Zaščita iz polietilena visoke gostote (ang. HDPE – High Dencity Polyetilen)

Geometrijski model točkovne HDPE-zaščite za C-stebriček jeklenih varnostnih ograj (JVO) je prikazan na sliki 5. HDPE-model zaščite za stebričke jeklenih varnostnih ograj je sestavljen iz dveh delov (Slika 5), ki se po montaži okoli stebrička med seboj privijačita z vijaki M8. Za numerično modeliranje HDPE-zaščite so bili uporabljeni naslednji materialni parametri, ki so bili določeni s pomočjo eksperimentalnih nateznih preizkusov.

Tabela 2: Materialni parametri za HDPE.

Material Gostota

[kg/m3]

Modul elastičnosti [GPa]

Meja tečenja [MPa]

Slika 5: Geometrija točkovne zaščitE C-stebrička JVO iz polietilena visoke gostote (ang. HDPE – High Density Polyetilen).



HDPE 941 0,73 19

3 Numerične simulacije

Za namen raziskave naleta lutke HYBRID III v C-stebriček JVO sta bila pripravljena dva različna numerična modela, in sicer numerični model brez zaščite in model s HDPE-zaščito. Za oba modela so bili obravnavani različni začetni položaji lutk glede na vzdolžno os ograje in trki pri treh različnih naletnih hitrostih (15 km/h, 30 km/h in 50 km/h). Primerjani so bili poškodbeni parametri glave, vratu in prsnega koša.

3.1 Lutka Hybrid III v stoječem položaju

Numerični model 50% moške lutke HYBRID III v stoječem/ležečem položaju je narejen na podlagi predhodno narejene 50% moške lutke HYBRID III v sedečem položaju. Vsi numerični modeli HYBRID III pa temeljijo na eksperimentalni lutki HYBRID III. Numerični model je sestavljen iz 143 delov, 5239 končnih elementov in 8865 vozliščnih točk. V modelu so definirani številni numerični senzorji na identičnih mestih, kot se montirajo senzorji na dejanski lutki HYBRID III. Validacija numeričnega modela za lutko HYBRID III za trk od spredaj je bila uspešno opravljena in je podrobno predstavljena v literaturi [3].

4 Rezultati

Pri naletu lutke HYBRID III s prsnim košem v C-stebriček JVO so upoštevane tri različne hitrosti naleta (15 km/h 30 km/h in 50 km/h) za model brez HDPE-zaščite in model s HDPE-zaščito. Po analizi rezultatov numeričnih simulacij je bilo ugotovljeno, da je v primeru naleta lutke HYBRID III s prsnim košem v točkovni objekt prometne infrastrukture deformacija prsnega koša (Cdef) najbolj pomemben parameter za oceno poškodbe. Kriterij na podlagi indeksa poškodbe prsnega koša (CSI) pa temelji na rezultanti pojemka prsnega koša in je bil zastavljen na podlagi starejše testne lutke HYBRID II. V literaturi [4-6] je CSI uveljavljen kot trenutno umaknjen kriterij pri oceni poškodbe prsnega koša, vendar za namen raziskovalne naloge v primeru primerjalne analize dveh modelov predstavlja dodaten kriterij sprememb pojemka prsnega koša. Poleg teh dveh parametrov ima pomembno vlogo pri oceni poškodbe tudi poškodbeni kriterij glave (HIC).

Slika 6: 50% moška lutka HYBRID III v stoječem (ležečem položaju).



Slika 7: Prikaz konfiguracije naleta lutke HYBRID III s prsnim košem v C-stebriček JVO s HDPE-zaščito.

4.1 Primerjava deformacije prsnega koša in indeksa poškodbe (CSI)

4.1.1 Hitrost 15 km/h

Vizualno primerjavo modelov (Slika 8, levo), primerjavo deformacije prsnega koša (Slika 8, zgoraj desno) in indeksa poškodbe prsnega koša (CSI) (Slika 8, spodaj desno) pri naletni hitrosti 15 km/h v računalniškem času 30,3 ms prikazuje Slika 8. Slike prikazujejo trenutek pri že doseženem stiku prsnega koša s HDPE-zaščito, medtem ko je stik pri modelu brez HDPE-zaščite v začetni fazi. Podobno kot v primeru naleta lutke s prsnim košem s hitrostjo 15 km/h v prometni znak je razvidno, da je vrednost največje deformacije prsnega koša pri modelu s HDPE-zaščito manjša za približno 30 %. Pri primerjavi indeksa CSI pa je opazno zaželeno ˝glajenje˝ krivulj (krivulja modela brez HDPE je sunkovita s kratkim trajanjem, medtem ko je krivulja modela s HDPE-zaščito blaga s podaljšanim trajanjem).

Slika 8: Primerjava rezultatov deformacije prs. koša in indeksa poškodbe prs. koša (CSI) pri naletni hitrosti 15 km/h (100 ms).


Vizualno primerjavo modelov, primerjavo deformacije prsnega koša (Slika 9, zgoraj desno) in indeksa poškodbe prsnega koša (CSI) (Slika 9, spodaj desno) pri naletni hitrosti 30 km/h v računalniškem času 19,7 ms prikazuje Slika 9. Slike prikazujejo trenutek pri že doseženem stiku prsnega koša s HDPE-zaščito oziroma s prometnim znakom. Razvidno je tudi, da se vpliv HDPE-zaščite na največjo deformacijo prsnega koša zmanjšuje, v tem premeru za približno 15 % glede na trk pri 15 km/h.





Vizualno primerjavo modelov (Slika 10, levo), primerjavo deformacije prsnega koša (Slika 10, zgoraj desno) in indeksa poškodbe prsnega koša (CSI) (Slika 10, spodaj desno) pri naletni hitrosti 50 km/h v računalniškem času 10,6 ms prikazuje Slika 10. Slike prikazujejo trenutek pri že doseženem stiku prsnega koša s HDPE-zaščito, medtem ko je stik pri modelu brez HDPE-zaščite v začetni fazi. Razvidno je tudi, da sta vrednosti največjih deformacij modelov s HDPE-zaščito in brez nje praktično enaki, kar nakazuje na omejeno učinkovitost HDPE-zaščite pri večji hitrosti (Slika 10, zgoraj desno).


4.2 Povzetek rezultatov za nalet lutke HYBRID III s prsnim košem v C-stebriček JVO

Tabela 3 prikazuje največje vrednosti krivulj posameznih poškodbenih parametrov obeh modelov naleta lutke HIBRID III s prsnim košem v C-stebriček JVO pri naletnih hitrostih 15 km/h, 30 km/h in 50 km/h. Pri naletu lutke HYBRID III s prsnim košem v C-stebriček JVO s HDPE-zaščito predlagane oblike se obremenitev porazdeli



po večji površini, kar posledično znatno zmanjša največjo kot tudi končno deformacijo prsnega koša ter tudi vrednost indeksa poškodbe prsnega koša. Maksimalne vrednosti kriterijev so znotraj mej do hitrosti naleta 30 km/h.

Tabela 3: Prikaz največjih vrednosti posameznih parametrov za nalet lutke HYBRID III s prsnim košem v C-stebriček JVO.

Poškodbeni krit.

Prsni koš Glava Vrat

Stopnja poškodbe

Defor-macija

Cdef

[mm]

CSI HIC36 Fx (N)

-

Fy (N)

Fz (N)

Mocx (Nm)

Mocy

extension (Nm)

-

Mocy

flax (Nm)

+

Konfiguracija modela

I 650 134 42 190

II 1000 134 57 190

Brez_HDPE_15 72 961 250 / / / / 25 70

Brez_HDPE_30 109 520000 4482 / / / / 288 88

Brez_HDPE_50 116 435500 7252 / / / / 431 205

HDPE_15 40 41 31 / / / / 19 48

HDPE_30 92 1898 732* / / / / 77 80*

HDPE_50 115 6189 5834 / / / / 347 110

* Predčasna prekinitev simulacije lahko nekoliko vpliva na rezultat.

5 Zaključek

Pri naletu motorista s prsnim košem v točkovni objekt s predlagano obliko HDPE-zaščite stebrička jeklene varnostne ograje se obremenitev porazdeli po večji površini, kar posledično zmanjša največjo kot tudi končno deformacijo prsnega koša, zlasti pri nižjih hitrostih (do 30 km/h). Maksimalne vrednosti kriterijev so znotraj mej do hitrosti naleta 30 km/h. Edini poškodbeni kriterij, katerega vrednosti se pri višjih hitrostih glede na nezavarovano točkovno oviro zmanjšajo, je trenutno umaknjeni kriterij Chest Severity Index (CSI). Absolutna vrednost tega kriterija kljub temu znatno preseže s standardom določene mejne vrednosti. Predlagana oblika točkovne HDPE-zaščite bi imela pozitiven učinek na zmanjšanje poškodb motoristov na mestih, kjer so JVO brez motorističnih letev že nameščene in je namestitev motorističnih letev onemogočena. Na nevarnih mestih, kjer je večja verjetnost naleta motorista v tog in oster stebriček JVO, je priporočljiva namestitev točkovnih HDPE-zaščit. V primeru naleta motorista v stebriček JVO s točkovno HDPE-zaščito se pričakuje do 30% zmanjšanje vrednosti poškodbenih kriterijev ter da so maksimalne vrednosti kriterijev znotraj mej do hitrosti naleta 30 km/h.

Zahvala: Raziskavo, predstavljeno v tem prispevku, je delno financirala Direkcija Republike Slovenije za infrastrukturo v okviru raziskovalne naloge Numerična simulacija naleta motorista v točkovne zaščite.

6 Reference Designing safer roadsides for motorcyclists. In. Federation of European Motorcylists Association, (2012).

TL-SPU_93: Technische Lieferbedingungen für Schutzplankenpfostenummantelungen. In. (FGSV Verlag, Köln, 1993).

Guha, S., Bhalsod, D., Krebs, J.: LSTC Hybrid III 50th Fast Dummy, Positioning & Post‐Processing. LSTC, Michigan (2011).



Digges, K.H.: Injury measurements and criteria. Models for Aircrew Safety Assessment: Uses, Limitations and Requirements (1999).

Kent, R., Patrie, J., Benson, N.: The Hybrid III dummy as a discriminator of injurious and non-injurious restraint loading. In: Annual Proceedings/Association for the Advancement of Automotive Medicine 2003, p. 51. Association for the Advancement of Automotive Medicine.

Neathery, R.F., Kroell, C.K., Mertz, H.J.: Prediction of thoracic injury from dummy responses. In. SAE Technical Paper, (1975).

numerična analiza naleta motorista v -stebriček jeklene ... · ) in ne vključujejo prednapete...

Documents