620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Anhand von zwei verschiedenen Versuchskonfigurationen wurde das Schutzpotential von Kopfschutzsystemen (Fahrradhelm und airbagbasiertes System) untersucht. Hierbei wurden die resultierende Kopfbeschleunigung als Messwert sowie das Kopfverletzungskriterium HIC bei Versuchen ohne und mit Kopfschutzsystem vergleichend gegenübergestellt.
Nach wie vor ist die Anzahl von Unfällen motorisierter Einspurfahrzeuge (MESFz) mit sehr schweren Verletzungsfolgen oder tödlichem Ausgang für die Aufsassen im Vergleich zu allen anderen getöteten Verkehrsteilnehmern alarmierend hoch. Im Jahr 2013 wurden bei insgesamt 42.427 Unfällen MESFz 641 Aufsassen getötet und 12.034 schwer verletzt. Um dieser hohen Zahl schwerverletzter und getöteter Aufsassen von MESFz entgegenzuwirken, hat die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) das vorliegende Projekt initiiert. Zielsetzung des Projektes war es, durch eine Analyse von Unfalldaten von MESFz, durch ergänzende computergestützte FEM-Simulationen und durch eine kritische Bewertung der UN-Regelung UN-R 22/05 (vormals ECE-R 22/05) hinsichtlich verletzungs-biomechanischer Inhalte (Versuche und Prüfwerte) Erkenntnisse zu erarbeiten, Handlungsbedarf festzustellen und Änderungs- und Ergänzungsvorschläge zur Überarbeitung der UN-R 22/05 sowie hinsichtlich allgemeiner Maßnahmen zu formulieren. Auf der Grundlage der amtlichen Unfalldaten des Statistischen Bundesamtes, Wiesbaden (DESTATIS) erfolgte eine Unfalldatenauswertung im Allgemeinen. Für eine detaillierte Analyse wurden Daten der "German In-Depth Accident Study" (GIDAS, Dresden und Hannover) ausgewählt. Bei etwa der Hälfte der im Teilumfang (n=199) untersuchten Unfälle von MESFz kam es zu Kopfverletzungen, überwiegend bei benutztem Schutzhelm. In 18 % lagen die führenden Verletzungen am Kopf; in 48 % blieb der Kopf unverletzt bei sonstigen schweren bis schwersten und tödlichen Verletzungen am Körper. Etwa 10 % der Aufsassen benutzten ein MESFz ohne bzw. mit absolut ungeeignetem Helm. Eine kritische Bewertung und Alternativvorschläge der derzeitigen Fassung der UN-R 22/05 wurden bezüglich der Punkte Prüfumfang, Prüfausstattung, Prüfdurchführung, Prüfkriterien und eine fälschungssicheren Homologations-Kennzeichnung erarbeitet.
Mit Abschluss dieses Forschungsprojekts ist eine Wissensbasis erarbeitet, die es ermöglicht relativ schnell die Eigenschaften beliebiger Schutzhelme im Voraus zu berechnen. Es wurde ein Rechenprogrammsystem erstellt, welches mit Hilfe der Schalentheorie und der Methode der Übertragungsmatrizen für alle denkbaren Aufschlagpunkte ingenieurmäßige Aussagen liefert über die Tauglichkeit eines Helms. Mit diesem Programmsystem wurde eine Parameterstudie anhand von 27 Helmvarianten mit dem Ziel durchgeführt, die Abstimmung von Helmschale und Schutzpolsterung so zu wählen, dass eine optimale Energieumsetzung möglich ist, optimal im Sinne einer Minimierung der aus dem Stoß resultierenden Kopfbeschleunigung. Es erfolgte eine Variation der Parameter Schutzpolsterungsdicke und Helmschalendicke. Die Abhängigkeit der Kopfbeschleunigung von der Aufprallenergie wurde ebenfalls untersucht. Neben Vergleichsrechnungen mit der Methode der finiten Elemente wurden auch gemessene Beschleunigungen zur Absicherung der Ergebnisse herangezogen. Die Parameterstudie mittels Übertragungsmatrizen ist auch mit einer parallel entwickelten PC-Programmversion durchführbar. Unter der Voraussetzung hinreichenden Energieaufnahmevermögens sind für den Polycarbonat-Polystyrol-Helm handelsüblicher Machart eine geringe Helmschalendicke, eine geringe Schutzpolsterungsdichte und eine dicke Schutzpolsterung anzustreben, wobei dieser letzte Einfluss weniger stark ist. Nach Abschluss der laufenden Polystyrol-Werkstoffversuche bleibt zu klären inwieweit die beschriebenen Einflüsse abhängig von der Aufprallenergie sind. Die Berechnungen zeigen, dass eine starke Abhängigkeit der maximalen Kopfbeschleunigung von der Aufprallenergie vorliegt, was vom Regelwerk ECE 22/02 nicht hinreichend berücksichtigt wird. Es ist notwendig in den Helmtests unterschiedliche Aufprallenergien zu realisieren. Der Tauglichkeitsnachweis muss den unfallrelevanten Geschwindigkeitsbereich abdecken. Die Prüfkopfmasse muss erhöht werden. Sie repräsentiert die reduzierte Masse und ist im Grenzfall gleich der Masse des Motorradfahrers. Anzustreben ist ideal plastisches Verhalten der Schutzpolsterung, so dass in Kombination mit einer biegesteifen Helmschale über einen weiten Energiebereich Beschleunigungskonstanz erzielt wird. Ein Schritt in diese Richtung wäre der Einsatz von Wabenstrukturen (honeycomb) zwischen Helmschale und Komfortpolsterung.
Radfahrer-Schutzhelme sind ab Mitte der 70er Jahre durch Einsatz von neuen Materialien entscheidend verbessert worden. Sie bestehen heute fast immer aus einer circa 20 Millimeter dicken Schale aus geschäumtem Polystyrol, und in den meisten Fällen existiert eine zusätzliche harte Aussenschale. Für diese Helme wurden Sicherheitsstandards unter anderem in den USA und Australien erarbeitet, deren Schwerpunkte im Stoßdämpfungstest und in der Belastung der Helm-Trageeinrichtung liegen. In Anlehnung an diese Standards wurden 15 Helme des deutschen Marktes nach dem Testverfahren gemäß ECE-R22 für Motorradhelme, jedoch mit einer reduzierten Fallhöhe von 1 Meter, geprüft. Die Mehrheit der Helme erreichte maximale Verzögerungen von unter 200 Gramm, was den Zielvorstellungen vom Arbeitspapier DIN 33954 entspricht. Die Trageeinrichtungen erfüllen alle die vorgegebenen Festigkeitsanforderungen. Eine Literaturstudie zeigt große Helmtrageaktivitäten besonders in Australien, den USA und in Schweden. In diesen Ländern wurde die Helmtragequote seit vielen Jahren durch entsprechende Werbekampagnen, besonders bei Schulkindern, erheblich gesteigert. Der Abbau von psychologischen Barrieren, wie auch staatliche Unterstützung beim Kauf eines Helmes, gehörten zu den Maßnahmen. Bei einzelnen Gruppen wurden Tragequoten bis zu 30 Prozent ermittelt. Demgegenüber sind Radfahrer-Schutzhelme in der Bundesrepublik Deutschland lediglich bei sportlichen Veranstaltungen, weniger jedoch im öffentlichen Straßenverkehr auszumachen.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Alterungsverhaltens von Schutzhelmen für Kraftfahrer und der Einflüsse der photochemischen Alterung der Außenseite der Helmschale auf die Schutzwirkung des Helms. Für die künstliche Bewitterung wurde ein neues Gerät mit speziellen UV-Leuchtstofflampen nach DIN 53384, Verfahren B aufgebaut, in dem neun komplette Schutzhelme gleichzeitig bestrahlt und beregnet werden können. Für die Untersuchungen wurden Schutzhelme nach der ECE-Regelung 22 mit Helmaußenschalen aus den Kunststoffen PC, PA und UP-GF bewittert, wobei eine maximale natürliche Beanspruchung in vier Jahren Gebrauch simuliert wurde. Nach der künstlichen Bewitterung wurden die Schutzhelme einer Stoßdämpfungsprüfung nach Abschnitt 7.3 der ECE-Regelung 22 unterzogen. Bei den nach ECE-Regelung 22 typgeprüften Schutzhelmen konnte keine Alterung ermittelt werden, die die Schutzwirkung der Helme beeinträchtigt hat. Vergleichsversuche mit älteren Helmen mit Helmschalen aus ABS dagegen haben nach der gleichen künstlichen Bewitterung einen deutlichen Einfluss der Alterung gezeigt.
Es wurden Versuchsreihen mit Trageeinrichtungen von Motorrad- und Fahrradhelmen durchgeführt. Trageeinrichtungen sollen bei einem Unfall verhindern, dass es zu einem Verlust des Helms kommt. Zur Prüfung der Belastbarkeit von Trageeinrichtungen wurde ein Prüfstand entwickelt und aufgebaut, mit dem die Kraft, der ein Tragesystem standhalten kann, bestimmt werden kann. Die Ergebnisse belegen, dass Tragesysteme von Motorradhelmen Kräften widerstehen können, die fast dreimal so hoch sind, wie die unter Standardbedingungen der ECE-R 22 aufgebrachten. Vier der fünf getesteten Fahrradhelme widerstanden höheren Kräften als im Normentwurf gefordert.
Die Untersuchung sollte erörtern, ob es empfehlenswert ist, das Testverfahren zum streifenden Anprall eines Motorradhelmes auf die Straßenoberfläche in die ECE-R 22 aufzunehmen. Dazu war zu klären, ob die Testmethode geeignet ist, rotatorische Kräfte auf den Prüfkopf zu erfassen und ob sich aufgrund der Unfallsituationen eine Notwendigkeit für ein solches Testverfahren ergibt. Die Messergebnisse zeigen, dass der Zusammenhang zwischen der verletzungswirksamen Rotationsbeschleunigung und der im Testverfahren gemessenen Tangentialkraft nicht ohne Zweifel belegbar ist. Somit wäre zu fordern, dass statt der Tangentialkraft die Rotationsbeschleunigung als Verletzungskriterium betrachtet wird. Dafür wird jedoch ein sehr hoher Anspruch an die Messtechnik im Labor gestellt. Aus der Sicht der Unfallforschung lässt sich sagen, dass bei derartigen Anprallsituationen, insbesondere bei Anprallgeschwindigkeiten von unter 40 km/h, die sich im Laborversuch realisieren lassen, nur mäßige Kopfverletzungen auftreten (AIS 2 oder geringer). Der hohe Aufwand des Testverfahrens scheint also nicht gerechtfertigt zu sein.
Der Nutzen des Schutzhelmes für motorisierte Zweiradfahrer ist unumstritten. Die Grenzwerte für eine zulässige Kopfbeschleunigung bei der Prüfung des Dämpfungsverhaltens gemäß ECE-R 22 sind jedoch weiterhin in der Diskussion. In der vorliegenden Untersuchung wird deshalb die Kopfbelastung eines Dummys beim Pkw-Crash-Versuch mit den Belastungen des behelmten Prüfkopfes bei Fallversuchen gemäß ECE-R 22 verglichen. Bei den durchgeführten Fallversuchen besteht ein enger Zusammenhang zwischen HIC und maximaler Beschleunigung, der durch eine analytische Funktion beschrieben werden kann. Es kann gezeigt werden, dass die bei ECE-R 22 zulässige Kopfbeschleunigung von 300 g einem HIC von etwa 3400 entspricht. Zur Bewertung von Schutzhelmen mit verbesserten Stoßabsorptionseigenschaften erscheint es sinnvoll, wie anhand von Modellrechnungen gezeigt wird, den HIC als Schutzkriterium einzuführen. Bei einer Anprallgeschwindigkeit von 7 m/s kann ein HIC von 1500 als realistische Forderung angesehen werden, sofern bei der ECE-Regelung der sogenannte Zweitschlag entfällt. Bei den Pkw-Versuchen ist kein Zusammenhang zwischen HIC und maximaler Beschleunigung vorhanden. Hier ist der HIC als Verletzungskriterium etabliert, und das ist für den komplexen Verlauf des Signals der Kopfbeschleunigung sinnvoll. Eine Bewertung nach anderen Kopfschutzkriterien würde die Rangfolge der einzelnen Versuche ändern. Bei Helmversuchen auf den Stirnanprallpunkt B werden starke Rotationen des rückprallenden Systems Prüfkopf/Helm beobachtet. In Verbindung damit treten hohe Rotationsbeschleunigungen auf. Diese liegen, wie bei einem Teil der Helmversuche gemessen, zwischen 2,4 und 4,8 krad/s2.
Recent accident statistics from the German national database state bicyclists being the second endangered group of vulnerable road users besides pedestrians. With 399 fatalities, more than 14.000 seriously injured and more than 61.000 slightly injured persons on german roads in the year 2011, the group of bicyclists is ranked second of all road user groups (Statistisches Bundesamt, 2012). While the overall bicycle helmet usage frequency in Germany is very low, evidence is given that its usage leads to a significant reduction of severe head injuries. After an estimation of the benefit of bicycle helmet usage as well as an appropriate test procedure for bicyclists, this paper describes two different approaches for the improvement of bicyclist safety. While the first one is focusing on the assessment of the vehicle based protection potential for bicyclists, the second one is concentrating on the safety assessment of bicycle helmets. Within the first part of the study the possible revision of the existing pedestrian testing protocols is being examined, using in depth accident data, full scale simulation and hardware testing. Within the second part of the study, the results of tests according to supplemental test procedures for the safety assessment of bicycle helmets developed by the German Federal Highway Research Institute (BASt) are presented. An additional full scale test performed at reduced impact speed proves that measures of active vehicle safety as e.g. braking before the collision event do not necessarily always lead to a reduction of injury severity.
Insgesamt hat sich die Sicherungsquote erwachsener Pkw-Insassen mit 98 Prozent im Jahr 2009 leicht verbessert (2008: 97 Prozent). Kinder ab sechs Jahren waren im Jahr 2009 deutlich besser gesichert als im Vorjahr. Auf Innerortsstraßen lag die Benutzung von Kindersitzen in dieser Altersgruppe bei 72 Prozent (2008: 58 Prozent), auf Landstraßen ebenfalls bei 72 Prozent (2008: 63 Prozent). Die Verwendung von Kinderrückhaltesystemen in der Altersgruppe bis 5 Jahre hat sich auf Landstraßen von 98 auf 95 Prozent und im Innerortsverkehr von 97 auf 94 Prozent verschlechtert. Im Jahr 2009 trugen 98 Prozent der Fahrer und 100 Prozent der Mitfahrer motorisierter Zweiräder einen Schutzhelm. 18 Prozent aller motorisierten Zweiradfahrer trugen eine komplette Schutzkleidung (2008: 19 Prozent). Im Jahr 2009 trugen 11 Prozent der Fahrradfahrer einen Schutzhelm (2008: 10 Prozent), in der Gruppe der bis zehn Jahre betrug die Quote 56 Prozent (2008: 55 Prozent). Im Güterkraftverkehr hat sich das Sicherungsverhalten für alle beobachteten Kollektive deutlich verbessert, erreicht jedoch noch nicht das Niveau der Gurtnutzung von Pkw-Insassen.