VELOCIDADE E TRAUMA EM ACIDENTES ENVOLVENDO MOTOCICLOS

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1 CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 RM Natal Jorge, JMRS Tavares, JL Alexandre, AJM Ferreira, MAP Vaz (Eds) VELOCIDADE E TRAUMA EM ACIDENTES ENVOLVENDO MOTOCICLOS Pedro M. A. Talaia 1, 2, Luděk Hynčík 2*, Michal Hajžman 2 1 IDMEC-pólo feup; Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto; Rua Dr. Roberto Frias; Porto; Portugal; ptalaia@fe.up.pt 2 Departamento de Mecânica, Faculdade de Ciências Aplicadas, University of West Bohemia, Pilsen, República Checa, { * hyncik, mhajzman}@kme.zcu.cz sa@mail.aa Palavras chave: segurança em acidentes, análise de acidentes, motociclos Resumo Este trabalho foi realizado no âmbito do projecto europeu MYMOSA (MotorcYcle and MOtorcyclist SAfety, Segurança de Motociclos e Motociclistas). Foi criado um modelo multicorpo de um adulto do sexo masculino, percentil 50, para análise de acidentes com enfâse em motociclos (PTW Power Two-Wheeler) e avaliação de trauma. Neste trabalho apresenta-se um estudo comparativo envolvendo um impacto frontal entre um PTW e uma carrinha, designada por Van. As velocidades iniciais para o PTW e a Van são definidas. A Van tem uma desaceleração de 0.8g (exceptuando os casos em que já se encontra parada). Os valores de HIC (Head Injury Criterion) e max(g) (aceleração máxima) são calculados para o motociclista para o impacto como o veículo (designado como impacto principal) e com o terreno (designado como impacto secundário). De notar que apesar de não haver grandes diferenças nos indicadores de trauma para o primeiro impacto, para pares de velocidade complementares, o impacto secundário é mais gravoso quando a velocidade da Van é superior ao do PTW. Em todas as simulações, o motociclista tinha capacete. O mesmo acidente sem capacete resultaria num agravar dos critérios de trauma. Note-se que há relatórios de peritagens que documentaram o desacoplamento do capacete algures após o primeiro impacto. Este desacoplamento agravará os indicadores de trauma para o impacto secundário.

2 Pedro M. A. Talaia, Luděk Hynčík, Michal Hajžman 1. Introdução Este trabalho foi realizado no âmbito do projecto europeu MYMOSA (MotorcYcle and MOtorcyclist SAfety, Segurança de Motociclos e Motociclistas). Este projecto focado na segurança activa e passiva do motociclo e do motociclista agrupa quatro grandes áreas: dinâmica do acidente, segurança integrada, equipamento de protecção e biomecânica. O objectivo da nossa tarefa consiste na criação de um modelo multicorpo de um adulto do sexo masculino, pertencente ao percentil 50, para análise de acidentes com enfâse em motociclos (PTW Power Two-Wheeler) e avaliação de trauma. Para o efeito, um modelo multicorpo foi criado e recorreu-se a um modelo humano em elementos finitos para a avaliação de trauma. A oportunidade deste projecto, bem como de outros que enfocam a problemática dos acidentes rodoviários advêm do facto que os próprios acidentes rodoviários serem uma triste realidade de qualquer país. O impacto desta problemática na sociedade e na economia é enorme. De acordo com a Comissão Europeia, foi registado mortes no ano de 2001 nas estradas europeias [1]. O número de óbitos tem sofrido uma ligeira diminuição devido aos esforços de várias entidades, mas o número absoluto de acidentes envolvendo PTW permanece quase igual, ou seja, há um claro deficit no aumento da segurança deste grupo específico de usuários das vias rodoviárias. A contribuição das PTW em termos de mortes em 2006 em vários países europeus é ilustrada na Figura 1. Actualmente o número global anda em torno dos 20%. Números de 2006 indicavam um peso de cerca de 2% no PIB europeu devido a custos directos e indirectos devidos à sinistralidade rodoviária [2]. Com a melhoria dos cuidados primários e eficácia de pronto socorro e transporte dos sinistrados, o peso no PIB poderá ser maior. De notar que o custo projectado ao PIB de 2010 para a União europeia, dá um total de 326 mil milhões de dólares, o que representa aproximadamente o PIB da Finlândia, ou uma vez e meia o PIB de Portugal para o mesmo ano. Números de um dos últimos relatórios Global status report on road safety, da OMS (Organização Mundial de Saúde), aponta para cerca de um milhão e 270 mil mortes nas estradas do mundo no ano de 2008 e esses números são apenas para o chamado grupo frágil: PTW, bicicletas e peões. Figura 1: Percentagem de mortes de motociclistas versus total de mortes por país [1]. Últimas análises para o corrente ano civil em Portugal, tendo em conta a adopção do método de contagem de óbitos, incluindo as mortes a 30 dias ao invés do uso de factor de correcção indica que tal grupo frágil estava subamostrado, havendo uma realidade mais negra que aquela que aparentava ser. Para análise de acidentes envolvendo o chamado grupo frágil, recorreu-se a um modelo humano (Figura 2) usando o método de dinâmica multicorpo. A base do modelo teve como principio o trabalho de [3] e apresentado por [4]. A acoplagem do modelo com o PTW e definição de contactos é descrita por [5-7]. O modelo foi implementado usando o software Virtual.Lab Rev9 da LMS intl. Figura 2: Modelo do corpo humano, detalhe e aspecto do modelo parcialmente coberto com pele [4]. 2. Metodologia Para este trabalho, foi seleccionado um cenário de choque frontal (Figura 3) entre um motociclo (designado por PTW) e uma carrinha de caixa fechada (designada por Van). As velocidades iniciais para o PTW e a Van são pré-definidas. A Van quando inicia a simulação em movimento está a travar, com uma desaceleração de 0.8g. Considerou-se desprezável a influência da suspensão da Van e dos seus pneumáticos. A simulação do impacto frontal foi efectuada usando diversos pares de velocidade inicial para ambos os veículos. A reconstituição de cada cenário de acidente envolve todo a acidente, desde o primeiro impacto até o condutor atingir a posição de repouso ou imóvel. Para cada cenário, foi calculado para a cabeça do motociclista os valores de HIC

3 Pedro M. A. Talaia, Luděk Hynčík, Michal Hajžman (Head Injury Criterion, HIC15 é o valor de HIC (1) para um intervalo de tempo máximo de 15ms) e max(g) (aceleração máxima) de acordo com [8]. Dada a tipologia do acidente, houve uma divisão do acidente em dois sub-acidentes: impacto da PTW com a Van (designado como impacto principal) e impacto do motociclista com o terreno (designado como impacto secundário). 2.5 t t2 t (1) 1 t 1 HIC max a t dt t t A Tabela 1 mostra os vários valores de HIC15 e max(g) para a cabeça do motociclista nos vários pares de velocidade inicial dos veículos em impacto frontal. Pode-se observar na Figura 5 as posições respectivas do PTW e Van nos instantes 50ms e 100ms para os vários pares de velocidade inicial de impacto para os respectivos pares de veículos. A diferença de velocidades e energia tem um papel importante na trajectória do condutor, mas as diferenças entre valores HIC quando se alterna as velocidades dos veículos oferece valores semelhantes, notando-se um maior pico de aceleração da cabeça quando a Van impacta a velocidades superiores. Figura 3: Configuração inicial para a colisão frontal entre PTW e Van Em todas as simulações, o motociclista tinha capacete. O mesmo acidente sem capacete resultaria num agravar dos critérios de trauma. Note-se que há relatórios de peritagens que documentaram a desacoplamento do capacete algures após o primeiro impacto. Este desacoplamento agravará os indicadores de trauma para o impacto secundário. Este cenário não foi objecto de estudo neste trabalho. Para fins de avaliação da contribuição da topologia do veículo envolvido na colisão, um outro veículo foi também usado, usando o mesmo protocolo, mas usando um só par de velocidades de impacto. Para avaliação de trauma na cabeça do motociclista, recorreu-se à cabeça do modelo HUMOS2 [9] (Figura 4) em RADIOSS [10, 11], acoplada a um capacete. 3. Resultados e Discussão O primeiro aspecto que se observa é a diferença de energia entre os dois tipos de veículos no que concerne às suas massas (visto as velocidades iniciais do acidente serem semelhantes). Figura 4: HUMOS2 na posição erecta Podemos observar que a configuração de acidente escolhida para o impacto pode iniciar danos permanentes no cérebro para um par de velocidade de 30-30kph, obtendo valores de HIC15 de O menor HIC15, com valor igual a 361 para o impacto com a estrada não prevê a ocorrência de dano. Devemos manter a suposição de que o capacete permanece na posição, e o primeiro impacto não reduz a funcionalidade do capacete para Tabela 1: Valores de HIC15* e max(g)** para vários pares de velocidade de impacto para impacto primário e secundário Velocidade (kph) Impacto principal (c/ veiculo) Impacto secundário (c/ terreno) PTW-van HIC15 max(g) HIC15 max(g) * para as marcas de HIC: verde para valores inferiores a 750, amarelo até 1000, e vermelho para maiores que ** para as marcas de max(g): verde para valores inferiores a 250, amarelo até 350, e vermelho para maiores que 350.

4 Van = 30kph PTW = 30kph Van = 50kph PTW = 30kph Van = 50kph PTW = 70kph Van = 0kph PTW = 70kph Van = 0kph PTW = 48kph Pedro M. A. Talaia, Luděk Hynčík, Michal Hajžman absorver a energia de impacto secundário. O valor de HIC para o segundo impacto é muito sensível sobre a maneira como o corpo "cai" no solo. Se a cabeça cai em primeiro lugar do que por exemplo os ombros, tem-se então um maior pico de desaceleração na cabeça. O facto de a cabeça entrar em contacto com o chão mais tarde pode ser bom no instante do acidente, mas não é uma condição obrigatória para uma melhor recuperação desde o aparecimento de outros pequenos traumas, podendo t = 50ms causar a curto ou médio prazo complicações clínicas. Um valor mais baixo de HIC na cabeça pode também vir da dissipação de energia no pescoço, algo que também pode ser fatal para o condutor. Os dados que fornecem os valores apresentados na Tabela 1 são ilustrados na Figura 6 para o intervalo de tempo que contém o impacto primário (impacto entre o PTW e respectivo condutor e o veículo oposto, a Van, durante o instante 0ms até 150ms), e Figura 7 para o t = 100ms Figura 5: Posição da PTW e van para impacto frontal entre nos diferentes velocidades de impacto nos tempos 50ms e 100ms respectivamente (continua)

5 acceleration [g] Van = 70kph PTW = 50kph Van = 70kph PTW = 30kph Van = 30kph PTW = 70kph Van = 30kph PTW = 50kph Pedro M. A. Talaia, Luděk Hynčík, Michal Hajžman t = 50ms t = 100ms Figura 5: Posição da PTW e van para impacto frontal entre nos diferentes velocidades de impacto nos tempos 50ms e 100ms respectivamente (continuada) intervalo de tempo que contém o impacto secundário (impacto entre o condutor e o chão, depois de trajectória voo, instante 1s até 1,3s). Na Figura 6, é reconhecido o mesmo padrão de aceleração para as velocidades de impacto entre o PTW e Van para os pares de velocidade [em kph]: com 70-50, com e com Esse padrão é confirmado pelos respectivos valores similares de HIC: 9362 com 9512, 6967 com 6998 e 3397 com 3076 respectivamente. A diferença vem quando a Van é o veículo mais rápido, onde o max (g) é ligeiramente maior. No intervalo de tempo 50ms até 100ms é notório que cada cenário começa a seguir uma tendência independente, começando neste intervalo o período de voo. O tempo de voo depende da própria configuração do capot após o impacto do condutor com a frente do veículo. O modo de ricochete corresponderá a acelerações diferentes em várias partes do corpo, que significa também que que a cabeça está sujeita a acelerações diferentes PTW 48kph Van 0kph [HIC = 1068] PTW 70kph Van 0kph [HIC = 2339] PTW 70kph Van 50kph [HIC = 9512] PTW 30kph Van 50kph [HIC = 3397] PTW 30kph Van 30kph [HIC = 1491] PTW 50kph Van 30kph [HIC = 3076] PTW 70kph Van 30kph [HIC = 6998] PTW 30kph Van 70kph [HIC = 6967] PTW 50kph Van 70kph [HIC = 9362] time [ms] Figura 6: Aceleração ao longo do tempo para o primeiro impacto da cabeça (com o veículo) e respectivo valor de HIC

6 acceleration [g] A Figura 7 mostra 2 casos (entre todos os outros casos) em que a cabeça com capacete está ressaltando no chão de forma semelhante: PTW em 70kph e Van 50kph, e, em seguida, PTW em 30kph e Van de 70kph. O rápido ricochete observado corresponde a um alto valor de HIC, mas valores de HIC15 não tão elevados estão presentes após e/ou antes do intervalo de tempo para o HIC15 calculado, uma vez que este parâmetro considera apenas um intervalo de tempo menor ou igual a 15ms. Se os picos de aceleração estão num período de tempo maior do que 15ms, o pior cenário (maior HIC) é apresentado, mas os outros valores de HIC para os outros picos podem ser na mesma ordem de grandeza. Estas solicitações após os altos valores observados no impacto com o pára-brisas podem majorar o trauma causado nesse primeiro impacto. Pedro M. A. Talaia, Luděk Hynčík, Michal Hajžman PTW 48kph Van 0kph [HIC = 14] PTW 70kph Van 0kph [HIC = 40] PTW 70kph Van 50kph [HIC = 987] PTW 30kph Van 50kph [HIC = 484] PTW 30kph Van 30kph [HIC = 361] PTW 50kph Van 30kph [HIC = 509] PTW 70kph Van 30kph [HIC = 410] PTW 30kph Van 70kph [HIC = 4327] PTW 50kph Van 70kph [HIC = 174] Figura 8: Imagens da reconstituição do acidente aos instantes 50, 100 e 150ms no impacto entre PTW e outro veículo (van à direita, state à esquerda) time [ms] Figura 7: Aceleração ao longo do tempo para impacto secundário Para avaliar a influência de um veículo com outra topologia no caso do mesmo tipo de acidente, recorreu-se a um veículo ligeiro de passageiros tipo State, onde as dimensões são baseadas num modelo de veículo existente no mercado europeu. O par de velocidades seleccionado foi o de kph, usando o mesmo protocolo. A Figura 8 ilustra a posições respectivas do PTW, veículo oposto e posição do motociclo, para os instantes 50, 100 e 150ms. É notória a diferente direcção adoptada pelo motociclista após o primeiro impacto, sendo no caso do State não projectado para a frente, mas para cima. Além do State ser menos agressivo perante o motociclo que a Van para o par de velocidades usado para comparação, pode-se ver que os danos que tal configuração de acidente causa na cabeça do motociclista é semelhante, como se pode observar nas Figura 9 e Figura 10. Figura 9: Secção da cabeça e pescoço do motociclista, com capacete, embatendo no capot da Van. Figura 10: Secção da cabeça e pescoço do motociclista, com capacete, embatendo no capot da State.

7 Pedro M. A. Talaia, Luděk Hynčík, Michal Hajžman 4. Conclusões Este estudo avalia as consequências de impacto frontal entre um PTW e uma Van, e respectivas consequências no motociclista. A metodologia empregue demonstra de forma clara as fragilidades dum dos membros do gripo de risco, os motociclistas. É analisado também a importância da análise do impacto secundário quando se analisa motociclistas. Uma primeira comparação entre o veículo em foco e outro de topologia diferente é usado, como uma primeira comparação do dano causado ao motociclista. Os resultados obtidos são muito interessantes, validam a metodologia usada e sugerem novos estudos análogos. [8] Arbeitskreis Messdatanverarbeitung Fahrzeugscherheit, Crash analysis criteria description - version [9] Arnaux, P., K. Kayvantash, and L. Thollon, The RADIOSS Human Model for Safety (HUMOS) Validation of the Radioss HUMOS model; Definition of a model evaluation procedure Model Version 14D. [10] Altair Engineering, Inc, RADIOSS theory manual version Large displacement finite element analysis - Part 1. Vol : Altair Engineering, Inc. [11] Altair HyperWorks. [cited 2007; Agradecimentos Este trabalho foi realizado com o apoio do projecto europeu MYMOSA, acções Marie Curie, projecto Nº MRTN CT da Comissão Europeia no 6º Programa Quadro e pela bolsa de investigação SFRH/BI/33924/2009, da Fundação para a Ciência e a Tecnologia. Os autores agradecem também a empresa LMS intl pelo fornecimento do software Virtual.Lab e respectivo treino e suporte, e a empresa ALTAIR France pelo modelo HUMOS2, e respectivo treino suporte Referências [1] Tostmann, S. Powered two-wheelers and Road Safety: taking stock -looking ahead. in Safety ACEM Conference Brussels. [2] European Union Road Federation and International Road Federation, "Intelligent Roads" - What can the Road community expect from GALILEO? [3] Robbins, D.H., Anthropometric specifications for mid-sized male dummy Volume , University of Michigan: Michigan. [4] Talaia, P., D. Moreno, M. Hajžman, and L. Hynčík, A 3D model of a human for powered two-wheeler vehicles, in ISMA 2008 International Conference on Noise & Vibration Engineering. 2008: Leuven, Belgium. [5] Giner, D., J. Kang, P. Talaia, M. Hajžman, L. Hynčík, and G. Evangeli, Development of overall methodology for accident simulations, in for the Marie Curie Actions project, RTN action MRTN-CT "MYMOSA", of the European Community within the 6th Framework Program [6] Manka, M., D. Giner, J. Kang, P. Talaia, M. Hajžman, L. Hynčík, M. Toma, and F. Njilie, Detailing of the underlying critical aspects, in for the Marie Curie Actions project, RTN action MRTN-CT "MYMOSA", of the European Community within the 6th Framework Program [7] Giner, D., J. Kang, M. Toso, L. Ciubotaru, M. Manka, S. Donders, P. Talaia, M. Hajžman, L. Hynčík, M. Toma, and A.F. Njilie, Integration into a vehicle/rider model for full-scale simulations, in for the Marie Curie Actions project, RTN action MRTN-CT "MYMOSA", of the European Community within the 6th Framework Program