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Introducción El transporte carretero de sustancias líquidas se realiza a granel o en diversos tipos de contenedores. Estas sustancias constituyen un peligro permanente para la infraestructura y los usuarios de las carreteras, de ahí que existan normatividades internacionales especializadas en el transporte de sustancias peligrosas, las cuales incluyen desde la codificación de las sustancias hasta los procedimientos de carga y descarga de las mismas. Los camiones denominados autotanques están diseñados para transportar estas sustancias, de ahí la necesidad de equiparlos con dispositivos de protección ante la ocurrencia de volcaduras, cuyo objetivo es evitar que los accesorios y válvulas, instalados en la parte superior de los toneles de los autotanques, se dañen en caso de un percance en el que la unidad pierda el equilibrio de la verticalidad. Aunque existen normas internacionales, estas no establecen requerimientos lo suficientemente específicos, que garanticen una protección suficiente y efectiva. En el caso de México, tales requerimientos regulatorios (NOM), basados en normas estadounidenses (DOT, Department of Transport), definen únicamente la resistencia que los dispositivos deberían tener, con base en la aplicación estática, de cargas horizontales y verticales. Esto es, no se incluye en tales requerimientos consideración alguna de las características dimensionales y geométricas que tales dispositivos deberían cumplir, aparte de limitar el desempeño a una carga estática arbitraria. En este artículo se presenta un análisis de los aspectos normativos y de diseño, aplicados a las protecciones ante volcaduras de vehículos tipo autotanque, proponiendo mejoras en el diseño de estos equipos como en las normas a que están sujetos. Se incluye un análisis de la normatividad estadounidense y mexicana en relación con estos equipos, identificando los elementos comunes y discrepancias. Con base en simulaciones de volcaduras reportadas por la Universidad de Michigan, se propone una norma de efectividad ante volcaduras para estos dispositivos, basada en la velocidad de impacto en las tres direcciones (tridimensional). Los elementos normativos propuestos incluyen algunas características geométricas de los dispositivos, proponiendo dos niveles de protección. También, se analizan los factores que influyen en la tendencia a la volcadura de los autotanques, estableciendo parámetros geométricos y de rigidez determinantes en los componentes vehiculares. Los resultados de las simulaciones muestran que las características geométricas de los camiones son las que mayormente definen su tendencia a volcarse. Se obtiene que una combinación óptima de los factores geométricos y de rigidez puede disminuir, hasta en un 50%, la tendencia de los vehículos a sufrir volcaduras. Análisis de la tendencia a la volcadura de vehículos pesados Los accidentes viales son atribuibles a una combinación de factores, ligados con las condiciones de operación (derivadas del operador y del vehículo), las condiciones de la infraestructura (nivel de rugosidad y diseño geométrico), y con las características de diseño del vehículo. Considerando que existen diferentes medidas que pudieran eliminar o disminuir la tendencia a la volcadura, se presenta un análisis breve, por simulación numérica, del efecto que distintos factores, geométricos y de operación del vehículo, tienen sobre la tendencia a la volcadura de unidades pesadas. El modelo, llamado yaw-roll, corresponde a un desarrollo del Instituto para la Investigación en el Transporte, de la Universidad de Michigan (Gillespie, 1982).  Figura 1 Parámetros principales que afectan la tendencia a la volcadura de un vehículo pesado Análisis paramétrico de la tendencia a la volcadura usando el modelo yaw-roll Como condición de operación se consideró la velocidad de desplazamiento del vehículo (v), mientras que como características de diseño se incluyen la semi-separación entre las suspensiones (L); la rigidez de las llantas (kL), la altura del centro de gravedad del vehículo (H); la semi-separación del ancho de vía (M), y la rigidez de la suspensión (ks) (Fig 1). Efecto de la velocidad del vehículo (v) El efecto de la velocidad de circulación de un vehículo pesado sobre su tendencia a la volcadura, expresada en función de las medidas de desempeño; indican una relación aproximadamente proporcional entre los incrementos de velocidad y la respuesta del vehículo, revelando que la velocidad angular de oscilación lateral máxima (f), tiene una sensibilidad ligeramente más grande a velocidades mayores. Esta linealidad entre la perturbación y las medidas de desempeño se atribuye en este trabajo a la linealidad considerada para el comportamiento de la relación fuerza-deformación de las suspensiones. Efecto del semi-espaciamiento de las suspensiones (L) Los resultados, por lo que se refiere al efecto de la variación del semi-espaciamiento de las suspensiones sobre la tendencia a la volcadura, revelan una relación no-lineal inversa, entre ese parámetro y las distintas variables para evaluar la tendencia a la volcadura del vehículo. Es importante señalar que la viabilidad para modificar la separación de las suspensiones de los vehículos, depende a su vez de la factibilidad de modificar el espacio ocupado por las llantas duales consideradas, lo cual se asocia también a la posibilidad de contar con un chasis de distinto ancho. La implementación de esta medida dependerá de un análisis costo-beneficio de las modificaciones necesarias. Efecto de la altura del centro de gravedad del vehículo (H) En cuanto al efecto de las variaciones de la altura, H, en la tendencia a la volcadura, existe una relación aproximadamente lineal, directa, entre la posición del centro de gravedad del vehículo y su tendencia al percance. Entre los elementos de diseño que es necesario analizar para reducir H, se incluye la altura del chasis y la de los durmientes de madera que comúnmente van montados entre el chasis y la silleta de soporte del tonel. Un aspecto que también ha sido explorado para disminuir la altura H, es la utilización de llantas de perfil bajo. Efecto de la variación del semi-espaciamiento del ancho de vía (M) La relación entre la magnitud del semi-ancho de vía y la tendencia a la volcadura; es en general no lineal, revelando una disminución en la sensibilidad de los indicadores de desempeño del vehículo en la medida en que el ancho de vía se incrementa. Esto es, la mejora en el comportamiento del vehículo no crece en igual velocidad para el rango de variaciones considerado, en esta característica geométrica del vehículo. Efecto de la variación de la rigidez de las llantas (kL) El empleo de llantas más rígidas en el sentido vertical causa un mejor desempeño del vehículo en cuanto a la tendencia a la volcadura. Es importante mencionar que el crecimiento en la rigidez de las llantas está asociado a una presión de inflado incrementada. El efecto negativo del incremento en la presión de inflado de las llantas se observa en dos aspectos. Por un lado, la dinámica de respuesta vertical del vehículo al perfil del pavimento se vería alterada, manifestándose en mayores niveles de vibración en los componentes de la unidad y de la carga. Por otro lado, una presión incrementada en los neumáticos provoca mayores esfuerzos normales en los pavimentos, aumentando el daño potencial de los pavimentos a cargo de los vehículos. Efecto de la variación de la rigidez de la suspensión (ks) La volcadura de un vehículo pesado disminuye en la medida en que se incrementa la rigidez de sus suspensiones. Es importante destacar la tendencia general de emplear suspensiones de aire en vez de las compuestas de hojas o soleras (llamadas “mecánicas”). Esta tendencia se deriva de la mayor suavidad de marcha provista por una suspensión de aire al compararla con una suspensión mecánica. Análisis de sensibilidad paramétrica Para facilitar la identificación de los parámetros, que de manera más importante afectan las distintas medidas de desempeño consideradas, la Tabla 1 muestra en orden de importancia los distintos parámetros. Con el propósito de discriminar entre condiciones de operación y los parámetros geométricos y de rigidez del vehículo, la parte (a) de la tabla incluye la velocidad del vehículo. En el caso de la parte (a), la velocidad y la posición del centro de gravedad del vehículo quedan dentro de los dos primeros lugares de importancia. Como parámetro de menor importancia queda la rigidez de las llantas. En la parte (b) se ilustra, como elemento de tercer nivel de importancia, la rigidez de las llantas en general, excepto para la Relación de Transferencia Lateral de Carga, RTLC. De esta manera, los tres parámetros más importantes para el RTLC son geométricos, mientras que para las otras medidas de desempeño, los tres parámetros más importantes son H, L y ks. Estos distintos niveles de tendencia a la volcadura, revelados por las diversas medidas de desempeño consideradas, se atribuyen a la interacción entre las diferentes masas del vehículo ensayado. Tabla 1 Orden de sensibilidad a las distintas medidas de desempeño, (a)considerando el factor velocidad; (b) sin considerar la velocidad a)
(b)
Revisión de la normatividad acerca de los dispositivos de protección ante volcaduras Regulaciones nacionales El autotransporte para sustancias peligrosas está regido en México por leyes, reglamentos y Normas Oficiales Mexicanas. El documento legal más generalizado en el país es la Ley de Vías Generales de Comunicación, siendo los reglamentos correspondientes el Reglamento de Autotransporte Federal y Servicios Auxiliares (RAFSA), y el Reglamento para el Transporte Terrestre de Materiales y Residuos Peligrosos (RTTMRP). Asimismo, varias Normas Oficiales Mexicanas (NOM, obligatorias), han sido creadas en relación al transporte carretero de sustancias peligrosas. Normas Oficiales Mexicanas Veintiún Normas obligatorias mexicanas, conocidas como Normas Oficiales Mexicanas, regulan los diferentes aspectos relacionados con el transporte de sustancias y residuos peligrosos. Estos aspectos incluyen desde la clasificación de materiales y residuos peligrosos (NOM-002-SCT-1994) hasta los criterios a ser aplicados para la construcción y reconstrucción de los toneles montados sobre chasis (no articulados), así como los remolques tipo tanque (NOM-024-SCT2-1994). En particular, la Norma NOM-020-SCT2/1995 se refiere a los requerimientos para diseño y construcción de los autotanques destinados a la transportación de materiales y residuos peligrosos e incluye las especificaciones SCT306, SCT307 y SCT312, las cuales se refieren a: · Autotanques no presurizados – SCT-306 · Autotanques para el transporte de químicos a baja presión – SCT-307 · Autotanques para materiales corrosivos – SCT-312 En este contexto, los tanques “no presurizados” quedan sometidos a la presión de vapor del líquido transportado (hasta 20.73 kPa). Esa presión corresponde a los líquidos más volátiles transportados, esto es, inflamables y combustibles. Tal clasificación en inflamables y en combustibles, corresponde a la temperatura a la cual emiten vapores inflamables (Noll, 1987). Regulaciones estadounidenses Las normas estadounidenses para transporte de materiales peligrosos están contenidas en el Código de Regulaciones Federales, de acuerdo con el esquema de la Fig 2. Como se puede observar en el siguiente recuadro (Fig 2), existen especificaciones, las cuales atienden los diferentes materiales transportados y las condiciones de su transporte. Análisis comparativo de los requerimientos normativos de Estados Unidos (DOT) con los de México (SCT) La diferencia entre las normatividades mexicanas y estadounidenses consiste en la resistencia a las cargas horizontales.
Figura 2 Mientras que los requerimientos generales de la Norma NOM-020 especifican, para definir la resistencia en la dirección horizontal, una resistencia necesaria de 0.5 veces el peso del vehículo cargado, en los requerimientos generales de la Norma Estadounidense (178.345), dicha capacidad de carga se establece de dos veces el peso del vehículo cargado. Otra característica de la Norma SCT es que sólo hace referencia al Código ASME en el apartado referente a la especificación de materiales, siendo que tal Código es referenciado por la Norma DOT a lo largo de todo su contenido. Se puede observar que en la Norma SCT se trata de evitar la referencia al Código ASME, al incluir las fórmulas y valores de dicho Código. Discusión Las normas no especifican muchas de las características que serían necesarias para el diseño de las protecciones ante volcaduras, de acuerdo con la siguiente lista de omisiones: I. Las normas no establecen ninguna característica dimensional o geométrica para esos dispositivos. Al respecto, estas especificaciones son proporcionadas para el caso de otros dispositivos de protección ante accidentes (defensas traseras). En el caso de las defensas traseras, las normas revisadas establecen una tolerancia entre esos elementos y el tanque, con objeto de absorber la deformación asociada a algún impacto sobre la parte trasera del vehículo. II. Los valores requeridos de resistencia de estos elementos de protección ante volcaduras, no parecen provenir de alguna metodología específica, de la forma como se especifican para otros componentes del tonel. En particular para el caso del tonel, la Norma DOT hace referencia al Código ASME, mientras que la Norma SCT trata de incluir tal información en su mismo texto. III. Las cargas que deben resistir estos elementos de protección se consideran como distribuidas de manera uniforme sobre los artefactos. Tal situación representa una condición de impacto “ideal”, ya que en general, los impactos durante una volcadura serán en ángulos oblicuos. Elementos para una propuesta de norma para los dispositivos de protección ante volcaduras En esta parte se proponen algunas características que deberían incorporarse en las regulaciones actuales. Simulación de volcaduras en la Universidad de Michigan A raíz de que varios autotanques sufrieron volcaduras en las que se presentaron derrames de sustancias peligrosas, producto de la aparente falla de las protecciones ante este tipo de percances, el Instituto de Investigación en el Transporte de la Universidad de Michigan, UMTRI, llevó a cabo una investigación al respecto. Como resultado, en 1998 se concluyó un estudio acerca de la dinámica de los autotanques y sus implicaciones sobre el desempeño de los dispositivos para protección ante volcaduras (Winkler, et al, 1998). En dicho estudio se emplearon técnicas de simulación por computadora a partir de un programa de dinámica de vehículos (Trucksim). De los análisis se obtuvo que la posición angular del tanque con respecto a la superficie contra la cual se impacta, es un factor importante para determinar la severidad del efecto de la volcadura sobre el autotanque. Como recomendación del estudio, se planteó que las normas de diseño de estos dispositivos se basen en el desempeño de los mismos, o sea no de acuerdo con una capacidad o diseños fijos, sino en términos de la velocidad y ángulos de impacto. Análisis de las áreas de impacto y severidad En el estudio de UMTRI, se consideraron diferentes situaciones como conducentes a una volcadura, incluyendo el impacto o no contra banquetas y rieles de protección de las carreteras. Como situaciones de no impacto contra banquetes y rieles, las maniobras adicionaron vueltas en esquina y en carretera, involucrando diferentes radios de curvatura en cada vuelta. Asimismo, cambios de carril a alta velocidad y maniobras en espiral. En conjunto se hizo alusión a las siguientes maniobras y situaciones: - Impacto contra banqueta (I-B) - Impacto contra riel de protección (I-R) - Maniobra de vuelta en esquina (V-E) - Maniobra de vuelta en carretera (V-C) - Maniobra en espiral (espiral) - Maniobra de cambio de carril a alta velocidad (CCAV) Criterios de desempeño para las protecciones Los criterios de desempeño a ser tomados en cuenta en una potencial norma nacional para diseño de dispositivos de protección, podrían basarse en los niveles de severidad del impacto, analizando además las situaciones más susceptibles en el caso de una volcadura. Elementos en un proyecto de norma para el diseño y configuración de dispositivos de protección ante volcaduras A continuación, se presenta una serie de requerimientos, los cuales deberían satisfacer las protecciones ante volcaduras de los vehículos para transportar sustancias peligrosas líquidas. Son requerimientos tanto geométricos como relativos a la resistencia de dispositivos ante impactos diversos. Protección primaria y protección secundaria El nivel primario consiste en los elementos más internos, que evitan que los dispositivos protegidos sean golpeados durante la volcadura. Los elementos secundarios proporcionarían la protección externa de los dispositivos, sirviendo para respaldar la primaria. Estos dispositivos secundarios, sin embargo, no se estiman necesarios en todas las direcciones del impacto. Las protecciones secundarias habrían de dar respaldo ante impactos planos en todas direcciones, pero no ante objetos puntuales en todas direcciones. Tolerancia para la deformación de los dos niveles de protección Los cuerpos de los dispositivos de protección primaria y secundaria, constituyen componentes susceptibles de sufrir deformación al ser golpeados durante una volcadura. Se requiere establecer un margen de deformación con objeto de evitar que los artefactos en el domo del tonel sean golpeados. La protección secundaria estaría cubriendo la protección primaria, mientras que la primaria protege directamente los dispositivos montados en el domo del autotanque. Niveles de resistencias ante impactos en todas las direccionesDel análisis de las severidades de impacto durante las simulaciones de volcaduras mediante el UMTRI, se identifica la necesidad de establecer niveles de resistencia al impacto en todas las direcciones, al encontrarse el vehículo cargado a su capacidad total. Área protegida con base en la penetración de objetos La penetración de objetos en el área protegida por los dispositivos constituye un riesgo que deberá ser evitado mediante la cercanía de los dispositivos a los objetos protegidos. De esta manera, se establece una distancia máxima entre los dispositivos protegidos y la localización de las protecciones: Los dispositivos de protección deberán situarse a una distancia no mayor a aquella indispensable para manipular y operar los elementos protegidos del domo del autotanque. Estas distancias necesitan ser establecidas por el fabricante, y aprobadas por algún ingeniero certificador. Autotanques de varios domos En el caso de autotanques equipados con varios compartimentos y domos, se considera que es necesario proteger de manera individual cada domo, pudiéndose aplicar una protección secundaria común a todos los domos del autotanque, de la siguiente manera: En el caso de autotanques equipados con varios domos, registros o dispositivos de acceso a los diferentes compartimentos, deberá brindarse una protección individual a cada domo o conjunto de accesorios del tanque, necesitándose proveer una protección secundaria que cubra la totalidad de los domos y protecciones primarias. Conclusiones y Recomendaciones El estudio del desempeño de los dispositivos de protección ante volcaduras se ha dado como consecuencia de una percepción de que los actuales diseños, tanto en Estados Unidos como en México, carecen de los fundamentos físicos necesarios que aseguren su efectividad ante la ocurrencia de estos accidentes. Tales deficiencias en el diseño se atribuyen a que los aspectos normativos no son lo suficientemente específicos en cuanto a resistencia y configuración geométrica. En el estudio se encontró que los factores más importantes que afectan la estabilidad de los vehículos tienen que ver con sus propiedades geométricas (altura del centro de gravedad, separación transversal de los soportes de las suspensiones y separación de las llantas en los ejes), mientras que las características de rigidez de la suspensión y llantas, influyen en un grado menor. Numéricamente, se concluyó que una mejora en las características geométricas y de rigidez puede representar una ventaja de hasta 50% en la tendencia a la volcadura, en tanto que una mejora limitada a la rigidez de la suspensión y llantas, podría significar un margen del 20% en dicha tendencia. Sin embargo, las mejoras en el desempeño de los vehículos resultaron ser una función de las características estimadas como indicadoras de la propensión a la volcadura (aceleración lateral, ángulo de oscilación longitudinal, velocidad angular de oscilación longitudinal y transferencia lateral de carga). La normatividad nacional debería actualizarse, atendiendo los requerimientos establecidos en las normas estadounidenses, complementándolos con las recomendaciones planteadas en el presente trabajo, las cuales coinciden, en algunos aspectos, con las propuestas por investigadores en los Estados Unidos. Adicionalmente, tal normatividad nacional debería incluir lo que aquí se aconseja acerca de los dos niveles de protección necesarios, y las tolerancias asociadas. Como trabajos futuros se sugieren: 1) el desarrollo de un modelo matemático para simular la volcadura, incluyendo las etapas posteriores, y de rodadura del vehículo sobre la superficie de impacto; y 2) el desarrollo de un modelo sobre el comportamiento de los toneles ante los impactos, atendiendo las cargas dinámicas ligadas a las volcaduras. Bibliografía DOT, “Specifications for Packaging”, Title 49, Code of Federal Regulations Pt 178.345, (2001). Gillespie, T. D. y MacAdam, C. C., “Constant Velocity Yaw-roll Program User´s Manual”, UMTRI-82-39, (1982).
NOM, “Protección contra volcaduras”, NOM-020-SCT2/1995 “Requerimientos generales para el diseño y construcción de autotanques destinados al transporte de materiales y residuos peligrosos, especificaciones SCT 306, SCT 307 y SCT 312”, (1995). Winkler, C., Bogard, S. y Zhou, J., “The Dynamics of Tank-vehicle Rollover and the Implications for Rollover Protection Devices”, UMTRI – 98-53, (1998). La edición del presente artículo fue elaborada por * Síntesis del documento: ROMERO, José Antonio; Jesús FORTANELL; Oswualdo RAMÍREZ; Robert HILDEBRAND y Miguel MARTÍNEZ, “Dispositivos de protección de autotanques ante volcaduras. Aspectos normativos y de diseño”, Publicación Técnica No. 218, Instituto Mexicano del Transporte, Sanfandila, Qro., 2003.
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