UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO
A importância do capacete nos acidentes com
veículos de duas rodas e modelos
computacionais para a melhoria das suas
condições de segurança
Tiago Morgado Paulino
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Júri
Presidente:
Prof. Doutor Nuno Manuel Mendes Maia
Orientador:
Prof. Doutor João Manuel Pereira Dias
Vogal
Prof. Doutor Miguel Pedro Tavares da Silva
i
Resumo
Os acidentes com veículos de duas rodas representam, em Portugal, cerca de 27% das vítimas mortais em acidentes rodoviários. O estudo da utilização e eficiência dos capacetes é de extrema importância, pois estes têm um papel importante na redução do nível de lesões.
Foi efectuada uma análise estatística dos acidentes com veículos de duas rodas, dos quais resultaram vítimas, em Portugal, no ano de 2005. Com o objectivo de identificar e isolar alguns dos factores mais relevantes na ocorrência destes acidentes, nomeadamente a nível dos factores relacionados com os veículos e factores humanos, foi possível estabelecer uma analogia com o uso do capacete.
Foram igualmente efectuadas duas reconstituições de acidentes reais inseridos no âmbito de processos jurídicos e litigiosos, com recurso a modelos computacionais envolvendo veículos de duas rodas. Estes acidentes permitiram também efectuar uma análise da influência do capacete na severidade de lesões nos condutores envolvidos.
Procedeu-se a uma recolha de informação alusiva ao capacete, inserida no âmbito do projecto COST357 PROHELM, com vista a identificar e comparar alguns dos aspectos e problemas inerentes ao uso do capacete, não só em Portugal, mas também, nos restantes 13 países europeus participantes.
Utilizando a informação recolhida anteriormente, foi desenvolvido um modelo de capacete genérico em CAD 3D com recurso ao software Solidworks, que posteriormente foi convertido em elementos finitos através do software Ansysworkbench, de forma a serem efectuados testes de impacto no com o objectivo de melhorar a segurança dos capacetes, tendo sido utilizado para este efeito o software Madymo.
Finalizando, através dos resultados obtidos foi possível tecer considerações importantes relativamente à influência do material de espuma no interior do capacete. Também conclui-se que a simples introdução de mais uma camada de espuma no interior do capacete, permite reduzir os níveis de aceleração sofridos pela cabeça.
iii
Abstract
In Portugal, the accidents with PTWs represent about 27% of all fatal victims in road accidents. The study of helmets safety in case of accident is of extreme value and may play an important part in the reduction of the degree of injuries.
A statistical study concerning these accidents was performed in order to determine its number of resulting victims in Portugal over the year 2005. The study intended to identify and single out some of the main factors behind their occurrence, such as vehicle and human related factors, establishing an analogy with the use of the helmet.
In addition, two reconstitutions of real accidents involving these vehicles, in the scope of legal and litigious processes, were developed with the aid of computational models allowing the verification of the influence of the helmet in the severity of the drivers’ injuries.
In order to obtain a Portuguese and European perspective of in-depth data sampling on cognitive aspects of motorcycle helmets (project COST357 PROHELM), information was collected in various countries in an attempt to indentify and compare some aspects and inherent problems of the use of the helmet.
The constituting parts of the helmet were also object of study and analysis, as well as the basic anatomy and injury mechanisms of the human head.
Based on the previously collected information, a generic model of a helmet was developed on CAD 3D, followed by its conversion into finite elements, all in order to perform impact tests that would help improve the helmet’s safety.
Lastly, and basing on the obtained results, it was possible to reach important conclusions regarding the influence of foam material in the helmet. It was also possible to realize that the simple introduction of another foam layer in the interior of the helmet allows the reduction of the acceleration to which the head is exposed.
v
Palavras-Chave
Reconstituição de acidentes CapaceteModelos computacionais Dinâmica de corpos múltiplos Lesões ao nível da cabeça
Keywords
Two wheel vehicles Accidents Helmet
Computational Models Head injuries
vi
vi
ABREVIATURAS
AIS Escala de lesões relativas ao corpo humano (Abbreviature Injury Scale).
DGV Direcção Geral de Viação.
EES Velocidade de Energia Equivalente (Energy Equivalent Speed) - Velocidade à qual se registariam as deformações existentes no veículo, caso estas fossem produzidas pelo embate do mesmo numa barreira rígida.
HIC Índice de lesão na cabeça (Head Injury Criteria).
DEFINIÇÕES DE ACIDENTOLOGIA
Acidente Ocorrência na via pública em que se encontre envolvido o mínimo de um veículo e da qual resultem vítimas e/ou danos materiais.
Acidente com
vítimas Acidente do qual resulta no mínimo uma vítima. Acidente com
feridos leves
Acidente do qual resulte pelo menos um ferido leve, e em que não se tenham registado vítimas mortais nem feridos graves.
Acidente com feridos graves
Acidente do qual resulte o mínimo de um ferido grave, não havendo registo de qualquer vítima mortal.
Acidente mortal Acidente do qual resulte o mínimo de uma vítima mortal. Condutor Indivíduo que na via pública comanda um veículo ou animal.
Ferido leve Vítima de acidente que não seja considerada ferida grave, apresentando unicamente ferimentos ligeiros.
Ferido grave Vítima de um acidente que obrigue a um internamento hospitalar superior a 24 horas.
Índice de
gravidade Número de vítimas mortais por 100 acidentes com vítimas.
Ocupante Indivíduo que se encontra no interior de um veículo que se transite na via pública. Passageiro Indivíduo afecto a um veículo na via pública e que não seja condutor.
Peão
Indivíduo que transita na via pública a pé e em locais sujeitos à legislação rodoviária. São considerados peões todos os indivíduos que conduzam à mão velocípedes ou ciclomotores de duas rodas sem carro atrelado ou carros de crianças ou de deficientes físicos.
Vítima Ser humano que em consequência de acidente sofra danos corporais.
Vítima mortal Vítima de acidente cujo óbito ocorra no local do evento ou no seu percurso até à unidade de saúde.
vii
Software
HYPERVIEW Visualizador de resultados do programa Madymo. MADYMO Programa informático de dinâmica de corpos múltiplos.
PC-CRASH Programa informático utilizado na reconstituição da dinâmica de acidentes. SOLIDWORKS Programa informático CAD 3D.
NOTAÇÃO
a, A, α Escalar
{ }
a Vector{ }
Ta Vector transposto
{ }
ai Vector associado ao corpo rígido i[ ]
A Matriz[ ]
TA Matriz transposta
[ ]
−1A Matriz inversa
a& Derivada de primeira ordem em relação ao tempo a&& Derivada de segunda ordem em relação ao tempo
Z , Y ,
X Referencial global ou de inércia z
, y ,
x Referencial local
{ }
r i Vector de coordenadas de translação globais do vector posição do corpo i{ }
p i Vector dos quatro parâmetros de Euler e0,e1,e2,e3associados ao corpo i{ }
q i Vector de coordenadas do corpo i{ }
ω i Vector de velocidade angular do corpo iix
Agradecimentos
Antes de mais quero agradecer às duas pessoas que tornaram possível a concretização deste objectivo, os meus pais! Obrigado por tudo, mas principalmente, pelo amor incondicional e confiança que sempre depositaram em mim.
Em segundo lugar gostaria de agradecer à minha namorada, Rita, que foi e, é um dos principais pilares na minha vida, e que muito me ajudou principalmente nos momentos mais difíceis.
Também gostaria de fazer um agradecimento muito especial aos meus amigos Sara e Pedro. Por tudo aquilo que fizeram por mim, um grande obrigado!
Ao Luís Oliveira, Luís Teodora, Luís Frederico, Rui Pinto, Rui Pimentel, Victor Amaral e ao “espanhol”: o Cristian, quero agradecer-vos por todos os momentos de amizade que passamos e que fizeram com que o trabalho parecesse menos pesado.
Outra das pessoas que quero agradecer é ao Ricardo Portal, por toda a disponibilidade e amizade que teve para comigo.
Por fim, aqui vai um agradecimento muito especial, não ao meu orientador, Prof. João Pereira Dias, mas ao homem e grande amigo que descobri nele! “Professor” um grande obrigado por tudo!
Ainda de fazer alguns agradecimentos institucionais nomeadamente ao IDMEC-IST pelas bolsas concedidas no âmbito dos projectos PARA e MRRA, à Allianz Portugal, Direcção-Geral de Viação e Prevenção Rodoviária Portuguesa pelo financiamento dos mesmos e ainda à Polícia de Segurança Pública de Lisboa.
x
x
Índice
RECONSTITUIÇÃO DE ACIDENTES ... V TWO WHEEL VEHICLES ACCIDENTS ... V
1 INTRODUÇÃO ... 1
1.1 MOTIVAÇÃO ... 1
1.2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 2
1.3 OBJECTIVOS E ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 4
2 ANÁLISE ESTATÍSTICA DE ACIDENTES ... 7
2.1 FACTORES RELACIONADOS COM OS VEÍCULOS. ... 7
2.2 DISTRIBUIÇÃO POR CATEGORIAS ... 8
2.3 FACTORES HUMANOS ... 10
3 RECONSTITUIÇÃO DE ACIDENTES REAIS ENVOLVENDO VEÍCULOS DE DUAS RODAS ... 15
3.1 METODOLOGIA PARA A RECONSTITUIÇÃO DE ACIDENTES ... 15
3.2 CASOS REAIS ESTUDADOS ... 16
3.2.1 Caso nº1: Colisão entre um ciclomotor e um veículo ligeiro ... 18
3.2.1.1 Modelos e características dos veículos ... 19
3.2.1.2 Factor humano ... 19
3.2.1.3 Deformações dos veículos ... 20
3.2.1.4 Lesões dos condutores envolvidos no acidente ... 21
3.2.1.5 Dinâmica do acidente ... 22
3.2.1.6 Simulação Computacional ... 23
3.2.1.7 Análise ao capacete ... 24
3.2.1.8 Discussão ... 27
3.2.2 Caso nº2: Colisão entre um motociclo de potência ilimitada e um veículo ligeiro de mercadorias ... 27
3.2.2.1 Modelos e características dos veículos ... 29
3.2.2.2 Factor humano ... 29
3.2.2.3 Deformações dos veículos: ... 30
3.2.2.4 Lesões dos intervenientes no acidente ... 33
3.2.2.5 Dinâmica do acidente ... 33
3.2.2.6 Simulação Computacional ... 34
3.2.2.7 Análise ao capacete ... 37
3.2.2.8 Discussão ... 39
4 ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO CAPACETE NAS CAPACIDADES COGNITIVAS DOS CONDUTORES ... 41
4.1 ESTUDO E METODOLOGIA ... 41
4.2 RESULTADOS ... 44
5 O CAPACETE E A SUA IMPORTÂNCIA NA REDUÇÃO DO NÍVEL DE LESÕES NA CABEÇA ... 53
5.1 O CAPACETE ... 53
5.2 PROCESSO DE FABRICO DO CAPACETE ... 56
5.3 A CABEÇA HUMANA ... 57 5.3.1.1 Fracturas do crânio. ... 58 5.3.1.2 Lesões focais. ... 58 5.3.1.3 Hematoma Epidural. ... 58 5.3.1.4 Hematoma Subdural. ... 58 5.3.1.5 Contusão ... 59
5.3.1.6 Lesões cerebrais difusas. ... 59
5.3.1.7 Concussão. ... 60
5.3.1.8 Lesão axonal difusa. ... 60
5.4 MECANISMOS DE LESÕES ... 60
5.5 NORMAS E TESTES DE SEGURANÇA ... 63
xi
6.1 DINÂMICA DE CORPOS MÚLTIPLOS ... 65
6.1.1.1 Sistema de corpos múltiplos ... 65
6.1.1.2 Corpo rígido ... 66
6.1.1.3 Elementos finitos ... 67
6.2 MODELOS COMPUTACIONAIS E METODOLOGIA ADOPTADA ... 68
6.2.1.1 Modelo do capacete em elementos finitos ... 68
6.2.1.2 O modelo FMVSS 201 Hybrid III Headform ... 75
6.2.1.3 Modelos de contacto ... 76
6.3 VALIDAÇÃO DO MODELO COMPUTACIONAL E SIMULAÇÕES ... 77
7 RESULTADOS E DISCUSSÃO... 79
7.1 VALIDAÇÃO DO MODELO COMPUTACIONAL ... 79
7.2 TESTES DE IMPACTO (NORMA ECER22/05). ... 81
7.3 EFEITO DA DENSIDADE DO MATERIAL DE ESPUMA DO CAPACETE NO NÍVEL DE ACELERAÇÕES NA CABEÇA. ... 86
7.4 EFEITO PRODUZIDO PELA COMBINAÇÃO DE MATERIAIS DE ESPUMA EPS E EPP SOBRE OS NÍVEIS DE ACELERAÇÃO SOFRIDOS PELA CABEÇA HUMANA. ... 87
8 CONCLUSÕES ... 89
xiii
Índice de Figuras
FIGURA 1.1:DISTRIBUIÇÃO DE VÍTIMAS MORTAIS COM VEÍCULOS DE DUAS RODAS, POR PAÍS,1991-2005 ... 2
FIGURA 2.1:NÚMERO DE VÍTIMAS MORTAIS EM PORTUGAL NO ANO DE 2005. ... 7
FIGURA 2.2:VÍTIMAS MORTAIS E FERIDOS GRAVES, POR CADA 1000 VEÍCULOS EM CIRCULAÇÃO EM PORTUGAL. ... 8
FIGURA 2.3:PERCENTAGEM DE ACIDENTES COM VÍTIMAS POR CATEGORIA DE VEÍCULOS DE DUAS RODAS. ... 9
FIGURA 2.4:ÍNDICE DE GRAVIDADE NAS DIFERENTES CATEGORIAS DE VEÍCULOS DE DUAS RODAS. ... 9
FIGURA 2.5:SINISTRALIDADE COM VEÍCULOS DE 2 RODAS NOS ANOS DE 2004 E 2005 ... 10
FIGURA 3.1:PROCEDIMENTO ADOPTADO NAS RECONSTITUIÇÕES DE ACIDENTES REAIS. ... 16
FIGURA 3.2:LOCAL ONDE OCORREU O ACIDENTE COM INDICAÇÃO DOS SENTIDOS DE CIRCULAÇÃO DE AMBOS OS VEÍCULOS. 18 FIGURA 3.3:ETAPAS NECESSÁRIAS À IMOBILIZAÇÃO DE UM VEÍCULO. ... 20
FIGURA 3.4:DEFORMAÇÕES EXISTENTES NO CICLOMOTOR... 21
FIGURA 3.5:EXEMPLIFICAÇÃO DA FORMA COMO OCORREU A COLISÃO INICIAL ENTRE AMBOS OS VEÍCULOS. ... 21
FIGURA 3.6:LESÕES SOFRIDAS PELO CONDUTOR DO CICLOMOTOR. ... 22
FIGURA 3.7:DINÂMICA DO ACIDENTE. ... 22
FIGURA 3.8:FOTOGRAMAS DA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL. ... 23
FIGURA 3.9:POSIÇÕES FINAIS DOS VEÍCULOS E CONDUTOR DO CICLOMOTOR. ... 24
FIGURA 3.10:EVOLUÇÃO TEMPORAL DA ACELERAÇÃO NA CABEÇA DO CONDUTOR DO CICLOMOTOR. ... 24
FIGURA 3.11:DANOS NO CAPACETE. ... 25
FIGURA 3.12:ZONAS ONDE O CAPACETE APRESENTA DANOS, PORMENORES A VERMELHO. ... 25
FIGURA 3.13:INDICAÇÃO DAS ZONAS ONDE OCORRERAM IMPACTOS NO CAPACETE. ... 26
FIGURA 3.14:MODELO CAD-3D DA CABEÇA HUMANA, COM INDICAÇÃO DO CENTRO DE GRAVIDADE E PLANOS XY,YZ E ZX. ... 26
FIGURA 3.15:FOTO DO INTERIOR DO CAPACETE. ... 26
FIGURA 3.16:IMAGEM DO LOCAL ONDE OCORREU O ACIDENTE, COM INDICAÇÃO DOS SENTIDOS DE CIRCULAÇÃO E SINALIZAÇÃO PRESENTE NO LOCAL. ... 28
FIGURA 3.17:DEFORMAÇÕES EXISTENTES NO VEÍCULO LIGEIRO DE MERCADORIAS. ... 30
FIGURA 3.18:DEFORMAÇÕES EXISTENTES NO MOTOCICLO. ... 32
FIGURA 3.19:EES COMPREENDIDO ENTRE OS 28 E OS 47KM7H. ... 32
FIGURA 3.20:EXEMPLIFICAÇÃO DA FORMA COMO OCORREU A COLISÃO INICIAL ENTRE AMBOS OS VEÍCULOS. ... 33
FIGURA 3.21:LESÕES SOFRIDAS PELO CONDUTOR DO MOTOCICLO. ... 33
FIGURA 3.22:DINÂMICA DO ACIDENTE. ... 34
FIGURA 3.23:FOTOGRAMAS DA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL. ... 35
FIGURA 3.24:GRÁFICO COM OS VALORES DE EES ENVOLVIDOS NO ACIDENTE PARA O MOTOCICLO. ... 36
FIGURA 3.25:DANOS NO CAPACETE DO CONDUTOR DO MOTOCICLO, COM PORMENOR DAS ZONAS DANIFICADAS. ... 37
FIGURA 3.26:ZONAS ONDE O CAPACETE APRESENTA DANOS (ASSINALADAS A VERMELHO). ... 38
FIGURA 3.27:COMPORTAMENTO DE UM CAPACETE EM QUEDA QUE APRESENTE A CINTA JUGULAR DESAPERTADA. ... 38
FIGURA 3.28:MODELO CAD-3D DA CABEÇA HUMANA, COM INDICAÇÃO DO CENTRO DE GRAVIDADE E PLANOS XY,YZ E ZX. ... 38
FIGURA 4.1:QUESTIONÁRIO DO PROJECTO COST357. ... 42
FIGURA 4.2:EXEMPLIFICAÇÃO DO PROCESSO DE MEDIÇÃO DO CAMPO DE VISÃO DO CONDUTOR COM RECURSO AO GONIÓMETRO. ... 42
FIGURA 4.3:PROCEDIMENTO EFECTUADO PARA QUANTIFICAR A TRANSMISSIBILIDADE E DIFUSÃO DE LUZ NAS VISEIRAS DOS CAPACETES INVESTIGADOS. ... 43
FIGURA 4.4:SEXO DOS CONDUTORES QUE RESPONDERAM AO INQUÉRITO EM PORTUGAL. ... 45
FIGURA 4.5PERCENTAGEM DE IDADES DOS CONDUTORES QUE RESPONDERAM AO INQUÉRITO NOS PAÍSES PARTICIPANTES. . 45
FIGURA 4.6:NÚMERO DE ACIDENTES SOFRIDOS PELOS CONDUTORES QUE RESPONDERAM AO INQUÉRITO EM PORTUGAL. ... 45
FIGURA 4.7:PROFISSÕES DOS CONDUTORES QUE RESPONDERAM AO INQUÉRITO EM PORTUGAL. ... 46
FIGURA 4.8:PERCENTAGEM DE VEÍCULOS DOS CONDUTORES QUE RESPONDERAM AO INQUÉRITO EM PORTUGAL. ... 47
FIGURA 4.9:TIPO DE CAPACETE UTILIZADO PELOS CONDUTORES QUE RESPONDERAM AO INQUÉRITO. ... 47
FIGURA 4.10:MARCAS MAIS UTILIZADAS PELOS CONDUTORES QUE RESPONDERAM AO QUESTIONÁRIO EM PORTUGAL. ... 48
FIGURA 4.11:FACTORES QUE INFLUENCIARAM OS CONDUTORES NO MOMENTO DE COMPRA DO CAPACETE EM PORTUGAL. 48 FIGURA 4.12:PERCENTAGEM DO TIPO DE PINTURA DOS CAPACETES DOS CONDUTORES QUE RESPONDERAM AO INQUÉRITO EM PORTUGAL. ... 49
FIGURA 4.13:PERCENTAGEM DE CORES PREDOMINANTES NOS CAPACETES DOS CONDUTORES QUE RESPONDERAM AO INQUÉRITO EM PORTUGAL. ... 49
xiv
xiv
FIGURA 4.14:TIPO DE MECANISMO DE ENGATE (CAPÍTULO 5 FIGURA 5.3) NOS CAPACETES DOS CONDUTORES QUE
RESPONDERAM AO INQUÉRITO EM PORTUGAL. ... 49
FIGURA 4.15:PERCENTAGEM DE ETIQUETAS DE HOMOLOGAÇÃO NOS CAPACETES DOS CONDUTORES QUE RESPONDERAM AO INQUÉRITO EM PORTUGAL. ... 50
FIGURA 4.16:PRINCIPAIS ZONAS ONDE SE REGISTAM DANOS NOS CAPACETES DOS CONDUTORES QUE RESPONDERAM AO INQUÉRITO EM PORTUGAL. ... 50
FIGURA 4.17PRINCIPAIS ZONAS ONDE SE REGISTAM DANOS NOS CAPACETES DOS CONDUTORES QUE RESPONDERAM AO INQUÉRITO NO COST357. ... 51
FIGURA 4.18:GRAU DE DIFUSÃO DE LUZ DAS VISEIRAS DOS CAPACETES TESTADOS NO PROJECTO COST357. ... 51
FIGURA 4.19:GRAU DE TRANSMISSIBILIDADE DE LUZ DAS VISEIRAS DOS CAPACETES TESTADOS NO PROJECTO COST357 ... 52
FIGURA 4.20:CAMPO DE VISÃO DOS CONDUTORES EM SITUAÇÃO DE USO DO CAPACETE EM PORTUGAL. ... 52
FIGURA 5.1:ESTRUTURA DO CAPACETE. ... 54
FIGURA 5.2:EXEMPLIFICAÇÃO DO PRINCÍPIO BÁSICO DE UM SISTEMA DE VENTILAÇÃO DE UM CAPACETE. ... 55
FIGURA 5.3:TIPO DE FECHO EXISTENTE NUMA CINTA JUGULAR DE UM CAPACETE. ... 55
FIGURA 5.4:TIPO DE CAPACETE. ... 55
FIGURA 5.5:ETAPAS NO PROCESSO DE CONSTRUÇÃO DE UM CAPACETE. ... 56
FIGURA 5.6:ILUSTRAÇÃO DOS ÓRGÃOS QUE CONSTITUEM O ENCÉFALO HUMANO. ... 57
FIGURA 5.7:TIPOLOGIA DE LESÕES NA CABEÇA HUMANA. ... 57
FIGURA 5.8:IMAGEM DE UM HEMATOMA EPIDURAL, PORMENOR A VERMELHO NO CANTO INFERIOR DIREITO. ... 58
FIGURA 5.9:IMAGEM DE UM HEMATOMA SUBDURAL, MANCHA MAIS ESCURA SITUADA NO LADO ESQUERDO... 59
FIGURA 5.10:EXEMPLIFICAÇÃO DA DIFERENÇA DE VELOCIDADES ENTRE O CÉREBRO E O CRÂNIO, EM CASO DE ACELERAÇÃO, DEVIDO À FORÇA DE INÉRCIA. ... 60
FIGURA 5.11:CORRELAÇÃO ENTRE O HIC E O AIS ... 62
FIGURA 5.12:CORRELAÇÃO ENTRE O HIC E O AIS ... 62
FIGURA 5.12:EQUIPAMENTO E TESTES EFECTUADOS PELA NORMA ECER22/05. ... 64
FIGURA 5.13:PONTOS B,X,P,R, TESTADOS NA NORMA ECER22/05. ... 64
FIGURA 6.1:SISTEMAS DE CORPOS MÚLTIPLOS ... 65
FIGURA 6.2:LOCALIZAÇÃO DE UM PONTO GENÉRICO P RELATIVAMENTE A UM EIXO DE INÉRCIA ... 66
FIGURA 6.3:INTERACÇÃO ENTRE MULTI-CORPO E ELEMENTOS FINITOS ... 67
FIGURA 6.4:TIPO DE MODELOS COMPUTACIONAIS UTILIZADOS. ... 68
FIGURA 6.5:METODOLOGIA UTILIZADA PARA O DESENVOLVIMENTO DOS MODELOS COMPUTACIONAIS ... 69
FIGURA 6.6:MODELOS EM CAD3D DOS DIFERENTES COMPONENTES DO CAPACETE. ... 69
FIGURA 6.7:SISTEMA MASSA-MOLA-AMORTECEDOR DE UM IMPACTO DE UMA CABEÇA COM CAPACETE. ... 70
FIGURA 6.8MODELO FINAL DO CAPACETE EM CAD3D. ... 70
FIGURA 6.9:ELEMENTO SÓLIDO DE 4 NÓS ... 71
FIGURA 6.10:MODELOS EM ELEMENTOS FINITOS DE CADA UMA DAS PARTES QUE CONSTITUEM O CAPACETE. ... 71
FIGURA 6.11:COMPORTAMENTO CARACTERÍSTICO DE UM MATERIAL DE ESPUMA À COMPRESSÃO. ... 73
FIGURA 6.12:FASES CARACTERÍSTICAS DE UM MATERIAL DE ESPUMA À COMPRESSÃO. ... 73
FIGURA 6.13:CURVA TENSÃO EXTENSÃO DO MATERIAL EPS COM DENSIDADE DE 31,2 KG/M3 ... 74
FIGURA 6.14:CURVA TENSÃO EXTENSÃO CARACTERÍSTICA DO MATERIAL EPS COM DENSIDADE DE 44 KG/M3 ... 74
FIGURA 6.15:CURVA TENSÃO EXTENSÃO CARACTERÍSTICA DO MATERIAL EPP. ... 74
FIGURA 6.16:MODELO DA CABEÇA FMVSS201HYBRID IIIHEADFORM . ... 75
FIGURA 6.17:ELEMENTO SHELL . ... 75
FIGURA 6.18:TESTES EXPERIMENTAIS E COMPUTACIONAIS . ... 76
FIGURA 6.19:FUNÇÃO DE CARREGAMENTO. ... 76
FIGURA 7.1:GRÁFICO DAS ACELERAÇÕES OBTIDAS POR BOSH EM TESTES EXPERIMENTAIS. ... 79
FIGURA 7.2:COMPORTAMENTO DA ACELERAÇÃO DO MODELO COMPUTACIONAL DO CAPACETE NO TESTE DE VALIDAÇÃO. ... 80
FIGURA 7.3:DESLOCAMENTO RELATIVO ENTRE AS DUAS CAMADAS DE ESPUMA. ... 80
FIGURA 7.4:SIMULAÇÃO DO TESTE DE IMPACTO NO PONTO B DO CAPACETE SEGUNDO A NORMA ECER22/05. ... 81
FIGURA 7.5:SIMULAÇÃO DO TESTE DE IMPACTO NO PONTO R DO CAPACETE SEGUNDO A NORMA ECER22/05. ... 82
FIGURA 7.6:SIMULAÇÃO DO TESTE DE IMPACTO NO PONTO P DO CAPACETE SEGUNDO A NORMA ECER22/05. ... 83
FIGURA 7.7:SIMULAÇÃO DO TESTE DE IMPACTO NO PONTO X DO CAPACETE SEGUNDO A NORMA ECER22/05. ... 84
FIGURA 7.8:ETAPAS DE ACELERAÇÃO NA CABEÇA COM UM CAPACETE DE APENAS UMA CAMADA DE ESPUMA. ... 85
FIGURA 7.9:SIMULAÇÃO DO TESTE DE IMPACTO NO PONTO P DO CAPACETE COM ESPUMA EM EPP. ... 86
FIGURA 7.10:COMPRESSÃO DAS CAMADAS DE MATERIAL DE ESPUMA NA SIMULAÇÃO 1 E 2. ... 88
xv
Índice de Tabelas
TABELA 1:NÚMERO DE MATRÍCULAS EM CIRCULAÇÃO NO ANO DE 2005(FONTE:ASSOCIAÇÃO PORTUGUESA DE
SEGURADORES) ... 8
TABELA 2:CONDUTORES VÍTIMAS EM PORTUGAL NO ANO DE 2005. ... 11
TABELA 3:CONDUTORES VÍTIMAS EM PORTUGAL NO ANO DE 2005. ... 12
TABELA 3:TIPOLOGIA DAS COLISÕES ENVOLVENDO VEÍCULOS DE DUAS RODAS ISO13232. ... 17
TABELA 4:MODELOS REAIS E COMPUTACIONAIS DOS VEÍCULOS ENVOLVIDOS NO ACIDENTE. ... 19
TABELA 5:DADOS DOS CONDUTORES DOS VEÍCULOS ENVOLVIDOS NO ACIDENTE. ... 20
TABELA 6:VALORES OBTIDOS NA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL... 24
TABELA 7:CARACTERÍSTICAS GERAIS DO CAPACETE ... 25
TABELA 9:MODELOS REAIS E COMPUTACIONAIS DOS VEÍCULOS ENVOLVIDOS NO ACIDENTE ... 29
TABELA 10:DADOS DOS CONDUTORES DOS VEÍCULOS ENVOLVIDOS NO ACIDENTE. ... 29
TABELA 11:COMPARAÇÃO DAS DISTÂNCIAS PERCORRIDAS PELO MOTOCICLO A CIRCULAR À VELOCIDADE OBTIDA NA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL E A CIRCULAR À VELOCIDADE DE CIRCULAÇÃO IMPOSTA NO LOCAL. ... 36
TABELA 11:CARACTERÍSTICAS GERAIS DO CAPACETE ... 37
TABELA 13:NÚMERO DE INQUÉRITOS REALIZADOS PELO COST357. ... 44
TABELA 13:VANTAGENS E DESVANTAGENS DO USO DE TERMOPLÁSTICO E MATERIAIS COMPÓSITOS NO FABRICO DE CAPACETES. ... 56
TABELA 15:CLASSIFICAÇÃO AIS DO NÍVEL DE LESÕES NA CABEÇA (AAAM2005). ... 61
TABELA 15:NORMAS DE HOMOLOGAÇÃO E TESTES DE SEGURANÇA DE CAPACETES MAIS UTILIZADAS. ... 63
TABELA 17:CARACTERÍSTICAS DO MODELO DE CAPACETE EM ELEMENTOS FINITOS. ... 72
TABELA 18:MATERIAL UTILIZADO NO CASCO DO CAPACETE. ... 72
TABELA 18:RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES DOS TESTES DE IMPACTO DO CAPACETE DE ACORDO COM A NORMA ECER22/05. ... 85
Introdução
1 Introdução
Cada vez mais os veículos de duas rodas são vistos como veículos atractivos, devido à sua fácil aquisição e manutenção, facilidade de deslocação no trânsito e estacionamento, bem como pelos baixos consumos que apresentam. Porém, os acidentes rodoviários envolvendo veículos de duas rodas ocorrem em Portugal em números preocupantes e, ao contrário dos acidentes envolvendo apenas as outras classes de veículos, à maioria destes acidentes estão associadas consequências nefastas para os utilizadores destes mesmos veículos. Este facto deve-se às características dos veículos de duas rodas e à grande vulnerabilidade a que os seus condutores estão sujeitos em caso de acidente, onde o único equipamento com protecção efectiva é o capacete. Torna-se, então, imperativo o estudo da segurança dos capacetes em caso de acidente, tendo em conta o seu papel fundamental enquanto linha ténue que separa a vida da morte em caso de acidente. Neste capítulo é apresentada a motivação para o desenvolvimento desta tese, bem como uma revisão bibliográfica e os objectivos e organização da tese.
1.1 Motivação
Os números da sinistralidade rodoviária em Portugal são, reconhecidamente, dos mais elevados na Europa. De acordo com a base de dados elaborada com recurso aos elementos fornecidos pela DGV, só no ano de 2005 ocorreram 10491 acidentes com vítimas envolvendo veículos de duas rodas, dos quais resultaram 342 vítimas mortais (condutores e passageiros de veículos de duas rodas). Torna-se premente o estudo e compreensão do fenómeno que poderá estar na origem da ocorrência de tão elevado número de acidentes com vítimas e de que forma se pode reduzir as suas consequências. Uma vez que em Portugal, não existe um estudo apoiado no que diz respeito à prioridade de investimentos em segurança rodoviária, observa-se um forte condicionamento do planeamento daquela que seria uma estratégia de prevenção rodoviária. Impõe-se, portanto, a implementação de um plano fundamentado em estudos que visam identificar os factores críticos na ocorrência dos acidentes, a que estão sujeitos os condutores de veículos de duas rodas.
Através da figura 1.1 (fonte: Care [1]), é possível verificar, que a nível europeu, o número de vítimas mortais (condutores e passageiros) com veículos de duas rodas apresenta valores preocupantes, nomeadamente, em países como a França (FR), Espanha (ES), Reino Unido (UK), Grécia (EL) e Portugal (PT), concluindo-se que este não é apenas um problema de Portugal, mas da generalidade dos países europeus. Como cada país apresenta uma realidade diferente no que concerne a estratégias rodoviárias (devido a um conjunto de factores de ordem interna e geográficos), uma das formas mais viáveis de reduzir os números de sinistralidade rodoviária é o de aumentar a eficácia do equipamento de segurança dos
Capítulo 1
2
utilizadores dos veículos de duas rodas, centrando as atenções no equipamento que protege a zona mais vulnerável a lesões no corpo humano: a cabeça.
Figura 1.1: Distribuição de vítimas mortais com veículos de duas rodas, por país, 1991-2005
O capacete é um equipamento que é fulcral na protecção dos utilizadores dos veículos de duas rodas e, como tal, deve obedecer a normas de construção e de segurança, tais como: a norma ECE R22/05, que é a mais usado no mundo; a Snell M2000/M2005, usada fundamentalmente nos Estados Unidos da América, e outras como a CPSC e a ASTM F1447 que asseguram a qualidade do equipamento. No entanto, apesar do capacete ser um equipamento de extrema importância, é um equipamento que ainda é testado de forma relativamente arcaica e dispendiosa para os seus construtores, facto que leva a que muitos sejam produzidos e introduzidos no mercado sem a devida homologação. Como tal existe uma profunda necessidade de desenvolver metodologias e modelos computacionais que optimizem a segurança dos utilizadores de veículos de duas rodas, e que ao mesmo tempo proporcionem uma redução de custos na produção para os fabricantes deste equipamento.
1.2 Revisão Bibliográfica
Desde o inicio do século e, em parte, devido à grande contribuição de Hugh De Haven, os acidentes têm vindo a ser objecto de estudos com o objectivo de maximizar a segurança dos utilizadores dos veículos rodoviários. Porém, poucos são os estudos e documentos científicos que visam a investigação dos acidentes com veículos de duas rodas e, em particular, o papel do capacete.
0 500 1000 1500 2000 2500 199119921993199419951996199719981999200020012002200320042005 R á c io p o r m il h ã o d e h a b it a n te s BE DK EL ES FR AU PT FI SE UK
Introdução
No entanto, existem alguns exemplos de artigos científicos realizados neste campo como o artigo de Bosh [2], que realizou um estudo sobre os testes de impacto e requisitos de construção dos capacetes, tendo por base teórica a norma ECE R.22 e no qual aborda todo o procedimento inerente aos testes imposto por essa norma (tais como o modelo físico que simula a cabeça humana e critérios de lesões) e efectuou, ainda, uma análise aos modelos numéricos existentes da cabeça humana, demonstrando que é necessário o recurso a simulações com elementos finitos que permitam quantificar o nível de lesões que a cabeça humana está sujeita durante os impactos realizados nos testes. Num estudo realizado por Ouellet e Kasantihul [3], cuja finalidade era compreender qual a influência do uso do capacete pelos condutores e passageiros de veículos de duas rodas motorizados, demonstraram que os condutores que não usam capacete apresentam duas a três vezes mais probabilidade de sofrerem lesões fatais, comparativamente aos condutores que usam capacete. O estudo demonstrou também que, de entre os condutores que sofreram acidentes, aqueles que não usavam capacete apresentavam um risco três a quatro vezes superior de sofrer lesões cerebrais graves e muitos graves AIS>2, quando comparados com os condutores que usavam capacete. Por fim, este estudo concluiu que o uso do capacete pode evitar três quartos do número de lesões cerebrais muito graves e fatais.
Também têm sido publicados alguns artigos científicos cujo objectivo é o de estudar algumas partes e materiais que constituem um capacete. Exemplo destes estudos é o conduzido por Mills e Gilchrist [4], cujo objectivo foi o de quantificar a eficiência dos materiais de espuma que equipam os capacetes dos ciclistas e motociclistas no Reino Unido: procedem a análises das condições em que os capacetes são testados, observam o comportamento do casco exterior rígido do capacete e analisam impactos de capacetes em superfícies que apresentam baixos valores de rigidez. Outro dos trabalhos publicados é o realizado por Pinnoji e Mahajan [5], onde foram usados e desenvolvidos modelos computacionais da cabeça humana e de um capacete rudimentar para estudar as forças de contacto envolvidas num impacto frontal da cabeça, a uma velocidade de 4 m/s, contra uma superfície rígida. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo da cabeça humana em elementos finitos que contempla a pele, o crânio, fluido cérebro-espinal (CSF), o cérebro, entre outras partes que constituem a cabeça humana. Relativamente ao modelo em elementos finitos do capacete, este consiste em duas partes fundamentais: o casco exterior e o material de espuma interior. Também foram efectuados estudos no âmbito dos acidentes rodoviários que tinham por base modelos computacionais para a reconstituição de acidentes [6] e de impactos de motociclistas e barreiras [7], no qual foi utilizado o modelo antropomórfico Hybrid III com um capacete. Por último, é referenciado um dos estudos com maior impacto a nível europeu, efectuado pela European CO-operation in the Field of Scientific an Techinal Research (COST), o COST 327 [8], no qual estiveram envolvidas várias instituições de diversos países europeus tais como: o Reino Unido, França, Suíça, Escócia e Alemanha. Este estudo, que tinha como objectivo analisar o número de fatalidades nos utilizadores de veículos de duas rodas motorizados, foi fundamentado, essencialmente, numa investigação detalhada das lesões ao nível da cabeça
Capítulo 1
4
humana quando esta sofre impactos violentos e investigação da origem e natureza dos acidentes na avaliação de modelos da cabeça humana. O estudo conta também com a modelação e simulação com elementos finitos de impactos do capacete, nas quais utilizaram alguns modelos tais como a Hybrid III dummy head, de forma a quantificar os níveis de aceleração linear a que a cabeça humana está sujeita em caso de impacto.
1.3 Objectivos e Organização do Trabalho
O principal objectivo desta tese é o de desenvolver e estudar um modelo de capacete, que possa minimizar o número de fatalidades e o nível de lesões na cabeça humana em acidentes rodoviários com veículos de duas rodas. Para a concretização deste objectivo foram efectuados inquéritos a condutores de veículos de duas rodas motorizados, com a colaboração das autoridades policiais, inquéritos estes que estão inseridos no projecto europeu com o qual o IST está a colaborar e a representar Portugal, o projecto COST Action 357 Accident Prevention Options With Motorcycle Helmets (PROHELM). Foi desenvolvido também um modelo em CAD Solidworks, a partir do qual serão exportadas as geometrias para o programa de elementos finitos Ansys Workbench, onde, então, serão realizadas as malhas em elementos finitos. Posteriormente procede-se ao tratamento numérico no Microsoft Office Excel para que possam ser implementados no Madymo (Mathematical DYnamics MOdel), permitindo a interacção entre sistemas de corpos múltiplos e elementos finitos transientes.
Ao nível da organização de trabalho, no capítulo 2, aborda-se toda a temática dos capacetes associados à sinistralidade rodoviária com veículos de duas rodas e a influência do capacete, em Portugal, no ano de 2005.
No capítulo 3 expõem-se casos reais de acidentes e respectivas simulações computacionais elaboradas no software Pc-Crash, envolvendo veículos de duas rodas cujos condutores estavam equipados com capacete, com o intuito de identificar em que condições ocorreram esses acidentes, correlacionando os danos que os capacetes apresentam e as lesões sofridas pelos condutores desses veículos.
No capítulo 4 é apresentado o trabalho efectuado no âmbito do projecto europeu Cost 357, que consistiu na recolha de informação relativa ao capacete, no qual participou não só Portugal, bem como países como, Grécia, Itália, Alemanha, Irlanda e Turquia.
No capítulo 5 será introduzido o capacete, uma descrição do capacete e das diferentes partes constituintes, bem como um resumo do processo de fabrico e testes de segurança a este equipamento. Será também feita uma introdução à cabeça humana e o mecanismo de lesões que lhe está associada o HIC (Head Injury Criterium) (NHTSA, 1972).
No capítulo 6 apresentam-se os modelos computacionais desenvolvidos nesta tese e a descrição da metodologia empregue nos testes de impacto com recurso ao software Madymo (Mathematical DYnamics MOdel).
No capítulo 7 são apresentados e discutidos os resultados dos testes de impacto realizados com os modelos computacionais.
Introdução
No capítulo 8 são apresentadas as conclusões sobre o trabalho efectuado. No capítulo 9 são sugeridos alguns desenvolvimentos futuros.
Análise Estatística de Acidentes
2 Análise estatística de acidentes
Neste capítulo procede-se a uma análise dos acidentes envolvendo veículos de duas rodas, em Portugal, no ano de 2005, dos quais resultaram vítimas. Esta análise foi efectuada com recurso à base de dados fornecida pela DGV [9] e tem como objectivo identificar e isolar alguns dos factores mais relevantes na ocorrência destes acidentes, nomeadamente, os factores relacionados com os veículos e os factores humanos, de forma a estabelecer uma analogia com o uso do capacete.
2.1 Factores relacionados com os veículos.
No ano de 2005, no que se refere a veículos de duas rodas (VDR), verificaram-se 342 vítimas mortais (condutores e passageiros), como se observa na figura 2.1.
Figura 2.1: Número de vítimas mortais em Portugal no ano de 2005.
Porém o problema é ainda mais grave quando se compara o número de vítimas mortais em Portugal, entre as diversas categorias, com o número de veículos em circulação. Com recurso à tabela 1, é possível constatar que, apesar, do número de motociclos em circulação em Portugal ser muito inferior ao número de veículos ligeiros, representando uma parcela de 2,7% do total de veículos em circulação em Portugal contra os 72,5% que representam os veículos ligeiros, o número de mortes por cada 1000 veículos em circulação em motociclos é bem superior, ou seja, cerca de 8 vezes mais, como está explicitado na figura 2.2. Outro facto com muito relevo é a soma do número de fatalidades por cada 1000 veículos em circulação em Portugal, para as categorias de veículos ligeiros, pesados e restantes, ser inferior ao número de fatalidades por cada 1000 veículos em circulação correspondentes à categoria de ciclomotores ou de motociclos. 342 495 151 0 100 200 300 400 500 600
Capítulo 2
8
Tabela 1: Número de matrículas em circulação no ano de 2005 (fonte: Associação Portuguesa de Seguradores)
Categoria Número de matrículas em circulação Percentagem
Ciclomotores 334987 6%
Motociclos 152827 2.7%
Ligeiros 4060825 72.5%
Pesados 303315 5.4%
Restantes 748930 13.4%
Figura 2.2: Vítimas mortais e feridos graves, por cada 1000 veículos em circulação em Portugal. Para que se possam reduzir os números de sinistralidade associados aos veículos de duas rodas, em relação aos números que as restantes categorias de veículos apresentam em Portugal, é necessário perceber quais as categorias de veículos de duas rodas mais críticas e de que forma ocorrem os acidentes com essas categorias.
2.2 Distribuição por categorias
Começando por analisar o número de acidentes com vítimas segundo as diferentes categorias dos veículos de duas rodas, conclui-se que quase 50% (46.58%) dos acidentes ocorreram com ciclomotores, conforme se pode verificar na figura 2.3. Seguem-se os motociclos com mais de 50cc não limitados com 19.71%; os motociclos com mais de 50cc limitados a 25 kW, com 13.26%; os motociclos com menos de 50cc, com 6.42%; os velocípedes com 11.77%; e, por fim, os velocípedes sem motor com 2.26%.
1,376 3,429 0,451 0,218 0,040 0,278 1,080 0,134 0,096 0,044 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Ciclomotores Motociclos Ligeiros Pesados Restantes
Análise Estatística de Acidentes
Figura 2.3: Percentagem de acidentes com vítimas por categoria de veículos de duas rodas.
Apesar do elevado número de ocorrências com vítimas envolvendo os ciclomotores, esta não é a categoria com maior índice de gravidade (rácio entre o número de vítimas mortais pelo número total de acidentes com vítimas multiplicado por 100), como se constata na figura 2.4, mas sim os motociclos com potência ilimitada (potência superior a 25 KW), seguindo-se os motociclos limitados e os velocípedes. Verifica-se, assim, que as três categorias com maior índice de gravidade em Portugal, no ano de 2005, foram os motociclos não limitados, seguidos dos velocípedes e, por fim, motociclos limitados. É interessante verificar que os números de sinistralidade associados a estas 3 categorias estão em parte, mas não só, associados à própria natureza dos veículos como a elevada performance mecânica dos motociclos - que proporciona a ocorrência de impactos com elevados níveis de energia envolvidos – pouca protecção oferecida pelo veículo ao condutor, falta de visibilidade e presença que os velocípedes apresentam relativamente às outras categorias de veículos de duas rodas, associada à não obrigatoriedade do uso do capacete por parte do utilizador deste veículo em particular.
Capítulo 2
10
2.3 Factores humanos
Relativamente ao ano de 2004, os dados da figura 2.5 indicam claramente que ouve um decréscimo do número de vítimas mortais no ano de 2005 de 10,18%, dos feridos graves de 15.26% e de 15.64% para feridos leves.
Figura 2.5: Sinistralidade com veículos de 2 rodas nos anos de 2004 e 2005
Embora exista uma redução significativa no número de vítimas relativamente ao ano de 2004, a solução deste problema a curto e médio prazo, passa pelo estudo e compreensão de alguns comportamentos de condução apresentados pelos condutores de veículos de duas rodas, tais como o uso do capacete.
Em Portugal, tal como em outros países, o uso do capacete por parte dos condutores de velocípedes não é obrigatório, facto que se reflecte na percentagem de vítimas (condutores) que se regista nesta categoria de veículos, verificando-se que nenhum dos condutores vítimas mortais e feridos graves usava capacete, e onde apenas 1% dos feridos leves usava, como se verifica na tabela 2. Em suma, nos condutores de velocípedes envolvidos em acidentes e que usavam capacete, não se registaram vítimas mortais ou feridos graves, facto que reflecte sem qualquer tipo de contestação, o quanto é importante o uso obrigatório do capacete.
Nas categorias de veículos de duas rodas motorizados, o uso de capacete é obrigatório em Portugal. Na tabela 2, é possível observar a evolução do nível de lesões sofridas por relação com a percentagem da utilização do capacete por parte dos condutores. Verificando-se que existe um nítido agravamento do nível de lesões à medida que aumenta a percentagem de condutores sem capacete, facto que demonstra o quanto é importante o uso do capacete, na redução da gravidade das lesões sofridas pelos condutores de veículos de duas rodas motorizados. 334 1324 11376 342 1122 9597 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Número de mortos Número de feridos graves
Número de feridos ligeiros
Análise Estatística de Acidentes
Com capacete Sem capacete
Em suma, no ano de 2005 em Portugal, verificou-se um nítido aumento da gravidade de leões, no mínimo de 50% (tabela 3), na percentagem de vítimas mortais, relativamente aos feridos leves e feridos graves, como resultado da não utilização do capacete.
Tabela 2: Condutores vítimas em Portugal no ano de 2005.
Categoria Feridos Leves Feridos Graves Vítimas Mortais
Velocípedes Velocípedes com motor Ciclomotores Motociclos com potência limitada Motociclos com potência ilimitada 1% 99% 0% 100% 0% 100% 89% 11% 78% 22% 50% 50% 93% 7% 90% 10% 80% 20% 97% 3% 92% 8% 76% 24% 97% 3% 91% 9% 84% 16%
Capítulo 2 12 Categoria Velocípedes Velocípedes com motor Ciclomotores Motociclos com potência limitada Motociclos com potência ilimitada Capítulo 2 Categoria Velocípedes Velocípedes com motor Ciclomotores Motociclos com potência limitada Motociclos com potência ilimitada Tabela 3: Condutores ví Vítimas com capacete
11%
5,7%
8,3%
7,45%
: Condutores ví Vítimas com capacete
11% 1,4% 86% 5,7% 1,6% 85% 5,9% 1,3% 83% 8,3% 4,35% 75,9%
: Condutores vítimas em Portugal no ano de 2005. Vítimas com capacete
89% 6,9% 1,6% 8,5% 7,6% 4,35% 12,3%
timas em Portugal no ano de 2005. Vítimas 25,7% 41,8 % 21,8 % 22,6%
timas em Portugal no ano de 2005.
Vítimas sem capacete
3% 82% 6% 65,6% 12,5% 4,1% 60,6% 41,8 21,8 39,6% sem capacete 3% 9% 9,4% 12,5% 4,1% 9,6% 60,6% 14,6 % 21,8 % 16,1% 21,7% 12,5% 16,1%
Análise Estatística de Acidentes
A necessidade de implementar em Portugal uma lei que visa a obrigatoriedade do uso do capacete por parte dos condutores de velocípedes, e uma maior fiscalização e penalização de que quem não usa o capacete, ou usa mas indevidamente, nos veículos de duas rodas motorizados, são factores chave a curto prazo para a redução da sinistralidade rodoviária com veículos de duas rodas em Portugal.
Reconstituição de Acidentes Reais Envolvendo Veículos de Duas Rodas
3 Reconstituição de acidentes reais envolvendo
veículos de duas rodas
Neste capítulo estão presentes algumas das reconstituições de acidentes reais, envolvendo veículos de duas rodas, que estão inseridos no âmbito de processos judiciais e litigiosos. Estas reconstituições visavam determinar em que condições ocorreram os acidentes reais, sendo também possível efectuar uma análise ao nível da influência do capacete na gravidade de lesões nos condutores envolvidos.
3.1 Metodologia para a reconstituição de acidentes
A reconstituição de acidentes é efectuada com base numa análise dinâmica directa da evolução temporal das trajectórias dos veículos intervenientes, podendo ser feitos ajustes, dentro dos limites aceitáveis, de alguns parâmetros físicos que caracterizam a colisão e as condições dinâmicas que condicionam os movimentos pré e pós colisão. As simulações tridimensionais efectuadas neste capítulo foram realizadas através do software PC-Crash, sendo neste tipo de software possível recorrer a dois tipos de modelos:
• modelo dos veículos sem ocupantes: é um modelo de corpo rígido, que é ideal para o tipo de colisão envolvendo veículos, atrelados, e obstáculos fixos e rígidos tais como muros, postes, árvores, etc;
• modelo de corpos múltiplos tridimensionais: este modelo mais complexo é um sistema de corpos rígidos interconectados por juntas cinemáticas e tem como objectivo obter simulações mais realistas e precisas em colisões que envolvem peões e veículos de duas rodas com ocupantes, sendo possível obter para esses modelos, além dos parâmetros relativos ao acidente (velocidade, direcção, e grau de energia de deformação envolvido, ainda o nível de acelerações e as zonas onde ocorreram lesões nos corpos).
A reconstituição destes acidentes passa por diferentes fases, nomeadamente, a recolha e levantamento de informação relativa ao acidente que consta na participação de acidente (elaborada pelas autoridades, na qual consta toda a informação relativa às condições em que ocorreu o acidente, uma análise detalhada do grau, tipo e compatibilidade de deformações resultantes do acidente), análise às lesões dos intervenientes, posições finais e vestígios deixados no local onde ocorreu o acidente. Na figura 3.1, está exemplificado o procedimento adoptado nas reconstituições de acidentes reais com recurso a simulações computacionais presentes neste capítulo.
Capítulo 3
16
3.2
veículos de duas rodas, que ocorreram
tridimensionais são fundamentais para que se possa apurar acidente,
veículos na via, e toda a r
extrema importância para a determinação das responsabilidades e apuramento da veracidade Capítulo 3
Figura
Casos reais estudados
Neste capítulo serão apresentadas 2 veículos de duas rodas, que ocorreramtridimensionais são fundamentais para que se possa apurar acidente, apurando dados
veículos na via, e toda a r
extrema importância para a determinação das responsabilidades e apuramento da veracidade
Construção do cenário
Figura 3.1: Procedimento adoptado nas reconstituições de acidentes reais.
Casos reais estudados
ste capítulo serão apresentadas 2 veículos de duas rodas, que ocorreramtridimensionais são fundamentais para que se possa apurar apurando dados tais como
veículos na via, e toda a restante din
extrema importância para a determinação das responsabilidades e apuramento da veracidade
Construção do cenário
Discussão e Conclusões
Procedimento adoptado nas reconstituições de acidentes reais.
Casos reais estudados
ste capítulo serão apresentadas 2 veículos de duas rodas, que ocorreram entretridimensionais são fundamentais para que se possa apurar tais como: velocidade
estante dinâmica que caracteriza a colisão. Esta é
extrema importância para a determinação das responsabilidades e apuramento da veracidade
Construção do cenário
Discussão e Conclusões
Procedimento adoptado nas reconstituições de acidentes reais.
ste capítulo serão apresentadas 2 reconstituições de acidentes reais envolvendo entre 2005 e 2007
tridimensionais são fundamentais para que se possa apurar : velocidade de circulação
âmica que caracteriza a colisão. Esta é
extrema importância para a determinação das responsabilidades e apuramento da veracidade
Recolha de Informação
Procedimento adoptado nas reconstituições de acidentes reais.
reconstituições de acidentes reais envolvendo 2005 e 2007 em Portugal. Estas reconstituições tridimensionais são fundamentais para que se possa apurar em que
de circulação antes da colisão, posição dos âmica que caracteriza a colisão. Esta é
extrema importância para a determinação das responsabilidades e apuramento da veracidade
Recolha de Informação Simulação computacional Processamento e análise de informação
Procedimento adoptado nas reconstituições de acidentes reais.
reconstituições de acidentes reais envolvendo em Portugal. Estas reconstituições em que condições ocorreu o antes da colisão, posição dos âmica que caracteriza a colisão. Esta é uma ferramenta de extrema importância para a determinação das responsabilidades e apuramento da veracidade
Simulação computacional Processamento e análise de informação
Análise das deformações dos veículos intervenientes
Análise das lesões dos ocupantes dos veículos
Análise dos vestígios deixados na via
Procedimento adoptado nas reconstituições de acidentes reais.
reconstituições de acidentes reais envolvendo em Portugal. Estas reconstituições condições ocorreu o antes da colisão, posição dos uma ferramenta de extrema importância para a determinação das responsabilidades e apuramento da veracidade
Análise das deformações dos veículos intervenientes
Análise das lesões dos ocupantes dos veículos
Análise dos vestígios deixados na via
reconstituições de acidentes reais envolvendo em Portugal. Estas reconstituições condições ocorreu o antes da colisão, posição dos uma ferramenta de extrema importância para a determinação das responsabilidades e apuramento da veracidade
Análise das deformações
Análise das lesões dos ocupantes dos veículos
Reconstituição de Acidentes Reais Envolvendo Veículos de Duas Rodas
dos depoimentos dos intervenientes no acidente. Na tabela 4 estão descritos quais os tipos de colisões possíveis envolvendo veículos de duas rodas.
Tabela 4: Tipologia das colisões envolvendo veículos de duas rodas ISO13232. Tipologia das colisões
Tipo 1: Impacto envolvendo a zona lateral do veículo de duas rodas e a frente do outro veículo interveniente
Tipo 2: Impacto envolvendo a zona da frente do veículo de duas rodas e a frente do outro veículo interveniente
Tipo 3: Impacto envolvendo a zona da frente do veículo de duas rodas e a lateral do outro veículo interveniente
Tipo 4: Impacto sob um determinado ângulo envolvendo a zona da frente do veículo de duas rodas e a lateral do outro
veículo interveniente
Tipo 5: Impacto envolvendo a zona frontal do veículo de duas rodas e a traseira do outro veículo interveniente
Tipo 6: Impacto envolvendo a zona traseira do veículo de duas rodas e a frente do outro veículo interveniente
Tipo 7: Atropelamento, colisões contra obstáculos fixos ou ainda colisões com outros veículos de duas rodas
Capítulo 3
18
Estes casos são de extrema importância para a compreensão das condições em que ocorrem os acidentes com veículos de duas rodas envolvendo outros veículos, e quais as consequências que destes resultam. Permitirá também aferir quais as zonas afectadas do capacete utilizado pelos condutores dos veículos de duas rodas e comparar com o tipo e grau de lesões sofridas por estes mesmos condutores.
3.2.1 Caso nº1: Colisão entre um ciclomotor e um veículo ligeiro
Este acidente de trânsito, do qual resultou um ferido ligeiro e um ferido grave, ocorreu numa Estrada Nacional; num traçado de piso betuminoso e de configuração recta com dois sentidos de circulação, separados por uma marca longitudinal do tipo M1 (traço descontínuo), o local é dotado de boa iluminação e a velocidade máxima permitida no local na data em que ocorreu o acidente era de 50 km/h, sob condições atmosféricas de bom tempo e de boa visibilidade. Tratou-se de uma colisão entre dois veículos, um veículo da classe ligeiro de passageiros da marca opel, modelo Corsa B, e um veículo da classe ciclomotor da marca Honda, modelo Lead AF20, quando o veículo ligeiro de passageiros efectuava uma ultrapassagem e invadiu a via de circulação contrária (na qual circulava o ciclomotor) colidindo então frontalmente com o ciclomotor. Na figura 3.2 as letras “A” e “B” indicam os sentidos de circulação do veículo ligeiro de passageiros e do ciclomotor respectivamente, e a letra “C”, o provável ponto de impacto inicial.
Figura 3.2: Local onde ocorreu o acidente com indicação dos sentidos de circulação de ambos os veículos.
Após a ocorrência do acidente registaram-se na via alguns vestígios que são de elevada importância para a determinação de parâmetros necessários para a realização da reconstituição do acidente, tais como manchas de sangue, deixadas pelo condutor do ciclomotor, indicando a posição na qual este ficou imobilizado após o acidente, e o rasto de travagem deixado pelo veículo ligeiro de passageiros no pavimento e que permite, a partir da
Reconstituição de Acidentes Reais Envolvendo Veículos de Duas Rodas
medição do seu comprimento, calcular (equação 3.1) qual a velocidade mínima de circulação deste veículo. = × × ± (3.1) g: aceleração da gravidade; d: distância de travagem; µ: coeficiente de atrito; m: inclinação da estrada.
3.2.1.1 Modelos e características dos veículos
No que se refere aos veículos intervenientes neste acidente, na tabela 5, são apresentados os modelos reais e os respectivos modelos computacionais utilizados na reconstituição.
Tabela 5: Modelos reais e computacionais dos veículos envolvidos no acidente. Características
dos veículos Modelo real do veículo
Modelo do veículo usado na visualização da simulação computacional Ligeiro de passageiros Marca: Opel Modelo: Corsa B Massa: 880 kg Ciclomotor Marca: Honda Modelo: Lead AF20 Massa: 80 kg
Os modelos de veículos usados com o propósito de visualização na simulação computacional, apesar de apresentarem algumas diferenças com os modelos reais, não têm influência na simulação, porque as características mecânicas dos veículos reais, tais como dimensões, massa e performances são as mesmas dos modelos usados na simulação.
3.2.1.2 Factor humano
Na Tabela 6 estão presentes os dados alusivos aos condutores dos veículos envolvidos no acidente.
Capítulo 3
20
Tabela 6: Dados dos condutores dos veículos envolvidos no acidente. Condutor do veículo
ligeiro de passageiros
Condutor do ciclomotor
Idade 21 anos 27 anos
Habilitado a conduzir o veículo Sim Sim
Tempo de licença de condução 3 anos 11 anos
Massa1 80 kg 80 kg
Taxa de alcoolemia 0 g/l 1.22 g/l
Presença de substâncias psicotrópicas - -
Na figura 3.3 estão presentes as diferentes etapas da sequência do acidente, e que podem ser altamente condicionadas por alguns dos dados alusivos aos condutores, nomeadamente, a taxa de alcoolemia e a presença de substâncias psicotrópicas. Todos estes dados são de extrema importância para a simulação computacional, permitindo efectuar correlações entre a capacidade e competência de condução de um veículo, os tempos de processamento, análise e reacção que um condutor apresenta perante uma eventual situação de perigo, e podem revelar-se um factor fulcral na ocorrência do acidente, bem como nas consequências que deste podem advir.
Figura 3.3: Etapas necessárias à imobilização de um veículo.
3.2.1.3 Deformações dos veículos
Ao nível das deformações dos veículos constatou-se que relativamente ao veículo ligeiro de passageiros, não foi fornecido qualquer suporte fotográfico que permitisse quantificar os níveis de energia aos quais foi submetido no impacto. Porém, no processo é referenciado que este veículo apresenta danos na parte frontal do lado esquerdo, o que é importante para que se possa efectuar uma correspondência de deformações entre ambos os veículos e para a percepção da dinâmica do acidente.
1
Nota: A consideração de uma massa total mais rigorosa para os ocupantes dos veículos na simulação não afecta significativamente os resultados da mesma.
Reconstituição de Acidentes Reais Envolvendo Veículos de Duas Rodas
Na figura 3.4 estão presentes as deformações resultantes no ciclomotor como consequência directa do acidente, verificando-se que este veículo se encontra parcialmente destruído e desacoplado (ficando mesmo sem a roda dianteira e traseira), relevando que este veículo sofreu múltiplos impactos de elevada intensidade.
a) b)
Figura 3.4: Deformações existentes no ciclomotor.
Analisando o tipo e compatibilidade de deformações entre ambos os veículos, conclui-se que o acidente ocorreu em duas faconclui-ses distintas. Na primeira faconclui-se ocorreu um impacto primário que envolveu elevados níveis de energia de deformação, no qual o veículo ligeiro de passageiros embate com o canto dianteiro esquerdo na lateral do ciclomotor, como está ilustrado na figura 3.5.
Figura 3.5: Exemplificação da forma como ocorreu a colisão inicial entre ambos os veículos.
Após este primeiro impacto, ocorre a segunda fase do acidente, na qual o motociclo foi projectado contra uma habitação existente no local do acidente.
3.2.1.4 Lesões dos condutores envolvidos no acidente
Como já foi referenciado anteriormente, este acidente provocou um ferido ligeiro e um ferido grave, tendo o condutor do veículo ligeiro de passageiros apenas sofrido ferimentos ligeiros pouco significativos, enquanto o condutor do ciclomotor sofreu diversas lesões exemplificadas na figura 3.6.
Capítulo 3
22
Figura 3.6: Lesões sofridas pelo condutor do ciclomotor.
Destas lesões destacam-se fracturas múltiplas ao nível da perna esquerda, fractura da clavícula e braço esquerdo e um traumatismo craniano.
3.2.1.5 Dinâmica do acidente
Este acidente caracteriza-se como sendo uma colisão do tipo 2 (tabela 4), na qual o veículo ligeiro de passageiros, ao efectuar uma manobra de ultrapassagem, invadiu a via de circulação contrária, na qual circulava o ciclomotor, como está exemplificado na figura 3.7
Figura 3.7: Dinâmica do acidente.
Reconstituição de Acidentes Reais Envolvendo Veículos de Duas Rodas
3.2.1.6 Simulação Computacional
Para a realização da simulação computacional foi possível calcular, a velocidade mínima de circulação para o veículo ligeiro de passageiros, tendo-se considerado uma gama de coeficientes de atrito para um piso regular e seco entre 0,55 e 0,8, para um comprimento de rastos de travagem de 17 metros (medido pelas autoridades), obtendo-se um valor mínimo de 48,73 km/h e um valor máximo de 58,77 km/h. Como não foram registados quaisquer tipo de rastos de travagem deixados pelo ciclomotor, não foi possível determinar o valor da velocidade deste veículo que, como tal, será determinada na simulação computacional.
Na figura3.8 estão presentes os fotogramas da simulação na qual se obteve melhor correlação com as posições finais, deformações e dinâmica de colisão.
t = 0 s – Impacto inicial t = 0.075 s – Ciclomotor e condutor são projectados
t = 0.1 s – Condutor do ciclomotor embate com a cabeça no pilar “A”
t = 0.24 s – Condutor do ciclomotor é projectado no ar t = 0.54 s – Condutor do ciclomotor é projectado no ar t = 0.95 s – Condutor do ciclomotor é projectado no ar t = 1.275 s – Condutor do ciclomotor é projectado no ar de encontro ao pavimento t = 1.53 s – Condutor do ciclomotor embate é projectado
com a violência do impacto no pavimento
t = 2.745 s – Ciclomotor e condutor imobilizados
Figura 3.8: Fotogramas da simulação computacional.
Nesta simulação foi utilizado um coeficiente de atrito de 0.7 e um coeficiente de restituição de 0.1 (choque plástico). Como se pode constatar com recurso à figura 3.9, as posições finais dos veículos estão em conformidade com as posições finais presentes no croqui elaborado pelas autoridades chamadas ao local.
Capítulo 3
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computacional,
envolvidos no acidente ciclomotor.
aceleração na cabeça durante o acidente aceleração, 3.2.1.7 Capítulo 3 Figura Na tabela computacional, nomeadamen envolvidos no acidente ciclomotor. Velocidade
Velocidade de circulação do ciclomotor
Aceleração máxima (t = 0.104 s) na cabeça do condutor do ciclomotor Na figura
aceleração na cabeça durante o acidente aceleração, 1424.24 m/s
Figura 3.10
3.2.1.7 Análise ao capacete
Figura 3.9: Posições finais dos veículos e condutor do ciclomotor.
tabela 7 estão nomeadamen envolvidos no acidente e a
Tabela 7:
Velocidade de circulação do veículo ligeiro de passageiros Velocidade de circulação do ciclomotor
Aceleração máxima (t = 0.104 s) na cabeça do condutor do ciclomotor figura 3.10 está presente um gráfico
aceleração na cabeça durante o acidente
1424.24 m/s2, ocorre no instante 0,104 segundos
10: Evolução temporal da aceleração
Análise ao capacete
: Posições finais dos veículos e condutor do ciclomotor.
estão presentes os resultados mais relev nomeadamente, os valores das velocidades de circula
e a resultante de
: Valores obtidos na simulação computacional. de circulação do veículo ligeiro de passageiros
Velocidade de circulação do ciclomotor
Aceleração máxima (t = 0.104 s) na cabeça do condutor do ciclomotor stá presente um gráfico
aceleração na cabeça durante o acidente
, ocorre no instante 0,104 segundos
: Evolução temporal da aceleração
Análise ao capacete
: Posições finais dos veículos e condutor do ciclomotor.
presentes os resultados mais relev os valores das velocidades de circula resultante de aceleração máxima
Valores obtidos na simulação computacional. de circulação do veículo ligeiro de passageiros
Velocidade de circulação do ciclomotor
Aceleração máxima (t = 0.104 s) na cabeça do condutor do ciclomotor stá presente um gráfico que exprime
aceleração na cabeça durante o acidente, no qual , ocorre no instante 0,104 segundos
: Evolução temporal da aceleração na cabeça do condutor do ciclomotor. : Posições finais dos veículos e condutor do ciclomotor.
presentes os resultados mais relev os valores das velocidades de circula
ração máxima
Valores obtidos na simulação computacional. de circulação do veículo ligeiro de passageiros
Aceleração máxima (t = 0.104 s) na cabeça do condutor do ciclomotor
que exprime a evolução da resultante de , no qual se verifica que o valor máximo de , ocorre no instante 0,104 segundos.
na cabeça do condutor do ciclomotor. : Posições finais dos veículos e condutor do ciclomotor.
presentes os resultados mais relevantes da simulação os valores das velocidades de circulação dos
ração máxima na cabeça do condutor do
Valores obtidos na simulação computacional.
Aceleração máxima (t = 0.104 s) na cabeça do condutor do ciclomotor
a evolução da resultante de verifica que o valor máximo de
na cabeça do condutor do ciclomotor. : Posições finais dos veículos e condutor do ciclomotor.
antes da simulação ção dos veículos na cabeça do condutor do
59±5 km/h 30±5 km/h 145.33 g
a evolução da resultante de verifica que o valor máximo de
na cabeça do condutor do ciclomotor. antes da simulação
veículos na cabeça do condutor do
a evolução da resultante de verifica que o valor máximo de
Reconstituição de Acidentes Reais Envolvendo Veículos de Duas Rodas
Na tabela 8 estão presentes as principais características do capacete que o condutro do ciclomotor usava na altura do acidente.
Tabela 8: Características gerais do capacete Tipo de capacete Jacto sem viseira
Fabricante Fábrica de produtos plásticos Nedina, Lda.
Marca e Modelo NDN/Nedimoto
Cinta Jugular Não apresenta cinta jugular Forro acolchoado Não apresenta forro acolchoado
Cor Vermelho
Homologação Não possui nenhum tipo de homologação
Material Desconhecido
Analisando a figura 3.11 a), o capacete apresenta marcas de impacto com um objecto rígido (perfeitamente compatível com um impacto contra o pilar “A” de um veículo ligeiro de passageiros) nas zonas 22 e 24. Através da figura 3.11 b), verifica-se que o capacete apresenta algumas falhas ao nível da superfície do casco rígido ao longo das zonas 21 e 23, e estes são danos que revelam um impacto vertical do capacete com a superfície do pavimento.
a) b)
Figura 3.11: Danos no capacete.
Na figura 3.12 está presente um capacete esquemático, onde são indicadas as áreas nas quais o capacete sofreu danos.
Figura 3.12: Zonas onde o capacete apresenta danos, pormenores a vermelho.
Na figura 3.13 estão indicadas as zonas onde o capacete sofreu o impacto inicial e o segundo impacto.
Capítulo 3
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Figura 3.13: Indicação das zonas onde ocorreram impactos no capacete.
Com recurso à figura 3.14, na qual está representado um modelo genérico da cabeça humana, desenvolvida com recurso a um software CAD-3D, conclui-se que o primeiro impacto sofrido no capacete ocorreu segundo os planos XY e ZX e, o segundo impacto, segundo o plano YZ.
Figura 3.14: Modelo CAD-3D da cabeça humana, com indicação do centro de gravidade e planos XY, YZ e ZX.
Com recurso à figura 3.15 verifica-se que este capacete não possuiu nenhum tipo de material no seu interior.
Figura 3.15: Foto do interior do capacete.
Material interior que permite reduzir os níveis de aceleração na cabeça, dissipando energia em caso de impacto, ou mesmo proporcionar algum tipo de conforto e fixação do capacete à cabeça.
