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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

SIMULACIÓN NUMÉRICA DEL IMPACTO DE

BUTACAS DE UN AUTOBÚS URBANO

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS

EN INGENIERÍA MECÁNICA

PRESENTA:

ING. CANTOR MEXQUITITLA VÍCTOR MANUEL

DIRECTORES DE TESIS:

DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA SOSA

DR. CHRISTOPHER RENÉ TORRES SAN MIGUEL

MÉXICO, D.F., ENERO 2016

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AGRADECIMIENTOS

A DIOS

Por acompañarme en todo el camino durante el transcurso de mis estudios. Por ser un impulso y

en aquellos momentos difíciles de mi vida y por llenar mi vida de bendiciones y felicidad junto a

a las personas que más amo.

A MIS PADRES

Por darme la vida, toda su comprensión, confianza, pero sobre todo por dar ese gran amor que se

le pueda dar a un hijo sin esperar algo a cambio. Por preocuparse en buscar siempre la mejor

educación y preparación para su hijo y por esos consejos llenos de experiencia y sabiduría que me

permiten mejorar y seguir creciendo para ser mejor ser humano.

A MIS HERMANOS

Por contar siempre con su apoyo incondicional, moral y respeto. Por motivarme a seguir

preparándome académicamente y por aquellas recomendaciones que sin duda alguna fueron una

pieza importante para el desarrollo de mi vida.

A MIS DIRECTORES DE TESIS

Por creer en mí, darme la confianza y apoyo para poder llevar a cabo la realización de este trabajo.

Por compartir su experiencia, conocimientos y tiempo. Y Por haber tenido la paciencia y dedicación

necesaria para la realización de este trabajo.

A CONACYT

Por el apoyo económico brindado para la realización de los estudios de maestría.

Resumen i

Simulacion numérica del impacto de butacas de un autobús urbano

A lo largo de la historia el ser humado ha tenido la necesidad de trasladarse de un sitio a otro para

poder llevar a cabo sus actividades cotidianas. Estos han sido desde servicios de ómnibus a caballo,

tranvía a caballo hasta el transporte de tipo tren eléctrico. Actualmente las grandes ciudades utilizan

diferentes tipos de medio transporte para el traslado de sus habitantes. En la ciudad de México unos

de los principales medios de traslado entre los habitantes es el de la utilización de autobuses de tipo

interurbano mejor conocidos como peseros o camiones. Debido a la frecuencia del uso de este

transporte, es necesario llevar a cabo medidas de seguridad que resguarden la salud para el pasajero

ya que debido a la frecuencia de uso el riesgo es mayor de sufrir un tipo de accidente, ya que según

datos de la Organización Mundial de la Salud (OMS) aproximadamente una de cada cuatro de las

muertes traumáticas que se registran en el mundo, están relacionadas con el transporte

Actualmente existen dependencias como la UNECE (Comisión Económica de la Naciones Unidas

para Europa) y la NHTSA (Administración Nacional de Seguridad de Tráfico y Carretas) que se

encargan de promover normas para el diseño de este tipo de vehículos con el objetivo de brindar

seguridad pasiva al ocupante y disminuir los índices de lesión que se generan en este tipo de

vehículos. Uno de los principales problemas es la manera de realizar este tipo de pruebas

acercándose a lo más real al evento de choque, una de las herramientas de ayuda para este tipo de

pruebas son las herramientas computacionales el cual se llevan a cabo mediante programas de

cómputo que emplean el método del elemento finito.

En el presente trabajo se realiza el análisis numérico para dos diferentes tipos de colisión, el cual

son: frontal y trasero, para lo cual fue necesario la utilización del modelo de butacas pertenecientes

a los autobuses interurbanos, siendo simplificada y dimensionada en un programa de diseño

asistido por computadora CAD, el Dummi empleado fue un modelo HIII 50 percentil masculino y

el programa de elemento finito LS-Dyna®. La realización de los análisis numéricos exhibe el grado

del índice de lesión en la cabeza HIC y la magnitud de la lesión en el pecho CSI como consecuencia

de estos dos tipos de accidentes. De igual forma son mostradas las deformaciones que se presentan

en las butacas como consecuencia de la proyección del maniquí de elementos finitos debido a la

colisión del autobús

Abstract ii

Simulación numérica del impacto de butacas de un autobús urbano

Throughout the History, the human being has had the necessity to move from one place to another

one in order to do his/her daily activities. These have been from traveling by buses to traveling by

subway. Currently, the big cities use different means of transport so aso to people can move. In

Mexico City, one of the main means of transportation among the population is the use of buses of

kind of interurban, called “peseros” or “camiones”. Due to the use of thess transports, it´s necessary

to follow some security rules, which make sure the security of the people. Since the use of this

transport, the risk to have an accident is high. The Worlwide Health Organization (OMS) says that

approximately one of the four deaths that are registered around the world are related to the

transport.

Currently, there are dependencies like UNECE and the NHTSA are in charged to promote rules for

the design of this kind of vehicles with the purpose of offering passive security to the user and to

reléase the indexes of lessure which are produced in this kind of vehicles. One of the main problems

is the way to do this kind of tests getting closer to the most real at the momento of the crash.

One of the tools which help to do this kind of tests are the computer tools which are done by

software of finite method element.

At the current work, we make the numeric analysis for two different kinds of collisions, which are:

head-on and back, that´s why it was necessary to use the model of stalls belonging to the interurban

buses which was simplified and dimesioned on a desing program by computer CAD, the Dummie

of the Model HIII 50 male percentile and the program of finite element LS-Dyna®. The procedure

of the numeric analysis will allow to know the level of index of the lessure on the head HIC, and

the magnitude of the lessure on the chest CSI, as a consequence of these kinds of accidents.

Similarly, it will allow us to know the deformations which are presented on the stalls as a

consequence of the impact of the automobile, as well, the posible crash of the Dummie with the

seat.

Objetivo iii


Objetivo general

Analizar la seguridad pasiva que ofrecen las butacas de un autobús de tipo interurbano, en

escenarios de colisión de frontal y colisión trasero durante un accidente de vehículo automotor.

Objetivos particulares

• Realizar el Análisis numérico de impacto frontal y trasero, con un Dummie tipo HIII 50

percentil Masculino.

• Conocer los desplazamientos en las butacas mediante el desarrollo y análisis de modelos

numéricos del diseño de los asientos, utilizando la herramienta computacional de método

de elemento finito LS-Dyna.

• Estimar las posibles lesiones que se generan en el Dummie tipo HIII 50 percentil Masculino

durante el evento de colisión de tipo frontal y trasero.

• Realizar premisas de optimización en las butacas de autobús urbano.

Justificación iv


Justificación

En México los accidentes en autobús de tipo microbús es demasiado común, alrededor de 35 mil

microbuses que circulan en la ciudad, el 37.5 % de estos se relacionan por lo menos alguna vez con

algún accidente vial al año. Es decir, cuatro de cada diez sufren un incidente.

En la actualidad, el comportamiento en el interior de la carrocería o estructura de un vehículo tiene

una importante participación en sucesos de este tipo, hoy en día se busca conocer qué nivel de

seguridad ofrecen las butacas en un incidente de este tipo, y la utilización de estas de manera

confiable, con el fin de mejorar la seguridad pasiva en el pasajero permitiendo conocer posibles

lesiones que pudiera presentar el pasajero que se genera a consecuencia del incidente.

Índice General v


Índice General

Resumen i

Abstract ii

Objetivo general y particulares iii

Justificación iv

Índice general v

Índice general de figuras ix

Índice general de tablas xii

CAPÍTULO I. Estado del arte

I.1.- Breve historia del autobús a nivel mundial 2

I.2.- El transporte en la ciudad de México 6

I.3.- Seguridad en el autobús y autocar 8

I.3.1.- Normatividad Europea 10

I.4.- Características del autobús 12

I.5.- Impacto frontal 14

I.6.- Principales lesiones en el pasajero mediante un impacto frontal 18

I.7.- planteamiento del problema 18

I.8.- Sumario 18

I.9.- Referencias 19

CAPÍTULO II. Marco teórico

II.1.- Influencia de la velocidad en la colisión 23

II.2.- Impactos y choques 27

II.2.1.- Fuerza de impacto 28

II.3.- Fenómenos mecánicos que se generan en el choque 29

II.3.1.- Energía de impacto 31

II.4.- Biomecánica de impactos 32

II.4.1 Impacto frontal 33

II.4.2 Impacto lateral 33

Indice General vi


II.4.3 Impacto posterior 34

II.4.5 Vuelco 35

II.4.6 Expulsión 35

II.5.- Los Dummies en las pruebas de impacto 35

II.6.- El valor de Criterio de Daño de la Cabeza (HIC) 37

II.7.- La estructura del vehículo en la colisión 39

II.8.- Sumario 41

II.9.- Referencias 41

CAPÍTULO III. Diseño y modelado de la butaca

III.1.- Características de las butacas 46

III.2.- Metodología para la realización de pruebas 48

III.2.1.- Mediciones 49

III.2.2.- Determinación de los criterios de aceptabilidad 49

III.3.- Prueba estática y procedimiento 49

III.3.1.- Dispositivos de prueba 50

III.4.- Reglamento a las butacas NHTSA 51

II.4.1.- Requisitos de pruebas estáticas y procedimiento 52

II.5.- Método de Elemento Finito 53

II.5.1.- Ls-Dyna® 54

III.6.- Metodología para simulación numérica 57

III.6.1.- Tipos de butaca 57

III.6.2.- Parámetros de confort en las butacas 60

III.7.- Mallado del asiento 60

III.8.- El maniquí (Dummie) 63

III.9.- Sumario 65

III.10.-Referencias 65

CAPÍTULO IV. Análisis numérico

Índice General vii


IV.1.- Métodos de solución en LS-Dyna® 69

IV.1.1.- Método implícito 69

IV.1.2.- Método explicito 69

IV.1.2.1- Método explícito de elementos finito 70

IV.2.-Componentes del Dummie 72

IV.3.-Plataforma 73

IV.4.-Colocación del Dummie en la butaca 74

IV.5.-Gravedad 74

IV.6.-Condiciones de frontera 75

IV.6.1.-Tipos de contacto 75

IV.6.2.-Restricción en las butacas 77

IV.6.3.-Tiempo de terminación 78

IV.6.4.-Acelerómetros 78

IV.7.- Simulación numérica del impacto trasero 79

IV.7.1- Gráfica de aceleración en la cabeza 82

IV.7.2- Gráfica de aceleración en el tórax 82

IV.8.- Simulación numérica del impacto frontal 83

IV.8.1- Gráfica de aceleración en la cabeza 86

IV.8.2- Gráfica de aceleración en el tórax 86

I.9.- Sumario 87

I.10.- Referencias 89

CAPÍTULO V. Análisis

V.1.- Introducción 90

V.2.- Impacto trasero lesión HIC (Head Injury Criterion) 91

V.3. -Impacto trasero lesión SCI (Chest Severity Index) 92

V.4.- Impacto delantero lesión HIC (Head Injury criterion) 93

V.5.- Impacto delantero lesión CSI (Chest Severity Index) 94

V.6.- Análisis de resultados de HIC 95

Índice General viii


V.7.- Análisis de resultados de CSI 96

V.8.- Deformación en las butacas por impacto trasero 97

V.9.- Deformación en las butacas por impacto delantero 102

V.10.-Sumario 105

V.11.-Referencias 106

Conclusiones

Trabajos futuros

Anexos

Índice de Figuras ix


Índice de Figuras


Figura I.1.- Transporte público 2

Figura I.2.- Tranvía eléctrico 4

Figura I.3.- Autobuses de la catalana en una excursión escolar 5

Figura I.4.- Primeras líneas de autobuses en ciudades de España 6

Figura I.5.- Imagen de un autobús urbano antiguo 7

Figura I.6.- Diseño estructural de un autobús 9

Figura I.7.- Transporte publico moderno 12

Figura I.8.- Dimensiones de los asientos 13

Figura I.9.- Profundidad cojín 13

Figura I.10.- Espacio entre asientos frontales 14

Figura I.11.- Distintos tipos de choque 16

Figura I.12.- Colocación de los maniquíes para la prueba 17


Figura II.1.- El autobús vial 23

Figura II.2.- Accidente provocado por el exceso de velocidad 24

Figura II.3.- Efectos de la velocidad 25

Figura II.4.- Distancia de detención según la velocidad del vehículo 26

Figura II.5.- Desplazamiento de los ocupantes 27

Figura II.6.- Ejemplo de fuerzas diferentes en una colisión 29

Figura II.7.- Colisión de vehículos con masas diferentes 30

Figura II.8.- Deformación del vehículo 32

Figura II.9.- Dummie en un impacto frontal 33

Figura II.10.- Simulación del golpe lateral, reflejado en el Dummie 34

Figura II.11.- Comportamiento de los pasajeros en un accidente de tipo vuelco 35

Índice de Figuras x


Figura II.12.- Modelo de Dummie 36

Figura II.13.- Movimiento de cabeza (a 6 milisegundos que el vehículo se detenga) 38


Figura III.1.-Gráfica de aceleración contra tiempo 48

Figura III.2.-Dimensión de la superficie cilíndrica 51

Figura III.4.-Localización del centroide 52

Figura III.5.- Simulación numérica de autobús en colisión 53

Figura III.6.- Metodología general 57

Figura III.7.- Asiento de tipo urbano 57

Figura III.8.- Asiento con descansabrazo 58

Figura III.9.- Asiento reclinable 59

Figura III.10.- Asiento modelado 59

Figura III.11.- Asiento modelado en CAD 60

Figura III.12.- Discretizado de la butaca 61

Figura III.13.- Butaca simulada en Ls-Dyna® 61

Figura III.14.- Datos del material en Ls-Dyna® 62

Figura III.15.- Ventana del programa herramienta 63

Figura III.16.- Dummie Hybrid III 50° percentil 64


Figura IV.1.- Partes del Dummie 72

Figura IV.2.- Plataforma de un autobús 72

Figura IV.3.- Colocación del Dummie en la butaca 74

Figura IV.4.- Butacas empotradas con la plataforma 77

Figura IV.5.- Ubicación del acelerómetro cabeza y tórax 78

Figura IV.6.- Secuencia del impacto del Dummie en tiempo de 15 milisegundos 81

Figura IV.7.- Aceleración de la cabeza del Dummie 82

Figura IV.8.- Aceleración del tórax del Dummie 83

Figura IV.9 Secuencia del impacto del Dummie en tiempo de 15 milisegundos 85

xi


Figura IV.10.- Aceleración de la cabeza del Dummie 86

Figura IV.11.- Aceleración del tórax del Dummie 87


Figura V.1.- Representación general del movimiento craneal en impacto trasero 90

Figura V.2.- Movimiento craneal en impacto delantero 91

Figura V.3.- Representación gráfica sobre la lesión en la cabeza por impacto trasero con respecto

a gravedades y tiempo (HIC) 92

Figura V.4.- Representación gráfica sobre la lesión en el pecho por impacto trasero con respecto

a gravedades y tiempo (SCI) 93

Figura V.5.- Representación gráfica sobre la lesión en la cabeza por impacto frontal con respecto

a gravedades y tiempo (HIC) 94

Figura V.6.- Representación gráfica sobre la lesión en el pecho por impacto frontal con respecto a

gravedades y tiempo (HIC) 95

Figura V.7.- Relación esfuerzo-deformación del material PVC/7.5R [V.5] 97

Figura V.8.- Esfuerzos en la butaca para el impacto trasero. a) Inicio 60 ms. b) Primer paso 70 ms.

c) Segundo paso 80 ms. d) Tercer paso 90 ms. e) Cuarto paso 100 ms. f) Quinto paso 110 ms. g)

Sexto paso 120 ms. h) Séptimo paso 130 ms. i) Octavo paso 140 ms j) Noveno paso150 ms 101

Figura V.9.- Esfuerzos en la butaca para el impacto delantero. a) Inicio 0 ms. b) Primer paso 30

ms. c) Segundo paso 60 ms. d) Tercer paso 90 ms. e) Cuarto paso 120 ms. 104

Índice de Tablas xii


Índice de Tablas


Tabla I.1.- Años de establecimiento del servicio tranvía jalado a caballos en ciudades Europeas3

Tabla I.2.- Clasificación de diferentes tipos de vehículos 10

Tabla I.3.- Dimensiones permitidas 14


Tabla II.1.- Relación de valores para HIC 39


Tabla III.1.- Propiedades mecánicas de los materiales 61

Tabla III.2.- Dimensiones del Dummie 64

Tabla III.3.- Dimensiones complementarias del Dummie 64


Tabla IV.1.- Propiedades mecánicas de la plataforma 73

Tabla IV.2.- Curva de gravedad 75

Tabla IV.3.- Valores del pulso de aceleración 75

Tabla IV.4.- Unidades 77

CAPÍTULO I

ESTADO DEL ARTE

Capítulo I 2


I.1.- Breve historia del autobús a nivel mundial

El inicio del transporte público tiene sus orígenes desde el Siglo XII, cuando Blaise Pascal junto

con algunos amigos introdujeron este tipo de servicio. Estableciendo el servicio a manera de

explorar y experimentar con un ómnibus. En el cual, por cinco soles de aquella época, se seguía la

misma ruta e iniciaba a una misma hora todos los días. Incluso, si solo estuvieran algunas pocas

personas, no tenía un costo adicional para los que utilizan el servicio. Poco después, debido al éxito

ya operaban cinco líneas [I.1]. El permiso de operación fue concedido con prioridad para las

personas de mérito (Figura. I.1). Impidiendo que soldados, lacayos y otros trabajadores les

permitiera el servicio. Posteriormente, el público en general muestra aversión a este tipo de

servicio. Además de que no alcanza el nivel esperado. Lo que se debe a las condiciones de calles

estrechas en la ciudad París. Así como, el aumento de la tarifa (seis soles) lleva al cierre de la

empresa en 1677 [I.1].

Figura I.1.- Transporte público

El primer transporte masivo considerándose como negocio exitoso, se le atribuye a un servicio de

ómnibus a caballo en la ciudad de Nantes. El cual fue dirigido por Stanislas Baudry en el año de

1826. El servicio constituía trasladar a personas desde el centro de la ciudad hasta unos baños

construidos en los alrededores de la ciudad. El éxito de este servicio se le atribuye a que se permitía

que los pasajeros abordaran y bajaran en diferentes puntos a lo largo del trayecto [I.1].

El servicio de ómnibus a caballo tuvo un gran éxito y demanda. Para el año de 1828, Baudry obtiene

un permiso para poner en servicio diez líneas más, con 100 vehículos a través de las calles de París

Capítulo I 3


[I.1]. Mientras que, para el año siguiente, el carrocero George Shilllibeeer muestra en la ciudad de

Londres el ómnibus tirado por caballo. Asimismo, Jakub Choensky hace lo propio en la ciudad de

Praga [I.2]. Para los años entre 1830 y 1840, en muchas ciudades los empresarios locales ofrecen

el mismo servicio. En los cuales se encuentran Le Havre en 1832, Ginebra en 1833, Birmingham

en 1834, Bruselas en 1835, Lyon en 1837, Dresde en 1838, Milan en 1841, Portsmouth en 1842 y

en Berlín en 1846 [I.1 y I.2].

El segundo medio de transporte público utilizado en las zonas urbanas fue el tranvía a caballos.

Este ofrecía ventajas de mayor eficiencia en comparación con el ómnibus. Además de seguridad,

rapidez, comodidad y menos ruidoso. A pesar de estas ventajas el tranvía a caballo necesitaba la

construcción de la pista. Por lo que el ómnibus, se mantuvo en buena posición en el mercado donde

no era justificable o había una oposición [I.3]. En la Tabla I.1 se puede observar algunas fechas de

establecimiento de compañías de servicio de tranvía jalado por caballos en las ciudades más

pobladas.

Tabla I.1.- Años de establecimiento del servicio tranvía jalado a caballos en ciudades Europeas

Ciudad Año de inicio del servicio Ciudad Año de inicio del servicio

París 1854 Dresden 1872

London 1861 Barcelona 1872

Copenhague 1863 Leipzig 1872

St. Petersburg 1863 Turín 1872

Berlín 1865 Moscú 1872

Viena 1865 Birmingham 1872

Hamburgo 1866 Sheffield 1873

En 1879 la empresa Siemens construye para la Exposición Industrial en Berlín, el primer tren

eléctrico en el mundo, con intensidad procedente de un generador estacionario. El cual, fue

construido gracias a diversos y variados desarrollos técnicos y siendo en ese tiempo, la innovación

tecnológica que proporciona una forma barata de transporte. Entre el público la manera de

transportarse fue clara y muy ventajosa, ya que el tranvía eléctrico ofrecía mayores ventajas al ser

Capítulo I 4


comparada contra el tranvía jalado por caballo [I.4]. El éxito del tranvía eléctrico fue grandemente

influenciado por cambios en el entorno económico experimentados en diferentes países en Europa

(Figura. 1.2). La apertura del servicio de los sistemas de tranvías eléctricos ocurrió casi al mismo

tiempo en toda Europa. Sin embargo, la Gran Bretaña y Francia fueron los precursores en este tema

[I.4].

Figura I.2.- Tranvía eléctrico

El primer servicio de autobús propulsado por motor de combustión fue desarrollado en el año de

1895. Daba servicio entre las ciudades de Netphen y Deuz en Alemania y fue desarrollado Benz.

Aproximadamente en el año de 1905, el autobús de motor en comparación con el ómnibus de

caballos presentaba grandes ventajas. El transporte tirado por caballos, aún seguía en

funcionamiento, lo cual se debía a la flexibilidad en el servicio, a pesar de tener altos costos de

operación. En casi 10 años, el autobús de motor fue un buen remplazo del ómnibus de caballos. El

servicio tirado por caballos paulatinamente desaparece de las ciudades. Por ejemplo, en París en

1913 y en Londres en 1914. Desde los primeros años de vida del autobús de motor, el servicio se

implementa en ciudades como Bradford en 1897, Edimburgo en 1898, Londres en 1899,

Birmingham en 1903, París en 1905, Barcelona en 1906, Viena en 1907, Ámsterdam en 1908 y

Lisboa en 1912. Sin embargo, en la mayor parte de las ciudades de Europa, como por ejemplo

Bergen en 1917, Edimburgo de 1919, Leicestershire, en 1919, Ámsterdam y Barcelona a partir de

Capítulo I 5


1922, Moscú en 1924, Estrasburgo en 1928, Lisboa desde 1944 y Oporto en 1948 realmente se

establece de forma definitiva más tarde [I.4].

En España, los primeros autobuses con motor de explosión llegaron en agosto de 1906, en la ciudad

conocida como La Catalana. La empresa de Rippers, que operaba en la ciudad condal desde 1860,

fue la responsable de introducir este tipo de transporte, lo cual se debe al crecimiento en la

población (con un total de medio millón de habitantes para el año de 1900). La ciudad realiza un

gran esfuerzo para introducir este tipo de transporte, que ya funcionaba con gran éxito por

principales ciudades Europeas, adquiriendo un total de seis modernos autobuses. Sin embargo,

finalizó fracasando debido a la competencia del tranvía y no fue hasta el año de 1922 cuando se

solidará el servicio en definitivo [I.5].

El 12 de agosto de 1906 se inaugura el primer servicio de autobuses públicos de Barcelona, con

una ruta por el paseo de gracia con una velocidad máxima comercial de los 8 km/h. Es más

económico que el tranvía y con un precio 10 céntimos por todo el trayecto. El director y gerente de

la Catalana, Sr. Juan Grau Llopis implementa cinco líneas más, de las cuales cuatro de ellas

iniciarían desde la plaza de Cataluña hacia los poblados de Gracia, por la ramble de Cataluña, Sans,

San Andrés de palomar y el parque de la Ciudadela. Una línea más conectaría la calle de Aribu y

la avenida Diagonal con el Arco del triunfo. El ómnibus automóvil también se usaba como

transporte escolar y servicios escolares como excursiones (Figura I.3) [I.5].

Figura I.3.- Autobuses de la catalana en una excursión escolar

Capítulo I 6


Entre los años de 1926 y 1930, el número de habitantes incremento y como consecuencia de ello

la necesidad de desplazarse también lo hizo. Es así como surgieron los servicios interurbanos bajo

la necesidad de conectar la capital catalana con las poblaciones de los alrededores. Buena parte de

los usuarios que usaban el servicio eran personas con alto poder adquisitivo, ya que el precio por

el servicio era costoso, siendo este un elemento de distinción de clases y de desigualdad. Durante

la implantación de este tipo de servicios el ayuntamiento de Barcelona logra regularizar el servicio

resolviendo los vacíos legales existentes. Más tarde las autoridades municipales proponen

aumentar el número de vehículos debido al aumento de población y de la demanda ya que la red

de tranvía no podía a abastecer todo el servicio del transporte. Las primeras líneas fueron (Figura

I.4); A1 (Circunvalación), A2 (Circunvalación), B (Sans-San Martin y Atarazanas-San Andrés), C1

(Atarazanas-Clot), D (Gracia-Barceloneta), D1 (Gracia Estación Norte) y D2 (Gracia-Estación

MZA). Años después se inauguraron las líneas A (Av. Alfonso XIII-Estación MZA) y E

(Provenza/Urgel-Estación Norte). Ante la amenaza que representaba la competencia del autobús

hacia el transporte de tranvías, la compañía inaugura dos líneas de servicio de tranvías [I.5].

Figura I.4.- Primeras líneas de autobuses en ciudades de España

I.2.- El transporte en la ciudad de México [I.6]

En México el crecimiento económico y la concentración poblacional aumentan durante el gobierno

de Porfirio Díaz. Como resultado los medios de transporte de tracción animal, que permanecían

hasta 1917 y otros medios de transporte tradicionales como son las lanchas, lanchones y trajineras

Capítulo I 7


que circulaban por los canales de la antigua ciudad son insuficientes para satisfacer el traslado

diario. Los tranvías eléctricos son desarrollados durante los primeros días del Siglo XX.

Los tranvías inician operación con una línea en el año de 1900. Para 1917 forman una red de 14

línea, con aproximadamente 343 km de vías cubriendo la ciudad en la mayoría de sus direcciones.

En México aparecen los primeros vehículos con motor de combustión a partir del año de 1908,

siendo utilizados para transporte privado de para personas de alto poder adquisitivo. En 1917 inicia

la competencia entre camioneros y la empresa de tranvías, terminando con la nacionalización de

los tranvías en 1946. Los camioneros aprovechan de manera favorable los acontecimientos

políticos y sociales que ocurren durante el periodo de huerta hasta la Segunda Guerra Mundial,

mientras evolucionan al ritmo del desarrollo del país.

Durante los años de 1950 a 1960 la empresa paraestatal servicios de transporte eléctricos reduce

las unidades de 534 a 494 unidades. Mientras que la demanda en la ciudad aumenta el 70%. De tal

forma que los camioneros atienden el pasaje registrando un aumento del 72% de unidades de 3 699

a 6 392 en diez años. Durante el terremoto de 1985, la Ciudad de México crece de manera dividida,

asentándose la mayor parte de la población se concentra principalmente hacia el sur de la ciudad.

La distribución creando desequilibrio para el transporte en camión (Figura I.5).

Figura I.5. Imagen de un autobús urbano antiguo

Capítulo I 8


Actualmente la red vial urbana cuenta con una longitud de 60 726 km pavimentando en un 95.2%.

Clasificada en diferentes tipos de vías (rápida, arterial, colectora y local). En el cual, el 91% es

representado por la red local, de uso exclusivo local y flujo bajo. También se tienen 174 km de

carriles preferenciales para el transporte público en autobús, representando un 0.27 de la red vial

total.

En la ciudad se realizan 48 804 197 viajes al día. De los cuales, poco más de la mitad total (51.5%)

se lleva a cabo en transporte público. Mientras que el 92% de estos traslados se realizan en

vehículos con neumáticos y el resto en vehículos circulan sobre rieles. El tiempo promedio de

traslado en tren y metro es de aproximadamente 40 minutos, mientras que 50 minutos para el

traslado en autobús.

I.3.- Seguridad en el autobús y autocar

El principal objetivo de la seguridad vehicular es proteger la integridad física de los ocupantes

durante y después del accidente por medio de reducción de riesgos. El desarrollo de autobuses

seguros y fiables requiere métodos de diseño optimizados, materiales y procedimientos de

fabricación de alta calidad. Proporcionando autobuses de larga duración, sin necesidad de costosas

reparaciones. En países industrializados las producciones anuales de autobuses son de

aproximadamente 130 000 unidades por año. En Europa se fabrican 30 000 autobuses por año con

la característica de peso de no mayor a 6 toneladas. Debido a la gran producción de este tipo de

vehículos la optimización de diseño debe prevalecer para alcanzar niveles altos de fiabilidad de

seguridad [I.7].

Según datos de la Organización Mundial de la Salud (OMS) aproximadamente una de cada cuatro

de las muertes traumáticas que se registran en el mundo, están relacionadas con el transporte. Cifra

que representa cerca de 2.1% de todas las causas de muerte. Todos los años fallecen más de 1.2

millones de personas en las vías de transito por traumatismo. Lo que equivale a 3 000 muertes por

día. Del total de muertes aproximadamente el 85% corresponden en personas con edad de 15 a 44

años. Mientras que el 96% de las muertes que ocurren en la niñez, se registran en países de ingresos

bajos y medios. La OMS indica que de no actuar con las medidas necesarias el índice de mortalidad

seguirá aumentando [I.8]. Las iniciativas de prevención pueden estar clasificadas de dos maneras;

Capítulo I 9


enfocadas a los seres humanos o a los sistemas de transporte. Si se enfoca a los seres humanos, la

estrategia consiste en intervenir o modificar su conducta. Mientras que, para los sistemas del

automóvil, la estrategia seria modificar el diseño estructural del transporte (Figura I.6).

Figura I.6.- Diseño estructural de un autobús

La seguridad de prevención se dirige a los seres humanos y/o a los sistemas de transporte. Si se

dirige hacia las personas, la estrategia consistiría en modificar e intervenir su conducta. Si están

dirigidas a los sistemas de transporte, por lo regular se modifica el diseño estructural [I.8]. El

transporte en autobús, en la actualidad es uno de servicios más seguros, recientemente algunos

gobiernos en Europa promueven el servicio, debido a que el riesgo de sufrir un accidente mortal es

3.6 veces mayor si se circula en un tren, 17 veces mayor en un avión y 31.7 veces mayor si se

utiliza un turismo o una motocicleta [I.7]. La seguridad en los vehículos puede clasificarse en dos

maneras [I.9]:

Seguridad activa. - Son todas esas partes que ayudan a mantener una mayor estabilidad

y eficacia en el vehículo, orientado a evitar que se produzca un accidente.

La iluminación. - Su función es permitir la visión y dejar ser vistos. Se debe

revisar frecuentemente el funcionamiento y no descuidar el uso.

Los neumáticos. - Su función es lograr un contacto adecuado con el suelo

mediante adherencia y fricción.

Capítulo I 10


Los frenos. - Su función es disminuir la velocidad del vehículo cuando sea

requerido por el conductor o mantener detenido el vehículo en caso de estar

inmóvil.

Suspensión y amortiguación. - Su función es mantener el contacto del vehículo

con el suelo garantizando la estabilidad.

Seguridad pasiva. - Son aquellos elementos que reducen los daños y consecuencias

cuando el accidente se produce. Es decir, cuando el suceso es inevitable.

Cinturón de seguridad. - Protege al ocupante del vehículo en caso de accidente

o detención brusca, evitan que salga disparado o que se desplace en el interior del

vehículo.

Chasis y carrocería. - Protege a los pasajeros del vehículo absorbiendo la energía

desprendida a causa del accidente.

Bolsa de aire. - Protege a los ocupantes del vehículo de las fuerzas de

desaceleración evitando que la parte superior del cuerpo impacto con el

compartimiento, se infla y desinfla rápidamente al producirse la colisión.

El apoyacabeza. - Protege a los ocupantes de un latigazo cervical como

consecuencia principal de la colisión por alcance.

I.3.1.- Normatividad europea

La reglamentación de seguridad pasiva en los autobuses y autocares viene marcada

fundamentalmente por la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa. Imponiendo

requisitos en cuanto a las estructuras y sistemas de retención de estos vehículos de tal forma que

se garantice la seguridad de los pasajeros. Las siguientes normas muestran los requisitos que se

debe contar para el diseño de butacas. La Tabla muestra la clasificación de los vehículos que serán

mencionados en las siguientes normas [I.10 y I.11]

Tabla I.2.- Clasificación de diferentes tipos de vehículos

Categoría por criterios de

homologación

Descripción

Capítulo I 11


Categoría M

Vehículos de motor concebidos y fabricados

principalmente para el transporte de personas y su equipaje.

Categoría M1

Vehículos de la categoría M que tengan, como máximo,

ocho plazas de asiento además de la del conductor. No

dispondrán de ningún espacio para viajeros de pie.

Categoría M2

Vehículos de la categoría M que tengan más de ocho plazas

de asiento además de la del conductor y cuya masa máxima

no sea superior a 5 toneladas. Los vehículos podrán tener,

espacio para viajeros de pie.

Categoría M3

Vehículos de la categoría M que tengan más de ocho plazas

de asiento además de la del conductor y cuya masa máxima

sea superior a 5 toneladas. Los vehículos podrán tener

espacio para Viajeros de pie.

Dimensiones o distancias. - Reglamento 107R02 (WP29 y 2009c). El presente

reglamento se aplica a todos los vehículos de categoría M1 y M2 respectivamente

(autobuses y autocares). Menciona los criterios dimensionales o distancias mínimos

entre los asientos.

Resistencia de asientos y sus anclajes. - Directiva 74/408-2005/39/CE ó Reglamento

80R01. El presente reglamento menciona acerca de la homologación de asientos de

grandes vehículos de pasajeros y de estos vehículos en lo relativo a la resistencia de los

asientos y sus anclajes. El presente reglamento se aplica a:

a) Asientos de pasajeros para instalación mirando hacia adelante en vehículos de

las categorías M2 y M3, de las Clases II, III y B1.

b) Los vehículos de las categorías M2 y M3 de las Clases II, III y B1 en el respeto

de sus anclajes de los asientos de pasajeros y la instalación de asientos.

c) No se aplica a los asientos orientados hacia atrás ni a los apoyacabezas

colocados en dichos asientos.

Homologación de cinturones de seguridad. - Reglamento 16R04 (WP29 y 2009a).

Menciona acerca de los diferentes tipos de cinturón que deben de instalarse en los

vehículos M2 y M3 (autobuses y autocares). Permitiendo el uso de cinturones de dos

puntos siempre que no quede desprotegido una plaza. De lo contrario se pedirá el uso

Capítulo I 12


de un cinturón de tres puntos de anclaje. El requerimiento de un cinturón de dos puntos

es menos en comparación con uno de tipo de tres puntos de anclaje, los fabricantes de

los vehículos autobuses y autocares tienden a instalar butacas con cinturones de tipo dos

puntos.

I.4.- Características del autobús [I.12]

Actualmente el transporte de pasajeros mediante autobuses o autocares es muy seguro, incluso en

comparación con otros tipos de transporte como son el coche los trenes e incluso con aviones

muestran el alto nivel de seguridad (Figura I.7). A pesar de mostrar una imagen positiva de

seguridad de estos vehículos, se siguen produciendo accidentes provocando dudas en los pasajeros

con respecto a la seguridad. En Europa aproximadamente 20 000 (4%) autobuses y autocares están

actualmente involucrados en accidentes con lesiones personales cada año. Así como, 200 pasajeros

sufren lesiones mortales y más de 30 000 personas se lesionan debido a los accidentes.

Figura I.7.- Transporte publico moderno

Actualmente la normativa Europea ofrece diferentes características sobre el diseño de las butacas

en un autobús y autocar. La normativa 107 muestra las principales características de localización

de un asiento para un automóvil de tipo M2 y M3. Menciona sobre la anchura mínima del asiento.

El ancho mínimo del cojín del asiento, la dimensión del ancho del asiento “F” (Figura I.8), el cual

es medido desde un plano vertical que pasa por el centro del asiento, la posición será el siguiente;

200 mm en el caso de la Categoría I, II, A o B y 225 mm en el caso de la Clase III. El ancho mínimo

Capítulo I 13


del espacio disponible para cada plaza dimensión “G” [Figura 1.8], medida a partir de un plano

vertical que pasa por el centro de dicha plaza, a la altura de entre 270 mm y 650 mm por encima

del cojín del asiento no comprimido, no deberá ser inferior a 250 mm en el caso de los asientos

individuales o 225 mm en el caso de las filas continuas de asientos para dos o más pasajeros.

Figura I.8.- Dimensiones de los asientos

Figura I.9.- Profundidad cojín

Para los vehículos de 2.35 m de ancho o menos, el ancho del espacio disponible para cada posición

de asiento (medido desde un plano vertical que pasa por el centro de dicha plaza, a una altura

comprendida entre 270 mm y 650 mm por encima del cojín del asiento no comprimido) será de

200 mm (Figura I.8) [I.13].

F F F F F F

G G G G G G

Asiento

individual

270

650

Conjunto

de asiento

K

H

Capítulo I 14


La profundidad mínima del cojín del asiento dimensión K, deberá ser (Figura I.9):

350 mm en los vehículos de las Clases I, A o B.

400 mm en los vehículos de la Clase II o Clase III.

La altura del cojín del asiento dimensión H, no comprimido en relación con el piso, deberá ser tal

que la distancia desde el suelo a un plano horizontal tangente a la superficie superior delantera del

cojín del asiento es de 400 mm y 500 mm. Esta altura podrá reducirse a menos de 350 mm (Figura

I.9). El espacio entre el asiento (Figura I.10), en el caso de asientos orientados en la misma

dirección, la distancia entre la parte delantera del respaldo de un asiento y la parte posterior del

respaldo del asiento que le precede (dimensión H), deberá, medir horizontalmente ya cualquier

altura por encima del suelo entre el nivel de la superficie superior del cojín del asiento y un punto

de 620 mm por encima del suelo, no será inferior a Tabla I.3 [I.13].

Figura I.10.- Espacio entre asientos frontales

Tabla I.3.- Dimensiones permitidas

Tipo H

Clase I, A y B 650 mm

Clase II y III 680 mm

I.5.- Impacto frontal

Las estadísticas muestran que después de los accidentes por volcadura, los accidentes por colisión

frontal en autobuses y autocares son un porcentaje significativo. En el cual regularmente la parte

H

H

620

1 300

Acot; mm

Capítulo I 15


frontal de la estructura del automóvil queda dañada, como consecuencia del choque poniendo en

riesgo la integridad del conductor. Así como, la de los ocupantes en varias ocasiones causa la

muerte del conductor, aumentando el riesgo entre los pasajeros. Ya que mantiene el control del

autobús en caso de un accidente [I.14].

En una situación de un choque frontal, el conductor es una persona fundamental en este tipo de

accidentes. Después de la colisión, el conductor puede controlar el autobús impidiendo mayores

riesgos para los pasajeros. Además de ayudar a la evacuación del autobús en caso de ser necesario.

Cabe mencionar que el peligro de muerte o de lesión del conductor es 10 a 100 veces mayor al de

los pasajeros.

Las estadísticas muestran que el accidente por colisión frontal es el más frecuente, ya que el

porcentaje que se tienen es de 50 a 60% comparando con el número total de accidentes [I.15].

Estudios indican que la tasa por colisión frontal es de 50 a 60 % relacionado con el porcentaje total

de accidentes. Señalando que los incidentes de este tipo son los de mayor frecuencia en autobuses

y autocares. Difícilmente puede haber una comparación entre estadísticas debido a las diferentes

formas de recopilar y evaluar la información. Algunos de ellos consideran como accidente los

siguientes puntos [I.15]:

a) Muerte entre los ocupantes.

b) Los ocupantes del autobús tienen algún tipo de herida.

c) Si hubo participación de peatones u ocupantes de algún otro tipo de vehículo con

lesiones o muertes.

Las estadísticas también muestran que existen dos tipos de accidentes peligrosos en autobuses y

autocares [I.15].

Accidente por volcadura siendo bastante posterior con un (2 a 6%), teniendo una alta

tasa de mortalidad y lesión en el pasajero.

Por colisión frontal, con un suceso recurrente aumentando el número total de muertes y

lesión entre los ocupantes.

Capítulo I 16


Los tipos de impacto de tipo frontal son muy variados. Entre ellos se pueden encontrar tres tipos;

Impacto frontal del 100%, Impacto frontal del 40% e Impacto frontal angular de 30° (Figura I.11)

[I.16].

Figura I.11.- Distintos tipos de choque

Mediante un estudio realizado para conocer los parámetros de lesiones derivados de un impacto

frontal, se concluye que la parte superior del cuerpo humano tiene el mayor índice de lesión.

Además de no traer el cinturón de seguridad, la cabeza del pasajero tendrá un contacto de choque

con el asiento de enfrente. Mientras que para la parte inferior del cuerpo la parte trasera del asiento

hace contacto con la rodilla teniendo, este como el parámetro más crítico [I.17].

En Japón actualmente mueren 10 000 personas al año en accidentes de tráfico. Así que diversos

sectores realizan investigaciones de medidas de seguridad centrándose en colisiones de tipo frontal

mediante la instalación de condiciones de diversos equipos conectados al respaldo y al asiento. La

mayoría de los pasajeros sentados en la primera fila muestran lesiones por partición. Mientras que

c) Pared rígida

Pared rígida

a) Pared rígida b)

Pared rígida c)

Capítulo I 17


las personas que están sentados en las segundas filas o en las filas de atrás aproximadamente el

50% muestran lesiones por golpes con la silla de frente.

De esta manera se realizan pruebas simulando una cabina de pasajeros (prueba de trineo en el cual

hay una caja de servicios situada enfrente de la primera fila de los pasajeros y asientos de primera

y segunda fila) poniéndose en marcha a gran velocidad añadiéndole fuerza de impacto en diversas

partes del maniquí (Hibrid III). Se utilizaron parámetros de prueba como; ELR 2 cinturón de dos

puntos, distancia entre la caja de servicio y la primera fila de asientos de los pasajeros de 360 mm

y la distancia entre la primer y segunda fila de asientos de 860 mm o 100 mm de largo. Los asientos

se colocaron de tres maneras; asiento estándar, asiento reclinado y la postura de tendencia lateral.

La velocidad fue de 25 y 35 km/h respectivamente (Figura I.12).

Figura I.12.- Colocación de los maniquíes para la prueba

Los resultados que se obtuvieron fueron, que con un cinturón de dos puntos y los golpes de cabeza

con la partición tienden a aumentar. Así como, el aumento de distancias entre asientos o utilizando

la posición de descanso para que la cabeza no golpeara la partición tiende a disminuir [I.18].

Capítulo I 18


I.6.- Principales lesiones en el pasajero mediante un impacto frontal

Cuando el ocupante no lleva puesto el cinturón de seguridad, presentará un movimiento desde el

asiento que ocupa hacia el de frente. Produciendo lesiones en la parte de la cara, el cuello y las

piernas, principalmente en las rodillas. Otra manera importante de sufrir una lesión es chocando

con las aristas cortantes (cuadros de televisión) y elementos rígidos como por ejemplo (el maletero,

mango etc.). Existen demasiados casos de lesiones por intrusión y por la deformación de la

estructura, personalmente debido a impactos con camiones. En este tipo de cuestión la prevención

simple se dificulta por el colapso de la estructura del autobús en la zona de impacto como resultado

de la enorme energía involucrada. Asimismo, el asiento del conductor y el del guía turístico se

encuentran expuestos al choque frontal, se esperan diferentes fracturas para los ocupantes

expulsados a través del parabrisas (desde el asiento del conductor, el asiento guía y los primeros

asientos de la fila) [I.19].

I.7.- Planteamiento del problema

En México los accidentes en autobús de tipo microbús es demasiado común, alrededor de 35 000

microbuses que circulan en la ciudad. El 37.5 % de estos se relacionan por lo menos alguna vez

con algún accidente vial al año. Es decir, cuatro de cada diez sufren un incidente. Regularmente

las personas toman un autobuses o autocar mejor conocido como camión para poder trasladarse

con destino al trabajo a la escuela o a sus diferentes actividades etc. Debido a esto, para los usuarios

hace que aumente el riesgo de padecer un accidente de choque de tipo lateral, frontal o trasero

pudiendo resultar herido debido a la vulnerabilidad de deformación que presentan los sistemas de

este tipo especialmente el asiento del pasajero ante un tal suceso. Es por ello que, en la actualidad

conocer el comportamiento en el interior de la carrocería o estructura de un vehículo tiene una

importante participación en sucesos de este tipo. Para poder conocer qué nivel de seguridad ofrecen

las butacas en un incidente como este, para la utilización de estas de manera confiable. Con el fin

de mejorar la seguridad pasiva en el ocupante permitiendo conocer posibles lesiones que pudiera

presentar el pasajero que se genera a consecuencia del suceso.

I.8.- Sumario

El origen del transporte tiene sus inicios desde el Siglo XII cuando Blaise Pascal junto con algunos

amigos introdujeron el servicio de transporte público, poniendo en función a manera de explorar

Capítulo I 19


un ómnibus. Mientras que el primer transporte masivo considerándose como negocio exitoso, se le

atribuye a aun servicio de ómnibus a caballo en la ciudad de Nantes por Stanislas Baudry en el año

de 1826. El segundo medio de transporte público utilizado en las zonas urbanas fue el tranvía a

caballos. Este ofrecía ventajas de mayor eficiencia en comparación con el ómnibus, seguridad,

rapidez, comodidad y menos ruidoso. En España los primeros autobuses con motor de explosión

llegaron en agosto de 1906 en la ciudad conocido como la catalana, la empresa de Rippers que

operaba en la ciudad condal desde 1860 fue la responsable de introducir este tipo de transporte,

debido al crecimiento en la población con un total de medio millón de habitantes para el año de

1900. En México el crecimiento económico y la concentración poblacional aumentan durante el

gobierno de Porfirio Díaz, lo que hace insuficiente el transporte que existe en esas épocas. Los

tranvías eléctricos son creados durante los primeros días del Siglo XX. En México aparecen los

primeros vehículos con motor de combustión a partir del año de 1908, siendo usados para transporte

privado de personas de alto poder adquisitivo. Y para el año de 1917 inicia la competencia entre

camioneros y la empresa de tranvías terminando con la nacionalización de los tranvías en 1946.

Actualmente existen normas por parte de la comisión europea para el diseño de butacas las cuales

se encuentran Reglamento 107R02 (WP29, 2009c); Directiva 74/408-2005/39/CE ó Reglamento

80R01 y 16R04 (WP29, 2009a). En este capítulo también se mencionan los diferentes tipos de

impacto de tipo frontal que puede ocurrir. Así cómo, el estudio de análisis de este tipo de caso.

I.9.- Referencias

1.- Robert, J., Histoire des Transports dans les Villes de France, Ed. Author’s Edition, 1974.

2.- Carter, F. W., Public transport development in the nineteenth-century; Prague, Transport

History, Vol. 6, pp 205-226, 1973.

3.- Gutiérrez, C. y Castro, M., Informática y Sociedad, Ed. Universidad Estatal a Distancia, pp 98,

1992.

4.- Costa, A. y Fernandes, R., Urban public transport in Europe; Technology diffusion and market

organization, Transportation Research Part A; Policy and Practice, Vol. 46, No. 2, pp 269-284,

2012.

5.- Fernández i Valentí, R., 100 años de Autobuses en Barcelona (1906-2006), Ed. Universat, 2009.

6.- Brennan, P., Vasconcellos, E. y Mendonca, A., Desarrollo Urbano y Movilidad en América

Latina, Ed. Banco de Desarrollo de América Latina, pp 173-185, 2011.

Capítulo I 20


7.- Carro-Díez, J. I., Estudio Mediante SIMULINK y ANSYS del Comportamiento de la

Superestructura de un Autobús Urbano, Tesis Licenciatura, Universidad Carlos III de Madrid,

2009.

8.- Organización Mundial de la Salud, Informe Sobre la Situación Mundial de la Seguridad Vial;

Es Hora de Pasar a la Acción, Ed. Organización Mundial de la Salud, 2010.

9.- Lobo, M. y Cruces, R., Libro del Nuevo Conductor Profesional, Ed. Santiago de Chile, Ponds

editorial, pp 73-91, 2013.

10.- Corral, V. T., López, M. A. L., Pastoril, G. R. y Aparicio-Izquierdo, F., Nuevos Requisitos y

Avances en Seguridad Pasiva en Autobuses y Autocares; Situación Actual y Necesidades, 2008.

11.- Martínez-Sáez, L. y García-Álvarez, A., Estudio de Prescripciones Técnicas para la Mejora

de la Seguridad Infantil en Vehículos de Transporte Colectivo, Ed. Reverté, 2010.

12.- Belingardi, G., Martella, P. y Peroni, L., Coach passenger injury risk during rollover; Influence

of the seat and the restraint system, The 19th International Technical Conference the Enhanced

Safety of Vehicle (ESV), Paper (No. 05-0439), 2005.

13.- UNECE, Prescripciones Uniformes Relativas a la Homologación de la Categoría M2 o

Vehículos M3 con Respecto a su Construcción General, E/ECE/324/Rev.2/Add.106/Rev.3,

2011.

14.- Manjinder, S., Frontal Crash of Bus, Altair Technology Conference, Punjab-144 533, 2013.

15.- Matolcsy, M., Protection of bus drivers in frontal collisions, Proceedings of the 18th

International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, pp 18, 2003.

16.- Li, Z., Xiao, Y., Zhu, W. y Zhao, H., The safety of body structure and occupant protection

research of medium bus under three kinds of frontal impact forms, Proceedings of the FISITA

2012 World Automotive Congress, pp 279-292, 2013.

17.- Huijskens, C. G., Schrooten, M., y de Coo, P., Frontal occupant safety simulations for coach

and bus passengers, Proceedings of 18th International Technical Conference on the Enhanced

Safety of Vehicles, 2003.

18.- Okano, S., Sukegawa, Y., Matsukawa, F. y Mitsuishi, F., Research on bus passenger safety in

frontal impacts, Proceedings of 17th International Technical Conference on the Enhanced


Capítulo I 21


19.- Páez, J., Furones, A., Aparicio, F. y Alcalá, E., Spanish Frontal Accidents of Buses & Coaches;

Injury Mechanism Analysis, Procedia-Social and Behavioral Sciences, Vol. 160, pp 314-322,

2014.

CAPÍTULO II

MARCO TEORICO

Capítulo II 23


II.1.- Influencia de la velocidad en la colisión

El transporte en vehículos con alta velocidad, contribuye al desarrollo económico de los países de

la OCDE/CEMT. Lo cual ayuda a mejorar la calidad general de vida. Las altas velocidades tienen

efectos diferentes, básicamente en términos de accidentes de carretera (con efectos materiales, de

heridos y mortales), incluso en términos de medio ambiente, el ruido y la emisión de gases de

combustión. Así como, en términos de habitabilidad de zonas urbanas y residenciales. La velocidad

en el transporte posee impactos positivos, indiscutiblemente reducir el tiempo de desplazamiento

es el más obvio. Los avances en el último siglo, en materia de infraestructura carretera, vehículos

motorizados, y transporte vial, han contribuido a la disminución del tiempo en traslados (Figura

II.1). Colaborando de manera satisfactoria al desarrollo de las economías nacionales y facilitando

el acceso a los servicios, bienes e instalaciones como hospitales, centros comerciales entre otros,

lo que permite ampliar las oportunidades de empleo, vivienda etc., mejorando visiblemente la

calidad de vida de los ciudadanos.

Figura II.1.- El autobús vial

La velocidad también tiene consecuencias negativas, principalmente en términos de medio

ambiente y de seguridad vial, encaminando efectos negativos en la habitabilidad de zonas urbanas

y residenciales. El exceso de velocidad, es el término que abarca velocidad excesiva (la conducción

se da por arriba de los límites de velocidad), y velocidad inadecuada (aquel donde se conduce

demasiado rápido en condiciones concretas, pero dentro de los limites). En muchos países el

Capítulo II 24


principal problema de seguridad vial es la velocidad excesiva e inadecuada, es un factor que

aumenta los accidentes y aporta un tercio de los accidentes mortales (Figura II.2) [II.1]. De acuerdo

a los principios de la energía cinética, las fuerzas que deben de absorber los pasajeros del vehículo

en caso de accidente aumentan drásticamente, al aumentar la velocidad de impacto. El exceso de

velocidad es un problema que afecta a todos los vehículos motorizados y a usuarios de las vías de

transporte [II.2]. Es muy común que los conductores superen los límites de velocidad de por menos

20 km/h. Pero existe un porcentaje que viaja a velocidad de hasta 20 km/h arriba del límite

permitido. El exceso de velocidad es un problema social muy extendido, el cual aqueja a toda la

red vial (autopista, carreteras locales, vías urbanas), frecuentemente en cualquier momento, el 50

% de los conductores supera los límites de velocidad. Sin embargo, el comportamiento de exceso

de velocidad es más común entre los jóvenes conductores [II.3].

Figura II.2.- Accidente provocado por el exceso de velocidad

Diferentes investigadores han demostrado la relación que existe entre accidentes con heridas

graves, mortales y la velocidad. Investigaciones y estudios confirman las consecuencias de las altas

velocidades relacionados con la seguridad vial [II.4 a II.6]. El modelo conocido como power model

de Nilsson, muestra la base de las relaciones ilustradas y las siguientes estimaciones sobre los

efectos debido a los cambios de velocidad en los accidentes mortales, en todo tipo de accidentes

con heridos y graves resultados [II.7]. El aumento aproximado del 10 % de los accidentes con

heridos y del 20% de los accidentes mortales. Debido al aumento del 5 % en la velocidad media.

Capítulo II 25


Simultáneamente la investigación da a conocer los efectos positivos de la reducción de la velocidad

del vehículo. Se observa una reducción aproximada del 10 % de los accidentes con heridos y el 20

% de los accidentes mortales, con la reducción del 5 % en la velocidad media (Figura II.3).

Figura II.3.- Efectos de la velocidad

En un accidente, el exceso de velocidad no es la causa decisiva, en el periodo del impacto del

vehículo, la gravedad de las lesiones está estrechamente relacionada con la velocidad del

automóvil. Los efectos se basan en las reglas de la física referentes al cambio de en la energía

cinética liberada en un accidente. La energía absorbida y liberada en un accidente depende de la

velocidad del impacto y la mayor energía cinética es absorbida por el oponente de menos peso (el

usuario vulnerable). Se conoce que durante el cambio en la velocidad de impacto sean pequeños la

probabilidad de resultar herido de gravedad en una colisión aumenta significativamente [II.8].

La organización mundial de la salud (OMS), un vehículo perfectamente diseñado y llevar el

cinturón de seguridad puesto, protege a una velocidad máxima de 70 km/h en impactos frontales y

en impactos laterales con una rapidez de aproximadamente 50 km/h (excluyendo impactos con

Cam

bio

en l

os

acci

den

tes

(%)

Cambio en la velocidad media (%)

Accidentes mortales

Accidentes con serios heridos y mortales

Accidentes con heridos

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Capítulo II 26


objetos como árboles, postes, donde la protección solo resulta efectiva a velocidades máximas más

bajas) [II.9]. Si el vehículo es impactado por la parte de atrás, pueden darse traumatismos cervicales

y daños prolongados con velocidad de impacto de aproximadamente 15 a 20 km/h [II.10].

El riesgo de heridas graves aumenta para aquellos ocupantes de automóviles ligeros en colisión

con uno más pesado. Debido principalmente a que el vehículo ligero absorbe la energía liberada

generada en el incidente y aun teniendo diferencias pequeñas en masa, pueden suponer grandes

diferencias entre los vehículos. Actualmente el diseño de los vehículos se encamina a carros

grandes y pesados, mientras se siguen fabricando automóviles ligeros, creciendo la diferencia de

masa de los nuevos vehículos. Entre los coches antiguos y nuevos es común tener la diferencia de

factor 3, para los vehículos que circulan en cualquier vía, la diferencia de masa es aún mayor entre

un vehículo de transporte pesado y un coche, el cual fácilmente es de factor 20 [II.11].

En los accidentes de tráfico, la velocidad influye de cuatro maneras [II.12]:

Figura II.4.- Distancia de detención según la velocidad del vehículo

- La distancia de recorrido por el vehículo es mayor, desde que el conductor detecta una

emergencia hasta que reacciona.

- Es mayor la distancia requerida para detener el vehículo, desde la reacción del conductor

en una emergencia (Figura II.4).

- La gravedad del accidente aumenta exponencialmente con la velocidad de impacto. A

50 km/h el riesgo para el pasajero del asiento delantero con el cinturón de seguridad, de

sufrir lesiones graves es tres veces más que a 30 km/h, a 65 km/h el riesgo es cinco veces

más grande que a 30 km/h.

9 m 14 m

12 m 24 m

16 m 38 m

18 m 55 m

21 m 75 m

Capítulo II 27


- En colisiones a altas velocidades se reduce la efectividad de dispositivos de seguridad,

por ejemplo, bolsas de aire o air bag.

II.2.- Impactos y choques [II.13]

Cuando se lleva a cabo una colisión, existe un intercambio de energía que obedece a las leyes de

la Física, en lo que se refiere a los principios del movimiento. Se le considera movimiento al cambio

de posición de un cuerpo en el espacio. De acuerdo con la primera ley del movimiento de Newton;

todo cuerpo continuará en su estado de reposo o movimiento uniforme en línea recta a menos que

sea obligado a cambiar ese estado, debido a fuerzas que actúan sobre él. Se le conoce como fuerza,

a todo aquello que es capaz de deformar un cuerpo o de modificar su estado de reposo o movimiento

[II.13]. El movimiento es el resultado de las fuerzas que actúan, aplicando la Tercera ley de

Newton [I.14].

Las personas que se desplazan en un vehículo regularmente cuando existe un impacto frontal, un

frenado del vehículo o incluso una arrancada brusca, los ocupantes tienden a desplazarse hacia

adelante o atrás (Figura II.5).

Figura II.5.- Desplazamiento de los ocupantes

Esto es debido a la inercia, o incapacidad de los cuerpos para salir del estado en que se encuentran

(reposo o movimiento); el centro de inercia es el mismo que su centro de masa o gravedad. [II.15]

La energía liberada en un accidente automovilístico, la determina la velocidad, junto al peso del o

Capítulo II 28


los vehículos involucrados en el suceso. Son factores que enlazan el potencial dañino, y el efecto

perjudicial del impacto en la estructura orgánica. Lo que se comprende como:

𝐸𝑐 =1

2 𝑚 𝑣2 II.1

Donde Ec es la energía cinética del cuerpo, m es la masa del cuerpo y v es la velocidad [II.13]. La

Ecuación II.1 permite conocer y calcular la energía ligada a un cuerpo en movimiento.

Concretamente la energía que se genera en el momento de la colisión. De este modo la energía

cinética de un objeto en movimiento, depende de la velocidad en forma logarítmica (la velocidad

cuadruplica la energía cinética) y el peso del objeto en forma lineal. [11.16]

La velocidad y el peso del vehículo o vehículos que intervienen en el accidente determinan la

energía liberada en el impacto. La velocidad de cierre (VC), es equivalente a la velocidad de

impacto, cuando el vehículo impactado esta inmóvil. Se le conoce como velocidad de separación

a la velocidad a la que se separan los vehículos. La energía que se genera se rige por el principio

de la conservación de la energía (Segunda ley de Newton), la cual establece que la energía no se

crea ni se destruye, solo se transforma [II.13]. En el accidente, esa energía se transforma en la

deformación del vehículo, calor etc. También se ha de manifestar en forma de las lesiones que se

producen en los ocupantes.

𝑉𝐶 = 𝑉1 − 𝑉2 II.2

Las lesiones que se producen en los impactos ésta vinculado a otros factores. Como, por ejemplo:

magnitud del impacto, la duración, volumen, masa, geometría y el tipo de la estructura de los

impactantes; forma y grado de la absorción de la energía cinética, resistencia al choque

(deformación de materiales), grado de compatibilidad con el impactante e impactado. [11.3]

II.2.1.- Fuerza de impacto

La fuerza que impacta contra el vehículo, la masa y la aceleración, relacionan esa fuerza. Existiendo

entonces la fórmula, entonces cuanto menor sea la masa mayor será la aceleración, en la colisión

los ocupantes de un automóvil ligero están más expuestos a sufrir las consecuencias de una

Capítulo II 29


aceleración mayor que los que viajan en un vehículo de más peso. Siendo el ocupante, de pequeña

masa en relación con el vehículo, el que absorberá más energía cinética (Figura II.6). En el impacto,

de un vehículo ligero contra otro de gran tonelaje (camión), a baja velocidad (donde se relaciona

con la aceleración del vehículo), la masa toma enorme importancia de acuerdo a las formulas

[II.17].

𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎 II.3

Figura II.6.- Ejemplo de fuerzas diferentes en una colisión

III.3.- Fenómenos mecánicos que se generan en el choque

Se conoce como choque a la interacción breve de cuerpos, lo cual determina la variación brusca de

las velocidades de ambos. En las interacciones es posible despreciar la acción de todas las fuerzas

restantes debido a la aparición de fuerzas de magnitud mayores. La variación de las fuerzas de

choque con respecto al tiempo, se originan de manera que al principio la fuerza obtiene su valor

máximo y después se disminuye hasta cero [II.18].

El valor máximo puede ser muy grande. El impulso de choque es la medida fundamental en la

interacción del choque. Durante el tiempo el choque varía. El impulso de choque es igual a la

variación de la cantidad de movimiento del cuerpo, la variación es directamente proporcional al

impulso de choque e inversamente proporcional a la masa del cuerpo (Figura II.7) [II.19].

Capítulo II 30


Figura II.7.- Colisión de vehículos con masas diferentes

En el choque la sucesión de fenómenos mecánicos es el siguiente [II.20]; Primero, se genera la

deformación de los cuerpos, en el cual la energía cinética del movimiento se convierte en energía

potencial de la deformación elástica. A continuación, la energía potencial se transforma

nuevamente en energía cinética. Naturalmente parte de la energía potencial se convierte en energía

cinética y cual de ello se disipe como calor. Lo cual se distinguen tres tipos de choque [II.21]:

a) Choque completamente elástico. - Este tipo de choque es el ideal, toda la energía

mecánica se conserva. En la colisión una parte de esa energía se transforma en calor.

Existen casos en los que los choques sólo se parecen a los completamente elásticos, por

ejemplo, el de las bolas de billar.

b) Choques inelásticos. - Es aquel en el cual la energía de deformación se transforma en

calor. Por ejemplo, el choque de una pelota de plastilina contra la pared.

c) Choque no completamente elástico. - Sólo una parte de la energía de deformación se

convierte en energía cinética de movimiento.

Se conoce como Biomecánica de las acciones de choque a los resultados que se obtienen mediante

un choque mecánico [II.22].

1) El impulso. - Es el movimiento que precede al movimiento de choque. En él se considera

la distancia entre el miembro del cuerpo y el objeto o superficie sobre el que golpeará.

Capítulo II 31


2) Movimiento de choque. - Se le conoce a aquel movimiento, desde el comienzo de la

colisión hasta el final del impulso.

3) Interacción de choque. - Se le llama así, a la colisión de los cuerpos que participan en el

incidente.

4) Movimiento posterior al choque. - Es el movimiento del miembro de choque del cuerpo

después de que se ha cesado el contacto al cual se aplicó el golpe.

II.3.1.- Energía de impacto

La ley de la conservación de la energía enmienda la energía de impacto. Lo cual permite conocer

que la energía es la misma antes y después de la colisión. En una colisión toda la energía se proyecta

en la deformación y aplastamiento del vehículo. Lo cual se considera que [II.23]:

Eti = Etdi + Eca II.4

Donde Eti es la Energía total del impacto, Etdi es la Energía total después del impacto y Eca es la

Energía consumida en el aplastamiento. De acuerdo con la Ecuación II.5, en una colisión de dos

vehículos (a y b), siendo Ma, masa del vehículo a, Mb es la masa del vehículo b, V1 es la velocidad

del vehículo a antes del choque, V1b es la velocidad del vehículo b antes del choque; V2a es la

velocidad del vehículo a después del choque, V2b es la velocidad del vehículo b después del choque

[II.24]:

𝑀𝑎 × 𝑉1𝑎 + 𝑀𝑏 × 𝑉1𝑏 = 𝑀𝑎 × 𝑉2𝑎 +𝑀𝑏 × 𝑉2𝑏 II.5

En el choque predominante inelástico, la energía de impacto se puede disipar en forma de ruido,

vibraciones, a través de los neumáticos, se transforma en calor o queda en la deformación de las

estructuras (Figura II.8) [II.25].

Capítulo II 32


Figura II.8.- Deformación del vehículo

En el choque predominante elástico, gran cantidad de energía se conserva donde el vehículo y su

deformación es mínima o nula, (en el choque elástico puro, situación ideal, toda la energía cinética

se conserva y no existe deformación, debido a que la estructura tiene la capacidad para volver a su

estado original). Existe un coeficiente de restitución CR a la relación de las velocidades relativas

antes y después dela colisión. El coeficiente es un parámetro que valora la elasticidad. Tomando

rangos entre 0 y 1. En materiales elásticos el valor del coeficiente seria de 1 (bolas de billar). En

impactos inelásticos, con materiales como plastilina, arcilla lo cual poseen bastante deformación,

el valor del cociente de restitución seria 0. Mayor coeficiente de restitución, a mayor elasticidad.

A mayor deformación en la estructura del vehículo el valor de CR disminuye, la deformación

depende de la naturaleza del material [II.13]. Se expresa (siendo V1 la velocidad inicial y V2 la

velocidad de rebote):

𝐶𝑅 =𝑉2

𝑉1 II.6

II.4.- Biomecánica de impactos

La relación que existe entre el pasajero (paciente) y el vehículo, se relaciona con el tipo de colisión,

existen cinco tipos de colisiones, el cual representan los posibles escenarios en un incidente [II.26]:

Capítulo II 33


Impacto frontal. - Se conoce como una colisión con un cuerpo de frente al vehículo,

sustancialmente reduce su velocidad. El ocupante que se encuentra en el automóvil al

no llevar cinturón de seguridad, seguirá su viaje hacia adelante (Primera ley de Newton),

hasta que alguna parte del compartimiento en donde se encuentra el pasajero lo detenga

o disminuya la velocidad del ocupante, existe la posibilidad de que sea expulsado del

vehículo. Durante el choque, el primer punto inicial de impacto, las rodillas o los pies

los cuales reciben el intercambio de energía. La inclinación hacia delante del tronco

sobre las extremidades, puede causar las lesiones siguientes: luxación posterior del

acetábulo cuando la pelvis choca a la cabeza del fémur, luxación de la rodilla cuando el

fémur sobrepasa la tibia y el peroné, fractura-luxación del tobillo y fractura de fémur.

De igual forma si el movimiento es hacia abajo, es una rotación hacia adelante del torso

sobre la columna (Figura II.9). La posición del paciente y el diseño del asiento, es de la

manera que la cabeza apunta como un misil humano, contra el marco o el parabrisas. La

energía inicial es absorbida por la columna cervical, mientras que el tórax y el abdomen

chocan con los objetos que se tienen de frente.

Figura II.9.- Dummie en un impacto frontal

Impacto lateral. - Es definido como el choque contra el lado del vehículo que despide al

ocupante lejos del punto de impacto (aceleración como oposición a la desaceleración).

Las lesiones son similares a las de la colisión frontal, también ocurren lesiones por

compresión del tórax y la pelvis. Las lesiones internas se relacionan con la posición del

Capítulo II 34


ocupante y las fuerzas de impacto. Cuando el automóvil es golpeado del lado del

conductor, el ocupante tiene mayor riesgo de lesión del lado izquierdo, fracturas costales

izquierdas, lesión esplénica y fracturas óseas izquierdas, incluyendo la pelvis. Cuando

el golpe es del lado derecho del vehículo, el ocupante tiene similares lesiones al del lado

contrario, particularmente con el riesgo mayor de lesión hepática. En impactos como

este, la cabeza funciona como una gran masa que rota y que se dobla lateralmente a la

altura del cuello y tórax (Figura II.10), este es empujado en dirección de la fuerza de

colisión.

Figura II.10.- Simulación del golpe lateral, reflejado en el Dummie

Impacto posterior.- Frecuentemente este tipo de impacto ocurre cuando un vehículo está

detenido completamente y es golpeado por la parte de atrás por el otro vehículo. El

vehículo y el ocupante reciben la energía del vehículo que lo está golpeando, en la parte

posterior. Debido al diseño del asiento, el tórax naturalmente es acelerado hacia adelante

así como el automóvil. La cabeza del ocupante frecuentemente no es acelerada con el

resto del cuerpo y el cuello se extiende hacia atrás especialmente si él apoya cabezas no

existe o no está bien colocado. El estiramiento extiende las estructuras que soportan el

cuello, produciendo una lesión cervical. Esta lesión también puede suceder en un

impacto frontal, cuando existe un vehículo en frente que originalmente fue golpeado por

atrás.

Capítulo II 35


Vuelco. - El ocupante al no llevar el cinturón de seguridad, puede golpear contra

cualquier parte del compartimiento del pasajero dentro del vehículo. Las lesiones se

conocen debido al punto de impacto sobre la piel del ocupante. Naturalmente este tipo

de colisión produce lesiones severas debido a que los movimientos que ocurren durante

el vuelco son más violentos y múltiples (Figura II.11).

Figura II.11.- comportamiento de los pasajeros en un accidente de tipo vuelco

Expulsión. - Las lesiones que asumen este tipo de colisión, son aquellos donde el

ocupante es expulsado del vehículo, el pasajero puede tener mayor impacto cuando

golpea el suelo.

II.5.- Los Dummies en las pruebas de impacto

Los Dummies permiten el acercamiento a lo que puede ser el comportamiento del cuerpo humano

durante el accidente. En su interior se colocan sensores, los cuales servirán para conocer datos

biomecánicos. Lo cual permitirá saber con mayor aproximación los daños que recibiría una persona

en la posición que ocupe el Dummie. El primer Dummie fue desarrollado en el año de 1949, por

Alderson Research Labs (ARL) (Figura II.12) [II.27].

Capítulo II 36


Figura II.12.- Modelo de Dummie

Entre los años de 1950 y 1970 se llevan a cabo pruebas de impactos de vehículos con Dummies

basados en modelos aeroespaciales, (50 % y 95% percentil masculinos y 5 % percentil femenino).

Con objeto de producir vehículos más seguros, en el mismo año se utiliza un modelo realizado por

Grumman y Alderson, (Gard Dummy) [II.28].

En 1971 aparece el primer modelo Hybrid I, diseñado por ARL y Sierra (50 % percentil masculino).

Al siguiente año aparece el Hybrid II, con mejoras en rodillas, hombros y columna vertebral. En

1976 aparece la tercera versión Hybrid III [II.29]. Entre 1979 y 1987, aparecen los Dummies

laterales, en la University of Michigan Transportation Institute (UMTRI), con el modelo SID,

esencialmente basado en un Hybrid II, con un nuevo tórax [II.30]. En 1988 y 1989 Humanetics y

SAE desarrollan una variante femenina y una masculina de mayor tamaño, ambos fueron basados

en el modelo del Hybrid III [II.31]. Para impacto lateral General Motors y SAE desarrollan el

biosid, una variación del Hibrid III [II.32]. First Technology Safety Systems y Occupant Safety

Research Partnership desarrollan el SID II entre 1995 y 1996, un Dummie de un adulto pequeño o

un adolecente para el estudio de impacto con airbag lateral [II.33].

En la actualidad las dimensiones de los Dummies son de 95 % percentil de hombre, el más grande;

mujer 50 % y 5 % percentil, siendo los más pequeños dentro de los que simulan personas adultas

[II.34]. Los diferentes modelos de Dummies para niños, los cuales existen de manera

antropométrica, desde el 0 al III. El Dummie 95 % percentil significa que el 95 % de la población

Capítulo II 37


quedaría dentro del volumen que ocupa el muñeco, para el caso de simulación de muñecos de los

niños el porcentaje es más grande. La mejor aproximación, seria las simulaciones con cadáveres

humanos, pero la aceptación social es muy poca, lo que el investigador tiene que limitarse a los

datos que proporcionan los Dummies [II.35].

II.6.- El valor de Criterio de Daño de la Cabeza (HIC)

La tecnología que se desarrolla a través de los estudios del valor al choque, se aplica para mejorar

la protección de los pasajeros, tanto de los vehículos pesados como de los autobuses. Los cual

requiere de modelos que pueden simular la dinámica del cuerpo humano, bajo las condiciones de

aceleración que se presentan durante los choques [II.36].

El criterio de daño a la cabeza (HIC), se emplea para estudiar la efectividad de los sistemas de

sujeción de los pasajeros. El valor de HIC refleja el cambio de aceleración que experimenta la

cabeza en los primeros instantes después del choque, una vez que la onda de impacto alcanza la

base del asiento del pasajero. El cálculo se lleva a cabo seleccionando los límites máximos de

integración, tomando el valor máximo a los 36 milisegundos, después del accidente [II.36].

𝐻𝐼𝐶 = {(𝑡2 − 𝑡1) [1

𝑡2−𝑡1∫ 𝑎(𝑡)𝑑𝑡2

1]2.5} II.7

Donde t representa la duración del tiempo en segundo, a(t) es la aceleración medida en la cabeza

en unidades de gravedad (g). El organismo ISO (International Standard Organization), sugiere que

el valor máximo sea tomado en los primeros 15 milisegundos después del impacto.

En la (Figura II.13) se muestra un ejemplo de choque frontal, en la figura se observa que la cabeza

adquiere valores de aceleración, lo cual pudiera dar información acerca dela severidad del daño,

que puede sufrir la cabeza o el resto del cuerpo. El ángulo entre el respaldo y la base del asiento y

la holgura del cinturón, son factores que influyen en el valor de HIC [II.36].

Capítulo II 38


Figura II.13.- Movimiento de cabeza (a 6 milisegundos que el vehículo se detenga)

La EuroNCAP, valora en una escala de color y compara el resultado obtenido del HIC con el AIS

Code, la Tabla II.1 muestra la relación, así como los posibles daños que se pueden provocar. El

cual se derivan del valor obtenido por HIC [II.37].

Tabla II.1.- Relación de valores para HIC

HIC AIS Code Niveles de daño

cerebral

Niveles de daño

en el cráneo

Valoración

EuroNCAP

< 150 0/1 Sin conmoción Sin fractura Verde

150 - 500 1 Suave conmoción Sin fractura Verde

500 - 1800

2,3,4,5

Conmoción severa

500 - 900

Pequeña

fractura

< 650 verde

650- 757

Amarillo

900 - 1800

Gran fractura

767-883

Naranja

883-100

Marrón

>1000 rojo

>1800 6 Coma cerebral Vida amenazada

por la fractura

Rojo

También existen otros tipos de criterio para el daño en la cabeza, como son JTI (J- Tolerance

Index), RMB (Revised Brian Model), EDI (Effective Displacement Index), MSC (Maximum Strain

Criterion). En la investigación biomecánica, existen otros parámetros de daños [II.38]. El HPC

Capítulo II 39


(Head Performance Criterion), aplicable en choques laterales y hallándose de la misma forma

equivalente al HIC, con criterio de comportamiento de la cabeza. Vc (viscous Criterion) o criterio

viscoso, mide la velocidad de deformación del tórax con la ecuación, y se usa en el análisis de

choque lateral. La fórmula expresa la velocidad de compresión hallada por diferenciación temporal

y el máximo producto instantáneo de la compresión relativa del tórax respecto a su mitad. Filtrando

la señal de los captadores con frecuencia de 180 Hz. El criterio viscoso no debe superar 1 m/s

(VC< 1m/s) [II.39].

𝑉𝐶 = max {(𝐷

0.140)180 𝐻𝑧

(𝑑𝐷

𝑑𝑡)180 𝐻𝑧

} II.8

F, criterio de protección del abdomen, en un choque lateral, la máxima fuerza que puede recibir el

abdomen y se detectada por un transductor filtrado a 600 Hz, no debe superar los 2.6 kn (F < 2.5

kN). PSPF( Pelvis Performance Criterion), criterio de comportamiento de la pelvis, el cual detecta

la fuerza por una célula de carga situada en ella, filtrando la señal a 600 Hz, no debe superar 10 kN

( PSPF < 10 kN). Para evaluar la severidad en ensayos de impacto lateral se suelen identificar tres

mecanismos lesiónales primarios: lesiones en la cabeza, en el tórax y pelvis, asociados a ellos se

utilizan valores que evalúen el riesgo de lesión en ensayos con dummies instrumentados como son

el HIC, TTI( ThroracicTrauma Index) y la aceleración en la pelvis (Py) [II.40]. El TTI (Thoracic

Trauma Index) se define como:

TTI𝑇𝑇𝐼(𝑑) =1

2= [𝑇12 +max( 𝐿𝑈𝑅𝑌, 𝐿𝐿𝑅𝑌)] II.9

Donde T12 es el pico de aceleración lateral en el segmento 12 de la espina dorsal, LURY es el pico

de la aceleración lateral en la costilla superior izquierda y LLRY es el pico de la aceleración lateral

en la costilla inferior izquierda.

II.7.- La estructura del vehículo en la colisión

La dinámica de impacto en un automóvil, es bastante complejo, ya que, para estudiarlo de forma

detallada, se requiere de las más avanzadas tecnologías existentes. Partiendo de un modelo

linealizado, el estudio de la deformación de un vehículo en una colisión, permitirá obtener

resultados, que representan un buen inicio para el análisis del fenómeno a nivel global. Para poder

Capítulo II 40


llevar a cabo un análisis del comportamiento de la estructura del vehículo, Se admitirá la hipótesis

de la existencia de una relación lineal entre la fuerza de impacto (f) por unidad de longitud y la

profundidad de deformación residual, la expresión [II.41]:

𝑓 = 𝐴 + 𝐵 ∗ 𝐶 II.10

Donde A es fuerza máxima por unidad de ancho que no produce deformación permanente (N/m),

B es la rigidez por unidad de ancho (N/m2) y C es la profundidad media de la deformación residual

(m). El modelo se muestra en la Figura de comportamiento, está basado en las conclusiones de

Campbell, el cual planteo una relación lineal entre la velocidad y la deformación residual de un

ensaño contra barrera rígida [II.42].

𝑉 = 𝑏0 + 𝑏1 ∗ 𝑐 II.11

Donde bo es la velocidad máxima que no produce deformación permanente (m/s), b1 es la relación

entre velocidad y c es la deformación residual (s-1). La forma habitual de caracterizar la respuesta

ante un impacto de un vehículo es obtener los coeficientes de rigidez dela estructura, del mismo a

partir de los datos provenientes de ensayo de choque contra barrera, con lo que se puede obtener la

deformación dinámica del vehículo en función de la fuerza de colisión [II.43]. Hay que hacer notar

que al final de la fase de aproximación se llega a la deformación máxima y posteriormente el

vehículo inicia la fase de separación o repulsión. La energía de deformación total de la colisión,

una parte será la correspondiente a un comportamiento elástico y el resto de la energía será asociado

a fenómenos plásticos y por tanto se disipa, produciendo deformaciones permanentes en los

elementos impactados. Es por esto por lo que la deformación residual es menor que la máxima

deformación sufrida por el vehículo [II.44].

La energía absorbida por la deformación plástica de la estructura se obtiene por integración de la

fuerza local por unidad de área, en todo el volumen de la estructura. Se asume que la deformación

es uniforme en la dirección vertical. Se puede llegar a la siguiente expresión [II.44]:

𝐸 = ∬𝑓 ∗ 𝑑𝐶 ∗ 𝑑𝑤 + 𝐶𝐶𝑡𝑒 II.12

Capítulo II 41


Siendo w el ancho de la zona impactada, la constante de integración representa la energía de

deformación plástica. Es decir, indica la energía que hay que sobrepasar para producir deformación

plástica del vehículo.

II.8.- Sumario

En los últimos años las altas velocidades tienen efectos diferentes. Básicamente en términos de

accidentes de carretera (con efectos materiales, de heridos y mortales), incluso en términos de

medio ambiente, el ruido y la emisión de gases de combustión. Así como en términos de

habitabilidad de zonas urbanas y residenciales. La velocidad en el transporte posee impactos

positivos, indiscutiblemente reducir el tiempo de desplazamiento es el más obvio. Los avances en

el último siglo, en materia de infraestructura carretera, vehículos motorizados, y transporte vial,

han contribuido a la disminución del tiempo en traslados. De igual forma el aumento aproximado

del 10 % de los accidentes con heridos y del 20 % de los accidentes mortales. Debido al aumento

del 5 % en la velocidad media. Simultáneamente la investigación da a conocer los efectos positivos

de la reducción de la velocidad del vehículo. Se observa una reducción aproximada del 10 % de

los accidentes con heridos y el 20 % de los accidentes mortales, con la reducción del 5 % en la

velocidad media. Sin lugar a duda, cuando se lleva a cabo una colisión, existe un intercambio de

energía que obedece a las leyes de la Física, en lo que se refiere a los principios del movimiento.

Se le considera movimiento al cambio de posición de un cuerpo en el espacio. De acuerdo con la

Primera ley del movimiento de Newton, todo cuerpo continuará en su estado de reposo o

movimiento uniforme en línea recta a menos que sea obligado a cambiar ese estado, debido a

fuerzas que actúan sobre él. Se le conoce como fuerza, a todo aquello que es capaz de deformar un

cuerpo o de modificar su estado de reposo o movimiento. El movimiento es el resultado de las

fuerzas actuantes, no obstante, a toda acción una reacción (Tercera ley de Newton).

II.9.- Referencias

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Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, Washington DC, USA, Vol 05, pp 284, 2005.

43.- Mayrhofer, E., Steffan, H. y Hoschopf, H., Enhanced Coach and Bus Occupant Safety, Vol

04, pp 35-45, 2005.

CAPÍTULO III

DISEÑO Y MODELO DE LA

BUTACA

Capítulo III 46


III.1.- Características de las butacas

La Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa (UNECE), establece la norma para

las pruebas que se realizan a las butacas de los autobuses. Lo cual consiste en determinar si el

ocupante es retenido correctamente por el asiento o por el cinturón de seguridad en caso de contar

con él, todo durante una prueba de impacto. Este se cumple siempre que el movimiento de la cabeza

que es hacia delante o que el tronco del maniquí no sobrepasa la distancia vertical es de 1.6 m desde

el asiento donde se encuentra sentado, hasta la que se encuentra ubicado de frente. [III.1] Para

determinar si el ocupante no sufre severas lesiones, se sigue los siguientes criterios de aceptabilidad

biomecánicas del Dummie. El criterio de aceptabilidad de la cabeza (HIC) debe de ser menor a 500

puntos. El criterio de aceptación en el Fémur (FAC) debe ser inferior a 10 kN y un valor máximo

de 8 kN en un periodo de más de 20 ms y el criterio de aceptabilidad del Tórax (CAT) deberá ser

inferior a 30 g, (el valor de g es igual 9.81 m/𝑠2), excepto por un periodo de menos de 3

milisegundos [III.2].

Durante la realización de la prueba de impacto, los soportes son lo suficientemente rígidos, si

ninguna parte del asiento, o algún tipo de accesorio se desprende durante la prueba. El asiento

deberá ser fijado con los sistemas de enclavamiento, cuando la prueba termina, ningún componente

del asiento, así como los accesorios que forman parte de él serán desprendidos, los que quedan con

fracturas o que presentan algún tipo de daño a causa de la simulación no deberán ser causa de

alguna posible lesión al pasajero. Los accesorios que conforman el asiento no deberán reflejar algún

riesgo de lesión corporal al pasajero durante la realización de la prueba. Se considera aprobatorio

cuando cualquier parte del asiento que se contacta por una esfera de 165 mm de diámetro tendrá

un radio de curvatura de al menos 5 mm. Cuando los accesorios y los elementos son de un material

de dureza menor a 50 shore A. Los requisitos sólo se aplicarán al soporte rígido del asiento. Durante

las pruebas realizadas, los dispositivos de ajuste y accesorios con los se cuenta no estarán sujetos

a los requisitos de prueba y cuando la posición de reposo se sitúe a una distancia menor de 400 mm

por encima del plano de referencia horizontal [III.3].

Cuando se lleva a cabo la prueba, el asiento deberá ser puesto sobre una plataforma, representativo

a la carrocería del vehículo o a en una plataforma de prueba rígida. Los anclajes tales como

tornillería utilizada en el asiento deberán tener las mismas características y propiedades mecánicas.

Capítulo III 47


Así como, la tapicería y los accesorios con las que se montaran en el autobús para el cual estará

destinado a ser usado. Si el asiento es ajustable la prueba se realiza con la máxima extensión. El

asiento que se encuentra en la parte trasera se ajusta de manera que toma una inclinación resultante

del torso del maniquí determinando el punto H. El ángulo del torso debe ser el propuesto por el

fabricante del asiento, en caso de no haberla será de 25° hacia atrás con respecto a la vertical [III.4].

Durante la prueba se deberá colocar el asiento auxiliar, este es el asiento que estará alineada

paralelamente y directamente en la parte de atrás del asiento que es analizado. Ambos asientos se

deberán ubicar y ajustar de forma idéntica y a una misma altura. Así como, un espacio entre asiento

de 750 mm. El Dummie será colocado en el asiento auxiliar sin ningún tipo de retención, de tal

forma que el eje de simetría del maniquí quede alineado con el eje de simetría del asiento. Las

manos deberán descansar sobre los muslos, con los codos tocando la parte del respaldo del asiento

y la parte de la espalda, las piernas son extendidas al máximo con los talones tocando el suelo

paralelamente [III.4].

En el Dummie, en la parte más baja del torso, se colocará la superficie rígida plana y cuadrada con

medida de 76 mm por 76 mm. Este es presionado horizontalmente en contra del dorso del maniquí

con una carga de entre 25 y 35 N. El torso deberá tener el movimiento hacia adelante empezando

por los hombros, después regresará a el estado de descanso, recargándose en la parte trasera del

asiento, obteniendo así la posición deseada. Cuando la superficie rígida sea retirada, el Dummie

probablemente tendrá un movimiento hacia adelante y el procedimiento de instalación podrá ser

repetido. Si es necesario se corregirán los miembros inferiores del maniquí nuevamente. Los

instrumentos de medición que se colocan durante la prueba y tendrán una temperatura de entre 19

°C y 26 °C. De ninguna forma deberá afectar el movimiento del maniquí que se genera durante la

prueba de impacto a causa del golpe por la placa con el Dummie [III.3].

La velocidad del autobús o del camión en la prueba de impacto será de entre 30 y 32 km/h. las

aceleraciones o desaceleraciones durante la simulación de impacto será de conformidad a las

disposiciones en la (Figura III.1) [III.2].

Capítulo III 48


3

6

9

12

30 60 90 120 150

Aceleración (g)

Tiempo (ms)

Figura III.1.- Gráfica de aceleración contra tiempo

De igual manera en periodos de tiempo de 3 ms, la curva de desaceleración y aceleración se

mantendrá dentro de los límites como lo muestra la Figura III.1. La aceleración o desaceleración

media estará en un rango de entre 6.5 y 8.5 g [III.5].

El procedimiento para la realización de pruebas a los anclajes de las butacas. Se hacen de acuerdo

a la norma Europea. El cual se menciona a continuación. La estructura rígida que conforma parte

del asiento del autobús tendrá que ser fijada por medios de fijación como los pernos, tornillos etc.

Los accesorios y las piezas que son sometidos a las pruebas de ensayo deberán ser proporcionados

por el fabricante de los asientos [III.3].

III.2.- Metodología para la realización de pruebas

Durante la prueba al asiento, se deberá aplicar una fuerza a una altura de 750 mm en la dirección

horizontal y en el sentido hacia la parte delantera del vehículo, por encima del plano de referencia

y en línea vertical que contenga el centro geométrico de la superficie de la silla. En un tiempo de

duración de 0.2 segundos. La dimensión de la fuerza se obtiene mediante la Ecuación III.1 [III.6].

𝐹 = 500 ∗ 𝑖 III.1

Donde F es la fuerza (N), i es el número de asientos cuyos anclajes se someterán a la prueba de

impacto.

Capítulo III 49


III.2.1.- Mediciones

Durante este tipo de prueba (dinámica), las mediciones que se llevan a cabo para el autobús y los

Dummies serán lecturas de tipo CFC, medirán las características de aceleración y desaceleración

desde la estructura rígida, con un sistema de mediación de 60 CFC. Para el Dummie usado en la

prueba las lecturas serán independientes, las cuales serán [III.7]. La medición en la cabeza del

Dummie, la aceleración resultante respecto al centro de gravedad (Yr1) la cual se mide con una

CFC de 600. La medida para el tórax del Dummie será de 180 CFC y la fuerza de compresión axial

en el fémur, será medido con una CFC de 600. 1yr está expresada en g = 9.81 m/s, la cual se calcula

de acuerdo a la siguiente ecuación [III.8].

𝑌𝑟 2= 𝑌1 2 + 𝑌𝑣 2 + 𝑌𝑡 2 III.2

Donde Y12 es el valor instantáneo de la aceleración longitudinal, Yv2 es el valor instantáneo de la

aceleración vertical y Yt2 es el valor instantáneo de la aceleración transversal.

II.2.2.- Determinación de los criterios de aceptabilidad

El criterio de lesión (HIC) es calculado por la Ecuación III.3, los datos de aceleración, se obtiene

de la aceleración resultante. Los valores de t1 y t2 son valores de tiempo expresados en milisegundos

(ms) [III.9]:

𝐻𝐼𝐶 = {(𝑡2 − 𝑡1) [1

𝑡2−𝑡1∫ 𝑎(𝑡)𝑑𝑡2

1]2.5}. III.3

El criterio de aceptabilidad del tórax (ThAC), se determina por el valor absoluto de la aceleración

resultante, expresado en gramos, en el periodo de tiempo de aceleración en ms, de acuerdo a la

relación mencionada anteriormente. El criterio de aceptabilidad del fémur (CAF), se determina por

la carga de compresión, generada axialmente en cada fémur del Dummie de prueba, con un valor

de 600 CFC y por la el tiempo de duración en ms en la carga de compresión [III.9].

III.3.- Prueba estática y procedimiento [III.10]

La norma Europea considera que el ocupante sentado en el asiento es retenido correctamente por

el asiento situado enfrente de él. Cuando el desplazamiento máximo en la parte central del asiento,

Capítulo III 50


donde se aplica la fuerza de 1000 ± 50 N. Medido desde el plano horizontal y en el plano medio

longitudinal del asiento, no supere los 400 mm. Para determinar si el pasajero no sufre de una lesión

severa, el máximo desplazamiento en la parte central en el lugar donde se aplica la fuerza de 1000

± 50 N, medido desde el plano horizontal y plano longitudinal del asiento nuevamente no sea

inferior a 100 mm de distancia. Con una fuerza de 2000 ± 100 N, no sea menor a 50 mm de

distancia.

Los elementos que forman parte del respaldo del asiento, así como los accesorios, se consideran

poco probables de causa de lesión corporal al pasajero. Siempre que alguna parte que se contacte

por una esfera de 165 mm de diámetro presente un radio de curvatura de al menos 5 mm. Las

características no se aplican si alguna parte de los accesorios y complementos son material de

dureza menor a 50 shore A en los soportes rígidos. Sólo se aplicará a la parte del respaldo del

asiento. Las partes del asiento como los dispositivos de ajuste no estarán sujetos a los

requerimientos cuando en la posición de reposo este situado y sea menor de 400 mm por encima

del plano de referencia.

El asiento y los soportes se consideran fuertes, cuando estos no se desprenden en su totalidad del

asiento durante la prueba. El asiento deberá permanecer fijo durante la prueba, aunque uno o más

anclajes se desprendan parcialmente. Después de la prueba ninguna parte estructural del asiento,

accesorios con fracturas, aristas o esquinas puntiagudos deberán ser causa de algún daño

III.3.1.- Dispositivos de prueba [III.10]

El aparato consiste en una superficie de forma cilíndrica con un radio de curvatura de ± 3mm, el

ancho será igual, a la que se tiene en el asiento que se ensaye en la parte superior del asiento.

Mientras que como mínimo será de aproximadamente de 320 ± 10 mm de la parte inferior (Figura

III.2).

Capítulo III 51


Figura III.2.- Dimensión de la superficie cilíndrica

La superficie inferior del asiento apoyada deberá estar hecho de un material cuya dureza no sea

menor que 80 shore A. La dirección de aplicación de la fuerza será aplicada en el plano vertical del

asiento, siendo horizontal y de atrás hacia el frente del asiento. La fuerza es de 1000 ± 50 N,

aplicado al dispositivo de prueba antes mencionado, en la parte trasera del asiento, en cada

posición. La dirección se situará a una altura entre 0.70 m y 0.80 m por encima del plano de

referencia. Una fuerza simultanea se aplicada de magnitud de 2000 ± 100 N situada a 0.45 m y

0.55 m por encima del plano de referencia.

III.4.- Reglamento a las butacas NHTSA [III.11]

La Administración Nacional de Seguridad Vial (NHTSA) por sus siglas en inglés, establece los

requerimientos para llevar a cabo la prueba de ensayo en las butacas. La norma 108 de la NHTSA

establece las fuerzas que debe soportar el asiento del ocupante. El cual deberá ser 20 veces más

que la masa del asiento multiplicado por 9.81, aplicada en una dirección longitudinal hacia delante

y hacia atrás en distintos momentos. Si el asiento cuanta con movimiento de reclinación deberá

ajustarse verticalmente durante la prueba. La fuerza será aplicada en el momento encontrado como

lo muestra la (Figura III.4).

R 82 mm

320 mm

164 mm

Capítulo III 52


D

Figura III.4.- Localización del centroide

Los asientos en el cual se tiene un respaldo y la banqueta adjuntos con los mismos accesorios al

vehículo y cuyo asiento es ajustable, la carga se aplica cuando el asiento está en su posición de

ajuste más alta de acuerdo a los siguientes casos:

1) Para el asiento, el cual el centro de gravedad se encuentra ubicado en un plano horizontal

por encima del ajustador del asiento.

2) Para el asiento, en el que el centro de gravedad se encuentra en un plano horizontal por

debajo del ajustador del asiento.

3) Los demás asientos, cuyos respaldos y banqueta se adjuntan al vehículo por los mismos

archivos adjuntos.

II.4.1.- Requisitos de pruebas estáticas y procedimiento [III.12]

Los requisitos con los que deberán cumplir los asientos cuando se han sometidos a las pruebas,

deberán ser los siguientes:

- Si los ocupantes de los asientos se conservan correctamente por los asientos de adelante

de ellos. Se considera que un ocupante en el asiento es retenido por el asiento situado

enfrente del ocupante y se aprueba cuando el desplazamiento máximo en la parte central

del asiento. Donde se aplica la fuerza de 1000 ± 50 N, medido desde el plano horizontal

y en el plano medio longitudinal del asiento, y el cual no supere los 400 mm. Si los

Capítulo III 53


ocupantes de los asientos no están gravemente heridos; y si el asiento y los soportes del

asiento son suficientemente fuertes.

II.5.- Método de Elemento Finito [III.13]

El Método de Elemento Finito (MEF) permite una simulación informática de casi todos los

procesos técnicos. El cual, para poder llevar a cabo la aplicación en cuerpos de tipo gaseosos,

líquido y sólido, en donde se debe descomponer en pequeños elementos como son líneas,

triángulos, cuadrados tetraedros pentaedros o hexaedros cuyos vértices o nudos que se encuentran

unidos entré sí. Estos elementos podrán ser de pequeñas dimensiones ya que el comportamiento de

los elementos formulado de forma aproximada por medio de ecuaciones lineales, es aceptable para

elementos infinitamente pequeños y la aproximación a la realidad es mejor en cuanto más pequeños

sean estos elementos. La aplicación en la práctica del MEF se llevó a cabo en inicios de la década

de 1960 en la industria aeronáutica y aeroespacial. Más tarde se aplicó a la industria

automovilística, esta última en la construcción de pequeños componentes del motor y del tren de

rodaje, así como en el cálculo y diseño de la carrocería en la situación de colisión (Figura III.5)

Figura III.5.- Simulación numérica de autobús en colisión

El sistema del programa de elemento finito funciona de una manera en el cual la red se genera en

el preprocesador comúnmente sobre una geometría de diseño asistido por computadora (CAD). El

programa del método de elemento finito calcula el modelo de suposición así formulado y representa

gráficamente los resultados obtenidos en el post-procesador. De manera que un programa de

Capítulo III 54


elemento finito se compone de un preprocesador, de un post-procesador y del propio programa del

MEF. En el MEF los problemas se clasifican principalmente de tipo estático y dinámico lineal y

no lineal, y los problemas de potenciar también con material no lineal, estacionarios o no

estacionarios que pueden ser resueltos como los problemas no lineales.

La estática lineal se conoce como el ámbito de problemas en el cual se producen los esfuerzos de

los componentes que se desean calcular en el dominio elástico (lineal). Los problemas no lineales

son aquellos que se basan en que los desplazamientos de los puntos de aplicación de las cargas en

el elemento, se desprecian en la formulación de las condiciones de equilibrio en el nudo. Si los

requisitos no se cumplen por que el elemento es demasiado grande, o por ser demasiado intensas,

las deformaciones a causa de los movimientos de cuerpos rígidos en virtud de los apoyos elásticos.

Entonces el resultado es una aplicación limitada. Los problemas dinámicos lineales se determinan

los valores y vectores característicos de la estructura con su correspondiente matriz de masas a

partir de las fuerzas y del peso y de posibles masas adicionales para el sistema elástico no

amortiguado por medio del siguiente sistema de actuación:

𝑀 ∗ 𝑏 + [𝐾𝑘 + 𝐾𝑙] ∗ 𝑣 = 0 III.4

Siendo M representa la matriz de masas de aceleración de toda la estructura, B es el vector de

aceleración en todos los nodos, Kk es la matriz de rigidez elástica lineal de la estructura, Kl es la

matriz de rigidez geométrica o matriz de la tensión inicial de la estructura y V vector de todos los

movimientos de los nodos. Mientras que, para los problemas dinámicos no lineales como

amortiguación en función del tiempo, material no lineal se requiere el uso de un programa especial.

II.5.1.- LS-Dyna® [III.14 a III.16]

El programa LS-Dyna® es un programa de elementos finitos, que simula complejos problemas del

mundo real. LS-Dyna® es utilizado ampliamente en la industria del automóvil para analizar los

diseños de los vehículos. Las capacidades de análisis del programa incluyen:

Capacidades completas en 2D y 3D.

Capítulo III 55


Dinámica no lineal.

Dinámica de cuerpos rígidos.

Simulaciones cuasi-estáticos.

Modos normales.

Estática no lineal.

El análisis térmico.

Análisis de líquido.

Además, el programa cuenta con una amplia gama de materiales en la biblioteca los cuales incluye:

Metales.

Plástico.

Vidrio.

Espumas.

Telas.

Elastómeros.

Panales.

Concreto y suelos.

El programa también cuenta con amplia gama de diferentes tipos de elementos, entre los cuales se

encuentran:

Vigas (estándar, armaduras, discretos, cables y soldaduras).

Elementos (muelles y amortiguadores).

Inercias centradas.

Masas concentradas.

Acelerómetros.

Sensores.

Cinturones.

Capítulo III 56


LS-Dyna® predice con precisión el comportamiento de un coche en una colisión y los efectos de la

colisión a los ocupantes del coche. Las características automotrices en los que se especialice

incluyen:

Cinturones.

Anillos deslizantes.

Pretensores.

Retractares.

Sensores.

Acelerómetros.

Airbags.

Hybrid III modelos ficticios.

Modelos inflador.

El programa cuenta con una herramienta de LS-Prepost, a su vez está dividida en (pre-procesador

y post-procesador). La herramienta tiene la función de preparar los datos de entrada al programa

LS-Dyna®, así como procesar los datos que serán analizados. En el pre-procesador se puede

encontrar una extensa librería de materiales y elementos mencionados anteriormente, mientras

como post-procesador, se visualizan los resultados de manera gráfica y animaciones de forma 3D.

Así como también se pueden conocer parámetros como de HIC miden el grado de lesión en la

cabeza y en el tórax CSI.

El programa utilizado para llevar a cabo la simulación es LS-Dyna® con la versión 15.0, a través

de la herramienta del procesador Ls- Prepost, el cual lleva a cabo la simulación de los elementos a

analizar, de igual forma permite observar los resultados que se han llevado a cabo. El programa fue

desarrollado por la compañía norteamericana Livermore Software Technology Corporation

(LSTC®). El programa es utilizado para llevar a cabo simulaciones de impacto en la industria del

automóvil, el cual permite observar el comportamiento del vehículo. Así como, las posibles

lesiones que se generan a consecuencia del incidente.

Capítulo III 57


Paso 1

Construcción del

modelo

Paso 2

Aplicar cargas y

obtener solución

Paso 3

Revisión de

resultados

III.6.- Metodología para simulación numérica

La metodología para desarrollar el análisis numérico que utiliza el programa de elemento finito

está dividida en las siguientes secciones [III.17]:

Pre procesador (Tipo de análisis, selección del elemento, propiedades mecánicas y

construcción del modelo).

Procesador (Aplicar de restricciones y cargas, obtener la solución).

Post procesador (Revisión de resultados).

La (Figura III.6) muestra los pasos y la forma metodológica ordenada de realizar el análisis.

Figura III.6.- Metodología general

II.6.1.- Tipos de butaca

En la actualidad, los fabricantes de asientos de autobuses ofrecen una amplia gama de modelos

para diferentes tipos de autobuses y diferentes necesidades. La empresa de asientos de chelín,

clasifica los asientos urbanos de la siguiente manera (Figura III.7) [III.18]:

Figura III.7.- Asiento de tipo urbano

Capítulo III 58


El asiento cuenta con un lugar individual y un pasamano en la parte superior, fabricado en plástico

de polipropileno, la estructura está fabricada en acero y reforzada. Así como, la sujeción con la

estructura es adaptable a cualquier tipo de carrocería, el recubrimiento está hecha de pintura

electroestática.

El asiento con descansabrazos, es un asiento que cuenta con un pasamanos y respaldos fabricados

en poliuretano curado en frio para el retardo en caso de incendio. Posee una codera fija en

poliuretano con acabado en piel integral en lado pasillo, posee una alfombra tapicería en tela

automotriz retardable a la flama. Es fácil de limpiar y que cumple con las normas de inflamabilidad

ASMT y FMVSS. Tiene cojín de poliuretano tapizado en tela a elección repelente al fuego y fijado

al asiento a presión (Figura III.8) [III.18].

Figura III.8.- Asiento con descansabrazo

Mientras el asiento reclinable, es un asiento que cuenta con reclinación mecánica para el respaldo

y con una palanca de accionamiento que se encuentra en la parte lateral del asiento. También lleva

consigo o cuenta con una mancuerna adherida al asiento y tiene en el respaldo apoyos faciales en

cabecera (Figura III.9). El cojín y el respaldo individual de este tipo de asiento están fabricados de

poliuretano en frio, el cual retarda la propagación de una flama en caso de incendio. La sujeción

del asiento se adapta a todo tipo de carrocerías [III.18].

El asiento utilizado en el trabajo de tesis es un modelo de la empresa ISRINGHAUSEN®, con sede

en México, en el estado de Querétaro. El asiento es un modelo CIVIC V2, asiento de pasajeros para

Capítulo III 59


un autobús Suburbano, el cual cuenta con dimensiones facilitadas por el fabricante de 746 mm de

altura, el ancho es de 440 mm y 624 mm medido de lado desde la parte superior de le respaldo,

hasta el término de la parte del cojín. El asiento tiene una inclinación de 108 ° y un cojín con un

respaldo tapizado en moqueta, la parte trasera del asiento es de material PVC con una Estructura

de acero (Figura III.10).

Figura III.9.- Asiento reclinable

Figura III.10.- Asiento modelado

El asiento ha sido modelado con ayuda del programa de diseño asistido por computadora (CAD)

Solid Works®, el cual permitirá transportar el diseño al programa LS-Dyna® (Figura III.11).

Capítulo III 60


Figura III.11.- Asiento modelado en CAD

III.6.2.- Parámetros de confort en las butacas

Las posturas en el asiento que ayudan al pasajero a tener la posición de confort se mencionan a

continuación:

Dimensión y ángulo del respaldo.

Angulo de asiento o inclinación.

Apoya brazos.

Altura, fondo, ancho y superficie del asiento.

Estos parámetros ayudan al pasajero a tener una mejor posición durante el transcurso del viaje, de

esta manera es como se hace el análisis de impacto frontal y trasero.

III.7.- Mallado del asiento.

Para poder llevar cabo el mallado de las butacas se utilizó el programa de elemento finito

HyperMmesh®, el cual se desarrollaron 102289 nodos y 434199 elementos en 6 volúmenes, la malla

que se utiliza es de dimensión número 8 la (Figura III.12) muestra la imagen del discretizado de

890 mm

110 mm

1044 mm

624 mm 108°

Capítulo III 61


las butacas en el programa. Para después dar paso al programa LS-Dyna®, en la herramienta de

pos-procesador descifrar todos los resultados (Figura 11.13).

Figura II.12.- Discretizado de la butaca

Figura II.13.- Butaca simulada en Ls-Dyna®

El material que se eligió de la librería del programa, es de Plastic-Kinematic para todos los

componentes del asiento. Las propiedades mecánicas de cada uno de los componentes de la butaca

se mencionan en la (Tabla III.1). Las unidades que se utilizan son; para la densidad 𝑔

𝑐𝑚 2 , para el

módulo de Young 𝑘𝑔

𝑐𝑚 2, y para el esfuerzo de cedencia es de

𝑘𝑔

𝑐𝑚 2. Posteriormente se escogió el tipo

de sección para el cual es de tipo sólido para cada una de las partes del asiento. A continuación, se

hace la asignación de cada componente de la butaca con las propiedades mecánicas del material y

el tipo de sección que se escogió (Tabla III.1).

Capítulo III 62


Tabla III.1.- Propiedades mecánicas de los materiales

Partes del

asiento

Material

Densidad

𝑘𝑔

𝑚𝑚 2

Módulo de

elasticidad 𝑘𝑁

𝑚𝑚 2

Coeficiente

de poisson

Esfuerzo de

cedencia 𝑘𝑁

𝑚𝑚2

Respaldo PVC 1.390e-6 2.746 0.38 0.055

Cojines Espuma de

poliuretano

3.500e-8 0.01177 0.30 0.01275

Soportes Acero

SJ2340

7.85e-6 210.0 0.30 0.200

La verificación del material con las propiedades de la sección se puede verificar desde la plataforma

de LS-Dyna®, entrando en la página 5 del programa, seleccionando PartD y seleccionando en prop

como lo muestra la (Figura III.4).

Figura III.14.- Datos del material en LS-Dyna®

Se utilizaron las velocidades según la norma 080 de la UNECE de 32 km/h esta norma menciona

la velocidad para realizar las pruebas de impacto a los asientos con el Dummie [III.9]. Las

restricciones que son los soportes del asiento se restringieron de manera que pueda no tener un

movimiento en alguna dirección en los ejes X, Y y Z de esta manera las coordenadas en DOFX.

DOFY DOYZ indican el valor igual a 1. Sin embargo, cuando no se aplican las restricciones en

alguna dirección se visualiza un valor igual a 0. Este paso se puede hacer desde la ventana número

3, seleccionando en Boundry para después escoger los componentes que serán restringidos.

La velocidad específica que llevará el automóvil será de 32 km/h. Esta es especificada por la Norma

UNECE 080, y el valor se agrega en la coordenada de acuerdo a la ubicación en la que se encuentra

Capítulo III 63


el modelo [III.19]. Finalmente se elige la superficie de contacto esta será la parte trasera del asiento.

El asiento es aquel el cual el Dummie no se encuentra sentado. Este paso puede hacerse desde la

plataforma del LS-Preprocesador en la página 5, entrando en el SetD para después seleccionar la

parte en el modelado. Finalmente se definen las partes del contacto que serán involucradas durante

la simulación y se hace coincidir las propiedades de los componentes involucrados.

Figura II.15.- Ventana del programa herramienta

III.8.- El Dummie [III.20]

El modelo de Dummie que se eligió para poder llevar a cabo el análisis fue el Hybrid III 50°

percentil masculino. Originalmente fue desarrollado por la empresa General Motors aunque

actualmente las modificaciones se encuentra a cargo del grupo Sociedad de Ingenieros de

Automoción (SAE) por el comité de biomecánica y el Transporte Nacional de Carreteras y la

Administración Nacional de Seguridad Vial (NHTSA). Actualmente el maniquí se puede utilizar

en otras pruebas de ensayo como área médica y el deporte.

Capítulo III 64


Figura II.16.- Dummie Hybrid III 50° percentil

Las dimensiones antropométricas del Dummie se mencionan en la (Tabla III.2).

Tabla III.2.- Dimensiones del Dummie

Parte del cuerpo Dimensión (mm)

Altura total sentado 883.9

Altura del hombro 513.1

Altura del hombro hasta el codo 337.8

Nalga a la rodilla 591.8

Altura dela rodilla al piso 492.8

Largo del pie 259.1

Ancho del pie 99.1

Ancho del hombro 429.3

Circunferencia del torax 985.5

Circunferencia de la cintura 850.9

A continuación, en la (Tabla III.3) se muestran la masa de las partes del cuerpo del Dummie.

Tabla III.3.- Dimensiones complementarias del Dummie

Parte del cuerpo Dimensión (kg)

Cabeza 4.54

Cuello 1.54

Brazo superior (izquierdo o derecho) 2.00

Capítulo III 65


Mano 0.57

Muslo 5.99

Pies 1.16

Parte superior del torso 17.19

Parte inferior del torso 23.04

III.9. - Sumario

Actualmente la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa UNECE y la Agencia

Nacional de Seguridad en las Carreteras NHTSA realizan pruebas en las butacas para cualquier

vehículo motorizados. Las pruebas que se les realizan a las butacas de los autobuses consisten en

determinar si el ocupante es retenido correctamente por un asiento que se encuentra frente a él o

por el cinturón de seguridad en caso de usarse en una prueba de impacto. En este capítulo se puede

encontrar las características de las butacas y el procedimiento que se tiene y que llevan durante una

prueba o simulación de impacto. Así como, la verificación que se hace a los anclajes de los asientos

y las mediciones, con las que se podrá deducir si el asiento es seguro en base a las lesiones que

puede tener el pasajero o el Dummie en una prueba de ensayo. Posteriormente se presenta una breve

historia de lo que es el método de elemento finito y unas características generales con el cual los

programas de este tipo suelen ejecutarse. Finalmente se describe la forma del modelado de una

butaca y la manera en el cual se llevó a cabo las restricciones para poder empezar la simulación

dentro del programa Ls-Dyna®. En el capítulo de igual manera se mencionan las herramientas que

ofrece el programa Ls-Dyna®. Así como, los modelos de maniquís y los materiales que se utilizan

para una simulación de impacto.

III.9.- Referencias

1.- Comisión económica para Europa, Foro Mundial para la Armonización de la Reglamentación

Sobre Vehículos (WP.29), Ed. Tercera, 2012.

2.- UNECE, Prescripciones Uniformes Relativas a la Homologación de Asientos de Grandes

Vehículos de Pasajeros y de estos Vehículos con Respecto a la Resistencia de los Asientos y sus

Anclajes, E/ECE/324/Rev.1/Add.79/Rev.2, 2012.

Capítulo III 66


3.- Herbst, B. R., Meyer, S. E., Oliver, A. A., y Forrest, S. M. Rear Impact Test Methodologies:

Quasistatic and Dynamic. In proceedings of the 21st (esv) international technical conference on

the enhanced safety of vehicles, held june 2009, stuttgart, germany, Vol. 09, pp. 1-10, 2009

4.- Dietsche, K. H., Klingebeil, M., Manual de la Técnica del Automóvil, Ed. Reverte, pp 190-193,

2005.

5.- Huijskens, C. G., Schrooten, M., y de Coo, P., Frontal occupant safety simulations for coach

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6.- Thor, C. P. y Gabler C. H., Methodology for estimating thoracic impact response in frontal

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7.- Linder, A., Avery, M., Krafft, M., y Kullgren, A, Change of velocity and pulse characteristics

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8.- Cichos, D., De Vogel, D., Otto, M., Schaar, O., y Zölsch, S. Crash analysis criteria description.

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9.- UNECE, Prescripciones Uniformes Relativas a la Homologación de Asientos de Grandes

Vehículos de Pasajeros y de estos Vehículos con Respecto a la Resistencia de los Asientos y sus

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10.- Martínez-Sáez, L. y García-Álvarez, A., Estudio de Prescripciones Técnicas para la Mejora

de la Seguridad Infantil en Vehículos de Transporte Colectivo, Ed. Reverté, 2010.

11.- NHTSA, Proteccion Contra Choques No 208, 49 CFR Ch V( 10-1-08 Edition) 2008.

12.- NHTSA, Sistema de Asiento, Standard No. 207, 49 CFR Ch. V (10–1–11 Edition), 2011.

13.- Dietsche, K. H., Klingebeil, M., Manual de la Técnica del Automóvil, Ed. Reverte, pp 190-

193, 2005.

14.- Livermore Software Technology Corporation, 2015.

15.- Galvez-Roman, R,. Simulación de un Atropello Mediante Ls-Dyna, Tesis de Licenciatura,

Universidad de Carlos III de Madrid, pp 125-130, 2011.

16.- Illescas-Perez, D. D., Simulación de un Choque Frontal de un Vehículo Automóvil Contra

Diferentes Tipos de Barrera, Tesis de Licenciatura, Universidad de Carlos III de Madrid, pp 21-

20, 2009.

Capítulo III 67


17.- Perez, C. A. J., Metodología para Simulación de Fenómenos de Perforación en Placas, Debido

a Fallas del Tipo no Contenida de Turbinas de Avión, Tesis de Maestría, ESIME, Instituto

Politécnico Nacional, 2008.

18.- Martinez, S. N., Asientos D´Chelyn Sinonimo de Calida, 2015.

19.- Instituto Universitario de Investigación del Automóvil, Análisis de la Influencia de la

Distancia entre Asientos de Vehículos Autocares en la Seguridad y el Confort de sus Ocupantes,

pp 1-22, (2007).

20.- Park, B. T., Morgan, R. M., Hackney, J. R., Lee, J., Stucki, S. L., y Lowrie, J. C., Frontal

Offset Crash Test Study using 50th Percentile Male and 5th Percentile Female Dummies. In

Sixteenth International Technical Conference on Enhanced Safety of Vehicles, Windsor,

Canada, Vol 98, pp 150-163, 1998.

CAPÍTULO IV

ANÁLISIS NUMÉRICO

Capítulo IV 69


IV.1.- Métodos de solución en LS-Dyna®

El programa de análisis de elemento finito LS-Dyna® es diseñado para realizar análisis dinámicos

transitorios de problemas no lineales, la manera para determinar la solución es mediante el uso de

un esquema de integración temporal explicito, que para el uso en el programa LS-Dyna® se le hace

una modificación al esquema estándar de diferencial central. El programa realiza análisis cuasi-

estáticos y las principales aplicaciones son las simulaciones de choque y de los ocupantes el cual

son modelos llamados Dummies, el cual lo conforman los metales, las pruebas de caída, entre otras

aplicaciones de contacto relacionadas. [1]

IV.1.1.- Método implícito

Es el método apropiado para obtener solución a problemas de tipo estáticos por ejemplo el análisis

de una estructura ante cargas permanentes, semipermanentes o cuasiestaticas, es decir en donde el

elemento no sufre de grandes aceleraciones, en este tipo de método la aceleración se calcula como

aceleraciones medias y los desplazamientos en 𝑡 + ∆𝑇, ecuación IV.I.

𝑈𝑡+∆𝑇 = [𝐾]−1𝐹𝑡+∆𝑇 IV.I

Problemas lineales. Este es el tipo de problemas en donde el tiempo de integración implícita es

estable y en el cual los parámetros de integración son coherentes, en donde la magnitud del paso

de tiempo se utiliza desde la perspectiva de obtener una mejor precisión de los resultados.

Problemas no lineales. Este modelo de problemas obtiene la solución mediante aproximaciones

lineales de tipo Newton Raphson de manera que consume en cantidad de recursos significativos.

La solución a este tipo de problemas se complica debido a que se requiere la inversión de la matriz

de rigidez no lineal. Las dimensiones de los pasos de tiempos deberán ser lo suficientemente

pequeños para obtener la convergencia, aunque no esté garantizada. [2]

IV.1.2.- Método explicito

Con este tipo de método se obtienen soluciones a los problemas dinámicos con grandes o

considerables desplazamientos y velocidades pudiendo ser un impacto o un proceso de mecanizado

Capítulo IV 70


a alta velocidad. Algunas aplicaciones de este tipo de método en el ámbito mecánico pudieran ser:

[2]

Pruebas de impacto de automóviles.

Diseño de contenedores sometidos a pruebas de caídas.

Simulación de penetración de proyectiles.

Simulaciones de diversos sistemas de mecanizado como son: embutición, troquelado

estampado entre otros.

IV.1.2.1- Método explícito de elementos finito

El código de elemento finito que utiliza el solucionador explicito LS-Dyna®, el que realiza la

simulación es la ecuación de movimiento de Newton, mostrada en la ecuación IV.2.

𝑀𝑖𝑗 �̈�𝑗(𝑡) + 𝐶𝑖𝑗�̇�𝑗(𝑡) + 𝑓𝑖(𝑡) = 𝑝𝑖(𝑡) IV.2

El cual como se ha mencionado anteriormente se resuelve a través de un método de diferencia

central. Las matrices 𝑀𝑖𝑗 y 𝐶𝑖𝑗 representan la masa y la amortiguación, así como 𝑓𝑖(𝑡) muestra la

resistencia interna nodal en dependencia de la ley constitutiva y el desplazamiento real 𝑋𝑖(𝑡) y

𝑃𝑖(𝑡) son la fuerza externa en el nodo. Para cada caso del tiempo se tiene la ecuación IV.3 e IV.4:

�̇�𝑛 =1

2∆𝑡(𝑥𝑛+1 − 𝑥𝑛−1) IV.3

�̈�𝑛 =1

∆𝑡(�̇�𝑛+

1

2 − �̇�𝑛−1

2) =1

∆𝑡= (

𝑥𝑛+1−𝑥𝑛

∆𝑡−𝑥𝑛−𝑥𝑛−1

∆𝑡) IV.4

=1

(∆𝑡)2(𝑥𝑛+1 − 2𝑥𝑛 + 𝑥𝑛−1)

Insertando la ecuación (IV.4), (IV.3) en (IV.2), en los rendimientos de tiempo 𝑡𝑛, se obtiene la

ecuación (IV.5).

𝑀𝑖𝑗(𝑥𝑗𝑛+1 − 2𝑥𝑗

𝑛 + 𝑥𝑗𝑛−1) +

∆𝑡

2𝑐𝑖𝑗(𝑥𝑗

𝑛+1 − 𝑥𝑗𝑛−1) = (∆𝑡)2(𝑓𝑖

𝑛 − 𝑝𝑖𝑛). IV.5

Capítulo IV 71


A continuación, es reescrita con respecto al desplazamiento 𝑋𝑛+1generando la ecuación IV.6

(1

(∆𝑡)2𝑀𝑖𝑗 +

1

2∆𝑡𝑐𝑖𝑗)⏟

𝑀𝑖𝑗

𝑥𝑗𝑛+1 = 𝑝𝑖

𝑛 − 𝑓𝑖𝑛 +

2

∆𝑡2𝑀𝑖𝑗𝑥𝑗

𝑛 − (1

(∆𝑡)2𝑀𝑖𝑗 −

1

2∆𝑡𝑐𝑖𝑗) 𝑥𝑗

𝑛−1

⏟ 𝑝𝑖𝑛

V.6

Finalmente se resuelve invirtiendo 𝑀𝑖𝑗:

𝑥𝑖𝑛+1 = 𝑀𝑖𝑗

−1𝑝𝑗𝑛 IV.7

La eficacia del solucionador se incrementará mediante el uso agrupado de matrices 𝑀𝑖𝑗 y el modal

amortiguados 𝐶𝑖𝑗= 𝑀𝑖𝑗, la solución en la ecuación (IV.7) es trivial. [3] La forma en el cual el

programa LS-Dyna® resuelve los problemas de impacto lo maneja de la forma en el cual los datos

de entrada requeridos se clasifican en las siguientes tres categorías:

1.- Propiedades de los materiales. Cuando se le hace la asignación del tipo de material al objeto

que impacta y el del destino (objeto impactado), se pueden manejar como un cuerpo rígido,

un material isotrópico o un material compuesto.

2.- Las condiciones iniciales y de contorno. Especifican las condiciones iniciales para el objeto

impactador tales como la aceleración, la velocidad de impacto y de igual forma se

establecen las condiciones de contorno para el objeto impactado como es la restricción del

objeto.

3.- Condiciones de contacto. Definen el tipo de contacto y el coeficiente de fricción, el

programa LS-Dyna® cuenta en su librería de 18 diferentes tipos de contacto, el cual permite

elegir el adecuado para la representación correcta y adecuada al modelo físico, entre los

Capítulo IV 72


más comunes se encuentra superficie con superficie (Surface_to_Surface) y el nodo con

superficie (Node_to _Surface) por sus siglas en ingles respectivamente. [4]

LS-Dyna® es un programa informático basado en el método de elemento finito capaz de analizar

deformaciones de problemas dinámicos, la metodología de solución se basa en la integración

explicita [5]. El programa tiene incorporado un algoritmo de impacto y contacto el cual permite

resolver problemas complejos de la realidad, así como un algoritmo el cual permite que no sea

necesario realizar un mallado en la zona de transición para obtener resultados confiables. Durante

la discretizacion del problema se puede considerar dos métodos diferentes, método implícito y

método explícito [6]

.

IV.2.-Componentes del Dummie

El Dummie está compuesto por quince cuerpos dinámicos rígidos denominados segmentos los

cuales son: Pierna superior izquierda, pierna inferior izquierda, pie izquierdo, pierna superior

derecha, pierna inferior derecha, pie derecho, brazo completo izquierdo movimiento arriba- abajo,

brazo completo izquierdo movimiento oblicuo, brazo inferior izquierdo, mano izquierda, brazo

completo derecho movimiento arriba-abajo, brazo completo derecho movimiento oblicuo, brazo

inferior derecho, mano derecha, cuello-cabeza. La (Figura IV.1) muestra las partes del Dummie.

Figura IV.1.- Partes del Dummie

Cabeza

Cuello Brazo

completo

Pierna

superior

Pierna

inferior

Brazo

inferior

Mano

Pie

Capítulo IV 73


IV.3.-Plataforma

Durante la simulación la norma establece que durante la realización de las pruebas de choque se

debe contar con la plataforma el cual simula el piso dentro del compartimento de un autobús en

donde los asientos serán colocados y fijados, posteriormente el Dummie será colocado en la

posición de sentado. La plataforma que se utiliza en el análisis posee las propiedades mecánicas

que tiene la plataforma real en un autobús, con dimensión que muestra la (Figura IV.2), para

abarcar dos asientos colocados en la parte central del autobús en posición horizontal, una frente a

otra.

Figura IV.2.- Plataforma de un autobús

La discretizacion de la plataforma se llevó a cabo a través del programa de elemento finito

HyperMmesh®, obteniendo 123456 nodos, generados con un tamaño de malla de numero 8 con

geometría cuadrangular generando 1 volumen, la (Figura IV.2) muestra el mallado de la

plataforma, finalmente la plataforma posee las propiedades mecánicas del acero SJ2340 ocupado

en el piso del camión de pasajeros, la (Tabla IV.I) muestra las propiedades mecánicas del material.

Tabla IV.1.- Propiedades mecánicas de la plataforma

Objeto Material Densidad Módulo de

elasticidad

Coeficiente

de poisson

Esfuerzo

de

cadencia

plataforma AceroSJ2340 7.85e-6 210.0 0.30 0.200

480 mm

1388 mm 20 mm

Capítulo IV 74


IV.4.-Colocación del Dummie en la butaca

Para la colocación del Dummie en la butaca fue necesario exportar los asientos desde el programa

de elemento finito HyperMmesh® con las características especificadas mencionadas en el capítulo

tres, en el subtema mallado de la silla, posteriormente se hace el reacomodo del Dummie 50

percentil con los asientos previamente discretizados (Figura IV.3). Este se lleva en la página cinco

a través del comando *DmyPos.

Figura IV.3.- Colocación del Dummie en la butaca

IV.5.-Gravedad

Para la realización del análisis, es necesario incluir la aceleración de la gravedad, este se hace a

través de la página tres, en la opción *LOAD_BODY_Y, este dentro del comando *LOAD, en la

dirección vertical y sentido hacia abajo, el cual para este análisis se ubica en el eje Y, el valor de

la gravedad es de 9.81 m/s, el cual para su correcta utilización debe ser convertido a unidades como

lo muestra la (Tabla IV.2). En la misma página y dentro del mismo comando se encuentra la opción

BODY_X el cual sirve para poner la velocidad de pulso que llevaría el Dummie, la regularización

No. 80 de la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europea (UNECE) establece que

para un análisis de este tipo deberá ser la mencionado en la (Figura III.1) (gráfica de aceleración

contra el tiempo), tales valores se muestran el (Tabla IV.3).

Capítulo IV 75


Tabla IV.2.- Curva de gravedad

Abscisas (x) Ordenadas (y)

0 0

0.00000e+000 9.8066e-003

1.0000e+0003 9.8066e-003

Tabla IV.3.- Valores del pulso de aceleración

Abscisas (x) Ordenadas (y)

1.0000e+001 0.0000e+000

2.0000e+000 7.8000e-002

7.0000e+0003 7.8066e-002

8.0000e+0003 0.0000e+000

IV.6.-Condiciones de frontera

Después asignar las propiedades mecánicas mencionadas en el capítulo III, de los componentes

que se utilizan en el diseño, a continuación, se lleva a cabo la asignación de condiciones frontera,

para la realización del análisis tales como:

Tipo de contacto.

Restricciones.

Control del tiempo de la simulación

Acelerómetros.

Velocidad de impacto

IV.6.1.-Tipos de contacto

Durante la simulación es necesario tomar en cuenta el tipo de contacto que tendrán las partes que

se tienen en la simulación ya que en los problemas en los que existen deformaciones, como es el

Capítulo IV 76


caso en las simulaciones de tipo colisión representan una importante actividad en el tipo. Una buena

selección del tipo de contacto para los diferentes tipos de modelos y partes con los que se cuenta

para la realización de la simulación es la base para la obtención de buenos resultados. El programa

de elemento finito Ls-Dyna® cuenta con opciones amplias de tipos de contactos, lo que permite

tener una mayor variedad de seleccionar el tipo de contacto adecuado de acuerdo a la necesidad

del tipo de análisis y uso de tipo específico o general. [7] El comando contacto en el programa LS-

Dyna® se define como el contacto entre diferentes partes en una simulación. Existen diferentes

algoritmos de contactos disponibles en el programa los cuales se presentan a continuación [8]:

Contacto de cuerpo flexible

Cuerpo flexible al contacto cuerpo rígido

Cuerpo rígido al contacto con el cuerpo rígido

Contacto de borde a borde

Contacto erosionado

Superficie atada

Superficie CAD

Paredes rígidas

Cuentas draw

Durante el análisis definir la manera de contacto entre las partes es indispensable ya que es la

manera de tratar las interacciones de las diferentes partes que conforman el análisis. El contacto

seleccionado para el análisis Dummie-butaca se hace con la opción tipo

AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURAFACE, este contacto es de tipo automático (superficie-a-

superficie) de doble dirección en el cual el espesor de placa denominado Shell puede ser activado

o desactivado. Esta opción se encuentra en la página tres dentro del comando *CONTROL, el

contacto de este tipo se recomienda para simulaciones de tipo explicito mientras que para las

simulaciones implícitas se recomienda un contacto de funcionamiento no automático. Cuando se

elija la opción de contacto es fundamental relacionar las partes con las cuales tendrán una relación

entre partes, para ello el Dummie se relaciona con cada una de las partes de contacto con la butaca

en la simulación. El proceso de esta opción se realiza cuando los nodos pertenecientes a la

Capítulo IV 77


superficie secundaria conocidos en el programa LS-Dyna® como esclavos alcanzan a penetrar en

la cara principal del objeto denominado maestro, posteriormente los nodos de la superficie maestro

penetran en la parte de la superficie secundaria. [9]

IV.6.2.-Restricción en las butacas

Durante el análisis es necesario restringir las butacas a través de los soportes con la plataforma,

como la muestra la (Figura IV.4) debido a que, en un accidente de choque, así como la

regularización No 80 de la UNECE. Para realizar la simulación de este tipo, los asientos deberán

ser conectados a la plataforma, simulando con esto el piso de un autobús urbano, el cual durante el

accidente de choque las butacas sufren deformaciones a causa de los golpes con los diferentes

objetos que existen dentro del autobús como consecuencia de la desaceleración del autobús debido

al impacto, y los asientos siguen empotrados a la plataforma del autobús sin desprenderse.

Figura IV.4.- Butacas empotradas con la plataforma

Es importante manejar un solo componente de unidades durante el transcurso del análisis, debido

a que el programa LS-Dyna® empleado para las simulaciones no reconoce las unidades a emplear

por lo que se deberá establecer un solo tipo de unidad durante toda la simulación. La (Tabla 4.1)

muestra las unidades empleadas en el análisis.

Tabla IV.4. Unidades

Magnitud Unidad

Longitud Milímetro

Tiempo Milisegundo

Masa Kilogramo

Fuerza KiloNewton

Capítulo IV 78


IV.6.3.-Tiempo de terminación

Durante la simulación es necesario anexar el tiempo de término del análisis, el cual es el tiempo

requerido para realizar la simulación, ejecutar y completar el cálculo analítico dentro del programa

LS-Dyna®, para ello la norma No. 80 de la (UNECE) establece que sea un rango de tiempo de entre

100 y 200 milisegundos, para la realización del análisis se utiliza un tiempo de termino de 150

milisegundos. El valor es agregado dentro de la página tres mediante el comando *Control y la

opción *Termination, finalmente el valor se asigna el recuadro de *ENDTIM.

IV.6.4.-Acelerómetros

Los acelerómetros son instrumentos de medición que se emplean para medir las aceleraciones en

el punto donde se sitúan. Los acelerómetros permiten conocer resultados de aceleración del

Dummie durante la simulación. Para el análisis se encuentran dos diferentes ubicaciones de

acelerómetros en el Dummie modelo 50 percentil, el cual servirán para medir el índice de lesión en

la cabeza (HIC) y en el tórax (CSI), la (Figura IV.4) muestra la ubicación del acelerómetro en la

cabeza y en el tórax respectivamente. El acelerómetro permite conocer después de los post-

procesados datos específicos que permiten obtener resultados y comparar con las lesiones que se

pudieran generar. La localización exacta del acelerómetro en la cabeza se encuentra en el nodo

133919, mientras que el nodo 135705 es para la ubicación nodal del tórax (Figura IV.5).

Figura IV.5.- Ubicación del acelerómetro cabeza y tórax

Capítulo IV 79


IV.7.- Simulación numérica del impacto trasero

La simulación se realiza con la posición del Dummie sentado en una butaca simulando la posición

de un pasajero en un autobús de tipo urbano, la velocidad que lleva en las butacas es la misma que

llevaría el vehículo la cual es de 32 km/h, en un intervalo de tiempo de 150 milisegundos. La

(Figura IV.6) muestra el comportamiento del Dummie en el accidente de tipo trasero, las secuencias

de las imágenes son en los lapsos de tiempo de 15 milisegundos hasta un tiempo de termino de 150

milisegundos. Durante el intervalo de tiempo se observa que el Dummie sufre un desplazamiento

hacia el frente, sin existir un contacto con la butaca el cual se ha colocado frente al Dummie sentado

tal como lo establece la regularización No 80 de la UNECE (Figura IV.6).

Capítulo IV 80


0 ms. 15 ms.

30 ms. 45 ms.

60 ms. 75 ms.

Capítulo IV 81


Figura IV.6.- Secuencia del impacto del Dummie en tiempo de 15 milisegundos

90 ms. 105 ms.

120 ms. 135 ms.

150 ms.

Capítulo IV 82


IV.7.1- Gráfica de aceleración en la cabeza

Para conocer la aceleración en la cabeza durante la simulación es necesario tomar los valores

obtenidos del acelerómetro ubicado en la cabeza, este es el nodo133919, la (Figura IV.7) muestra

la aceleración que adquiere la cabeza durante el evento de colisión.

Figura IV.7.- Aceleración de la cabeza del Dummie

IV.7.2- Gráfica de aceleración en el tórax

Los valores de la aceleración en el tórax lo muestran la (Figura IV.8) durante la simulación del

impacto trasero. Estos valores son obtenidos del acelerómetro localizado en el tórax el cual es el

nodo 135705.

A

A

100

0 120

0

0 20

0

40

0 60

0

80

0

-0.05

0

0.1

Ace

lera

ción G

´

140

0

-0.1

0.2

0.05

0.1

5

A

A

A

Tiempo ms

Nodo 133919 A

Capítulo IV 83


Figura IV.8.- Aceleración del tórax del Dummie

IV.8.- Simulación numérica del impacto frontal

La simulación de impacto frontal se efectuó con la posición del Dummie sentado en una butaca,

frente al Dummie, se agrega otra butaca el cual representa la fila de pasajeros de un autobús. La

velocidad del camion es de es de 32 km/h, la cual es la misma que llevarían los asientos colocados

dentro del autobús urbano, el análisis se llevó a cabo un rango de tiempo de 150 milisegundos en

este periodo de tiempo el vehículo es impactado manifestando la desaceleración del impacto. La

(Figura IV.9) muestra el comportamiento en un accidente de tipo frontal que manifiesta el Dummie

a consecuencia de la desaceleración del vehículo provocado por el accidente de choque frontal. Las

imágenes que se muestran son en rangos de tiempo de 15 milisegundos, durante el intervalo de

tiempo el Dummie sufre un desplazamiento hacia el frente impactando la parte frontal del cuerpo

principalmente la cabeza y el tórax con la butaca de enfrente.

A

100

0 120

0

0 20

0

40

0 60

0

80

0

0.1

0.2

Ace

lera

ción G

140

0

-0.1

0.5

0 A

A

Tiempo ms

A

AA

A

A

0.4

0.3

Nodo 135705

A

Capítulo IV 84


0 ms. 15 ms.

30 ms. 45 ms.

60 ms. 75 ms.

Capítulo IV 85


120 ms.

ms

135 ms.

150 ms.

90 ms. 105 ms.

Figura IV.9 Secuencia del impacto del Dummie en tiempo de 15 milisegundos

Capítulo IV 86


IV.8.1- Gráfica de aceleración en la cabeza

La (Figura IV.10) muestra la aceleración que obtiene la cabeza durante la simulación de impacto

frontal, los valores son tomados del acelerómetro localizado en la cabeza del Dummie mediante el

nodo 133919.

Figura IV.10.- Aceleración de la cabeza del Dummie

IV.8.2- Gráfica de aceleración en el tórax

Para conocer la aceleración que obtuvo el tórax durante el impacto frontal es necesario tomar los

valores arrogados por el acelerómetro localizado en el tórax del Dummie, a través del nodo 135705,

la (Figura IV.11) muestra la aceleración adquirida.

Tiempo ms

100

0 1200 20

0

40

0 60

0

80

0

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

-0.4

Ace

lera

ción ´

G

140

0

-0.5

0.2

A A A

A

A

Nodo 133919 A

Capítulo IV 87


Figura IV.11.- Aceleración del tórax del Dummie

IV.9- Sumario

En el capítulo se puede encontrar la manera el cual el programa LS-Ddyna® resuelve analíticamente

las simulaciones, muestra las dos opciones mediante el cual LS-Dyna® soluciona los problemas, se

muestran las fórmulas de las dos formas diferentes y el procedimiento en el cual se utilizan.

También, se encuentra la clasificación de las partes del cuerpo del Dummie el cual

significativamente es interesante debido a la adecuada manipulación para llevar a cabo la posición

deseada. Así como son visibles las condiciones de frontera que se utilizaron para realizar las dos

simulaciones los cuales son: tipo de contacto, restricciones de las butacas, Control del tiempo de la

simulación, Acelerómetros y Velocidad de impacto.

De igual manera se menciona cuáles fueron los comandos y las opciones utilizadas dentro del

programa LS-Dyna®, asimismo se muestra el comportamiento del Dummie en el accidente de tipo

trasero y en el accidente de tipo frontal la secuencia de las imágenes son mostradas en intervalos

de tiempo de 15 milisegundos los valores del pulso son mencionados mediante tablas para la

simulación, del mismo modo se muestran las gráficas de aceleraciones que obtienen en la cabeza

y el tórax en los diferentes tipos de impactos, para obtener los resultados de las gráficas fue

necesario localizar los acelerómetros ubicados en la cabeza y el tórax del Dummie respectivamente,

A

A A

A

100

0

120

0

0 20

0

40

0 60

0

80

0

-0.2

-0.1

0

Ace

lera

ción ´

G

140

0

-0.3

0.1

Nodo 135705 A

Tiempo ms.

Capítulo IV 88


la localización exacta es en el nodo 133919 en la cabeza mientras que en el tórax es a través del

nodo 135705. Finalmente, las gráficas muestran el comportamiento de aceleración de la cabeza y

el tórax durante la simulación de impacto frontal y trasero a una velocidad de 32 km/h establecido

por la regularización No 80 de la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa.

IV.10.- Referencias

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Madrid, escuela politécnica, pp 81-83, 2012.

CAPÍTULO V

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Capítulo V 90


V.1.- Introducción

Una vez que se han realizado los análisis de impacto del Dummie contra los asientos, para conocer

el grado de lesiones que este pudiera ocasionar en la cabeza y en el tórax, se continúa a analizar las

gráficas como parte de los resultados de las simulaciones. Especialmente se procede a analizar los

efectos en cabeza y tórax ya que estos son los más comunes y los más graves que un pasajero puede

tener en accidentes de este tipo al ser impactado regularmente con la silla que ocupa el Dummie y

el de enfrente. La lesión en la cabeza y en el tórax es medida como lo estipula norma No. 94 relativa

de la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa (UNECE) [V.1], la cual es

conocida como Head Injury Criterion (HIC) y a su vez la lesión en el tórax es conocido como

Chest Severity Index (CSI). De igual forma se analizan las deformaciones que sufre la butaca a

consecuencia del impacto con el Dummie en las dos diferentes simulaciones (impacto frontal e

impacto trasero).

Para poder llevar a cabo el procesamiento de los análisis numéricos, el programa LS-Dyna® genera

archivos denominados d3plot durante su resolución. Las interacciones que estos archivos son

generados son elegidos a la conveniencia del usuario, mediante la opción binary deplot, ubicado

en la opción *Dbase en la página tres del programa LS-Dyna®. Para efecto de las simulaciones se

escogió un intervalo de tiempo entre salidas de DT = 5.0 finalmente el post-procesador interpreta

los datos numéricos en valores como la velocidad, los esfuerzos, las deformaciones, los

desplazamientos y las aceleraciones etc. [V.2]. Asimismo, a continuación, se muestran las gráficas

de lesión en la cabeza (HIC) y en el tórax (CSI) para el caso de impacto frontal e impacto trasero.

Figura V.1.- Representación general del movimiento craneal en impacto trasero

Atrás Adelante Comprime Estira

Capítulo V 91


La cinemática que adquiere la cabeza debido al impacto trasero se observa en la (Figura V.I). Se

observa que cuando el vehículo hace el impacto la cabeza del Dummie hace un desplazamiento

primeramente hacia atrás, posteriormente el impulso hace que la cabeza sea proyectada hacia

adelante. Además, que en los intervalos se producen compresiones y/o estiramientos.

En estos movimientos la cabeza puede impactarse con los objetos que se encuentren en cercanía lo

que aumenta el grado de lesión [V.3]. Cuando ocurre un impacto de tipo frontal la cabeza adquiere

un movimiento contrario al trasero, en este tipo de evento puede provocar una aceleración en la

cabeza de 2.8 veces menor que la que causa un choque trasero con una disminución de movimientos

que el impacto trasero [V.3]

Figura V.2.- Movimiento craneal en impacto delantero

V.2.- Impacto trasero lesión HIC (Head Injury Criterion)

A continuación, se muestra la magnitud de lesión en la cabeza debido al impacto trasero. En el

Capítulo IV se observaron las aceleraciones que la cabeza obtiene provocado por este evento. Los

resultados de las aceleraciones permiten conocer la magnitud de lesión. Para conocer los resultados

se seleccionó el 14-HIC36 en intervalos de tiempo de 15 ms.

La Figura V.3 muestra el comportamiento de lesión en la cabeza (HIC). Así como en la Figura V.3

se muestran que los intervalos de tiempo para el cálculo de lesión de 14-HIC36 es de t1 = 64.76 ms

y t2 = 92.94 ms. El valor de la lesión es de 14-HIC3 = 183.1. Mientras que la aceleración máxima

que se obtuvo fue de 23 G’.

Movimiento hacia adelante

Capítulo V 92


Figura V.3.- Representación gráfica sobre la lesión en la cabeza por impacto trasero con respecto

a gravedades y tiempo (HIC)

V.3.- Impacto trasero lesión SCI (Chest Severity Index)

Asimismo, en la (Figura V.4) se muestra el índice de lesión en el tórax. Las cuales son ocasionadas

a causa de las aceleraciones que se obtuvieron por impacto trasero (lo anterior se menciona en

detalle en el Capítulo IV. Para este tipo de lesión se eligió el CSI en un intervalo de tiempo de 10

ms. También la (Figura V.4) muestra el comportamiento de lesión en el tórax.

La (Figura V.4) muestra el intervalo de tiempo para obtener el cálculo de la lesión CSI el cual es

igual a t1 = 66.68 ms y t2 = 69.68 ms. Por lo que el valor que se encuentra para la lesión en el tórax

es de CSI = 120.0 y la aceleración máxima se encuentra aproximadamente entre los 70 G.

10

0 100 80 60 40 20

Ace

lera

ción G

´

5

15

0

120 140

Tiempo ms.

20

25

AA

A

A

A

B

B B

Nodo 133919 A

HIC36 B

HIC =183.1

t1 =64.76 t2 =92.94

Capítulo V 93


Figura V.4.- Representación gráfica sobre la lesión en el pecho por impacto trasero con respecto

a gravedades y tiempo (SCI)

V.4.- Impacto delantero lesión HIC (Head Injury criterion)

De igual manera que en los casos anteriores en esta sección se muestra el índice de lesión que se

produce en la cabeza causada por un evento de colisión de tipo frontal. En el Capítulo IV se

obtuvieron las aceleraciones en la cabeza que se adquieren por este tipo de evento. Para conocer y

analizar los resultados se eligió el tipo de lesión 14-HIC36 en intervalos de tiempo de 10 ms. En la

(Figura V.4) muestra el comportamiento de lesión del HIC.

Así como en la (Figura V.5) se muestran que los intervalos de tiempo para el cálculo de lesión 14-

HIC36 para un impacto de tipo frontal es de t1 = 136.4 y t2 = 149.0 debido a que en este intervalo

de tiempo alcanza la máxima aceleración, la cual es de casi 100 G’ como lo muestra la (Figura

V.5). El valor de la lesión es de 14-HIC36 = 291.1.

20

0 100 80 60 40 20

Ace

lera

ción G

´

0

40

-20

120 140

60

80

A

AA A A

B

B B

Nodo 135705 A

CSI

CSI = 120.0

t1= 66.68 t2=69.68

t2=10010104.1.9

Tiempo ms.

Capítulo V 94


Figura V.5.- Representación gráfica sobre la lesión en la cabeza por impacto frontal con respecto


V.5.- Impacto delantero lesión CSI (Chest Severity Index)

A continuación, en la (Figura V.6) se muestra el comportamiento de índice de lesión en el tórax

CSI para un impacto delantero, Lo cual se produce a causa de las aceleraciones que se obtienen

debido al tipo de impacto y que se mencionaron en el Capítulo IV. Para el tipo de lesión en el tórax

se eligió el CSI en un intervalo de tiempo de 10 ms. La (Figura V.6) muestra de manera detallada

el comportamiento de la lesión torácica.

De forma subsecuente en la (Figura V.6) se puede observar que los intervalos representativos de

tiempo en el cual se llevó el análisis fue de t1 = 136.8 ms y t2 = 142.4. Por lo que el valor de lesión

torácica es de CSI = 302, debido a que en este intervalo de tiempo alcanza la máxima aceleración

la cual es de 100 G, como lo muestra claramente en la (Figura V.6).

20

0 100 80 60 40 20

Ace

lera

ción G

´

0

40

120 140

60

80

Tiempo ms.

100

AA

A A

B

BB

A

Nodo 133919 A

HIC36 B

HIC =291.1

t1 = 136.4 t2 = 149.0

Capítulo V 95


Figura V.6.- Representación gráfica sobre la lesión en el pecho por impacto frontal con respecto


V.6.- Análisis de resultados de HIC

En el impacto de tipo trasero se tiene una lesión de 14-HIC3 = 183.1. Por lo que se puede decir que

con esta lesión no es tan dañina. La (Tabla II.) I en el Capítulo II se menciona que el nivel de daño

cerebral es una suave conmoción, con un nivel de daño en el cráneo de sin fractura. Mientras la

EuroNCAP valora la lesión como debido al color las lesiones que puede tener debido a la norma

No. 94. La magnitud del impacto de este tipo es de grado menor debido a que la cabeza no sufre

de algún impacto fuerte y la lesión que adquiere es provocada por las aceleraciones que sufre como

consecuencia del impacto.

En el impacto delantero el índice de lesión que se obtiene es de 14-HIC36 = 291.1. De acuerdo a la

(Tabla II.1) en el Capítulo II se tiene una suave conmoción en el nivel de daño cerebral. Mientras

que para el grado de lesión en el cráneo obtiene la opción sin fractura. La EuroNCAP clasifica el

color de acuerdo al grado de lesión que se obtiene y para este caso de acuerdo a la tabla es de verde.

El impacto con la cabeza se da con la silla de enfrente debido a que el Dummie no cuenta con un

40

0 100 80 60 40 20

Ace

lera

ción G

´

20

60

0

120 140

80

100

Tiempo ms.

B

B

B

A A A A

Nodo 135705 A

CSI B

CSI = 302

t1= 136.8 t2=142.4

t2=10010104.1.9

Capítulo V 96


algún tipo de retención como un cinturón de seguridad, debido a que en este tipo de vehículos aun

no son implementados.

V.7.- Análisis de resultados de CSI

En el impacto trasero se obtuvo una lesión de CSI = 120.0, la UNECE establece que deberá tener

una medición de CFC de 180. La lesión en el pecho entre el esternón y la columna vertebral, la

compresión en el tórax no deberá ser mayor a los 50 mm. El grado de lesión se debe a que el

Dummie no hace un contacto fuerte con el tórax solo a causa por el impacto con la butaca trasera

y por las aceleraciones que sufre el vehículo.

En el impacto delantero el índice de lesión que se tiene en el tórax es de CSI = 302.0. Lo cual de

acuerdo a la norma No. 94 de la UNECE. El valor máximo en este tipo de lesión es de CFC = 180,

lo que ocasionaría lesiones graves en el pasajero tales como; fracturas, fisuras costales, esternales

y claviculares. Así como, en la parte de los pulmones una contusión y rotura pulmonar, traqueal y

de grandes bronquios. La magnitud de la lesión se debe principalmente que el Dummie hace

contacto directo con la butaca que se encuentra ubicado frente a él. El riesgo es aún mayor debido

que el Dummie no lleva ningún tipo de retención de seguridad.

Durante el proceso de simulación se puede observar que el principal contacto que existe entre el

Dummie y la butaca es con la parte del respaldo. En el Capítulo III se mencionan las propiedades

mecánicas del Policloruró de vinilo (PVC). El cual es un material termoplástico de tipo deformable

que por su resistencia mecánica y resistencia al impacto y a la fluencia de fuerzas externas lo hacen

el principal material en la construcción de partes de los asientos, la curva de esfuerzo deformación

del material se presenta a continuación en la (Figura V.7).

La butaca está compuesta principalmente de este tipo de material comenzando desde el respaldo

de la butaca, la parte del asiento en donde se coloca el cojín, a su vez esta parte hace contacto con

los soportes el cual sostienen la butaca. El tipo de material es de forma elasto-plástico. Este tipo de

material permite conocer los principales valores y reales de esfuerzo deformación del material

[V.4]. La (Figura V.7) muestra el módulo de elasticidad el cual se puede apreciar en la gráfica de

un valor de 2.746 kN/mm2 mientras que su resistencia a la cedencia es de 0.055 kN/mm2, cabe

Capítulo V 97


0

1

10

9

8

5

4

2

3

7

6

50 100 150 200 250

Deformación %

Esf

uer

zo M

Pa

PVC

PVC/7.5R

mencionar que estos valores son para un material de Policloruro de Vinilo de tipo rígido el cual es

usado para la construcción de las butacas.

Figura V.7.- Relación esfuerzo-deformación del material PVC/7.5R [V.5]

V.8.- Esfuerzos en las butacas por impacto trasero

Durante el evento de choque por impacto trasero las butacas sufren deformaciones a causa de la

desaceleración que efectúa el autobús. El Dummie es el principal impactador con la butaca debido

a la cercanía con el que se encuentra con la butaca. La (Figura V.8) muestra los esfuerzos que

sufren las butacas, principalmente en la butaca trasera, en la cual el Dummie está colocado. Este

para un impacto de tipo trasero. El intervalo de tiempo inicia desde los 60 ms debido a que en este

tiempo es en donde se genera el primer impacto del Dummie con la butaca, siguiendo una secuencia

de 10 ms como lo muestra la (Figura V.8). Se observa que el mayor esfuerzo se lleva a cabo en la

butaca trasera debido a que el Dummie es impactado con la butaca en el cual está colocado a

consecuencia de un impacto de tipo trasero. El máximo esfuerzo lo tiene a los 70 ms y 80 ms. Esto

debido a que en ese rango de tiempo el Dummie hace el contacto principal con la butaca. El valor

del esfuerzo que se tiene a los 70 ms = 16.25 kPa y 80= 13.75 kPa respectivamente.

Capítulo V 98


0.000e+00

5.416e-03

1.083e-02

1.625e-02

2.166e-02

2.708e-02

3.250e-02

3.791e-02

4.333e-02

4.874e-02

a) 70 ms

0.000e+00

5.178e-03

1.036e-02

1.553e-02

2.071 e-02

2.589e-02

3.107e-02

3.625e-02

4.142e-02

4.660e-02

a) 60 ms.

0.000e+00

4.583e-03

9.166e-03

1.375e-02

1.833e-02

2.291e-02

2.750-02

3.208e-02

3.666e-02

4.125e-02

c) 80 ms.

Capítulo V 99


0.000e+00

5.279e-03

1.056e-02

1.584e-02

2.112e-02

2.640e-02

3.168e-02

3.696e-02

4.224e-02

4.751e-02

d) 90 ms.

0.000e+00

4.766e-03

9.532e-03

1.430e-02

1.906e-02

2.383e-02

2.860e-02

3.336e-02

3.813e-02

4.289e-02

e) 100 ms

0.000e+00

5.258e-03

1.052e-02

1.577e-02

2.103e-02

2.629e-02

3.155e-02

3.680e-02

4.206e-02

4.732e-02

f) 110 ms.

Capítulo V 100


0.000e+00

4.457e-03

8.913e-03

1.337e-02

1.783e-02

2.228e-02

2.674e-02

3.120e-02

3.565e-02

4.011e-02

g) 120 ms.

0.000e+00

4.261e-03

8.523e-03

1.278e-02

1.705e-02

2.131e-02

2.557e-02

2.983e-02

3.409e-02

3.835e-02

h) 130 ms.

0.000e+00

5.020e-03

1.004e-02

1.506e-02

2.008e-02

2.510e-02

3.012e-02

3.514e-02

4.016e-02

4.518e-02

i) 140 ms.

Capítulo V 101


Figura V.8.- Esfuerzos en la butaca para el impacto trasero. a) Inicio 60 ms. b) Primer paso 70

ms. c) Segundo paso 80 ms. d) Tercer paso 90 ms. e) Cuarto paso 100 ms. f) Quinto paso 110 ms.

g) Sexto paso 120 ms. h) Séptimo paso 130 ms. i) Octavo paso 140 ms j) Noveno paso150 ms

0.000e+00 4.483e-03

8.966e-03

1.345e-02

1.793e-02

2.241e-02

2.690e-02

3.138e-02

3.586e-02

4.035e-02

j) 150 ms.

Capítulo V 102


V.9.- Esfuerzo en las butacas por impacto delantero

La (Figura V.9) muestra los esfuerzos que sufre la butaca delantera debido al impacto del Dummie

con el asiento. (Las Figuras V.9) se muestra en vista isométrico y en pasos de tiempo de 60 ms, 65

ms, 75 ms 85 ms 95 ms 140 ms 145 ms y 150 ms, debido a que en estos lapsos de tiempo se generan

los principales puntos de esfuerzo.

0.000e+00

1.982e-03

3.964e-03

5.946e-03

7.929e-03

9.911e-03

1.189e-02

1.388e-02

1.586e-02

1.784e-02

a) 60 ms.

0.000e+00

4.583e-03

9.166e-03

1.375e-02

1.833e-02

2.291e-02

2.750-02

3.208e-02

3.666e-02

4.125e-02

b) 65 ms.

Capítulo V 103


0.000e+00

1.711-02

3.421-02

5.132-02

6.842-02

8.553-02

1.026-01

1.197-01

1.368-01

1.540e-02

c) 75 ms.

0.000e+00

1.694-02

3.387-02

5.081-02

6.775-02

8.468e-02

1.016-01

1.186-01

1.355-01

1.524e-01

d) 85 ms.

0.000e+00

1.807e-02

3.614e-02

5.421e-02

7.228e-02

9.035e-02

1.084e-01

1.265e-01

1.446e-01

1.626e-01

e) 95 ms.

Capítulo V 104


Figura V.9.- Esfuerzos en la butaca para el impacto delantero. a) Inicio 60 ms. b) Primer paso 65

ms. c) Segundo paso 75 ms. d) Tercer paso 85 ms. e) Cuarto paso 95 ms. f ) Quinto paso140 ms.

g) Sexto paso145 ms. h) Séptimo paso150 ms.

0.000e+00

1.612e-02

3.224e-02

4.836e-02

6.447e-02

8.059e-02

9.671e-02

1.128e-01

1.289e-01

1.451e-01

f) 140 ms.

msms.

0.000e+00

1.862e-02

3.724e-02

5.586e-02

7.448e-02

9.310e-02

1.117-01

1.303-01

1.490-01

1.676-01

g) 145 ms.

0.000e+00

1.610e-02

13.221-02

4.831e-02

6.442e-02

8.052e-02

9.663e-02

1.127e-01

1.288e-01

1.449e-01

h) 150 ms.

Capítulo V 105


El mayor impacto se tiene con la butaca de enfrente debido al tipo de impacto, el cual se efectúa la

simulación. La (Figura V.9) muestra los esfuerzos ocasionadas por el Dummie a causa del impacto

con la butaca, se observa que en la butaca de enfrente el esfuerzo se lleva a cabo en la parte baja

del asiento a la altura de las rodillas del Dummie y en la parte superior del asiento en donde el

siento impacto con las extremidades superiores del Dummie pudiendo ser cuello o cabeza. El

esfuerzo en la parte baja del asiento más crítica y extensa con los siguientes valores, 9.166 kPa,

13.750 kPa, 18.330 kPa, 22.910 kPa, 27.500 kPa, 32.080 kPa, 36.660 kPa, siendo la más crítica de

41.25 kPa. En la en la parte superior del asiento en donde el cuello del Dummie hace contacto con

el asiento, el esfuerzo más amplio se genera a los 140 ms y 145 ms con un valor de 48.36 KPa y

55.86 KPa respetivamente para cada tiempo.

V.10.- Sumario

En este capítulo se analizan los índices de lesión que se tienen en la cabeza y en tórax en los dos

diferentes tipos de análisis frontal y trasero. Los resultados que se obtuvieron fueron los siguientes

para un impacto trasero se tuvo una lesión en la cabeza de 14-HIC3 = 183.1. Mientras que para la

lesión torácica es de CSI = 120. Para el impacto frontal se tuvo un resultado de lesión de 14-HIC36

= 291.1 para la cabeza, a su vez para la lesión torácica se obtuvo un valor de CSI=302. De acuerdo

a los datos obtenidos derivado de las simulaciones para cada tipa de impacto para la lesión en la

cabeza y de acuerdo a la tabla de la EuronCAP, Para el primer caso se presenta una ligera lesión

en el pecho, pero en el impacto de tipo frontal debido al índice de lesión que se obtuvo refleja una

lesión mayor con severos daños debido a que en este tipo de impacto se hace contacto con la butaca.

Asimismo, se presentan las principales lesiones que se generan en las butacas para los dos

diferentes tipos de impacto. Para el impacto trasero la principal lesión que se tiene es con la butaca

trasera, el cual el Dummie va sentado. El valor del esfuerzo que se tiene a los 70 ms = 16.25 kPa y

80= 13.75 kPa respectivamente. Esto debido a que en este intervalo de tiempo el Dummie hace el

mayor contacto con la butaca como consecuencia del impacto. Para el impacto de tipo frontal el

mayor contacto lo tienen con la butaca ubicada enfrente del Dummie alcanzando esfuerzos

máximos en un tiempo de 65 ms de 41.25 kPa.

Capítulo V 106


V.11.- Referencias

1.- UNECE, Prescripciones Uniformes Relativas a la Homologación de los Vehículos Respecto a

la Protección de los Ocupantes en Caso de una Colisión Frontal,

E/ECE/TRANS/505/Rev.1/Add.93/Rev.2, 2013.

2.- Galvez, R, R., Simulación de un atropello mediante LS-Dyna, Tesis de licenciatura Universidad

de Carlos III Madrid, Escuela Politécnica Superior, España pp- 60, 2011.

3.- Pérez, C. A., Metodología para evaluar con exactitud la recuperación parcial de forma del

material springback. Tesis de maestría, SEPI-ESIME-IPN, Mexico, pp 138, 2012.

4.- Chiriac, M., Creación y validación de un modelo para el estudio de las lesiones cervicales por

accidentes de trafco, Tesis doctoral, Universidad de Valladalid. España, pp 3-16,3-18, 2008.

5.- Franco-Urquiza, E. A. y Maspoch-Ruldua, M. L., Propiedades mecánicas de residuos de PVC

provenientes de cables eléctricos, Ingenierías, Vol. XVII, No. 62, pp 29-38, 2014.

CONCLUSIONES

Conclusiones


A raíz de los resultados obtenidos en las simulaciones, se observa que la deformación

producida en los asientos se debe al impacto generado por los miembros inferiores sobre el respaldo

de la butaca. Como era de esperar, en la unión del asiento se encontraron deformaciones en los

elementos de sujeción, una restricción que presenta este modelo, es la necesidad de mejorar la

forma de simular los tornillos y tuercas que lo conforman, ya que existen diferentes métodos para

acercar los resultados a los ensayos experimentales.

Las lesiones torácicas típicas de accidentes vehiculares son impactos sin penetración,

debidos a colisiones con el volante, tablero o con el propio sistema de retención, para este caso con

la butaca del autobús urbano. Existen tres tipos de mecanismo de daño: Compresión por cargas

directas contra el pecho, estas pueden ser estáticas o dinámicas; Viscoso, donde la resistencia

ofrecida por los órganos a la carga depende de la velocidad de aplicación de esa carga. A mayores

velocidades de aplicación producen mayor gravedad de las lesiones (efecto dinámico); e Inercial

que se da por efectos inerciales de los propios órganos humanos contra la caja torácica.

De acuerdo a los datos obtenidos de las simulaciones se obtiene que para el caso de una

colisión frontal y debido al valor obtenido de HIC de 291 se presenta a nivel de daño cerebral, una

suave conmoción, mientras que para el nivel de daño en el cráneo se tiene una lesión de tipo sin

fractura.

Para el caso de tipo trasero y debido al valor de HIC de 183.1 obtenido como resultado de

las simulaciones se obtuvo el nivel deño cerebral, como una suave conmoción mientras que para

el nivel de daño en el cráneo también se obtiene una de tipo sin fractura.

Igualmente se analizaron las deformaciones torácicas que ocurren en los dos diferentes tipos

de impacto y se concluye que para el valor de la lesión en el tórax para un impacto trasero es CSI

= 120.0. Para el primer caso se presenta una ligera lesión en el pecho.

Mientras que para el tipo frontal se obtuvo el índice de lesión torácica de CSI = 302.0, pero

en el impacto de tipo frontal debido al índice de lesión que se obtuvo refleja una lesión mayor con

Conclusiones


severos daños debido a que en este tipo de impacto como lo muestra la figura el dummie hace

contacto con la butaca. Lo que ocasionaría lesiones graves en el pasajero tales como: fracturas,

fisuras costales, esternales y claviculares. Así como, en la parte de los pulmones una contusión y

rotura pulmonar, traqueal y de grandes bronquios.

Se presentan los principales daños que se generan en las butacas. Para el impacto trasero el

principal daño que se tiene es con la butaca trasera, el cual el Dummie va sentado. El valor máximo

de esfuerzos 16.25 KPa se presenta entre los 70 ms y 80 ms. Esto debido a que en este intervalo de

tiempo el Dummie hace el mayor contacto con la butaca como consecuencia del impacto.

Para el impacto de tipo frontal se presentan deformaciones en el primer asiento. En el

asiento, el cual el Dummie se impacta, se tiene un esfuerzo máximo de acuerdo a la figura de 41.25

KPa en el tiempo de 65 ms; Esto debido a que el Dummie hace contacto con el asiento. Para este

tipo de impacto en la parte superior del asiento en donde el cuello del Dummie colisiona con el

asiento los esfuerzos más amplios se generan entre los 140 ms y 145 ms los siguientes esfuerzos

con un valor de 48.36 KPa y 55.86 KPa respetivamente para cada tiempo.

TRABAJOS FUTUROS

Trabajos Futuros


Se propone realizar nuevos análisis numericos del elemento finito considernado la

tornilleria y ademas los elemntos de sujecion que se utilizan en la colocacion de las butacas dentro

de los autobuses, con la finaldiad de visualisar principalmente los esfuerzos que se generan, así

como la forma en que estos influyen en la deformacion de las butacas.

De igual manera, se estima realizar simulaciones de impacto lateral con la finalidad de

corroborar las posibles lesiones en el pasajero, principalmente cuando ocurre un accidente donde

se genera una combinacion de impactos.

Realizar nuevas simulaciones con diferentes materiales que permitan modificar las

deformaciones que se generan a consecuencia del impacto, con la finalidad de proponer la

fabricacion de butacas, con caracteristicas de mayor rigidez pero al mismo mismo tiempo

lo suficientemente deformables que permitan absorber la mayor cantidad de energia de

impacto que se generan durante los diversos escenarios de colisión.

simulaciÓn numÉrica del impacto de butacas de un … · 2017. 5. 30. · secciÓn de estudios de...

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