Análise dos parâmetros biomecânicos em um ocupante de veículo em um impacto frontal



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ANÁLISE DOS PARÂMETROS BIOMECÂNICOS EM UM OCUPANTE DE VEÍCULO EM UM IMPACTO FRONTAL
Sidney C. Melo1, Geisiel M. Assis1, Claysson B. S. Vimieiro(1,2)

1Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais – PUC-Minas, Belo Horizonte (MG), Brasil

2Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte (MG), Brasil

E-mail: claysson@pucminas.br



Resumo. Atualmente os governos de diversos países buscam a melhoria da segurança dos veículos para segurança dos usuários e redução dos acidentes com feridos grave ou mortes. A regulamentação de colisão frontal foi introduzida no Brasil em 1970, através da resolução CONTRAN nº 463/73, baseada na regulamentação das Nações Unidas (ECE R12). Em 1998, entrou em vigor a nova regulamentação das Nações Unidas sobre o impacto frontal (resolução ECE R94). Segundo a resolução ECE R94, nos assentos dianteiros do veículo são colocados dois manequins do tipo Hybrid III. Esses manequins são instrumentados com sensores de força, aceleração e deslocamento e podem registrar 20 sinais do corpo. A partir dos sinais obtidos pelos manequins foram definidos critérios biomecânicos para avaliar o grau das lesões dos ocupantes do veículo submetidos ao mesmo tipo de colisão frontal. O Brasil se adéqua em 2012 à regulamentação de impacto frontal contra barreira, através da CONTRAN 221, adotando o mesmo modelo da regulamentação das Nações Unidas ECE R 94, que é uma das mais modernas e abrangentes existentes hoje no mundo. Este estudo tem como objetivo realizar uma revisão sobre os parâmetros biomecânicos que devem ser analisados em um ocupante de veículo em um ensaio de colisão frontal.
Palavras-chave: Biomecânica, Impacto frontal, Segurança, Veículo.

1. INTRODUÇÃO
O surgimento da Engenharia de Segurança Veicular tem seu início efetivo no pós-guerra no século XX. Inicialmente, os esforços foram concentrados na indústria aeronáutica e posteriormente grande parte do conhecimento adquirido foi migrada para centros de pesquisas automotivos, principalmente na Europa e nos Estados Unidos.

Dos diversos ramos existentes dentro da segurança veicular, o desenvolvimento de cintos de segurança mereceu maior empenho nas pesquisas realizadas até hoje [World Health Organization, 2004]. Paralelamente, atividades que dizem respeito a desenvolvimento de bancos, painéis de instrumentos, airbags, volantes como também avanços na área experimental, através da execução de crash tests, melhorias na biofidelidade e instrumentação dos veículos, ainda são objeto de estudos e pesquisas [Mackay , 2007; Gardiner , Kam, 2011].

O cinto de segurança é um dispositivo de defesa dos ocupantes de um meio de transporte. O mesmo serve para, em caso de colisão, não permitir a projeção do passageiro para fora do veículo e nem que este bata a cabeça contra o pára-brisa ou outras partes duras do veículo. É inquestionável o poder que este mecanismo possui em reduzir a probabilidade de mortes e de lesões graves dos condutores. Ainda hoje, não há qualquer outra solução de engenharia que suplante a proteção proporcionada pelo cinto de segurança [Miranda, 2004]. O cinto de segurança foi desenvolvido durante a 2ª Guerra Mundial para evitar que os pilotos de avião, em caso de aterrissagens forçadas, não morressem por serem lançados para fora da cabine. O primeiro cinto de segurança foi patenteado em 1885, nos Estados Unidos, mas apenas em 1958, o Corvette fabricado pela Chevrolet passou a utilizar este dispositivo.

A regulamentação de colisão frontal foi introduzida no Brasil no início dos anos 1970. Trata-se da resolução CONTRAN nº 463/73, item 4, que foi baseada na regulamentação das Nações Unidas ECE R12 daquela época. Esta resolução experimental consistia em se lançar um veículo a uma velocidade de 48 km/h, contra uma barreira fixa e rígida. Após o choque eram verificados apenas dois critérios: o deslocamento do centro do volante na direção horizontal, que deveria ser inferior a 127 mm, e a quantidade de combustível que eventualmente vazava do circuito e do reservatório, e que deveria ser menor que 28 gramas por minuto. No entanto, nenhuma avaliação das eventuais lesões que poderiam sofrer os ocupantes do veículo eram consideradas nesta resolução. Em termos de representatividade de acidentes reais verificou-se também que as condições que esta resolução reproduzia não eram das mais comuns observadas na realidade. [Bertocchi, 2005].

Em 1998, entrou em vigor a nova regulamentação das Nações Unidas sobre o impacto frontal, última revisão em 2010 [ECE R94, 1998]. Esta resolução prevê um ensaio de impacto frontal a 56 km/h contra uma barreira assimétrica. O impacto ocorre do lado do volante a 40% da largura do veículo (Fig. 1).

Figura 1 - Resultado de uma carroceria deformada após uma prova de impacto frontal segundo a ECE R94 (40% off set).
Segundo a resolução ECE R94 (1998), nos assentos dianteiros do veículo são colocados dois manequins (dummies) do tipo Hybrid III. Esses manequins são instrumentados com sensores de força, aceleração e deslocamento e podem registrar mais de 20 sinais diferentes em pontos diferentes do corpo. A partir dos sinais obtidos pelos manequins foram definidos critérios biomecânicos para avaliar o grau das lesões que sofreriam seres humanos reais submetidos ao mesmo tipo de colisão frontal.

Diante do exposto, o Brasil se adéqua a partir de 2012 à regulamentação de impacto frontal contra barreira, através da CONTRAN 221, (2007), adotando o mesmo modelo da regulamentação das Nações Unidas ECE R 94 (1998), que é uma das mais modernas e abrangentes existentes hoje no mundo.

As tendências apresentadas pelas novas resoluções descritas motivam o desenvolvimento deste trabalho.
2. REGULAMENTAÇÃO CONTRAN 221
Atualmente para homologar um novo modelo de veículo, no que diz respeito ao impacto frontal, é necessário atender alguns critérios de biomecânica. A Tabela 1 mostra os requisitos exigidos na regulamentação CONTRAN 221 (2007). Muitos países adotam esta regulamentação para a homologação comercial dos veículos. Uma evolução desta nova regulamentação de impacto frontal foi o acréscimo dos requisitos de biomecânica, pois anteriormente eram analisados somente os critérios estruturais e não as conseqüências sofridas pelos ocupantes dos veículos.
Tabela 1 – Requisitos exigidos na regulamentação ECE R94 (1998).

O Conselho Nacional de Trânsito brasileiro estabelece a partir de janeiro de 2012 com a resolução CONTRAN 221 (2007) requisitos de proteção aos ocupantes e integridade do sistema de combustível decorrente de impactos aos veículos. Também devido à necessidade de se criar critérios biomecânicos de segurança para os ocupantes dos veículos de passageiros, quando da ocorrência de impactos.

Referente à Proteção ao ocupante, com avaliação de critérios biomecânicos, em ensaio de impacto frontal a norma de referência é a ABNT NBR 15300-1, em conjunto com a norma ABNT NBR 15300-2 ou com a norma ABNT NBR 15300-3, a critério do fabricante.

A diferença entre as normas ABNT NBR 15.300-2 e 15.300-3 são basicamente as condições onde são realizadas as provas de impacto frontal, sendo a primeira com uma velocidade de 48 km/h contra uma barreira rígida a 100% frontal e a segunda norma nas condições de velocidade de 56 km/h contra uma barreira deformável a 40% do frontal do veículo.
Norma ABNT NBR 15.300
A presente norma define todos os requisitos de desempenho que devem ser atendidos durante o ensaio de impacto frontal com 100% de sobreposição ou com 40% de sobreposição. Os principais requisitos estabelecidos pela presente norma são apresentados abaixo:


  • O critério de lesão da cabeça (HIC) não deve exceder 1000 em 36 ms;

  • A aceleração resultante do tórax não deve exceder 60 g;

  • A compressão do tórax em relativa a coluna vertebral não deve exceder 76 mm;

  • A força transmitida axialmente através dos fêmures não deve exceder 10 kN;

  • O critério de lesão do pescoço não deve exceder 1,0 em nenhum momento durante o ensaio conf. anexo C;

  • O momento flexor do pescoço em torno do eixo y (Mcoy) não deve exceder 57 N.m em extensão;

  • O critério de compressão do tórax (ThCC) não deve exceder 50,0 mm;

  • O critério de viscosidade (V*C) para o tórax não deve exceder 1,0 m/s;

  • O critério de esforço do fêmur (FFC) não deve exceder os valores indicados na curva esforço x tempo mostrado na figura abaixo;

  • O critério de compressão da tíbia (TCFC) não deve exceder 8 kN;

  • O índice de tíbia (TI), medido na parte superior e na base de cada tíbia, não deve exceder 1,3 em ambos os locais;

  • O movimento das juntas deslizantes dos joelhos não deve exceder 15 mm;

  • O deslocamento residual da coluna de direção, medido no centro do volante, não deve exceder 80 mm no sentido vertical para cima (ascendente) e 100 mm no sentido horizontal para a parte traseira do veículo, em direção ao ocupante;

  • Durante o ensaio as portas não devem abrir-se;

  • Durante o ensaio o sistema de travamento das portas não deve travar as portas dianteiras;

  • Depois do ensaio, deve, sem o uso de ferramentas (exceto as necessárias para apoiar a massa do manequim), ser possível efetuar:

  • Abrir pelo menos uma porta;

  • Liberar o manequim do sistema de retenção; caso o sistema de retenção possua algum mecanismo de trava, o seu destravamento não deve exceder 60 N no dispositivo de liberação;

  • Retirar os manequins do veículo sem ajustes dos bancos;

  • No caso de veículo propulsionado por combustível líquido, não deve haver mais que um pequeno vazamento do sistema de alimentação de combustível durante o ensaio;

Se houver vazamento contínuo do líquido de combustível no sistema de alimentação após o ensaio, a taxa de vazamento não deve exceder 30 g/min; se o líquido do sistema de combustível misturar com líquidos provenientes de outros sistemas e não for possível separá-los uns dos outros e identificá-los com facilidade, o volume total de derramamento contínuo deve ser determinado em função de todos os líquidos recolhidos.


3. PARÂMETROS BIOMECÂNICOS
Os estudos da biomecânica iniciaram-se em laboratórios especializados, onde se tenta reproduzir ao máximo as condições reais que acontecem em um impacto frontal, daí surgiram então os primeiros manequins (dummies), ou Crash Test Dummies. É de 1949 o primeiro registro de um manequim (dummy), chamado de Sierra Sam, desenvolvido por Alderson Research Labs. Em 1950 tem-se o conhecimento de outro dummy, chamado e Gard Dummy, este criado pelo laboratório de aeronáutica Cornell Aeronautical Laboratories [Bertocchi, 2005].

Os primeiros manequins (dummies) que já obedeciam aos padrões ergonômicos de 5%, 50% e 95% tiveram suas aplicações na indústria automotiva entre as décadas de 50 e 70. Devido a uma necessidade de padronização, em 1971 foi desenvolvido o primeiro modelo Híbrido I (hybrid I). Em 1973, com melhor biofidelidade na região dos ombros, coluna e joelhos. Com medições inclusive sobre a região torácica, em 1976 é introduzido o modelo Híbrido III (Fig.2).

Todas as análises a respeito dos comportamentos dos manequins só eram possíveis porque se conseguia instalar sobre as mesmas células de carga, transdutores de aceleração e movimento e aos quais eram submetidos às provas de impacto. O objetivo perseguido sempre foi o de criar alguns índices biomecânicos que possam servir para avaliar a proteção aos ocupantes em ensaios de laboratórios, através de estudos de tolerâncias ao impacto de tecidos, ossos e órgãos [Pinto, et al, 2012; Viano, et al, 2012].

Figura 2 – Manequim (Dummy) adulto da família Híbrido III.


Apresentam-se abaixo os requisitos biomecânicos para os alguns dos membros principais do manequim.
3.1 Cabeça
Devido à inércia provocada em um impacto frontal, a biomecânica da cabeça preocupa porque provoca níveis significativos de pressões positivas e negativas causado pelo movimento relativo entre o cérebro e o crânio. A normativa européia ECE R94 relativa aos impactos frontais (56 km/h 40% offset contra barreira deformável) indica os seguintes critérios.
Ar máx (3 ms) < 80 g e HPC < 1000
O primeiro trata da aceleração relativa máxima permitida de 80g durante o tempo de 3ms. O segundo critério HPC (Head Protection Criteria) é um resultado adimensional resultante de uma expressão matemática onde levam em consideração as acelerações sofridas pela cabeça.
Eq. (01)
Os requisitos de biomecânica não podem ser generalizados para todas as situações, pois existem fatores que podem comprometer o resultado, como por exemplo, um crash test a baixa velocidade com resultado de acelerações resultantes altas [Ferrari, 2000].
3.2 Torax
No tórax se encontram vários tipos de lesões por se tratar de uma região de diferentes tecidos, órgãos e regiões ósseas. Outra particularidade da região torácica é o resultado biomecânico do motorista não ser o mesmo do passageiro em uma colisão frontal, isto se deve principalmente ao fato dos componentes próximos serem bastante diferentes, no caso do motorista o volante e sua coluna de direção, e o passageiro a presença do painel de instrumento.

A região mais vulnerável são as costelas. A quebra da caixa torácica pode vir a ser prejudicar de maneira fatal a respiração. O esmagamento da caixa torácica é um dos fenômenos mais comuns, compressão dos órgãos internos entre a caixa torácica e a coluna vertebral. Os manequins híbridos III apresentam boa fidelidade quanto à deflexão em relação às forças aplicadas. Abaixo o critério biomecânico utilizado em ensaios de impactos em laboratórios de testes para a proteção da região torácica.



Valor referente à intrusão máxima no tórax.

O índice acima é resultado matemático da expressão matemática abaixo onde considera o coeficiente de deflexão no esterno (C) e a velocidade de deflexão do esterno (V).
Eq. (02)
Onde D(t) é a deflexão medida no tórax e:
Eq. (03)
Onde t é o intervalo de tempo entre as medições de deflexão.
Eq. (04)

Figura 3 - Estágios da compressão torácica (0%, 20%, 40% e 60%) [Bertocchi, 2005].
Na figura 3 são apresentados os estágios de compressão torácica devido à aplicação de uma força similar a que é aplicada pelo cinto de segurança durante uma colisão veicular. Para não prejudicar a integridade da caixa torácica e dos órgãos que ali estão à utilização de componentes de pré-tensionamento e de limitadores de carga no cinto de segurança são muito importantes para o gerenciamento das forças aplicadas contra os ocupantes. Desde que o cadarço do cinto de segurança atenda às prescrições normativas relativas à força limite de ruptura à tração, o rompimento do mesmo em uma colisão veicular não é necessariamente uma falha. Em casos muito raros onde contamos com velocidades extremas de impacto e ocupantes com grande massa (o que resulta em uma grande quantidade de energia para o cinto de segurança absorver), a resistência do cadarço do cinto muito acima dos valores mínimos estabelecidos nas regulamentações internacionais pode significar a ocorrência de lesões sérias, pois irá gerar altos níveis de força contra o ocupante. Nesses casos, após o cinto de segurança ter absorvido parte significativa da energia presente, o cadarço poderá se romper aliviando os níveis de força contra o ocupante e conseqüentemente as lesões. Após a diminuição dos níveis de força por alguns milissegundos, a energia residual será absorvida através do choque do ocupante contra partes do interior do veículo, como o painel de instrumentos e o sistema de direção. É importante ressaltar que esse fenômeno é raro e não reflete o comportamento normal do sistema de retenção. Caso ocorra deve ser investigado através de perícia técnica especializada [Bertocchi, 2005].
4. CONCLUSÃO
Com este estudo buscou-se realizar uma revisão sobre os parâmetros biomecânicos mais importantes que devem ser analisados em um ocupante de veículo em um ensaio de colisão frontal. Observa-se que o Brasil esta se adequando às principais normas internacionais de segurança veicular. A partir de Janeiro de 2012 entrou em vigor a resolução CONTRAN 221 que estabelece as normas a serem utilizadas para os testes de colisão frontal em veículos. Os principais parâmetros biomecânicos analisados estão relacionados com a cabeça, pescoço e tórax.

Com esta resolução em vigor, é preciso estabelecer uma fiscalização nas principais montadoras para exigir que todos os veículos lançados no país atendam estas exigências impostas pela resolução CONTRAN 221.



AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da PUC-Minas.
REFERÊNCIAS
Bertocchi, M., “Segurança Veicular. Acidentes de Trânsito, Colisões Veiculares, Cintos de Segurança, Airbags, História da Segurança Veicular, dados sobre Acidentes, Proteção aos Pedestres e muito mais”. Skill Elaboração de Materias Didáticos Ltda, 2005.

CONTRAN 221, “Estabelece requisitos de proteção aos ocupantes e integridade do sistema de combustível decorrente de impacto nos veículos”, Resolução Nº 221 do Conselho Nacional de Trânsito Brasileiro, 2007.

ECE R94, “Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the protection of the occupants in the event of a frontal collision”, Regulation No 94 of the Economic Commission for Europe of the United Nations (UN/ECE), 1998.

Ferrari, R., “Rear-end impacts: Vehicle and occupant response”, Journal of Manipulative and Physiological Therapeutics, Vol 23, n1, 2000.

Gardiner, J. C., Kam, C., “Biomechanics of Auto Accidents: Injury mechanics and medical opinion combine to form the testimony for injury causation”, Journal of the Consumenr Attorneys Association. 2011.

Mackay, M., “The increasing importance of the biomechanics of impact Trauma”, Sadhana Vol. 32, pp. 397–408, 2007.

Miranda, V., Braga M. Segurança de trânsito no Brasil: Propostas para as empresas; XIII Congresso Panamericano de Engenharía de Trânsito e Transporte; Anais eletrônicos (CD); Nova York, 2004.

Ribeiro, R. A., Nunes, I. L., “Fuzzy approach for reducing subjectivity in estimating occupational accident severity”, Accident Analysis and Prevention, pp 281– 290, 2012.

Viano, D. C., Parenteau, C. S. Burnett, R., “Influence of standing or seated pelvis on dummy responses in rear impacts”, Accident Analysis and Prevention, pp 423– 431, 2012.

World Health Organisation, “World report on road traffic injury prevention”, WHO Geneva, 2004.



INSTRUCTIONS FOR SUBMISSION OF PAPERS TO THE PROCEEDINGS OF COLAOB 2012
Sidney C. Melo1, Geisiel M. Assis1, Claysson B. S. Vimieiro(1,2)

1Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais – PUC-Minas, Belo Horizonte (MG), Brasil

2Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG, Belo Horizonte (MG), Brasil

E-mail: claysson@pucminas.br


Abstract. Currently the government of many countries seek to improve the safety of vehicles for safety of users and reduction of accidents with serious injuries or deaths. The frontal crash regulation was introduced in Brazil in 1970, by resolution CONTRAN No. 463/73, based on the regulation of the United Nations (ECE R12). In 1998, entered into force new regulation of the United Nations on the frontal impact (resolution ECE R94). According to the resolution ECE R94, in the frontal impact tests in vehicles must be placed two dummies (Hybrid III dummy type). These dummies are instrumented with force, acceleration and displacement sensors and are able to record 20 signals from the body. From the signals obtained by the dummies were defined biomechanical criteria for assessing the degree of injury to the occupants of the vehicle subjected to the same type of frontal collision. In 2012, Brazil fits in the regulation of vehicle frontal impact, through the resolution CONTRAN 221, adopting the same model of regulation UN ECE R 94, which is one of the most modern and comprehensive available in the world today. This study aims to perform a review of biomechanical parameters that must be analyzed in a vehicle occupant in a frontal impact test.
Keywords: Biomechanics, frontal impact, Safety, Vehicle.



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