L ESPERIENZA AISICO NEL SETTORE DEI CRASH TEST DI DISPOSITIVI DI SICUREZZA STRADALE

Nel presente intervento è illustrata una panoramica delle principali grandezze introdotte dalla Normativa vigente per caratterizzare le sollecitazioni meccaniche cui risultano sottoposti gli occupanti dei veicoli durante i crash test Segnaletica & Sicurezza Stefano Calamani* Lorenzo Lombardi** Andrea Bianchi*** L ESPERIENZA AISICO NEL SETTORE DEI CRASH TEST DI DISPOSITIVI DI SICUREZZA STRADALE Il livello di protezione assicurato da un dispositivo di sicurezza stradale e la relativa classificazione sono stabiliti attraverso il confronto di una serie di grandezze e parametri con opportuni valori di riferimento. La Normativa comunitaria, attraverso la Norma EN 1317, fa riferimento sia a grandezze di tipo meccanico (energie, forze e accelerazioni del veicolo), sia a parametri teorici di valutazione, quali la velocità teorica di urto della testa, sia a informazioni di tipo geometrico, quali le deformazioni statiche e dinamiche del dispositivo e le deformazioni statiche del veicolo. Di seguito è illustrata una panoramica delle principali grandezze introdotte dalla Normativa vigente per caratterizzare le sollecitazioni meccaniche cui risultano sottoposti gli occupanti dei veicoli durante i crash test, analizzando anche il loro significato fisico e le ipotesi di base su cui fonda la loro definizione e le procedure necessarie per la loro determinazione. Nello stesso tempo si tenterà di fornire indicazioni, basate sulle esperienze di crash test sviluppate all interno del Centro Prove AISICO di Anagni (FR), sulla significatività dei parametri di riferimento normativi. I parametri e gli indicatori utilizzati nei crash test Le grandezze e i parametri fisici presi in esame dalla Normativa EN 1317 per quanto riguarda le sollecitazioni cui sono sottoposti gli occupanti di veicoli che impattano contro dispositivi di sicurezza (barriere e attenuatori d urto), sono: grandezze relative agli occupanti del veicolo: l energia cinetica reale d urto; l A.S.I. (indice di severità dell accelerazione); la T.H.I.V. (velocità teorica d urto della testa); la P.H.D. (decelerazione post-urto della testa). Altre grandezze vengono prese in considerazione per valutare il comportamento del veicolo, del dispositivo e dei due elementi nel loro insieme: grandezze relative alla struttura del veicolo leggero: il VCDI; grandezze relative al comportamento del dispositivo: la larghezza operativa; a deformazione permanente; dimensione longitudinale della deformazione riportata dal dispositivo; grandezze relative al comportamento congiunto veicolo-dispositivo: permanenza del veicolo in uscita dall urto all interno del BOX CEN; lunghezza del contatto barriera-veicolo durante l urto. Nell ambito di questo articolo verrà accentrata l attenzione solo sui primi quattro indicatori, che risultano basati sull analisi di grandezze cinematiche e dinamiche (rotazioni, velocità e accelerazioni) del veicolo. Tali indicatori rendono conto principalmente della severità dell urto nei confronti degli occupanti. Per rilevare i dati cinematici durante una prova d urto sono installati all interno del veicolo, in corrispondenza del baricentro, due terne triassiali di accelerometri con fondo scala rispettivamente di 100 g e di 50 g, conformi alla Normativa ISO 6487. In particolare la terna a fondo scala di 100 g è posta nel baricentro del veicolo, mentre la seconda è collocata in posizione arretrata di 4 cm dalla prima rispetto all asse longitudinale del veicolo. Sempre in corrispondenza del baricentro, è installato il misuratore di velocità angolare di imbardata con fondo scala di 70 Rad/s. 2

All interno dei veicoli leggeri, sul sedile lato impatto, è inoltre posizionato un manichino antropomorfo strumentato, modello Hybrid III 50% maschio, del peso di circa 75 kg. Il manichino, per la determinazione delle sollecitazioni alla testa e al rachide cervicale e dell H.I.C. (Head Injury Criterion), è strumentato con: una terna triassale di accelerometri posta nella testa per la misurazione delle tre accelerazioni secondo gli assi X, Y, Z; una cella di carico, con sei sensori, posizionata nel collo del manichino per la determinazione delle forze e dei momenti secondo i tre assi X, Y, Z. Tutti i sensori sono collegati a una centralina di acquisizione posta all interno del veicolo. L energia cinetica d urto reale La Norma EN 1317 prevede una serie di prove di crash con veicoli dotati di differenti masse, velocità e angolazioni di impatto, che conducono a differenti valori dell energia teorica di impatto. La Normativa prevede inoltre che le masse dei veicoli, le condizioni di lancio e di impatto possano differire da quelle teoriche nell ambito di range di valori di tolleranza previsti dalla Normativa stessa. Nella realtà è quindi possibile che l energia reale di impatto possa differire da quella teorica prevista, sempre nel rispetto dei limiti di tolleranza. L energia cinetica posseduta dal veicolo, durante l impatto viene in parte dissipata attraverso attriti tra dispositivo e veicolo e quindi in definitiva si trasforma in calore, in energia di deformazione del veicolo e del dispositivo di sicurezza ed anche se in frazione notevolmente limitata, in energia acustica. Tale grandezza fornisce utili indicazioni del lavoro prodotto dal complesso veicolo-sistema di ritenuta durante l impatto e quindi in definitiva degli spostamenti (deformazioni) e delle forze implicate nei complessi processi meccanici correlati con l urto. Nel caso di urti con angolazione α predefinita, la quantità di energia cinetica E scambiata tra veicolo e la barriera è data dalla seguente espressione: m = massa del veicolo; v = velocità del veicolo; α = angolo di impatto; v senα = la componente perpendicolare all asse del dispositivo di sicurezza. Da tale relazione è possibile evincere come, con valori della massa del veicolo, della sua velocità e dell angolo di impatto contenuti nei limiti di tolleranza normativi, l energia cinetica reale possa differire anche notevolmente dal valore teorico previsto dalla Normativa. Come esempio di ciò può essere presa in considerazione la prova TB11 relativa al veicolo leggero con massa nominale di 900 kg. Prendendo in considerazione i valori estremi consentiti dalla tolleranza della Norma UNI ISO 1317, si ottengono i seguenti risultati: velocità teorica 100 km/h (+0% - +7%), da cui deriva: velocità minima possibile v min = 100 km/h = 27,78 m/sec.; velocità massima consentita v max = 107 km/h = 29,72 m/sec.; massa teorica 900 kg (±40 kg), da cui si ricava: massa minima consentita m min = 860 kg; massa massima consentita m max = 940 kg; angolo teorico di impatto 20 ( 1 - +1,5 ), da cui si ottiene: minimo angolo consentito α min = 19 ; massimo angolo possibile α max = 21,5 ; Da tali informazioni, considerando rispettivamente i valori massimi e minimi possibili per l angolo d urto, la velocità e la massa del veicolo si ottengono: energia cinetica minima: energia cinetica massima: Tali valori, confrontati con il valore nominale teorico di riferimento di 40,62 kj, mostrano una variazione negativa pari al 14%, una variazione positiva pari al 37% e una variabilità relativa al valore nominale pari al 50%. In tale campo di variabilità è possibile quindi che due identiche prove, effettuate in tempi o in centri di prova diversi ed entrambe nel rispetto della Normativa, presentino energie cinetiche d urto che differiscono tra loro, nei casi estremi, fino al 50%. Tale circostanza rende ciascuna prova di crash legata alla precisione con la quale viene effettuato il lancio e viene allestito il veicolo e soprattutto può compromettere la ripetibilità della prova stessa. L indice di severità dell accelerazione A.S.I. L indice di severità dell accelerazione A.S.I. è il singolo parametro rappresentativo della severità dell urto del veicolo, in relazione a un passeggero seduto in prossimità del punto P di applicazione della strumentazione accelerometrica. Il punto P di applicazione dei sensori accelerometrici è stabilito dalla Norma EN 1317 dover essere collocato in prossimità del baricentro del veicolo in prova. Per convenzione la Normativa EN 1317 parte 1 definisce un sistema di coordinate cartesiane solidali al veicolo la cui origine è posta nel baricentro del veicolo e presenta: l asse X longitudinale orientato secondo il verso di marcia; l asse Y trasversale orientato verso destra secondo il verso di marcia; l asse Z verticale orientato verso il basso; come illustrato in Figura 2, che riporta anche le convenzioni per i segni degli angoli di rollio, di beccheggio e di imbardata. In relazione a queste convenzioni di segni, l A.S.I.(t) è definito come una quantità adimensionale scalare, funzione del tempo, rappresentata dal valore assunto in una collisione dalla funzione del tempo definita dalla seguente relazione: 3

x, y, z sono valori limite per le componenti dell accelerazione lungo gli assi di riferimento del veicolo X, Y e Z. A essi la Normativa UNI EN 1317-1 associa rispettivamente i valori di riferimento ricavate da studi effettuati sugli effetti di forti accelerazioni sull organismo umano, rappresentano per ciascuna componente assiale, il valore limite oltre il quale è ipotizzabile l insorgenza di danni, anche gravi, alle persone: x = 12 g; y = 9 g; z = 10 g g è l accelerazione di gravità ed è posta dalla Norma a pari a 9,81 ms -2 ; x, y, z sono le componenti dell accelerazione rilevata nel veicolo, mediate su di un intervallo di tempo in movimento di 50 ms (media mobile di 50 ms). I valori di accelerazione sono inoltre preventivamente filtrati con procedura digitale attraverso un filtro. CFC 180 (Norma ISO 6487 - Filtro Butterworth a quattro poli che costituisce praticamente un filtro passa-basso o passa-banda con frequenza di taglio a 180 Hz). Questo doppio processo di elaborazione dei dati accelerometrici (media mobile e filtro Butterworth), negli obiettivi della Normativa, ha lo scopo di fornire una valutazione delle sollecitazioni meccaniche cui risultano sottoposti gli occupanti di un veicolo durante l impatto contro un dispositivo di sicurezza stradale. L esperienza maturata presso il Centro Prove AISICO ha consentito di dimostrare, attraverso l utilizzo e il confronto combinato di una terna triassiale baricentrica di accelerometri e una seconda terna posta a soli 4 cm di distanza dalla prima lungo l asse X, che le accelerazioni misurate dalla due terne possono essere molto differenti tra loro e, in alcuni casi limite, possono determinare, per la stessa prova, valori di ASI che attribuirebbero al dispositivo diverse classi di indice di severità (A.S.I. di una terna inferiore a 1 o a 1,4 e A.S.I. dell altra terna superiore a 1 o a 1,4). Decelerazione post-urto della testa P.H.D. La P.H.D. rappresenta la massima decelerazione post-urto, valutata esclusivamente nel piano XY (viene quindi trascurata la componente Z), subita dall ipotetica testa dell autista o del passeggero dopo il suo contatto con il veicolo. Essa rappresenta quindi le sollecitazioni dinamiche, giacenti nel piano XY, cui è sottoposta la testa dopo il suo urto contro il veicolo. La P.H.D. è matematicamente definita dalla massima accelerazione risultante nel punto di applicazione della strumentazione accelerometrica, valutata a partire dall istante presunto T, di impatto della testa con il veicolo. Tali accelerazioni risultano filtrate attraverso medie mobili calcolate su intervalli di 10 ms e relative alle sole componenti assiali X e Y. La P.H.D. assume la seguente espressione: e sono le componenti, secondo gli assi X e Y, delle accelerazioni cui è sottoposto il veicolo, filtrate con filtro CFC 180 e determinate come media mobile su 10 ms, Anche la P.H.D., come le accelerazioni e, viene valutato in g (accelerazione di gravità). Anche nel caso del calcolo della P.H.D., la Normativa presume che attraverso il processo di filtraggio e di media mobile, si riesca a pervenire alle decelerazioni cui sono sottoposti i passeggeri, note quelle del veicolo. Tale procedimento è basato sulla determinazione dell inizio convenzionale del contatto della testa teorica. La cinematica del veicolo durante l urto viene infatti descritta dalla Normativa secondo la seguente sequenza: 1. inizialmente il veicolo e il passeggero vengono considerati solidali e in moto rettilineo uniforme, con angolo di incidenza con la barriera e velocità conformi alle prescrizioni della Norma EN 1317. La velocità relativa veicolo-testa teorica risulta essere quindi nulla nella prima fase di avvicinamento del veicolo al dispositivo; 2. al momento dell urto del veicolo contro il dispositivo, la testa teorica prosegue il suo moto rettilineo uniforme, alla velocità e secondo l angolo iniziale, mentre il veicolo segue la cinematica indotta dalle reazioni della barriera e dalla perdita di energia legate all urto con il dispositivo, allontanandosi fortemente dalla condizione di moto rettilineo uniforme; 3. dopo l urto la testa teorica, proseguendo il suo motto rettilineo uniforme con velocità relativa non nulla rispetto al veicolo, va a urtare, a seconda della traiettoria assunta dal veicolo dopo l urto col dispositivo, il finestrino o il lunotto anteriore; 4. l istante di urto della testa contro il veicolo viene a essere determinato calcolando le componenti assiali della velocità relativa tra il veicolo e la testa teorica e determinando il minore tra i tempi necessari per percorrere la distanza che separa la testa dal vetro laterale o dal lunotto anteriore. La Normativa stabilisce i valori tipo di riferimento in 0,6 m per la distanza da percorrere per urtare il lunotto anteriore e in 0,3 m per quella da percorrere per urtare il vetro laterale: queste due grandezze sono indicate con il nome distanze libere ; 5. il tempo intercorso tra l inizio dell urto del veicolo contro il dispositivo e l urto della testa teorica contro il veicolo è detto Tempo di volo e l istante T al quale avviene il contatto tra testa teorica e veicolo individua l inizio dell intervallo di tempo durante il quale si valuta la P.H.D.; 6. la Normativa, dopo l urto della testa con il veicolo, ipotizza che la testa teorica divenga nuovamente solidale con il veicolo e che quindi il suo moto assoluto (rispetto al suolo) sia identico a quello del veicolo, ovverosia che la tesa rimanga in rigido contatto con il veicolo. Nella realtà, la traiettoria percorsa dalla testa dopo l urto del veicolo contro il dispositivo e il suo impatto contro il veicolo stesso dipendono sia dalla sequenza dinamica degli eventi che coinvolgono l impatto cui è sottoposto il veicolo e quindi dal suo moto, sia dalle reazioni che la testa e il corpo del passeggero subiscono nell urto, sia dalle dimensioni del veicolo, sia dalla posizione iniziale della testa reale, sia dall eventuale utilizzo di sistemi di protezione passiva, quali cinture di sicurezza o airbag e sia dalla collocazione del passeggero sul sedile del lato d urto o su quello del lato opposto. Inoltre, come emerge dall esperienza maturata dal Centro Prove AISICO, la testa reale dopo l urto con il veicolo non diviene solidale con questo, ma può addirittura proseguire il suo moto laterale oltre il vetro infranto ed eventualmente collidere anche con il dispositivo di sicurezza e/o rimbalzare più volte contro lo sterzo, prima dell arresto definitivo del veicolo, ricevendo sollecitazioni dinamiche ben diverse da quelle che subisce il veicolo nella prosecuzione della sua corsa dopo l urto. Nella sequenza in Figura 3 è possibile esaminare un esempio di un urto contro una barriera integrata. La sequenza in Figura 4, fortemente ingrandita, mostra come la testa del manichino, dopo aver infranto il vetro laterale, malgrado la cintura di sicurezza, vada a impattare contro la barriera stessa. 4

Prove di Crash Nella realtà, per quanto riguarda le distanze tra la posizione iniziale della testa e gli elementi strutturali del veicolo, queste risultano dipendenti dalla tipologia di veicolo considerato, dalla posizione iniziale del passeggero, dal tipo di urto e del comportamento del veicolo conseguente all urto, dalle deformazioni subite dall abitacolo, dall eventuale rottura dei vetri, ecc.. Da tali considerazioni emerge comunque che le decelerazioni calcolate per la testa secondo la Norma EN 1317 possono risultare notevolmente differenti da quelle effettivamente subite nella realtà dal passeggero. Il calcolo del tempo convenzionale di volo, e quindi il valore della P.H.D., risente notevolmente della valutazione corretta dell istante di inizio dell impatto del veicolo contro la barriera. La Norma non fornisce nessuna indicazione sulla procedura di determinazione dell istante di inizio dell urto e tanto meno il diagramma delle accelerazioni consente di valutare in maniera precisa e univoca l istante di inizio urto, come dimostra l ingrandimento dei valori delle accelerazioni secondo gli assi X e Y negli istanti prossimi all inizio dell urto di un veicolo leggero contro una barriera di sicurezza. Nel Centro Prove AISICO di Anagni per la determinazione dell istante di inizio dell urto del veicolo contro il dispositivo viene applicata una metodologia desunta dalla Norma ISO/TR 12351-1999 per il calcolo dell H.I.C.. Tale metodologia consiste nella valutazione dell istante di superamento da parte delle accelerazioni di una soglia prestabilita e nell individuazione dell istante immediatamente precedente a tale superamento nel quale le accelerazioni presentano un valore immediatamente inferiore al massimo ipotizzabile in assenza di urto. Una non corretta valutazione dell istante di inizio dell urto può condurre a una erronea determinazione del tempo convenzionale di volo, con conseguente inesatta determinazione della P.H.D. ed eventuali conseguenze sull esito della prova stessa. Nell esempio che segue, in maniera qualitativa è mostrato come, considerando il tempo di urto della testa teorica corrispondente alla linea verde, si ottiene un valore della P.H.D. pari a circa 11 g (picco massimo colorato in verde), mentre prendendo a riferimento come inizio dell urto, un tempo di alcuni millisecondi inferiore al precedente, si ottiene un valore della P.H.D. oltre 22 g (picco massimo colorato in rosso). Velocità teorica d urto della testa T.H.I.V. La T.H.I.V. rappresenta la velocità con la quale l ipotetica testa dell autista o del passeggero, dopo l urto del veicolo contro il dispositivo di sicurezza, entra in contatto con il veicolo stesso. La T.H.I.V. è quindi matematicamente definita come la componente della velocità relativa, della testa teorica rispetto al veicolo, nel piano XY, valutata nell istante presunto T di impatto della testa con il veicolo. 5

Anche per la T.H.I.V., come per la P.H.D. l occupante del veicolo è schematizzato attraverso la sua testa teorica che si muove liberamente e che, quando il veicolo cambia velocità e direzione durante il contatto con il dispositivo di sicurezza, continua a muoversi di moto rettilineo uniforme finché non colpisce una superficie all interno del veicolo. La T.H.I.V. assume la seguente espressione: V x (T),V y (T) sono le componenti secondo gli assi X e Y della velocità relativa della testa teorica rispetto al veicolo nell istante T di impatto testa teorica-veicolo. La T.H.I.V., come le velocità Vx(T),Vy(T), viene valutato in km/h. Analogamente alla P.H.D., per la determinazione della T.H.I.V. è necessario calcolare con estrema precisione l istante di inizio dell urto e il tempo di volo. Infatti, nel suo moto relativo rispetto al veicolo, a partire dall istante di urto del veicolo con il dispositivo di sicurezza, la testa teorica acquisisce velocità relativa crescente nel tempo, dato il suo moto (considerato rettilineo uniforme), che si contrappone a quello del veicolo respinto dal dispositivo di sicurezza. Il veicolo infatti, assume (nelle prove in cui non si ha il superamento del dispositivo stesso da parte del veicolo), una velocità dotata di componenti di segno opposto rispetto a quella della testa. Nell esempio che segue è possibile vedere l andamento della velocità relativa della testa a partire dall istante dell urto: Da tale grafico è possibile constatare: come la velocità relativa della testa sia crescente nel tempo (chiaramente tale crescita non dura indefinitamente in quanto, secondo la Norma EN 1317, dopo l urto della testa teorica con il veicolo, all istante T, la velocità relativa della testa si annulla e il moto del veicolo e della testa diviene nuovamente solidale); che l erronea determinazione dell istante T di impatto della testa con il veicolo (individuato nel grafico precedente dal segmento rosso tratteggiato), può condurre a valori della T.H.I.V. anche notevolmente differenti, che possono condurre a una errata valutazione dell effettivo superamento della prova secondo le prescrizioni normative. La T.H.I.V., come la P.H.D., dipende molto dal tipo di comportamento del veicolo dopo l urto, dalla traiettoria assunta in uscita dopo l urto, dalle rotazioni di imbardata, di beccheggio e di rollio, dalla deformazione del veicolo e dalle deformazioni dinamiche del dispositivo di sicurezza e quindi in definitiva del punto di impatto del veicolo contro il dispositivo. Conclusioni Nei paragrafi precedenti sono riportate le definizioni dei principali indicatori dinamici previsti dalla Norma EN 1317 per le prove di accettazione dei dispositivi di sicurezza e sono riassunte, molto sinteticamente e qualitativamente, alcune delle considerazioni emerse dalle esperienza condotte presso il Cento Prove AISICO. Tali parametri sono fortemente dipendenti dalla precisione con cui il laboratorio riesce a eseguire gli allestimenti dei veicoli e i lanci e pertanto potrebbe accadere che identici dispositivi testati in laboratori differenti possano conseguire dei risultati profondamente diversi. Nel Centro Prove AISICO è prestata particolare attenzione alla precisione dei parametri di peso e di lancio dei veicoli: la pesatura dei veicoli, durante i processi di determinazione del baricentro e di posizionamento del manichino e della zavorra, viene effettuata, controllata e regolata (attraverso il condizionamento della zavorra) con bilance tarate e certificate di alta precisione e ripetuta più volte, anche per ciascun singolo asse; la posizione del baricentro dei veicoli leggeri è determinata secondo le prescrizioni della Normativa ISO 10392 con una serie di pesature di precisione ripetute a varie inclinazioni del veicolo, in aumento e in diminuzione e sui due diversi assi, e la verifica dell esatta collocazione delle terne accelerometriche è effettuata attraverso l impiego di strumentazione di misura certificata appositamente realizzata; l utilizzo contemporaneo di due distinte catene di misura consente di garantire una notevole affidabilità nella determinazione dell indice A.S.I.; il sistema di lancio è costituito da un binario fisso, la cui angolazione con la linea della barriera è stata determinata con precisione con appropriati metodi topografici, e consente errori massimi dell angolo di impatto rilevati attraverso elaborazione di immagini, inferiori ai 30 primi di grado; il sistema di controllo del traino del veicolo, collegato ai sensori di rilievo istantaneo della velocità, è dotato di un efficiente programma di regolazione della potenza dei motori di trascinamento che consente una precisione notevole della velocità di lancio del veicolo. Nel Centro Prove AISICO, infatti, molto raramente si supera l imprecisione nella velocità di lancio di +1%. Tali margini di precisione consentono al Centro Prove AISICO di pervenire a un margine di scostamento dal valore nominale dell energia cinetica di impatto notevolmente inferiore al 10%. Infine, come ulteriore riflessione di carattere generale di quanto sopra esposto, va indicato che l analisi dei numerosi crash eseguiti nel Centro Prove AISICO ha dimostrato una discreta costanza dell indice di severità dell accelerazione A.S.I., e una minore ripetitività della P.H.D. e della T.H.I.V., con variazioni dei valori spesso non trascurabili. * Ingegnere e Direttore del Centro Prove AISICO ** Ingegnere e Consulente Tecnico AISICO *** Ingegnere e Responsabile Scientifico Centro Prove AISICO 6