Finite element modelling of road safety barriers and validation according to european standards

Road transport is probably the most used mean of transport at present. Due to human factors, it is impossible to avoid all the road accidents, but it is essential to minimize the number and the consequences of them using all the available tools. Road safety barriers are one of the most effective tools that can be installed along our roads. They have undergone significant development in the last years, thanks to technological advances and the introduction of specified laws and standards. In order to install a specific road safety barrier, firstly, it has to be certified according to existing regulations. Full-scale crash tests are carried out, impacting vehicles against the device in controlled conditions. These tests are the best way so as to prove the performances of the barrier. However, each test is quite expensive, and the number of tests that can be carried out is limited. This fact and the development of computational power have promoted the use of virtual simulations, which reduce the cost and the time of design phase. In this work, using results of two physical crash tests, that have been previously studied to certify a specific barrier in two different configurations, a finite element model of the barrier and virtual simulations of these tests have been carried out. Firstly, the components have been modelled, meshed and assembled, using programs such as SolidWorks, HyperMesh and LS-PrePost. Crash tests have been simulated, using the finite element program LS-Dyna, with the same parameters and conditions of real tests. After several simulations, the models have been correlated with physical tests. According to existing European standards (EN 1317), verification and validation processes of the numerical models have been carried out, so as to study if possible numerical problems have introduced instabilities in the solution. Moreover, we ensure that virtual results are within the range tolerance that European standards require. After these processes, the two FEM models can be used to study the performances of these barrier configurations introducing minor modifications in the system. Results could be used as guidelines so as to introduce improvements in the tested systems at lower costs thanks to the use of virtual simulations instead of the only use of full-scale crash tests.

Attualmente, il trasporto stradale è probabilmente il mezzo di trasporto più usato nel mondo. Dovuto ai fattori umani, non è possibile evitare tutti gli incidenti stradali, però è cruciale ridurre al minimo il suo numero così come le sue conseguenze quando accadono, con l’uso di tutti gli strumenti disponibili. Le barriere di sicurezza stradali sono uno degli strumenti più efficienti che possono essere istallati lungo le nostre strade. Loro hanno sperimentato uno sviluppo notevole negli ultimi anni, grazie al progresso tecnologico e all’introduzione di nuove norme nel campo della sicurezza stradale. Al fine di installare una specifica barriera di sicurezza stradale, prima deve essere certificata d’accordo alle norme esistenti. Prove d’impatto a scala reale sono svolte, facendo impattare in condizioni controllate, veicoli contro la struttura in studio. Queste prove sono la miglior forma di conoscere il comportamento della barriera. Tuttavia, ogni test significa un investimento economico importante, quindi il numero di prove che possono essere svolte è limitato. Questa limitazione economica più l’aumento della potenza computazionale hanno fatto crescere l’utilizzo di simulazioni virtuali, le quali hanno ridotto il costo e il tempo delle fasi di progettazione. In questa tesi, facendo uso dei risultati ottenuti in due prove d’impatto reali, che sono stati utilizzati per la certificazione di un tipo di barriera stradale in due configurazioni diverse, è stato costruito un modello ad elementi finiti della barriera, così come la configurazione delle simulazioni numeriche delle prove. In primo luogo, le parti della barriera sono state modellate, discretizzate e assemblate, con l’aiuto dei programmi SolidWorks, HyperMesh e LS.PrePost. Le prove di crash sono state simulate usando il programma LS-Dyna, inserendo i parametri e le proprietà ottenuti delle prove reali. Dopo molte simulazioni, i modelli sono stati correlati. D’accordo con le attuali norme europee (EN 1317), i processi di verificazione e validazione dei modelli numerici sono stati realizzati, con l’obiettivo di studiare se possibili problemi numerici hanno introdotto delle instabilità nella soluzione. Inoltre, ci assicuriamo di avere dei risultati virtuali entro i limiti di tolleranza prescritti dalla normativa europea. Dopo aver validato i modelli, questi possono essre usati per studiare i suoi comportamenti nel caso di introdurre alcune piccole modifiche nella struttura. I risultati possono essere usati come linee guida per fare miglioramenti nelle barriere testate, con un costo minore che se solo fossero state svolte prove di crash reali.