X CONVEGNO
NAZIONALE
S.I.I.V.
ANALISI CRITICA DELLE ATTUALI NORME
SULL’OMOLOGAZIONE DELLE BARRIERE
DI SICUREZZA STRADALI
Salvatore Leonardi
Giuseppina Pappalardo
Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale
Università di Catania – Viale Andrea Doria 6 – 95125 – Catania – Italy
Tel: +39.095.7382202
Fax: +39.095.7382247
E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected]
X CONVEGNO S.I.I.V. – CATANIA – 26/28 OTTOBRE 2000
ANALISI CRITICA DELLE ATTUALI NORME
SULL’OMOLOGAZIONE DELLE BARRIERE
DI SICUREZZA STRADALI
SALVATORE LEONARDI – D.I.C.A. – Università degli Studi di Catania
GIUSEPPINA PAPPALARDO – D.I.C.A. – Università degli Studi di Catania
SOMMARIO
La legislazione italiana sulla progettazione, omologazione ed impiego delle barriere di
sicurezza è stata caratterizzata da un rapido processo evolutivo. Tuttavia, restano ancora
alcuni aspetti da rivedere. In questa memoria, si cercherà di dimostrare come i veicoli
utilizzati nelle prove di crash condizionano in maniera determinante l’esito delle prove
medesime. L’introduzione di alcuni indicatori di sicurezza e l’impiego di un originale
modello di simulazione forniranno gli strumenti adatti al perseguimento dell’obiettivo
proposto.
ABSTRACT
The Italian legislation about design, homologation and use of the road safety barrier has
been characterized by a rapid evolutionary process. However, some aspects remain still
see again. In this paper, we’ll try to demonstrate as the vehicles, used during the crash –
tests, qualify very much test’s result. The introduction of some safety’s indices and the
employment of an original simulation’s model will provide right instruments for pursuit
of the proposed object.
1. INTRODUZIONE
Nell’ambito degli interventi mirati al miglioramento della sicurezza stradale,
particolare interesse meritano le barriere di sicurezza le quali, come dispositivi di
sicurezza passiva, devono svolgere il compito di minimizzare le conseguenze degli
impatti da parte dei veicoli. In ambito nazionale, sono già numerosi gli studi che, anche
grazie a sofisticati modelli di simulazione, hanno consentito di analizzare criticamente
le questioni inerenti all’omologazione ed alla messa in opera degli elementi di ritenuta.
Il nostro gruppo di ricerca, cimentandosi per la prima volta nello studio di tali
problematiche, vuole apportare un contributo originale mirato alla revisione ragionata
dei decreti normativi che regolamentano le modalità di omologazione dei dispositivi di
ritenuta stradali. L’analisi del breve ma “intenso” iter legislativo che ha portato, circa un
anno fa, alla stesura dell’ultimo decreto sulle prescrizioni tecniche per la progettazione,
l’omologazione e l’impiego delle barriere di sicurezza, ha evidenziato alcuni “punti”
che, a nostro avviso, sono da rivedere. In particolare, in questa memoria, si cercherà di
dimostrare come le indicazioni fornite dalle norme a proposito dei veicoli da utilizzare
nei crash – test, limitandosi a fornire la massa e le dimensioni dei veicoli di prova,
escludano totalmente tutte le implicazioni derivanti dalla presa in considerazione degli
effettivi requisiti di sicurezza offerti dalle diverse tipologie di veicoli. In altre parole, si
arriverà ad evidenziare come il tipo di veicolo che viene impiegato nella procedura di
taratura degli elementi di ritenuta è determinante per la caratterizzazione delle
prestazioni di sicurezza delle barriere medesime.
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1
Per il perseguimento dell’obiettivo appena dichiarato, si farà largo impiego di dati
sperimentali relativi sia a prove di crash su barriere, sia a test d’urto per la verifica del
livello di sicurezza offerto dai moderni autoveicoli.
La definizione, infine, di alcuni indicatori di sicurezza e l’elaborazione di un modello
analitico di simulazione permetteranno di quantificare il grado di protezione garantito
dagli autoveicoli e, conseguentemente, di diversificare i requisiti prestazionali delle
barriere stradali di sicurezza in funzione delle caratteristiche globali dei veicoli
realmente impattanti.
2. PROVE DI CRASH SULLE BARRIERE DI SICUREZZA: QUADRO
NORMATIVO
L’analisi dei decreti legislativi (il primo è del 1987, l’ultimo è datato 11/06/1999) ha
evidenziato come l’iter evolutivo abbia condotto all’introduzione di criteri di prova e di
parametri indicatori sempre più coerenti con le normative internazionali del settore [1].
La normativa italiana sulle barriere di sicurezza è abbastanza recente e non ancora
completamente sviluppata in rapporto all’importanza che questi dispositivi hanno nei
confronti della sicurezza stradale. In tale contesto, il parametro fondamentale, ai fini
della classificazione della severità degli impatti, è l’indice ASI (Indice di Severità
dell’Accelerazione) che misura la severità dell’urto sugli occupanti delle autovetture
considerati seduti con cinture di sicurezza allacciate:
1
2
2
2 2

  ay   az  
a
x
 
 +  +
ASI( t ) = 
 12g   9g   10g  


in cui ax , a y e az sono le componenti dell’accelerazione da misurare in un punto P
significativamente vicino al baricentro del veicolo mediate su di un intervallo mobile δ
di 50 ms e g è uguale a 9.81 m/s2.
Gli ultimi decreti ministeriali, inoltre, introducono due parametri tratti dalla
normativa europea; si tratta del THIV e del PHD. L’Indice THIV (Theoretical Head
Impact Velocity) esprime l’ipotetica velocità con la quale un occupante del mezzo va ad
urtare contro il bordo interno del veicolo in seguito all’impatto contro un dispositivo di
sicurezza. Può essere espresso secondo la formula:
[
]
THIV = v x (T ) + v y (T )
2
2
1
2
dove vx e v y sono le velocità, espresse in Km/h, relative del corpo rispetto al veicolo
riferite agli assi x e y e T è il tempo di primo contatto corpo – veicolo.
L’Indice PHD (Post – impact Head Deceleration), correlato con il precedente,
esprime i massimi valori delle decelerazioni subite dalla “testa teorica” (Theoretical
Head) dell’occupante dopo l’impatto (dopo cioè il momento di contatto corpo – veicolo,
che è anche il tempo di riferimento per la determinazione di THIV). Anche questo è un
parametro convenzionale. Si assumono validi i valori massimi delle accelerazioni in un
tempo di 10 ms:
[
]
1
PHD = max a 2x (t ) + a 2y (t ) 2
con t>T. I valori sono da esprimere in g.
In relazione poi ai requisiti di contenimento degli elementi di ritenuta, l’excursus
storico delle varie normative ha consentito di rilevare come si sia passati da barriere
troppo deboli per i veicoli merci (aventi un’altezza di 60 cm ed un’energia contenibile
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2
di 40-60 KJ) a quelle super resistenti, troppo forti per le autovetture (con altezza di 120
cm ed energia di 600-800 KJ). Nella nuova normativa (D.M.LL.PP. 3/06/98 e
D.M.LL.PP. 11/06/99) si pone come richiesta principale che le barriere, pur resistendo
all’azione dei veicoli pesanti, abbiano sempre un comportamento che salvaguardi e
protegga le vetture medio – leggere. Infatti:
♦ l’energia di contenimento massima è ridotta a 572 KJ (ed il baricentro è abbassato);
♦ si prescrive sempre la prova con la vettura leggera (imponendo l’ASI minore o
uguale a 1 per gli usi correnti, mentre l’ASI minore o uguale a 1.4 è accettato solo
per le zone con massimo pericolo in caso di superamento della barriera).
La legislazione vigente impone che le prove di omologazione delle barriere
avvengano con veicoli di cui sono resi noti solo la massa e le dimensioni (tabella 1) e di
cui non sono specificate le caratteristiche prestazionali specialmente nei termini
dell’effettivo regime di sollecitazioni che si innesca al momento dell’urto. Si avrà infatti
modo di osservare come il comportamento dei veicoli durante l’urto contro ostacoli sia
condizionato dalle caratteristiche strutturali e meccaniche dei veicoli medesimi.
Caratteristiche dei
veicoli
MASSA (kg)
Massa del veicolo
Compresa la
zavorra massima
Massa simulante il
conducente
Massa statica totale
del veicolo
DIMENSIONI (m)
Carreggiata delle
ruote (ant e post)
Raggio della ruota
(veicolo scarico)
Passo del veicolo
(tra gli assi estr.)
Numero di assi
Distanza dal suolo
del paraurti front.
TIPO DI
VEICOLO
CLASSI
N-H-TC
TC1/TC2
N1/N2
H1
H2
H3
H4a
H4b
825
1300
1500
10000
13000
16000
30000
38000
100
160
180
± 40
± 65
± 75
± 300
± 400
± 500
± 900 ± 1100
75
900
1300
1500
10000
13000
16000
30000
38000
1.35
1.40
1.50
2.00
2.00
2.00
2.00
2.00
0.46
0.52
0.52
0.55
0.55
4.60
5.90
6.70
11.25
≥2
0.58
≥3
0.58
≥4
0.58
Auto
carro
Auto
carro
± 40
± 65
± 75
± 300
± 400
2
2
2
2
0.58
6.50
4.10
2
0.58
Auto
vettura
Auto
vettura
Auto
vettura
Auto
carro
Bus o
autocarro
± 500
± 900 ± 1100
Tabella 1 – Veicoli e modalità di prove [1]
3. PROVE DI CRASH PER L’OMOLOGAZIONE DEGLI AUTOVEICOLI
E’ noto che le case automobilistiche [2] effettuino delle prove di crash sui modelli
prodotti, al fine di valutarne le prestazioni soprattutto per ciò che concerne la sicurezza
degli occupanti. In particolare, per determinare i limiti massimi per le sollecitazioni
subite dagli occupanti, nelle prove biomeccaniche vengono utilizzati dei manichini
speciali, i cosiddetti “Dummies”, con reazioni fedeli a quelle del corpo umano.
La prova eseguita con impatto frontale contro una barriera rigida, con il 100% di
sovrapposizione, causa la più forte decelerazione del veicolo e, conseguentemente, la
maggiore sollecitazione agli occupanti. Comunque, la tensione strutturale, per la scocca
della vettura, è relativamente bassa perché l’energia cinetica, che può essere assorbita è
distribuita per tutto il peso del veicolo. Questo tipo di crash test, condotto alla velocità
di 50 km/h, è l’unico obbligatorio in Europa.
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3
Un’altra prova d’impatto è quella contro una barriera inclinata di 30°, rispetto
all’asse verticale del veicolo, sia a destra che a sinistra. Il veicolo testato scorre sulla
barriera in direzione laterale. Le componenti della forza, lateralmente alla direzione di
guida, causano una torsione del veicolo.
Per modellare una situazione veritiera di impatto frontale, dal 1990 tali prove sono
condotte contro una barriera rigida con il 40% di sovrapposizione (fig. 1). Tale test
rileva risultati differenti, dipendenti, per esempio, da come il blocco motore impatta
contro la barriera e come contribuisce all’assorbimento dell’energia cinetica.
Figura 1 – Impatto frontale con il 40% di sovrapposizione contro una barriera
deformabile [2]
Figura 2 – Tipologie di crash test (impatti frontali) [3]
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4
Tuttavia, per garantire una maggiore sicurezza, i risultati di tale prova vengono
confrontati con quelli provenienti da quella compiuta con il 100% di sovrapposizione.
Nella figura 2 vengono rappresentati i principali test di impatto frontale, in funzione
della velocità, del carico nell'auto e degli obiettivi di tali prove.
Infine, nei casi normali, per analizzare il comportamento del veicolo in caso di urto
posteriore, viene utilizzata una barriera rigida del peso di 1800 kg: per la velocità di
prova di 50 km/h, nella fattispecie, si esamina la solidità del serbatoio della benzina, la
struttura del veicolo, le sollecitazioni a cui vengono assoggettati gli occupanti e la
stabilità della scocca.
4. ELABORAZIONE DI UN MODELLO ANALITICO PER LA SIMULAZIONE
DEGLI URTI VEICOLARI CONTRO BARRIERE DEFORMABILI
L’obiettivo dichiarato della presente ricerca è quello di evidenziare l’importanza dei
veicoli di prova nella caratterizzazione funzionale delle barriere di sicurezza. Si è
pertanto ritenuto opportuno elaborare un modello analitico semplificato che valuti i
parametri associati al verificarsi degli urti veicolari contro i dispositivi di sicurezza,
permettendo, nel contempo, di mettere in conto le peculiarità dei singoli veicoli.
Nel presente paragrafo verranno sinteticamente indicate le formulazioni che hanno
permesso di approntare il modello di simulazione degli urti veicolari contro le barriere
di ritenuta, nelle condizioni dedotte da dati sperimentali sulle prove di crash su barriere
effettuate ad Anagni tra il 1998 ed il 1999 [4]. Nel paragrafo successivo sarà esposta la
procedura di calcolo elaborata al fine di consentire la valutazione degli indicatori
dell’urto in funzione delle prestazioni di sicurezza offerte dai diversi tipi di veicoli.
Il punto di partenza della procedura proposta ha origine da un modello matematico
ampiamente tarato per lo studio degli urti contro ostacoli rigidi [5], [6]. Tramite una
serie di opportuni “aggiustamenti” si è giunti alla formulazione di una metodologia
analitica per la simulazione degli urti inclinati contro barriere di sicurezza deformabili.
Si suppone che la legge di variazione dell’accelerazione subita dal veicolo a partire
dall’istante in cui inizia l’urto (τ=0) sia:
[
a = − (1 − τ) − (1 − τ )
β
β +1
]cV tsen α
1
(1)
2
dove:
t
è il tempo adimensionalizzato ( 0 ≤ τ ≤ 1 );
t2
¾ c e β sono costanti adimensionali;
¾ α è l’angolo d’impatto.
Dall’integrazione della (1) si ricava il seguente andamento della velocità V:
¾ τ =
 (1 − τ )β +1 (1 − τ )β + 2 
V = −cV1 sen α 
−
+K
1
2
β
+
β
+


(2)
Le velocità all’istante t1 (τ=0) ed all’istante t2 (τ=1) valgono:
V1 = −
cV1 sen α
+K
(β + 1)(β + 2)
V2 = K
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(3)
(4)
5
Si può introdurre un “coefficiente di restituzione” e* dato dal rapporto tra la
velocità al termine dell’urto e la velocità all’inizio dell’urto, ovvero:
e* = −
V2
K (β + 1)(β + 2 )
=
V1 cV1 sen α − K (β + 1)(β + 2 )
(5)
La costante di integrazione K vale quindi:
K=
cV1 sen α ⋅ e *
(1 + e *)(β + 1)(β + 2)
(6)
Introducendo la (6) nella (3) e risolvendo in c si ottiene:
c = −(1 + e *)(β + 1)(β + 2 )
(7)
L’espressione della legge V (t) è quindi la seguente:
{
V = V1 sen α (1 + e *)[1 + τ(β + 1)](1 − τ )
β +1
}
− e*
(8)
che, integrata, dà lo schiacciamento s del veicolo:



β +1
β+ 2
s = V1 sen α ⋅ t 2 − (1 − e *)(1 − τ ) −
(1 − τ)β+ 3  − e * τ + K 1 
β+3




(9)
All’istante t=0 lo schiacciamento è nullo; di conseguenza la costante di integrazione
K1 può essere calcolata mediante la condizione s=0 per τ=0:
K1 =
La (9) diviene quindi:
s = V1 sen α ⋅ t 2
2(1 + e *)
β+3
(10)
(1 + e *) {2 − (1 − τ)β+ 2 [2 + (β + 1)τ]}− e * τ
β+3
(11)
Lo schiacciamento residuo del veicolo s2 può essere immediatamente calcolato dalla
(11) ponendo τ = 1 :
 2(1 + e *)

s 2 = V1 sen α ⋅ t 2 
(12)
− e *
 β+3

Nel caso di urto perfettamente elastico, cioè con e*=1, lo schiacciamento residuo
deve essere nullo. Da tale condizione si ricava un primo legame tra β ed e*: β=1 se
e*=1.
I parametri β ed e* dipendono non solo dalle caratteristiche strutturali del veicolo,
ma anche dalle modalità di impatto.
Un primo parametro che dipende solo dal veicolo è la sua rigidezza nell’istante in cui
esso entra in contatto con la barriera. Si può definire un modulo di schiacciamento K
come:
cm m(1 + e *)(β + 1)(β + 2 )
(13)
K=− 2 =
t2
t 22
Il valore di K può essere agevolmente ricavato da prove d’urto. Un valore suggerito
da Macmillan è K=1.2 MN/m.
Un altro parametro legato direttamente al coefficiente di restituzione è Kr:
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6
Kr = m
V1 sen α(1 + e *)
t 2 ln (1 / e *)
(14)
Anche Kr può essere misurato durante una prova d’urto. Un valore suggerito per
vetture europee di medie dimensioni è Kr=65 KN.
La costante β è legata ad e*. Si può supporre che, almeno nell’intorno di e*=0, cioè
per urti molto anelastici, la legge β (e*) sia approssimabile con l’equazione:
β = β 0 − (β 0 − 1) ⋅ e *
(15)
β0 può essere considerato un parametro caratteristico del veicolo e può essere definito
“indice strutturale”. Veicoli con elevato valore di β0 sono caratterizzati da una parte
anteriore molto rigida, mentre il contrario avviene per veicoli con basso valore di β0. Per
un’autovettura media europea si può porre β0 =2.
Un altro parametro che è necessario introdurre è il modulo di deformazione della
barriera (Kb) [7]; si tratta di un coefficiente che deve mettere in conto l’influenza dei
parametri che determinano l’effetto catenaria della barriera e che, nel contesto del
modello matematico, è rappresentato da un fattore moltiplicativo del modulo di
schiacciamento del veicolo (K). La deduzione del modulo Kb avviene a mezzo della
seguente procedura a cascata:
™ acquisizione dei dati relativi alle tre componenti dell’accelerazione che, in una
prova di crash su barriera, vengono registrati in corrispondenza di un punto del
veicolo posto in prossimità del baricentro;
™ calcolo del modulo complessivo dell’accelerazione, mediante la composizione
algebrica delle tre componenti valutate al punto precedente;
™ attivazione di un processo iterativo che impone che il valore massimo ricavato
analiticamente sia uguale a quello dedotto sperimentalmente.
Il processo iterativo di taratura del modello si arresta non appena si attinge al valore
del modulo Kb che, coerentemente con i valori di e*, permette il soddisfacimento
dell’uguaglianza tra i valori massimi delle accelerazioni (quella reale e quella simulata
analiticamente) che si manifestano nell’intervallo di tempo in cui si espletano le
modalità dell’urto.
Note tali caratteristiche del veicolo, la massa e la velocità possiamo risolvere
numericamente la seguente equazione in e*:
K b KmV12 ⋅ sen 2 α   1
= ln *
K 2r
 e



2
(β 0 + 2)(β 0 + 1) − e * (β 0 − 1)(2β 0 + 3) + e *2 (β 0 − 1)2
(1 + e )
*
(16)
Noti e*, β0 e Kb, le relazioni permettono di calcolare β e t2.
Con tutti questi dati a disposizione possiamo ricavare le leggi di variazione della
forza, degli schiacciamenti, della velocità e dell’accelerazione.
A supporto del modello di simulazione degli urti veicolari contro le barriere di
sicurezza, si è ritenuto opportuno elaborare un software in grado di calcolare tutti i
parametri appena analizzati.
E’ stato così sviluppato il software S.U.B.S. (Simulazione degli Urti contro le
Barriere di Sicurezza) [7]: è un’applicazione che gira sotto Microsoft Excel ® e
sostanzialmente si fonda sull’assemblaggio di una serie di fogli di lavoro tra loro
collegati (fig. 3).
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7
Figura 3 – Schermata del software S.U.B.S. relativa alla scelta del veicolo, del sistema di
ritenuta e successiva elaborazione dei dati [7]
5. INTRODUZIONE DELL’INDICE DI DANNO DEL GUIDATORE
L’architettura del modello analitico esposta al paragrafo precedente non mette ancora
in conto l’influenza delle diverse tipologie di veicoli sui risultati dei crash – test. In
realtà, le prove di crash sui veicoli evidenziano come il livello di protezione offerto agli
occupanti possa essere notevolmente variabile, in quanto determinato dalle
caratteristiche meccanico – costruttive tipiche dei veicoli medesimi. L’obiettivo che ci si
prefigge di ottenere adesso è quello di introdurre degli indicatori che, inglobando una
serie di parametri direttamente associati al grado di sicurezza offerto agli occupanti
degli autoveicoli che urtano, consentano di diversificare le prestazioni offerte dai
dispositivi stradali di ritenuta in funzione del tipo di veicolo collidente.
Si è già notato come la normativa europea e, conseguentemente, anche quella
italiana, abbiano preso in considerazione alcuni indicatori (THIV e PHD) che, ancora
meglio dell’indice A.S.I., permettono un primo approccio verso la quantificazione dei
danni potenzialmente occorrenti agli utenti dei veicoli impattanti. Nell’ambito del
nostro modello di simulazione, si è voluto però spingersi oltre, prendendo in
considerazione ulteriori parametri dedotti dalla letteratura traumatologia americana.
Il primo criterio che prendiamo in esame è quello relativo ai danni alla testa
dell’occupante basato su un indicatore, l’HIC (Head Iniury Criterion) [3], utilizzato da
oltre 25 anni dal NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration).
L’espressione analitica dell’HIC è la seguente:
 1
HIC = max
 t 2 − t1


∫t a res dt 
1

t2
2.5
(t 2 − t 1 )
(17)
dove t1 e t2 sono due tempi arbitrari e ares è la risultante dell’accelerazione della testa.
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8
L’intervallo deve essere scelto in maniera tale che risulti minore di 36 ms e che
massimizzi l’HIC. Infatti le ferite alla testa sono correlate all’intensità e alla durata
dell’accelerazione.
La quantità t2-t1 può essere sostituita dal valore ∆ t [8]. La (17) diventa:
 1 t + ∆t

HIC * g = ∆t 
agdt 
∫
 ∆t t

2.5
(18)
Possiamo sostituire l’integrale con la variazione di velocità che si verifica
nell’intervallo di tempo ∆ t:
 ∆V 
HIC = ∆t 

 g∆t 
2.5
(19)
Per la procedura NHTSA, ∆ t deve essere minore di 36 ms, ma da studi effettuati
utilizzando i dati provenienti da prove ATD (Anthropometric Test Devices) si nota che
tale valore oscilla intorno a 12 ms.
Scelto ∆ t=12 ms, a= 10 m/s2 e ∆ V=V0-VC (dove V0 è la velocità del veicolo prima
dell’urto e VC è la velocità d’impatto comune sia al veicolo che all’occupante, posto che
la testa di questi sia a contatto con la portiera già prima della collisione), dobbiamo
imporre che:
HIC<1000
L’indice che consente di quantificare i danni subiti dal torace in caso di impatto è il
“Thoracic Trauma Index (TTI)” [9]:
TTI = 0.5(G R + G LS )
(20)
dove GR è la massima accelerazione della costola e GLS è il massimo valore
dell’accelerazione nella parte più bassa della colonna vertebrale. I valori standard di tale
indice variano tra 85 e 90.
E’ possibile far riferimento ad una procedura analitica per calcolare il TTI [8]; le
leggi della cinematica consentono di evincere la seguente relazione:
Vf = Vi + a∆t
(21)
dove:
Vf = velocità finale del torace;
Vi = velocità iniziale del torace;
a = accelerazione media del torace;
∆t = tempo d’urto.
Posto che l’accelerazione media della costola del dummy sia uguale a TTI quando
questo è a contatto con la portiera si ottiene:
TTI * g =
Vf − Vi ∆V
=
∆t
∆t
(22)
Dalle simulazioni di urti di veicoli contro barriere si è notato che il tempo di contatto
tra il torace del dummy e la portiera deve essere minore di 15 ms. Posto, quindi, ∆ t =
15 ms e ∆ V = V0-VC , si deve verificare che:
TTI * g < 90g
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(23)
9
Il criterio per la determinazione dei danni al bacino è dato dal parametro Py, pari a:
(P
y
 ∆V 
* g )max = 
≤ 1300m / s 2

t
∆

 max
(24)
dove ∆ t = 10 ms [8], [9].
Una volta introdotti gli indicatori suddetti (HIC, TTI, Py), per verificare in che modo
i costruttori degli autoveicoli siano fortemente interessati ai problemi che gli occupanti
possono avere durante un incidente, abbiamo preso in esame un campione statistico di
55 veicoli scelti tra quelli presenti sul mercato automobilistico.
Basandoci su dati provenienti dal “Euro NCAP” [2] (ente americano che esegue le
prove di crash) si sono analizzati i dati relativi alla protezione che gli autoveicoli
offrono nei confronti del guidatore e del passeggero in caso d’impatto frontale e laterale.
Ciò ha consentito di definire un indicatore che tenga conto dei danni occorrenti alla
regione temporale, al torace ed alla cintura pelvica.
Si tratta dell’Indice di Danno del Guidatore (IDG) così definito [7]:
I DG =
1
* ( I P ( COSCIADX ) + I P ( COSCIASX ) ) * PP ( CINTURAPEL VICA )
2
PP ( TESTA ) + PP ( TORACE ) + PP ( CINTURAPEL VICA )
I P ( TESTA ) * PP ( TESTA ) + I P ( TORACE ) * PP ( TORACE ) +
(25)
I termini IP sono gli indici di protezione, cioè i valori numerici stabiliti in funzione
della protezione offerta dal veicolo nei confronti del guidatore e del passeggero, in caso
d’impatto frontale e laterale. Per omogeneizzare le misure ottenute, sono stati introdotti
gli indici di ponderazione Ppi. Il loro valore è stato calcolato tenendo conto dei dati
relativi ai costi totali [10], presenti nel calcolo del danno (tab. 2).
Imponendo indice di ponderazione pari a uno al danno subito dal collo (trattasi della
regione corporale caratterizzata dai costi più bassi), si sono trovati i valori riportati nella
tabella 3. Riportando le interpolazioni dei risultati ottenuti per i 55 veicoli esaminati in
un unico grafico (fig. 4), è possibile evincere come i veicoli di grossa cilindrata
presentino dei valori più bassi rispetto a quelli di piccola cilindrata ed alle monovolume
e ciò palesa il maggior livello di protezione garantito da tale tipologia di veicolo.
In definitiva l'Indice di Danno del Guidatore (IDG), permette di inglobare, in un unico
parametro, le caratteristiche di sicurezza offerte dagli autoveicoli nel caso di prova
standard (urto frontale a 50 Km/h contro una barriera rigida).
Regione
corporale
Tessuti
Testa
Volto
Collo
Torace
Addome
Pelvi
Spinale
Estremità
superiori
Estremità
inferiori
Totale
SEVERITA’ DELLE FERITE
Serio
Severo
Critico
AIS=3
AIS=4
AIS=5
0.2
0.0
0.5
217.2
290.4
524.9
29.9
2.8
0.0
25.7
0.6
16.3
139.3
99.4
47.5
89.7
21.2
23.3
Minore
AIS=1
0.0
12.8
99.4
20.1
33.6
36.4
Moderato
AIS=2
4.3
116.6
80.3
14.1
63.7
64.8
Massimo
AIS=6
6.2
49.4
0.0
2.6
68.0
2.0
Non
noto
0.0
0.0
0.7
0.0
0.0
0.0
3.8
64.4
23.4
147.4
30.9
85.0
3.5
0.0
64.4
188.6
265.4
334.9
703.2
883.3
Totale
11.2
1211.2
213.1
79.5
451.4
237.4
42.8
0.0
18.3
0.0
0.0
0.0
122.7
296.7
0.6
0.2
0.0
0.0
519.3
418.4
655.6
146.4
0.7
3142.6
Tabella 2 – Costo totale dei danni causati a guidatori coinvolti in vari tipi di impatti (1991
milioni di $A, media degli anni 1988-90) [10]
X CONVEGNO S.I.I.V. – CATANIA – 26/28 OTTOBRE 2000
10
REGIONE CORPORALE
TESTA
COLLO
TORACE
ADDOME
ZONA PELVICA
COSCIA DX
COSCIA SX
GAMBA DX
GAMBA SX
PIEDE DX
PIEDE SX
INDICI DI PONDERAZIONE Ppi
IMPATTO FRONTALE
IMPATTO LATERALE
15
15
1
2.7
2.7
5.1
5.1
2.4
2.4
2.4
2.4
1
1
Tabella 3 – Indici di ponderazione [7]
Figura 4 – Confronto tra gli Indici di Danno del Guidatore per le tipologie di veicoli [7]
Il passo successivo è stato quello di definire una procedura che permettesse di
valutare l’Indice di Danno del Guidatore mettendo in conto la variabilità dei parametri
dell’urto (deformabilità dell’ostacolo, velocità del veicolo, angolo d’impatto). In primo
luogo si è pensato di normalizzare sia l'Indice di Danno del Guidatore sia tutti i
parametri che servono a quantificare i danni subiti dal conducente, ovvero l'HIC, il TTI
ed il Py. Il criterio di normalizzazione degli indici suddetti si basa sul rapporto tra il
valore assunto dagli indici medesimi ed il valore massimo ammissibile.
Nel caso particolare dell’Indice di Danno del Guidatore si è fatto riferimento ad un
fattore di normalizzazione pari ad 1/6, essendo, il valore 6, il massimo IDG che può
essere assunto dai veicoli in condizioni di assenza di sistemi di ritenuta [7]. In virtù di
tale criterio, gli indici normalizzati varieranno tra 0 ed 1 nel caso in cui ci si mantiene
entro i limiti consentiti, supereranno il valore unitario allorquando si dovesse attingere a
valori superiori a quelli ammissibili.
Si riportano di seguito le espressioni dei diversi indici normalizzati:
P
I
(I DG )n = DG (26), (HIC)n = HIC (27), (TTI )n = TTI (28), (Py )n = y (29)
6
1000
90
130
X CONVEGNO S.I.I.V. – CATANIA – 26/28 OTTOBRE 2000
11
E’ possibile definire poi un indice che permette di calcolare i danni che gli occupanti
di un veicolo subiscono in una condizione di prova standard (urto frontale contro
barriera rigida, alla velocità di 50 Km/h):
I ( Gravità )s =
(HIC) n * K 1 + (TTI ) n * K 2 + (Py ) n * K 3
(30)
K1 + K 2 + K 3
dove:
™ (HIC)n, (TTI)n, (Py)n sono i tre indici precedentemente descritti;
™ K1= 15, K2= 2.7, K3= 1 (tabella 3).
Introduciamo inoltre il parametro R pari a:
R=
(I DG ) n
I ( Gravità )s
(31)
dove:
™ (IDG)n è l’Indice di Danno del Guidatore in condizioni standard;
™ I(Gravità)s è l’Indice di Gravità in condizioni standard.
L’introduzione del parametro correttivo R è importante perché permette di valutare
l’Indice di Danno del Guidatore in tutte le condizioni di variabilità che possono essere
simulate tramite il modello analitico approntato; infatti ammettendo che, anche in
condizioni non standard, l’Indice di Danno IDG e l’Indice di Gravità stanno sempre nello
stesso rapporto, possiamo risalire all’Indice di Danno del Guidatore in condizioni
variabili (IDG)v mediante la relazione:
(I DG )v
(32)
= R * I ( Gravità ) v
dove R è il parametro prima definito ed I(Gravità)v è l’Indice di Gravità calcolato in
condizioni variabili di prova.
A completamento della procedura per la simulazione degli urti contro le barriere
stradali, si è voluto procedere alla caratterizzazione del livello di sicurezza del
guidatore, in relazione ai sistemi di ritenuta adottati.
Sappiamo infatti che i “dummy” utilizzati nelle prove di crash vengono dotati di
cinture di sicurezza ed, inoltre, la vettura utilizzata viene equipaggiata con air bag; in
tale contesto, è lecito supporre che il valore dell’indice IDG sia riferito alle condizioni
“ottimali” in cui il guidatore è protetto dalle cinture di sicurezza e dagli air bag.
REGIONE
CORPORALE
Testa e collo
Tronco
Arti superiori
Arti inferiori
NESSUN SISTEMA DI
RITENUTA
66.3
14.8
7.5
11.4
SOLO CINTURE
DI SICUREZZA
52.5
24.3
8.9
14.4
SOLO
AIR BAG
47.2
17.0
17.9
18.0
AIR BAG + CINTURE
DI SICUREZZA
47.9
21.7
22.6
7.9
Tabella 4 – Distribuzione delle ferite in funzione del tipo e dell’utilizzo dei sistemi di
ritenuta (NASS/CDS 1988-1992) [11]
Coefficienti
correttivi
K1
K2
K3
Nessun sistema di
ritenuta
1.38
0.68
0.33
Solo cinture di
sicurezza
1.10
1.12
0.39
Solo air-bag
0.98
0.78
0.79
Air–bag + cinture di
sicurezza
1.00
1.00
1.00
Tabella 5 – Coefficienti correttivi (K1, K2, K3) per la determinazione dell’Indice di Danno
del Guidatore in funzione dei dispositivi di ritenuta effettivamente adottati [7]
X CONVEGNO S.I.I.V. – CATANIA – 26/28 OTTOBRE 2000
12
Si è pertanto affinato il modello analitico elaborato introducendo la variabilità
dell’Indice di Danno del Guidatore in funzione dell’attivazione parziale o totale dei
dispositivi di protezione veicolari; in particolare, si è adottata la seguente espressione
dell’Indice di Danno:
I DG =
K1 * I P ( TESTA ) * PP ( TESTA ) + K 2 * I P ( TORACE ) * PP ( TORACE ) + K 3 *
1
* (I P ( COSCIADX ) + I P ( COSCIASX ) )* PP ( CINTURAPEL VICA )
2
(33)
PP ( TESTA ) + PP ( TORACE ) + PP ( CINTURAPEL VICA )
dove i fattori moltiplicativi K1, K2 e K3 sono stati dedotti dalla tabella 4 ed assumono i
valori riportati nella tabella 5.
Alla luce di queste considerazioni, con il modello analitico di simulazione sinora
descritto, abbiamo calcolato l’Indice di Danno del Guidatore per tre veicoli, al variare
della velocità e dell’angolo d’impatto, per ogni tipologia di barriera analizzata. Si
ricorda che, nell’ambito del presente studio, si è avuto modo di esaminare i dati
provenienti da una serie di crash test condotti tra il 1998 ed il 1999 su otto barriere
metalliche appartenenti a diverse classi di riferimento [4].
I tre veicoli scelti sono la Punto, essendo il veicolo tipo italiano, la Rover 100 e la
VW Golf, poiché sono, rispettivamente, i veicoli, nell’ambito della piccola cilindrata,
aventi il valore minimo e massimo di Indice di Danno del Guidatore, in condizioni
standard.
L’analisi svolta ci permette di affermare con assoluta certezza come le prove di crash
svolte per l’omologazione delle barriere di sicurezza siano fortemente influenzate dal
tipo di veicolo impiegato nella prova.
L’analisi delle figure 5, 6 e 7 mette, infatti, in risalto come, per le stesse tipologie di
barriere e per le medesime condizioni simulate (angolo, velocità), si manifestano livelli
di protezione sensibilmente differenti. Si ritiene pertanto fortemente consigliabile che i
“report” delle prove di crash evidenzino in maniera maggiore il tipo di veicolo utilizzato
nella prova, in quanto dalle caratteristiche della vettura di prova dipendono quei
parametri necessari all’omologazione delle barriere di sicurezza.
Figura 5 – Andamento dell’Indice di Danno del Guidatore della Rover 100, in funzione
della velocità al variare dell’angolo d’impatto, per una barriera di tipo bordo
ponte classe B3 [7]
X CONVEGNO S.I.I.V. – CATANIA – 26/28 OTTOBRE 2000
13
Figura 6 – Andamento dell’Indice di Danno del Guidatore della Punto, in funzione della
velocità al variare dell’angolo d’urto, per barriera bordo ponte classe B3 [7]
Figura 7– Andamento dell’Indice di Danno del Guidatore della VW Golf, in funzione della
velocità al variare dell’angolo d’impatto, per barriera bordo ponte classe B3 [7]
Lo studio svolto ed i risultati ottenuti a mezzo delle elaborazioni effettuate, ci
inducono a ritenere importante che, a corredo dei risultati dei crash–test, venga indicato
il valore dell’Indice di Danno del Guidatore (IDG) e, possibilmente, anche la sua
variazione in funzione dei due parametri condizionanti (velocità ed angolo d’impatto).
Una conferma, forse un po’ maliziosa alla validità delle osservazioni appena svolte,
giunge dal fatto che il veicolo utilizzato più di frequente in Italia nelle prove per
l’omologazione delle barriere, è la Volkswagen Golf che è la vettura caratterizzata dalle
migliori prestazioni in termini di protezione degli occupanti e che meglio si presta
pertanto anche per la definizione dei parametri necessari all’omologazione delle barriere
di sicurezza (fig. 7).
X CONVEGNO S.I.I.V. – CATANIA – 26/28 OTTOBRE 2000
14
6. CONCLUSIONI
Nella presente memoria si sono volute affrontare le tematiche relative alle barriere di
sicurezza stradali, con particolare riferimento alle questioni inerenti alle modalità ed ai
criteri di omologazione dei sistemi di ritenuta. In tale contesto, si è elaborato un
modello analitico adatto a simulare le modalità d’urto contro barriere deformabili,
consentendo la contemporanea variabilità di più parametri (angolo d’impatto, velocità,
classe di severità della barriera, tipo di veicolo). Riguardo ai dati di output, si sono
potute dedurre le informazioni connesse sia al livello di danno subito dal guidatore, sia
al regime di forze, accelerazioni e deformazioni che grava sui veicoli collidenti.
Un importante parametro che è stato introdotto nel presente studio è il cosiddetto
Indice di Danno del Guidatore (IDG), che si ritiene determinante ai fini della
comprensione dell’effettivo grado di severità degli elementi di ritenuta. In effetti, le
numerose simulazioni svolte evidenziano come al variare delle modalità di esecuzione
delle prove, le prestazioni delle barriere, in termini della sicurezza dell’occupante,
risultino fortemente condizionate dai valori assunti da tale indicatore.
L’aver introdotto l’Indice di Danno del Guidatore ha permesso poi di mettere in
risalto come il tipo di veicolo adottato nelle prove di crash, risulti essere condizionante
nei confronti dell’esito complessivo delle prove medesime; si è notato infatti come il
grado di protezione deducibile dal modello elaborato, vari significativamente al variare
della tipologia di vettura scelta come dato di input. Si è osservato poi che la maggior
parte dei veicoli che vengono realmente utilizzati nei test per l’omologazione delle
barriere sono quelli caratterizzati dai valori più elevati dell’IDG; da tale osservazione è
scaturita, quasi spontaneamente, la critica alle norme sulle barriere di sicurezza che, più
o meno indirettamente, consentono l’omologazione di dispositivi di ritenuta che non
garantiscono un adeguato grado di protezione per quei veicoli (la maggior parte) che
possiedono un IDG peggiore di quello che compete alle vetture utilizzate nelle prove.
7. BIBLIOGRAFIA
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