Numerical modelling of a road restraint system

Abstract

The most important aspect when developing roads is safety. This factor represents a notable cost in development activities involving the construction of highways, and is, therefore, a factor widely studied in the academic community as well. As it is known, the finite element method is used to predict and simulate different phenomena in engineering applications, being increasingly used because it represents a significant cost savings, as it replaces the execution of experimental tests at full scale. Furthermore, it allows for geometric, behavioural (material) and boundary conditions definition changes. Finite element modelling also allows for calculations that involve the rigorous evaluation of fundamental engineering quantities, which in a mechanical test can be difficult to obtain or measure, because they are difficult to access or because they require equipment with limited access. For the modelling of the different components that make up the safety barrier model studied in this work, the Solidworks software was used, with the Sheet Metal tool, which allows to model the geometry in a similar way to the forming process. In the numerical simulation two approaches are presented. The first employs three-dimensional elements and solid screws in bolted connections. The second uses shell elements and connectors (connection functionalities) available in the finite element software libraries used. As the first approach did not achieve the desired success, the second approach constitutes a more detailed analysis for modelling an impact test. In addition to developing a model for future analysis of the barrier under study, an analysis of two modelling techniques that uses scripting and an interface is also carried out. The main limitation of this study is that it was not possible to validate the numerical model with experimental information, given the logistics involved. However, by comparing the information available in the literature, and analysing the current standards for the production of the studied containment solution, it was possible to conclude that the work carried out led to the production of a set of very consistent results.

O aspeto mais importante aquando do desenvolvimento de estradas é a segurança. Este fator representa um custo destacável nas atividades de desenvolvimento que envolvem a construção de rodovias, sendo por isso um fator amplamente estudado também na comunidade académica. Como é sabido, o método dos elementos finitos é utilizado para prever e simular fenómenos diversos em aplicações de engenharia, sendo cada vez mais utilizado por representar uma poupança de custos significativa, pois substitui a execução de ensaios experimentais à escala real. Além disto, permite a realização de alterações geométricas, comportamentais (materiais) e de definição de condições de fronteira. A modelação por elementos finitos permite também a realização de cálculos que envolvem a avaliação rigorosa de grandezas fundamentais em engenharia, que num ensaio mecânico podem ser difíceis de obter ou medir, por serem de difícil acessibilidade ou por requerem equipamentos de acesso limitado. Na modelação dos diferentes componentes que constituem o modelo de barreira de segurança estudado neste trabalho, empregou-se o software Solidworks, com a ferramenta Sheet Metal, que permite modelar a geometria de uma maneira semelhante ao processo de conformação. Na simulação numérica são apresentadas duas abordagens. A primeira emprega elementos tridimensionais e parafusos sólidos nas ligações aparafusadas. A segunda recorre a elementos de casca e conectores (funcionalidades de ligação) disponíveis nas livrarias do software de elementos finitos utilizado. Sendo que na primeira abordagem não se alcançou o sucesso desejado, a segunda abordagem constitui uma análise mais detalhada para a modelação de um ensaio de impacto. Além de desenvolver um modelo para futuras análises à barreira em estudo, é também feita uma análise a duas técnicas de modelação que recorre a scripting e a uma interface. A principal limitação deste estudo reside em não ter sido possível validar o modelo numérico com informação experimental, atendendo à logística envolvida. No entanto, por comparação com a informação disponível na literatura, e analisadas as normas vigentes para a produção da solução de contenção estudada, foi possível concluir que o trabalho desenvolvido conduziu à produção de um conjunto de resultados muito coerentes.