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SCIENZE E RICERCHE • N. 24 • 1° MARZO 2016 | SCIENZE DELLA VITA E DELLA SALUTE

viene calcolata la probabilità AIS 4 +, concludendo che la lesione alla testa è più pericolosa in caso di pedone adole-scente, mentre la ferita della cassa toracica è più pericolosa nel caso di ciclista adolescente. Inoltre il ciclista adolescente ha una maggiore possibilità di sopravvivenza rispetto al ci-clista adulto. Incidentologia e simulazioni mostrano che il parabrezza è una posizione di impatto frequente per testa e torace.

1. INTRODUZIONE

Ogni giorno in Italia un ciclista perde la vita, e altri ciclisti mostrano ferite più o meno gravi, che richiedono ospedalizzazione. I numeri mostrano una vera emergenza per-ché ci sono almeno 1.000 morti negli ulti-

mi 3 anni. Il rischio di mortalità, calcolando il valore medio di 1, per i ciclisti è 2.18, più del doppio del valore di base. Il tasso di mortalità è uguale a 0,78 per le automobili, 0,67 per i camion, 0,48 per gli autobus, 1.06 per i ciclomotori.

Le cause degli incidenti sono le condizioni delle strade, troppo spesso ina-deguate e pericolose per la presenza eccessiva di bu-che, tombini installati in modo non corretto e ter-reno irregolare. Il pericolo più grande per il ciclista è determinato da automo-bili e camion che sono classificati come le cause più pericolose. La causa di possibili incidenti, tut-tavia, è determinata dalla disattenzione del ciclista o da una condotta dissoluta

Le situazioni di impatto e la dinamica di ciclista e pedone sono le informazioni fondamentali per lo sviluppo di solu-zioni efficaci per migliorare la protezione del pedone e del ciclista in caso di urto con autovetture. La casistica degli incidenti a Palermo, negli ultimi anni, avvenuti su strade ur-bane (84%) che coinvolgono adolescenti (6,4%), mostra che i ciclisti hanno in genere una posizione di impatto superio-re rispetto al pedone, con una quota maggiore di lesioni per urti nella zona del parabrezza. In questo lavoro è eseguita la simulazione dinamica per lo studio delle lesioni alla testa e al torace dell’adolescente, tra una bicicletta generica e un modello di auto che presenta caratteristiche vantaggiose per la sicurezza del pedone o del ciclista. Il software SimWise (Visual Nastran) è stato usato per la simulazione multibody dell’impatto; il modello antropomorfo, l’auto e le biciclet-te sono quelli utilizzati in lavori precedenti. L’attenzione è su un ciclista adolescente, perché i relativi dati di lesione si trovano in letteratura con difficoltà. I dodici test d’impatto completo (auto contro ciclista) hanno come parametri prin-cipali: velocità del veicolo (20, 30, 40 e 50 km/h), con tre di-verse posizioni del ciclista rispetto al veicolo: fronta-le, laterale e posteriore. La posizione di impatto della testa (sopra il cofano, nel parabrezza), determinato dalla prova di crash, mo-stra che la protezione del ciclista dovrebbe essere migliorata nella zona più alta del parabrezza, ri-spetto a quelle pedonali. La ferita alla testa viene analizzata utilizzando il parametro HIC e la ferita al torace è analizzata se-condo il criterio dei 3 ms;

Valutazione delle lesioni nell’impatto ciclista adolescente - veicolo con simulazione multibody FILIPPO CAROLLO1, GABRIELE VIRZÌ MARIOTTI1, EDOARDO SCALICI2

1 Dipartimento Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica, Meccanica (DICGIM), Università di Palermo

2. Dipartimento di Biopatologia e Biotecnologie Mediche e Forensi (DIBIMEF), Università di Palermo

SCIENZE DELLA VITA E DELLA SALUTE | SCIENZE E RICERCHE • N. 24 • 1° MARZO 2016

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Figura 3: luogo di incidente stradale

Figura 4: tipologia di bicicletta

Figura 5: tipologia dei trasporti coinvolti

Figura 6: dinamiche di incidente

Figura 7: lesioni del ciclista

nella gestione delle due ruote.Si è fatto riferimento a lavori precedenti per lo studio del

modello antropomorfo della figura umana di un adolescente [1], [2] o adulto [3], [4], [5] intesi come un complesso di ossa, muscoli e articolazioni; per la progettazione del telaio e la geometria della bici [6] [7],e infine per il modello della macchina [8]. Si studiano le lesioni sul ciclista adolescente perché la letteratura è carente, mentre qualche articolo si tro-va per gli adolescenti sugli scooter [9] o con il casco [10].

I documenti sull’impatto veicolo-ciclista sono frequenti nella letteratura, come [11], [12], [13], [14], [15]; molti au-tori si soffermano sul confronto dei risultati di impatto tra veicolo–ciclista e veicolo -pedone [16], [17], [18]; infine, al-tri autori [19] fermano l’attenzione sul rischio di lesioni alla testa con l’analisi del casco [10] [20]. Molti lavori riportano un’analisi statistica di effettivi incidenti, eseguendo prove con programmi di simulazione numerica; i programmi più ampiamente usati sono MADYMO e PcCrash. In [21] gli au-tori concludono che il parabrezza è di frequente una posizio-ne di impatto per testa e busto; in [22] gli autori indicano che le contromisure sulle auto, progettate per mitigare le ferite dei pedoni, sono potenzialmente efficaci anche per i ciclisti. In questo lavoro è dato un contributo per l’ottimizzazione di automobili e biciclette, per limitare i danni alle parti. Le simulazioni sono eseguite utilizzando SimWise (Visual Na-stran) per quantificare i danni alla testa e al torace. Le lesioni alla testa sono studiate usando il criterio HIC mentre i danni al torace sono stimati utilizzando il criterio dei 3ms.

2. STATISTICHE D’IMPATTO VEICOLO-CICLISTA

Le statistiche [23] [24] mostrano che i ciclisti, interagendo con altri e soprattutto con veicoli a motore, sono gli utenti che meno di tutti rispettano le regole della circolazione stra-dale, adottando spesso un comportamento imprevedibile.

Figura 1: età dei ciclisti coinvolti in incidenti stradali.

Figura 2: sesso di ciclisti coinvolti in un incidente stradale.


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risultato del colpo sul terreno dell’arto che si frattura (in que-sto caso l’arto contro laterale al punto di impatto).

La frattura isolata della clavicola (controlaterale al punto di impatto) si verifica nella fase di riduzione, in collisioni a velocità bassa/moderata.

I trauma cranici con o senza frattura (dentale, maxillo-facciale o ossa nasali) sono prodotti generalmente nella fase di caricamento o proiezione del soggetto. Nella stessa fase si producono lesioni alla testa con o senza fratture. Inoltre, nei casi di impatto posteriore (soprattutto a velocità media) si ottengono lesioni di massa facciale o lesioni multiple ad arti superiori (protesi in avanti in difesa delle zone più nobili: testa e faccia).

Infine, lesioni complesse e combinate (fratture multiple per gli arti superiori e inferiori, così come i traumi cranio facciali) sono presenti in casi di proiezione, come risultato di un impatto posteriore.

L’integrazione e l’analisi dei dati disponibili rende possi-bile una ricostruzione (seppur breve) dell’incidente e la de-terminazione della velocità di impatto.

3. SCALA DELLE LESIONI

La più diffusa scala delle lesioni anatomiche è AIS, (Ab-breviated Injury Scale). Essa classifica le lesioni presenti in una determinata regione del corpo attraverso un sistema di punteggio globale basato su aspetti anatomici. Trova appli-cazione in medicina legale per quantificare l’entità del trau-ma trovato su un corpo in modo che i valori più alti corri-spondano alle lesioni AIS più gravi. La scala della gravità è ordinata in 9 punti; il punteggio più alto corrisponde ad una ferita mortale. La valutazione del punteggio della gravità delle lesioni è fatta dividendo il corpo in sei regioni, come mostra la tabella 1.

Il valore numerico della scala AIS è determinato attraverso studi di vittime di incidenti in cui le lesioni erano già sta-te classificate secondo la scala di AIS. Una descrizione più dettagliata si trova nella letteratura internazionale, [7] o [1], [3], [4].

Lo studio di lesioni al cervello è stato molto ricercato in passato; ad esempio in [26] è stato condotto uno studio per determinare lo sforzo sul cranio e sul cervello per mezzo di un’analisi elastica con il FEM. Oggi si preferisce l’uso di criteri di rischio, sulla base di analisi statistiche, per la te-sta e per le varie parti del corpo. I più comuni sono: criterio di lesioni alla testa (HIC) e indice Gadd (GSR) per la testa; risposta di lesioni viscose (VC), e criterio 3ms (3ms) per il torace, il collo, il femore e la tibia, l’Indice Trauma Toracico (TTI) per il torace. Anche in questo caso la letteratura inter-nazionale fornisce informazioni sui vari criteri di rischio [1], [3], [27], [28]. HIC è utilizzato per caratterizzare le ferite della testa nell’impatto con le varie zone del veicolo; è usato anche per trovare correlazioni tra le deformazioni osservate nel veicolo e la grandezza dell’accelerazione.

Secondo la direttiva FMVSS [29], l’HIC non deve esse-re maggiore o uguale a 1000 sopra una gamma di larghezza

I risultati statistici di incidenti a Palermo sono riportati in fig. 1-6 e sono effettuati analizzando i dati di 154 incidenti che coinvolgono piloti di biciclette. I dati sugli ultimi due anni sono derivati dagli archivi della polizia municipale del-la città di Palermo e dagli archivi di tre compagnie di assi-curazione: i dati personali (età e sesso) del guidatore, i dati che sono registrati sul luogo dell’incidente, il tipo di bici, e danni ai veicoli coinvolti, così come i danni fisici segna-lati dal ciclista. Questi dati sono disaggregati prendendo in considerazione solo le cause più importanti, perché le lesioni coinvolgono più regioni del corpo. In tutti i casi le lesioni e/o contusioni che sono riportate in varie parti del corpo (so-litamente arti superiori e inferiori), sono segnalate in Fig. 7.

I dati più rilevanti emergono dall’integrazione delle lesioni che il ciclista ha sostenuto con l’incidente; Inoltre la dimen-sione e posizione delle lesioni può dare informazioni con-clusive sulla velocità di impatto e la dinamica (soprattutto in situazioni con dichiarazioni contrastanti).

Analizzando i dati disponibili, la frattura (anche di entram-be le ossa - tibia e perone) delle gambe è dovuta all’impatto con il paraurti del veicolo, o come il risultato di una caduta con appiattimento dell’arto sul terreno (in questo caso arto controlaterale al punto di impatto).

Il caso più frequente è l’impatto laterale a velocità bassa/moderata, senza caricamento o proiezione del ciclista. Allo stesso modo, in un incidente a velocità bassa/moderata si in-corre nella frattura isolata della clavicola durante la fase di caduta.

Così come nell’investimento di un pedone, nel caso del conducente di una bicicletta, possono essere differenziate cinque fasi, che non sono sempre presenti e/o consequen-ziali:

-Fase di impatto;-Fase di riduzione;-Caricamento;-Fase di propulsione (o spinta);-Fase di arruotamento.La fase di impatto si verifica con il primo contatto tra il

veicolo e il corpo ed è il più chiaro segno dell’investimento.La fase di riduzione si verifica quando la vittima va a con-

tatto con il suolo dopo la collisione, ed è la causa predomi-nante dei danni delle parti sporgenti delle superfici degli arti (gomiti, ginocchia, mani).

La fase di caricamento si verifica quando il soggetto è “ca-ricato”, come conseguenza di impatto, contro il cofano e/o parabrezza del veicolo investitore, questo può causare lesioni alla testa o alla faccia.

La fase di spinta avviene quando il soggetto investito è proiettato in avanti con lesioni diffuse o escoriazioni nocive per le membra.

Infine la fase di arruotamento avviene quando la ruota del veicolo investitore monta sopra il corpo della vittima giacen-te a terra.

L’analisi dei dati disponibili mostra che la frattura (isolata o di entrambe le ossa - tibia e perone) delle gambe è causata dall’urto diretto sul paraurti del veicolo investitore, o come


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solo su prove di impatto che interessano la testa; gli esperi-menti per lo sviluppo di questa correlazione sono stati effet-tuati sui cadaveri. Questo è indicato per esempio nei lavori [3] e [4].

Il trauma al torace può coinvolgere la parete ossea del pet-to, le costole e la colonna vertebrale, la pleura, il polmone, il diaframma o il contenuto del mediastino. A causa del poten-ziale della lesione anatomica e funzionale delle coste e dei tessuti molli, le lesioni toraciche sono emergenze mediche: se non sono trattate rapidamente e correttamente possono portare alla morte. Le lesioni toraciche sono la causa di tutte le morti per infortunio dal 20% al 25%; le maggiori compli-cazioni del trauma toracico sono il 25% della causa di tutte le morti.

Tab. 3: Classificazione delle lesioni allo scheletro e dei tessuti molli secondo AIS

AIS Lesioni dello scheletro Lesioni ai tessuti molli

1 Frattura della costola Contusione ai bronchi

2 Fratturadi 2-3 costole; frattura dello sterno rottura parziale di un bronco

3Fratture di 4 o più costole su un lato; fratture di 2-3 costole con emotorace o pneumotorace

contusione polmonare; minore contusione cardiaca

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Frattura del torace, frattura di 4 o più costole su ogni lato, frattura di 4 o più costole con emo-pneumotorace

lacerazione polmonare bilaterale; piccola lacerazione aortica; grande livido al cuore

5 rottura bilaterale del toracegrave lacerazione aortica; lacerazione polmonare con tensione pneumotorace

6 Lacerazione aortica con emorragia

Il torace è l’unica parte del corpo che beneficia della man-canza di cintura di sicurezza e di airbag; in effetti, supportato da una cintura di sicurezza, ha sofferto uno schiaciamento fino a 20 mm con la sola cintura, 15 mm con l’airbag. L’A-merican Standard [31] dichiara che il valore critico di schiac-ciamento del torace, per il manichino Hybrid III è 76 mm (60g), e quindi questo parametro non è troppo grave nei con-fronti del conducente. Nel caso di manichino libero il valore di schiacciamento è di soli 3 mm. Le lesioni più frequenti sono allo scheletro e ai tessuti molli. La Tab. 3 dà una pa-noramica completa dei tipi di lesione e delle parti coinvolte secondo l’AIS.

In questo lavoro si usa il criterio dei 3 ms per il torace, poiché è particolarmente utile per il feedback sul ciclista e viene utilizzato dalle norme sia dell’Europa che degli Stati Uniti. Esso prescrive che i centri di gravità del torace e della testa non siano soggetti ad accelerazioni sopra 60g e 80g ri-spettivamente, per un tempo maggiore di 3 ms.

La probabilità di lesioni AIS4+ è data dalla seguente espressione:

Prob (AIS4 +) = 1/(1+exp (4,3425-0, 063*gt) (2)

È uguale a 36% assumendo gt = 60 g.

massima di 36 ms. Esso è basato su un’elaborazione risul-tante dall’accelerazione del centro di gravità della testa del manichino, secondo la seguente formula:

(1)

Dove:• R(t) è l’accelerazione risultante, in g, misurata nel centro

di gravità della testa;• T0 è il momento di inizio della simulazione in secondi;• TF è il tempo di fine simulazione in secondi;• t1 e t2 rappresentano rispettivamente l’istante iniziale e fi-

nale di un intervallo di tempo; l’ampiezza di questo interval-lo è convenzionalmente uguale a 36 ms, la finestra temporale si sceglie in modo che HIC assuma il valore massimo.

La curva di accelerazione è costruita con valori sperimen-tali di accelerometri, e poi viene applicata una finestra di scorrimento temporale. I valori di HIC sono più alti in cor-rispondenza dei montanti del parabrezza, dei lati del cofano e della zona di giunzione cofano-parabrezza. È stata fatta la proposta di ridurre l’intervallo di tempo da 36 a 15 ms [30] nei casi di impatto della testa con corpi rigidi.

Tab. 1 – Segmenti del corpo in scala AIS

Segmenti del corpo specifiche

Testa o collo tra cui la colonna vertebrale cervicale

Viso compreso lo scheletro del viso, naso, bocca, occhi e orecchie

Torace tra cui la colonna vertebrale toracica e il diaframma

Addome e regione pelvica compresi gli organi addominali e lombari della colonna vertebrale

Estremità o cintura pelvica compreso lo scheletro pelvico

Area esterna

Tab. 2: Trauma cranico su scala AIS

AIS Descrizione

1 Abrasioni della pelle e del cuoio capelluto, lacerazioni superficiali. Viso: frattura del naso

2 Maggiori abrasioni della pelle. Semplice fratture del viso, fratture aperte o spostamenti della mandibola, fratture della mascella

3 Diverse fratture, perdita totale del cuoio capelluto, contusione al cervelletto.

4 Complesso di fratture al viso, esposizione o perdita di tessuto cerebrale, piccolo ematoma subdurale o epidurale.

5una maggiore penetrazione del danno cerebrale, ematoma subdurale al tronco o compressione epidurale, diffusione di lesioni assonali.

6 distruzione di massa del cranio e del cervello

HIC uguale a 1000 identifica un incidente di forte gravità, un valore di HIC pari a 2000 ha valore di gravità superiore, ma la gravità e la probabilità di letalità dell’evento non sono proporzionali. Le lesioni alla testa nella scala AIS sono clas-sificate in Tab. 2. La correlazione HIC-AIS viene utilizzata


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tato in Visual Nastran, poi vengono inseriti le masse, i centri di gravità e i momenti di inerzia dei singoli componenti come telaio, ruote, paraurti anteriore, cofano.

Il modello di bicicletta viene implementato per lo studio di stabilità e manovrabilità [7], per l’esecuzione di test dinamici per diverse configurazioni geometriche. Elemento di fonda-mentale importanza è la posizione del suo centro di gravità, che influenza significativamente il comportamento dinamico della bici, soprattutto in accelerazione e frenatura.

Le quantità geometriche utili per la caratterizzazione delle biciclette sono [6]: interasse, avancorsa, angolo di inclina-zione dello sterzo (Fig. 9).

Queste quantità definiscono la geometria e la manegge-volezza del veicolo; gli effetti di un singolo parametro non possono essere testati indipendentemente dagli altri, a causa delle loro forte interazione. La posizione del centro di gravità influenza il comportamento dinamico della bicicletta in ma-niera determinante, in particolare nelle fasi di accelerazione e frenata.

Figura 9 - Geometria bicicletta (G = baricentro).

L’Unione Ciclistica Internazionale pone un limite all’in-clinazione del tubo superiore nel design del telaio per frenare la produzione di biciclette, che siano troppo diverse dalle al-tre, e per attribuire le differenze di prestazioni solo alle ca-pacità fisiche degli atleti. Il tubo superiore deve adattarsi in un parallelogramma avente un’altezza massima di otto cen-timetri (Fig. 10).

Fig. 10: Esempio di telaio secondo le regole.

4. MODELLO VIRTUALE

L’approccio indiretto ha l’obiettivo della riproduzione di un incidente veicolo–ciclista sotto determinate condizioni, ricostruendo fedelmente l’evento.

Fig. 8 – Modello antropomorfo con gli assi di riferimento.

ProserPro è il programma di animazione ideale per l’attua-zione del modello umano; è efficace in questo tipo di lavoro, soprattutto per la possibilità di dosaggio di ogni segmento del corpo. Il modello umano rappresenta un adolescente che ha un’altezza di 1,45 m e una massa totale di 45 kg [1] [8] ed è una modifica del modello adulto [4].

Il modello è importato in Rhinoceros per non creare in-compatibilità con Visual Nastran; la determinazione del momento di inerzia, l’accelerazione e la velocità richiede un sistema di riferimento sul centro di gravità della testa; suc-cessivamente ogni segmento del corpo è importato in Visual Nastran. Il manichino è costruito senza mani, perché hanno un comportamento casuale (Fig. 8).

La tecnica multibody considera rigidi gli elementi del cor-po; le forze vengono scambiate in corrispondenza dei vin-coli imposti durante l’assemblaggio; la tecnica consente di rappresentare l’impatto tra auto e moto, senza modifiche di forme originali.

La posizione del centro di gravità di ogni segmento del corpo viene inserito manualmente ed uno per uno. Per farlo, sono stati presi come riferimento studi condotti sui cadaveri [32] [33] [34].

L’auto scelta per le simulazioni è un’auto utilitaria Audi. Le informazioni sull’altezza, la lunghezza sono fornite dal produttore. Questo veicolo viene scelto per le caratteristiche della sua parte anteriore: l’angolo non è molto acuto e il co-fano non è troppo alto, poiché la prima parte della macchina che subisce il contatto è il paraurti anteriore in un impatto frontale.

Anche in questo caso il software che viene utilizzato per ottenere il modello CAD è Rhinoceros 4.0 che viene impor-


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in tre posizioni diverse: nella prima è posizionato come de-scritto precedentemente, sulla strada con il lato di fronte al veicolo (impatto laterale). Nel secondo caso, il ciclista è di fronte al veicolo (impatto frontale), mentre nel terzo e ultimo caso il veicolo è posto dietro la bici (impatto posteriore o tamponamento).

Poiché la legge impone la velocità massima di 50 km/h su strada urbana, anche le prove di crash test sono conformi a questo limite. Mentre una velocità di 50 km/h può essere fatale nell’evento impatto, le simulazioni di impatto vengono anche eseguite alla velocità di 20 km/h, 30 km/h e40 km/h.

I parametri misurati durante le simulazioni sono le accele-razioni del centro di gravità della testa e del torace. Le Fig. 11, Fig. 12 e Fig. 13 mostrano gli andamenti dell’accelera-zione della testa e del torace rispetto al tempo.

Fig. 11: Accelerazioni nell’impatto frontale

5. SIMULAZIONE DI IMPATTO VEICOLO-CICLISTA

Nel caso generale il ciclista adolescente viene inserito nella posizione perpendicolare all’asse longitudinale della strada, e procede ad una velocità trascurabile nella direzione perpendicolare al veicolo in arrivo. L’azione del conducente del veicolo prende un ruolo decisivo nell’evoluzione dell’in-cidente. Una riduzione della velocità può solo causare minori lesioni sul ciclista rispetto ad una velocità costante o superio-re. In realtà l’effettivo diminuire della velocità della vettura è spesso molto povera: anche se l’auto ha un potere di frenata che impone una decelerazione media uguale o maggiore di 0,6 g, l’efficacia dell’azione frenante può essere raggiunta in un momento molto ravvicinato a quello di impatto.

Nel presente lavoro il ciclista adolescente è considerato


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Fig. 13: Accelerazioni nell’impatto posterioreFig. 12: Accelerazioni nell’impatto laterale

Gli impatti laterali vedono una serie di picchi di accelera-zione causati dall’impatto sul piano laterale del cranio contro la parte anteriore del veicolo (cofano e parabrezza), in questi casi il primo contatto con il cofano si verifica con la spalla e in un secondo tempo con la testa. Questi picchi vengono ri-petuti solitamente nel breve tempo di 0.01 s a causa di rapide rotazioni della testa intorno all’articolazione della cervicale e all’articolazione del collo.

La grafica accelerazione-tempo negli impatti anteriore e posteriore dipende dalla velocità assunta per il test; i risultati

sono molto diversi alle varie velocità. Ciò si verifica perché la testa è fortemente proiettata all’indietro, a causa del primo contatto con il paraurti del veicolo. In questo modo il centro di rotazione istantaneo dell’articolazione cervicale varia, de-terminando una variazione del momento di quantità di moto che si traduce in un aumento sostanziale dell’accelerazione angolare della testa. Quando c’è una sovrapposizione di im-patto della testa e il contatto del torace sul cofano, c’è un considerevole aumento delle accelerazioni del torace.


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La Tab. 4 presenta una sintesi dei risultati ottenuti e dei valori HIC.

Tab. 4: Sintesi dei risultati ottenuti

Test Crash speed [km/h] A

max head [g] HIC AIS %

1 20 18,1 11,9 1 0

2 30 15,9 13,2 1 0

3 40 21,1 25,9 1 0

4 50 73,2 384,9 1 0-5

5 20 25,3 34,8 1 0

6 30 76,8 521,8 2 0-5

7 40 84,7 607,6 2 5-10

8 50 77,5 644,1 2 5-10

9 20 36,5 100,2 1 0

10 30 64,0 316,4 1 0-5

11 40 69,9 344,2 1 0-5

12 50 148 499,1 2 5-10

30km/h.

Fig. 16: Impatto laterale a velocità costante di 40 km/h

Fig. 17: Impatto posteriore a velocità costante di 50 km/h.

La Fig. 14 mostra la dinamica della prova d’impatto po-steriore a 20 km/h; si può notare la proiezione in avanti del ciclista.

La Fig. 15 mostra la traiettoria del ciclista nello scontro frontale con un veicolo ad una velocità costante di 30 km/h. Si può notare il caricamento sul cofano e il graduale rilascio del corpo del pilota sul suolo.

La ricostruzione degli eventi in Visual Nastran in determi-nate condizioni e circostanze permette l’osservazione delle traiettorie prese dal ciclista adolescente durante l’impatto.

La Fig. 16 mostra il ciclista in posizione laterale rispetto al veicolo che procede a velocità costante di 40 km/h. Si può notare la fase di caricamento sul cofano e il volteggio del ciclista.

La Fig. 17 mostra il ciclista in una posizione posteriore rispetto al veicolo che va alla velocità costante di 50 km/h. In questa simulazione si può notare il volteggio del corpo sul tetto della vettura che è tipico degli incidenti ad alta velocità.

Fig. 14: Tamponamento a velocità costante 20 km/h.

Fig.15: Impatto frontale a velocità costante di 30 km/h


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Fig. 21 – Velocità della testa e del torace nell’impatto laterale a 20 km/h




La Fig. 18 mostra la correlazione HIC–AIS nel caso di im-patto posteriore. I dati HIC ottenuti nelle simulazioni, insie-me con la scala delle lesioni AIS, determinano la percentuale di mortalità dell’evento. In modo analogo la correlazione è determinata negli altri due casi di incidente frontale (Fig. 19) e impatto laterale (Fig. 20). Le ultime due colonne della ta-bella 4 riassumono gli AIS ottenuti e la percentuale di leta-lità.

Le Figg. 21-24 visualizzano l’andamento della velocità della testa e del torace in caso di impatto laterale a varie ve-locità di 20, 30, 40 e 50 km/h rispetto al tempo.

Fig. 18: Correlazione HIC-AIS (tamponamento).

Fig. 19: Correlazione di HIC-AIS (impatto frontale).

Fig. 20: Correlazione di HIC-AIS (impatto laterale).


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Fig. 25:Confronto HIC ciclista adolescente– pedone adolescente in impatto frontale [1].

Fig. 26:Confronto HIC ciclista adolescente– pedone adolescente in impatto laterale [1].

Figura 27: Confronto Vmax, tra simulazioni in Visual Nastran, APROSYS e MADYMO.

Tab. 7: Tempo di contatto e velocità massima della testa

test PosizioneVelocità

d’impatto [km/h]

Vmax testa[m/s]

V max torace[m/s]

Tempo contatto

[ms]

5 Laterale 20 8,29 8,11 272

6 Laterale 30 11,13 11,96 208

7 Laterale 40 16,03 18,49 176

8 Laterale 50 16,98 17,26 176

Tab. 5: Criterio 3 ms e probabilità AIS4 +.

prova Posizione velocità [km/h] 3ms [g] Prob (AIS 4+)

1 Frontale 20 125 97,2%

2 Frontale 30 115 94,8%

3 Frontale 40 145 99,2%

4 Frontale 50 225 100%

5 Laterale 20 31 8,4%

6 Laterale 30 28 7,1%

7 Laterale 40 58 33,4%

8 Laterale 50 57 32,0%

9 Posteriore 20 22 4,9%

10 Posteriore 30 92 81,1%

11 Posteriore 40 250 100%

12 Posteriore 50 565 100%

Tab. 6: Confronto HIC ciclista - pedone.

Prova Posizione Velocità d’impatto [km/h]

HIC differenza percentuale

1 Frontale 20 -95,4%




5 Laterale 20 -62,6%




Un accelerometro virtuale è stato aggiunto al centro di gravità del torace al fine di ottenere risultati di interesse per le simulazioni frontali. La Tab. 5 mostra i risultati: l’ultima colonna mostra la probabilità della ferita AIS4+ (frattura del petto e strappo dell’aorta) facendo uso della relazione (2). I valori di accelerazione del torace nell’impatto anteriore e posteriore sono molto alti. Questo è dovuto alla capacità del tronco di flettersi a diretto contatto del torace con il veicolo.

6. CONFRONTO DEI RISULTATI E DISCUSSIONE

La Tab. 6 mostra la differenza percentuale dell’analisi di impatto tra pedone adolescente-veicolo e ciclista adolescen-te-veicolo, in termini di HIC.

La Fig. 25 e la Fig. 26 mostrano il confronto: il ciclista adolescente ha una migliore possibilità di sopravvivere in impatti frontali e laterali rispetto ad un pedone della stessa età perché i valori di HIC sono consistentemente inferiori.

La Tab. 7 presenta una sintesi dei risultati ottenuti e dei va-lori di velocità di massimo impatto con il tempo di contatto. I dati sono segnalati dalle Fig. 21-24, in caso di impatto latera-le e sono utili per il confronto con dati analoghi in letteratura [13], [14] ottenuti dal software MADYMO e APROSYS.

Il confronto grafico è mostrato in Fig. 27.


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cofano deve essere considerato meno pericoloso che l’impat-to con il parabrezza, perché quest’ultimo è più rigido [35].

La Tab. 9 mostra la differenza percentuale tra ciclista ado-lescente-veicolo e l’analisi di impatto pedone adolescente-veicolo, seguendo il criterio 3 ms. La Fig. 28 mostra l’anda-mento e il confronto.

Il ciclista adolescente ha maggiori probabilità di riportare una ferita al petto, nell’impatto frontale rispetto a un pedone della stessa età, perché i valori ottenuti dal criterio 3 ms sono consistentemente maggiori.

Le Fig. 29, Fig. 30 e Fig. 31 visualizzano la marcatura del veicolo per l’identificazione delle aree del cofano coinvolte quando la testa del soggetto colpisce la parte anteriore del veicolo (WAD); esso si verifica secondo le direttive EU-RONCAP [36].

Si può osservare che la dispersione dei punti di impatto è localizzata in tutti i casi nella zona di WAD 1500 tranne per impatti a 20 Km/h e per impatto posteriore ciclista adole-scente-veicolo a 30 km/h (WAD 1000).

La dispersione di punti nell’impatto laterale coinvolge un’area più grande rispetto al caso frontale. Inoltre, l’analisi dei punti di contatto di entrambi i casi, permette di ottenere una nuova conferma della precisione dei valori. L’intensifi-carsi di picchi di accelerazione corrisponde ad una collisione contro una parete rigida della parte anteriore del veicolo.

Tab. 9: Differenze percentuali del criterio di 3 ms

Prova Posizione Velocità di impatto [km/h]

3 ms differenza percentuale con il

pedone

1 Frontale 20 + 214,9%

2 Frontale 30 + 84,3%

3 Frontale 40 +8,9%

4 Frontale 50 +66,9%

Fig. 28: Impatto frontale ciclista – pedone adolescente

Si possono fare le seguenti considerazioni:-La differenza nel valore della velocità massima di impatto

della testa è dovuta al fatto che il ciclista esaminato è un ado-lescente (con massa e altezza inferiori a quelle di un adulto) e che i veicoli hanno diverse geometrie nella parte anteriore.

-La velocità massima di impatto della testa aumenta non appena la velocità del veicolo aumenta.

È possibile un ulteriore confronto con i dati riportati in [21]. Le prove di impatto ciclista-veicolo vengono esegui-te per mezzo di due altri software multibody (MAYDMO, APROSYS). Il ciclista adulto si trova in posizione laterale o anteriore o posteriore rispetto al veicolo che va alla velocità 50 km/h. La Tab. 8 riepiloga i dati più significativi.

Tab. 8: HIC a 50 km/h

Impatto Visual NastranHIC36

[21]

HIC15

laterale 644 1433

Frontale 384.9 753

Posteriore 499,1 4429

Si possono fare queste ulteriori considerazioni:-la differenza dei valori HIC nell’impatto posteriore, ri-

spetto al modello sviluppato in Visual Nastran, è imputabile al fatto che il ciclista è un adolescente, con più bassa massa e altezza di un adulto; quest’ultimo ha maggiore probabilità di eseguire una traiettoria simile al volteggio sul tetto. In questo caso il ciclista adulto viene sollevato in alto a causa dell’ef-fetto combinato della velocità di impatto e della sagoma del veicolo. Alla fine del volteggio il corpo del ciclista si trova dietro il veicolo.

- I valori HIC con MADYMO e Visual Nastran nella si-mulazione di impatto laterale possono essere considerati in buona concordanza, perché il primo contatto dell’adolescen-te con il cofano si verifica con la spalla e successivamente con la testa. Un’altra causa della differenza è dovuto al tem-po di intervallo che è 15 ms in [21] e 36 ms in questo lavoro. Naturalmente la deformazione della carrozzeria non è stata presa in considerazione.

-WAD: i valori riportati in [21] sono superiori per motivi analoghi.

Il confronto mostra che il ciclista adolescente ha maggio-re possibilità di sopravvivenza rispetto al ciclista adulto, a parità di tutte le altre condizioni; l’influenza della forma del cofano deve essere valutata con attenzione, poiché può avere un’importanza fondamentale. In tutti i casi l’impatto con il


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colpisce la parte superiore del cofano (l’area tra 1000-1500 WAD). A 50 km/h i punti di impatto sono sul parabrezza ma ad un’altezza diversa. Le differenze sono dovute alla più alta posizione della testa. Il valore WAD ottenuto in [21] nel caso di ciclista adulto è 2500 circa, a causa di una maggiore altezza del ciclista.

7. CONCLUSIONI

Lo scopo di questo lavoro è la valutazione del danno in caso di incidente al fine di ispirare miglioramenti e soluzioni ai progettisti per l’aumento della sicurezza, limitando i danni alle persone.

L’analisi dei dati sperimentali e delle simulazioni mostra-no l’importanza di elementi chiave come: l’altezza del cicli-sta, il profilo anteriore della vettura e l’altezza minima dal suolo, la rigidità delle parti che vengono in contatto con il ciclista al momento dell’urto.

L’impatto sul cofano piuttosto che sul parabrezza, (è il caso tra veicolo e pedone), ha maggiore possibilità ad evol-versi positivamente, poiché il cofano dell’auto è molto meno rigido del parabrezza e la percentuale di rischio di sofferen-za e di danno letale è inferiore. I punti d’impatto della testa del ciclista sono molto più alti. Si verificano ad un’altez-za tale da causare la caduta nelle vicinanze del parabrezza. Questa differenza si verifica perché il centro di gravità del ciclista è più alto rispetto a quello del pedone.

La posizione del ciclista nel momento dell’incidente è molto importante: la posizione laterale è più dannosa di quella frontale, infatti i valori ottenuti dalle simulazioni mostrano che valori i HIC sono più alti, perché la testa del ciclista colpisce immediatamente il cofano; la bici avrebbe dovuto assorbire l’impatto, ma non può.

Una cosa diversa avviene nell’impatto frontale e laterale. In questo caso l’auto colpisce principalmente la bici che as-sorbe l’urto, poi il punto di impatto viene evidenziato nelle vicinanze della ruota e il ciclista cade in modo diverso.

I valori HIC sono entro il valore 1000 in tutte le simula-zioni; questo accade perché buona parte dell’impatto vie-ne assorbita dalla bicicletta e non dal corpo del ciclista; il contrario si verifica nel caso del pedone. Valori di HIC più alti sono ottenuti nell’impatto sia anteriore che posteriore del pedone.

I valori delle lesioni del torace con il criterio dei 3 ms sono al di sopra del limite impostato dalla norma (60g), e sono superiori a quelli derivanti da simulazioni pedone-veicolo. Anche il parametro AIS4 + (cioè frattura del petto e strap-po dell’aorta) è più alto. Anche questa volta la causa è la posizione del centro di gravità del ciclista; il cui torace al momento dell’impatto cade vicino al parabrezza.

In generale il ciclista adolescente ha maggiore possibilità di sopravvivenza rispetto all’adulto o al pedone adolescente e al ciclista adulto, anche se la lesione toracica è più perico-losa nel caso del ciclista adolescente.

L’uso del software multibody per le simulazioni è vantag-gioso: in questo caso le simulazioni vengono eseguite a par-

Fig. 29: Punti di contatto della testa nell’impatto frontale.

Fig. 30: Punti di contatto della testa nell’impatto laterale.

Fig. 31: Punti di contatto della testa nel tamponamento.

Le Fig. 29 e Fig. 30 confrontano i punti di contatto del ciclista adolescente con quelli del pedone adolescente. Le si-mulazioni mostrano le stesse zone di impatto (WAD 1000), a 20km/h; il ciclista colpisce la parte inferiore del parabrezza (aree tra 1500-2100 WAD) a 30 e 40 km/h, mentre il pedone


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Questo tipo di simulazione ha un impatto sulla sicurezza, grazie al test sulla sicurezza passiva e attiva per una perfor-mance impeccabile ed efficiente. Le case automobilistiche hanno iniziato a concentrare la loro attenzione sulla sicurez-za dei ciclisti, studiare e brevettare paraurti deformabili per mitigare, in caso di incidente con una bicicletta, la violenza dell’impatto. Altre soluzioni includono l’introduzione di ai-rbag per la protezione della testa del pilota, posizionato tra il cofano e il parabrezza, in quei punti critici di impatto che sono evidenziati nelle simulazioni

RINGRAZIAMENTI

Grazie alla Polizia municipale della città di Palermo, per i dati forniti e l’amichevole collaborazione.

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Valutazione delle lesioni nell’impatto ciclista ... · lesione alla testa è più pericolosa in...

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