ANÁLISE DA DINÂMICA DO OCUPANTE EM ACIDENTES DE ROLAMENTO VEICULAR (ROLLOVER) MÉTODOS COMPUTACIONAIS

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1 ANÁLISE DA DINÂMICA DO OCUPANTE EM ACIDENTES DE ROLAMENTO VEICULAR (ROLLOVER) MÉTODOS COMPUTACIONAIS Anderson de Lima 1 e Rogério José Marczak 1 1 Departamento de Engenharia Mecânica UFRGS s: andersonkaipers.lima@gm.com, rato@mecanica.ufrgs.br RESUMO Decorrente do recente desenvolvimento em segurança veicular, sérias e fatais lesões oriundas de colisões frontais e traseiras estão diminuindo. Por isso pesquisadores estão concentrando esforços em acidentes de rolamento. Atualmente acidentes que envolvem rolamento veicular são responsáveis por mais de 20% do total das mortes de passageiros em acidentes. Lesões causadas por este tipo de acidente são muitas vezes permanentes e de elevado custo, assim todo ano o governo gasta milhões de dólares com tratamentos médicos. Reduzir a incidência de mortes e lesões graves tem aumentado a importância de simulações computacionais e testes físicos. Este estudo apresenta modelos computacionais de elementos finitos para simular colisões de rolamento e predizer possíveis lesões ocasionadas à cabeça, pescoço, tórax e coluna. Manequins antropomórficos foram usados nos modelos computacionais a fim de estimar a severidade das lesões. O propósito principal do trabalho é apresentar modelos computacionais de elementos finitos usados para simular colisões de rolamento e determinar a probabilidade de lesões aos ocupantes. A metodologia proposta também compara diferentes normas e procedimentos. INTRODUÇÃO Embora o fenômeno de rolamento veicular não seja o mais freqüente tipo de acidente, ele é de grande significância com respeito a problemas físicos e traumáticos ocasionados aos ocupantes veiculares. As lesões e traumas decorrentes do rolamento são o resultado da incapacidade de um veículo proteger seus ocupantes em caso de acidentes. Embora medidas para evitar as lesões devido à ejeção dos ocupantes sejam bem estabelecidas, ainda existe muito debate relativo ao mecanismo de traumas e lesões aos ocupantes contidos no interior do veículo durante o evento de rolamento e conseqüentemente as medidas necessárias para atenuar estas lesões [1]. Ainda que muitos estudos já tenham sido desenvolvidos e continuem sendo realizados, o papel do esmagamento do teto e as lesões em ocupantes causadas durante o rolamento de veículos, ainda é uma área de investigação com vários pontos de vista sobre o mecanismo de lesões.

2 Rolamentos veiculares, objeto do presente estudo, são incidentes perigosíssimos e com a maior taxa de fatalidades entre os diferentes tipos de acidentes veiculares. Dos milhões de acidentes veiculares envolvendo carros de passageiros, veículos utilitários esportivos, picapes e furgões em 2005, somente 3,3% envolveram. Entretanto, foi à causa de aproximadamente 21,1% do total de mortes de passageiros em acidentes veiculares. As normas e procedimentos existentes são ainda de difícil simulação computacional, tendo em vista a enorme capacidade computacional exigida bem como a necessidade de representação fiel dos acidentes que ocorrem na realidade, pois se trata de um fenômeno que possui dinâmica extremamente complexa. O presente estudo tem por objetivo desenvolver modelos matemáticos numéricos para simular diferentes normas e procedimentos existentes na literatura, os quais avaliam as estruturas veiculares e procuram prevenir lesões e mortes ocasionadas por incidentes que envolvem rolamento de veículos. Pois mesmo estes incidentes ocorrendo em menor quantidade se comparados com outros tipos de acidentes veiculares, o rolamento é o acidente que causa maior quantidade de mortes e lesões aos ocupantes do veículo. 1. NORMAS E PROCEDIMENTOS RELACIONADOS A ROLAMENTO VEICULAR Várias normas e procedimentos foram e estão sendo desenvolvidos para melhor caracterizar, descrever e prever os eventos de rolamento de veículos, e assim evitar fatalidades e o número de pessoas feridas decorrentes deste tipo de acidente. O desempenho da estrutura de teto é regulado pela norma FMVSS 216, resistência do teto ao esmagamento [2]. FMVSS 216 é o procedimento mais usado para avaliar a resistência do teto ao esmagamento. Contudo este procedimento fornece uma avaliação pobre das condições de rolamento real que resultam em sérias lesões. FMVSS 216 exige que cada lado do teto do veículo não se deforme mais de 127 mm sob uma carga aplicada de 1,5 vezes o peso do veículo. A força é aplicada por um bloco rígido que faz um ângulo de 5 em vista lateral com a horizontal, ao mesmo tempo tem um ângulo de 25 em vista frontal. O ponto inicial de contato, ou centro da área inicial de contato, está a 254 mm atrás do ponto mais a frente da superfície inferior do bloco. Outro procedimento é o teste de queda invertido, que também é um método destrutivo avaliar a resistência de teto. Este procedimento avalia a integridade estrutural de tetos sob cargas semelhantes às encontradas em rolamentos reais. O veículo é invertido e deixado cair de uma altura determinada, tendo o veículo à mesma orientação do bloco rígido de aplicação de carga da norma FMVSS 216. Todavia, estes dois procedimentos não consideram a dinâmica do veículo durante o rolamento. Também não é exigido o uso de manequins e assim não é possível determinar lesões aos ocupantes. O teste denominado dolly rollover test, definido pelo procedimento SAE J2114 é o que melhor pode representar acidentes reais e avaliar as taxas de esmagamento do teto dos veículos automotores. O veículo de teste é colocado sobre uma plataforma com inclinação de 23º em relação à horizontal, a plataforma tem um obstáculo de 102 mm que serve de apoio

3 para os pneus, o ponto inferior da superfície interna deste obstáculo deve estar a 229 mm acima da linha do solo, Figura 1. Figura 1 Dispositivo de teste para o procedimento Dolly rollover test. O veículo e a plataforma são acelerados a uma velocidade constante de 48 km/h e a plataforma então é desacelerada numa distância de não mais de 914 mm. A desaceleração da plataforma deve ser ao menos de 20 g s para um mínimo de 40 ms. Este procedimento também não exige a aplicação de manequins durante o teste, contudo em nossas simulações foram utilizamos manequins com e sem cinto de segurança. Assim através das simulações computacionais pode-se obter nos manequins: Aceleração de Cabeça; Carga axial no pescoço; Momentos no pescoço; Força cisalhante no pescoço; Aceleração no tórax; Deflection no tórax. 2. MECANISMOS E CRITÉRIOS DE LESÕES A área que trata das lesões ocorridas pelo efeito das cargas mecânicas, em especial cargas de impacto, sobre o corpo humano é a biomecânica. Em decorrência destas cargas mecânicas, uma região do corpo experimentará alterações mecânicas ou fisiológicas. Estas alterações são denominadas respostas biomecânicas [3] Critério de lesão na cabeça A cabeça é uma parte de corpo particularmente vulnerável devido a sua posição exposta sobre o pescoço que flexível e a sensibilidade do rosto e cérebro as lesões de impacto. Embora tenha se aprendido muito sobre estes traumas cranianos, o único critério de lesões amplamente usado é o critério de lesão de cabeça do inglês Head Injury Criterion (HIC), que foi proposto há mais de 30 anos. HIC foi introduzido a

4 primeira vez com a curva de tolerância da universidade do estado de Wayne, originalmente do inglês Wayne State Tolerance Curve (WSTC), que apresentou a relação entre o nível de aceleração e a duração do impulso com respeito aos traumas de cabeça. HIC é o índice usado para verificar a possibilidade de lesão na cabeça resultante das acelerações lineares. Apesar de o HIC ser criticado desde a sua inserção, ele é amplamente usado para medir o risco de lesões na cabeça e cérebro [4]. O HIC é definido pela seguinte expressão: 25. t2 1 HIC= t2-t1 a tdt t2-t (1) 1 t 1 max Alguns pesquisadores utilizam o intervalo de tempo de 36 ms e outros de 15 ms para o cálculo do HIC. A Tabela 1 demonstra os valores toleráveis deste índice para cada tamanho de manequim. Tabela 1 Critério de lesão na cabeça para vários tamanhos de manequim. Híbrido III 50 th Masculino Híbrido III 50 th Feminino Híbrido III 6 anos Híbrido III 3 anos 12 meses CRABI HIC HIC A probabilidade de lesões na cabeça depende do nível de severidade, uma lesão grave (AIS3) é definida pela equação: AIS3= 1 exp HIC 1 exp HIC HIC HIC (2) 2.2. Critérios de lesões no pescoço O pescoço é uma conexão flexível entre cabeça e tronco, a maioria de lesões de pescoço é causada por carga indireta, porque as cargas são transferidas do tronco à cabeça ou cabeça ao tronco pelo pescoço. A expressão para calcular o critério de lesão no pescoço causado por carga axial e momento longitudinal é: F M z ocy N= ij (3) F zc M yc Onde F z é a carga axial e M oyc é o momento fletor longitudinal no pescoço. Os valores críticos de F zc são 6806 N e 6160 N quando existe tração ou compressão no pescoço respectivamente, e os valores de M yc são 310 Nm e 135 Nm quando existe um momento de flexão ou de extensão respectivamente. Estes valores críticos são para o

5 manequim usado em nosso trabalho (híbrido III 50 th masculino). Além de estes valores os picos de cada carga devem ser verificados. A equação 4 expressa a probabilidade de lesões graves (AIS3) no pescoço. 1 AIS3= 1+exp( N ) (4) ij 2.3. Critérios de lesão da caixa torácica O tronco humano é dividido em 2 partes principais, as quais estão delimitadas pelo diafragma: a cavidade torácica que se encontra acima do diafragma e a cavidade abdominal que é subdividida na cavidade abdominal superior e inferior com o diafragma sendo o limitante superior e a pélvis o inferior. Infelizmente a maioria das pesquisas biomecânicas tem se concentrado nos ferimentos do tórax. O critério atual para a compressão do tórax aceitado por FMVSS 208 é baseado em uma compressão de 76 milímetros conduz a uma severidade AIS3 para um manequim híbrido III 50 th masculino, portanto este valor não dever ser excedido bem como uma aceleração de 60 g s não pode ser excedida. A Tabela mostra mais detalhes sobre os níveis de severidade. O índice torácico combinado torácico é usado para definir prováveis lesões no tórax e, é definido por: A CTI= A max int D D max (5) int onde A max é a máxima aceleração resultante no tórax, D max é a máxima deflexão do tórax, e A int e D int são os valores de interseção, respectivamente 60 g s de aceleração e 76 mm de deflexão, para um manequim híbrido III 50 th masculino. A probabilidade de uma lesão grave (AIS3) pode ser calculada por três maneiras diferentes, considerando unicamente a aceleração máxima, ou a deflexão máxima ou o índice torácico combinado, respectivamente: AIS3= 1/ 1exp Amax x 100% AIS3= 1/ 1exp Dmax x 100% AIS3= 1/ 1exp CTI x 100% (6) (7) (8) As equações para outros níveis de lesões podem ser encontradas no trabalho recente de Lima [5]. 3. RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES NUMÉRICAS De acordo com a norma de resistência do teto ao esmagamento (FMVSS 216) o mesmo deve resistir a 1,5 vezes o peso do veículo, como se mostra na Figura 2. A intrusão não deve exceder 127 mm, como o peso do veículo em estudo é 991 kg, a estrutura de teto está aprovada pelos resultados computacionais. Entretanto, mesmo que o veículo tenha sido aprovado neste requisito talvez pode não prevenir lesões dos ocupantes.

6 Figura 2 Intrusão do teto versus força aplicada no bloco rígido. A Figura 3 apresenta o resultado da simulação computacional de um veículo completo segundo o procedimento de teste de rolamento SAE J2114. Figura 3 Simulação computacional do teste de rolamento SAE J2114. O presente estudo focaliza o primeiro contato entre teto e solo, pois de acordo com alguns pesquisadores a maioria das lesões fatais de rolamento ocorre neste primeiro contato. Devido ao mergulho do ocupante em direção ao teto e o esmagamento de teto, como se mostra na Figura 4, o pescoço do manequim sofre flexão lateral. Isto ocorre depois que a cabeça do manequim atinge o teto e causa um aumento na carga de pescoço. Figura 5 ilustra a posição de cabeça até o primeiro contato entre teto e solo.

7 Figura 4 Posição da cabeça e flexão do pescoço do manequim durante o contato do teto com o solo. Figura 5. Posição da cabeça do manequim até o primeiro contato teto/solo. A simulação computacional do procedimento SAE J2114 resulta em uma força de contato de 22 kn entre o teto e o solo, isto proporciona uma relação com o peso do veículo de 2,2 vezes. Conseqüentemente, a intrusão do teto no espaço de sobrevivência de ocupante é superior ao calculado pela norma FMVSS 216. A Tabela 2 mostra os valores dos parâmetros usados para determinar os critérios de lesões e avaliar a probabilidade de lesão grave em motoristas com e sem cinto de segurança. Tabela 2 Valores máximos dos parâmetros para manequim com e sem cinto de segurança. Parâmetro Valores máximos Coeficiente: Manequim Manequim Sem cinto/com cinto com cinto sem cinto Aceleração na cabeça (g s) 45,6 62,6 1,373 HIC 33,9 75,8 2,236 Força axial no pescoço (N) -396,6-1362,6 3,436 Momento longitudinal (Nm) 88,8 238,9 2,690 Momento de flexão lateral (Nm) -111,2-120,4 1,083 Força cisalhante (N) -223,8 939,9-4,200

8 Aceleração no tórax (g s) 14,0 14,4 1,029 Deflexão no tórax (mm) -5,2-1,3 0,250 Estes valores podem mudar dependendo do tamanho, postura e posição do manequim. De acordo com os resultados das simulações computacionais o ocupante usando cinto de segurança não sofre lesão grave, como se mostra na Tabela 3. Contudo se o ocupante não usar cinto de segurança há 21.8% de probabilidade de ocorrer uma lesão grave no pescoço, portanto o ocupante pode ter uma lesão na coluna cervical. Assim, caso o motorista não esteja usando cinto de segurança durante um evento de rolamento a probabilidade de uma lesão grave no pescoço é 3 vezes maior. Tabela 3 Probabilidade de lesões em diferentes partes do corpo considerando o nível de severidade grave (AIS3), para manequim com e sem cinto de segurança. Região Parâmetro Probabilidade de AIS3 Manequim com cinto de segurança Manequim sem cinto de segurança Cabeça HIC 0,0082 0,249 Pescoço N ij 7,3 21,8 F z 0,004 0,05 A max 9,4 9,6 Tórax D max 3,0 2,5 CTI 0,2 0,1 Bahling et al. [7], demonstrava que a deformação do teto iniciava posteriormente a força no pescoço do ocupante, isto foi concluído tanto para veículos de produção quanto para veículos com reforços nas colunas, as chamadas gaiolas de segurança muito usadas por carros que participam de corridas. Entretanto, outros peritos em segurança veicular declaram que esse esmagamento de teto está ligado as sérias e fatais lesões na cabeça e pescoço, resultado de acidentes de rolamento (Friedman e Nash, [8]; Grzebieta et al., [9]). Com o intuito de investigar a influência ou não do esmagamento do teto no possível aumento de lesões e fraturas no pescoço, realizamos um modelo de veículo com estrutura do teto de menor resistência. Por meio das cargas obtidas no pescoço do manequim comparamos os resultados com o modelo original, sem alteração na estrutura do teto, e verificamos que a rigidez do teto, em especial a estrutura lateral do teto tem grande influência na compressão do pescoço do ocupante, Figura 6.

9 Figura 6 Comparativo da força de compressão no pescoço do manequim para modelo original e modelo com teto de resistência menor. Da Figura 6, redução na resistência de teto causa um aumento da carga axial no pescoço, doravante a conclusão é que a rigidez do teto tem grande influência na probabilidade de ocorrência de lesões no pescoço e, portanto na coluna cervical. 4. CONCLUSÕES A norma FMVSS 216 não representa as cargas reais que ocorrem durante o evento de rolamento veicular. Mesmo que veículo seja aprovado pela norma FMVSS 216 não significa que os ocupantes não sofrerão lesões em caso de um acidente que envolva rolamento. O esmagamento de teto combinado com o mergulho do ocupante em direção ao teto causa aumento na carga axial no pescoço no teste SAE J2114. Esta carga axial no pescoço pode causar lesões sérias. Resultados das simulações computacionais mostram que o ocupante usando cinto de segurança não sofre lesão, contudo se o ocupante não usar cinto de segurança existe 21.8% de probabilidade de lesão grave no pescoço. Durante a primeira rotação completa do veículo se um motorista não estiver usando cinto de segurança à probabilidade de ocorrer uma lesão grave no pescoço é 3 vezes maior do que se estiver usando cinto de segurança. O esmagamento de telhado tem uma grande influência na carga axial de pescoço. REFERÊNCIAS [1] Young, D., et al., 2006, Diving vs Roof Intrusion: A Review of Rollover Injury Causation, International Journal of Crashworthiness, Vol. 12 No. 6 pp

10 [2] NHTSA, 2005, National Highway Traffic Safety Administration, Federal Motor Vehicle Safety Standards: Roof Crush Resistance. FMVSS Standard No [3] Deshmukh, P.S., 2006, Rollover and Roof Crush Analysis of Low-Floor Mass Transit Bus, Master of Science Dissertation, Wichita State University. [4] Anderson, R.W.G., 2000, A study on the biomechanics of axonal injury, Thesis, Department of Mechanical Engineering, The University of Adelaide. [5] Lima, A., 2009, Simulação Numérica de Capotagem de Veículos Automotores Comparação entre Normas e Verificação de Riscos de Lesões ao Condutor, Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. [6] Hodgson, V. R. and Thomas, L. M., 1980, Mechanisms of Cervical Spine Injury During impact to The Protected Head, SAE Paper # [7] Bahling, G., Bundorf, R., Kaspzyk, G., Moffat, E., Orlowski, K. and Stocke, J., 1990, Rollover and Drop Tests - The Influence of Roof Strength on Injury Mechanics Using Belted Dummies, Proceedings of the 34 th Stapp Car Crash Conference, Orlando, FL. [8] Friedman, D. and Nash, C. E., 2001, Advanced Roof Design for Rollover Protection. 17th International Technical Conference on the Enhance Safety of Vehicles, Amsterdam, The Netherlands. [9] Grzebieta, R.H., Young, D., Bambach, M. and McIntosh, A., 2007, Rollover Crashes: Diving Versus Roof Crush, 20 th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Lyon, France.