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EVALUACIÓN DE LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA REALIZADA POR UN DISPOSITIVO PARA CHOQUE FRONTAL CONTRA UNA ESTRUCTURA DE CONCRETO CESAR AUGUSTO LIBRADO CASTILLO JOSÉ LUIS HERNANDEZ MANRIQUE UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2009 2 EVALUACIÓN DE LA DISIPACIÓN DE ENERGÍA REALIZADA POR UN DISPOSITIVO PARA CHOQUE FRONTAL CONTRA UNA ESTRUCTURA DE CONCRETO CESAR AUGUSTO LIBRADO CASTILLO JOSE LUIS HERNANDEZ MANRIQUE Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar el título de Ingeniero Civil Director temático Ph.D Camilo Torres Asesora metodológica Mag. Rosa Amparo Ruiz Saray UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2009 3 Nota de aceptación: ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ Presidente de jurado ________________________________ Jurado ________________________________ Jurado Bogotá D.C. 14 de Mayo de 2009 4 AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento: Al Ingeniero ADOLFO CAMILO TORRES director temático, por su paciencia, Apoyo y confianza en la realización de esta investigación. A ROSA AMPARO RUIZ asesora metodológica, por su gran colaboración en el desarrollo de este trabajo. Al Ingeniero FERNANDO PINILLA de CESVI Colombia por su acompañamiento y confianza para la realización de modelos físicos y la creación de un escenario de integración interinstitucional en el cual se desarrollarán posteriores investigaciones. Al Ingeniero DIEGO ACOSTA de CORPOACERO por el patrocinio de los materiales necesarios para la construcción del prototipo de disipación. Al Ingeniero JUAN PABLO ZULUAGA de la SECRETARÍA DE MOVILIDAD por su colaboración en las matrices de accidentalidad de Bogotá. Al Ingeniero ALEJANDRO MARTINEZ por su apoyo en el desarrollo de los modelos numéricos de esta investigación. 5 DEDICATORIA De Cesar Augusto Librado Castillo Dedico esta investigación a mi madre Nelly Castillo por todos sus cotidianos esfuerzos. A mi padre Humberto Librado por su ejemplo de tenacidad. A mis hermanos Milena y Humberto por su apoyo incondicional. A los demás miembros de mi familia por su colaboración y acompañamiento en este proceso. A todos los integrantes de la Tahuichi por tantos inmortales momentos. 6 DEDICATORIA De José Luis Hernández Manrique Es el momento de agradecer a las personas más importantes, que me acompañaron y me acompañan hasta el día de hoy, por el apoyo y constante amor con el que me ayudaron a conseguir todo aquello con lo que algún día soñé y hoy tengo. A mis padres, les agradezco desde el momento en que me dieron la vida, y en esta ocasión, les doy infinitas gracias por los esfuerzos, amor y paciencia con los que me educaron en los valores que hoy me hacen la persona digna de tener a mi lado a tan maravillosos “papa y mama”, a las mujeres de mi vida, mis hermanas, mujeres que me enseñaron el amor de familia y el cariño de corazón, y mi hermano que es el hombre ejemplar, trabajador y admirable que siempre aspirare ser. Agradezco a la vida por darme cuatro maravillosas razones para esforzarme por ser un profesional digno y ejemplar, mis sobrinas, los soles de mi vida, las niñas de mi corazón. Y por ultimo, pero no menos importante, agradezco a mis amigos, a todos; que estuvieron en las buenas, en las malas y en las peores y que saben que aunque no somos perfectos, siempre seremos amigos; hermanos. Gracias y mil gracias a todos los que están aquí y también a los que se me escapan de la mente, que Dios los bendiga así como el me bendijo por tenerlos a mi lado para estar hoy dándole gracias a El por su compañía y amor. 7 CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN 1 PROBLEMA 16 1.1 LÍNEA 16 1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 17 1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 18 1.4 JUSTIFICACIÓN 18 1.5 OBJETIVOS 19 1.5.1 Objetivo general 19 1.5.2 Objetivos específicos 19 2 MARCO REFERENCIAL 19 2.1 MARCO TEÓRICO-CONCEPTUAL 19 2.2 MARCO NORMATIVO 24 3. METODOLOGÍA 24 3.1 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN 24 3.1.1 Fase 1. Recopilación de la información y estado del arte 25 3.1.2 Fase 2. Aporte tecnológico a la disminución de la mortalidad en accidentes viales 25 3.1.3 Fase 3. análisis de resultados 25 3.2 DIAGRAMA METODOLÓGICO 26 3.3 OBJETO DE ESTUDIO 27 3.4 INSTRUMENTOS 27 3.5 VARIABLES 27 3.6 HIPÓTESIS 28 3.7 COSTO DE LA INVESTIGACIÓN 28 4 TRABAJO INGENIERIL 28 8 4.1 FASE 1. RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN Y ESTADO DEL ARTE 28 4.1.1 Accidentalidad vial en Colombia año 2006 28 4.1.1.1 Tendencia 28 4.1.1.2 Condición de la victima. 29 4.1.1.3 Clase de accidente. 30 4.1.2 Accidentalidad vial en Bogotá año 2006. 31 4.1.2.1 Característica de los accidentes 31 4.1.2.2 Características de los vehículos involucrados en los accidentes en Bogotá 32 4.1.3 Caracterización del escenario de choque. 33 4.1.3.1 Definición del tramo critico. 33 4.1.3.2 Definición del punto critico. 34 4.1.4 Dispositivos de disipación de energía disponibles en el mercado 36 4.1.5 Dispositivos seleccionados 43 4.1.5.1 Sistema de seguridad pasiva por la FIA (federación internacional de automovilismo). 43 4.1.5.2 Easi-cell® cluster crash cushion system. 44 4.1.5.3 Quadguard® crash cushion system lmc. 45 4.1.5.4 Energite® iii crash cushion system. 46 4.2 FASE 2. APORTE TECNOLÓGICO A LA DISMINUCIÓN DE LA MORTALIDAD EN ACCIDENTES VIALES 49 4.2.1 Análisis de materiales para el dispositivo disipador de energía 49 4.2.2 Material para la disipación de energía del dispositivo 50 4.2.3 Prueba de compresión del material de disipación 50 4.2.4 Modelo dinámico de colisión 53 4.2.4.1 Consideraciones generales del modelo dinámico 54 4.2.4.2 Modelo numérico considerando la fuerza, para el diseño de un prototipo físico de mitigación de energía. 55 4.2.4.3 Modelo numérico 58 4.2.4.4 Cálculo de la constante de proporcionalidad K 59 9 4.2.4.5 Consideración del sistema de disipación como un sistema inelástico en serie 60 4.2.4.6 Energía potencial elástica 61 4.2.4.7 Condiciones de frontera del sistema como resorte para el cálculo de la deformación. 61 4.2.4.8 Cálculo del tiempo y aceleración de todo el sistema de mitigación de energía. 64 4.2.4.9 Cálculo de la energía potencial. 66 4.2.4.10 Cálculo de la velocidad en cada zona 66 4.2.4.11 Cálculo en la energía cinética en cada zona 67 4.2.4.12 Cálculo del tiempo, aceleración y fuerzas g 68 4.2.5 Construcción del dispositivo de mitigación de energía 70 4.2.5.1 Diseño del dispositivo de mitigación de energía 70 4.2.5.2 Cantidades de material 71 4.3 FASE 3 ANÁLISIS DE RESULTADOS 72 4.3.1 Validación del modelo numérico considerando la fuerza, para el diseño de un prototipo físico de mitigación de energía. 72 4.3.2 Validación del modelo numérico del sistema de disipación 75 5 CONCLUSIONES 79 6 RECOMENDACIONES 87 BIBLIOGRAFÍA 89 ANEXOS 10 LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Diagrama metodológico 26 Figura 2. Georeferenciacion. Accidentalidad vial Bogotá2006 34 Figura 3. Intersección Autopista Norte con Calle 116 36 Figura 4. Dispositivo de disipación de energía. Seguridad pasiva por la FIA 44 Figura 5. Dispositivo de disipación de energía. easi-cell® cluster crash cushion system 45 Figura 6. Dispositivo de disipación de energía. quadguard® crash cushion system lmc 46 Figura 7. Dispositivo de disipación de energía. energite III crash cushion system 46 Figura 8. Prensa hidráulica para ensayo de fuerza axial 51 Figura 9. Llanta sometida a carga axial 51 Figura 10. Llanta sometida a carga axial 52 Figura 11. Vehículo en movimiento con velocidad constante y energía cinética máxima 55 Figura 12. Choque de vehiculo contra muro de colisión 56 Figura 13. Distribución de las zonas de mayor y menor resistencia al trabajo 57 Figura 14. Reacción del trabajo del dispositivo, cuando se le aplica una fuerza ejercida por el vehiculo 57 Figura 15. Dispositivo con energía potencial máxima luego de detenerse completamente el vehiculo 59 Figura 16. Ilustración de ensayo axial para el cálculo del trabajo hecho por las llantas 59 Figura 17. Distribución teórica de las llantas dependiendo de la constante de proporcionalidad 60 Figura 18. Sistema con energía cinética máxima 62 Figura 19. Sistema con energía cinética y potencial 62 Figura 20. Sistema con energía potencial máxima 63 Figura 21. Distribución zonal del sistema dependiendo de la constante de elasticidad. 68 11 Figura 22. Ensayo axial para la zona 1 69 Figura 23. Modelo físico final, del prototipo de disipación de energía 72 Figura 24. Zonas de choque dependiendo del trabajo realizado después del ensayo axial 73 12 LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Normatividad 24 Tabla 2. Variable de objeto de estudio 27 Tabla 3. Tendencia de las tasa de muertes por accidente de transito. Colombia 2006 29 Tabla 4. Mortalidad por accidente de transporte según clase de accidente. Colombia año 2006 30 Tabla 5. Accidentalidad en Bogotá según la característica del accidente. Bogotá 2006 31 Tabla 6. Calificación cuantitativa de los dispositivos de disipación de energía existentes en el mercado 41 Tabla 7. Resultados pruebas axiales de las llantas 52 Tabla 8. Comportamiento del material (llantas) luego de la prueba axial 75 Tabla 9. Velocidad en cada zona a velocidades de 10, 12 y 15 Km/h 76 Tabla 10. Energía Cinética en cada zona a velocidades de 10, 12 y 15 Km/h 76 Tabla 11. Tiempo de deformación en cada zona a velocidades de 10, 12 y 15 Km/h 76 Tabla 12. Aceleración en cada zona a velocidades de 10, 12 y 15 Km/h. 85 Tabla 13. Fuerza G en cada zona a velocidades de 10, 12 y 15 Km/h. 85 13 LISTA DE GRAFICAS Pág. Grafica 1. Muertes en accidentes de transporte según la Condición de la victima. Colombia 2006 29 Grafica 2. Mortalidad por accidente de transporte según clase de accidente. Colombia año 2006 31 Grafica 3. Gráfica deformación vs. tiempo2 con velocidad de 10 Km/h. 78 14 LISTA DE ANEXOS * ANEXO A. Formato de Ensayo ANEXO B Costo de la Investigación ANEXO C Instituto de Medicina Legal, Ciencias Forenses, Fondo de prevención Vial ANEXO D Puntos críticos del escenario de choque ANEXO E Levantamiento del punto crítico seleccionado ANEXO F Dispositivos de disipación de energía disponibles en el mercado ANEXO G Prototipo disipador de energía ANEXO H Especificaciones de los dispositivos disponibles en el mercado ANEXO I Modelo numérico ANEXO J ANEXO K Matrices de accidentalidad vial en Bogotá Plano de prototipo de dispositivo de disipación * Los anexos A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, se presentan en medio magnético. 15 INTRODUCCIÓN La presente investigación pretende aportar de manera significativa al desarrollo tecnológico de la infraestructura, en lo relacionado con la seguridad vial, mas precisamente en la ciudad de Bogota. Aparte este trabajo desarrolló una recopilación de datos sobre la accidentalidad vial en Colombia y Bogotá. Se observan y se analizan características de la accidentalidad vial como tasa de muertos, tasas de heridos, tipo de colisión, tendencias, condición de la victima y demás características que fuerón relevantes para la investigación, producto de este análisis preliminar de accidentalidad en Colombia y Bogotá, se estableció que existe una necesidad social sentida a la disminución de la accidentalidad vial en sucesos fatales y para disminuir la tasa de lesionados. La propuesta de la presente investigación se basa en evaluar el efecto de un dispositivo que mitigue la energía cinética en la eventualidad de un choque vehicular directo contra un elemento fijo de concreto o elementos que no tengan la capacidad de disipar la energía de manera gradual, para esto, se identificó un escenario de choque mediante un estudio por el método del vehiculo flotante ubicando puntos neurálgicos y en donde se presentaron accidentes de consideraciones fatales, dicho escenario se presenta por el corredor vial de la carrera 30 comprendido entre la avenida de las Américas y la calle 94 y la autopista norte comprendida entre la calle 94 y la calle170. Se considero este corredor vial también por el tipo de infraestructura presente, se observa un elemento de barrera en las 16 divergencias de cambios de carril, que pretende redireccionar el vehiculo en el momento de una colisión pero dicho diseño aumenta el riesgo de volcamiento y su estructura no es de un material que sea capaz de disipar la energía, se considera a su vez la peligrosidad del elemento de barreras, ya que en el escenario de choque se presentan velocidades promedios de 60Km/h hasta 70Km/h Dadas estas condiciones se desarrolla por parte de los investigadores un prototipo de dispositivo de disipación de energía cinética, realizando un estudio de mercado y seleccionando cuales de los dispositivos son los de mejores características tales como, fácil instalación, rehúso, acción de rebote minima, impacto al ambiente, precio, entre otras. Para desarrollar este prototipo se realiza un modelo numérico en donde se presentan variables de energía cinética, energía potencial, aceleraciones, fuerzas Gs y constantes como de elasticidad, velocidad y masa todo esto para proponer un dispositivo creado por los investigadores y observar su comportamiento energético y de desaceleraciones para determinar la capacidad de disipación de energía del dispositivo. 1. EL PROBLEMA 1.1 LÍNEA El proyecto de investigación que se desarrolla corresponde a la línea de seguridad vial y pertenece al grupo de investigación instituto de desarrollo tecnológico, INDETEC. 17 Esta investigación se relaciona con la línea de seguridad vial, pues evidentemente se pretende que los resultados contribuyan a generar un escenario seguro en la red vial de Bogotá. 1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA El escenario en estudio es el de choque frontal entre un automóvil y una estructura de concreto. Este escenario tiene variables que determinan el riesgo en el evento del choque entre ellas la energía cinética, las desaceleraciones, las fuerzas generadas por el choque entre las mas relevantes, el vehículo será el que absorbetoda la energía de disipación, que al ser en un tiempo prácticamente instantáneo las desaceleraciones son muy fuertes poniendo en peligro la vida de los ocupantes. Por este motivo se considero en adicionar un dispositivo que disipe de forma paulatina la energía, en un escenario de choque. Algunos referentes para está investigación son las pruebas realizadas por la EURO Ncap, (European New Assessment Car Programme)1 que establecen la mayoría de los parámetros bajo los cuales se rigen las especificaciones de seguridad para los automóviles nuevos, tambien establece ciertas medidas de seguridad para los elementos como las estructuras de concreto o los elementos de seguridad inherentes a la vía, como por ejemplo: barreras de contención, muros, taludes, etc. 1 EUROENCAP. [En línea] disponible en Internet en: www.euroncap.com/tests.aspx [con acceso el 15/03/2008] 18 También se puede citar a la FHWA (Federal Highway Administration)2 que hace parte del departamento de transporte de los Estados Unidos, que realiza constantes evaluaciones a los elementos que se tienen en las autopistas estadounidenses y a los que se van a aplicar en los proyectos subsiguientes. 1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿Cuál es la respuesta de un dispositivo de disipación de energía para un escenario de choque frontal vehicular contra una estructura vial de concreto? 1.4 JUSTIFICACIÓN En las etapas de diseño, construcción y servicio es extraño que en los proyectos viales elaborados en la ciudad de Bogotá y en general de todo el país, se consideren dispositivos de disipación de energía para choques. Por lo tanto la investigación sobre métodos o dispositivos que ayuden en la disipación de la energía en un evento eminentemente mortal, debería ser una prioridad tanto en el tema de su utilización, como de los recursos que éstos demandan y los resultados que producen. Además se podría decir que el inicio de tales procesos está en las universidades, ya que en estás se pueden desarrollar marcos investigativos, que se encaminen a la generación del conocimiento de dichos eventos. 2 FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATIONS. [En línea] disponible en Internet en: www.fhwa.dot.gov [con acceso el 05/04/2008] 19 1.5 OBJETIVOS 1.5.1 Objetivo general Determinar la capacidad de disipación de energía cinética de un dispositivo, en el evento de choque frontal vehicular contra una estructura vial de concreto. 1.5.2 Objetivos específicos • Establecer el tipo de choque propuesto • Identificar el nivel de ocurrencia del choque propuesto en un escenario, por medio del análisis de las matrices de accidentalidad vial. • Identificar los dispositivos disponibles en el mercado para la disipación de energía. • Producto de la identificación de los dispositivos disponibles en el mercado seccionar los mejores que se acondicionen al escenario de choque. • Obtener todos los datos posibles de una modulación numérica de choque vehicular. • Crear un prototipo de modelo físico de un disipador de energía, con la evaluación realizada por el modelo numérico. 2. MARCO REFERENCIAL 2.1 MARCO TEÓRICO – CONCEPTUAL En el desarrollo de una investigación que requiera un análisis de accidentalidad vial, se solicita la colaboración de diferentes entidades tanto particulares como 20 privadas, en el caso de una estadística general de la accidentalidad vial, se cuenta con la colaboración del fondo de prevención vial, medicina legal y la secretaria de movilidad de Bogotá, quienes han brindado una información clara y eficaz del año 2006 de toda la accidentalidad vial en cuanto a heridos, muertos, tipo de colisión, condición de la victima, tasas de accidentalidad en los departamento y ciudades y demás condiciones que se establecen como aporte significativo a la investigación. De igual manera para la realización de esta investigación resulta necesaria la construcción de un modelo numérico, que simule un choque de un vehiculo contra un dispositivo de disipación de energía lo que hace que se requiera de variables y constantes que a continuación se definen: • Velocidad. es la magnitud física que expresa la variación de posición de un objeto en función del tiempo, o distancia recorrida por un objeto en la unidad de tiempo. Se suele representar por la letra . La velocidad puede distinguirse según el lapso considerado, por lo cual se hace referencia a la velocidad instantánea, la velocidad promedio, etcétera. En el Sistema Internacional de Unidades su unidad es el metro por segundo ó . En términos precisos, para definir la velocidad de un objeto debe considerarse no sólo la distancia que recorre por unidad de tiempo sino también la dirección y el sentido del desplazamiento, por lo cual la velocidad se expresa como una magnitud vectorial3. 3WIKIBOOKS. [En línea] disponible en Internet en: htto://es.wikibooks.org/wiki/F%C3%ADsica/Cinem%C3%A1tica/Velocidad[con acceso el 03/03/2009] 21 • Trabajo: el trabajo efectuado por una fuerza, aplicada sobre un cuerpo durante un cierto desplazamiento, se calcula mediante la integral del producto escalar del vector fuerza por el vector desplazamiento. El trabajo es una magnitud física escalar, y se representa con la letra (del inglés Work)4. • Energía cinética: es una energía que surge en el fenómeno del movimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde su posición de equilibrio hasta una velocidad dada. Una vez conseguida está energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética sin importar el cambio de la rapidez. Un trabajo negativo de la misma magnitud podría requerirse para que el cuerpo regrese a su estado de equilibrio5. • Energía potencial. La energía potencial es la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo ( ), dependiendo de la configuración que tengan, en un sistema de cuerpos que ejercen fuerzas entre sí. Puede pensarse como la energía almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Más rigurosamente, la energía potencial es una magnitud escalar asociada a un campo de fuerzas (o como en elasticidad un campo tensorial de tensiones). Cuando la energía potencial está asociada a un campo de fuerzas, la diferencia 4 WIKIBOOKS. [En línea] disponible en Internet en: http://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica) [con acceso el 03/03/2009] 5 WIKIBOOKS. [En línea] disponible en Internet en: http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica [con acceso el 03/03/2009] 22 entre los valores del campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier recorrido entre B y A6. • Energía potencial elástica. Es la energía asociada con las materiales elásticos. Se demostrará a continuación que el trabajo para comprimir o estirar un resorte una distancia x es ½kx2, donde k es la constante del resorte. Sabemos, por ley de Hooke, que la relación entre la fuerza y el desplazamiento en un resorte es F = -kx. El signo menos se debe a que la fuerza siempre se dirige hacia la posición de equilibrio (x = 0)7. • Aceleración . Es la magnitud vectorial que nos indica el ritmo o tasa con que aumenta o disminuye la velocidad de un móvil en función del tiempo. Sus dimensiones son longitud/tiempo2 y como unidades, según el sistema internacional, se utiliza el m/s2 8. • Fuerzas Gs: Está basada en la aceleración que produciría la gravedad terrestre en un objeto cualquiera en condiciones ideales (sin atmósfera u otro 6 WIKIBOOKS. [En línea] disponible en Interneten: http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencial[con acceso el 05/03/2009] 7 JFINTERNATIONAL. [En línea] disponible en Internet en: www.jfinternational.com/mf/energia- potencial.html [con acceso el 07/03/2009] 8 WIKIBOOKS. [En línea] disponible en Internet en: http://es.wikipedia.org/wiki/Aceleraci%C3%B3n [con acceso el 08/03/2009] 23 rozamiento). Una aceleración de 1G es generalmente considerado como igual a la gravedad estándar, que es de 9.80665 metros por segundo cuadrado (m/s2)9. • Modelo físico: son construcciones en escala reducida o simplificada de obras, máquinas o sistemas de ingeniería para estudiar en ellos su comportamiento y permitir así perfeccionar los diseños, antes de iniciar la construcción de las obras u objetos reales. Por ese motivo, a este tipo de modelo se le suele llamar también modelo reducido o modelo simplificado10. • Modelo numérico: es una técnica basada en el cálculo numérico, utilizada en una amplia gama de campos de estudio, como diversos tipos de ingeniería, desde los años 60, para validar modelos conceptuales de procesos u objetos observados. El modelo conceptual o científico se forma al relacionar un conjunto de observaciones con una serie de hipótesis y aproximaciones. La validación se produce cuando el modelo numérico basado en esas hipótesis y aproximaciones es capaz de reproducir el conjunto de observaciones considerado11. 9 WIKIBOOKS. [En línea] disponible en Internet en: http://es.wikipedia.org/wiki/Aceleraci%C3%B3n_G [con acceso el 15/03/2009] 10 WIKIBOOKS. [En línea] disponible en Internet en: http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_f%C3%ADsico [con acceso el 17/03/2009] 11 WIKIBOOKS. [En línea] disponible en Internet en: http://es.wikipedia.org/wiki/Modelado_num%C3%A9rico [con acceso el 08/03/2009] 24 2.2. MARCO NORMATIVO Tabla1. Normativo NORMA TITULO DESCRIPCION TEST 30. TEST LEVEL 1,2 Y 3 NCHRP Terminals and Crash Cushions Están destinadas principalmente a la evaluación del riesgo de los ocupantes y criterios de la trayectoria del vehículo. 3.5.2 SEÑALIZACIÓN HORIZONTAL, MANUAL DE SEÑALIZACIÓN, FONDO DEPREVENCION VIAL. Objetos dentro de la vía Demarcaciones de aproximación a obstrucciones 3. METODOLOGIA 3.1 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN El estudio se desarrollara en dos tipos de investigación: • Investigación Experimental: el investigador además de identificar las características que se estudian las controla, las altera o manipula con el fin de observar los resultados al tiempo que procura evitar que otros factores intervengan en la observación de todas las nombradas variables12 • Investigación Descriptiva: buscan desarrollar una fiel representación del fenómeno estudiado a partir de sus características. Describir en este caso es medir. Se miden variables o conceptos con el fin de especificar las propiedades importantes de fenómeno bajo análisis 13. 12 VAN DALEN Debold y MEYER William. Estrategia de la investigación experimental.2ed. México: Paidós 1990 p. 968-853-103-0. 13VAN DALEN Debold y MEYER William. Estrategia de la investigación experimental.3ed. México: Paidós 1990 p. 968-853-103-0. 25 Fases de la investigación: 3.1.1 Fase 1. Recopilación de información y estado del arte: Estudio previo de el nivel de ocurrencia de el escenario de choque propuesto a través de entidades distritales y/o nacionales que mediante el análisis de la accidentalidad vial en Bogota, se establece un escenario de choque que cumpla con las características de la investigación tales como velocidad de operación, elementos fijos que ocasione accidentes con muertos, se realizo un inventario a los mercados internacionales en donde se aprecian dispositivos de disipación de energía. 3.1.2 Fase 2. Aporte tecnológico a la disminución d e la mortalidad en accidentes viales: en esta fase se desarrolla un análisis a los materiales con pruebas de carga axiales, se realiza un modelo numérico del dispositivo con el fin de obtener la mayor cantidad de variables físicas para un posterior análisis del prototipo de dispositivo se construye también el dispositivo de disipación de energía con los materiales que se les realizo las pruebas axiales de carga y de acuerdo a los resultados que arrojo el modelo numérico se considera un diseño apropiado. 3.1.3 Fase 3: Análisis de resultados: se valido el modelo numérico observaron variables físicas como: energías cinéticas, energía potencial velocidades, tiempo de colisión, aceleraciones y fuerzas G todo esto con el fin de crear un prototipo de disipación que modele las características de un choque. 26 3.2 DIAGRAMA METODOLÓGICO Figura 1. Diagrama metodológico. 27 3.3 OBJETO DE ESTUDIO El objeto de la presente investigación es la determinación de los parámetros físicos de una colisión, entre un vehiculo contra un disipador de energía, para la elaboración de un modelo numérico y un prototipo de un modelo físico. 3.4 INSTRUMENTOS En el desarrollo de está investigación se utilizan formatos creados por los investigadores, los formatos creados se observan en el anexo A. 3.5. VARIABLES Tabla 2. Variable de objeto de estudio CATEGORÍA DE ANÁLISIS CONSTANTES VARIABLES INDICADORES PROPIEDADES FÍSICAS DE UNA COLISIÓN VELOCIDAD DEL VEHICULO. DEFORMACIÓN DEL DISPOSITIVO Fuerzas Gs registradas por los ocupantes del vehiculo. Energía potencial del sistema de disipación Energía cinética de todo el sistema MASA DEL VEHICULO TIEMPO DE DEFORMACIÓN Trabajo realizado por el dispositivo Fuerza de colisión Desaceleración presentada por los ocupantes del vehiculo 28 3.6 HIPÓTESIS La constante de elasticidad del material determina la capacidad de almacenamiento de energía potencial de todo el sistema. 3.7 COSTO DE LA INVESTIGACIÓN El costo total de la investigación fue de $ 1’790.000,00. El cual se encuentra desglosado por ítems, ver anexo B. 4. TRABAJO INGENIERIL 4.1 FASE 1. RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN Y ESTA DO DEL ARTE 4.1.1 Accidentalidad vial en Colombia año 2006. Durante los últimos años, los cambios en aumento y reducción de la accidentalidad de Colombia han sido mínimos, en el año 2006, el instituto de medicina legal y ciencias forenses registra 5486 muertes un incremento del 1.3% con relación al año anterior, ver anexo C tabla1, factor que puede ser susceptible a la disminución, por medio de campañas cívicas para crear nuevos hábitos de comportamiento en las mallas viales de Colombia. 4.1.1.1 Tendencia. En la tabla 3 se evidencian la tasas de muertes por accidentes de transito en Colombia desde el año 2000 hasta el año 2006. 29 Tabla 3. Tendencia de las tasa de muertes por accidente de transito. Colombia 2006 TASA DE MUERTES AÑO CASOS POBLACIÓN TASA 2000 6.551 42.299.301 15,5 2001 6.346 43.035.394 14,7 2002 6.063 43.775.839 13,9 2003 5.632 44.531.434 12,6 2004 5.483 45.294.953 12,1 2005 5.418 42.090.502 12,9 2006 5.486 43.041.872 12,7 Fuente: CIAVAC – DRIP Instituto Nacional de Medicina Legal Se puede observar que la tendencia en tasa de mortalidad disminuye, ya que en el año 2000 existía una tasa de 15.5 por 100.000 habitantes y que en el 2006 es de 12.7 por 100.000 habitantes, se espera que para el 2008 y 2009, dicha tasa también establezca una disminución que sea considerable con las tendencias anteriores. Mejorando la tecnología existente dentro del marco que establece la seguridad vial. 4.1.1.2 Condición de la victima. En la gráfica 1 se evidencian las muertes en accidentes de transito según la condición de la victima en Colombia en el año2006. Gráfica 1 . Muertes en accidentes de transporte según la Condición de la victima. Colombia 2006 Fuente: CIAVAC – DRIP Instituto Nacional de Medicina Legal. 30 El pasajero y el conductor establecen un 22.2% de la mortalidad en accidentes de transito, y en cuanto al peatón es de 35.4%. Esto muestra que en su condición de peatones no presentan ninguna protección activa, que disminuya los efectos físicos que existen cuando se presenta un accidente, por otro lado la condición de pasajero y conductor presenta un porcentaje relativamente alto ya que se supondría que en la eventualidad de un accidente éstos tendrían la protección necesaria que genera un automóvil, para disminuir los efectos que se manifiestan dentro de un choque, por ésta causa, es de suma importancia contribuir al desarrollo de elementos que permitan disipar dentro y fuera del vehiculo dichos efectos en el desarrollo de un accidente. 4.1.1.3 Clase de accidente. Los casos por clase de accidente según el objeto de colisión como objeto fijo, atropello, caída de ocupante etc. se presentan en la tabla 4 y en la Gráfica 2. Tabla 4. Mortalidad por accidente de transporte según clase de accidente. Colombia año 2006 ACCIDENTE CASOS PORCENTAJE Choque con objeto fijo o en movimiento 2.232 48,3 Atropello 1.733 37,5 Caída de ocupante 275 5,9 Volcamiento 270 5,8 Caída de vehículo a precipicio 105 2,3 Hundimiento 6 0,1 Incendio 2 0 Fuente: CIAVAC – DRIP Instituto Nacional de Medicina Legal. 31 Gráfica 2 . Mortalidad por accidente de transporte según clase de accidente. Colombia año 2006 Fuente: CIAVAC – DRIP Instituto Nacional de Medicina Legal En el 2006 se produjo un incremento muy significativo de choque contra elemento fijo o en movimiento con un ascenso de 6 puntos en comparación con el 2005, este tipo de accidente es el más relevante, ya que está en un 48% del 100% del total de clase de accidente. 4.1.2 Accidentalidad vial en Bogotá año 2006. 4.1.2.1 Características de los accidentes, en la siguiente tabla se aprecia la accidentalidad vial en Bogotá en el año 2006, lo cual presenta datos de choques, volcamiento, atropello, incendio u otros. Tabla 5 . Accidentalidad en Bogotá según la característica del accidente. Bogotá 2006 % CHOQUE TOTAL ATROPELLO VOLCAMIENTO CAÍDA INCENDIO OTRO SIN TOTAL GRAVEDAD VEHICULO OBJ. FIJO OTRO CHOQUE OCUPANTE INFORMACIÓN Muertos 26,4 6,1 31,7 64,3 30,7 2 1,8 0 1,2 0,2 100 Heridos 33,9 2,6 28,8 65,3 20,6 7,6 4,3 0 2 0,2 100 Solo Daños 93,4 4,3 0,8 98,5 0,1 0,5 0 0 0,5 0,3 100 Fuente: CIAVAC – DRIP Instituto Nacional de Medicina Legal CLASE DE ACCIDENTE 48,3% 37,5% 5,9% 5,8% 2,3% 0,1% 0,0% Choque con objeto fijo o en movimiento Atropello Caída de ocupante Volcamiento Caída de vehículo a precipicio Hundimiento Incendio 32 Se puede observar que la mortalidad es mayor cuando existe un choque contra otro elemento urbanístico con 31.7% de la totalidad de las características del siniestro, existe un gran porcentaje en cuanto a choque con otro vehiculo ocasionando solo daños con un 93.4%; el choque contra cualquier elemento siempre tendrá preocupación ya que está originando un porcentaje de mortalidad casi similar al de lesionados de 64.3% y 65.3% respectivamente, por lo cual es de suma importancia que se requiera tecnología para mitigar las muertes ocasionadas por está característica de accidente, otras formas como el volcamiento, la caída del ocupante, incendio u otro no son de tanta preocupación ya que los porcentajes con respecto a los lesionados y muertos son muy bajas. 4.1.2.2 Características de los vehículos involucra dos en los accidentes en Bogotá . Es evidente que los vehículos con más presencia en la accidentalidad en Bogotá son los livianos o automóviles, VER ANEXO C tabla 11. Ya que son los que más presencia tienen en la malla vial, las motos están involucradas de manera no tan considerable como los vehículos livianos, pero tiene una gran problemática debido a los grandes porcentajes de mortalidad que manejan debido a la poca protección que emplean los conductores y a las imprudencias de los mismos. 33 4.1.3 Caracterización del escenario de choque 4.1.3.1 Definición del tramo crítico. Luego de los estudios de transito realizados se determina que el tramo critico en la malla vial de Bogotá se presenta por el corredor vial de la carrera 30 comprendido entre la avenida de las Américas y la calle 94 y la autopista norte comprendida entre la calle 94 y la calle170. VER FIGURA 2 y ANEXO D Esto se define puesto que bajo los parámetros de la investigación de choque contra estructura de concreto, en este caso muro, en los años 2006 y 2007 se registran 6 muertos a lo largo de todo el tramo pero se considera también la presencia de 97 heridos en este tipo de choque y 33 choques simples sin heridos ni muertos. VER ANEXO J. Otra tendencia que observa en este estudio es que los choques que presentan heridos superan ampliamente a los choques con muertos y los simples. VER ANEXO J. Esto se debe a que al ser un choque contra objeto fijo, y a una velocidad frecuentemente superior a la permitida (60k/h) es casi imposible salir ileso de un evento como se describe en el caso de los ocupantes y en el caso de los vehículos siempre existirá algún daño. 34 Figura 2. Georeferenciacion. Accidentalidad vial. Bogotá 2006 Fuente : http://www.ciencias.unal.edu.co/geologiaforense/imagenes/MapaBogotá.png Punto crítico herido Punto crítico muerto Punto crítico observado en campo 4.1.3.2 Definición del punto critico. La definición del punto crítico en el tramo escogido es fundamental debido a que de este modo obtendremos un escenario modelo para el choque objeto de este estudio. Este punto critico se evalúa a través de la técnica del vehiculo flotante que establece el análisis del tramo a través de la circulación de un vehiculo de prueba 35 en el flujo vehicular observando las condiciones del mismo, ver anexo D y como es el comportamiento del conjunto de vehículos en las condiciones presentes en el momento del estudio. La trayectoria del vehiculo se diseña basándose en el estudio previo de la accidentalidad sufrida en este tramo ver figura 2. Se define que sea a lo largo de la Avenida carrera 30 desde la calle 68 hasta la carrera 13 en el sentido norte sur y desde ahí en el sentido sur norte hasta el puente de la calle 94 para tomar la autopista norte hasta la calle 170 que es la última Avenida que sugiere intersecciones y desvíos en la autopista. Existe un peligro real por la velocidad de operación en el mismo y por las condiciones que lo rodean como los puntos en los que se debe hacer un cambio de carril entre carriles de alta velocidad o que en si mismos se constituyan como un obstáculo en la vía o tengan poca señalización, etc. Luego de realizar el recorrido en su totalidad se depuraron dos escenarios peligrosos, cambio de carril de alta velocidad a carril de alta velocidad y cambio de carril de alta velocidad a baja velocidad, se escoge de ésta manera el cambio de carril de alta velocidad a carril de alta velocidad: este escenario se presenta cuando al circular por la autopista se va de los carriles externos de velocidad alta a los carriles que se encuentran posteriores a ellos y en este cambio se presenta un obstáculo. VER FIGURA 3 36 Figura 3. Intersección Autopista Norte con Calle 116 Éste presenta un nivel de peligrosidad alto, puesto que es la última salida antes de la calle 127 y ésto implica que los conductores efectúan maniobras peligrosas para tomar este punto dado, que si no lo tomanantes del puente no podrán tomar la salida a la vía paralela. Como este punto presenta una señalización en tachas de una longitud de 30 metros y a esto se le suma una longitud de separador de 33.7 metros, la preparación de la salida por parte del conductor tendrá que realizarse casi en el mismo punto que para efectuar la salida casi 200 metros antes lo cual no tiene sentido de ser si se tienen dos salidas. Ver anexo D. 4.1.4 Dispositivos de disipación de energía disponi bles en el mercado. Se relacionan distintos dispositivos de disipación de energía disponibles en el mercado con el fin de analizar las ventajas y desventajas que tiene cada uno y de este modo llegar a la elección del que resulte óptimo para la realización de la prueba física. 37 Luego de la realización de este análisis detallado en cada uno de los dispositivos desde varios puntos de vista como su precio, su aplicabilidad e instalación es posible que, como solución a la prueba, se establezca un diseño propio basado en las mejores características de cada uno de los dispositivos analizados. Para este análisis se procede a determinar cuales empresas en el mundo y a nivel nacional son las encargadas en la fabricación de éstos dispositivos, se establecieron 10 empresas, Plastic Safety Systems Inc, Barrier Systems inc, Energy absorption System Inc, Road System, Texas Transportation Institute, Traffic Devices Inc, Trinity Industries Inc, Brifen USA Inc, Engineered Arrestins Systems Corporation y Midwest Roadside Safety Facility, todas certificadas por la NCHRP 350 que es la norma que rige los sistemas atenuadores de impacto. La gran mayoría de las empresas son de los Estados Unidos, siendo este el país más innovador en cuanto a éstos dispositivos; no se encontraron empresas Colombianas que fuesen avaladas por la norma internacional (NCHRP 350) por lo cual es de gran necesidad involucrarse en estas investigaciones, que generan un aporte importante a las sociedades. Se observan en la Web cada una de las empresas teniendo en cuenta características como, facilidad ubicación, catalogo de los sistemas de disipación, innovación de los sistemas de disipación, aplicabilidad al escenario propuesto, información detallada de los sistemas de disipación, entre otros. 38 Luego de esta observación se concluye que la empresa Energy absorption System fue la mejor en cuanto a las características anteriores; luego de la caracterización del escenario de choque en donde se realiza el estudio de los puntos críticos de la malla vial de Bogotá, se observa exactamente en la autopista norte con calle 94 un dispositivo atenuador de prueba fabricado por está empresa. Ver anexo D figuras 30,31 y 32. Por lo anterior se confirma aun más el estudio de está empresa, estudio que se detalla, en la relación de dispositivos. Luego de observar los dispositivos con sus características de funcionalidad, en la tabla 6, se puede apreciar mediante una evaluación cualitativa cuales de los dispositivos analizados son los de mejor funcionamiento, para esto, se escogerán los mejores 4 que se semejen a las circunstancias y necesidades de un choque directo contra un elemento fijo. Se desarrollaron para el análisis cualitativo diferentes características que a continuación se definen. • Mantenimiento: es conjunto de operaciones y de cuidados necesarios que debe de tener un dispositivo después de su instalación para una adecuado servicio. • Peso dispositivo: Peso total del sistema, dependiendo de su área de diseño, ésto con el fin de cuantificar su facilidad de transporte e instalación. • Área para instalación: Área total comprendida en el terreno de instalación, está sujeta a cambios dependiendo del diseño del dispositivo. 39 • Instalación: Complejidad que tiene un dispositivo, para la instalación en el sitio de cada una de las partes que comprenden el sistema. • Velocidad de choque: Es la velocidad máxima a la cual el dispositivo es capaz de detener determinado vehículo. • Peso máximo del vehículo: Peso máximo del vehiculo con el que se sometió a prueba el dispositivo. Todos los dispositivos analizados fueron diseñados para un máximo de 2000Kg. • Rebote del vehiculo: Capacidad que tiene el dispositivo para almacenar energía y disiparla sin transferírsela al vehículo, se puede definir también como la amortiguación que tiene un dispositivo. • Emisión de escombros: Dispersión de pedazos o restos del dispositivo, que puedan afectar la seguridad del área adyacente al dispositivo, en la eventualidad de un choque. • Capacidad de desaceleración: Capacidad que tiene un dispositivo de absorber la energía cinética con la que viene el vehiculo, con el fin de crear una desaceleración gradual. • Resistencia a la intemperie: Duración que tienen los materiales que comprenden el sistema, cuando están sometidos a los agentes climáticos. • Ensamble y producción: Facilidad de producción o consecución de los materiales que constituyen el dispositivo y su fácil ensamblaje por parte del fabricante. 40 • Normas: Cumplimiento de cada uno de los dispositivos con las normas locales vigentes. • Precio: Precio total del sistema incluyendo producción, transporte, instalación, y mantenimiento. 41 Tabla 6. Calificación cuantitativa de los dispositivos de disipación de energía existentes en el mercado PONDERACIÓN CARACTERÍSTICAS /DISPOSITIVOS BATELLE FIA REACT 350 QUADGUARD QUADGUARD LMC EASICELL IMS ENERGITE lll 7% MANTENIMIENTO X XX X X X X X X X X X X X X X X 6% PESO DISPOSITIVO X X X X X X X X X X X X X X 7% IMPACTO AMBIENTAL X X XX XX X X X X XX XX X 7% AREA PARA INSTALACION X X X X X X X X X X X X X X X 8% INSTALACION X X X X X X X X X X X X X X X X X X 6% VELOCIDAD DE CHOQUE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 5% PESO MAX VEHICULO X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 7% REBOTE DEL VEHICULO X X X X X X X X X X X X X X X X X X 6% EMISION DE ESCOMBROS X X X X X X X X X X X X X X X X X X 7% CAPACIDAD DE DESACELERACION X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 5% RESISTENCIA A INTEMPERIE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 7% ENSAMBLE Y PRODUCCION X X X X X X X X X X X X 10% NORMÁS N/A X X X X X X X X X X X X N/A X X X 12% PRECIO X X X X X X X X X X X X X X X 100% PORCENTAJE 65,42 75,03 43,50 62,05 83,09 62,80 53,05 80,48 42 43 En el anterior cuadro se analizan las características en cada uno de los dispositivos, para esto se le da una ponderación diferente a algunas de ellas por su complejidad y desarrollo científico, como el precio y el cumplimiento de las normas internacionales, para las de más características las ponderaciones fueron equivalentes, debido a estás ponderaciones y a las calificaciones que se les da por parte de los investigadores, estableciendo que la ausencia de X, es la carencia de dicha característica en el dispositivo, una X indica la presencia de la característica pero con un bajo desempeño, dos X establece la presencia de la característica y con un buen desempeño, con tres X presenta la característica, con un excelente desempeño y con el cumplimiento de las normas internacionales. Se determinaron 4 dispositivos debido a su alta calificación cualitativa que son: sistema de seguridad pasiva por la fia (federacion internacional de automovilismo), Easi-cell® cluster crash cushion system, quadguard® crash cushion system lmc, energite® iii crash cushion system; éstos cuatros dispositivos se seleccionaron ya que su diseño está elaborado para choques frontales, su mantenimiento no es muy riguroso y presentan características de reutilización, las velocidades a las que se diseñaron los dispositivos se asemejan mucho a las característicasde Bogotá y los pesos de los vehículos a que se sometieron a prueba los atenuadores no superan los 2000kg, cumpliendo con la mayoría de vehículos que se involucran en accidentes con estás características de choque y velocidades. 44 También se analizan características físicas como el rebote y la capacidad de desaceleración del dispositivo, entendiendo el rebote como la capacidad real del dispositivo de almacenar y disipar la energía y no retransferirla en el sentido opuesto y la capacidad de desaceleración se tiene que considerar teniendo en cuenta que de esa función del disipador depende la vida de los ocupantes, puesto que en el evento de un choque las desaceleraciones excesivas pueden ser mortales, los 4 disipadores manejan desaceleraciones medidas en fuerzas G como no mortales en pruebas realizadas a 100km/h, según la norma NCHRP 350, el cumplimiento de las normas y el precio son las características más relevantes para la selección de los dispositivos ya que las normas avalan la investigación y le dan un soporte científico al proyecto y el precio constituye el alcance y limitación de está. En el anexo F se presentan de forma más detallada los 4 dispositivos que se escogieron para desarrollar uno que involucre las mejores características de éstos. 4.1.5 Dispositivos seleccionados 4.1.5.1 Sistema de seguridad pasiva por la FIA (fed eración internacional de automovilismo). El mantenimiento de este sistema no es tedioso ni costoso ya que los materiales que lo componen son llantas usadas de vehiculo liviano, la instalación de este dispositivo no es muy compleja pero el área que necesita de operación es muy extensa, ya que este dispositivo esta diseñado para velocidades superiores a los150 km/h, posé una buena capacidad de desaceleración ya que 45 las llantas tienen una buena reacción de disipación de energía y durabilidad a la intemperie, en cuanto a su precio se puede considerar como un dispositivo económico ya que las llantas son recicladas. VER TABLA 6 Y FIGURA 4. Figura 4 . Dispositivo de disipación de energía. Seguridad pasiva por la FIA Fuente :http://mm.motor21.com/Espa%C3%B1ol/Deportes/Motor/F%C3%B3rmula_1/gp2_imagen_ barreras.jpg 4.1.5.2 Easi-cell® cluster crash cushion system. Este sistema comprende un peso bastante liviano a comparación de los otros dispositivos, ya que los mismos cilindros de polietileno comprende la estructura del dispositivo, el área para la instalación es corta ya que los cilindros tiene una característica de densidades altas por lo cual los cilindros tienen mucha capacidad de almacenamiento de energía, pero esta, se trasfiere de forma de energía potencial hacia el vehiculo ocasionando problemas por la acción de rebote, esta diseñada y avalada por la NCHRP para colisiones de vehículos con pesos no mayores a 46 2000kg, por lo cual se considera importante por el escenario que se presenta en la malla vial de Bogotá, el dispositivo es resistente a la intemperie por las características del material y su precio es bajo. VER TABLA 6 Y FIGURA 5. Figura 5. Dispositivo de disipación de energía. easi-cell® cluster crash cushion system Fuente : http://www.energyabsorption.com/products/images/easicell-1.gif 4.1.5.3 Quadguard® crash cushion system lmc. Es el sistema con mayor calificación cuantitativa, ya que debido a sus características, se puede emplear de forma adecuada a la malla vial de Bogotá, su mantenimiento no es muy riguroso ya que el dispositivo en el evento de un choque se recupera y queda en su posición inicial, dado a la característica del material que se recuperable en el momento de la colisión, el impacto ambiental es mínimo debido a que no existe cambio de materiales, las características físicas tales como velocidad de choque, rebote del vehiculo y capacidad de desaceleración se consideran como buenas, pero debido a su alta tecnología y al cumplimiento de las normas su precio es alto. VER TABLA 6 Y FIGURA 6. 47 Figura 6. Dispositivo de disipación de energía. quadguard® crash cushion system lmc Fuente: http://www.energyabsorption.com/products/images/quadguard-lmc-1.gif 4.1.5.4 Energite® iii crash cushion system. Este es el sistema que ha prevalecido por más tiempo dentro de los estándares de las autoridades estadounidenses por su fácil aplicación y fácil reposición. Figura 7. Dispositivo de disipación de energía. energite® iii crash cushion system. Fuente: http://www.energyabsorption.com/products/images/energite3-1.gif Este sistema no posee capacidades de redireccionar vehículos que lo impactan lateralmente pero si el impacto es frontal es capaz de detener vehículos de hasta 48 2000 kilogramos que viajan a una velocidad de hasta 110 Km/h lo cual hace que cumpla con las normas de velocidades máximas en toda la malla vial de la ciudad. Es un sistema no reusable pero que aun así conserva un bajo costo de producción, instalación, y almacenaje; además su reposición es una fracción del costo de otros dispositivos. Este sistema al depender de su deformación y destrucción genera residuos y escombros que pueden causar alteraciones las vías circundantes. Al realizar el análisis más detallado a cada uno de los disipadores se concluye por parte de los experimentadores un solo dispositivo, que involucre las características predominantes y que se asemejan a las condiciones del escenario de choque y al punto critico establecido, se observan 14 características como el mantenimiento, área de instalación, capacidad de desaceleración, ensamble, producción, normas y precio entre las más relevantes, para el desarrollo y diseño del dispositivo se escogió de el sistema de seguridad pasiva por la fia (federación internacional de automovilismo) la sencillez de su instalación y la obtención de los materiales ya que el sistema se compone principalmente de llantas de vehículos pequeños y su proceso de desaceleración es gradual y aceptable. El segundo disipador evaluado que es Easi-cell® cluster crash cushion system, observamos que el comportamiento de los cilindros de polietileno de alta densidad son reutilizables, ya que el material se recupera de manera inmediata en la 49 ocurrencia de un choque, característica que se asemeja mucho al comportamiento de las llantas del primer dispositivo evaluado. El tercer dispositivo es el quadguard® crash cushion system lmc, las características de este dispositivo establecen una gran confianza ya que tiene una estructura que protege los elementos que la constituyen y su diseño proporciona un área pequeña de instalación y se pueden vincular las llantas dentro del sistema como un disipador, la estructura está diseñada para velocidades de 100Km/h y tiene una virtud que es la de redireccionar el vehiculo en caso de una colisión, está característica no predomina en está investigación ya que se estableció que el estilo de choque seria frontal, pero puede tener alguna relevancia como un diseño innovador aumentando la seguridad de los ocupantes del vehiculo. Por último se observa el energite® iii crash cushion system, este dispositivo es el más fácil de adquirir, su precio no es muy alto a comparación de los otros sistemas, su desaceleración es gradual pero tiene un área de instalación bastante amplia y el sistema no es reutilizable factores que implican cambiar las características del escenario de choque. En conclusión el sistema de disipación que se implementa aquí consta de llantas de vehículos que fueron desechadas por su uso y desgaste, ésto con el fin de permitir que los materiales se consigan a un muy bajo costo, las llantas estarán confinadas en una estructura de aluminio simulando la estructura del quadguard® crash cushion system lmc. VER ANEXOG. 50 4.2 FASE 2. APORTE TECNOLÓGICO A LA DISMINUCIÓN DE LA MORTALIDAD EN ACCIDENTES VIALES 4.2.1 Análisis de materiales para el dispositivo di sipador de energía. En este análisis se establecen las características que se tienen en cuenta para el diseño final del dispositivo disipador de energía; tanto de la estructura del mismo, como del material que efectúa el trabajo para disipar la energía que para el caso esta enfocado en las llantas usadas. Las llantas usadas son de gran impacto ambiental y por lo tanto es importante generar modos innovadores de usarlas y en este caso en específico nos referiremos a la capacidad de las mismas, de producir un trabajo mientras que se deforman de modo que este se aprovecha para anular la energía cinética de los vehículos en la malla vial. La energía del vehiculo se transfiere al sistema por medio de una estructura que contiene el material disipador y aprovecha al máximo la capacidad del mismo. Esta estructura está construida en vigas tipo “W” de acero galvanizado en caliente, en su totalidad dado que en los términos del diseño este tipo de perfil se puede acomodar para todas las partes del dispositivo; el dispositivo consta de los siguientes componentes- • Vigas tipo “W”: estás son vigas construidas para defensas viales flexibles referencia Flex Beam en acero galvanizado en caliente, que se ajustan a todas las especificaciones de las normas americanas AASHTO y las europeas ENCAP. La totalidad de la longitud de las vigas es reflectiva y libre de oxido por las características del material debido a su proceso de fabricación. 51 • Tornillería de anclaje y ensamble: ésta es la tornillería especificada para la instalación de estás defensas y que la fabrica que las produce suministra, excepto por aquellos que deben ajustarse a la rampa de CESVI dado que éstos son de medidas y especificaciones distintas. • Materiales accesorios: Éstas son placas, perfiles o soportes necesarios para el correcto ensamble del dispositivo, deben ser en acero y están moldeados de acuerdo a las necesidades que se presentan en el proceso de construcción. 4.2.2 Material para la disipación de energía del di spositivo. Este se encuentra en su totalidad compuesto de llantas usadas, conservadas en su estructura original, debido a su alta resistencia a los impactos y a su gran capacidad de absorber energía de modo gradual teniendo la capacidad de regresar a su estado inicial lo cual nos da una característica de reuso y bajo mantenimiento del sistema en general, la estructura que las confina que es de acero galvanizado, no presentara disipación de energía, por lo tanto se considero que la disipación será propia de la llantas. 4.2.3 Prueba de compresión del material de disipaci ón. La prueba es realizada en la prensa hidráulica del laboratorio de estructuras de la facultad de ingeniería civil. Dado que para este tipo de prueba no existe un conjunto de pasos establecidos se diseña una metodología para determinar el trabajo realizado por cada elemento en particular: 52 Metodología. a. Se seleccionan los elementos a someter a prueba basándose en una inspección visual del mismo así como las necesidades requeridas de cada uno de ellos. b. Se prepara la prensa hidráulica para que tenga la capacidad de distribuir la fuerza uniformemente en el área de contacto de la llanta. Figura 8. Prensa hidráulica para ensayo de fuerza axial c. Se ubica la llanta haciendo coincidir su centro con el pistón de la prensa hidráulica. d. Se ubican los aparejos necesarios para distribuir la fuerza en la parte inferíos y superior de la llanta. Figura 9. Llanta sometida a carga axial 53 e. Se procede a realizar la prueba tomando datos en pares entre la lectura de carga como la lectura de deformación. Figura 10. Llanta sometida a carga axial f. Con los datos obtenidos se realiza el análisis del material. Luego de haber realizado el ensayo de carga a cada una de las llantas, se obtienen los valores de cada una de ellos en términos del trabajo que son capaces de generar así: Tabla 7. Resultados pruebas axiales de las llantas No CARÁCTERÌSTICA DE LALLANTA POSICION DE LA LLANTA FUERZA N DEFORMACIONES (m/m) TRABAJO (J=N*m) 1 175/70R13-CAVALIER HORIZONTAL 1000 0,086 86 2 175/70R12-FIRÉSTONE HORIZONTAL 1000 0,073 73 3 185/60R15-GOODYEAR HORIZONTAL 1000 0,09 90 4 175/70R12-FIRÉSTONE y 9185/65R14-UNIROYAL VERTICAL 200 0,15 30 5 175/70-R13-UNIROYAL HORIZONTAL 1000 0,069 69 7 P186/65R14-UNIROYAL HORIZONTAL 1000 0,065 65 5200 0,533 2771.6 54 Entonces dadas las características de cada una de las llantas por separado se establece que el dispositivo debe trabajar absorbiendo la mayor cantidad de energía en su parte delantera e ir colapsando en si mismo absorbiendo cada vez más energía pero en pequeñas porciones hasta que finalmente se detenga el vehículo con lo cual se cumplirá el objetivo de energía cinética igual a cero. Para lograr ésto las llantas con una deformación rápida y menos capacidad de generar trabajo están en la parte delantera del dispositivo y en las siguientes bahías se ubicarán las que sean capaces de lograr de modo armónico una detención suave y menos traumática para los ocupantes del vehículo. El análisis de la distribución de las llantas se complementa con el modelo numérico que se explica a continuación. 4.2.4 Modelo dinámico de colisión. El siguiente modelo no emplea parámetros y relaciones propias de los sistemas estáticos de colisiones, ya que debido ha éstos análisis, se deja a un lado el hecho de que la colisión es un proceso físico de transferencia de cantidad de movimiento y de deformación, durante el cual, la fuerza desarrollada en dicha colisión varía: en efecto, el choque es un proceso esencialmente dinámico, en este modelo se presenta las coordenadas polares, velocidad, aceleración, fuerza, masas, que son funciones dependientes del tiempo14 14 CONASET. [En línea] disponible en Internet en: www.conaset.cl. [con acceso el 20/09/2008] 55 Este modelo establece que dos objetos que colisionan y quedan unidos después de la colisión, se produce una transformación de la máxima porción posible de la energía cinética inicial y se dice que la colisión es una colisión perfectamente inelástica. Debido a la selección de dispositivo de mitigación de energía y a las características del mismo, el análisis empleado no será por transferencia de cantidad de movimiento, si no por energía cinética y potencial. El objetivo del análisis es que se considere un dispositivo deformable que transfiera la energía de colisión (energía cinética), para está transferencia el dispositivo, deberá emplear un trabajo que absorba la energía gradualmente, deformando o cortando elementos del disipador de energía. Con el fin de lograr una Vf = 0. El modelo dinámico presentado se puede emplear para choques de vehículos contra objetos fijos (postes, pilas de puentes, intersecciones viales, barreras de contención, entradas a peajes etc) de las mallas viales de todas las ciudades, ya que presenta información básica de desaceleraciones o fuerzas G que ocasionan traumatismos tanto en los conductores como a los pasajeros. 4.2.4.1 Consideraciones generales del modelo dinámi co. En el modelo se presentan variables como la velocidad, fuerza, aceleración, energía cinética y constantes; como la masa del vehiculo y la distancia de recorrido del vehiculo, se pretende mediante el análisis dinámico de la iteración de todas estás variables y constantes, establecer la mayor disipación de energía cinética en la eventualidad de un choque directo contraun elemento fijo. 56 4.2.4.2 Modelo numérico considerando la fuerza, par a el diseño de un prototipo físico de mitigación de energía. Para dicha construcción se emplean variables como la energía cinética, velocidad, trabajo. 2 2 1 mvEC = (J – N*m) Ecuación 1 SFW *= (J-N*m) Ecuación 3 La ecuación 1, se emplea para describir la energía con la que viene el vehiculo se dice que es función del tiempo ya que establece una velocidad de llegada de colisión que será, la velocidad con la que llega a la colisión (Vi), no se tiene en cuenta la velocidad final (Vf) ya que el modelo no se presenta como una transferencia de cantidad de movimiento si no como un modelo dinámico de energía cinética y que el objetivo principal es que dicha velocidad sea = 0. Figura 11. Vehículo en movimiento con velocidad constante y energía cinética máxima t S v = (m/s) Ecuación 2 57 El diseño del dispositivo se basa en este primer análisis que se muestra en la figura 11, en donde la masa del vehiculo es constante junto con la velocidad y la distancia recorrida por el vehiculo, la energía cinética se presenta en todo el recorrido hasta llegar hacer contacto con el muro de colisión. Figura 12. Choque de vehiculo contra muro de colisión Partiendo de la tercera ley de Newton ilustrada en la figura 12, que dice que a toda acción corresponde una reacción igual en magnitud y dirección pero en sentido opuesto, decimos que podemos igualar las ecuaciones 1 y 3. 2 2 1 * mvSFWEC −=⇒= Ecuación 4 Se pretende establecer que la fuerza ocasionada por el vehiculo se disipe en un dispositivo de amortiguamiento de impacto, dispositivo que se diseña a partir de la fuerza que origina el vehiculo o en este caso la energía cinética que lleva consigo, para esto el dispositivo tiene que paulatinamente igualar la energía cinética para que no se presente desaceleraciones fuertes a partir del trabajo ocasionado por el 58 dispositivo cortando o deformando los elementos del mismo, haciendo que la fuerza actuante sobre el vehiculo se trasfiera de manera gradual. Figura 13. Distribución de las zonas de mayor y menor resistencia al trabajo En la figura 13 podemos observar de manera gráfica como se pretende distribuir la deformación para que se produzca un trabajo que gradualmente disipe la energía cinética con la que llega el vehiculo, para esto se diseña a partir de dos zonas, una zona que emplea una menor resistencia para vehículos no mayores de 900 Kg. Y una segunda zona de mayor resistencia para vehículos de 1500 a 2000kg. Figura 14. Reacción del trabajo del dispositivo, cuando se le aplica una fuerza ejercida por el vehiculo 59 En la figura 14 se aprecia la manera con la que actúa el trabajo efectuado por el dispositivo cuando el espacio se deforma o se fractura, para el cálculo total del trabajo del dispositivo se emplearon llantas usadas de vehículos livianos que fueron sometidas a fuerzas axiales diseño que se estableció en el Cálculo de proporcionalidad K. Se obtiene el trabajo realizado por las llantas y se ubican en el dispositivo de manera que la desaceleración sea gradual. W 1+W 2+ W 3 + W 4+W n llantas = ∑Wtotal Ecuación 5 4.2.4.3 Modelo numérico. Dado que los materiales que constituye el dispositivo, contienen unas características propias como deformaciones, elasticidad, rebote, desgaste etc. Se parte de que el sistema se presenta como un modelo inelástico, y que es necesario conocer un factor de proporcionalidad de cada uno de los materiales, como la característica principal para el desarrollo del modelo numérico y físico. Para dicha condición de un modelo inelástico, se establece que el dispositivo luego de recibir la fuerza de choque no presentara ningún rebote que ocasione una condición de elasticidad, ya que dicho dispositivo presenta una sujeción en la estructura que conserva la energía potencial elástica ganada por la fuerza de choque y la constante de proporcionalidad de las llantas. VER FIGURA 16. 60 Figura 15. Dispositivo con energía potencial máxima luego de detenerse completamente el vehiculo 4.2.4.4 Cálculo de la constante de proporcionalidad K. Para calcular la constante de proporcionalidad de las llantas, medimos cada una de ellas aplicándole una fuerza y obteniendo así una deformación. Figura 16. Ilustración de ensayo axial para el cálculo del trabajo hecho por las llantas Con su fuerza y las deformaciones correspondientes, se realiza el cálculo de la constante de proporcionalidad con la siguiente ecuación. S F KSKF =⇒= * Ecuación 6 En donde F será la fuerza aplicada, S la deformación que se presenta con la aplicación de la fuerza y K como la constante de proporcionalidad. 61 4.2.4.5 Consideración del sistema de disipación co mo un sistema inelástico en serie . Para este análisis se considera que el sistema de mitigación de energía, se presenta como un sistema inelástico en serie, ya que las llantas se comportan como un material elástico transformando la energía cinética en potencial, solo que por parte de los experimentadores dicha energía potencial que compone las llantas después del choque no es expulsada debido a unos dispositivos que están instalados dentro de todo el sistema de mitigación, éstos harán que las llantas no se devuelvan por la acción que genera la energía potencial, convirtiendo el sistema en un sistema inelástico. Para que este tome el comportamiento de un sistema inelástico en serie, las llantas están puestas como un circuito en serie una detrás de la otra como se aprecia en la figura 18. Figura 17. Distribución teórica de las llantas dependiendo de la constante de proporcionalidad Con está distribución de las llantas aplicamos la ecuación: S F Keq ∑ ∑= Ecuación 7 Con la configuración dada se procede al análisis de la energía potencial elástica. 62 4.2.4.6 Energía potencial elástica. Dado que el sistema se comporta como un resorte en serie y las llantas que hacen las veces de un elástico gana energía potencial, por está razón se considera que dicha energía es proporcional a la característica del material (constante de proporcionalidad Keq) ya que con está se establece una capacidad de almacenamiento de energía potencial, con la siguiente ecuación. 2* 2 1 XKeqUr = Ecuación 8 En donde Ur es la energía potencial elástica, Keq constante de proporcionalidad equivalente, y X la distancia de la deformación que obtiene todo el sistema, la explicación se presenta mejor en las condiciones de frontera del sistema. 4.2.4.7 Condiciones de frontera del sistema como re sorte para el cálculo de la deformación. Como las características y el comportamiento de las llantas se presentan como un resorte, el análisis total del sistema de disipación de energía que se diseñó está relacionado con la constante de proporcionalidad equivalente Keq, la energía potencial elástica Ur y la energía cinética Ec. Con las variables señaladas se pretende establecer la distancia de deformación de todo el sistema de disipación luego de recibir la fuerza por la colisión de un objeto, por lo tanto se considera que el sistema se comporta como se sustenta de la siguiente forma empleando las condiciones de frontera. 63 Figura 18. Sistema con energía cinética máxima En la figura 19 se puede apreciar que debido al movimiento del vehiculo que lleva una velocidad Va y que el sistema de las llantas que se presenta como un resorte no se encuentra deformado, se afirma que existe una máxima de energía cinéticaEc = Max, y que la energía potencial es cero Ur = 0 Figura 19. Sistema con energía cinética y potencial En la figura 20 se aprecia que cuando el vehiculo después del choque transfiera la energía total en una suma de las dos, la cinética y la potencia, cambiando disminuyendo la velocidad Vb y efectuando una deformación Xb durante el recorrido. En está fase se representa la máxima energía empleada por el sistema. 64 Figura 20. Sistema con energía potencial máxima En la figura 21 se aprecia que la energía cinética es cero Ec = 0, ya que el vehiculo se encuentra en reposo debido a esto la velocidad es cero Vc = 0, esto quiere decir que la energía potencial está en su máxima expresión, debido a que el sistema de las llantas está generando la mayor concentración de energía por la deformación de las mismas, ya que por las características del material este almacena la llegada de la energía cinética en energía potencial. Luego del análisis de las condiciones de frontera se procede a la interpretación de las energías en cada uno de los momentos de impacto, para encontrar la deformación del sistema Xc, dada que la energía cinética se conserva máxima al comienzo del impacto justo antes de que el sistema comience a deformarse figura 20 y la energía potencial es máxima cuando la deformación Xc está en su totalidad figura 22. Con está interpretación igualamos las dos ecuaciones de Energía Cinética Ec y Potencial Ur. 22 2 1 2 1 mVaKXcEtotalEcUrEtotal −=⇒−= Ecuación 9 65 22 2 1 2 1 mVaKXc = Ecuación 10 Como las dos energía son vectores dirigidos el uno contra el otro, denotamos la energía cinética con el signo menos (-), de la ecuación 11, se despeja la deformación Xc ecuación 12, que es el objetivo del análisis de las condiciones de frontera. 4.2.4.8 Cálculo del tiempo y aceleración de todo el sistema de mitigación de energía. Luego de conocer la deformación del sistema que es función de la constante de proporcionalidad Keq del material que la corresponde, de la energía cinética Ec y potencial Ep, se procede a calcular el tiempo y la aceleración que se emplea para que el vehiculo obtenga una Vf = 0. Se parte de las siguientes dos ecuaciones: 2 2 1 * attVoXc −= Ecuación 11 t VoVf a −= Ecuación 12 Reemplazamos con la ecuación 13 en la ecuación 12, advirtiendo que la velocidad final Vf en el sistema es cero (0) se expresa de la siguiente forma: 2)( 2 1 * t t Vo tVoXc −−= Ecuación 13 66 tVotVoXc * 2 1 * += ) 2 1 ( VoVotXc += VotXc 2 3 *= Vo Xc t 3 2= Ecuación 14 Para obtener la aceleración reemplazamos en la ecuación: 2t X a = Ecuación 15 El análisis de la aceleración teórica como se presentó anteriormente, establece que la desaceleración del vehiculo será constante. Ya que el sistema se toma como una sola constante de proporcionalidad (k); análisis que muestra de forma más general el comportamiento de una colisión contra el dispositivo y presenta valores que indican las desaceleraciones, las fuerzas G, tiempo de choque, velocidad de colisión como un todo sin cambio en las características de los materiales. Para presentar unas desaceleraciones graduales dentro del sistema, se analizan los materiales y sus constantes de proporcionalidad (k), para establecer zonas de choque dentro del dispositivo, como se muestra en la figura 23. 67 También se analiza el comportamiento de las velocidades y el cambio de las energías en cada zona, limitando el dispositivo a que en cada zona no se presenta una deformación mayor a 30 cm ésto con el fin de crear un margen de seguridad. 4.2.4.9 Cálculo de la energía potencial. Para conocer la energía potencial en cada zona, se considera la siguiente ecuación: 2 2 1 KXE = Ecuación 16 Estableciendo el K como la constante de proporcionalidad en cada una de las zonas y X como la distancia de deformación a una determinada fuerza ejercida por la energía cinética, pero como es la deformación máxima en la zona, se denota como la deformación para determinar un rango de seguridad del dispositivo, rango que está entre 0 y 30cm. 4.2.4.10 Cálculo de la velocidad en cada zona. Como se estableció en las condiciones de fronteras, en el momento en el que el vehiculo choca contra el dispositivo, empieza a presentarse un cambio de energía de cinética a potencial, este cambio genera diferentes velocidades en cada intervalo de tiempo y deformación, para el Cálculo de la velocidad en cada intervalo se analiza desde la segunda condición de frontera, expresando la ecuación tal.. 22 2 1 2 1 KXmvE += Ecuación 17 68 En donde E será igual a la energía total de todo el sistema, en este caso dicha energía será igual a la energía cinética con la que viene el vehiculo, la expresión 2 2 1 mv indica el cambio de energía cinética que se presenta cuando el vehiculo choca contra el dispositivo y 2 2 1 KX presenta la energía ganada por el material (llantas) del dispositivo, con este análisis establecemos que la velocidad se presentara en el cambio de energías. Entonces se despeja de la ecuación 18 la velocidad. 22 2 1 2 1 KXmvE += 22 2 1 2 1 mvKXE =− 22 2 1 2 mvKXE = − 2 2 2 1 2 v m KXE = − v m KXE = − 2 2 1 2 Ecuación 18 4.2.4.11 Cálculo en la energía cinética en cada zon a. Para establecer el cambio de la energía cinética en cada zona del dispositivo se reemplaza la ecuación 1, 69 pero como se considera que es el cambio de energía en cada zona deformada, la velocidad será a la que constituye cada intervalo como se observo en el cálculo de velocidad. 4.2.4.12 Cálculo del tiempo, aceleración y fuerzas g. Estás tres variables son funciones principales de la velocidad y la distancia de deformación del sistema, para el cálculo de dichas variables reemplazamos en las ecuaciones 14, 15y 19 2 8.9 s m a G = Ecuación 19 Hay que tener en cuenta que la distancia de deformación, la distancia, el tiempo y la aceleración es el que se presenta en el transcurso de la zona. VER FIGURA 23. Figura 21 . Distribución zonal del sistema dependiendo de la constante de elasticidad. ZONA 1: está zona está constituida por llantas cuyo trabajo fue el que menor energía empleo para su deformación, por lo tanto la constante de proporcionalidad (K) fue la menor, dado que las llantas están ubicadas en forma horizontal el análisis que se empleo para caracterizar el material fue diferente a comparación 70 del hecho para las demás llantas. En la figura 24 se ilustra la forma del ensayo a que fueron sometidas Figura 22. Ensayo axial para la zona 1 Está ubicación permite que la desaceleración sea mejor y más gradual, ya que la composición del material de las llantas presenta un menor efecto de rebote y toda la energía la condensa las llantas. ZONA 2: está zona está empleando la constante de proporcionalidad (K) de la zona 1 y de la misma zona 2, ya que la desaceleración actúa a lo largo del recorrido de todo el dispositivo, la energía gastada para producir un trabajo de deformación es un poco mayor a la zona 1, ésto con el fin de permitir una desaceleración gradual y que el traspaso de energía al vehiculo sea muy poca, para lograr unas fuerzas G bajas y no tan variables en el cambio de las mismas zonas. ZONA 3: es la de mayor trabajo de deformación, es la zona que recibe la mayor cantidad de energía durante todo el recorrido del vehiculo hasta que este quede en reposo. 71 Como el comportamiento de la colisión es dinámico y que en cada intervalo de
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