Одним из основных способов снижения смертности на автодорогах является установка дорожных ограждений. Многолетний опыт зарубежного и отечественного мониторинга показывает, что наиболее эффективное снижение степени тяжести травм пассажиров транспортных средств (ТС) достигается применением тросовых дорожных ограждений (ТДО), в которых основными рабочими элементами являются тросы.
ТДО появились в начале 20 века и являлись одним из первых видов дорожных ограждений. Концепция современных конструкций возникла в Америке и Англии в 70-х годах, а их широкое практическое применение на западе началось в 90-е. В настоящее время тросовые ограждения активно развиваются, как в западных странах – Китай, США, Индия, Англии, Австралии, страны Европы, так и в России. В РФ установка ТДО началась в 2011 году и с этого момента общая протяженность ТДО увеличивается каждый год. Если в 2014 году длина участков составляла 50 км, в основном, в Москве и МО, то к 2021 году ТДО являются широко распространенным видом ограждений на всей территории РФ и странах ЕАЭС с общей длиной установки в 400 км.
Относительно небольшое время эксплуатации, отсутствие понимания базовых принципов работы ТДО, а также отсутствие методик их расчета вынуждает производить отечественные конструкции ТДО не оптимальными и приводит к удорожанию как самих конструкций, так и их эксплуатации. Особенностью российских дорог является малая ширина разделительных полос, что привело к необходимости модификации западных конструкций для уменьшения прогиба ТДО. Для снижения прогиба была увеличена жесткость стоек, что, в свою очередь, увеличило нагрузки на стойки и привело к возможности их разрушения в процессе работы. Такая механика работы, дополнительно усложняет расчет, и является отличительной особенностью российских конструкций. Существующая нормативная база испытаний дорожных ограждений формировалась на основании опыта эксплуатации барьерных (БО; металлических) и парапетных (ПО; бетонных) ограждений, что в результате может приводить появлению на дорогах конструкций, прошедших нормативные испытания, но не обладающих достаточной надежностью, что в конечном итоге уменьшает пассивную безопасность дорог. Таким образом, возрастающие темпы установки ТДО на дорогах России и мира, уникальность российских конструкций, отсутствие физико-математических моделей описания поведения ТДО и понимания механики работы таких ограждений, а также нормативная база, созданная на основе испытаний других типов ограждений, обуславливает актуальность темы исследования.
1. Проведен подробный анализ конструкций тросовых дорожных ограждений (зарубежных и отечественных) и показана важность и актуальность сформулированных задач исследований диссертации. Анализ основных работ по теме диссертации выявил ряд малоисследованных проблем расчета динамики тросовых дорожных ограждений на ударную нагрузку, в том числе, возможность разрушения стоек, что характерно для российских конструкций.
2. На основании уравнений сохранения импульса среды в вариационной постановке, решаемых методом конечных элементов по пространству и методом конечных разностей по времени была получена упрощенная плоская цифровая модель, позволяющая исследовать волновую картину в тросе, реализованная в Wolfram Mathematica. Для построения полномасштабной трехмерной модели ограждения был использован лицензионный программный комплексе LS-DYNA. Для проверки базовых алгоритмов решения, было проведено сравнение результатов работы LS-DYNA с результатами работы авторского кода для плоского случая. Сформулирована основная методика расчета элементов ТДО, выбраны и обоснованы физико-математические модели материалов и КЭ модели элементов конструкций.
3. Проведена серия экспериментов по определению основных механических характеристик отечественных тросов производства ООО «Энергосервис» и ОАО «Северсталь-метиз», а также проведены динамические испытания тросов на поперечный удар, стоек на статическое нагружение, в проведении которых и обработке данных автор принимал непосредственное участие. Проведенные эксперименты были использованы для валидации цифровых моделей тросов и стоек ТДО.
4. Впервые решена задача разрушения для стоек с концентраторами напряжений, и предложена методика расчета раскрытия трещины при ударе с оценкой характерного размера сеток КЭ. На основании моделей компонентов разработаны методика расчета полномасштабных моделей ограждения Разработана процедура верификации для цифровых моделей, что позволяет обеспечить стабильность и точность численных решений.
5. На основе проведенных расчётов были исследованы требования ГОСТ 33129-2014 по методам испытаний дорожных ограждений, а также исследованы зависимости между различными параметрами ограждений и их рабочими характеристиками, даны рекомендации в нормативные документы по ТДО. Разработанные методики эффективно использованы в решении практических задач, в частности, при создании инновационной конструкции 3-х тросового ТДО с увеличенным уровнем удерживающей способности, а также новых конструкций тросовых ограждений для Предприятия «ПИК».
1. Demiyanushko, I. Developments of non-linear dynamics FEM simulation of the impact performance of road safety barriers with use of experimental validation of models [Текст] / Demiyanushko I, Karpov I., Tavshavadze B // Mathematical and Numerical Aspects of Dynacmical System Analysis 14th International Conference «Dynamical systems theory and application» / Lodz, 2017. – p. 165-174.
2. Demiyanushko, I.V. Computational simulation and experimental study of cable for cable barrier [Текст] / I.V. Demiyanushko, I.A. Karpov, V.S. Nadezhdin // 15-ый международный конгресс IFTOMM: сб. статей / Краков, 2019. - с. 2883-2891.
3. Demiyanushko, I.V. Applications FEM analysis in researches reliability and dynamics of road safety barriers at collisions with cars [Текст] / I.V. Demiyanushko, I.A. Karpov // 15-ый Международный конгресс IFToMM: сб. статей / Краков, 2019. - С. 1651-1658
4. Demiyanushko, I.V. Experimental research and modeling of chemical anchor systems under static and dynamic loading [Текст] / I.V. Demiyanushko, V.S. Nadezhdin, I.A. Karpov, B.T. Tavshavadze, O.V. Titov // Materials Science and Engineering: сб. статей, Лодзь, 2019, с. 691
5. Demiyanushko, I.V. Development of a finite-element model for bench testing of road fence rack [Текст] / Karpov, I.A., Mikheev, P.S., Tavshadze, B.T., Awrejcewicz, J. // Materials Science and Engineering 2020: сб. статей, Лодзь, 2020, с. 786
В изданиях, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий:
6. Демьянушко, И.В. Моделирование наезда автомобиля на стойку дорожного ограждения [Текст] / И.В. Демьянушко, И.А. Карпов // Транспортное строительство. – 2013 . - №4 - С. 16-19.
7. Демьянушко, И.В. Расчетное моделирование взаимодействия автобуса с двухсторонним бетонным парапетным ограждением [Текст] / И.В. Демьянушко, В.М. Стаин, А.В. Стаин, И.А. Карпов // Транспортное строительство. – 2017 . - №3 - С. 11-15.
8. Демьянушко, И.В. Использование виртуального эксперимента для определения технических параметров боковых удерживающих дорожных ограждений [Текст] / И.В. Демьянушко, И.А. Карпов, Б.Т. Тавшавадзе, А.О. Крылов // Транспортное строительство. – 2017 . - №3 - С. 5-8.