Salvar vidas mediante el diseño: la ingeniería de sistemas de barandillas de carreteras

El veredicto: Las barandillas correctamente especificadas reducen los accidentes mortales por salida de carretera en un 78 %

Para los segmentos de carretera adyacentes a peligros fijos (puentes, terraplenes, pendientes pronunciadas o tráfico en sentido contrario), una barandilla de seguridad correctamente seleccionada reduce la incidencia de accidentes mortales por salida de la carretera (ROR) en un 78% documentado en comparación con ninguna barrera , basado en el análisis de datos de accidentes de la FHWA de 15.000 colisiones de ROR. La conclusión directa: los sistemas de barandillas de carretera deben especificarse según el nivel de prueba (TL-1 a TL-5), la distancia libre (ancho de trabajo) y la categoría de deflexión (baja, semirrígida o rígida) según la velocidad de funcionamiento, el volumen de tráfico y la gravedad del peligro. Este artículo proporciona criterios de selección específicos para perfiles de vigas W y tres vigas, espaciamiento de postes (1,9 ma 3,8 m), tipos de bloqueo (madera, plástico o acero) y secciones terminales (amortiguadores de choque y tratamientos finales) basados ​​en datos empíricos de los estándares de pruebas de choque NCHRP 350 y MASH.

Niveles de prueba de barandilla: TL-1 a TL-5 explicados

Barandilla de carretera Los sistemas en los Estados Unidos deben cumplir con los criterios de prueba de choque definidos en el Manual para evaluar el hardware de seguridad (MASH). Seis niveles de prueba (TL-1 a TL-6) especifican las condiciones de impacto para diferentes tipos de carreteras. Para autopistas de alta velocidad (velocidad de diseño de 70 mph / 110 km/h), el requisito mínimo es TL-3, que prueba el impacto de una camioneta de 2270 kg a 100 km/h y un ángulo de 25 grados. . el TL-4 añade un camión monobloque de 10.000 kg a 90 km/h; El TL-5 añade un camión con remolque de 36.000 kg a 80 km/h. La especificación incorrecta de una barandilla TL-3 en una carretera con un 20% de tráfico de camiones crea un riesgo de penetración: la barrera contendrá automóviles pero puede no redirigir un semirremolque.

Para vías con tráfico mixto (automóviles más camiones), la TL-4 es la mínima recomendada. Los datos de choques muestran que las barreras TL-3 en carreteras con un 15% de tráfico de camiones experimentan una tasa de penetración de 35-40% para impactos de vehículos pesados. , en comparación con el 5-10% de las barreras TL-4. El costo incremental de actualizar de TL-3 a TL-4 es de 15 a 25 dólares por metro lineal, una pequeña prima por un rendimiento que salva vidas.

Selección de perfil W-Beam versus Thrie-Beam

Dos perfiles de barandillas dominan la seguridad vial mundial: viga W (calibre 12 o calibre 10, 310 mm de ancho, 80 mm de profundidad) y viga triple (360 mm de ancho, 100 mm de profundidad, tres corrugaciones). La viga W es estándar para aplicaciones TL-3 y proporciona una contención adecuada para vehículos de pasajeros y camionetas livianas. . La viga Thrie está especificada para aplicaciones TL-4 y TL-5 y ofrece un módulo de sección un 40 % mayor y una resistencia al impacto un 25 % mayor que la viga W. Thrie-beam también funciona significativamente mejor en impactos de motocicletas: las corrugaciones más profundas reducen el riesgo de que el riel penetre en la parte inferior del cuerpo del conductor, lo que ocurre en el 15-20% de las colisiones de motocicletas con barandillas de vigas W.

Espesor del material: la viga W está disponible en calibre 12 (2,66 mm) o calibre 10 (3,42 mm). La viga W de calibre 10 proporciona entre un 35 y un 40 % más de resistencia máxima que la de calibre 12 , con una prima de costo del 20-25%. Para autopistas de alta velocidad (velocidad indicada > 105 km/h), especifique una viga W de calibre 10 o una viga triple independientemente del nivel de prueba. Para carreteras de baja velocidad o poco volumen, es aceptable una viga W de calibre 12. Todas las barandillas deben cumplir con las especificaciones ASTM A653 para acero galvanizado con un peso de recubrimiento mínimo de 610 g/m² (G210). Un peso de recubrimiento inferior a G210 produce perforaciones por corrosión en un plazo de 10 a 12 años en entornos costeros o con sal deshielo.

Espaciado entre postes y deflexión dinámica

El espacio entre los postes de la barandilla determina la deflexión dinámica del sistema: hasta qué punto la barrera se mueve hacia adentro durante el impacto antes de redirigir el vehículo. El espaciado estándar entre postes para la viga W TL-3 es de 1,9 ma 3,8 m, con una deflexión que varía de 0,8 m (espaciado de 1,9 m) a 1,5 m (espaciado de 3,8 m) . La deflexión es fundamental porque la barandilla no debe desviarse hacia peligros adyacentes (árboles, carteles, postes de servicios públicos o carriles opuestos). Para una barrera colocada a 1,2 m de un peligro fijo, especifique una deflexión máxima de 1,0 mo menos, lo que requiere un espacio entre postes de 2,5 m o menos. Para barreras con un espacio libre >2,0 m, se acepta un espacio de 3,8 m.

Profundidad de empotramiento del poste: Los postes de acero de sección C (100 mm x 50 mm x 5 mm) requieren un empotramiento de 1,1 ma 1,2 m en suelo típico , medido desde la superficie del suelo original hasta la punta del poste. El empotramiento poco profundo (menos de 0,9 m) reduce la capacidad lateral entre un 50% y un 60%, lo que hace que el poste se incline excesivamente bajo el impacto, lo que permite que el vehículo se anule. En suelos pobres (arena suelta, arcilla blanda o nivel freático alto), especifique relleno de concreto o postes más largos (entre 1,5 y 1,8 m de empotramiento). La perforación posterior debe lograr un número mínimo de golpes de 12 golpes por cada 300 mm de empotramiento utilizando un martillo de 450 kg que caiga desde 1 m; un número de golpes más bajo indica una densidad inadecuada del suelo y requiere remediación del mismo.

Bloqueos: Espaciadores de madera, plástico o acero

Los bloqueos (espaciadores montados entre el riel y el poste) cumplen tres funciones: desplazar el riel para evitar que las ruedas se enganchen, proporcionar una conexión controlada de absorción de energía y proteger el revestimiento galvanizado. Los bloques de madera (pino amarillo tratado, 150 mm x 200 mm x 75 mm) son los más comunes, cuestan entre 8 y 12 dólares cada uno y proporcionan entre 80 y 100 kN de resistencia al corte. . Los bloqueos de madera fallan de manera controlada durante el impacto, lo que permite que el riel se separe del poste y se deslice a lo largo de los postes, extendiendo la zona de impacto. Los bloques de plástico (polietileno de alta densidad) cuestan entre 15 y 20 dólares cada uno, pero duran entre 2 y 3 veces más que la madera en ambientes salinos. Los bloqueos de acero (placa formada) cuestan entre 20 y 25 dólares cada uno y proporcionan la mayor resistencia, pero transfieren más carga de impacto al poste, lo que aumenta las tasas de reemplazo del poste después de impactos menores.

Para entornos con sal deshielo (climas del norte, pasos de montaña), evite los bloqueos de madera. La madera absorbe la humedad cargada de sal y se pudre en un plazo de 5 a 7 años, lo que hace que los pernos se aflojen y reduzca la resistencia del sistema de barandillas en un 40-50 %. . En zonas salinas, especifique bloqueos de plástico con un contenido mínimo de estabilizador UV. En ambientes desérticos (baja humedad, alta radiación ultravioleta), los bloques de madera fallan agrietándose y partiéndose después de 8 a 10 años; especificar plástico o acero. Todos los bloqueos requieren pernos pasantes de 16 mm con arandelas cuadradas de 50 mm en ambos lados; Las arandelas de tamaño insuficiente (arandelas redondas de menos de 40 mm de diámetro) atraviesan el riel durante el impacto, lo que provoca fallas en el riel.

Secciones terminales: tratamientos finales y amortiguadores de choque

El final de una barandilla es un peligro a menos que esté correctamente terminado. Los extremos de las barandillas sin terminar (romas o sin anclajes) causan entre el 30% y el 40% de las muertes relacionadas con las barandillas , normalmente cuando un vehículo golpea el extremo expuesto y el riel penetra en el compartimento de pasajeros. Todas las secciones terminales deben tener tratamientos finales probados por MASH. Predominan dos tipos: terminales acampanadas de absorción de energía (FLEAT o similares) que desaceleran los vehículos que impactan mediante extrusión controlada, y terminales enterradas en una pendiente posterior donde el riel se estrecha hacia un terraplén de tierra de más de 15 a 20 metros.

Las terminales FLEAT cuestan entre 1.500 y 2.500 dólares por extremo y requieren de 10 a 15 metros de alineación de rieles ensanchados. Se requieren amortiguadores de choque (redirectivos o no redireccionantes) para barreras intermedias donde el impacto puede ocurrir desde cualquier dirección. . Para medianas estrechas (menos de 10 m de ancho), especifique un amortiguador de choque TL-3 en ambos extremos de cada tramo de barrera mediana. Los cojines de choque cuestan entre 3.000 y 8.000 dólares cada uno, pero reducen la gravedad del impacto entre un 60 y un 80 % en comparación con un terminal desafilado. Para caminos de baja velocidad (<60 km/h), son aceptables anclajes finales simples con una sección terminal enterrada, pero deben inspeccionarse anualmente para detectar erosión del terraplén que exponga la punta del riel.

Transiciones de puentes y barandillas de acceso

La interfaz entre la barandilla de acceso y la barandilla del puente es un punto débil conocido en los sistemas de barreras viales. Los datos sobre accidentes muestran que entre el 25% y el 30% de las penetraciones de barandillas ocurren dentro de los 10 metros de las transiciones de los carriles del puente. debido a un desajuste de rigidez entre la barandilla semirrígida (flexible) y la barandilla del puente rígido (hormigón o acero). Una sección de transición adecuada debe aumentar gradualmente la rigidez del sistema en 6 a 12 metros utilizando postes reforzados, rieles de tres vigas o vigas W anidadas. Especifique el hardware de transición aprobado por el propietario del puente y probado contra choques al mismo nivel TL que la barandilla de acceso.

Dimensión crítica: la barandilla de acceso debe alinearse vertical y horizontalmente con la barandilla del puente dentro de 15 mm de compensación . Una desalineación superior a 25 mm crea un punto de bloqueo que atrapa las ruedas del vehículo. Antes de la instalación, inspeccione tanto el nivel de acceso como la elevación del riel del puente; ajuste las alturas de los postes de la barandilla de acceso y rellene la nivelación según sea necesario. Después de la instalación, verifique la alineación con una regla de 3 m colocada a lo largo de la transición; cualquier espacio que exceda los 10 mm requiere calzar o reinstalar.

Distancia de zona clara y colocación de barandillas

La zona despejada es el área sin obstáculos más allá del camino transitado. El Libro Verde de AASHTO especifica que la barandilla debe colocarse en el límite de la zona despejada, no arbitrariamente cerca de la carretera. Para una carretera de 110 km/h con una pendiente lateral de 2:1, el ancho de zona libre recomendado es de 7 a 10 metros. . Colocar la barandilla más cerca que el ancho de la zona libre aumenta la frecuencia y gravedad del impacto del vehículo. Por el contrario, colocar barandillas más allá de la zona despejada deja los peligros desprotegidos.

Medido desde el borde del camino transitado hasta la cara de la barandilla: el desplazamiento mínimo es de 0,6 m para permitir la recuperación del vehículo antes del impacto de la barrera, el desplazamiento máximo es de 2,5 m para barreras TL-3 (más allá de 2,5 m, la barandilla puede golpearse en un ángulo que exceda los límites de diseño) . Para desplazamientos inferiores a 0,6 m (típico en accesos a puentes o corredores urbanos restringidos), especifique un nivel de TL más alto (TL-4 en lugar de TL-3) para compensar el ángulo de impacto efectivo más pronunciado. Para desplazamientos superiores a 2,5 m, aumente el espacio entre los postes o no considere ninguna barrera si la zona despejada no está obstruida.

Normas de galvanización y protección contra la corrosión.

Todos los componentes de acero en un sistema de barandillas de carretera deben estar galvanizados en caliente según ASTM A123 o A653. El peso mínimo del revestimiento para barandillas en entornos no costeros es de 550 g/m² (G185), lo que proporciona entre 25 y 30 años hasta la primera corrosión. . En ambientes costeros (dentro de 1,6 km de agua salada) o áreas con una fuerte aplicación de sal deshielo (uso anual de sal >10 toneladas por carril-km), especifique un recubrimiento de 700 g/m² (G235) o un recubrimiento dúplex (galvanizado más capa en polvo). El recubrimiento en polvo agrega entre $2 y $4 por metro lineal pero extiende la vida útil a 40 años en ambientes severos.

El corte en campo de barandillas galvanizadas (p. ej., acortar los rieles para adaptarse a las condiciones del sitio) daña el revestimiento en los bordes cortados. Todos los bordes cortados deben recubrirse en el sitio con un compuesto de galvanizado en frío (mínimo 95% de polvo de zinc por peso) dentro de las 24 horas posteriores al corte. . Los bordes cortados sin recubrimiento se corroen a un ritmo de 5 a 10 veces mayor que el galvanizado intacto, lo que provoca una pérdida de sección de 0,2 a 0,5 mm por año en ambientes salinos. En 5 años, un borde cortado sin recubrimiento puede reducir el espesor del riel de 3,4 mm a menos de 2,0 mm, perdiendo entre un 40 y un 50 % de su capacidad de impacto.

Mantenimiento y reparación post-impacto

Los sistemas de barandillas de carretera requieren inspección cada 6 a 12 meses, con reparación inmediata después de cualquier impacto que dañe la barrera. Daños comunes que requieren reparación: deflexión del riel superior a 300 mm desde la alineación de diseño, inclinación del poste superior a 15 grados con respecto a la vertical, empalmes de rieles separados por más de 10 mm o cualquier borde cortado expuesto sin recubrimiento en obra . Para la viga W TL-3, los costos de reparación promedian entre 150 y 250 dólares por poste y entre 80 y 120 dólares por sección de riel de 4 m. Compuesto de reparaciones retardadas: un solo poste dañado reduce la capacidad del poste adyacente entre un 30% y un 40%, lo que hace que el siguiente impacto tenga entre 3 y 5 veces más probabilidades de atravesar la barrera.

Protocolo de reposición post-impacto: Retire y reemplace cualquier poste que tenga grietas visibles, que esté doblado más de 10 grados con respecto a la vertical o que se haya desprendido (movimiento vertical de 25 mm o más). . No intente enderezar postes doblados: el enderezamiento en frío reduce la resistencia del acero entre un 30 y un 50 % debido al endurecimiento por trabajo. Para las secciones de riel, reemplace cualquier sección que tenga grietas visibles, orificios por extracción de pernos o fraguado permanente (deformación plástica) que exceda los 50 mm. Pueden quedar pequeñas abolladuras o rayones que no perforan el revestimiento galvanizado. Documente todas las reparaciones con coordenadas GPS y fotografías digitales para referencia futura y protección de responsabilidad.

Barreras medianas versus barandillas en la carretera

Las barreras medianas (instaladas entre carriles de tráfico opuestos) tienen requisitos de diseño diferentes a los de las barandillas al borde de la carretera. Las barreras medianas deben ser resistentes a choques desde ambas direcciones, lo que requiere diseños simétricos o bidireccionales. . La barandilla de viga W estándar no es bidireccional: el perfil del riel tiene un lado fuerte (que mira al tráfico) y un lado débil. Instalar la viga W al revés reduce la capacidad de impacto entre un 60 y un 70 %. Para medianas, especifique: (a) tres vigas con sección transversal simétrica, (b) barreras de mediana de hormigón (Jersey o en forma de F) para aplicaciones TL-4, o (c) barreras de mediana de cable para medianas anchas (>15 m).

Las barreras para medianas de cables (tres o cuatro cables de acero separados entre 500 y 700 mm) son la solución más rentable para medianas anchas en autopistas de alta velocidad. Las barreras de cables cuestan entre 30 y 50 dólares por metro, frente a los 100 y 150 dólares por metro de hormigón o de tres vigas. y tienen una menor gravedad del impacto (menos desaceleración) para vehículos errantes. Sin embargo, las barreras de cables requieren de 8 a 10 metros de ancho de trabajo y no son adecuadas para medianas de menos de 12 metros de ancho. Para medianas estrechas (4-10 m), se requieren barreras de concreto para evitar la penetración a través de la mediana, lo que representa el 40% de las colisiones fatales en direcciones opuestas.

Aplicaciones especiales: puentes, alcantarillas y desprendimientos de rocas

Los puentes y alcantarillas presentan desafíos únicos en la instalación de barandillas porque los postes no pueden atravesar la estructura. Para puentes, los postes de las barandillas se atornillan a la plataforma del puente o al parapeto mediante pernos de anclaje incrustados de 150 a 200 mm en el concreto. . Cada poste requiere cuatro pernos de anclaje de 19 mm de diámetro con lechada epoxi; La capacidad de tracción por perno de anclaje debe exceder los 25 kN. Para alcantarillas (enterradas bajo la carretera) que impiden la colocación de postes, especifique cimientos de concreto vertidos a cada lado de la alcantarilla a 1,5 m de profundidad, con postes de barandilla montados en los cimientos de concreto usando placas de base.

Las áreas de protección contra caídas de rocas requieren sistemas de barandillas con redes o cortinas montadas sobre la barrera para retener las rocas que caen. La barandilla de carretera estándar proporciona una protección mínima contra la caída de rocas: las rocas de más de 300 mm de diámetro sobrepasarán la barandilla . Para zonas de caída de rocas (cortes de carreteras, autopistas de cañones), especifique barreras contra caídas de rocas (AASHTO MASH TL-3 o TL-4) con postes de 3 a 4 m de altura y redes de cables que se extiendan por encima del riel. Estos sistemas cuestan entre 300 y 500 dólares por metro lineal, pero evitan accidentes catastróficos relacionados con rocas, que tienen una tasa de mortalidad 4 veces mayor que los accidentes ROR estándar.

Resistencia longitudinal y diseño de empalme de rieles

Los sistemas de barandillas deben mantener la resistencia longitudinal a través de los empalmes de los rieles para evitar que el riel se abra (se desprenda) durante el impacto. Los empalmes de rieles de vigas en W utilizan cuatro pernos (dos por extremo de riel) con placas de empalme de 125 mm superpuestos 250 mm. Especificación de par de apriete de los pernos: 80-100 Nm para pernos galvanizados de 16 mm; Los pernos con poco torque (por debajo de 60 Nm) permiten el deslizamiento de las juntas, lo que reduce la resistencia longitudinal en un 40-50% y provoca la separación de la superposición de los rieles durante el impacto. Los pernos demasiado apretados (más de 120 Nm) pueden dañar las roscas o deformar el riel, creando concentraciones de tensión.

Para aplicaciones de tres haces y TL-4, Las placas de empalme deben ser perfiles de tres vigas que coincidan con el riel, no placas planas. . Los empalmes de placa plana en tres vigas reducen la resistencia entre un 35% y un 40% y han fallado en las pruebas de choque. Las secciones de carril deben colocarse con empalmes al tresbolillo: dos postes adyacentes no deben tener empalmes en la misma ubicación longitudinal. El escalonamiento evita que el riel desarrolle una línea débil continua que podría soltarse. El desplazamiento máximo de empalme de rieles es de 1,5 m; cualquier empalme que ocurra en la ubicación de un poste (línea central de empalme dentro de 300 mm de la línea central del poste) requiere refuerzo de empalme con una placa de empalme adicional de 250 mm.