Afschermende constructies: interactie met de omgeving en invloed van de installatie op de voertuigkerende kenmerken ing. Kris Redant Opzoekingscentrum voor de wegenbouw ir. Joseph Marra GDTech - Global Design Technology ir. Luca Felappi CRM Group --------Sinds de invoering van EN 1317 worden de kenmerken van voertuigkerende constructies bepaald aan de hand van botsproeven. Deze proeven gebeuren op een door de producent gedefinieerde configuratie en op een systeem dat geïnstalleerd wordt op het terrein van het labo. Bij latere installatie langs de weg kunnen allerlei redenen oorzaak zijn dat de installatie verschilt van de geteste
Depuis l’introduction de l’EN 1317, les caractéristiques des dispositifs de retenue routiers sont déterminées à l’aide d’essais de choc. Ces essais se déroulent sur une configuration définie par le fabricant et sur un système installé sur le terrain du laboratoire. Dans le cas d’une installation ultérieure le long de la route, toutes sortes de raisons peuvent être la cause d’une différence entre l’installation et la
configuratie. In het artikel worden enkele configuration testée. L’article énumère voorkomende verschillen met de quelques différences rencontrées au beproevingsomstandigheden opgesomd, niveau des conditions de test, ainsi qu’un samen met een aantal manieren om de certain nombre de manières pour limiter invloed van deze verschillen op het l’influence de ces différences sur le uiteindelijk gedrag van de voertuigkerende comportement final du dispositif de constructie te beperken of op zijn minst te retenue, ou à tout le moins, pour pouvoir kunnen evalueren. Er wordt eveneens stil les évaluer. L’article s’attarde également gestaan bij de installatie van sur l’installation de dispositifs de retenue voertuigkerende constructies op bruggen routiers sur des ponts et sur le transfert en de overdracht van krachten indien des forces si ceux-ci sont heurtés. deze aangereden worden. ---------
1. PROBLEEM Sinds de invoering van de normenreeks NBN EN 1317 worden de relevante kenmerken van afschermende constructies bepaald door middel van één of meerdere botsproeven. Deze botsproeven gebeuren op een constructie die door de producent gedefinieerd werd en die geïnstalleerd wordt op de terreinen van het beproevingslaboratorium. De norm vraagt dat alle details in verband met het beproefde systeem en zijn installatie vermeld worden in het verslag van de botsproeven. De huidige versie van de norm (NBN EN 1317-1:20101), blijft echter vaag over de manier waarop bvb. de details in verband met de ondergrond vermeld dienen te worden. Als de latere installatie verschillend is van de geteste configuratie zal dit gevolgen hebben voor het gedrag van de afschermende constructie als deze aangereden wordt. Door hier bij de installatie al rekening mee te houden, is het mogelijk een deel van de onzekerheid die het gevolg is van de afwijkende installatie, te compenseren. En uiteraard zullen aanrijdingen in werkelijkheid meestal verschillen van de configuraties bij de proeven. 2. ENKELE VOORKOMENDE (EN "AFWIJKENDE") INSTALLATIES Hieronder worden enkele voorkomende "installatieproblemen" opgelijst, samen met voorstellen om het effect van een afwijkende installatie zo goed mogelijk in te schatten. Waar mogelijk wordt dit geïllustreerd aan de hand van een praktisch voorbeeld. 2.1.
Invloed van de ondergrond
Stalen vangrails worden voor de proeven in het labo doorgaans geïnstalleerd in een verdicht niet gebonden mengsel. De hoge weerstand van de ondergrond heeft een positief effect op het kerend vermogen en de werkingsbreedte van de afschermende constructie. Als zulke vangrailconstructie geïnstalleerd wordt in een ondergrond met een lagere weerstand zal het kerend vermogen dalen (de vangrail zal minder goed in staat zijn om aanrijdingen door een zwaar voertuig of aan hoge snelheid te weerstaan). De werkingsbreedte kan bovendien stijgen waardoor de bescherming tegen een aanrijding tegen achterliggende obstakels daalt. Voor de inzittenden van een aanrijdend licht voertuig is er daarentegen goed nieuws. Door de lagere weerstand van de ondergrond, zullen inzittenden van een personenwagen wellicht minder hinder ondervinden van de aanrijding.
1
NBN EN 1317-1:2010: Afschermende constructies voor wegen - Deel 1: Terminologie en algemene criteria voor beproevingsmethoden
In het omgekeerde geval, bij installatie in een ondergrond met een hogere weerstand, zullen kerend vermogen en werkingsbreedte positief evolueren. De kans op ernstige verwondingen voor de inzittenden van een aanrijdende personenwagen, zal wellicht stijgen.
bron:internet (http://scarlet.unl.edu/?p=5149) & Matteo Pezzuchi, NRA Norway
Om meer zekerheid te krijgen over de in situ voertuigkerende prestaties van een afschermende constructie vraagt standaardbestek 250 (Hfdst. 8) dat de aannemer maatregelen neemt om er voor te zorgen dat de manier van plaatsing gelijkwaardig is aan de plaatsing tijdens de botsproeven. Op vraag van AWV en SIGNEQ werd door de Belgische spiegelgroep een voorstel ontwikkeld dat moet toelaten om: 1. de ondergrond te classificeren 2. maatregelen voor het behoud van de prestaties te evalueren Het voorstel is voor een deel gebaseerd op een bestaande Spaanse aanbeveling2 2.1.1. Bodemkenmerken Voor de bepaling van de bodemkenmerken wordt een proef voorgesteld waarbij een in de grond gedreven standaardprofiel horizontaal belast wordt. De kracht die nodig is om een bepaalde horizontale verplaatsing te realiseren, geeft een indicatie van de bodemkenmerken die relevant zijn voor de vangrailconstructie. Bij een eerste test op het terrein van het OCW in Sterrebeek3 werd de uitvoerbaarheid van de methode uitgeprobeerd. In totaal 9 profielen werden in de grond gedreven en horizontaal belast. Voor gelijkaardige profielen bleken de resultaten telkens vergelijkbaar te zijn of kon het verschil verklaard worden door de resultaten van de nadien uitgevoerde slagsonderingsproeven. Verdere ervaring op het terrein zal moeten uitwijzen of de voorgestelde classificatie voor de ondergrond realistisch is.
2
Orden Circular 28/2009 sobre criterios de implantación de barreras de seguridad metálicas, Dirrecion general de carreteras, Madrid, 2009 3 zie OCW mededelingen nr 92, 3/2012
x F L
L
bron: OCW
Intussen werkt CEN/TC226/WG1 aan de revisie van EN 1317-54. In recente versies wordt meer aandacht besteed aan o.a. een duidelijkere omschrijving van de beproevingsomstandigheden. De methode die momenteel naar voor wordt geschoven voor het karakteriseren van de ondergrond gelijkt heel sterk op de hiervoor beschreven procedure. 2.1.2. Evaluatie wijzigingen aan afschermende constructie Standaardbestek 250 vraagt maatregelen om de voertuigkerende kenmerken ook te verzekeren in een andere ondergrond dan deze van de testsite. In de praktijk stelt dit probleem zich vooral bij installatie in een lossere ondergrond. Binnen de Belgische spiegelgroep werd afgesproken dat wijzigingen aan het ondergrondse deel van steunpalen, mits evaluatie5, aanvaardbaar zijn zonder dat de botsproeven opnieuw gedaan moeten worden. Deze evaluatie bestaat uit twee delen. Voorafgaand aan de botsproef en in dezelfde ondergrond wordt een individuele steunpaal van het te testen systeem geïnstalleerd (systeempaal). Deze steunpaal wordt, net als voor het karakteriseren van de ondergrond, horizontaal belast. De kracht die nodig is voor het realiseren van een zekere verplaatsing is maatgevend. Bij installatie van een zelfde systeempaal in een andere (lossere) ondergrond dienen maatregelen genomen te worden om er voor te zorgen dat de kracht die nodig is voor het realiseren van dezelfde verplaatsing dezelfde is als bij de test in de ondergrond van de botsproef. In de praktijk zal dit betekenen dat de ondergrondse paallengte verhoogd dient te worden of dat het ondergrondse oppervlak dat weerstand biedt bij het belasten van de paal, vergroot wordt. De fabrikant of aannemer hebben hierbij de vrijheid zelf een aanpak voor te stellen. De procedure biedt een houvast bij het evalueren van deze aanpak.
4
NBN EN 1317-5:2007+A1:2008: Afschermende constructies voor wegen - Deel 5: Producteisen en conformiteitsbeoordeling voor afschermende constructies voor wegvoertuigen 5 NBN EN 1317-5:2007+A1:2008: Bijlage A van de norm laat toe dat het effect van bepaalde wijzigingen aan de afschermende constructie geëvalueerd worden door middel van een alternatieve methode
2.1.3. Numerieke simulatie67 De invloed van de ondergrond op de prestaties van stalen vangrails en de eventuele maatregelen ter behoud van deze prestaties in verschillende types ondergrond kunnen eveneens geëvalueerd worden aan de hand van numerieke simulaties. 1. Met behulp van de gegevens van een push-pull test (zie 2.1.1.) kan een model opgebouwd worden van de ondergrond waarin de vangrailconstructie getest werd. 2. Door vergelijking van de resultaten van de werkelijke botsproef en de gesimuleerde botsproef kan het volledige model (model vangrail + model ondergrond) gevalideerd worden. 3. Aan de hand van de resultaten van een push-pull test op de locatie waar de vangrail geïnstalleerd zal worden, kan ook van deze ondergrond een model opgebouwd worden. 4. Een model van vangrailconstructie in de ondergrond waar geïnstalleerd zal worden, laat toe een inschatting te maken van het uiteindelijke gedrag na installatie. Indien blijkt dat dit gedrag nadelig beïnvloed wordt, is het mogelijk om de invloed van wijzigingen aan de constructie om de prestaties te behouden, eveneens te simuleren. Op die manier is het mogelijk een benadering te maken van de voertuigkerende kenmerken van een aangepaste constructie in een verschillende ondergrond zonder nieuwe botsproeven.
bron: CRM group
2.2. Installatielengte Bij de botsproef gebeurt de aanrijding met de te testen constructie op ongeveer 1/3 van de totaal geïnstalleerde lengte. Volgens EN 1317-28 wordt de installatielengte voldoende geacht als er geen zijdelingse verplaatsing is van de uiterste (verplaatsbare) elementen (enkel overdracht van longitudinale krachten aan de uiteinden). Voor klassieke afschermende constructies varieert deze lengte doorgaans tussen 60 en 100 m.
6
Numerieke simulatie van botsproeven op voertuigkerende constructies wordt beschreven in CEN/TR 16303: Road restraint systems - Guidelines for computational mechanics of crash testing against vehicle restraint system 7 zie ook §3 8 NBN EN 1317-2:2010: Afschermende constructies voor wegen - Deel 2: Prestatieklassen, botsproef-beoordelingscriteria en beproevingsmethoden voor vangrails
Om de voertuigkerende kenmerken niet in het gedrang te brengen dient bij werkelijke installatie steeds minimum de beproefde lengte geïnstalleerd te worden. Bovendien dient de installatie te starten op minstens 1/3 van de zone die beschermd dient te worden. Na de te beschermen zone dient er eveneens minstens 1/3 werkende lengte voorzien te worden om de werking van de voertuigkerende constructie te verzekeren ter hoogte van de zone die beschermd dient te worden.
bron: CRM group
Lokale omstandigheden kunnen het onmogelijk maken om deze vuistregel te respecteren. Indien er enkel een kortere lengte van de afschermende constructie geïnstalleerd kan worden of indien de resterende lengte voor en na de te beschermen zone ontoereikend is, dient geëvalueerd te worden wat de gevolgen zijn van deze afwijkende installatie en welke maatregelen eventueel mogelijk zijn om het kabeleffect te behouden of toch de vereiste voertuigkerende kenmerken te kunnen waarborgen. 2.2.1. Maatregelen ter behoud van het kabeleffect Indien het niet mogelijk is de volledige lengte van een constructie te installeren is het misschien mogelijk de uiteinden te verbinden met een andere voertuigkerende constructie of bijkomend te verankeren. Het is daarbij belangrijk dat de overgangsconstructie met de andere installatie of de bijkomende verankering zelf geen onveilige situatie opleveren. Een numerieke simulatie van de korte installatie met aangepaste bevestiging van de uiteinden laat toe om de voertuigkerende kenmerken van installatie te evalueren. 2.2.2. Installatie van een hoger kerend vermogen Eventueel kan er voor gekozen worden een meer performante constructie te installeren. Een numerieke simulatie laat toe om te evalueren of de meer performante maar eveneens kortere installatie in staat is de voertuigen tegen te houden die tot de keuze van het initieel gewenste prestatieniveau geleid hebben. 2.3. Installatie op een brugconstructie NBN EN 1991-29 houdt rekening met (beperkte) krachten die worden overgedragen op een brugconstructie door aanrijding van een voertuigkerende constructie. Sinds de invoering van EN 1317 is men echter tot het besef gekomen dat deze overgedragen krachten in 9
NBN EN 1991-2:2004: Eurocode 1: Belastingen op constructies - Deel 2: Verkeersbelasting op bruggen (§4.7.3.3)
werkelijkheid veel groter kunnen zijn dan de waarden waar tot dan toe in de Eurocodes rekening mee werd gehouden. Bij een aanrijding van een afschermende constructie zal een deel van de energie altijd overgedragen worden naar de omgeving. Voor een installatie in de berm langs de kant van de weg "verdwijnen" deze krachten in de ondergrond. Bij een aanrijding van een vangrailconstructie op een brug, wordt een deel van deze krachten afgeleid naar het brugdek en de onderliggende structuur. Hogere veiligheidseisen en de vraag naar meer performante voertuigkerende constructies maken het, vooral bij renovaties van bestaande bruggen, moeilijk om systemen te vinden waarbij de bij impact overgedragen krachten, beperkt blijven
bron: HIASA-Gonvarri group, TRB conference, 01/2012
EN 1317 geeft geen informatie over de krachten die bij de impact overgedragen worden naar de omgeving. Installateurs van voertuigkerende constructies en wegenadministraties hebben echter wel mogelijkheden om de grootte van de krachten die op het brugdek terecht komen, in te schatten. 2.3.1. Vereenvoudigde analytische methode Voor klassieke stalen vangrails (bestaande uit een aantal steunpalen die verbonden worden door horizontale elementen) kan een vereenvoudigde analytische methode toegepast worden. Uitgaand van de materiaalkenmerken en de geometrische kenmerken van de steunpalen, kan bepaald worden bij welke combinaties van moment en dwarskracht de steunpaal het zal begeven. De grootte of de richting van een impact spelen bij deze aanpak geen rol.
De bezwijkbelasting van de steunpaal is meteen ook de maximale belasting die overgedragen kan worden aan de brugconstructie. Als deze belasting onder de maximale weerstand van de brug blijft, kan de vangrailconstructie zonder bijkomende maatregelen geïnstalleerd worden. Als dit niet het geval is, dient de constructie bijkomend versterkt te worden of dient er gekozen te worden voor een vangrailconstructie die minder belastingen doorgeeft.
2.3.2. Beproeving of numerieke simulatie
Enkele landen vereisen dat de krachten die tijdens een impact tegen een afschermende constructie op een brug overgedragen worden op de onderliggende structuur, experimenteel bepaald worden. Hiervoor hebben bepaalde laboratoria een brugdek nagebouwd en voorzien van meetuitrusting. De te testen constructie wordt gemonteerd op de brugconstructie en tijdens de botsproef worden de belastingen gemeten die naar het brugdek overgedragen worden. De rekenwaarde wordt nadien afgeleid uit de gemeten waarden. Deze methode geeft de krachten die overgedragen worden tijdens een genormaliseerde aanrijding. Bij een werkelijke aanrijding zullen snelheid, massa en aanrijhoek wellicht verschillen. Er van uit gaande dat de voertuigkerende constructie zelf ook nog een zekere 'reserve' heeft vooraleer te begeven, lijkt het aannemelijk dat de werkelijk overgedragen krachten hoger kunnen zijn dan de rekenwaarden die uit de proef bepaald werden. De metingen gebeuren voor een bepaald type van brugconstructie. Bij gebruik dient geëvalueerd te worden of deze experimenteel bepaalde rekenwaarden - eventueel mits een conversie - ook gebruikt kunnen worden voor andere brugconstructies Indien tijdens de originele botsproef deze krachten niet werden gemeten, is het eventueel mogelijk een numeriek model op te bouwen en de overgedragen belastingen te bepalen aan de hand van een simulatie. Om representatieve resultaten te verkrijgen is het in dit geval belangrijk om naast een gevalideerd model van de voertuigkerende constructie, ook het brugdek correct te modelleren. 2.4. Installatie van een 'motorvangplank'
Een aanrijding met een vangrail heeft voor motorrijders doorgaans heel ernstige gevolgen. Na aandringen heeft CEN/TC226 de normenreeks EN 1317 uitgebreid met een methode voor de evaluatie van de ernst van een aanrijding van een vangrail door een motorrijder10. De methode houdt enkel rekening met de zgn. 'sliding-impact' configuratie waarbij een motorrijder van zijn machine valt en met het hoofd voorwaarts over de grond tot tegen de constructie schuift. Voor de beproeving wordt de aanvullende bescherming gemonteerd op een vangrailconstructie. Meestal zijn dit continue systemen die niet alleen beletten dat een motorrijder rechtstreeks tegen de steunpalen terecht komt maar die eveneens verhinderen dat een motorrijder onder de vangrail door glijdt. Oplossingen waarbij enkel de steunpalen beschermd worden door installatie van zgn. kussens bestaan ook en kunnen eveneens getest worden volgens de Europese methode. De resultaten zijn enkel geldig voor de geteste vangrail (eventueel gecombineerd met een aanvullende motor-bescherming). De norm geeft aan dat de installatie van een aanvullende motorbescherming op een voertuigkerende constructie de eventueel eerder bepaalde voertuigkerende kenmerken kan wijzigen. De gevolgen van zulke montage dienen geëvalueerd te worden.
bron: CRM group
Er bestaan echter maar weinig geteste combinaties. Een wegbeheerder die net een (geteste) constructie geplaatst heeft, zal niet geneigd zijn deze te vervangen omwille van de nood voor een aanvullende motorbescherming. In heel wat gevallen zal de aanvullende bescherming gemonteerd worden op de reeds aanwezige voertuigkerende constructie. Ondanks het voorbehoud van de norm, laten een aantal vuistregels toe het effect van deze bijkomende installatie in te schatten Het gedrag t.a.v. de aanrijding door een zwaar voertuig (kerend vermogen & werkingsbreedte) zal wellicht niet of enkel in positieve zin beïnvloed worden. Bij twijfel (bvb. 10
CEN/TS 1317-8:2012: Road restraint systems - Part 8: Motorcycle road restraint systems which reduce the impact severity of motorcyclist collisions with safety barriers
over de gevolgen voor de ASI-waarde) zou een eenvoudige numerieke simulatie moeten kunnen volstaan. Klassieke motorbeschermingssystemen bestaan uit een relatieve dunne plaat die met absorberend element (beugels of afstandhouders) verbonden wordt met de originele voertuigkerende constructie. De invloed van deze onderdelen is afhankelijk van de stijfheid van de originele constructie waarop de aanvullende bescherming gemonteerd wordt. Bij relatief lichte originele constructies kan een aanvullende motorbescherming in uiterste gevallen bij een aanrijding van een licht voertuig functioneren als 'schans' waardoor de vangrail bij aanrijding overschreden kan worden. De norm blijft vaag hierover. Uit voorzorg is het wellicht aan te bevelen enkel motorbeschermingssystemen te installeren die ook getest werden op een gelijkaardige voertuigkerende constructie als deze waarop de aanvullende bescherming uiteindelijk geïnstalleerd zal worden. Eventueel kan een numerieke simulatie nog bijkomende gegevens opleveren over de wijziging van de voertuigkerende prestaties door de installatie van de aanvullende bescherming. 2.5. Overgangen EN 1317 voorziet een methode voor het testen van overgangen11. Aangezien de methode momenteel echter herzien wordt en door het hoge aantal testen heel erg duur is, zijn er maar weinig geteste systemen beschikbaar. Dikwijls worden overgangen op de werf gerealiseerd. Overgangen van een 'flexibele' naar een 'starre' constructie zijn te mijden. Door alvast enkele vuistregels te hanteren kunnen de mogelijke gevolgen bij een aanrijding beperkt worden. -
Geen overgangen waarbij het kerend vermogen te veel toeneemt Geen overgangen waarbij de werkingsbreedte te veel afneemt Uitstekende delen stroomopwaarts maximaal vermijden
Voor overgangen waarvoor geen geteste constructie toegepast wordt, kunnen de voertuigkerende kenmerken eventueel geëvalueerd worden aan de hand van een simulatie. In dat geval is het belangrijk dat er een gevalideerd model bestaat voor beide constructies waartussen de overgang gerealiseerd dient te worden.
11
NBN ENV 1317-4:2002: Road restraint systems. Part 4, performance classes, impact test acceptance criteria and test methods for terminals and transitions of safety barriers (in herziening)
simulatie van een niet correct gedimensioneerde overgang bron: GDTech / CRM Group
simulatie van een correct gedimensioneerde overgang bron: GDTech / CRM Group
3. Numerieke simulatie Het numeriek modelleren en virtueel testen van voertuigkerende constructies wordt beschreven in de reeks CEN/TR 16303. De methode is niet bedoeld om de werkelijke testen te vervangen. Simulatie kan wel dienen als hulpmiddel bij het ontwikkelen van nieuwe of aangepaste oplossingen en eventueel als ondersteuning bij de beoordeling van situaties op het terrein. De resultaten van een numerieke simulatie zijn enkel bruikbaar indien het model correct gevalideerd werd12. De validatie van een model gebeurd door het vergelijken van de resultaten van een werkelijke botsproef volgens EN 1317 met de resultaten van een gesimuleerde botsproef. Om het model te kunnen valideren dient duidelijk aangetoond te worden dat voor verschillende parameters het verschil tussen de resultaten van de werkelijke en de virtuele proef binnen duidelijk afgebakende grenzen ligt. Het uitgangspunt van CEN/TR 16303 is steeds dat simulaties enkel bruikbare resultaten opleveren als de gebruikte modellen gevalideerd werden. In dat geval kan het effect van kleine wijzigingen geëvalueerd worden aan de hand van enkel een simulatie zonder de fabrikant te verplichten een werkelijke (en dure) botsproef uit te voeren. Voor de hierboven beschreven scenario's zijn de aanpassingen echter vrij groot en wordt de simulatie voornamelijk gebruikt om een botsproef te vermijden maar toch een deel onzekerheid over de werkelijke prestaties van de voertuigkerende constructie weg te nemen.
12
CEN/TR 16303-4: Road restraint systems - Guidelines for computational mechanics of crash testing against vehicle restraint system - Part 4: Validation Procedures
Numerieke simulatie is geen gemakkelijke materie. De werkgroep van CEN/TC226 die verantwoordelijk is voor het opstellen van de 4 delen van CEN/TR 16303, voorziet daarom ook een vijfde deel voor het kwalificeren van de personen die een numeriek model kunnen opbouwen en de resultaten van een virtuele test kunnen analyseren.
