Attenuatori d'urto SMA su Strade&Autostrade - 10/01/2013

Attenuatori d'urto SMA su Strade&Autostrade

Pubblicato il 10/01/2013

Sul numero 97 di Strade&Autostrade è possibile leggere l’articolo sugli attenuatori d’urto S.M.A.:

Il primo attenuatore d’urto redirettivo progettato in Italia.

La robustezza e l’affidabilità del progetto sono testimoniate dall’avere eseguito dodici crash test di omologazione tutti superati al primo tentativo senza necessità di dover ripetere nessun test sperimentale. La progettazione dell’attenuatore d’urto S.M.A. (Safety Modular Absorber) è stata orientata a soddisfare i seguenti target di progetto:

-          Sicurezza elevata: anche se non espressamente richiesto dalla normativa sono stati monitorati oltre all’ASI (Acceleration Severity Index) i parametri biomeccanici come l’HIC (Head Injury Criteria) ottenendo valori dell’HIC sempre inferiori a 200. Questo garantisce che l’occupante del veicolo a valle dell’urto non subisca nessun danno rilevante.

-          Riutilizzabilità: i componenti dell’attenuatore non destinati all’assorbimento energetico sono stati dimensionati in modo tale che a valle di un impatto normato l’attenuatore d’urto S.M.A. possa essere riutilizzato semplicemente ripristinando i pannelli assorbitori. Questo aspetto consente di ridurre i costi di manutenzione della strada da parte del gestore della medesima

-          Ingombri ridotti: la lunghezza dell’attenuatore è stata ridotta al minimo possibile grazie alla elevata efficienza degli assorbitori d’urto utilizzati. La lunghezza ridotta consente di utilizzare gli attenuatori d’urto laddove prima non era possibile come ad esempio nei by-pass delle gallerie. Inoltre da un nostro studio è emerso che la probabilità di impatto contro un attenuatore è correlata alla lunghezza dell’attenuatore medesimo: quanto più corto è l’attenuatore minore è la probabilità che si verifichi un impatto, semplicemente perché l’attenuatore d’urto di per sé costituisce un ulteriore ostacolo al moto dei veicoli sulla strada. Lo studio è stato eseguito confrontando due attenuatori di 3 metri e 5 metri di lunghezza della stessa classe di velocità (80 Km/h) installati in corrispondenza di uno svincolo della SS 162 NC Asse Mediano a parità di volume di traffico e di traiettorie. Si è stimato che la probabilità di impatto è di circa 14 urti/anno per l’attenuatore di  5 metri ed è di circa 8 urti/anno per l’attenuatore di 3 metri.

-          Facilità di installazione: generalmente gli attenuatori d’urto sono montati sul luogo di installazione, questo aspetto fa lievitare i costi. Le caratteristiche costruttive dell’attenuatore d’urto S.M.A. consentono il montaggio in fabbrica e quindi l’attenuatore viene consegnato nel luogo di installazione già montato in ogni sua parte. L’installazione si riduce al solo fissaggio al suolo mediante ancoranti chimici o viti di collegamento.

-          Assenza di manutenzione: si è scelto di realizzare un attenuatore completamente in acciaio zincato in ogni sua parte. A differenza di attenuatori con assorbitori ed elementi in plastica o tela, gli S.M.A. mantengono costante nel tempo le caratteristiche di funzionalità, in quanto l’acciaio non degrada. Questa scelta consente di eliminare completamente gli aspetti manutentivi (a meno della sostituzione dei pannelli assorbitori a valle di un impatto) e di garantire la classe 0 come resistenza al fuoco.

-          Costo ridotto: la tipologia di materiale utilizzato per la costruzione (acciaio), i pesi contenuti e l’elevata automazione associata a processo produttivo e di montaggio consentono la realizzazione di un prodotto con i costi tra i più contenuti delle categoria. Oltre alla riduzione dei costi diretti di prodotto è da considerare anche la riduzione dei costi indiretti associati alle caratteristiche su menzionate, ovvero: minori costi di installazione; riutilizzo dopo l’urto; basso costo di incidenza dei ricambi; minore probabilità di impatto.

Gli aspetti sopra elencati costituiscono in molti casi un’assoluta novità nell’ambito del mercato globale degli attenuatori d’urto.

Aspetti tecnici generali

Il problema della progettazione di un attenuatore d’urto stradale può essere schematizzato per semplicità con il problema di arrestare una certa massa, dotato di velocità iniziale V0, in determinato spazio S.

La normative europea EN 1317 definisce un limite per il massimo valore della decelerazione ammissibile di un veicolo durante l’impatto di questo con un attenuatore d’urto. La normativa impone, infatti, un limite superiore all’ASI (Accelerartion Severity Index) e tale limite superiore si traduce in un limite al valore massimo della decelerazione del veicolo nella direzione del moto dello stesso.

Durante l’impatto del veicolo contro l’attenuatore d’urto la forza necessaria a deformare l’attenuatore determina il livello di decelerazione del veicolo impattante semplicemente perché la forza inerziale del veicolo (Fi = m a, dove m è la massa del veicolo ed a la decelerazione) uguaglia in ogni istante la forza F necessaria a deformare l’attenuatore medesimo. Generalmente gli attenuatori d’urto contengono dei dispositivi di assorbimento energetico che trasformano l’energia cinetica del veicolo in energia interna di deformazione degli assorbitori. E’ utile ai fini della progettazione definire allora l’efficienza, η, di un assorbitore d’urto in termini del diagramma forza spostamento nel modo seguente:

                                                  (1)

dove Fm ed Fmax sono rispettivamente  la forza media e la forza massima esercitate sull’assorbitore; F(x) è la forza necessaria a deformare l’assorbitore d’urto, x è la deformazione corrente dell’assorbitore durante l’impatto ed S è la massima deformazione dell’assorbitore a valle dell’urto. Se l’assorbitore lavora durante un impatto frontale con un veicolo a motore, è chiaro che l’efficienza dell’assorbitore è in buona approssimazione uguale al rapporto tra la decelerazione media, am, e la decelerazione massima, amax, del veicolo durante l’impatto.

Facendo riferimento ad un impatto frontale la EN 1317 fornisce un limite per la massima decelerazione, amax, nella direzione del moto del veicolo. La norma impone che amax<16.8 g = 12g ASImax, dove ASImax=1.4 e g è l’accelerazione di gravità pari a 9.81 m/s2. Ragionando in questi termini è possibile prevedere la minima lunghezza possibile di un attenuatore d’urto una volta che siano stati fissati il livello di severità dell’impatto (ASI) e l’efficienza degli assorbitori d’urto.

E’ evidente dall’equazione (2) come, per ogni livello di velocità (V0 = 50, 80, 100 e 110 Km/h) e fissato il livello di severità dell’impatto (ASI, in ogni caso < 1.4), la lunghezza dell’attenuatore d’urto dipenda essenzialmente dall’efficienza degli assorbitori: per lo stesso livello di velocità un attenuatore più corto corrisponde ad un’efficienza più elevata.

L’assorbitore d’urto A.M.S. a nido d’ape

La Industry A.M.S. srl ha sviluppato e brevettato un assorbitore d’urto ad elevata efficienza secondo la definizione dell’equazione (1). L’assorbitore in oggetto è costituito da un nido d’ape metallico ottenuto mediante lo stampaggio e poi la saldatura di nastri di lamiera. Il processo produttivo completamente automatizzato sia nella fase di stampaggio che di saldatura consente di ottenere pannelli a nido d’ape a basso costo e quindi utilizzabili per prodotti caratterizzati da volumi elevati di vendita. In figura 2 è raffigurata la modalità con cui l’assorbitore d’urto si deforma plasticamente durante l’impatto.

In figura 3 è riportato il diagramma della forza necessaria a deformare l’assorbitore in funzione della sua deformazione. La figura 2 evidenzia che la curva caratteristica dell’assorbitore in esame è molto simile ad una funzione a gradino in quanto il livello di forza si mantiene pressoché costante durante tutto il processo di deformazione. Quest’aspetto consente che non ci siano picchi di decelerazione durante l’impatto del veicolo e di ottenere di conseguenza dei parametri biomeccanici tali da salvaguardare l’incolumità degli occupanti del veicolo. Dalla curva rappresentata in figura 3 è stata calcolata l’efficienza dell’assorbitore che risulta essere pari al 92%. Questa elevata efficienza consente in accordo con l’equazione (2) di realizzare un attenuatore d’urto di lunghezza estremamente ridotta. La minima lunghezza possibile corrisponde ad un’efficienza del 100% e quindi ad una lunghezza del solo 8% inferiore a quella dell’attenuatore S.M.A.

Famiglia di attenuatori d’urto S.M.A.

Il pannello a nido d’ape in acciaio, descritto precedentemente, è stato utilizzato come elemento assorbitore per la famiglia di attenuatori d’urto S.M.A. L’elevata efficienza dell’assorbitore ha consentito di realizzare attenuatori d’urto per le classi di velocità di 50 Km/h, 80Km/h, 100 Km/h e 110 Km/h di lunghezza 2.0 m, 3.3 m, 5.1 m e 6.4 m, rispettivamente. E’ bene precisare che tali lunghezze coincidono con la lunghezza operativa dell’attenuatore medesimo e che quindi l’attenuatore può essere posizionato a ridosso dell’ostacolo da proteggere.

Nella figura 4 sono riportate le immagini delle prove di omologazione TC.1.3.110, la più gravosa in termini di velocità ed energia cinetica per l’attenuatore d’urto S.M.A. 110, in tre istanti diversi di tempo. La figura 4d mostra che a valle dell’impatto l’abitacolo della vettura è pressoché rimasto indeformato tanto che la portiera del veicolo può essere aperta facilmente e non rimane bloccata. Questo aspetto è importante perché consente al conducente a valle dell’urto di allontanarsi dal veicolo con le proprie gambe, senza dover aspettare l’arrivo dei soccorsi.

La deformazione dell’attenuatore avviene in maniera progressiva ed ordinata e questo aspetto è riscontrabile anche nel diagramma acccelorometrico relativo riportato in figura 5: la curva dell’ASI risulta avere un andamento pressoché costante che esclude la presenza di picchi di decelerazione che pregiudicherebbero la sicurezza in termini di parametri biomeccanici.

I risultati in termini di accelerazioni ottenuti dalle dodici prove sperimentali eseguite con successo presso il campo di prova del CSI spa di Bollate (MI) sono stati utilizzati per calcolare l’Head Injury Criteria (HIC) per ogni prova, eseguendo delle simulazione numeriche dell’urto slitta con il manichino. L’HIC è un parametro biomeccanico basato sui dati accelorometrici del centro di gravità della testa del manichino ed il suo valore è fortemente correlato ai danni riportati dal conducente in seguito ad un impatto. I dati in termini di HIC in funzione dell’ASI per ogni prova sperimentale sono riportati in figura 6 insieme con il diagramma del MAIS (Maximum Abbreviated Injury Scale). La figura mostra che in ogni prova l’HIC è sempre minore di 200 e che per valori di HIC minori di 200 il valore del MAIS è sempre inferiore a 2 (MAIS = 2 corrisponde a danni di lieve entità sul conducente)