La comparación de normas de barreras resalta diferencias clave según los tipos de vehículos

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Atenuadores de choque en una vía latinoamericana.

La mayoría de los atenuadores de choque disponibles en el mercado han sido diseñados según una de las principales normas internacionales, a saber, la EN 1317 o la NCHRP 350. La EN 1317 es la norma europea y sigue utilizándose para certificar los productos nuevos, mientras que la NCHRP 350 es la norma de EEUU que fue utilizada hasta 2010 para certificar los productos de seguridad viaria, pero que actualmente ha sido sustituida por la norma MASH.

Es interesante comparar los requisitos de las dos normas con respecto a sus recomendaciones acerca del diseño de los atenuadores de choque. En este artículo se estudia en particular la comparación entre los requisitos de diseño del atenuador de choque rígido TL3 según la norma NCHRP 350 y el diseño de un atenuador de choque redirigible a 110 km/h según la norma EN 1317.

La NCHRP 350 especifica probar los atenuadores de choque con dos tipos de coche distintos: un coche pequeño de 820 kg y una camioneta de 2 toneladas. Estos vehículos se usan para certificar los atenuadores de choque a tres niveles distintos de velocidad: 50 km/h (TL1), 70 km/h (TL2) y 100 km/h (TL3).

La EN 1317 especifica probar los atenuadores de choque con tres tipos de coche distintos: un coche pequeño de 900 kg, un coche medio de 1,3 toneladas y un coche grande de 1,5 toneladas. Los atenuadores de choque pueden probarse a cuatro velocidades distintas: 50 km/h, 80 km/h, 100 km/h y 110 km/h. El coche pequeño se usa en la prueba a 50 km/h, los coches pequeño y medio se usan en las pruebas a 80 km/h y 100 km/h y los coches pequeño y grande se usan en la prueba a 110 km/h.

El test de capacidad se define como el test de impacto caracterizado por el máximo nivel de energía en la matriz del test para ese nivel de velocidad: es la colisión frontal del vehículo más pesado para el nivel de velocidad en consideración. En la NCHRP 350 el vehículo más pesado es la camioneta a cada velocidad, mientras que en la EN 1317 el vehículo más pesado depende del nivel de velocidad.

En la figura 1 se muestra la energía para cada test de capacidad por cada nivel de velocidad en las dos normas. Las barras rojas corresponden a la NCHRP 350 y las barras azules corresponden a la EN 1317.

Figura 1

Comparación de la energía en kJ utilizada en el test de capacidad a cada nivel de velocidad: rojo – NCHRP 350; azul – EN 1317.Figura 1 p23En la Figura 1 parece que la energía utilizada en los impactos es comparable con TL2 (NCHRP350) y 80 km/h (EN1317), pero también con TL3 (NCHRP) y 110 km/h (NCHRP). Es necesario comparar los requisitos de las dos normas.

El test de capacidad para TL3 requiere absorber 70 kJ más de energía que el de 110 km/h. La energía nominal en la colisión frontal de la camioneta de 2 toneladas desplazándose a 100 km/h es de 770 kJ mientras que la energía nominal utilizada en la colisión frontal a 110 km/h según la EN 1317 es de 700 kJ. Esto significa que los atenuadores de choque diseñados según las normas europeas absorben un 10% de energía menos que los atenuadores de choque diseñados según las normas de EEUU. Sin embargo, esto no significa que los atenuadores de choque 350 sean más seguros que los atenuadores de choque 1317. Con el fin de resaltar este hecho se pueden comparar los impactos de dos vehículos con la misma energía cinética, pero desplazándose a dos velocidades distintas.

Un tren con una masa de 90 toneladas desplazándose a 4,7 km/h tendrá las mismas características de energía cinética que una motocicleta de 200 kg desplazándose a 315 km/h.

Pero suponiendo que estos vehículos chocaran con una barrera TL3, los resultados serían muy diferentes. Hay que resaltar que la velocidad de desaceleración es crucial para las lesiones que recibirían los pasajeros o conductores.

Este ejemplo es útil para comprender un aspecto importante relacionado con la diferencia entre la NCHRP 350 y la EN 1317. Es cierto que el nivel energético de la NCHRP 350 es superior en 70 kJ al de la EN 1317. Pero el test de la EN 1317 supone un impacto a 110 km/h, es decir una velocidad 10 km/h superior a la de la NCHRP 350, y la velocidad más alta representa una desaceleración mayor.

En la Figura 2 se muestran los tests de impacto requeridos por las dos normas para probar los atenuadores de choque rígidos TL3 y redirigibles a 110 km/h. La tabla muestra los tests requeridos por la NCHRP 350 a la izquierda y los tests requeridos por EN 1317 a la derecha. Los tests frontales se muestran arriba y los tests laterales abajo.

Figura 2

Comparación de los tests de impacto requeridos para certificar un atenuador de choque rígido TL3 (lado izquierdo de la tabla) y un atenuador de choque redirigible a 110 km/h (lado derecho de la tabla).

Estandares de Seguridad Pasiva

NCHRP 350
Atenuador de choque rígido TL3
EN 1317
Amortiguador de choque redirigible a 110 Km/h
Test Velocidad
(km/h)
Masa
(kg)
Ángulo /Posición Tipo Test Velocidad
(km/h)
Masa
(kg)
Ángulo/ Posición Tipo
TL 3.30 100 820C 0o/Desviado 1/4 Obligatorio TL 2.1.100 100 900 o/Desviado 1/4 Obligatorio
TL 3.31 100 2000P 0o/Frontal Obligatorio TL 1.3.110 100 1500 0o/Frontal Obligatorio
NA TL 1.1.100 100 900 0o/Frontal Obligatorio
TL 3.33 100 2000P 15o/Frontal Opcional TL 3.3.110 100 1500 15o/Frontal Obligatorio
TL 3.32 100 820C 15o/Frontal Opcional NA
TL 3.38 100 2000P 20o/Lateral Obligatorio TL 4.3.110 100 1500 15o/Lateral Obligatorio
TL 3.39 100 2000P 20o/Reverso Obligatorio TL 5.3.110 100 1500 15o/Reverso Obligatorio
TL 3.36 100 820C 15o/Lateral Obligatorio NA
TL 3.37 100 2000P 20o/Side Obligatorio NA

Es aparente en la Figura 2 que la norma NCHRP 350 requiere sólo dos tests de impacto frontal, mientras que la norma EN 1317 requiere cuatro impactos frontales. Por otra parte, la EN 1317 requiere sólo dos impactos laterales, mientras que la NCHRP 350 requiere cuatro impactos laterales. La máxima energía cinética utilizada en el impacto frontal es de 770 kJ para la NCHRP 350 y 700 kJ para la EN 1317. En cuanto a los impactos laterales, la diferencia de energía entre las dos normas aumenta: la energía cinética calculada usando sólo el componente transversal de la velocidad es de 90 kJ requeridos por la NCHRP 350, mientras que la EN 1317 requiere sólo 47 kJ. Consecuentemente, los impactos laterales para la NCHRP 350 son para fuerzas mucho más grandes que para la EN 1317. No obstante, conviene mencionar que para la norma NCHRP 350 no es obligatorio realizar la colisión frontal con un coche pequeño y un ángulo de impacto de 15° en la parte delantera. Este último test de impacto es el más difícil de superar desde el punto de vista de los parámetros biomecánicos debido a la desaceleración y a la velocidad de impacto del ocupante.

La evaluación de los datos del test de impacto es crucial. Pero antes de realizar cualquier tipo de test de impacto es necesario instalar acelerómetros que se correspondan con el centro de gravedad del vehículo. Estos acelerómetros miden la desaceleración durante el impacto del vehículo contra el atenuador de choque. Ambas normas han sido concebidas para registrar la aceleración longitudinal (X), transversal (Y) y vertical (Z). La forma en que se registran los datos es igual en las dos normas, pero hay diferencias en cómo se utiliza la información para calcular los distintos parámetros biomecánicos.

Los parámetros calculados son la velocidad de impacto del ocupante (VIO) y la aceleración máxima del ocupante (AMO) para la norma NCHRP 350, y la velocidad teórica de impacto de la cabeza (VTIC) y el índice de severidad de aceleración (ISA) para la norma EN 1317. La VIO y la VTIC se refieren a la velocidad teórica de impacto del ocupante dentro del compartimiento de pasajeros, mientras la VIO y el ISA se refieren a la desaceleración media del centro de gravedad del coche.

En ambas normas, el ocupante del vehículo es considerado como un objeto con libertad de movimiento dentro del compartimiento de pasajeros. La cabeza continúa su movimiento a la velocidad nominal de impacto debido al efecto de la inercia, mientras que el compartimiento del vehículo a su alrededor empieza a desacelerarse debido a la fuerza opuesta aplicada sobre el vehículo por el dispositivo de seguridad impactado. Consecuentemente, es posible definir el momento en que la cabeza entra en contacto con el compartimiento de pasajeros, lo que se denomina flight time y se indica mediante t*. Las dos normas han sido diseñadas para calcular t* como el momento en el que el ocupante (o la cabeza del ocupante) dentro del vehículo se ha desplazado 0,6 m en una dirección longitudinal, o 0,3 m una dirección lateral.

La VIO se define como el mayor valor entre los dos componentes de la velocidad del ocupante (Vx y Vy) en t*. La VTIC se define como el resultado de la velocidad del ocupante en t*.

Aquí se presentan dos diferencias principales entre las dos normas: la primera diferencia es que la NCHRP 350 considera los componentes de velocidad por separado, mientras que la EN 1317 considera los componentes de velocidad juntos. El enfoque seguido por la EN 1317 es más preciso que el seguido por la NCHRP 350 porque el ocupante siente los dos componentes de la velocidad simultáneamente y no por separado, tal y como asume la norma NCHRP 350. La combinación de estos factores es importante: por ejemplo, asumiendo que Vx y Vy en t* son ambos iguales a 43,2 km/h resulta en una VIO de 43,2 conforme a los requisitos de la norma NCHRP 350 y una VTIC de 61 km/h, que no se ajusta a los requisitos de la EN 1317. Esto significa que un test de impacto que se ajuste a la norma NCHRP 350 no se ajustaría a la EN 1317. La segunda diferencia se centra en los límites especificados por las dos normas en cuanto a VIO y VTIC. Aquí, la norma NCHRP 350 fija el mismo límite de 43,2 km/h para VIO en los tests de impacto tanto frontal como lateral. No obstante, la EN 1317 especifica dos límites distintos para VTIC en los tests frontales y laterales. El límite para el test frontal es de 44 km/h y en el test lateral el límite es de 33 km/h. La consecuencia es que los límites VTIC y VIO son casi iguales para el impacto frontal. Pero para el impacto lateral, el límite de la EN 1317 es más conservador y más seguro que el de la NCHRP 350. Además, la NCHRP 350 sólo evalúa el componente longitudinal de la velocidad.

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Una vez que se ha fijado el límite de la velocidad del ocupante, se hace más difícil permanecer dentro de los límites en caso de aumento de la velocidad inicial. Esto quiere decir que desde el punto de vista tanto de VTIC como de VIO es más difícil superar el test a 110 km/h para la EN1317 que a 100 km/h para la NCHRP350, incluso si la energía utilizada en el impacto es casi la misma.

Tanto AMO como ISA miden la desaceleración media del vehículo durante el impacto contra el dispositivo de seguridad. Los datos de inicio para el cálculo de los dos parámetros son los datos suministrados por los acelerómetros.

En el cálculo de AMO sólo se tienen en cuenta los componentes X e Y de la aceleración. Los datos sin procesar del acelerómetro se filtran y se analizan en las direcciones X e Y. Solo se tienen en cuenta las aceleraciones máximas después del flight time t* que define VIO. Con el fin de superar el test de impacto, la aceleración máxima media después del flight time t* debe ser inferior a 20 g en las direcciones X e Y. No hay límite para la aceleración media en la ventana de tiempo desde el instante del impacto y el flight time t*. Los tests realizados sobre dispositivos de seguridad como los atenuadores de choque generalmente tienen una duración de unos 0,3 segundos. La experiencia indica que el flight time normalmente se limita a entre 0,1 y 0,13 segundos. Esto significa que por lo menos en un tercio del impacto total, la desaceleración puede tener cualquier valor.

El ISA se computa teniendo en cuenta los tres componentes (X, Y y Z) de las aceleraciones medidas por el acelerómetro. Los datos sin procesar se filtran al principio. Finalmente, los componentes filtrados de las aceleraciones (ax, ay, az) se combinan juntos para evaluar el ISA.

El valor máximo admisible de ISA para atenuadores de choque es igual a 1,4. Esto significa que en el marco de la EN 1317 la aceleración media máxima admisible en la dirección longitudinal es 16,8 g y en la dirección lateral es 12,6 g. Ambos valores están muy por debajo del límite de 20 g fijado por la NCHRP 350. Lo que es más importante, la norma EN 1317 considera las aceleraciones en las direcciones x e y combinadas juntas en la fórmula ISA, mientras que NCHRP 350 considera las aceleraciones en las direcciones x e y por separado. Esto significa que un test con ax=20 g y ay=20 g cumple la norma NCHRP, mientras que para cumplir la norma EN 1317 si ax=16,8 g, entonces ay y az tienen que ser iguales a cero (o , de igual manera, si ay=12,6 g, entonces ax y ay tienen que ser iguales a cero). Estas consideraciones demuestran que una señal de acelerómetro que cumpla la norma EN 1317 también cumplirá la norma NCHRP 350. Pero una señal de acelerómetro que cumpla la NCHRP 350 puede no cumplir la EN 1317 porque los límites de aceleración de la NCHRP 350 son superiores a los de la EN 1317.

Además de la evaluación de los parámetros biomecánicos (AMO-ISA y VIO y VTIC) las dos normas revelan otros criterios de evaluación. Los requisitos de las dos normas acerca de estas cuestiones son muy similares. Ambas normas prescriben que los elementos separados del objeto del test no deben penetrar el compartimento del ocupante, representar un peligro para el tránsito ni obstaculizar la visión del conductor, y que el vehículo debe permanecer vertical.

La única diferencia importante entre las dos normas acerca del comportamiento del vehículo está relacionada con la trayectoria de salida del vehículo después del impacto. La NCHRP 350 dice que después de la colisión es preferible que la trayectoria del vehículo no invada los carriles adyacentes del tráfico y que el ángulo de salida sea preferiblemente inferior al 60% del ángulo del impacto del test, medido en el momento de la pérdida de contacto con el dispositivo del test. La EN 1317 dice que en todo test, las ruedas del vehículo no deben invadir la línea de la caja de salida, salvo si la velocidad del centro de masa del vehículo es inferior o igual al 10% de la velocidad de impacto prescrita.

En general está claro que la norma NCHRP 350 es más estricta que la EN 1317 con respecto a la capacidad de absorber la energía del impacto frontal, y especialmente en los impactos laterales. Por otra parte, la EN 1317 es más estricta que la NCHRP350 con respecto a los criterios de evaluación debido a que los límites de los parámetros biomecánicos de la EN1317 son inferiores a los de la NCHRP 350. Esto se debe a que la norma NCHRP 350 permite unas velocidades de impacto de los ocupantes y unas desaceleraciones medias de los ocupantes más altas. En conjunto, la NCHRP requiere unos atenuadores de choque más resistentes y rígidos, mientras que la EN1317 se centra más en las fuerzas experimentadas por los ocupantes del vehículo.

No obstante, es factible diseñar un atenuador de choque que cumpla las dos normas. Se puede hacer probando el dispositivo de seguridad según la EN1317 y a continuación realizando dos tests de impacto adicionales. El primero es un test de impacto de capacidad con la finalidad de eliminar la separación entre las energías del impacto frontal en las dos normas. Llevar a cabo un test TL3.31 en un producto compatible con la EN1317 es suficiente para probar que el sistema es capaz de eliminar la separación energética.

El segundo test es de impacto lateral, para demostrar que el dispositivo de la EN1317 es capaz de resistir las mayores fuerzas típicas de los impactos laterales de la NCHRP350. Entre los impactos laterales de la NCHRP 350, el más duro es para TL3.37. Si un atenuador de choque de la EN 1317 es capaz de superar también un test TL3.37, también cumplirá los demás requisitos de la NCHRP 350 relacionados con los tests laterales.

Figura 3

Comparación de los tests de impacto requeridos para certificar un atenuador de choque rígido TL3 (lado izquierdo de la tabla) y un atenuador de choque redirigible a 110 km/h (lado derecho de la tabla): se muestran en amarillo los dos tests de impacto adicionales que podrían hacer que un atenuador de choque de la EN1317 también cumpliera la NCHRP350.

NCHRP 350
Atenuador de choque rígido
EN 1317
Amortiguador de choque redirigible a 110 Km/h
Test Velocidad
(km/h)
Masa
(kg)
Ángulo /Posición Tipo Test Velocidad
(km/h)
Masa
(kg)
Ángulo/ Posición Tipo
TL 3.30 100 820C 0o/Desviado 1/4 Obligatorio TL 2.1.100 100 900 o/Desviado 1/4 Obligatorio
TL 3.31 100 2000P 0o/Frontal Obligatorio TL 1.3.110 100 1500 0o/Frontal Obligatorio
NA TL 1.1.100 100 900 0o/Frontal Obligatorio
TL 3.33 100 2000P 15o/Frontal Opcional TL 3.3.110 100 1500 15o/Frontal Obligatorio
TL 3.32 100 820C 15o/Frontal Opcional NA
TL 3.38 100 2000P 20o/Lateral Obligatorio TL 4.3.110 100 1500 15o/Lateral Obligatorio
TL 3.39 100 2000P 20o/Reverso Obligatorio TL 5.3.110 100 1500 15o/Reverso Obligatorio
TL 3.36 100 820C 15o/Lateral Obligatorio TEST DE CAPACIDAD
TL 3.37 100 2000P 20o/Side Obligatorio Test lateral segun 350
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