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Tesis:

Evaluación del daño estructural de los vehículos categoría M3 accidentados y caracterización teórico-experimental de la admisibilidad de su reparación

  • Autor: RINCÓN DÁVILA, David

  • Título: Evaluación del daño estructural de los vehículos categoría M3 accidentados y caracterización teórico-experimental de la admisibilidad de su reparación

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: INGENIERIA MECANICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80683/

  • Director/a 1º: ALCALÁ FAZIO, Enrique

  • Resumen: Los accidentes que pueden sufrir los autobuses han sido analizados durante décadas, concluyendo que el vuelco es el caso más severo al que se ven sometidos. Las mejoras en seguridad pasiva como consecuencia de la entrada en vigor del Reglamento 66 en 1986, así como el uso obligatorio del cinturón de seguridad, han demostrado ser medidas eficaces para reducir el número de heridos y fallecidos. Sin embargo, los accidentes de autobuses pueden provocar un daño en la estructura que derive, tras una reparación y nueva puesta en circulación, en un vehículo cuya seguridad ha quedado comprometida. La reparación de autobuses y autocares tras un accidente de severidad baja-media se realiza en bancos de reparación, donde la superestructura es enderezada mecánicamente hasta situarla en la posición original. La incertidumbre que envuelve a este proceso, tanto en el método de reparación como en su repercusión, queda reflejado en la omisión de esta práctica en la reglamentación vigente. Existe, por tanto, la necesidad de conocer el comportamiento a vuelco de las estructuras reparadas y definir los requerimientos para la reparación de autobuses y autocares. Esta reflexión enmarca el objetivo de esta tesis, que consiste en el estudio de la reparabilidad de autobuses y autocares, desde la cuantificación de la pérdida de capacidades mecánicas hasta un procedimiento de verificación de estructuras reparadas basado en modelos teóricos y de cálculo. En primer lugar, se han realizado ensayos de perfiles con dos objetivos: valorar el comportamiento de los perfiles reparados mediante la formación de la rótula plástica y validar los modelos que se desarrollan a continuación. Estos ensayos demuestran que el enderezamiento puede causar un debilitamiento de la estructura tal que su capacidad de absorción de energía disminuya en más del 30%. Extrapolando los resultados a una base de datos de homologación de autobuses, se concluye que pérdidas del 15% de capacidad de absorción de energía supone que un 50% de los vehículos homologados dejarían de cumplir el Reglamento 66, para los casos estudiados. A continuación, se ha propuesto una metodología validada experimentalmente para calcular mediante modelos de elementos finitos la curva Momento-ángulo de perfiles reparados. Esta metodología está basada en la variación de la geometría durante el ciclo de carga. La geometría de la rótula plástica es, por tanto, de vital importancia en el desarrollo de esta tesis. Para su caracterización durante los ensayos, se ha aplicado la técnica de correlación digital de imágenes. Una de las principales aportaciones de la tesis es el desarrollo de un modelo teórico que predice el comportamiento a flexión de perfiles reparados con una alta correlación, tanto para perfiles de pared delgada como de pared gruesa. El modelo propuesto se basa en la geometría de la rótula plástica. Además de los parámetros de entrada habituales en este tipo de modelo, se introduce un parámetro de entrada adicional que identifica el daño producido en un perfil: el ángulo de deformación permanente girado por el perfil previo a su reparación. Se ha realizado un ensayo de vuelco de un módulo de la estructura de un autobús con el objetivo de validar las hipótesis utilizadas sobre el comportamiento dinámico de los perfiles. Además, este ensayo ha permitido desarrollar una metodología de cálculo de modelos de simulación de secciones representativas del vehículo completo, según el Reglamento 66. Finalmente, se ha desarrollado una propuesta de valoración y verificación del Reglamento 66 para autobuses reparados basada en los modelos desarrollados en esta tesis. La valoración de la pérdida de energía por parte de los perfiles permite conocer si el vehículo reparado cumple el requerimiento energético del Reglamento 66. De esta forma, los vehículos que entran en circulación tras su reparación mantienen el nivel de seguridad requerido. ABSTRACT The accidents in which buses are involved have been analyzed for decades, concluding that rollover is the most severe case. The improvements in passive safety as a result of the entry into force of Regulation 66 in 1986, as well as the mandatory use of seat belts, have proven to be effective measures to reduce the number of injuries and deaths. However, bus accidents can cause damage to the structure that results, after repair and putting back into circulation, in a vehicle whose safety no longer provides the level of safety required by the regulation. The repair of buses and coaches after an accident of low-medium severity is carried out on repair benches, where the superstructure is straightened to its original position. The uncertainty surrounding the repair of buses and coaches, both in the repair method and in its impact, is reflected in the current regulations, where there is no mention of this issue. Therefore, knowing the rollover behavior of the repaired structures and defining the requirements for the repair of buses and coaches is a basic need. This statement frames the objective of this thesis, which consists of the study of the repairability of buses and coaches, from the quantification of the loss of mechanical capacities to a verification procedure for repaired structures based on theoretical and calculation models. As a first step, profile tests have been carried out with two objectives: to assess the behavior of the repaired profiles through the formation of the plastic hinge and to validate the models that will be developed later on. These tests demonstrate that straightening can cause a weakening of the structure such that its energy absorption capacity decreases by more than 30%. Extrapolating the energy absorption loss values from the tests to a bus and coach approval database, it is concluded that losses of 15% of energy absorption capacity by a structure means that 50% of the approved vehicles would no longer comply with R66, according to the studied cases. The next step is the proposal of a validated methodology to calculate the Moment-Angle curve of repaired profiles using finite element models. This methodology is based on the variation of the geometry during the loading cycle. The geometry of the plastic hinge is, therefore, of vital importance in the development of this thesis. The Digital Image Correlation technique has been applied to characterize the geometry of the plastic hinge during the tests. One of the main contributions of this thesis is the development of a theoretical model that predicts the bending behavior of repaired profiles with a high correlation in magnitude and shape, both for thin-walled and thick-walled profiles. The proposed model is based on the geometry of the plastic hinge. Besides the usual input parameters in this type of model, the proposed model needs an additional input parameter to identify the damage produced in a profile: the angle of permanent deformation rotated by the profile prior to its repair. A rollover test of a module of the structure of a bus has been carried out with the aim of validating the hypotheses used on the dynamic behavior of the profiles. Furthermore, this test has been used to validate a methodology to develop simulation models of representative sections of the complete vehicle, according to Regulation 66. Finally, a proposal for the assessment and verification of Regulation 66 for repaired buses has been developed based on the validated models developed in this thesis. Therefore, it is considered a robust proposal at a technical level. The assessment of the energy loss by the profiles allows us to know the total energy absorbed by the repaired structure and, therefore, whether it meets the energy requirement of Regulation 66. This proposal ensures that the vehicles entering in circulation after their repair maintain the security level above the limit established in the regulation.