Mitigation of cross wind effects on road vehicles by porous screens

Allori, Davide

This dissertation deals with the mitigation of cross wind effects on road infrastructures in order to minimize the risk of vehicle overturning by the use of porous screens. This aspect assumes special interest for large commercial vehicles since they are often involved in a significant number of accidents and fatalities on European roads every year. A simple method to quantify the risk associated with the vehicle overturning is proposed and applied to 23 different types of wind fences. The suggested procedure consists of three main phases: the hazard analysis, the vulnerability analysis and the risk analysis. The hazard part has the aim to define a probabilistic model for historical wind data. The vulnerability phase consists in the quantification of the cross-wind actions on a wind tunnel model of Luton van positioned on a windy road viaduct, downstream of different porous screens. In order to perform correct extrapolations from the model to the prototype and considering that in the literature there is no scaling procedure for wind tunnel simulations on porous structures, a criterion is proposed herein, performing wind tunnel tests on porous samples in confined and unconfined conditions. The scaling procedure defined consists in applying the classical geometric scaling process to the general dimensions of the structures and in respecting some particular prescriptions only to the parts schematized as porous media. Thanks to wind tunnel scaling procedure it is possible to have a good correspondence between wind tunnel model and prototype and to provide the correct estimations for the wind actions on the van. In order to establish if the overturning phenomenon may occur, a critical overturning cross-wind speed threshold has been fixed, as a function of the vehicle speed. In the risk analysis phase, using the data provided by the previous steps, the risk is quantified in terms of probability of overturning, for all different conditions of sheltering. In this way it is possible to choose a barrier rather than another depending on the accepted level of risk and the speed limit for the vehicle in the road infrastructure considered.

Diese Arbeit hat zum Ziel, das Überschlagrisiko der Fahrzeuge auf den Hauptverkehrswegen, welches durch Seitenwinde verursacht wird, durch geeignete poröse Windschutzbarrieren zu verringern. Dieses Phänomen ist sehr relevant für Transportmittel, da diese durch Überschlagung in viele Unfälle verwickelt sind. Eine einfache Methode zur Quantifizierung des Überschlagrisikos der Fahrzeuge bezüglich diverser Schutzlevels ist vorgeschlagen und an 23 verschiedenen porösen Barrieren angewandt worden. Diese Prozedur besteht aus drei Hauptfasen: Gefahrenanalyse, Vulnerabilitätsbewertung und Risikoanalyse. Die Gefahrenanalyse möchte die Gefahrenwahrscheinlichkeit (Windrichtung und Windgeschwindigkeit) mittels einer akkuraten statistischen Analyse gegebener Windmessdaten kalkulieren. Der zweite Teil dieser Arbeit ist eine Vulnerabilitätsanalyse, welche aus der analytischen Quantifizierung der Seitenwindeinwirkungen auf ein Kleintransporter-Windkanal-Modell, positioniert hinter verschiedenen porösen Barrieren, besteht. Um eine Extrapolation von diesem Modell zum Prototypen erhalten zu können, benötigt man ein Skalierungskriterium für poröse Objekte im Windkanal. Da dieses in der gegenwärtigen Literatur nicht zu finden ist, wird hier Eines, mit Hilfe zahlreicher Tests im Windkanal mit porösen Samples unter zwei verschiedenen Strömungsbedingungen, vorgeschlagen. Das Skalierungskriterium besteht darin, den klassischen geometrischen Skalierungsprozess an die allgemeinen Dimensionen des Prototypen anzuwenden und bestimmte Bedingungen nur für die Portion eines Objekts zu benutzen, das als poröses Medium schematisiert werden kann. Durch das Benutzen der Skalierungsregel und der Testergebnisse, ist es möglich eine perfekte Korrespondenz zwischen Modell und Prototyp zu bekommen und eine korrekte Extrapolation der Windeinwirkungen auf den Kleintransporter zu induzieren. Um herauszufinden, ob das Überschlagphänomen sich ereignet, ist eine kritische Schwelle für die Windgeschwindigkeit, in Funktion der Geschwindigkeit des Transportmittels, bestimmt worden. In der Risikoanalyse, in der man die Daten des Outputs der zwei vorherigen Phasen verwendet, wurde das Überschlagrisiko für alle diversen Schutzbedingungen berechnet. Auf diese Weise, in Funktion des akzeptierten Risikolevels, ist es möglich einen bestimmten Windschutz zu wählen und eine Geschwindigkeitsbegrenzung für eine gegebene Straße zu bestimmen.

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Allori, Davide: Mitigation of cross wind effects on road vehicles by porous screens. 2012.

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