ROZPRAWA DOKTORSKA Tomasz Jedliński

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ

ROZPRAWA DOKTORSKA

Tomasz Jedliński

Opracowanie konstrukcji oraz badania innowacyjnych słupów oświetleniowych z cechami bezpieczeństwa biernego

Promotor

dr hab. inż. Jacek Buśkiewicz Promotor pomocniczy

dr inż. Paweł Fritzkowski

Poznań, 2020

1

Spis treści

Streszczenie ... 3

Abstract ... 4

1. WSTĘP ... 5

1.1. WPROWADZENIE ... 5

1.2. NORMA EN 12767 ... 8

1.3. ZAWARTOŚĆ ROZPRAWY ... 15

2. PRZEGLĄD STANU WIEDZY W ZAKRESIE SŁUPÓW OŚWIETLENIOWYCH SPEŁNIAJĄCYCH NORMĘ BEZPIECZEŃSTWA BIERNEGO ... 17

2.1. PRZEGLĄD STANU WIEDZY W ZAKRESIE TESTÓW ZDERZENIOWYCH I ANALIZY NUMERYCZNEJ ... 26

2.2. SFORMUŁOWANIE PROBLEMU BADAWCZEGO ... 36

3. TEZA I CELE PRACY ... 39

4. KONSTRUKCJE SŁUPÓW OŚWIETLENIOWYCH ... 41

4.1. SPECYFIKACJA OBCIĄŻEŃ CHARAKTERYSTYCZNYCH SŁUPÓW OŚWIETLENIOWYCH ... 41

4.2. KONSTRUKCJA INNOWACYJNYCH SŁUPÓW OŚWIETLENIOWYCH O WYSOKIEJ ABSORPCJI ENERGII ... 46

4.3. STATYCZNE OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE ... 57

4.4. BADANIA DOŚWIADCZALNE ... 60

4.4.1. WYTYCZNE BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH ... 60

4.4.2. STANOWISKO DO BADAŃ WYTRZYMAŁOŚCI STATYCZNEJ I ZMĘCZENIOWEJ ... 61

4.4.3. WYNIKI BADAŃ WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH ... 62

5. BADANIA EKSPERYMENTALNE OKREŚLAJĄCE BIERNE BEZPIECZEŃSTW0 KONSTRUKCJI ... 65

5.1. STANOWISKO DO BADAŃ ZDERZENIOWYCH ... 65

5.2. ANALIZA WYNIKÓW EKSPERYMENTALNYCH ... 69

5.2.1. PARAMETRY TESTÓW ... 69

5.2.2. KALIBRACJA POJAZDU TESTOWEGO ... 72

5.2.3. BADANIA ZDERZENIOWE ... 76

5.2.4. PODSUMOWANIE BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH... 90

6. MODELOWANIE I SYMULACJE NUMERYCZNE ... 92

6.1. CEL MODELOWANIA NUMERYCZNEGO ... 92

6.2. ANALIZA NUMERYCZNA ... 92

6.2.1. WPROWADZENIE DO ZAGADNIENIA ... 92

6.2.2. MODEL NUMERYCZNY SŁUPA ... 93

6.2.3. PARAMATRY POJAZDU ... 95

2

6.3. ANALIZA WYNIKÓW NUMERYCZNYCH ... 97

6.3.1. TEST UDERZENIA W SŁUP NIEPOCHŁANIAJĄCY ENERGII 60/76/2,0 FPL... 97

6.3.2. TEST UDERZENIA W SŁUP POCHŁANIAJĄCY ENERGIĘ PROTECPOLES 120/76/2,0 FPL ... 99

6.3.3. WNIOSKI KOŃCOWE ... 102

7. PODSUMOWANIE ... 104

7.1. WNIOSKI KOŃCOWE ... 104

7.2. KIERUNKI DALSZYCH BADAŃ ... 106

BIBLIOGRAFIA ... 108

Załącznik 1 ... 112

Załącznik 2 ... 113

Spis tabel ... 114

Spis rysunków ... 115

Spis wykresów ... 119

3 Streszczenie

Niniejsza dysertacja przedstawia efekty kilkuletnich badań autora nad opracowaniem nowej konstrukcji bezpiecznych słupów oświetleniowych. Obecnie nowe słupy projektowane są tak, aby zapewniały bezpieczeństwo kierowcy jak i użytkowników infrastruktury drogowej na wypadek kolizji. Na wstępie dokonano przeglądu stanu wiedzy dotyczącego rozwiązań konstrukcyjnych bezpiecznych słupów oświetleniowych. Na tej podstawie sformułowano cele rozprawy doktorskiej. Głównym celem jest zaprojektowanie, przeprowadzenie badań eksperymentalnych i wytworzenie słupów oświetleniowych wkopywanych oraz słupów z podstawą o wysokości od 6 do 12 m, które będą spełniały wymogi normy bezpieczeństwa biernego w klasie 100HE3. Celem pracy jest również opracowanie modelu komputerowego i analiza numeryczna zjawiska uderzenia pojazdu w słup oraz walidacja modelu na podstawie wyników badań eksperymentalnych w celu określenia możliwości zastosowań modelowania numerycznego w projektowaniu słupów spełniających normy bezpieczeństwa biernego.

Omówiono infrastrukturę badawczą po czym skupiono się na przedstawieniu opracowanych konstrukcji oraz wyników badań eksperymentalnych i numerycznych.

Symulacje numeryczne wykonano w programie Ansys LS-DYNA.

Osiągnięciem autora jest opracowanie konstrukcji, certyfikacja oraz wdrożenie do

seryjnej produkcji dwóch rodzin słupów spełniających normę bezpieczeństwa biernego, które

przy prędkości uderzenia 100 km/h pochłaniają energię w wysokim stopniu w najwyższej klasie

bezpieczeństwa kierowcy. Ponadto wyniki symulacji numerycznych wykazują zadowalającą

zgodność z wynikami testów empirycznych, co daje możliwości użycia modelu numerycznego

na etapie opracowywania wstępnych koncepcji nowych konstrukcji słupów oświetleniowych.

4 Abstract

This dissertation presents the effects of several years of author's work on developing a new structure of passive safety lighting poles. Nowadays the new poles are designed in order to ensure safety of the driver and road infrastructure users in the event of a collision. At the beginning, the author reviews the state of knowledge in terms of available solutions of passive safety lighting poles and formulates the objectives of the dissertation. The major objective is to design, perform experiments and manufacture lighting columns that meet the standard PN EN 12767 in the 100HE3 class. The additional aim is to elaborate a numerical model of the phenomenon of the impact of the vehicle into lighting pole as well as to validate the model by using the results of the empirical tests. The numerical simulations were performed in the software Ansys LS-DYNA.

The test infrastructure was presented, then the developed designs for two column families that meet the standard PN EN 12767 in the 100HE3 class were presented and results for the experimental and numerical tests were discussed.

The achievement is to design, certificate, manufacture and implement into serial

production lighting poles with earth part and with base plate of height between 6 and 12 m that

meet the requirements of the passive safety standard in the class 100HE3. The results of the

developed numerical simulation models show satisfactory convergence with the results of the

empirical tests, which makes it possible to use the models at the stage of developing concepts

for new lighting poles structures.

5 1. WSTĘP

1.1. WPROWADZENIE

Słupy oświetleniowe są nieodłącznym elementem infrastruktury drogowej. Trudno sobie wyobrazić drogi czy też miasta bez słupów oświetleniowych. Według raportu opublikowanego w 2017 r. przez Zarząd Dróg Miejskich, w samej Warszawie znajduje się około 112 tys. lamp oświetleniowych zamontowanych na 98 tys. słupów oświetleniowych i trakcyjnych.

Zarówno projektanci jak i producenci nieustannie dążą do opracowywania coraz to lepszych konstrukcji słupów oświetleniowych. Do niedawna głównym i w zasadzie jedynym kryterium przy wyborze najlepszej oferty infrastruktury oświetlenia drogowego była cena.

Sytuacja ta zmieniła się 1 stycznia 2015 r., po tym jak Instytut Badawczy Dróg i Mostów poinformował, iż w związku z Krajowym Programem Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego Komisja Aprobat Technicznych zleciła przeprowadzenia testów zderzeniowych dla słupów oświetleniowych wykonywanych zgodnie z normą PN EN 40 „Słupy oświetleniowe”

z przeznaczeniem do wbudowania w pas drogowy. W związku z tym wymagania stawiane przed producentami wnioskującymi o udzielenie aprobaty IBDiM uległy radykalnej zmianie [3]. Aktualnie jednym z głównych kierunków prac rozwojowych są zagadnienia związane z bezpieczeństwem biernym.

Korzyści wynikających ze stosowania urządzeń drogowych zmniejszających ryzyko, jak również skutki ewentualnego wypadku, jest wiele. Do głównych aspektów zaliczyć można ludzkie życie, które w UE oszacowane zostało na 1 mln euro [4]. Natomiast w Polsce koszt śmierci na skutek wypadku drogowego poza obszarem zabudowanym wyceniono na 1,2 mln zł, a koszt wypadku, w którym jest osoba ranna, wynosi 190 tys. zł. Niestety podczas wyboru najkorzystniejszej oferty nie bierze się pod uwagę możliwych oszczędności wynikających ze zminimalizowania ryzyka poniesienia poważnych uszkodzeń, a nawet śmierci w chwili wypadku. Inne korzyści ekonomiczne wynikają z mniejszych nakładów poniesionych na etapie inwestycji. Paradoksalnie według nowych przepisów dopuszczających umieszczenie elementu niespełniającego normy bezpieczeństwa biernego za barierą energochłonną sprawia, że ekonomicznie uzasadniony staje się zakup elementów spełniających ową normę. Według wytycznych pojedynczy element niespełniający normy bezpieczeństwa biernego należy umieścić za 84 metrowym odcinkiem bariery, której koszt oszacować można na 10 tys. zł.

Niezależnie od tego czy mowa jest o słupie oświetleniowym, czy też tablicy informacyjnej,

różnica w cenie, którą przyjdzie dopłacić za zakup elementu spełniającego normę

6

PN-EN 126767 nie przewyższy kosztów bariery energochłonnej [4]. Aby budować bezpieczne drogi zgodnie z najnowszymi trendami, jak i normami, należy dobrać ilość, typ i umiejscowienie elementów wyposażenia ulic. Tradycyjne słupy stalowe wykonane z materiału o grubości minimalnej 3 mm, do niedawna nazywane cienkościennymi, nie są uznawane za bezpieczne biernie.

Na rynku znajduje się dość dużo słupów bezpiecznych, należących do klasy słupów niepochłaniających energii ze względu na prostotę ich konstrukcji. Więcej problemów stwarza produkcja słupów w klasie wysokiej absorpcji energii, która jest bardziej skomplikowana, a tym samy większość wiedzy pochodzi z własnych badań firm produkcyjnych. Dodatkowo w normie dotyczącej konstrukcji słupów oświetleniowych brak jest informacji odnośnie wpływu danych elementów konstrukcyjnych na bezpieczeństwo bierne całej konstrukcji.

Projektując bezpieczny słup oświetleniowy możemy podpierać się tylko swoimi badaniami i zdobytą wiedzą, ponieważ nie ma dostępnej literatury czy norm, które skorelowałyby podstawowe elementy konstrukcyjne z ich wpływem na stopień absorpcji energii pojazdu.

Wśród producentów zaobserwować można tendencję zmiany konstrukcji słupów oświetleniowych głównie poprzez redukcję sztywności samej konstrukcji. Ze względu na stosunkowo świeże zmiany przepisów oraz samego sposobu myślenia o biernym bezpieczeństwie konstrukcji wsporczych, nie można zaobserwować na rynku jednego charakterystycznego rozwiązania konstrukcyjnego. Każdy z producentów poprzez modyfikacje konstrukcji swoich produktów dochodzi do indywidualnych rozwiązań konstrukcyjnych.

Jednak w wyniku analizy obecnych dokonań wiodących producentów słupów oświetleniowych można wyciągnąć wniosek, że konstrukcje słupów pochłaniających energię kinetyczną w wysokim stopniu są skomplikowane, co wpływa bezpośrednio na wzrost kosztów produkcyjnych.

Budowanie bezpiecznego otoczenia drogi, czyli takiego, które łagodzi skutki błędu kierowcy, jest trendem światowym, a nie tylko polskim. Dlatego coraz więcej programów ma na celu poprawę bezpieczeństwa ruchu drogowego. Należą do nich Wizja ZERO, 8-8-88, Zeus czy też polski program Gambit. Program bezpieczeństwa ruchu drogowego na lata 2013-2020 kontynuuje dalekosiężną Wizję ZERO. Wizja zapoczątkowana została z wielkim sukcesem przez Szwajcarię, a z czasem jest wdrażana w kolejnych krajach. Program ten ma podstawę w założeniu, że ludzkie życie oraz zdrowie stawiane jest ponad prawem do przemieszczania.

Projekt jest bardzo ambitny, ponieważ jego celem jest całkowite wyeliminowanie ofiar

wypadków na drogach do 2050 roku. W tabeli 1.1. zestawione zostały cele etapowe programu

7

na lata 2013-2020 z wartościami rzeczywistymi danych historycznych oraz liczbami wypadków za lata 2008-2017.

Tabela 1.1 Cele etapowe BRD 2013-2020 i ich realizacja [opracowanie własne na podstawie 1, 2]

Lata Liczba ofiar śmiertelnych

Cel Wartość osiągnięta

2014 3000 3202

2017 2400 2831

2020 2000 -

Tabela 1.2 Liczba wypadków, zabitych oraz rannych na polskich drogach w latach 2008-2017 [opracowanie własne na podstawie 2]

Jak można zaobserwować z powyższych danych zawartych w tabelach 1.1 i 1.2, nie udało się osiągnąć celów mimo tendencji spadkowej. Warto również dodać, że w roku 2017 udział osób w wypadkach na drogach związanych z najechaniem na słup stanowi 1,7%

wszystkich rannych i 2,5% zabitych. Takie wskaźniki świadczą o tym, że najechanie na słup oświetleniowy jest bardzo niebezpieczne.

Europejski program RISER „Roadside Infrastructure for Safer European Roads” we wnioskach końcowych przedstawia algorytm postępowania w przypadku wystąpienia w pasie drogowym przeszkody, co do której należy podjąć określone działania, aby w efekcie finalnym doprowadzić do zmniejszenia zagrożenia [5, 6].

49054 44196

38832 40065 37046 35847 34970 32967 33644 32760

5437 4572 3907 4189 3571 3357 3202 2938 3026 2831 62097

56046

48952 49501

45792 44059 42545

39778 40766 39466

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Wypadki Zabici Ranni

8

Tematem niniejszej pracy jest modyfikacja konstrukcji słupa oświetleniowego, który stanowi w chwili obecnej zagrożenie dla bezpieczeństwa drogowego. Obszarem działań jest zaprojektowanie i wytworzenie słupów oświetleniowych o wysokości od 6 do 12 m, które będą spełniały wymogi normy bezpieczeństwa biernego w klasie 100HE3, przy maksymalnie 10%

wzroście ceny w stosunku do konwencjonalnego słupa o tożsamych gabarytach i parametrach wytrzymałościowych. Aspekt ekonomiczny jest tu bardzo istotny, ponieważ na podstawie analizy oferty firm konkurencyjnych można stwierdzić, iż da on bardzo dużą przewagę konkurencyjną.

1.2. NORMA EN 12767

Wszystkie testy odbywają się zgodnie z założeniami normy EN 12767 “Passive Safety of Support Structures for Road Equipment: Requires and Test Methods”. Norma narzuca wiele aspektów związanych z przeprowadzaniem testów oraz zastosowanym sprzętem badawczym

Przeszkoda w ruchu drogowym

Wzrost zagrożenia

Modyfikacja zagrożenia

Usunięcie zagrożenia

Ochrona zagrożenia

TAK

NIE

NIE

Rozwiązanie końcowe NIE

TAK

TAK

TAK

Rysunek 1.1 Schemat działania dla rozwiązania problemu RISER [opracowanie własne na podstawie 5, 6]

9

jak np. masa pojazdu, jego rozstaw osi, szerokość, długość, wysokość, rodzaj sprzętu pomiarowego itp., nie uściślając innych istotnych kwestii takich jak użycie manekina z czujnikami, dzięki którym można poznać dokładniejsze parametry związane z urazem kierowcy, czego przykładem może być praca [45].

Powyższa norma określa bezpieczeństwo kierowcy spowodowane uderzeniem pojazdu w słup oświetleniowy. Słupy podzielone są ze względu na stopień pochłaniania energii pojazdu (rysunek 1.2, tabela 1.3). W ramach każdej kategorii określane jest bezpieczeństwo kierowcy od 1 (najniższa klasa bezpieczeństwa) do 3 (najwyższa klasa bezpieczeństwa). Ponadto tylko dla słupów niepochłaniających energii istnieje dodatkowa 4. klasa bezpieczeństwa kierowcy (tabela 1.4). Powyższe kategorie określane są na podstawie wartości wskaźników: Acceleration Severity Index (ASI) i Theoretical Head Impact Velocity (THIV).

Rysunek 1.2 Niska absorpcja energii (NE), średnia absorpcja energii (LE) i wysoka absorpcja energii (HE) [25]

Tabela 1.3 Kategoria pochłaniania energii [opracowanie własne na podstawie 25]

Kategoria pochłaniania energii

Prędkość wyjściowa v

[km/h]

50 70 100

HE – wysoka absorpcji energii 0 0< v

≤5 0< v

≤50 LE – średnia absorpcja energii 0< v

≤5 5< v

≤30 50< v

≤70 NE – niska absorpcja energii 5< v

≤50 30< v

≤70 70< v

≤100

„0" - nie spełnia żadnych wymagań - - -

10

Tabela 1.4 Klasa bezpieczeństwa kierowcy [opracowanie własne na podstawie 25]

Kategoria pochłaniania

energii

Klasa bezpieczeństwa

kierowcy

Prędkość uderzenia 35 km/h Prędkość uderzenia 50, 70 i 100 km/h

ASI THIV

[km/h] ASI THIV

[km/h]

HE 1 1 27 1,4 44

HE 2 1 27 1,2 33

HE 3 1 27 1 27

LE 1 1 27 1,4 44

LE 2 1 27 1,2 33

LE 3 1 27 1 27

NE 1 1 27 1,2 33

NE 2 1 27 1 27

NE 3 1 11 0,8 11

NE 4 - - - 3

Oba wskaźniki są obliczane zgodnie z wytycznymi normy EN 12767. ASI wyliczane jest ze wzoru i uzależnione od wartości przeciążeń we wszystkich osiach [26].

ASI(t)=√( 𝑎̅

(t) 12 )

2

+ ( 𝑎̅

(t) 9 )

2

+ ( 𝑎̅

(t) 10 )

2

THIV jest teoretyczną prędkością uderzenia głowy kierowcy w kierownicę, która wyliczona jest z ujemnych przeciążeń oraz prędkości obrotowej pojazdu. Pomiar teoretycznej prędkości uderzenia głowy kierowcy (THIV) został opracowany dla oceny siły zderzenia pojazdu z infrastrukturą drogową. Osoba w pojeździe (głowa) jest traktowana jako swobodnie poruszający się obiekt, który w przypadku zmiany prędkości przez pojazd zaczyna się poruszać do momentu uderzenia w elementy wewnętrzne samochodu. Teoretyczna głowa umiejscowiona jest w środku ciężkości pojazdu.

Można założyć, iż podczas uderzenia pojazd porusza się tylko w płaszczyźnie poziomej ponieważ duże pochylenia oraz ruch pionowy nie mają dużego wpływu na mierzone wielkości.

Jeżeli jednak nastąpi wywrócenie pojazdu należy powtórzyć test.

11

Rysunek 1.3 Globalny układ współrzędnych oraz układ współrzędnych pojazdu [26]

Układ współrzędnych pojazdu na rysunku 1.3 przyjęto tak, że 𝑥 jest osią wzdłużną pojazdu (dodatnia do przodu), a 𝑦 osią poprzeczną dodatnią w prawym kierunku. Układ porusza się razem z pojazdem, więc punkt C jest z nim związany jednak niekoniecznie pokrywa się z środkiem ciężkości pojazdu, gdzie umocowany jest czujnik przyspieszenia (w trzech osiach) i prędkości obrotowej. Osie 𝑥 i 𝑦 pojazdu obracają się wokół osi Z układu globalnego po czasie t o kąt 𝛹 (dodatni, gdy obrót jest zgodny z ruchem wskazówek zegara). Kąt ten jest równy 0 w chwili 𝑡 = 0, w którym następuje kontakt pojazdu z słupem.

Pojazd fizycznie obraca się wokół wszystkich osi, jednak obroty wokół osi 𝑥 i 𝑦 są pomijalnie małe, w związku z czym uwzględniany jest tylko obrót wokół osi 𝑧. Przyspieszenia pojazdu [m/s

] mierzone są przez akcelerometry umieszczone w punkcie C i podają one wartości 𝑎

i 𝑎

odpowiednio w kierunkach osi 𝑥 i 𝑦, podczas gdy zmiana kąta 𝛹̇ [rad/s]

powinna być mierzona przez czujnik prędkości obrotowej pojazdu. Mierzone przyspieszenie 𝑎

i 𝑎

w układzie ruchomym nie są równe przyspieszeniom 𝑋̈

i 𝑌̈

, które odnoszą się do pozycji pojazdu względem inercjalnego układu CXY.

Inercjalny układ odniesienia CXY, który pokrywa się z osiami pojazdu w chwili 𝑡 = 0, początkowo porusza się z tą samą prędkością co pojazd. Układ ten jest bezwładny, czyli porusza się bez przyspieszenia, ze stałą prędkością i nie obraca się. Należy zauważyć, iż chociaż oba

Legenda:

1 – Teoretyczna głowa.

x – oś wzdłużna pojazdu.

y – oś poprzeczna pojazdu.

z – oś pionowa pojazdu.

12

układy poruszają się początkowo z tą samą prędkością pojazdu 𝑉

, prezentowana analiza ruchu dotyczy wyłącznie prędkości względnej w chwili kontaktu pojazdu ze słupem, w związku z tym wartość początkowa prędkości nie jest brana do obliczeń.

Ponieważ swobodnie poruszająca się głowa nie przyspiesza względem inercjalnego układu odniesienia pozostaje ona z nim związana do momentu uderzenia we wnętrze pojazdu.

Poniżej opisano ruch pojazdu w poruszającym się inercjalnym układzie odniesienia:

Położenie początkowe, w chwili 𝑡 = 0:

{ 𝑋

= 0

𝑋̇

= 0 𝑌

= 0

𝑌̇

= 0 𝛹 = 0 𝛹̇ = 0

 Kąt odchylenia 𝛹 powinien być mierzony poprzez odpowiednie nagranie z kamery umieszczonej na głowie lub przeliczany na podstawie odczytów z czujnika prędkości obrotowej pojazdu:

𝛹 (𝑡) = ∫ 𝛹̇

𝑡 0

𝑑𝑡

 Następnie z przyspieszeń pojazdu względem układu ruchomego Cxy oblicza się:

{ 𝑋̈

= 𝑎

cos 𝛹 − 𝑎

sin 𝛹 𝑌̈

= 𝑎

sin 𝛹 + 𝑎

cos 𝛹

 Prędkość oraz pozycję pojazdu oblicza się przez całkowanie:

{

𝑋̇

= ∫ 𝑋̈

𝑑𝑡

𝑡

0

𝑌̇

= ∫ 𝑌̈

𝑡 0

𝑑𝑡

{

𝑋

= ∫ 𝑋̇

𝑑𝑡

𝑡

0

𝑌

= ∫ 𝑌̇

𝑡 0

𝑑𝑡

Poniżej opisano ruch głowy względem ziemi (nieruchomego układu odniesienia):

 Początkowe położenie głowy względem układu inercjalnego CXY opisują równania:

{ 𝑋

(0) = 𝑥

𝑋̇

(0) = 0 { 𝑌

(0) = 𝑦

𝑌̇

(0) = 0

13

gdzie: 𝑥

i 𝑦

są początkowymi odległościami w kierunkach osi 𝑥 i 𝑦 od punktu C w chwili 𝑡 = 0. Indeks dolny b stosuje się do określenia „głowy”.

 Przemieszczenia (od położenia początkowego) oraz prędkość głowy względem pojazdu będą więc miały przeciwne znaki w stosunku do prędkości i położenia pojazdu względem ziemi.

𝑋

= 𝑥

− 𝑋

; 𝑋̇

= −𝑋̇

𝑌

= 𝑦

− 𝑌

; 𝑌̇

= −𝑌̇

Opis ruchu głowy względem pojazdu:

 Przemieszczenie głowy względem pojazdu może być obliczone na podstawie prędkości pojazdu za pomocą równania:

𝑥

(𝑡) = (𝑥

− 𝑋

) cos 𝛹 + (𝑦

− 𝑌

) sin 𝛹 𝑋

= ∫ 𝑋̇

𝑑𝑡 y

(t) = −(x

− X

) sin Ψ + (y

− Y

) cos Ψ 𝑌

= ∫ 𝑌̇

𝑑𝑡

 Prędkość teoretycznej głowy względem pojazdu, tj. w układzie związanym z pojazdem wynosi:

𝑥̇

(𝑡) = −𝑋̇

cos 𝛹 − 𝑌̇

sin 𝛹 + 𝑦

(𝑡)𝛹̇

𝑦̇

(𝑡) = 𝑋̇

sin 𝛹 − 𝑌̇

cos 𝛹 − 𝑥

(𝑡)𝛹̇

 Równania 𝑥

(𝑡)𝛹̇ i 𝑦

(𝑡)𝛹̇ wynikają z prędkości punktu w obracającym się układnie odniesienia (𝑥

, 𝑦

). Kąt 𝛹̇ powinien być mierzony w [rad/s], a nie w stopniach na sekundę. Prędkości te odejmujemy od prędkości głowy względem ziemi (nierotującej) w celu uzyskania prędkości głowy względem pojazdu (rotującego układu).

Obliczenie czasu lotu:

 Powierzchnie, w które uderza teoretyczna głowa we wnętrzu pojazdu są traktowane jako

płaskie i prostopadłe do osi 𝑥 i 𝑦 (rysunek 1.4). Odległość tych powierzchni

od początkowego położenia głowy zostały oznaczone jako 𝐷

w kierunku przednim

i 𝐷

w obu kierunkach poprzecznych.

14

Rysunek 1.4 Uderzenie teoretycznej głowy w lewą stronę [26]

 Czas lotu głowy jest to czas do momentu nastąpienia kontaktu z jedną z trzech powierzchni, czyli jest to najkrótszy czas 𝑇, po którym jeden z trzech warunków zostanie spełniony:

𝑥

(𝑇) = D

+ x

lub y

(𝑇) = D

lub y

(𝑇) = −𝐷

 Standardowo wartości odległości wynoszą:

o 𝐷

= 0,6 m, o 𝐷

= 0,3 m.

Obliczenia wartość THIV:

 Teoretyczna prędkość uderzenia głowy w przeszkodę jest równa prędkości głowy w chwili 𝑇, tj:

THIV = [𝑉

(𝑇) + 𝑉

(𝑇)]

gdzie:

𝑉

(𝑇) = 𝑥̇

(𝑇) 𝑜𝑟𝑎𝑧 𝑉

(𝑇) = 𝑦̇

(𝑇)

 Ostatecznie mamy:

THIV = [𝑥̇

(𝑡) + 𝑦̇

(𝑡)]

.

15 1.3. ZAWARTOŚĆ ROZPRAWY

Niniejsza rozprawa jest efektem badań autora nad wpływem konstrukcji słupa na stopień bezpieczeństwa kierowcy na wypadek kolizji z słupem. Obszar badań naukowych wynika z pracy zawodowej autora, który między innymi odpowiedzialny jest za proces wdrażania nowych produktów w firmie zajmującej się produkcją słupów oświetleniowych.

Struktura dzieła jest następująca. W rozdziale pierwszym opisano normę, która określa wytyczne przy badaniu bezpiecznych słupów oświetleniowych. Szczególną uwagę poświecono metodyce wyliczania wskaźników ASI oraz THIV, które stanowią główny element klasyfikacji bezpiecznych słupów.

W kolejnym rozdziale dokonano przeglądu stanu wiedzy. Ze względu na tajemnicę przedsiębiorstw produkcyjnych, literatura zawierająca przegląd dostępnych na rynku konstrukcji słupów w dużej mierze pochodzi z wniosków patentowych. Druga część przeglądu literatura przedstawia symulacje numeryczne zjawisk szybkozmiennych. Część z artykułów przedstawia obliczenia numeryczne i badania doświadczalne kolizji pojazdu z słupem oświetleniowym.

W rozdziale trzecim zaprezentowana została teza, jak i cele pracy.

W kolejnym rozdziale przedstawione zostały opracowane konstrukcje bezpiecznych słupów oświetleniowych. Słupy z przedziału wysokości 6-12 m wykonane zostały ze stali S355 i grubości ścianki 2 mm. Jedna w rodzin słupów montowana jest bezpośrednio w gruncie a druga na prefabrykowanym betonowym fundamencie. W drugiej części rozdziału przedstawione zostały obliczenia statyczne oraz park maszyn badawczych firmy Europoles.

Badania eksperymentalne zaprezentowane zostały w rozdziale piątym. Na wstępie dokonano szczegółowego opisu toru do badań zderzeniowych wraz z aparaturą pomiarową oraz samochodem testowym. Następnie przedstawione zostały warunki brzegowe oraz sam przebieg jak i wyniki testów przy prędkości uderzenia 35 i 100 km/h dla dwóch rozwiązań konstrukcyjnych słupów. Ostatecznie podsumowane zostały wyniki testów, które zakończyły się sukcesem.

W przedostatnim rozdziale dokonano zamodelowania zjawiska testu zderzeniowego w programie Ansys LS-DYNA bazującym na metodzie elementów skończonych (MES).

Zaprezentowane dwa modele numeryczne, których wyniki były zbliżone do tych z badań

doświadczalnych. Wszystkie symulacje numeryczne były uproszczonym odwzorowaniem

16

badań doświadczalnych. Następnie dokonano analizy wyników oraz korelacji ich z wynikami badań doświadczalnych.

W rozdziale siódmym dokonano podsumowania oraz zaprezentowano możliwe dalsze

kierunki badań, które powinny skupiać się na rozszerzaniu asortymentu bezpiecznych słupów

oświetleniowych oraz dalszym poprawą modelu numerycznego w celu jeszcze lepszego

odwzorowania wyników.

17

2. PRZEGLĄD STANU WIEDZY W ZAKRESIE SŁUPÓW OŚWIETLENIOWYCH SPEŁNIAJĄCYCH NORMĘ BEZPIECZEŃSTWA BIERNEGO

Bezpieczeństwo na drogach oraz wszelkie rozwiązania związane z bezpieczeństwem biernym w przypadku instalacji umieszczonych w pasie ruchu, w tym słupów oświetleniowych, powinny być zasadniczym kryterium dla wszystkich dróg. Konstrukcja słupa powinna być dobrana do otoczenia drogi oraz dopuszczonej maksymalnej prędkości w taki sposób, aby w chwili uderzenia pojazdu pochłonęła odpowiednią ilość energii kinetycznej przy zachowaniu bezpieczeństwa pasażerów. Początkowo słupy wykonywane były głównie z drewna, betonu oraz grubościennych rur stalowych, jednak ze względu na swoją sztywność, dotkliwość wypadków była bardzo duża, a w większości przypadków kończyła się śmiercią pasażerów.

Dodatkowo, gdy taka konstrukcja pękła i przewróciła się na samochód, mogła powodować wgniecenie dachu, a tym samym ranić kierowcę bądź pasażerów znajdujących się w jego wnętrzu.

Ilość pochłoniętej przez słup energii uderzenia uzależniona jest ponadto od samego otoczenia drogi. Dla obszarów miejskich, w których w pobliżu słupa mogą przebywać ludzie np. idący po chodniku bądź stojący na przystanku, powinien on zadziałać niczym bariera energochłonna, nie dopuszczając do uderzenia pojazdu w człowieka lub przynajmniej zmniejszyć jego dotkliwość. W takim przypadku występuje bardzo duża redukcja prędkości na stosunkowo krótkim odcinku, ponieważ samochód musi zostać wyhamowany z 50 km/h na 12 metrach w sposób bezpieczny dla osób znajdujących się w pojeździe. W celu uniknięcia urazów kierowcy byłoby najlepiej, aby energia była pochłaniana jednostajnie na odcinku 12 m, co gwarantuje stosunkowo małe przeciążenia. Na drogach, przy których znajdują się obszary zielone, a ryzyko znajdowania się w pobliżu ludzi jest niewielkie, słup powinien absorbować tak mało energii kinetycznej pojazdu, jak jest to tylko możliwe.

W związku z powyższym dostępne rozwiązania konstrukcyjne można najogólniej podzielić ze względu na pochłanialność energii na:

 konstrukcje nieabsorbujące energii:

o połączenie kształtowe o niskiej wytrzymałości na obciążenia ścinające, o zrywalne pierścienie,

 konstrukcje o wysokiej absorpcji energii:

o osłabienie połączenia wzdłużnego trzonu słupa,

o słupy kompozytowe,

18

o wykorzystanie konstrukcji niepochłaniającej energii wraz z liną hamującą pojazd.

Połączenia kształtowe o niskiej wytrzymałości na obciążenia ścinające, przy jednoczesnym przenoszeniu momentów gnących i skręcających, są najczęściej stosowanym rozwiązaniem słupów niepochłaniających energii. Jako przykład można podać rozwiązanie wynalezione i opatentowane przez Andersa Öberga i Larsa Öberga [7], w którym słup podzielony jest na część podziemną i nadziemną. Przy poziomie gruntu do części podziemnej przymocowana dwiema obwodowymi spoinami pachwinowymi jest podstawa w kształcie trójkąta z fasolkami na śruby (rysunek 2.1).

Rysunek 2.1 Podstawa trójkątna umocowana przy poziomie gruntu [7]

W standardowym, szeroko stosowanym rozwiązaniu do części nadziemnej w miejscu połączenia z elementem podziemnym dospawana jest identyczna trójkątna podstawa.

Te podstawy są następnie skręcone przy pomocy trzech śrub o średnicy dostosowanej do przenoszonych momentów gnących. Ze względu na wady tego rozwiązania Anders i Lars opracowali konstrukcję z sześcioma blachami mocowanymi do części nadziemnej (rysunek 2.2).

Następnie oba elementy łączone są przy pomocy trzech śrub. Dzięki przymocowanym do słupa blachą z odpowiednio dobranym kątem α, w przypadku wystąpienia dużych sił tnących blachy rozginają się uwalniając śruby i tym samym inicjują utratę połączenia słupa z podłożem.

Na rysunku 2.3 przedstawione zostało całe rozwiązanie po zmontowaniu.

19

Rysunek 2.2 Sześć blach mocowanych do dolnej części słupa [7]

Rysunek 2.3 Widok całego układu bazującego na podstawie trójkątnej [7]

Inne rozwiązanie, jednak również bazujące na utracie połączenia w wyniku deformacji elementów konstrukcyjnych, przedstawili autorzy patentu US 5060437. Trzon słupa z elementem mocującym w podłożu połączony jest poprzez opaskę obejmującą oba te elementy. Dodatkowo połączenie zabezpieczone jest klejem epoksydowym Versamid®.

W wyniku uderzenia pojazdu następuje zniszczenie połączenia klejonego, a tym samym uwolnienie słupa z gruntu (rysunek 2.4).

Rysunek 2.4 Przekrój opaski łączącej słup [8]

Podobne rozwiązanie zaproponowali Joseph, Bowman i Mercier łącząc słup

na wysokości gruntu przy pomocy obejmy [8]. Bardziej zaawansowane technologicznie

rozwiązanie i tym samym wymagające znacznie mniejszych sił w celu odłączenia słupa

od gruntu zaprezentowane zostało w pracy [9]. Standardowo słup z podstawą mocowany jest

do betonowego fundamentu. Fundament natomiast składa się z konstrukcji wykonanych

z prętów żebrowanych oraz szpilek gwintowanych, które następnie zalewane są betonem

(rysunek 2.5).

20

Rysunek 2.5 Konstrukcja konwencjonalnego fundamentu betonowego [9]

Rozwiązanie różni się przede wszystkim tym, że całość modyfikacji zaimplementowana jest w betonowym fundamencie co umożliwia wykorzystanie dowolnego słupa oświetleniowego. Zaprojektowane połączenie kształtowe jest wykonane z aluminium w gatunku 6082 w postaci profili z ekstrudowanego aluminium ciętego na odcinki i zabezpieczonego stalowymi bolcami przed przemieszczaniem. Elementy te zamocowane są w miejscu, w którym standardowo wychodzą szpilki gwintowane z fundamentu. W związku z tym od konwencjonalnego fundamentu to połączenie różni się tylko stalowym szalunkiem umieszczonym w jego wnętrzu (rysunek 2.6).

Rysunek 2.6 Konstrukcja użebrowania fundamentu niepochłaniającego energii [9]

Aluminiowe łączniki zaprojektowane zostały w taki sposób, że obciążenia pochodzące od wiatru oraz masy słupa i latarni przenoszone są poprzez aluminiowe żebra tworzące połączenie kształtowe. Bolce zabezpieczające przed przemieszczaniem się dwóch elementów względem siebie mają średnice 3 mm. Tak mała średnica jest wystarczająca ze względu na występowanie niewielkich sił ścinających podczas eksploatacji słupa (rysunek 2.7).

Słup

oświetleniowy Podstawa słupa

Śruba kotwiąca

Fundament betonowy

Anizotropowy łącznik

Anizotropowy łącznik Nakrętki mocujące

Śruba kotwiąca

21

Rysunek 2.7 Połączenie kształtowe z zabezpieczającymi bolcami [9]

Wadą tego rozwiązania jest jego anizotropowość pochłaniania energii kinetycznej w zależności od kierunku uderzenia pojazdu, co ogranicza stosowanie tego fundamentu w przypadkach, kiedy istnieje możliwość uderzenia w słup ze strony przeciwnej. Konstrukcja tego połączenia została zoptymalizowana przy użyciu metody elementów skończonych w programie VisualNastran, który służy do analiz kinematycznych oraz dynamicznych konstrukcji. Dodatkowo skorzystano z programu SolidWorks. Ponadto wykonano testy na torze zderzeniowym, których rezultaty pokrywały się z wynikami obliczeń MES. Wyniki były tak zadowalające, że rozwiązanie to ma najwyższy stopień bezpieczeństwa dla kierowcy. Po uderzeniu w słup z prędkością 50,4 km/h pojazd zwolnił o 1,7 km/h, a zgodnie z normą takie konstrukcje można testować nawet z prawdziwym kierowcą.

Dostępne są również konstrukcje słupów niepochłaniających energii, które cechują się standardową konstrukcją a ich zachowanie wynika z właściwości materiału konstrukcyjnego użytego do ich wytworzenia. Do takich konstrukcji można zaliczyć słupy aluminiowe oraz z włókna szklanego. Materiały te ze względu na właściwości mechaniczne mają niższą wytrzymałość na zrywanie i tym samym ulegają ścięciu w punkcie uderzenia lub przy połączeniu z gruntem, nie pochłaniając energii kinetycznej pojazdu. Taka konstrukcja słupa wykonana ze stopu aluminium o wytrzymałości na zrywanie wynoszącej 180 MPa przedstawiona została w artykule Janszena [14].

Grupę słupów o odmiennych właściwościach stanowią słupy o wysokiej absorpcji energii. Standardowe słupy do niedawna produkowane były z materiału o minimalnej grubości 3 mm jednak już taka konstrukcja jest na tyle sztywna, że trudno jest wyhamować pojazd bez niebezpiecznych przeciążeń. Dlatego wiele badań zmierzało do osłabienia przekroju przy zachowaniu grubości ścianki, zwłaszcza ze względu na konieczność przenoszenia obciążeń

Mechaniczny bezpiecznik Anizotropowy

łącznik Mechaniczny

bezpiecznik

Pręt Pręt

22

wywołanych wiatrem. Jednym z przykładów może być rozwiązanie opracowane przez Hotchkina [10], który wykorzystał w swoim rozwiązaniu słup o wysokości 6 m i grubości ścianki 3 mm. W celu osłabienia przekroju wykonane zostały nacięcia wzdłużne rozpoczynające się przy poziomie gruntu, a kończące się na wysokości około 3,9 m. Nacięcia mają długość od 1 cm do 10 cm i 2 mm szerokości (rysunek 2.8).

Rysunek 2.8 Wzdłużne nacięcia osłabiające konstrukcje słupa [10]

Dzięki osłabieniu słupa uderzający pojazd spłaszcza konstrukcję ułatwiając tym samym

położenie się słupa na dachu i następne przewinięcie się przez samochód. Takie rozwiązanie

nie może być stosowane dla słupów wyższych niż 6 m i przy większych średnicach szczytu

oraz stopy. Dlatego badania zaczęły zmierzać w kierunku konstrukcji o jeszcze mniejszych

sztywnościach przekroju. Wyeliminowanie spoiny wzdłużnej na rzecz zakładkowego

połączenia nitowanego zaproponowali autorzy pracy [11]. W swoim patencie zaproponowali

zastąpienie połączenia spawanego nitowanym, skręcanym, lutowanym bądź klejonym

z krawędziami wygiętymi do wewnątrz, na zewnątrz lub na zakładkę. Takie połączenie

w chwili uderzenia poddane jest dużym siłom ścinającym, w związku z czym nity ulegają

zerwaniu a słup drastycznie traci swoją stateczności. Dzięki temu może się on zachować

23

w pożądany sposób, czyli położyć się na pojeździe i następnie przewinąć przez niego (rysunek 2.9).

Rysunek 2.9 Wzdłużne połączenie nitowane [11]

Dalsze obniżanie grubości stali wykorzystanej do produkcji słupa sprawia, że nie jest

on w stanie przenieść naprężeń od momentów gnących wynikających z naporu wiatru oraz

masy zawieszonej na nim latarni. Zredukowanie grubości ścianki poniżej 1,5 mm przedstawił

Welandson [12], usztywniając przy tym konstrukcję płaskownikami bądź rurkami

mocowanymi do ścianki wzdłuż osi słupa. Obniżając grubość ścianki słupa należy pamiętać

o pewnym kompromisie pomiędzy wytrzymałością statyczną a sztywnością podczas uderzenia

przez pojazd. W związku z powyższym Andres Welanson był zmuszony wzmocnić konstrukcję

rurkami bądź płaskownikami celem przeniesienia obciążeń statycznych. Zastosowane

wzmocnienia wpływają istotnie na ilość pochłoniętej energii kinetycznej pojazdu. Dla

wzmocnienia wzdłużnego przeanalizowane zostały przypadki zachowania się konstrukcji przy

różnych kątach kolizji (rysunek 2.10).

24

Rysunek 2.10 Słup ze wzmocnieniami w postaci płaskowników bądź rurek mocowanych do ścianki [12]

Eliminacja sztywnych konstrukcji o grubościennych przekrojach widoczna jest nie tylko w słupach oświetleniowych. W artykule [29] przedstawione zostały nowe elementy wsporcze znaków drogowych charakteryzujące się aluminiowymi konstrukcjami kratowymi.

Powyższe rozwiązania konstrukcyjne nie spełniają swojej roli, gdy słup ma przenosić

duże obciążenia statyczne. W sytuacji kiedy masywne oprawy mają być zawieszone na

kilkuramiennym wysięgniku na wysokości powyżej 12 m, może być trudno znaleźć konstrukcję

o wysokiej absorpcji energii wykonanej z materiału cienkościennego. Dla takich zastosowań

należy przyjąć całkiem odmienne podejście przy projektowaniu słupa. Rozwiązanie tego

problemu przedstawiała firma Sapa Profiles NL B.V. wprowadzając dodatkowy element,

którego zadaniem jest pochłanianie energii [13]. Wykorzystali oni standardową konstrukcję

o niskiej absorpcji energii. Na wysokości gruntu bądź trochę powyżej gruntu znajduje się

łącznik spinający część podziemną z częścią nadziemną. Konstrukcja łącznika zapewnia

przenoszenie obciążeń statycznych przy obniżonej wytrzymałości na siły ścinające. Pojazd

uderzający w słup powoduje jego częściową deformację, a następnie ścięcie, dzięki czemu

następuje niewielka redukcja energii kinetycznej pojazdu. W chwili kontaktu ze słupem

następuje pochłonięcie części energii kinetycznej pojazdu, a tym samym zredukowanie jego

prędkości. Pozostawienie konstrukcji w takiej postaci sprawiłoby przyporządkowanie jej

25

do kategorii niskiego pochłaniania energii, jednak dodatkowo wewnątrz słupa zamontowana została lina hamująca. Jeden koniec liny przytwierdzony jest na sztywno do elementu podziemnego, a drugi jest połączony z górną częścią w taki sposób, aby uderzający pojazd nie wywołał zerwania liny, a jedynie jej wysuwanie z dużym oporem. Dzięki takiemu rozwiązaniu energia kinetyczna pojazdu może być stopniowo pochłaniana w bezpieczny dla kierowcy sposób aż do zatrzymania pojazdu bądź osiągnięcia zakładanej prędkości wyjściowej (rysunek 2.11).

Rysunek 2.11 Lina hamująca [13]

Z powyższego opisu widać, że rozwiązań dostępnych na rynku jest wiele, a każde ma swoje wady, jak i zalety. Można otrzymać słup, który jest mniej zaawansowany technicznie, a tym samym o niższych kosztach produkcyjnych, co przekłada się bezpośrednio na końcową cenę, jednak wytrzymałość na obciążenia statyczne będzie odpowiednio niższa w stosunku do podobnej konstrukcji nie spełniającej normy bezpieczeństwa biernego. W przypadku konieczności przenoszenia dużych obciążeń pochodzących od naporu wiatru i masy latarni jesteśmy zmuszeni do poniesienia większych nakładów finansowych stosując na przykład rozwiązanie firmy Sapa Profiles.

W niniejszej pracy główna uwaga została skupiona na zastosowaniu rozwiązania

konstrukcyjnego stosunkowo prostego technologicznie, w takim stopniu zoptymalizowanego,

aby koszty produkcji nie uległy wzrostowi w stosunku do konwencjonalnych produktów

o podobnych parametrach.

26

2.1. PRZEGLĄD STANU WIEDZY W ZAKRESIE TESTÓW ZDERZENIOWYCH I ANALIZY NUMERYCZNEJ

Testy zderzeniowe słupów oświetleniowych przeprowadza się na specjalnie do tego przystosowanych stanowiskach badawczych. Tor do badań zderzeniowych ze względu na duże rozmiary oraz precyzyjną aparaturę pomiarową jest znaczącą inwestycją. Ponadto przeprowadzanie samych testów również jest dość kosztowne. W związku z powyższym dąży się do użycia modelowania numerycznego zdarzeń szybkozmiennych, po to aby zredukować koszty oraz czas poświęcony na znalezienie najlepszego rozwiązania konstrukcyjnego.

Analizując dostępną literaturę można zauważyć, iż część z nich bazuje tylko na modelach numerycznych. Do takich opracowań można zaliczyć pracę [15], w której wykonano obliczenia metodą elementów skończonych na modelu komputerowym, w oprogramowaniu LS-DYNA.

Model pojazdu został oparty na 4-drzwiowym samochodzie Ford Taurus z 1991 roku. Stalowy słup został zamodelowany za pomocą elementów skorupowych. Zbadano cztery konfiguracje konstrukcji stalowych. Pierwszym typem podparcia była typowa stalowa podstawa, stosowana obecnie na fundamencie betonowym ze śrubami kotwowymi. Drugi rodzaj podparcia był podobny do pierwszego, ale zamontowane były podkładki sprężynowe o współczynniku sprężystości 50 N/mm nad i pod stalową płytą podstawy. W trzecim przypadku zastosowano tłumiki o współczynniku tłumienia 10 Ns/mm pomiędzy płytą podstawową a fundamentem betonowym. W czwartym przypadku słup stalowy został osadzony w glebie na określonej głębokości. Właściwości materiałów glebowych uwzględnione w tym badaniu wynosiły:

200 MPa moduł ścinania i 2000 kg/m

gęstość gleby [15].

Rysunek 2.12 Konfiguracje połączeń stalowych słupów [15]

Symulacja metodą elementów skończonych została przeprowadzona dla czasu 100 ms

za pomocą programu LS-DYNA. Modelowi pojazdu nadano początkową prędkość 60 km/h,

27

a pojazd uderzył czołowo w słup. Wszystkie typy konstrukcji zostały badane dla tych samych warunków początkowych. Po 7 ms zaobserwowano, że śruby kotwiące zastosowane w pierwszym rodzaju podparcia zerwały się na poziomie gruntu, w wyniku czego słup przewrócił się na pojazd. W drugim typie podparcia, w którym zastosowano sprężyny, płyta podstawowa również uległa pęknięciu i oderwaniu od podłoża. Podobne zachowanie zaobserwowano w przypadku trzeciego typu połączenia. Jednak w czwartym typie podparcia, w którym stalowy słup był osadzony w glebie, był on wysoce zdeformowany i nie utracił połączenia z gruntem. W rezultacie pierwsze trzy typy konstrukcji zapewniają prawie taką samą pochłanialność energii. Jednakże słup osadzony w glebie pochłania znacznie więcej energii, w wyniku dużych odkształceń plastycznych słupa po uderzeniu.

Na połączeniu słupa z gruntem, a konkretnie na samym fundamencie betonowym i jego gabarytach, a nie na bezpieczeństwie kierowcy skupiono się w artykule [16]. Podkreślono w nim, że betonowy fundament jest korzystniejszy z ekonomicznego punktu widzenia biorąc pod uwagę możliwości uderzenia pojazdu, ze względu na brak konieczności wykonywania prac ziemnych, a jedynie konieczność wymiany samego słupa. W badaniach użyto programu LS-DYNA. Podstawa kolumny oświetleniowej została zamodelowana za pomocą elementów powierzchniowych, podczas gdy górna część kolumny została potraktowana jako zwykła belka.

Podstawa słupa została zamodelowana za pomocą elementów bryłowych, a śruby mocujące jako nieliniowe elementy sprężyste. Fundament zamodelowano bryłowo, ponieważ jest on wielokrotnego użytku, a podłoże zostało potraktowane jako sztywny korpus. Interakcja między fundamentem a otaczającą ziemią została uzyskana poprzez nadanie relacji nieliniowych połączeń sprężystych, umożliwiających pionowe, poziome i obrotowe przemieszczenie. Pojazd uderzający w kolumnę był reprezentowany przez przedni "zderzak"

i tylną sekcję, połączone ze sobą za pomocą sprężyny nieliniowej. Ta nieliniowa sprężyna

reprezentowała przemieszczenie wynikające z "miażdżenia" pojazdu.

28

Rysunek 2.13 Schemat modelu [16]

Przy obliczeniach zmieniana była prędkość uderzenia pojazdu, która w zależności od masy pojazdu dobieranej z przedziału od 900 do 1500 kg wynosiła 50 i 70 km/h. Wysokość kolumny oświetleniowej pozostała stała na poziomie 12 m, natomiast średnica zewnętrzna podstawy wynosiła 193,7 mm i 273,0 mm, a grubość ścianki 4,0 mm i 6,3 mm. Fundamenty miały rozmiar 1,5 m × 1,5 m × 0,9 m i 3,1 m × 3,1 m × 2,1 m. W pracy stwierdzono, iż gabaryty fundamentów mogą być znacznie mniejsze bez ryzyka jego uszkodzenia przy teście zderzeniowym. Oczywiście mniejsze gabaryty oznaczają jego przemieszczenie w gruncie, jednak jest to akceptowalne [16].

W kolejnej pracy [17] elementem poddanym analizie był trzon słupa oświetleniowego o wysokości 8 m, średnicy podstawy 200 mm, a szczytu 10 mm. Słup wykonany był ze stali o grubości 4 mm, granicy plastyczności 355 MPa i wytrzymałości na zrywanie 490 MPa przy odkształceniu plastycznym 0,025. Następnie wyniki analizy zestawione zostały z kolejnymi modelami, które zakładały użycie materiału o niższych parametrach wytrzymałościowych.

Grubość ścianki wynosiła kolejno 4, 3 i 2 mm. Wszystkie analizy wykonane zostały przy takich samych warunkach w programie ABAQUS/Explicit Version 6.9-4. W sumie wygenerowano

Słup

oświetleniowy

Podstawa

Nieliniowa siła - sprężyna

Nieliniowa zasypka - sprężyna

29

około 6000 elementów siatki w obrębie całego modelu, z których najmniejsze występowały w obszarze kontaktu czołowego i miały rozmiar około 0,01 m. Słup oświetleniowy zamocowany był u podstawy a pojazd poruszał się z prędkością 14 m/s. Waga pojazdu brutto wynosiła 980 kg. Zderzenie można podzielić na dwa etapy. W pierwszym etapie następuje gwałtowne opóźnienie samochodu, podczas gdy w drugim etapie następuje zatrzymanie pojazdu przy niskich przeciążeniach. W tym opracowaniu rozważa się pierwszą fazę oddziaływania ze względu na jej większą istotność. W związku z tym czas analizy zawężono do 0,05 s po uderzeniu. Wyniki analizy numerycznej przedstawione zostały na rysunku 2.14.

Rysunek 2.14 Relacja pomiędzy czasem który upłynął od chwili zderzenia a prędkością pojazdu [17]

Zauważono, że podczas zderzenia z kolumną oświetleniową wykonaną z nowego miękkiego materiału występują duże odkształcenia w kolumnie i niewielkie odkształcenie w przednim obszarze pojazdu. Im mniejsza jest grubość powłoki kolumny oświetleniowej, tym mniejsza jest absorpcja energii pojazdu i większe bezpieczeństwo osób w pojeździe.

Słuszność zastosowania programu Ansys LS-DYNA do analiz numerycznych zjawisk szybkozmiennych potwierdza ponadto praca [28], w której symulacja numeryczna zastosowana została w celu optymalizacji konstrukcji i materiału przedniej belki pojazdu oraz praca [30]

przedstawiająca analizę cylindrycznych elementów energochłonnych obciążonych impulsem wybuchu.

Poza wyżej opisanymi publikacjami pojawiają się również prace, które prezentują kompleksowe podejście do badania bezpieczeństwa biernego. Poza modelowaniem numerycznym prowadzi się dodatkowo testy zderzeniowe na torze badawczym. Dzięki takiemu podejściu można porównać wyniki symulacji z wynikami eksperymentalnymi. Tego

Czas [s]

Pr ęd k ość [m /s]

Nowe t=2 mm

Nowe t=3 mm

Nowe t=4 mm

Stare t=4 mm

30

w omówionych artykułach [15, 16, 17] zabrakło, przez co wyniki tam prezentowane nie są w pełni wiarygodne. Jedną z takich publikacji zawierających badania eksperymentalne jest praca [18], w której przedstawiono rezultaty czterech testów zderzeniowych. Dwa pierwsze dotyczą pionowych i horyzontalnych konstrukcji wsporczych kratownicowych. Model numeryczny podobnych konstrukcji przedstawiony został również w pracy [19]. W pracy [27]

oparto się zarówno na testach oraz modelowaniu MES w programie LS-DYNA, a modelem badawczym była bariera energochłonna. Jednak ciekawszym testem z punktu widzenia niniejszej rozprawy jest test opisany w artykule [18]. Obiektem testowym był słup oświetleniowy wkopany na głębokość 1,4 m, wykonany z włókna szklanego i w dolnej części wzmocniony metalową obejmą. Badanym pojazdem był samochód osobowy Łada Samara o masie około 895 kg. Podczas testu słup został złamany i poruszał się dalej z pojazdem (rysunek 2.15).

Rysunek 2.15 Przebieg kolizji podczas jednego z testów [18]

Słup zamodelowano jako układ trzech części połączonych sztywnymi złączami. Dolna część o wysokości 40 mm miała masę 100 kg i zapewniała stabilność pionową konstrukcji.

Centralny element o wysokości 0,33 m miał masę 15 kg, a ostatni element o wysokości 7,5 m

miał masę 100 kg. Z kolei model słupa w symulacji wykonanej w programie EDSMAC4

składał się z jednego elementu o masie 230 kg. W tabeli 2.1. zestawione zostały wyniki testu

zderzeniowego z wynikami symulacji numerycznych.

31

Tabela 2.1 Porównanie parametrów bezpieczeństwa biernego [18]

Test 5 Eksperyment Program PC-Crash

Program EDSMAC4

v

[km/h] 60.3 60.3 60.3

v

[km/h] 37.8 38.1 41.6

a

[g] 10 8 7

ASI [g] 0.39 0.38 0.54

THIV [km/h] 15.6 14.7 16.6

PHD [g] 2.9 0.6 0.1

Kategoria NE NE NE

Słup oświetleniowy z włókna szklanego spełnia wymagania kategorii NE. Istotna jest obserwacja, że wyniki zarówno eksperymentu jak i symulacji numerycznych przyporządkowały konstrukcję do tej samej kategorii pochłaniania energii. Wyniki te w żadnym wypadku nie mogą być używane do porównywania efektywności programów, ponieważ wszelkie korekty modelów mogą wpłynąć w dużym stopniu na wyniki końcowe. Problemy w analizie kolizji z konstrukcjami wsporczymi powinny być inspiracją dla programistów do stopniowego ulepszania modeli.

Najbardziej zbliżone tematycznie do niniejszej rozprawy są prace [20, 21, 22] z tą różnicą, że słupy mają inną technologie wykonania (konstrukcja wzmocniona laminatem) [20]

oraz są konstrukcjami niepochłaniającymi energii [22], a ponadto brak jest przypisanej kategorii bezpieczeństwa biernego [21, 22] zgodnie z normą [25].

W pracy [20] kolumna oświetleniowa o wysokości 10 m, uzyskała najlepszą kategorię

absorpcji energii HE z najwyższą klasą bezpieczeństwa pasażerów. Kolumna o wysokości 12,4

m osiągnęła tylko klasę HE 1. W tym projekcie do analizy numerycznej wykorzystuje się model

elementów skończonych LS-DYNA. Trójwymiarowy model uzyskano za pomocą

modelowania powierzchniowego oraz bryłowego. Opracowano w pełni trójwymiarowe modele

CAD i MES różnych typów kolumn.

32

Rysunek 2.16 Model 3D słupa 10, 12,4 i 15 m [20]

Model 3D prawdziwego samochodu oparto na National Fash Analysis Center FHWA/NHTSA [24]. Model zawiera chłodnicę, silnik, przednie i tylne zawieszenie, hamulce i wiele innych części z możliwością kontaktu i nieliniowości właściwości mechanicznych materiału. Projekt samochodu został zmodyfikowany w celu przybliżenia podobieństwa do samochodu w eksperymencie. Zwłaszcza chłodnica i silnik ustawione zostały jak w Peugeot 205 (rysunek 2.17).

Rysunek 2.17 Model 3D pojazdu [20]

Wartości maksymalnego opóźnienia wykazują dobrą korelację z wynikami eksperymentu. Otrzymane wyniki numeryczne w tych modelach pokazały prawidłowość

Wzmocnione laminaty

Wzmocnione laminaty

33

obliczeń MES, a maksymalne odchylenie względne maksymalnego opóźnienia odczytanego podczas eksperymentu od wyniku symulacji wynosi 14%. Na rysunku 2.18 przedstawione zostały zdjęcia poklatkowe, na których można zaobserwować podobieństwo w odkształcaniu się plastycznym słupa podczas testu zderzeniowego i analizy numerycznej.

Rysunek 2.18 Zdjęcia poklatkowe dla słupa 12 m [20]

Praca [23] zawiera zarówno część eksperymentalną, jak i obliczenia numeryczne. Do produkcji słupów o wysokości 3 m, średnicy 300 mm i grubości ścianki 20 mm użyto drewna bukowego, które po przetworzeniu ma gęstość około 900 kg/m

przy wilgotności 6-8%. Średni Moduł Younga wynosi 17000 MPa. Wytrzymałość na ściskanie w kierunku wzdłużnym wynosi

t = 0,00 [s] t = 0,01 [s] t = 0,02 [s] t=0,03 [s] t = 0,04 [s] t = 0,05 [s]

t = 0,06 [s] t = 0,07 [s] t = 0,08 [s] t=0,09 [s] t = 0,10 [s] t = 0,15 [s]

34

59 MPa. Dodatkowo jeden słup został wzmocniony żywicą z włóknem szklanym.

Przeprowadzono cztery testy zderzeniowe przy prędkościach uderzenia 35, 50 i 100 km/h, z czego trzy z niewzmocnioną konstrukcją słupa i jeden ze wzmocnioną konstrukcją słupa.

Rysunek 2.19 Wykres prędkości i czasu pojazdu w testach zderzeniowych [23]

Rysunek 2.20 Zdjęcia poklatkowe słupa niezbrojonego przy prędkości uderzenia 100 km/h [23] (Autor tej rozprawy przeprowadził część badawczą związaną z testami zderzeniowymi w projekcie dla Uniwersytetu z Drezna)

Rysunek 2.21 Zdjęcia poklatkowe słupa wzmocnionego włóknem szklanym przy prędkości uderzenia 100 km/h [23] (Autor tej rozprawy przeprowadził część badawczą związaną z testami zderzeniowymi w projekcie dla Uniwersytetu z Drezna)

W kolejnym kroku użyto oprogramowania LS-DYNA (wersja 9.0.1). Obliczenia wykonano tylko dla badania z pojazdem wózkowym przy prędkości 100 km/h. Na poniższym rysunku przedstawiono model MES.

Czas [s]

Prędkość [km/h]

niewzmocniony słup wzmocniony słup

35

Rysunek 2.22 Model MES [23]

Rysunek 2.23 Relacja między prędkością z testu i symulacji [23]

Rysunek 2.24 Symulowane zachowanie niezbrojonej rury; (a) w czasie t = 25 ms, (b) w czasie t = 40 ms [23]

Czas [s]

Prędkość [km/h]

36

Rysunek 2.25 Symulowane zachowanie zbrojonej rury; (a) w czasie t = 25 ms, (b) w czasie t = 80 ms [23]

Przeprowadzone obliczenia potwierdziły przydatność programu LS-DYNA do symulacji badań zderzeniowych zarówno zbrojonych jak i niezbrojonych rur drewnianych.

Zachowanie się barier ochronnych wykonanych z drewna, które mają za zadanie wytrzymać uderzenie pojazdu są prezentowane w pracach [46-49]. W pracy [50] dokonano przeglądu publikacji dotyczących szeroko pojętych zagadnień konstrukcji cienkościennych pracujących jako absorbery energii.

W podsumowaniu przeglądu stanu wiedzy należy zauważyć, że zagadnienia projektowania bezpiecznej infrastruktury drogowej są coraz częściej podejmowane, co na pewno przekłada się na wzrost bezpieczeństwa użytkowników dróg. Obecnie przeważają analizy numeryczne, które mimo dużych wymagań ze względu na czasochłonność obliczeń, są dla badaczy bardziej atrakcyjne, gdyż nadal nie istnieje wiele ośrodków badawczych mogących prowadzić doświadczenia fizyczne [51,52].

2.2. SFORMUŁOWANIE PROBLEMU BADAWCZEGO

Słupy oświetleniowe jako konstrukcja wsporcza opraw oświetleniowych jest nieodzownym elementem infrastruktury drogowej. Z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu drogowego jest to przeszkoda, której projektant drogi powinien unikać lub osłonić ją tak, aby minimalizować zagrożenie dla użytkowników drogi. Jednak odpowiednio zaprojektowany słup może wpływać nawet na wzrost bezpieczeństwa użytkowników otoczenia drogi.

Słup oświetleniowy poddany jest działaniu momentów gnących i skręcających oraz sił tnących, które pochodzą od parcia wiatru, masy własnej i elementów na nim zawieszonych.

Ze względu na tę funkcjonalność konstruktorzy dążyli do osiągnięcia maksymalnej sztywności

37

słupa, przy zachowaniu minimalnej materiałochłonności i pracochłonności w procesie produkcyjnym. W praktyce dla maksymalnych sił, które musi przenieść słup, dobierało się jego geometrię oraz rodzaj i grubość materiału.

Powyższa metodyka sprawdzała się, gdy nie brano pod uwagę bezpieczeństwa biernego.

W nowoczesnych konstrukcjach słupów oświetleniowych, poza tymi czynnikami, należy uwzględnić jeszcze otoczenie samej drogi. W przypadku autostrad i dróg ekspresowych, gdzie nie ma ryzyka przebywania pieszych w bezpośrednim otoczeniu drogi, samochód po uderzeniu w słup powinien wytracić minimalną ilość energii kinetycznej i tym samym poruszać się dalej niemalże bez utraty prędkości, nie stwarzając zagrożenia dla kierowcy oraz pasażerów.

W takich przypadkach słup powinien być wykonany tak, aby należał do klasy niepochłaniającej energii. Oznacza to konstrukcję, w której powinna zajść utrata połączenia słupa z gruntem w chwili uderzenia przez pojazd przy jak najmniejszej wartości siły tnącej. Uzyskanie takiej funkcjonalności odbywa się poprzez zastosowanie różnego rodzaju rozłączalnych połączeń kształtowych pomiędzy trzonem słupa a podstawą mocowaną do fundamentu. Siła ścinająca owe połączenie musi być na tyle mała, aby nie wywołać nadmiernych przeciążeń w pojeździe, a jednocześnie musi przenieść obciążenia wynikające z normalnej pracy. Innym rodzajem słupów niepochłaniających energii są słupy kompozytowe czy cienkościenne słupy aluminiowe, które ze względu na charakterystykę materiału ulegają ścięciu w chwili uderzenia.

Odmienną grupę stanowią słupy pochłaniające energię w wysokim stopniu, które stosuje się na przykład w obszarach miejskich, gdzie w bezpośrednim otoczeniu drogi mogą przebywać ludzie. W takich sytuacjach słup powinien w sposób kontrolowany pochłonąć maksymalną ilość energii kinetycznej pojazdu, redukując tym samym znacząco jego prędkość.

W uproszczeniu powinien się on zachować jak siatka asekuracyjna, której zadaniem jest zatrzymać w bezpieczny sposób pojazd, unikając zagrożenia wynikającego z poruszania się samochodu z dużą prędkością w sposób niekontrolowany. Dopuszczalne przeciążenia działające na użytkowników pojazdu są w tym przypadku większe aniżeli w konstrukcjach niepochłaniających energii. Konwencjonalne słupy stalowe wykonane z blachy stalowej o grubości 3 mm i więcej, ze względu na zbyt sztywną konstrukcję, nie są słupami bezpiecznymi. W związku z tym najszerzej stosowane konstrukcje o wysokiej absorbcji energii, bazują na standardowych słupach, a w celu zmniejszenia ich sztywności, wykonywane są wzdłużne nacięcia lub połączenia nitowane zamiast spawu wzdłużnego. Istnieją również rozwiązania z użyciem słupów niepochłaniających energii oraz ze specjalną liną hamującą.

W takim przypadku ścinany słup nie absorbuje energii, a za wyhamowanie pojazdu

38

odpowiedzialna jest dodatkowa lina. Największą wadą dostępnych na rynku słupów pochłaniających energię w wysokim stopniu jest ich skomplikowana konstrukcja, co przekłada się na duże koszty produkcji i zakupu. Ponadto żaden z producentów nie oferuje pełnego zakresu wysokościowego takich słupów, co skutkuje często problemem konieczności korzystania z większej liczby dostawców w obrębie jednej inwestycji.

W niniejszej pracy zrezygnowano z miejscowego osłabiania przekroju słupa czy też dodatkowych elementów wyhamowujących i zaproponowano zastosowanie konstrukcji cienkościennej oraz stali o podwyższonych parametrach wytrzymałościowy. Dzięki takiemu rozwiązaniu przy zachowaniu zbliżonych parametrów wytrzymałościowych oczekiwane są duże odkształcenia plastyczne konstrukcji słupa podczas kolizji. Praca potrzebna na deformację słupa ma być wykonana kosztem pochłoniętej energii kinetycznej pojazdu. Zamierza się tak zoptymalizować konstrukcję słupa, aby uzyskać korzyści ekonomiczne wynikające ze zmniejszenia materiałochłonności przy nieznacznym zwiększeniu pracochłonności.

Dodatkowo dąży się do tego, aby w obrębie jednej konstrukcji słupów osiągnąć bardzo szeroki

zakres wysokości wynoszący od 6 m do 12 m.