Resistencia estructural en buses bajo la norma Europea ECR 66 ¿en que consiste?

Imagen referencial de un Setra S 515 HD en producción

Por: Miguel Angel Fuentes Tapia
Responsable de Fan Bus
Material y trabajo de investigación: Mª Teresa Vicente Corral, Ángel Martín López, Rocío Grimaldi Pastoril, Francisco Aparicio
Izquierdo.
Instituto Universitario de Investigación del Automóvil, Universidad Politécnica de Madrid (INSIA-UPM),

Muchos hablan acerca de la norma ECR 66 para buses argumentando su origen en Europa y que se debe cumplir para garantizar seguridad a quienes viajan en bus. ¿pero en que consiste? ¿cuales son los requerimientos? ¿cuales son los detalles en particular? las preguntas son variadas para un tema que resulta de vital importancia actualmente, mas aun cuando las exigencias y avances en cuanto a seguridad vehicular dejaron de ser algo irrelevante.

Aquí podrán apreciar dos secciones del trabajo de investigación realizado por la Universidad Politecnica de Madrid, abarcando dos temas que siempre generan interés:

-Vuelco
-Resistencia estructural

Vuelco en buses

El accidente de vuelco sigue siendo a día de hoy el más severo en el caso de los buses. Es por eso que se ha generado diversa reglamentación para mejorar la seguridad en este tipo de accidentes. La energía puesta en juego en caso de vuelco depende de la masa y de la posición del centro de gravedad del vehículo. Estos valores están variando considerablemente en la actualidad debido al aumento de requisitos en este tipo de vehículos:

-La instalación de cinturones hace que los propios asientos pesen más debido a las modificaciones estructurales para soportar los esfuerzos de los pasajeros retenidos (anteriormente solamente retenían a los pasajeros situados detrás que golpeaban contra ellos). Esta masa se sitúa generalmente en una posición elevada, aumentando también el centro de gravedad. La instalación de cinturones tiene otro efecto añadido [García Gracia et al, 2006]: parte de la masa de los pasajeros queda fija al vehículo y debe considerarse como masa puesta en juego en caso de vuelco. Antes de llevar cinturones los pasajeros volaban en el interior del vehículo sin aumentar esa masa. Además, por la ubicación de los pasajeros, el centro de gravedad del vehículo también aumento. Esto hace, por un lado, que aumenten los problemas de estabilidad lateral (o el riesgo de vuelco al tener un centro de gravedad más alto). Por otro lado los requisitos energéticos también aumentan.

-La reglamentación europea de reducción de emisiones (Euro 4 y Euro 5) ha generado bastidores en los que también se ha aumentado algo la masa total. La incorporación de plataformas para personas de movilidad reducida y zonas de anclaje de sillas de ruedas, ha modificado las puertas de entrada (más anchas) que debilita la estructura en esa zona. En cuanto a peso, depende del número de plazas modificadas por la incorporación del espacio para la silla de ruedas.

-Los requisitos de funcionalidad cada vez mayores (equipos, WC, asientos más cómodos, confort, vidrios dobles…) tienden también a que los vehículos pesen cada vez más.

Estabilidad lateral 

Requisitos reglamentarios:

La Directiva 2001/85/CE incorpora entre sus requisitos el ensayo de estabilidad a vuelco. En su punto 7.4 se establece como requisito que los vehículos deben de soportar sin que se produzca el vuelco del vehículo un ángulo de inclinación lateral sobre plataforma de 28º, con el vehículo en orden de marcha y unas masas Q indicadas en la Tabla 3 colocadas en cada butaca. En el caso de viajeros de pie, la masa Q se deberá distribuir por el espacio destinado a tal fin colocada a una altura de 875 mm y en el caso de llevar sillas de ruedas, se deberá colocar una masa de 250 kg a una altura de 500 mm del suelo


De forma alternativa se puede utilizar un método de cálculo alternativo para demostrar que el vehículo no vuelca en las condiciones descritas, en el que se deben de tener en cuenta al menos los siguientes parámetros; masas y dimensiones, rigidez de la suspensión, centros de balanceo, características del control de presión de la suspensión neumática y la rigidez torsional.


Repercusiones en el diseño y fabricación

Su aplicación está planteando a los carroceros una serie de problemas o inconvenientes, que se detallan a continuación.

-Para la realización del ensayo, en el caso de disponer de pasajeros de pie o sillas de ruedas obliga a la instalar una plataforma de carga suficientemente rígida, para que las masas no se muevan durante el ensayo, lo que obliga a fijarla a la estructura. Esto implica trabajos posteriores de reparación del carrozado.

-En el caso de los vehículos urbanos de piso bajo, en los que el número de viajeros de pie es elevado, este problema se agrava. Además en estos vehículos el centro de gravedad del vehículo es muy bajo, soportando sin problemas el límite de 28º. Hay que hacer notar que quizá en esta clase de vehículos la estabilidad lateral no es uno de los factores más decisivos para la mejora de la seguridad puesto que el mayor número de vuelcos se producen en autocares y no en buses.

-Los métodos de cálculo son más sencillos pero requieren una serie de parámetros que no siempre están disponibles para el carrocero. En especial la rigidez de la suspensión al balaceo, la masa no suspendida y la altura del centro de balanceo.

El factor fundamental que determina la estabilidad lateral del vehículo, es la altura de su centro de gravedad. El condicionante de 28º no está planteando problemas ni cambios de diseño en los fabricantes y carroceros españoles, puesto que basándose en la experiencia del INSIA todos los vehículos evaluados cumplen con la Directiva, siendo los valores más usuales del ángulo de vuelco de 29 a 32º.

 Resistencia estructural: influencia de los cinturones de seguridad

Requisitos reglamentarios

La resistencia estructural a vuelco viene definida por el Reglamento No. 66 de Ginebra (incluido también en la Directiva 2001/85/CE). Este reglamento tiene por objeto garantizar que se preserva un espacio de supervivencia para los pasajeros en el ensayo a vuelco definido (figura).


La nueva versión del reglamento (versión 01, en vigor desde el año 2005 y obligatoria para nuevos tipos a partir de noviembre de 2010) tienen en cuenta la influencia de los pasajeros retenidos, incorporando en los cálculos y ensayos parte de la masa de los pasajeros (el 50% de la misma) ubicada en el centro de gravedad de los mismos (lo que eleva el centro de gravedad total). También se aumenta el espacio de supervivencia, protegiendo al conductor y guía y a los pasajeros situados en la última fila.

La verificación se puede hacer mediante ensayo de vehículo completo, ensayo de secciones representativas o cálculo con ensayos de verificación de las uniones estructurales y otras partes a requisito del servicio técnico. Esta última alternativa suele ser la requerida por los fabricantes, pues resulta más económica y permite variar el modelo para nuevas homologaciones calculando y no volcando otro vehículo.

 Repercusiones en el diseño y fabricación: metodología propuesta

La entrada en vigor de este reglamento en su versión 00, supuso un considerable avance en seguridad, pero también un gran reto para los carroceros de buses que tuvieron que modificar sus superestructuras para cumplir los requisitos.

La entrada en vigor del reglamento en su versión 01, supone un incremento importante para las superestructuras actuales, en torno a un 20-35% de incremento para vehículos de 12 m de longitud. Se podría acudir a:

Reducir la masa y ubicación del centro de gravedad mediante la utilización de nuevos materiales con capacidades funcionales + estructurales (aluminio, aceros de alto límite elástico, materiales compuestos). El problema actualmente está en el coste y en las modificaciones del proceso productivo.

Optimización de los diseños actuales de superestructura en acero: diseño de mecanismos de deformación controlados pensados desde el principio para absorber el máximo de energía con el mismo material, preservando el espacio de supervivencia. Esto requiere el diseño adecuado de las uniones estructurales, que son las zonas más conflictivas de una estructura de acero soldado. Además de verificar el comportamiento a vuelco, conviene siempre verificar que el resto de condiciones de utilización (torsiones, flexión del vehículo, frenazos, vibraciones, etc.) no resulta perjudicado por las modificaciones estructurales)

Para este último caso, se propone la siguiente metodología de diseño: en primer lugar, se analiza la familia de vehículos para determinar la energía objetivo que debe absorber la superestructura. En segundo lugar se genera el modelo de cálculo del diseño de partida, atendiendo a la experiencia del fabricante y sus posibilidades (perfiles, materiales). Una vez generado, se determina cuál sería la deformación “ideal” para aprovechar al máximo el material empleado (pueden ser varias deformaciones). Se ajusta el diseño (perfiles de pilares y costillas principalmente) hasta que la energía absorbida alcance la objetivo (figura)


Se introducen en el modelo las celosías y largueros de techo que pueden afectar a la deformación. En la siguiente figura se aprecia el incremento de energía de una rótula plástica de pilar (lado de vuelco) por elevar el mecanismo de deformación (debido al mayor ángulo de giro hasta la invasión del espacio de supervivencia).


El siguiente paso es diseñar las uniones para conseguir la deformación en la zona requerida, mediante refuerzos interiores o exteriores. La modelización por elementos finitos incluyendo la curva plástica del material se presenta como una herramienta muy adecuada si no se quiere recurrir al ensayo y error (Fig. 10). Además de predecir la formación de rótula plástica, permite obtener las curvas teóricas para introducir en los modelos de cálculo


Finalmente, se fabrican las uniones para verificación mediante ensayo tanto de su resistencia, de la zona de fallo y la curva de comportamiento. Esta curva se introduce en los modelos de cálculo (hasta ahora tenían la curva teórica) para determinar la energía total absorbida por la superestructura.

Puntos abiertos 

Pasajeros ubicados en la ventana de vuelco. Aún no hay nada que garantice la seguridad de los pasajeros situados en la ventana del lado de vuelco en caso de este accidente. Aunque estén retenidos (evitada la eyección del pasajero por la ventana), la rotura de ventana hace imposible su eyección parcial y su contacto con el suelo.

Coexistencia de requisitos.

Durante un tiempo se va a convivir en la calle con buses con y sin cinturones (aunque todos los que lleven cinturón de seguridad habrán sido homologados según los requisitos de retención ante impacto frontal Igualmente, se tendrán buses con cinturones de seguridad y homologados según ambas versiones en vigor del Reglamento 66. Esta última situación puede producir que en caso de vuelco no se garantice la no invasión del espacio de supervivencia de una estructura homologada frente

Retención en caso de vuelco.
La retención en caso de vuelco evitaría las eyecciones y la proyección de los pasajeros en el interior del vehículo y las lesiones producidas. Pero resulta necesario garantizar esta retención.

Si bien existen requisitos para la resistencia estructural del vehículo a vuelco y requisitos para la retención ante impacto frontal (asientos, sus anclajes y sistemas de retención) no existe reglamentación relacionada con la retención en caso de vuelco. Sería necesaria la determinación de requisitos de verificación de la resistencia de anclajes de cinturón, asientos y sus sistemas de fijación en caso de vuelco. Los criterios de lesión en maniquíes resultan más complicados de verificar pues no podrían emplearse los maniquíes diseñados para impacto frontal.

Mas información al respecto:

El articulo completo realizado por la Universidad Politecnica de Madrid se puede descargar en el siguiente enlace:

http://oa.upm.es/3213/1/INVE_MEM_2008_53550.pdf (se recomienda descargar)

Reglamento no 66 de la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa (CEPE/ONU) — Prescripciones técnicas uniformes relativas a la homologación de vehículos de grandes dimensiones para el transporte de pasajeros por lo que respecta a la resistencia de su superestructura 

https://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2007:321:0055:0099:ES:PDF (se recomienda descargar)