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To assess occupant safety in a crash test, criteria associating the measurements made with a crash test dummy to injury risk are necessary. To enable better protection of elderly car occupants the objective of this study was to develop improved thoracic injury criteria for the THOR average male dummy. The development of these criteria is usually based on matched dummy and Post Mortem Human Surrogate (PMHS) tests by relating the obtained PMHS injuries to dummy measurements. This approach is limited, since only a few tests in relevant loading conditions are available and any new test series requires high efforts to be performed due to their complexity and costs. To overcome these limitations and to extend the dataset for the development of THOR dummy chest injury risk functions a simulation-based approach was applied within the EC funded project SENIORS (Safety Enhanced Innovations For older Road Users - www.seniors-project.eu). Within this study frontal impact sled simulations with an FE model representing a THOR average male dummy and matched simulations with a human body model (HBM) representing an elderly car occupant were carried out. The HBM used for this study was the THUMS TUC with modified rib cage, which was developed in SENIORS. The modifications included material and geometry changes aiming to represent an elderly car occupant. The rib fracture risk was predicted with a deterministic approach whereby a rib was considered broken when the strain exceeded an age-dependent threshold. Furthermore, a probabilistic method was applied to predict the probability of sustaining a certain number of fractured ribs by comparing local strain values to the distribution of cortical rib ultimate strain. By relating the output from the HBM simulations to a multi-point dummy injury criterion, injury risk curves were calculated by statistical methods. The wide range of loading conditions resulted in the desired range of injuries and THOR ATD output. The number of fractured ribs predicted by the HBM based on the deterministic prediction method was between 0 and 15. Furthermore, the probabilistic risk for the number of rib fractures equal or greater than two, three or four was calculated for each load case. The THOR rib deflection criterion Rmax was between 18 and 56 mm, while the PC Score was in the range of 2.5 to 7.2. Based on these outputs new risk curves for the predicted deterministic (AIS2+/3+) and probabilistic injury risk were calculated. The new curves show reasonable shapes and significance that provide trust in their application. The new risk curves are compared to risk curves obtained by traditional methods. The results were found similar to previous injury risk functions based on physical tests, which gives a high level of confidence in the chosen approach. The simulation-based approach of matched ATD model vs. HBM simulation was successfully applied. Rmax curves show a slightly better quality than the injury criterion PC Score.
Die klassische Bestimmung der Dicke des Straßenoberbaus in Deutschland ist eine auf Erfahrungswerten beruhende Kategorisierung der Verkehrswege in Straßenklassen mit standardisierten Aufbauten. Die rechnerische Dimensionierung für Straßen nach [RDO Beton 09] erlaubt es den bekannten, durch Erfahrungswerte belegten Bereich zu erweitern, sodass insbesondere für höhere Verkehrslasten und Sonderverkehrsflächen eine fundierte Dimensionierung des Oberbaus erfolgen kann. Die Berechnung der Lastzustände nach [RDO Beton 09] basiert auf den analytischen Lösungen von Differentialgleichungen. Dies erlaubt eine einfache und schnelle Berechnung der Belastungszustände der Betonplatten. Die Berechnung ist jedoch an Bedingungen gebunden, welche für die Lösung der Differentialgleichungen vorausgesetzt werden müssen. Damit liefern diese Gleichungen nur für einen begrenzten Parameterbereich exakte Ergebnisse. Um die Dimensionierung flexibel handhaben zu können, ist es notwendig, verschiedene Einflüsse pauschal über Anpassungsfaktoren zu berücksichtigen. Die Ergebnisse werden dadurch entsprechend unsicher. Das Berechnungsverfahren nach [RDO Beton 09] erlaubt in diesem Sinne nur eine pauschale Erfassung der Querkraftübertragung in den Fugen, der Vorverformung der Platte, der Lastverteilung im Plattenquerschnitt und des Einflusses mehrerer Radlasten. Auch bezüglich der Plattengeometrie und der detaillierten Erfassung der Einflussfaktoren sind dem Berechnungsmodell enge Grenzen gesetzt. Mit der Nutzung der Finite-Elemente-Methode ist es möglich, diese Defizite des Berechnungsmodells zu beseitigen. Die Dimensionierung wird damit genauer und flexibler. Die FEM bietet außerdem das Potenzial für eine wesentliche Weiterentwicklung des Dimensionierungsverfahrens. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein Finite-Elemente-Modell definiert, welches geeignet ist, in einem Dimensionierungsprogramm nach [RDO Beton 09] die Grundlage für die Spannungsberechnung zu bilden. Das Modell umfasst 9 aus Volumenelementen modellierte Platten, einen Volumenblock für den Untergrund, sowie Anker und Dübel. Für die Berechnung des Modells wird das Programm CalculiX aus dem Open-Source-Bereich als Solver verwendet. Mithilfe von systematischen Serienrechnungen wurde das Modell optimiert und validiert. Um die Rechenzeit zu optimieren, wurde für die unterschiedlichen Berechnungsfälle geprüft, ob die Kalkulation der Spannungen an einem reduzierten Modell mit weniger Platten möglich ist. Die Einbindung in die Dimensionierungssoftware AWDSTAKO ermöglicht die FEM-basierte Dimensionierung nach [RDO Beton 09]. An ausgewählten Problemstellungen wurden die neuen Möglichkeiten, welche sich durch die FEM-Berechnung ergeben demonstriert.