Диссертация (Разработка и обоснование методологии расчетов, испытаний и сертификации дорожных удерживающих ограждений барьерного типа)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образованияМосковский автомобильно-дорожныйгосударственный технический университет (МАДИ)На правах рукописиТАВШАВАДЗЕ Бека ТемуровичРАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИИ РАСЧЕТОВ,ИСПЫТАНИЙ И СЕРТИФИКАЦИИ ДОРОЖНЫХ УДЕРЖИВАЮЩИХОГРАЖДЕНИЙ БАРЬЕРНОГО ТИПАСпециальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог,метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелейДиссертацияна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:заслуженный деятель науки и техники РФ,доктор технических наук, профессорДемьянушко Ирина ВадимовнаМосква 20192ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................

4ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ................................... 141.1 Особенности применения барьерных дорожных ограждений, представленияоб основных преимуществах и недостатках, их роли в обеспечении безопасностина автомобильных дорогах ........................................................................................ 141.2 Методы расчетного анализа дорожных боковых ограждений ........................ 251.3 Анализ существующих нормативных требований к дорожным ограждениям ...........................................................................................................................

281.4 Анализ требований к сертификации дорожных ограждений .......................... 371.5 Выводы по главе 1 .............................................................................................. 40ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ.......... 422.1.

Обоснование расчетной схемы и выбор программного продукта................... 422.2 Основные уравнения LS-DYNA .......................................................................... 452.2. Создание математической модели .................................................................... 472.3. Валидация КЭ моделей ...................................................................................... 622.4. Выводы по главе 2 .............................................................................................. 67ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВБАРЬЕРНЫХ ДОРОЖНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ НА ИХ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕХАРАКТЕРИСТИКИ .................................................................................................

693.1. Анализ конструкции БДО с применением W-образной балки ........................ 703.2. Анализ конструкции БДО с применением 3-волновой балки ......................... 863.3. Анализ конструкции БДО с применением С-образных балок ......................... 893.4. Анализ конструкций БДО без консолей ........................................................... 973.5. Анализ конструкций БДО мостовой группы .................................................. 1053.6.

Выводы по главе 3 ............................................................................................ 112ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННЫХ НОРМАТИВНЫХ ТРЕБОВАНИЙ КДОРОЖНЫМ БАРЬЕРНЫМ ОГРАЖДЕНИЯМ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИПРИМЕНЕНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ............................................... 11434.1. Исследованиявлияниярежимовиспытанийнапотребительскиехарактеристики барьерных ограждений ................................................................. 1144.2. Формирование области применения виртуальных испытаний в системесертификации на соответствие требованиям ТР ТС 014/ ......................................

1194.3. Разработка схемы сертификации дорожных ограждений с учетом виртуальныхиспытаний ................................................................................................................. 1214.4. Перспективы применения виртуальных испытаний ...................................... 1284.5. Выводы по главе 4 ............................................................................................

134ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ ...................................... 135СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................ 136ПРИЛОЖЕНИЕ А Рекомендации по систематизации нормативных документов вобласти ДО ............................................................................................................... 1464ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияС интенсивным развитием строительства автомобильных дорог общегопользования, увеличением загруженности дорог, повышением скоростей движенияи грузоподъемности автотранспортных средств все более актуальной становитсяпроблема их технического обустройства с целью повышения безопасностидорожного движения, что является в настоящее время государственной задачей,входящей в стратегию транспортного развития страны.

Наибольшее количестводорожно-транспортныхпроисшествий(ДТП)стяжелымипоследствиямипроисходит при выезде транспортных средств (ТС) на встречную полосу, съездовс полотна дороги, при падении с откосов и т.п. Наиболее эффективным средствомувеличения безопасности дорожного движения в этих случаях является установкабоковых дорожных удерживающих ограждений (ДО) в основном, барьерныхметаллических (БДО) и парапетных (бетонных и железобетонных). В последнеевремя все более широко стали применяться тросовые системы ДО. Общаяпротяженность БДО, как на дорогах России, так и за рубежом, в настоящее времясущественно превышает протяженность других упомянутых видов боковых ДО.В связи с повышением требований к безопасности дорог, введениемТехнического регламента Таможенного Союза - ТР ТС 014/2011 «Безопасностьавтомобильных дорог», далее – ТР, дорожные боковые удерживающие ограждениявключены в перечень изделий, подлежащих сертификации в форме соответствиятребованиям ТР.

Сертификация дорожных ограждений предполагает обязательноепроведение сертификационных натурных испытаний отобранных образцовпродукции при их внедрении. Основой для обеспечения соответствия требованийк устройству ДО являются различные нормативные документы, включенные вперечень ТР. В соответствии с этими стандартами для каждой марки дорожногоограждениядолжныбытьопределенытакназываемыепотребительские5характеристики (уровень удерживающей способности, динамический прогиб ирабочая ширина ограждения).Потребительскиехарактеристикивсоответствииснормативнымитребованиями определяются и подтверждаются при так называемых «натурныхиспытаниях» ДО, которые проводятся в аккредитованных испытательныхлабораториях [49]. Основной объем отечественных ДО проходит испытания вИспытательном центре НАМИ (ИЦ НАМИ) [26].

ИЦ НАМИ проводит испытаниядорожных ограждений, начиная с 1979 г. Методики испытаний непрерывносовершенствуются в соответствии с требованиями норм, на основе этих испытанийформулируются и сами нормативные требования. Научный вклад ИЦ НАМИтрудно переоценить и практически до недавнего времени все исследованияпрочности и удерживающей способности дорожных ограждений основывались наэкспериментальных изысканиях ИЦ НАМИ. Аналогичные испытательные центрысозданы и за рубежом [31, 32, 33].В основном у каждого изготовителя БДО имеется широкая линейкапродукции, в ряде случаев у крупных отечественных и зарубежных изготовителейсуществует более 100 марок одного типаБДО, что обеспечивает ихконкурентоспособность на рынке и оптимальное соответствие дорожнымусловиям.

Проведение натурных испытаний большого количества марокограждений является весьма затратным как по времени, так и по стоимости.Попытки определения потребительских характеристик ДО расчетным путем спомощью полуэмпирического инженерного анализа (работы ФАУ Росдорнии,МАДИ, Союздорнии, Университета Северной Каролины в Шарлотте, Техасскогоинститута транспорта, Технического университета Чалмерса в Гетеборге и др.)проводятсяидосегодняшнеговремени.Однаконевысокаяточностьприближенных методов не позволяла до сих пор произвести полноценную заменунатурных испытаний расчетами.Внедрение в расчетную практику современных программных комплексовнелинейного динамического анализа высокоскоростных процессов, основанных на6моделировании сложных систем методом конечных элементов (МКЭ), сделало внастоящее время возможным разработку конечно-элементных (КЭ) моделей БДОи симуляционного моделирования процессов ударного взаимодействия их странспортнымсредством(ТС)–виртуальныхиспытаний,позволяющихопределять параметры конструкций БДО и характеристик системы БДО-ТС приударе.

Однако внедрение так называемых виртуальных испытаний (как по схемамстендовых испытаний, так и по схемам натурных испытаний) в качествесертификационныхтребуетметодическогообоснованияпроцедурыихиспользования в системе сертификации продукции, включая валидацию моделейпутем сравнения с данными стендовых и натурных испытаний. Необходимымпредставляется также определение границ применимости виртуальных испытанийдля различных случаев изменений в конструкции БДО по сравнению сконструкцией, испытанной путем натурных испытаний (изменение шага стоек,толщины балки, замена материала и т.д.)Важной и актуальной задачей являются исследования по выбору КЭрасчетных схем БДО разного типа и обоснование необходимых параметров,которые следует оценивать как влияющие на результаты и виртуальныхиспытаний.Обоснование типов расчетных схем КЭ-анализа является отнюдь нетривиальной задачей.

Высокая нелинейность процесса столкновения ТС с БДОтребует обоснования выбора расчетных схем как элементов БДО, так и ТС. Впроцессе симуляционного моделирования наезда решаются задачи учета трения всистеме, пластического деформирования элементов конструкций БДО и ТС сучетом больших перемещений, необходим учет скорости деформированияматериала и выбора расчетных схем материалов. Рациональность выбора КЭрасчетной схемы определяет, с одной стороны, скорость процесса расчета, а сдругой – необходимую точность.Важным и актуальным представляется на основе этих исследований решениезадачи расширения применимости виртуальных испытаний и разработка методики7определения порядка проведения натурного и виртуального анализа присертификации БДО, что позволяет разработать программу работ по сертификацииэтой продукции для предприятий дорожной отрасли.Обоснованное применение виртуального анализа столкновений ТС с БДОпозволяет также с известной осторожностью использовать этот подход длямоделирования уже случившегося реально ДТП при наезде на БДО с цельюпроведения экспертизы и выявления причин ДТП.ПрименениевиртуальногоэкспериментасиспользованиемКЭ-моделирования и симуляционного анализа для боковых БДО представляетсяактуальным также для оценки проектировочных решений при устройстве и выбореограждений для различных категорий дорог и мостовых сооружений, учитываякласс дороги, кривизну, форму, ширину разделительной полосы и другиепараметры.Актуальным является и создание системы полуэмпирического инженерногоанализадляисследованиявлиянияконструктивныхитехнологическиххарактеристик ДО, основанного уже на новом материале статистических данныхнатурных испытаний и статистике виртуальных испытаний.

Разработка такойсистемы в форме методикианалитических расчетов,позволяющих беззначительных затрат провести сравнительный анализ влияния параметров БДО наудерживающую способность и, таким образом, в кратчайший срок выбратьрациональное устройство БДО, является важной практической задачей.Внедрение результатов исследований в практику дорожной отрасли,осуществляемое путем включения этих разработок в государственные иотраслевые нормативные документы, и их использование широким кругомизготовителей БДО должно быть подтверждено положительным опытомэксплуатации изделий.Проведение исследований поведения боковых барьерных дорожныхограждений при наездах на них транспортных средств и разработка методачисленного анализа с его экспериментальной валидацией является актуальной и8практически важной задачейдорог,решение которойдля проектирования и эксплуатации безопасныхпозволитизготовителям дорожных огражденийзначительно ускорить разработку и внедрение новых конструкций, пройтипроцедуры сертификации, а также будет способствовать повышению безопасностидорожного движения и долговечности этих важных элементов дорожногообустройства.Цель и основные задачи исследования:Цель работы – проведение исследований современных конструкцийбарьерных дорожных ограждений, формулировка требований к проектированиюконструкций и устройству БДО на автодорогах, отвечающих новым подходам кобеспечению требований по безопасности и надежности, и на этой основеразработка экспериментально обоснованных методов виртуальных испытанийБДОсиспользованиемсовременныхматематическихметодовконечно-элементного моделирования нелинейных динамических процессов соударениядеформируемых конструкций, а также определение роли и места виртуальногоанализа в оценке соответствия конструкций обеспечению требований безопасностиприпроектированииприближеннойавтодорог,инженернойприменениеоценкивлиянияполученныхрешенийпараметровБДОнадляихпотребительские характеристики.Для достижения поставленной цели в работе определены и решеныследующие основные задачи: путем критического обзорного анализа отечественных и зарубежныхнормативных документов, стандартов организаций-изготовителей БДО и на основенакопленного опыта по изучению характеристик различных БДО определен инаучнообоснованнеобходимыйпереченьосновныхпотребительскиххарактеристик, необходимых для оценки безопасности и качества этих устройств; разработаны и обоснованы типовые расчетные схемы основныхконструкций БДО и сформулированы требования к рациональным КЭ-моделямконструкций БДО, проведена валидация предложенных расчетных схем с учетом9расчетных КЭ-схем ТС на основе сравнения с результатами стендовых и натурныхиспытаний; численным анализом исследованы процессы деформации и разрушенияразличныхБДО(дорожныходносторонних,двухсторонних,мостовыхконструкций) с использованием экспериментальных данных по деформацииматериала и конструкций БДО; сформулированы и предложены технические требования и методыконтроля БДО и дополнительные рекомендации по правилам применения наавтодорогах; с использованием накопленной статистики по результатам натурных ивиртуальных симуляционных испытаний однотипных БДО обоснована методикатак называемого аналитического инженерного анализа, которая позволяетпроводить многофакторный эксперимент для оценки влияния различныхконструктивных параметров ограждения на его удерживающую способность вограниченном диапазоне изменения этих параметров;разработаны принципы и подходы к применению виртуальногосимуляционного анализа для оценки причин и последствий ДТП при наезде ТС наБДО разного типа с учетом дорожных условий и планировки дороги; разработана система и методика составления научно обоснованныхрабочих программ, включающих натурные и виртуальные испытания для оценкисоответствия группы БДО одного изготовителя требованиям ТР ТС присертификации, позволяющая существенно экономить расходы на доводку ивнедрение новых проектов автомобильных дорог.Методы исследования методикинатурныхистендовыхиспытанийсиспользованиемнелинейныхдинамическихсовременных средств и методов измерений; конечно-элементноепроцессовударногомоделированиевзаимодействиядеформируемыхтел,материалови10конструкций с использованием современного программного комплекса КЭ анализабыстротекущих процессов (LS-DYNA).Научная новизна: на основе расчетно-экспериментальных исследований разработан методсимуляционного компьютерного анализа наезда транспортных средств на боковыебарьерные дорожные ограждения с использованием конечно-элементногомоделированиявысокоскоростныхдинамическихпроцессовсоударениядеформируемых тел; установлена область применения этого метода в форме виртуальныхиспытаний при сертификации дорожных барьерных ограждений; с использованием расчетного анализа на основе применения виртуальныхиспытаний различных конструкций определены преимущества и недостаткиосновных конструкций БДО; даны предложения по использованию вариантных виртуальных испытанийдля анализа возможных причин ДТП и предложена схема анализа ДТП, связанныхс наездами на ДО.Практическая ценность работы состоит в следующем: разработана методика составления обоснованной и рациональнойпрограммынатурных,виртуальныхиспытанийдлягруппБДОодногоизготовителя, которая рекомендована для использования при прохождениисертификации по ТР ТС 014/201 как изготовителям БДО, так и органам посертификации; на основании проведенных исследований сформулированы основныетехнические требования к БДО, необходимые для проектирования новыхконструкций; показанавозможностьиспользованияразработанногометодавиртуального симуляционного анализа для определения причин и анализапараметров ДТП с наездом ТС на БДО с учетом дорожных условий;11 проведенныеисследованияявляютсяосновойдляразработкинормативных отраслевых дорожных методик (ОДМ) и разделов ГОСТ потехническим требованиям, правилам применения и устройству дорожныхограждений.На защиту выносятся: аналитический обзор существующих конструкций БДО, нормативныхдокументов и анализ существующих методов расчетно-экспериментальногоисследования конструкций БДО; разработка и обоснование метода симуляционного моделирования наездаТСнаБДОпрограммного(виртуальныхкомплексаиспытаний),основанногоконечно-элементногонаиспользованиидинамическогоанализавысокоскоростных процессов соударения деформируемых тел; обоснованные рекомендации по проектированию БДО; предложения по применению виртуальных испытаний для сертификацииБДО и анализа ДТП.Апробация работы.