Una aproximación a las Lesiones por Volcamiento
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Por Paulo Renato Lucchini Traverso
Perito en Investigación hechos del tránsito e Ingeniero de transporte
Socio activo del Colegio de Peritos Profesionales de Chile A.G.
Resumen
Este es un trabajo recopilatorio de investigaciones que aborda el fenómeno de las lesiones por vuelco, que han correspondido a la incapacidad del diseño de la resistencia al impacto por parte del techo de un vehículo, o falta de este, para proteger a sus ocupantes en caso de vuelco. Si bien las contramedidas por lesiones debidas a la expulsión están bien establecidas, todavía hay mucho debate sobre los mecanismos de lesión de los ocupantes contenidos en un vehículo durante un vuelco y, por lo tanto, se requieren contramedidas para mitigar tales lesiones. Este artículo presenta y analiza dos puntos de vista aparentemente contradictorios sobre la causalidad de las lesiones en ocupantes contenidos en vuelcos que se han presentado en la literatura de investigación hasta la fecha: Piquero versus Intrusión en el techo. Para analizar la validez de cada una de estas teorías, la subyace detrás la física básica.
Se investigan conceptos. Resultados de lesiones de la serie de pruebas de vuelco con un automóvil Malibu II de General Motors (GM).
Luego se utilizan y se vuelven a analizar a la luz de los hallazgos presentados en este artículo. Los resultados muestran que la mayoría de los eventos lesivos en las pruebas del Malibu II son aquellos en los que la estructura del techo no fue reforzada.
También se concluyó que es necesario profundizar más algunas investigaciones para establecer mecanismos de lesión aceptables y criterios de lesiones asociadas para futuros protocolos de pruebas de accidentes por vuelco.
Introducción
Los accidentes por vuelco se han convertido en la prueba definitiva de resistencia al impacto frontera en la que los investigadores deben centrarse [1]. La investigación detallada e investigación sobre la protección de los ocupantes en las zonas delantera y trasera. colisiones de impacto lateral, choques con postes, choques por alcance y choques por falta de velocidad, además de reducir las lesiones a los vulnerables usuarios de la vía, como peatones, ciclistas y motociclistas, ha resultado en una mayor protección en cada una de estas configuraciones de choque. Contrariamente a esta tendencia, la investigación sobre el ámbito de los accidentes por vuelco aún no ha influido en reducir las muertes observadas en este tipo de accidentes en los EE. UU. y Australia. Alrededor del 20% o una de cada cinco muertes en Australia se debe a un accidente por vuelco [2], mientras que en EE.UU. la tasa es más alta, alrededor del 33% o uno de cada tres muertes [3, 4]. Para Europa, se estima que alrededor de una de cada 10 muertes está relacionada con accidentes por vuelco [5].
La figura 1 muestra que las muertes en los EE. UU. Resultantes de accidentes por vuelco han aumentado entre 1971 y 2004.
A pesar de la introducción de dos protocolos de seguridad en caso de vuelco en procedimientos de prueba, a saber, FMVSS 216 y FMVSS 208. Esta figura está comentada con hitos clave en el ámbito de la investigación sobre la política gubernamental que han tenido poco efecto a la hora de revertir la creciente tendencia en las muertes por vuelcos.
Aparecen las deficiencias que aparentemente están presentes en el diseño de vehículos actuales con respecto a la resistencia al choque por vuelco aún no se han dirigido a diferencia de todas las demás formas de accidente, protección contra vuelcos no tiene ninguna prueba dinámica obligatoria vigente para ningún país alrededor del mundo. Sólo tres países (Estados Unidos, Canadá y Brasil) tienen una norma de diseño cuasi estática obligatoria que requiere un nivel de resistencia del techo para vehículos de pasajeros a saber, FMVSS 216 . Esta prueba cuasi estática ha sido criticada por muchos investigadores y profesionales centrados en resistencia al impacto en caso de vuelco, por ser ineficaz para proteger a los ocupantes en accidentes de vuelco en el mundo real.
A diferencia de los impactos frontales y laterales, el evento de choque por vuelco se produce durante una duración mucho más larga, es decir, la energía del choque se disipa en segundos en lugar de milisegundos. Sin embargo, cuando los ocupantes contenidos dentro del vehículo sufren lesiones en el cuello y la cabeza: las lesiones ocurren en un período relativamente de pequeña duración de alrededor de 50 a 100 milisegundos. Por lo tanto, la fuente del riesgo de lesiones graves no reside sólo en la colisión en el vehículo, exponiendo a los ocupantes a desaceleraciones perjudiciales de corta duración.
En la década de 1980, GM emprendió una serie de pruebas de accidentes por vuelco para buscar la necesidad de techos más resistentes para su vehículo Chevrolet Malibu 1983, es decir, probar si las lesiones a ocupantes con cinturón se debieron a aplastamiento del techo o caída.
Se llevaron a cabo dos series de pruebas de vuelco, referidas como Malibú I (1983) y Malibú II (1987). En estas participaron ocho vehículos, cuatro con techos reforzados y cuatro con techos de producción, que fueron probados utilizando el procedimiento de prueba de vuelco de plataforma rodante FMVSS 208. En Malibú I los maniquíes Hybrid III del percentil 50 colocados en las posiciones del pasajero delantero y del conductor estaban libres, mientras que en Malibu II los maniquíes fueron inmovilizados con el cinturón del vehículo sistemas de cinturones de seguridad. En Malibu II permitieron que los cinturones tuvieran una holgura equivalente a la inversión estática de un sustituto humano en el vehículo. Para este estudio se decidió que debido a que la tasa de uso actual del cinturón de seguridad en Australia es del orden de alrededor del 95%, el trabajo de investigación debería centrarse en el análisis de la seguridad con el uso del cinturón de seguridad en ocupantes involucrados en accidentes por vuelco. Por esta razón sólo se incluyeron los datos del Malibu II que involucraban a ocupantes sujetos y consideró que, uno de los factores clave que afectan la supervivencia de los ocupantes en todo tipo de colisiones es mantener la integridad del “espacio de supervivencia” del ocupante dentro de un vehículo durante un choque.
El espacio de supervivencia de un ocupante se define como el espacio físico o envoltura en la que está contenido el movimiento de un ocupante durante un choque. Se ha propuesto que durante un vuelco, la estructura de protección debe ser capaz de proporcionar un espacio de supervivencia que proteja eficazmente a un pasajero y un sistema de retención que restringe el movimiento de los ocupantes dentro ese espacio. Se ha observado que la integridad de un espacio de supervivencia durante un vuelco se ve influenciado principalmente por la cantidad de intrusión en el techo que experimenta el vehículo. Dos estudios separados centrados en la relación entre la intrusión en el techo y los niveles de lesiones] parecen confirmar que las lesiones aumentan cuando la intrusión del techo excede un nivel de 10 cm.
Chen T, Chirwa E C, Mao M and Latchford J, Rollover far side roof strength test and simulation, IJCrash, Vol.12 No. 1, pp. 29–39, 2007.
Chirwa E.C., Mao M., Chen T. & Latchford J., Flaws in Malibu I and II interpretation of test results that have influenced many poor rollover roof designs, Proceedings 5th Int. Crashworthiness Conf. ICRASH2006, Bolton Institute U.K., Athens, Greece, July 2006.
En contraste con esta perspectiva, los fabricantes de vehículos estadounidenses arguyen que la intrusión en el techo no está causalmente relacionada con lesiones en la cabeza y el cuello en eventos de vuelco y que tales lesiones son el resultado de un evento secundario. Han sido los fabricantes los que argumentan que la intrusión en el techo es “simplemente una indicación de la gravedad del accidente y de que la gravedad de las lesiones aumentó con la gravedad del accidente” Sin embargo, respondiendo a su vez, ante este argumento, los defensores de la seguridad de los vehículos han estado produciendo evidencia de pruebas de choque donde el pico de las cargas sobre el cuello se han registrado y atribuido a la intrusión en el techo.
La industria del automóvil ha intentado desacoplarse el vínculo entre la intrusión en el techo y la causalidad de lesiones argumentando que las lesiones de cabeza y cuello en accidentes por vuelco son causadas por el torso que continúa moviéndose hacia el techo, comprimiendo la cabeza y el cuello como resultado de la inercia, cuando el vehículo está al revés. Moffatt [18] ha presentado por primera vez esta opinión en 1975 cuando sostuvo que una idea errónea ha ocurrido cuando la gente comienza a discutir sobre el aplastamiento del techo. El asunto se refiere a que a menudo se dice que el techo es “empujado hacia abajo” en un accidente por vuelco. En contraste con esto, Moffatt defendió que, de hecho, el techo está estacionario contra el suelo y es la carrocería del coche y el ocupante que continúan moviéndose, provocando que el ocupante golpee el techo. Este mecanismo de lesión se compara con la lesión del cuello que ocurre cuando una persona se sumerge de piquero en aguas poco profundas en una piscina, río o lago.
Este artículo investiga estos dos aspectos aparentemente contradictorios puntos de vista sobre la causa de lesiones para los ocupantes contenidos en reinversiones que se han presentado en la literatura de investigación para fecha, es decir, buceo versus intrusión en el techo.
LA TEORÍA DEL “BUCEO” DE MOFFATT
En 1975, Edward Moffatt [18] presentó la opinión de que las lesiones a los ocupantes contenidos en los vehículos durante el vuelco los impactos no estuvieron causalmente relacionados con la intrusión en el techo experimentada por el vehículo. El argumento de Moffatt se basó en la declaración:
“Cuando el techo del vehículo golpeó el suelo, esencialmente se detuvo en relación con el suelo. El techo golpeó el suelo y se detuvo, pero el cuerpo de la persona continuó avanzando hacia el techo”.
A partir de esta declaración, Moffatt pasó a cuestionar que en contraste con un techo aplastando a un ocupante durante un accidente por vuelco y carga en el cuello del ocupante, lesiones en el cuello fueron causados por el aumento del torso. Esto significa que mientras la cabeza del ocupante se detiene contra el techo del vehículo durante un impacto del techo al suelo, el torso del ocupante continúa moviéndose hacia el techo/suelo el artículo de Moffatt apunta sistemáticamente a presentar la prórroga impactos de techo a suelo como casos de alta desaceleración. Este se hace presentando argumentos paralelos que son mucho más misma velocidad a la que el vehículo se acerca al suelo. Este luego carga el cuello y la cabeza del ocupante y provoca que se observaron lesiones en la cabeza, el cuello y la columna vertebral en accidentes por vuelco.
Moffat expresó la opinión de que las lesiones graves del cuello que ocurren y continúan observándose en accidentes por vuelco están relacionados con la "gravedad" del accidente. fue sostenido que la deformación del techo aumentaría con la severidad del vuelco muestra así una correlación entre lesiones graves en el cuello lesiones y deformación del techo, pero no un vínculo causal. Este argumento se presentó como un paralelo a la deformación.
Se observa cuando un cable de ascensor se rompe permitiendo que un ascensor caer por el hueco de un ascensor, como se presenta en la Figura 2. En este caso Moffatt afirmó que:
“El ocupante continúa cayendo hasta que golpea el suelo del ascensor, que se ha detenido en el fondo del hueco del ascensor. . .. La mayor caída provocó el aumento de lesiones, y la caída más alta causó que el aplastamiento aumentara los lados del ascensor”.
Los argumentos de Moffatt se han utilizado consistentemente desde 1975 para ayudar a los fabricantes de vehículos a defender el producto, litigios relacionados con lesiones que ocurren a los ocupantes del vehículo resultantes de accidentes por vuelco donde hay evidencia de intrusión significativa en el techo. Los siguientes puntos consisten en analizar críticamente las teorías y supuestos subyacentes dentro del paper de Moffatt.
1. El artículo de Moffatt pretende sistemáticamente presentar la secuencia de impactos de techo a suelo como casos de alta desaceleración. Este se hace presentando argumentos paralelos que son mucho mayor en severidad que los impactos del techo al suelo de un volcamiento. Estos paralelos que se discutirán más adelante En esta sección se incluyen impactos laterales y la caída de un ascensor.
Ambas situaciones ocurren con niveles mucho más altos. cambios en los valores de velocidad (v) y desaceleración para el accidente completo que un impacto por vuelco del techo al suelo. Esto significa que los paralelos trazados, aunque parcialmente relevante, presentar información de tal manera que proporcione la impresión de que las fuerzas y desaceleraciones en el lado Los choques por impacto y las caídas de ascensores son de alguna manera equivalentes a los que ocurren en impactos de techo a suelo por vuelco.
2. El principio subyacente de Moffatt, que es más severo los vuelcos producirán lesiones más graves y más intrusión del techo, implica en primer lugar que las lesiones no pueden desvincularse por la gravedad del accidente por vuelco y, en segundo lugar, que todas las resistencias del techo de los vehículos sean iguales. El corolario del argumento de Moffatt implica que si cada uno de estos vehículos experimentan el mismo impacto en el techo que un impacto similar, se debe observar el grado de deformación del techo. Además, este principio tiene como objetivo abordar la cuestión estadística. La evidencia que muestra una mayor intrusión en el techo corresponde con aumentos observados en la frecuencia de lesiones de alta gravedad.
Para vuelcos que implican un choque más severo entre el techo y el suelo impactos para correlacionarse con una intrusión en el techo mayor que vuelcos con impactos menos severos del techo al suelo, vehículos sometidos a impactos de exactamente la misma severidad y la orientación de la carga debe ser muy similar, si no igual, resistencia del techo. Para mostrar por qué este no es el caso, dos ejemplos Se consideran una prueba de caída teórica de tres vehículos de abajo.
Los tres vehículos considerados son: un Expedition Ford 2003; un Subaru Forrester del año 2003; y un Ford Explorer 2002. La relación entre la resistencia del techo y el peso del vehículo (SWR) para el Subaru Forrester suele ser mucho mayor que para los otros vehículos.
El ROE, FMVSS 216
Los resultados de las pruebas de aplastamiento del techo y masas de estos vehículos se obtuvieron del Servicio Nacional de Seguridad del Tránsito en Carreteras. 215 Sitio web de la Administración (NHTSA) Docket 22143 [9].
Se supone que la prueba de caída se realiza de modo que el vehículo está sostenido boca abajo y de alguna manera restringido con rodamientos de rodillos sin fricción en sus perímetros para que el ángulo La orientación coincida exactamente con el ángulo orientación de la prueba estática FMVSS 216 y se mantiene durante toda la prueba de caída. Además, en estos, la palabra “intrusión” es sinónimo de palabra "aplastar". El primer ejemplo considera una altura de caída de 500 mm (Tabla 1), ya que esta altura fue mostrada por McElhaney et al. para igualar una velocidad de impacto en la cabeza correspondiente hasta la aparición de una lesión grave de la médula espinal (LIC). Obviamente la velocidad de impacto del techo es la misma. para cada vehículo si se cae desde una altura de 500 mm, que es
2 × 9,81 × 0,5 = 3,13 m/s, donde g = 9,81 m/s2. Después de caer 500 mm, la energía cinética de cada vehículo (1/2mv2) justo antes del impacto varían dependiendo de la masa (m) del vehículo, es decir, siendo 15.348 kJ para la Ford Expedition, 9.221 kJ para la Subaru Forrester y 11.792 kJ para el Ford Explorer.
En el segundo ejemplo, la intrusión en el techo ahora está restringida a sólo 240 mm, es decir, se encuentra una altura de caída 'h' que dará como resultado una máxima intrusión o aplastamiento de 240 mm en cada vehículo. El vehículo se sujeta y se deja caer y luego mantenido en la máxima intrusión de la misma manera que en el ejemplo uno. Se eligió este valor de intrusión en el techo ya que se corresponde estrechamente con el límite de intrusión en el techo utilizado en la actual norma FMVSS 216, la cual estaba vigente al momento de la investigación. Nuevamente, la columna 4 en la Tabla 2 muestra la energía bajo el gráfico carga-deformación de la Prueba FMVSS 216 equivalente para una intrusión en el techo de 240 mm para cada vehículo. Esta energía disipada de intrusión en el techo se equipara a la energía cinética (1/2mv2) y a su vez equiparado a la energía potencial (mgh) y resuelto para la velocidad (v) y altura de caída (h). Los valores resultantes mostrados en la Tabla 2 indicó que la altura de caída (columna 6) y está en terreno nivelado y la caída vertical suele ser pequeña ya que fue analizado por Friedman y Nash [16].
Friedman, D., Nash, C.E., Bish, J., “Observations From Repeatable Dynamic Rollover Tests”, International Journal of Crashworthiness 2007a, Vol. 12, No. 1, pp. 67-76.
El análisis de estas pruebas ha indicado que los ocupantes de vehículos con techos más débiles experimentaron lesiones más graves que las de los grupos reforzado en el techo. Más evidencia de que este es el caso se discutirá con más detalle más adelante.
3. Moffatt utiliza cifras/imágenes que no son representativas de la cinemática del vehículo en vuelcos reales la cinemática del vehículo en vuelcos reales. En la figura 4 se muestran algunas de estas figuras se muestran en la figura 4. Al presentar de vehículos que tienen caídas verticales significativas directamente sobre la parte superior de sus techos, el lector puede que durante los vuelcos se produce un gran cambio de altura y, por tanto, una velocidad vertical durante los vuelcos. El escenario más común para que un vehículo se vea involucrado en un vuelco.
4. Muchos de los diagramas de Moffatt también presentan que un vehículo está plano contra el suelo y la carga del techo es completamente vertical durante un vuelco. Esto rara vez es cierto, y cuando lo es, la carga no suele ser grave, ya que se produce al final del vuelco, cuando ya se ha disipado la mayor parte de la energía. La figura 5 muestra que un componente de la carga del techo, presente en la mayoría de los impactos de techo contra el suelo de Moffatt, es la carga de fricción lateral.
En el techo del vehículo en caso de vuelco, también existe de carga horizontal y rotacional.
Las fuerzas laterales y rotacionales, además del ángulo de balanceo del vehículo en el momento del contacto con el suelo observadas en los vuelcos reales y en los ensayos de vuelco, no se corresponden con el movimiento vertical de tipo "inmersión” explicado por Moffatt. El hecho de que la carga horizontal y rotacional junto con la carga vertical fue confirmado por Bahling et al. [11] en su artículo sobre el Malibu.
5. El quinto punto a debatir es la fiabilidad del documento de Moffatt para establecer analogías entre las lesiones los vuelcos y los impactos laterales. Moffatt argumenta sistemáticamente que el argumento de la "inmersión" en un vuelco es análogo al impacto de un poste contra el lateral de un vehículo. Este argumento se vuelve desconcertante cuando se considera que el impacto lateral que tienen por objeto evaluar la eficacia de "una estructura lateral resistente al impacto resiste o frena la intrusión de vehículos u objetos en contacto y también contiene materiales que absorben energía para amortiguar el impacto con el ocupante".[27].
De hecho, los argumentos y la situación actual en materia de seguridad en caso de vuelco son paralelos a los puntos de vista sobre la protección contra impactos laterales en los años sesenta y setenta, cuando las pruebas casi estáticas y la opinión de que la intrusión no estaba relacionada con las lesiones fue presentada por los fabricantes de vehículos. Se demostró falsa y dio lugar a la introducción de las pruebas de choque con un vehículo de choque lateral y un poste, destinado a reducir la intrusión mediante el empleo de protección a los costados contra impactos laterales.
6. La propuesta de Moffatt de que una mayor intrusión en el techo es permisible contradice directamente la base del diseño crashworthy de los vehículos. En 1952 Hugh DeHaven presentó cuatro principios básicos del diseño de vehículos aptos para colisiones. Los primeros dos de estos principios son:
i. El envase no debe abrirse y derramar su contenido y no debe colapsarse en las condiciones de fuerza y exponer así los objetos de su interior a daños;
ii. Las estructuras de embalaje que protegen el contenedor interior no deben estar hechas de materiales quebradizos o frágiles; deben resistir la fuerza cediendo y absorbiendo la energía aplicada al contenedor exterior para amortiguar y distribuir las fuerzas de impacto y proteger así el contenedor interior.
Estos dos principios conducen directamente al concepto de un "espacio de supervivencia" protector. Si este espacio de supervivencia es eficiente, las deceleraciones que causan lesiones deberían reducirse significativamente. Las teorías de Moffatt implican que proporcionar un espacio de supervivencia reforzado no reducirá las lesiones graves de los ocupantes con cinturón en caso de vuelco. Esto contrasta claramente con los principios básicos que han regido la protección de los ocupantes y el diseño de vehículos aptos para resistir colisiones por las pasadas cuatro o más décadas.
7. Un diagrama (Figura 2) presentado por Moffatt merece especial atención. Este diagrama se utiliza en la comparación para demostrar la relación no causal de la intrusión en el techo con las lesiones de los ocupantes en caso de vuelco, la imagen se utiliza para mostrar el paralelismo de esta teoría con la relación no causal entre el aplastamiento del compartimento de un ascensor y las lesiones de los ocupantes contenidos en el ascensor. Este ejemplo es una simplificación excesiva de velocidades e impulsos experimentados por un ascensor. Las magnitudes de velocidades e impulsos experimentados por un ascensor en una caída de "cuatro pisos" en comparación con las de un ocupante en un vuelco no son equivalentes. Esta simplificación excesiva permite a Moffatt convencer al lector de que el contacto del techo con el suelo en caso de vuelco también es equivalente el contacto con el suelo en caso de vuelco también es grave.
En resumen, parece que los argumentos presentados por Moffatt tienen poco apoyo en términos de pruebas físicas cuando la mayoría de los accidentes de vuelco del mundo real y las lesiones de los ocupantes involucrados. No obstante, las series de pruebas del Malibu se encargaron en los años 80 para demostrar que tanto los ocupantes sin cinturón de seguridad como los con, presentaban la misma gravedad e intensidad, independientemente de si el techo estaba reforzado o no Las cargas en el cuello del maniquí medidas durante los accidentes de vuelco parecían justificar esta posición y esta información se ha utilizado en los últimos veinticinco años para ayudar a racionalizar que no hay relación causal entre la resistencia del techo de un vehículo y las lesiones de un ocupante en el vehículo.
Mientras tanto, una considerable cantidad de investigaciones sobre biomecánica se han llevado a cabo en lo que se refiere a identificar qué magnitudes de carga deben aplicarse al cuello de un ocupante de vehículo para causar lesiones graves. Sin embargo, la información disponible de las pruebas de la serie Malibu II no se han vuelto a analizar con respecto a la evolución en los criterios biomecánicos de lesión cervical. El siguiente reanálisis de los datos del Malibu II con ocupantes sujetos revela un resultado interesante. Los datos del Malibu I no se volvieron a analizar aquí, ya que está bien aceptado que la sujeción ayuda a que los ocupantes sean menos vulnerables a otro peligroso mecanismo de lesiones en caso de vuelco, a saber, la eyección.
RESULTADOS DEL MALIBU:
Cuarenta (40) Impactos Potencialmente Lesivos (PIIs) fueron registrados en la serie de pruebas Malibu II, que eran casos en los que la carga axial (FZ) en el cuello de un maniquí híbrido III superó los 2000 N. La figura 6 presenta un gráfico de todos los PII registrados en Malibu II.
En los ensayos 1, 2, 5 y 6 de Malibu II se utilizaron vehículos con techos reforzados, mientras que en los ensayos 3, 4, 7 y 8 se utilizaron vehículos (no reforzados). El estudio Malibu II [11] llegó a la conclusión de que las lesiones cervicales en caso de vuelco no estaban relacionadas con la intrusión del techo, basándose en los siguientes puntos:
1. Los maniquíes, tanto en los vehículos de serie como en los vehículos con jaula antivuelco tenían numerosos impactos potencialmente lesivos (PII).
2. Tanto los conductores como los pasajeros de los vehículos con jaula antivuelco tuvieron menos IIP que los de los vehículos de serie, debido principalmente a la reducción de los impactos en los vehículos con jaula antivuelco.
3. En el caso de impactos similares de techo a suelo, no se produjo un aumento del nivel de protección en los vehículos con jaula antivuelco en el nivel de protección de los vehículos con jaula antivuelco respecto los vehículos de serie.
Se llegó a cada una de estas conclusiones sobre la base de que todos los PII medidos eran igualmente lesivos para los ocupantes independientemente de la magnitud de la carga sobre el cuello. Sin embargo, a la luz de los avances en biomecánica relacionados con lesiones cervicales, el potencial lesivo de cada uno de los PII registrados en el Malibu II registrado debería volver a analizarse.
Una forma de hacerlo es utilizar los criterios de lesión cervical (Neck Injury Criteria) aprobados por la NHTSA [30].
Criterios de lesión cervical (Ni j) aprobados por la NHTSA, donde a la luz de los avances en biomecánica relacionados con lesiones cervicales, el potencial lesivo de cada uno de los PII registrados en el Malibu II registrado debería volver a analizarse.
Una forma de hacerlo es utilizar los criterios de lesión cervical (Neck Injury Criteria) aprobados por la NHTSA [30].
Criterios de lesión cervical (Ni j) aprobados por la NHTSA, donde
Como puede verse, el factor Ni j tiene en cuenta tanto la carga axial y el momento de flexión en el cuello. La documentación de la NHTSA [29, 30, 31] sugiere un límite de 1,0 para Ni j, por lo que
Eppinger et al. [30] también sugirieron en 1999 que el riesgo de una determinada gravedad de la lesión en el cuello podría mediante las siguientes ecuaciones:
Las ecuaciones (2)-(5) anteriores proceden de los criterios NIC de 1999. Cada una de estas distribuciones estadísticas hace corresponder un valor Ni j con la probabilidad de que la carga asociada provoque una lesión de un determinado nivel AIS (Accident Injury Scale) [30]. Los criterios más recientes publicados por la NHTSA en marzo de 2000 [31] no contienen ninguna ecuación de para el cuello. Por lo que los autores, las curvas de riesgo más recientes desarrolladas utilizando los criterios NIC son las publicadas en 1999 [30] en esta fase.
El criterio Ni j proporcionado por la NHTSA se desarrolló principalmente mediante la validación del maniquí Hybrid III en impactos frontales. Por lo tanto, debe tenerse en cuenta que, si bien los autores proponen que puede actuar como una medida del potencial de lesiones en cargas de compresión, como las experimentadas en la serie de pruebas de vuelco del Malibu, su precisión con respecto a la carga de impacto vertical aún debe ser investigada y validada. Además, se reconoce que los resultados presentados a continuación pueden no ser representativos de la gravedad de las lesiones en el mundo real. No obstante, se sigue creyendo que el análisis y los productos resultantes proporcionan un nivel de información que indica la mayor gravedad de la carga sobre el cuello, que es biomecánicamente superior al criterio de carga utilizado por Bahling et al. [11] para los PII registrados en los datos del Malibu II. Por lo tanto, es digno de consideración hasta el momento en que las Ecs. (1)-(5) puedan ser validadas para lesiones resultantes de colisiones por vuelco.
La Tabla 3 muestra los valores críticos de intercepción utilizados como denominadores en la Ec. (1) a partir de los criterios más recientes publicados en marzo de 2000 [31]. Utilizando la Ec. (1) y los límites asociados mostrados en la Tabla 3, fueron nuevamente corridos cada uno de los PII registrados en las pruebas de Malibú II. Los valores utilizados para calcular Ni j fueron los valores axiales y de momento indicados en un informe resumido proporcionado a los autores [33] de los impactos de carga de cuello PII medidos en las pruebas Malibu II. El resultado de esta reinterrogación se muestra en la Tabla 4 con los recuentos de PII clasificados por su valor relativo al límite Ni j de 1,0.
La Tabla 4 muestra una correlación de aumento de la frecuencia de lesiones graves en los vehículos de serie en comparación con los vehículos con jaula antivuelco, con el doble de valores Ni j > 1,0 en los vehículos de serie. Además, cuando se analizan los datos brutos se observa que para los cuatro valores de Ni j superiores a 1,0 experimentados en los vehículos con jaula antivuelco, el valor medio de Ni j es de 1,20. En contraste con esto, la media para los ocho PII de vehículos de producción con Ni j superior a 1,0 es de 1,64. Esto apoya aún más la opinión de que los techos más débiles presentan un mayor riesgo de lesiones graves para los ocupantes en colisiones con vuelco.
Para correlacionar cada uno de los PII registrados con el riesgo de lesión y, por tanto, con las lesiones en el mundo real, se llevó a cabo un segundo reanálisis de los datos de PII. En esta ocasión, se utilizaron las ecuaciones (2)-(5) y los valores de intercepción de lesiones críticas en el cuello detallados en los criterios de la NHTSA de 1999. La razón por la que se utilizaron los valores de intercepción de 1999 en lugar de los mostrados en la Tabla 3 (utilizados para calcular los valores de la Tabla 4), fue que los autores consideraron que el reanálisis debía adoptar valores de intercepción y riesgo históricamente coherentes. El cuadro 5 resume los resultados de este segundo reanálisis de los resultados de Malibú II. Muestra el número total de veces que los recuentos de riesgo de lesión individual superaron una gravedad de lesión concreta, y cuándo superó una probabilidad del 33% para cada nivel AIS, y el número de maniquíes de prueba antropométrica (ATD u ocupantes) que registraron una carga en el cuello superior al nivel de gravedad concreto. Los resultados de este segundo reanálisis también se presentan gráficamente en la figura 7, donde se muestran las probabilidades porcentuales asociadas a cada PII. Las barras oscuras corresponden a IIP con una probabilidad superior al 33%. Estos datos indican que, para todos los niveles de AIS, los vehículos de serie registraron un número significativamente mayor de lesiones (con una probabilidad superior al 33%) que los vehículos con jaula antivuelco. Además, las figuras 7(a) a 7(d) muestran que, aunque tanto los vehículos con jaula antivuelco como los de serie presentan lesiones con una probabilidad superior al 33% en varios niveles de AIS, la probabilidad porcentual de las lesiones en los vehículos de serie es generalmente mucho mayor que para los vehículos con jaula antivuelco (Por ejemplo, 3L3, 4L2 y 7L4 / Por ejemplo 1R2, 5R1 and 5R31R2, 5R1 y 5R3). Por lo tanto, se puede deducir que debe haber algún nivel adicional de seguridad que ofrezca un vehículo con jaula antivuelco aparte de una reducción de los impactos carril-tierra. También demuestra que el nivel de PII de 2000 N parece ser demasiado bajo para establecer una comparación entre el potencial de lesiones de los vehículos de serie y los vehículos con jaula antivuelco. Para profundizar en la cuestión de si hubo o no un aumento del nivel de protección en los vehículos con jaula antivuelco con respecto a los vehículos de serie para impactos similares de techo contra el suelo, es necesario considerar la velocidad a la que el techo penetra en el compartimento de los ocupantes.
Velocidad de intrusión
Friedman y Nash [25] propusieron en 2001 que la intrusión del techo se produce a una velocidad mucho mayor que la velocidad a la que el vehículo "cae" al suelo durante un vuelco. Esto es contrario a la teoría de la "inmersión" de Moffatt, que sugiere que la velocidad de intrusión del techo es equivalente a la velocidad a la que el centro de gravedad (COG) del vehículo se acerca al suelo. Friedman y Nash propusieron que este aumento de la velocidad de intrusión era la causa de las graves lesiones cervicales observadas en los vuelcos. La velocidad de intrusión elevada es el resultado de que los sistemas de techo débiles se doblen, a través de diversos mecanismos de carga y fallo, sobre sus ocupantes a una velocidad superior a la del COG del vehículo que cae verticalmente hacia la superficie de la carretera.
Mediante el análisis de los resultados del Malibu II, junto con el análisis de una investigación sobre lesiones de cabeza y cuello en futbolistas de la NFL y otros dos estudios, Friedman y Nash elaboraron el gráfico que se muestra en la figura 8 de la carga sobre el cuello en función de la velocidad de impacto de la cabeza. El mecanismo de lesión es puramente de compresión axial, en el que se produce un mecanismo de tipo zambullida o uno en el que el techo comprime directamente la cabeza sin flexión. La figura 8 muestra tres líneas que relacionan los cambios en la velocidad de la cabeza con la carga sobre el cuello para los maniquíes Hybrid III sometidos únicamente a compresión. Los datos brutos analizados por Friedman eran relevantes para un maniquí del percentil 50. A continuación, estos datos se escalaron para obtener las líneas del maniquí del percentil 95 y del percentil 5. Este escalado se logró utilizando una relación de los criterios de lesión por carga axial en el cuello de la NHTSA entre el percentil 50 y otros tamaños de maniquí. Para investigar más a fondo las características de la figura 8 y sus implicaciones en relación con la serie de ensayos Malibu II, se consideró también el modelo teórico simplificado que se muestra en la figura 9, en el que se supone que el mecanismo de lesión es la inmersión con compresión axial únicamente. El modelo constituye un cuerpo con una masa de torso, m, que se desplaza hacia el techo a una velocidad de inmersión, vd , y como consecuencia el cuello se comprime en una cantidad x. Este proceso da lugar a una carga de compresión que experimenta el cuello. Para analizar este modelo se pueden utilizar ecuaciones de movimiento newtonianas sencillas. Sin embargo, primero hay que hacer las siguientes suposiciones, a saber:
1. Todo el movimiento de la cabeza y/o el torso se absorbe a través de la compresión del cuello, es decir, la interacción torso-cuello-cabeza es efectivamente un sistema de un solo grado de libertad sometido a un movimiento vertical impuesto que se aplica como resultado de que la masa del torso se desplaza a velocidad constante hacia una superficie rígida y luego comprime un cuello de resorte;
2. No se produce amortiguación de la fuerza debido al impacto con la cabeza.
3. Como se sugiere en la teoría del buceo de Moffatt, toda la carga sobre el cuello es producida por la inercia del torso del maniquí (aumento del torso).
4. El techo que recibe el impacto de la cabeza está inmóvil y no se inmiscuye hacia el ocupante.
5. La deceleración se produce a un ritmo constante.
6. La fuerza es constante en todo el cuello, es decir, la misma fuerza en la parte superior del cuello, posición C1, y en la base del cuello, posición C7.
7. La cabeza y el cuello permanecen alineados como se muestra en la figura 9 mientras dura la carga, lo que da lugar a una carga puramente compresiva.
Para determinar la carga del cuello, la energía del sistema de un solo grado de libertad de libertad se supone que se conserva, es decir, EK = ES, donde Ek es la energía cinética del torso y Es la energía almacenada que absorbe el cuello del Hybrid III, modelado como un muelle lineal de rigidez k.
Por tanto,
reordenando la Ec. (6) se puede demostrar fácilmente que
Utilizando la Ec. (7), la fuerza en el cuello puede expresarse como
La tabla 6 muestra una serie de valores de m y k para diferentes tamaños de maniquí y restricciones del cuello que pueden utilizarse para determinar las fuerzas mediante la Ec. (8). Estos datos se obtuvieron a partir de una investigación sobre el efecto de la restricción de la rigidez del cuello realizada por Nightingale y las masas de los componentes del Hybrid III citadas por First Technology Safety Systems . En la tabla 6 también se indican los valores de las masas de la parte superior del torso de cada tamaño del Hybrid III ATD. La justificación para utilizar únicamente el peso de la parte superior del torso del Hybrid III procede del trabajo realizado por Nightingale, donde se afirma que la parte superior del torso es una "estimación de la fracción de la masa del torso que actúa sobre el cuello durante una lesión dinámica". Utilizando la Ec. (8) y la Tabla 6, los valores calculados de las fuerzas del cuello se representan junto con las curvas de Friedman y Nash de la Figura 8 y se muestran en la Figura 10. Este diagrama indica que la fórmula teórica se corresponde bien con el análisis práctico de Friedman cuando la rigidez del cuello asume una restricción rotacional. Los resultados de los percentiles 95 y 50 están dentro de la variación experimental citada por Friedman. Sin embargo, los resultados de los maniquíes de los percentiles 5 y 95 comparados en la figura 10 no muestran la misma precisión que los valores de los maniquíes del percentil 50. Esto puede deberse al método utilizado para calcular los valores de los maniquíes del percentil 5. Esto puede deberse al método de escalado elegido por Friedman, a la elección de la rigidez del cuello con restricción de rotación del Híbrid III para el modelo teórico y/o a otros supuestos del modelo. No obstante, esta diferencia sugiere que el trabajo de Friedman y/o el modelo teórico requieren más investigación para determinar la tendencia real en el caso de los resultados del percentil 5 del Híbrido III.
Una vez establecido un método para correlacionar la carga del cuello con el cambio de velocidad aplicado al cuello, el siguiente paso es volver a evaluar los resultados de las pruebas del Malibú II. Las dos lesiones contrastadas elegidas para la comparación son las PIIs 7L4 (techo de producción) y 2L1 (techo reforzado), en las que predomina la carga de compresión axial del cuello del ATD. Para el resultado 7L4 (cuarto PII del maniquí del lado izquierdo (conductor) en el séptimo ensayo), la carga axial del cuello fue de 13.200 N. Esta lesión se produjo a los 3.787 ms del ensayo, cuando el techo del vehículo empezó a penetrar en el compartimento de los ocupantes. La figura 11 muestra las vistas exteriores hasta la 7L4 inclusive y, en particular, cómo acabó el vehículo sobre su techo después de 31/2 vueltas. 7L4 presenta la mayor carga axial en el cuello registrada en la serie de ensayos Malibu II. El mecanismo es una carga predominantemente de compresión axial del cuello. Como resultado de este hecho, el 7L4 ha sido muy analizado tanto por los defensores de la seguridad automovilística como por los fabricantes de vehículos. Uno de estos análisis, realizado por Friedman y Nash y presentado en 2005, muestra un gráfico de la intrusión del techo por encima de la cabeza del maniquí del lado del conductor durante el periodo de tiempo en que se registró el 7L4. Para comprender la naturaleza de las velocidades y aceleraciones de impacto de la cabeza experimentadas por el maniquí Hybrid III sometido al 7L4, se llevó a cabo un análisis de la intrusión del techo. Grabaciones en cámara lenta del número de prueba 7 se investigaron en detalle. Se trazaron líneas de referencia a lo largo de la parte superior del respaldo del asiento, como se muestra en la figura 12, y se escalaron adecuadamente a partir de las dimensiones conocidas del vehículo y del maniquí. Se midió la longitud de una línea trazada desde las líneas de referencia horizontal y vertical hasta un punto identificable en el techo por encima de la cabeza del ATD, un punto en la parte superior del "pilar b", hasta la cabeza del ATD, y el hombro del ATD en cada uno de los fotogramas de aproximadamente 3 milisegundos para la carga en el cuello 7L4. También se trazó una línea desde el hombro hasta la cabeza y se midió en cada fotograma para obtener datos de compresión del cuello. Aunque los valores obtenidos son tan precisos como los que pueden medirse en cada fotograma de película de alta velocidad y, por tanto, están sujetos a errores de medición y escalado, proporcionan una base sobre la que se puede llegar a comprender cómo se aplica la carga al cuello del ATD durante la medición de la lesión 7L4. El análisis también explica con más detalle lo que significan las mediciones realizadas por Bahling et al. La figura 13 muestra la curva de desplazamiento en función del tiempo obtenida de la intrusión en el techo de un punto situado por encima de la cabeza del ATD. La figura 14 muestra el desplazamiento de las distintas partes del ATD en relación con la carga del cuello y las líneas de referencia. La figura 15 compara la curva de deformación por intrusión en función del tiempo mostrada en la figura 13 con la curva de Bahling et al. a partir de su figura 13, con la curva de Friedman y Nash a partir de su figura 24, y con la deformación vertical de la parte superior del "pilar b". La figura 16 muestra la deformación vertical frente a la deformación horizontal para el 7L4 en comparación con la lesión 3L3, en la que se llevó a cabo un análisis similar de la longitud de línea fotograma a fotograma. La figura 17 muestra la velocidad de intrusión y la aceleración del techo inmediatamente por encima de la cabeza del ATD.
CONCLUSIONES Y FUTURAS INVESTIGACIONES
En este documento se han debatido y analizado dos puntos de vista aparentemente contradictorios sobre la causalidad de lesiones en ocupantes contenidos en caso de vuelco, a saber, el aumento del torso, más comúnmente conocido como mecanismo de inmersión, y la intrusión en el techo. Se concluye lo siguiente:
1. Parece que los argumentos y los escenarios de colisión análogos presentados por Moffatt tienen poco apoyo en términos de pruebas físicas, cuando se considera la mayoría de las colisiones por vuelco del mundo real y los mecanismos de lesión de los ocupantes asociados.
2. Los vehículos con jaula antivuelco en las pruebas de la serie Malibu II ofrecen un nivel adicional significativo de seguridad basado en los criterios actuales de lesiones cervicales de la NHTSA y la probabilidad de un evento lesivo.
3. El nivel de PII de 2000 N medido en la serie de pruebas del Malibu II se fijó demasiado bajo para establecer una comparación del potencial de lesiones de los vehículos de serie y con jaula antivuelco.
4. El grado de intrusión en el techo para una determinada gravedad de impacto depende de la resistencia del techo. En otras palabras, para la misma gravedad de impacto techo-tierra, el grado de intrusión del techo varía de un vehículo a otro debido a sus diferentes resistencias de techo.
5. La carga de cuello teórica y práctica relacionada con la velocidad de intrusión del techo puede caracterizarse fácilmente utilizando ecuaciones físicas simplificadas basadas en la física newtoniana.
6. Los ocupantes de vehículos con techos más débiles sufrieron lesiones de mayor gravedad que los de vehículos con techos más resistentes. Los resultados muestran que los sucesos más lesivos en la serie de ensayos del Malibú II son aquellos en los que la estructura del techo no estaba reforzada.
7. El aumento del torso debido a un mecanismo de "inmersión" produce carga en el cuello, pero se comprobó que estas cargas eran significativamente inferiores a la carga necesaria para producir lesiones graves en el cuello.
8. Es necesario realizar más trabajo para establecer mecanismos de lesión aceptables y criterios de lesión asociados para futuros protocolos de pruebas de choque por vuelco.
9. La proximidad de la cabeza del ocupante a la deformación del techo a alta velocidad debida a la intrusión de la estructura del techo de un vehículo, ya sea por pandeo o de otro modo, aumenta el peligro de lesiones graves en el cuello.
10. Existe una relación causal directa entre la velocidad de intrusión del techo y las lesiones cervicales.
11. El mantenimiento de un espacio de supervivencia adecuado y el cumplimiento de los principios originales de DeHaven en materia de seguridad en caso de colisión parece ser el proceso clave para reducir las lesiones en caso de colisión por vuelco.
Se entiende que las futuras investigaciones deberían centrarse en: los mecanismos de pandeo de las estructuras actuales de los techos de los vehículos; la respuesta de las lesiones en el cuello que tienen las cabezas y los cuellos de los ocupantes y los ATD a distintos niveles de cargas axiales y de flexión; y la validez de utilizar un dispositivo de pruebas dinámicas de vuelco.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
Moffatt, E.A., Occupant Motion in Rollover Collisions, in 19th Conference of the American Association of Automotive Medicine. 1975: San Diego, California, USA.
Young D., Grzebieta R.H., Rechnitzer G., Bambach M. & Richardson S., Rollover Crash safety: Characteristics and issues, Proceedings 5th Int. Crashworthiness Conf. ICRASH2006, Bolton Institute U.K., Athens, Greece, July 2006.
Young D., Grzebieta R.H., McIntosh A., Bambach A. & Frechede B. Diving vs Roof Intrusion: A Review of Rollover Injury Causation, International Journal of Crashworthiness, Vol. 12 No. 6 pp. 609–628, Dec. 2007.
Bahling, G. S.; Bundorf, R. T., and Kaspzyk, G. S.; Moffatt,;E. A.; Orlowski, K. F., and Stocke, J. E., "Rollovers and Drop Tests- The Influence of Roof Strength on Injury Mechanics Using Belted Dummies," SAE Paper No. 902314, 34th Stapp Car Crash Conference Proceedings, pp. 101-112, 1990.
Friedman, D. & Friedman, K., Roof crush versus occupant injury from 1988 to 1992 NASS. Detroit, MI, USA, 1998, SAE, Warrendale, PA, USA.
Friedman, D. & Nash, C. E., Advanced Roof Design for Rollover Protection, 17th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles. Amsterdam, The Netherlands, 2001.
NHTSA, Traffic Safety Facts 2005, A Compilation of Motor Vehicle Crash Data from the Fatality Analysis Reporting System and the General Estimates System, US Department of Transportation
Nash, C. E. & Paskin, A. A Study of NASS Rollover Cases and the Implication for Federal Regulation. 19th International Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Washington DC, USA, 6-9 June, 2005.
Friedman D., Nash C.E., Caplinger J., Results From Two Sided Quasi-Static (M216) And Repeatable Dynamic Rollover Tests (Jrs) Relative To Fmvss 216 Tests, International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Paper Number 07-0361, 2007b.
Paulo Renato Lucchini Traverso
Perito Investigación hechos del tránsito
Ingeniero de Transporte PUCV
Diplomado en Investigación de Accidentes de Tráfico U. Zaragoza
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