Amortiguadores de impacto S.M.A. en el Suplemento de Seguridad y Protección

En el Suplemento de Seguridad de marzo/abril de 2013, puede leer un artículo dedicado a los amortiguadores de impactos de S.M.A. El título del artículo es: Barrera, la seguridad ante todo.
Amortiguador de impactos SMA (Absorbedor Modular de Seguridad): el primer amortiguador de impactos redirigente diseñado y fabricado en Italia.

Introducción

Industry A.M.S. srl ha diseñado y patentado una familia de amortiguadores de impacto redirigentes capaces de detener un vehículo desde 50 km/h hasta 110 km/h. Recientemente, también obtuvo la certificación CE para la versión paralela, mientras que la versión en forma de V ya se encuentra en fase de pruebas experimentales.

De hecho, se ha aplicado un enfoque de diseño robusto; hasta la fecha, los amortiguadores de impacto SMA (Absorbedor Modular de Seguridad) han superado con éxito doce pruebas experimentales, cada una a la primera. Esto demuestra la fiabilidad del proyecto. En la figura 1 se muestra la familia de amortiguadores de impacto para velocidades de 50, 80, 100 y 110 km/h.

El diseño del amortiguador de impactos SMA se orientó a cumplir los siguientes objetivos:

• Alta seguridad: el criterio de lesión en la cabeza (HIC) se controla aunque no lo exija expresamente la normativa europea; el nivel del HIC nunca supera 200 y esto permite que la escala máxima abreviada de lesiones sea siempre inferior a 2; esto significa que el conductor no sufre lesiones graves como fractura de esternón.
• Reutilización: Los componentes del amortiguador de impactos no destinados a la absorción de energía están diseñados para conservar su forma original tras un impacto en las condiciones del 1317. Esto significa que, tras un impacto, solo deben sustituirse los amortiguadores. Esto resulta especialmente útil para el gestor de carreteras, ya que contribuye a reducir los costes de mantenimiento.
• Longitud: la alta eficiencia de los amortiguadores permite minimizar la longitud del cojín de choque. La longitud reducida permite usar cojines de choque en lugares donde antes no era posible: un ejemplo típico es el by-pass en los túneles. Además, nuestro estudio reciente muestra claramente que la probabilidad de impactar un cojín de choque aumenta a medida que aumenta la longitud del cojín de choque, simplemente porque el cojín de choque en sí se comporta como un obstáculo en las carreteras. Un cojín de choque de 3 metros se compara con un cojín de choque de metros con respecto al efecto sobre la probabilidad de impactar el cojín de choque en sí. El estudio se refiere a una instalación en correspondencia de una puerta de la autopista SS 162 NC Asse Mediano: el flujo de vehículos se supone que es de 3000 vehículos por día, el límite de velocidad está fijado a 80 Km/h. En estas condiciones, la probabilidad de obtener un impacto es de 14 impactos por año para el cojín de choque de 5 metros y es de 14 impactos por año para el cojín de choque de 3 metros. Esto significa que la probabilidad de impactar un cojín de choque es simplemente proporcional a su longitud: un cojín de choque más corto es un cojín de choque más seguro.
• Fácil instalación: el amortiguador de impactos está diseñado para entregarse ya ensamblado en cada pieza; existen dos opciones de instalación: mediante tornillos de conexión (las tuercas se incrustan en la base de hormigón) y mediante anclajes químicos. La primera opción evita obstrucciones en el suelo y es especialmente adecuada para resistir impactos repetidos. Se está estudiando la posibilidad de fijar el sistema directamente al asfalto con anclajes químicos.
• Sin mantenimiento: El uso de materiales de alta durabilidad es fundamental para reducir los problemas de mantenimiento. El amortiguador de impactos está fabricado en acero galvanizado en todas sus partes, por lo que no requiere ajustes si no hay impactos y cumple con la clase de resistencia al fuego cero. Esto último permite su uso en túneles.
• Bajo costo: El costo del producto se ve afectado principalmente por el costo del material y el costo del proceso. El uso de acero al carbono y un proceso automatizado permite reducir al mínimo el costo del producto en la categoría de amortiguadores de impacto. El bajo costo directo también se acompaña de bajos costos indirectos relacionados con la instalación, la reutilización, el mantenimiento y la baja probabilidad de impacto (debido a su menor longitud).

Aspectos técnicos generales

Los problemas involucrados en el desarrollo de un amortiguador de choque pueden esquematizarse como el problema de detener una cierta masa que se mueve a una velocidad inicial V0 en un cierto espacio S.

La normativa europea EN 1317 define un límite para la desaceleración máxima del vehículo durante el impacto de un amortiguador a través de la definición del parámetro ASI.

Durante el impacto, la fuerza necesaria para deformar el amortiguador afecta el nivel de desaceleración del vehículo, simplemente porque la fuerza de inercia Fa = m a del vehículo (donde m es la masa del vehículo y a la desaceleración) es igual en cada momento a la fuerza F necesaria para deformar el amortiguador. Generalmente, los amortiguadores contienen absorbedores de energía que transforman la energía cinética del vehículo en energía interna. Es útil definir la eficiencia, η, de los absorbedores de energía en términos de fuerza, como se indica a continuación.

1. donde F(x) es la fuerza requerida para deformar el absorbedor de energía, x es la deformación actual del absorbedor de energía y S es la deformación máxima que sufre el absorbedor, F_m es la fuerza media y F_max es la fuerza máxima que actúa sobre el vehículo. Si el absorbedor funciona durante un impacto con un vehículo, es evidente que la eficiencia del absorbedor es igual a la relación entre la desaceleración media y la desaceleración máxima durante el impacto. En referencia a un impacto frontal, la EN 1317 nos da un límite para a_max: a_max><16,8 g = 12 g ASI_max, donde ASI_max=1,4. Según este enfoque, la longitud mínima del amortiguador de impactos se puede predecir fácilmente, una vez que se conocen el ASI deseado y la eficiencia del absorbedor de energía:
2. La ecuación (2) muestra claramente que, independientemente del nivel de velocidad (V₀ = 50, 80, 100 e 110 Km/h) y fijo el nivel de severidad del impacto (ASI, en cualquier caso < 1,4), la longitud del amortiguador de impacto (S) se ve principalmente afectada por la eficiencia de los absorbedores de impacto (h): para el mismo nivel de velocidad, un amortiguador de impacto más corto corresponde a una mayor eficiencia.

El amortiguador de impactos AMS: un panal metálico

Industry A.M.S. srl ha desarrollado y patentado un amortiguador de impactos de alta eficiencia, según se define en la ecuación (1). El amortiguador consiste en un panal metálico fabricado mediante tecnología de estampación y soldadura a partir de láminas metálicas. El proceso de fabricación de los paneles de acero alveolar es completamente automático y permite su uso en todas las situaciones donde se requiere un bajo coste.

La curva de fuerza versus desplazamiento que se muestra en la Figura 2 es similar a una función escalonada, lo que significa que el panal de acero se comporta prácticamente como un absorbedor de energía perfecto. Este aspecto cobra especial relevancia al considerar los parámetros biomecánicos que permiten evaluar la lesión del conductor durante un impacto. Mientras el diagrama de desaceleración no presente picos, los parámetros biomecánicos, como los criterios de lesión en la cabeza (HIC), se limitan a valores tales que el conductor no experimente lesiones graves. Además, se calcula que la eficiencia de la energía absorbida es de aproximadamente 0,92 (92%). Esta alta eficiencia permite la construcción de un amortiguador de impactos con una longitud muy pequeña, según la ecuación (2). La longitud mínima de un amortiguador de impactos se puede calcular fácilmente a partir de la ecuación (2), asumiendo una eficiencia del 100%. Esto significa que un amortiguador de impactos perfecto e ideal podría ser más corto que el de la SMA, de tan solo un 8%.

Familia de amortiguadores de impacto SMA

Se han diseñado amortiguadores de impacto para velocidades de 50 km/h, 80 km/h, 100 km/h y 110 km/h utilizando un absorbedor de energía de panal de acero. Gracias a la alta eficiencia del absorbedor, se logró reducir el tamaño de los amortiguadores a 2,0 m, 3,3 m, 5,1 m y 6,5 m para 50 km/h, 80 km/h, 100 km/h y 110 km/h, respectivamente. Cabe destacar que las longitudes mencionadas coinciden con las longitudes operativas, por lo que el amortiguador de impacto SMA puede colocarse cerca del obstáculo a proteger, sin necesidad de espacio adicional para su instalación.

En las figuras 4a-4c se muestran imágenes de la prueba de homologación TC.1.3.110 en tres momentos diferentes. Esta prueba de choque es la más rigurosa de toda la familia en términos de energía, masa y velocidad. La deformación del amortiguador de impactos se produce de forma progresiva y lenta, sin variación brusca del movimiento del vehículo. La figura 4d muestra que, tras el impacto, la cabina permanece prácticamente indeformada, lo que permite al conductor abrir fácilmente la puerta del vehículo. Esta característica, junto con los resultados de los parámetros biomecánicos, permite concluir que el conductor, tras un impacto a 110 km/h con el amortiguador de impactos SMA, podrá abandonar el vehículo con las piernas libres sin esperar la ayuda del personal de socorro.

En la figura 5 se presenta el diagrama ASI en función del tiempo, tanto para la prueba experimental como para la numérica. Cabe destacar que el cálculo numérico permite predecir con bastante precisión el comportamiento experimental del amortiguador de impactos; de hecho, las dos curvas de la figura 5 están prácticamente superpuestas. Además, la curva ASI es muy plana y no presenta picos. Esta característica excluye la posibilidad de picos en el diagrama de desaceleración que podrían poner en peligro la seguridad del conductor.

Los resultados en términos de desaceleración del centro de masas del vehículo obtenidos durante las doce pruebas de choque realizadas en el campo de pruebas CSI spa se han utilizado para calcular los criterios de lesión en la cabeza (HIC). El HIC se ha obtenido mediante una simulación numérica de la prueba de trineo con un maniquí híbrido III. El HIC es un parámetro biomecánico basado en el diagrama de aceleración del centro de gravedad del maniquí. Se ha demostrado que el HIC está bien correlacionado con la lesión en la cabeza del conductor. Los resultados de estos cálculos en términos de HIC versus ASI se presentan en la figura 6 junto con el diagrama de la MAIS (Escala Máxima Abreviada de Lesiones) versus el HIC. La figura 6 muestra claramente que el HIC calculado siempre es inferior a 200, independientemente del tipo de prueba de choque, y que el MAIS es como máximo igual a 2 (con una probabilidad del 20%). Esta última característica excluye lesiones graves del conductor.