Abstract: Für Kinder in Deutschland existiert im Pkw weiterhin ein höheres Risiko, im Straßenverkehr bei einem Unfall schwer verletzt oder getötet zu werden, als es für ungeschützte Verkehrsteilnehmer wie Fahrradfahrer oder Fußgänger besteht. Dies erscheint auf den ersten Blick nicht nachvollziehbar, da der Pkw und die vorgeschriebenen Kindersitze den Kindern eine hohe Sicherheit bieten müssten. Der vorliegende Projektbericht gibt Aufschluss über den aktuellen Stand der Sicherheit von Kindern im Pkw in Deutschland und zeigt Optimierungspotenzial auf. Die Schutzwirkung der Kindersitze hängt von mehreren Faktoren ab. Dabei stehen technische Aspekte, die hier detailliert untersucht wurden, im Vordergrund. Doch vor allem in den letzten Jahren zeigte sich immer wieder in Feldstudien, aber auch in der Unfallanalyse, dass Kinderschutzsysteme (KSS) oftmals nicht nach den Vorgaben installiert wurden. Wenn der Kindersitz und/oder das Kind nicht entsprechend der Bedienungsanleitung gesichert werden, kann sich das Schutzpotenzial der KSS reduzieren und gegen Null gehen. Im schlimmsten Fall stellt eine fehlerhafte Benutzung von KSS eine Gefahr sowohl für das Kind als auch für andere Pkw-Insassen dar. Die Unfallanalyse ergab keine Aussage darüber, ob verschiedene KSS-Modelle zu unterschiedlichen Verletzungsmustern führen, da die Unfallkonstellationen pro KSS-Modell zu verschieden waren. Des Weiteren wurde analysiert, inwieweit heutige Testverfahren mit diesen Konstellationen übereinstimmen. Das Ziel, mit wenigen Verfahren möglichst alle relevanten Unfälle abzubilden, wurde zum Teil ereicht. Zu viele Testverfahren mit unterschiedlichen Bewertungssystemen stellen heutzutage die Endverbraucher vor das Problem, dass nicht klar ist, welches KSS wirklich das beste ist. In der Realität hängt die Schutzwirkung zudem noch wesentlich von der KSS-Pkw-Kombination ab, die nur annähernd durch Versuche überprüft werden kann, da sich eine zu hohe Anzahl von Kombinationsmöglichkeiten ergibt. Anhand von mehr als 100 Versuchen wurde das Schutzpotenzial von verschiedenen aktuellen Kindersitzmodellen untersucht. Dabei wurden immer vermeintlich gute und schlechte KSS gegenübergestellt und unter gleichen Randbedingungen getestet. Ziel dieses Vorgehens war es, anhand der Messergebnisse Maßnahmen zu erkennen, die dem Schutz der Kinder dienlich sind. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass prinzipiell für Kinder ein gutes Schutzniveau durch KSS besteht, was aber von KSS zu KSS verschieden sein kann. Die teureren KSS wiesen keine mechanische Zerstörung auf und überstanden alle Tests ohne ernsthafte Beschädigungen. Lediglich das oftmals als Dämpfungsmaterial eingesetzte Polystyrol nahm Energie auf und verformte sich wie vorgesehen plastisch. Bei den "Billig-Kindersitzen" ergab sich leider ein komplett anderes Bild. Sobald die Anforderungen über die der Gesetzgebung hinausgehen, ist immer weniger Schutz für die Kinder vorhanden. Besonders im Seitenaufprall offenbarten sich erhebliche Lücken in der Sicherheit. Dies reichte von mechanischem Versagen mancher Plastikteile bis hin zu konstruktiven Unzulänglichkeiten. Vor allem die Gurtführung muss deutlicher gekennzeichnet und mechanisch verstärkt werden. Trotz des hohen Schutzpotenzials einiger Kindersitze ist das Ende der Entwicklung noch nicht abzusehen. In allen Kindersitzklassen ist es prinzipiell möglich, die Belastungswerte weiter zu reduzieren. Dazu werden am Ende des Berichtes verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt. Zum einen ist dies eine optimierte Babyschale, die durch eine Trägheitsbewegung gezielt Energie abbaut und das Baby in eine günstigere Position bringt, in der die Belastungen des Körpers reduziert sind. Zum anderen wird gezeigt, dass durch die feste Anbindung des KSS an den Pkw und die Reduzierung der Rotation um die Y-Achse die Belastungen für Kinder reduziert werden können. Größtes Entwicklungspotenzial bietet dabei das ISOFIX-System. Es ist bekannt, dass ISOFIX die Fehlbedienung des Kindersitzes und die Belastungen der Kinder deutlich reduzieren kann. Trotzdem ist die bisherige Marktdurchdringung von ISOFIX eher gering. Obwohl insgesamt ein positives Fazit gezogen werden kann, darf nicht aufgehört werden, die Kindersicherheit weiter zu verbessern. Denn nicht alle Kindersitze schützen heute gleich gut. Einige genügen lediglich den Gesetzesansprüchen und finden in vielen Fällen durch einen sehr geringen Verkaufspreis Zugang in die Pkw. Durch verschärfte Testbedingungen sollten diese Kindersitze abgeschafft und der Weg für neue und bessere Kinderschutzsysteme frei gemacht werden.
Statischer und dynamischer Fahrsimulator im Vergleich: Wahrnehmung von Abstand und Geschwindigkeit
(2016)
Die Methodik der experimentellen Fahrsimulation gewährleistet sichere Anwendungsforschung unter hoher Kontrollierbarkeit. Obwohl gegenwärtig viele Forschungsfragen in virtuellen Umgebungen beantwortet werden, existieren weder systematische Validierungsszenarien für Fahrsimulatoren, noch wurde die Vergleichbarkeit der Aussagekraft von Befunden aus Fahrsimulatoren mit und ohne Bewegungssystem bislang angemessen hinterfragt. Daher sollen in der vorliegenden Studie ein statischer und ein dynamischer Fahrsimulator hinsichtlich ihrer Validität in verschieden Fahrsituationen verglichen werden, wobei der Schwerpunkt auf Abstands- und Geschwindigkeitswahrnehmung liegt. Es wird erwartet, dass ein zusätzliches Bewegungssystem nur bei Fahraufgaben mit dynamischer Involvierung einen Redundanzgewinn für die Wahrnehmung des Fahrers liefert. Werden hingegen konstante Abstände eingehalten, sollten entsprechend der Hypothese beide Prüfumgebungen äquivalente Resultate zeigen. Insgesamt durchfuhren 60 Probanden Fahrszenarien zur Abstandsherstellung und -einschätzung, teils mit Okklusion, sowie Folgefahrten mit Beschleunigung und Verzögerung. Die Querführung wurde mithilfe einer Gassendurchfahrt untersucht. Indem die virtuelle Umgebung nach Vorbild einer real existierenden Teststrecke konstruiert wurde, kann ebenfalls auf reale Referenzwerte Bezug genommen werden. Die Ergebnisse weisen auf eine vergleichbare relative Validität zwischen statischem und dynamischem Simulator hin, wenn keine Kinetik in der Fahraufgabe vorhanden ist. In Beschleunigungssituationen bewirkt simulierte Fahrdynamik signifikante Wahrnehmungseinbußen, wobei das Bewegungssystem in Bremssituationen die Wahrnehmung signifikant unterstützt. In dem Querführungsszenario ist die Fahrgeschwindigkeit im statischen Simulator zwar signifikant höher und damit näher an der realen Referenz, allerdings wird im statischen Simulator eine auffällig nach rechts versetzte Spur gehalten. Dennoch, so der vorrangige Befund, sollte auch ein statischer Fahrsimulator valide Evaluationen für die meisten Fahraufgaben gewährleisten.
Testverfahren zur Bewertung und Verbesserung von Kinderschutzsystemen beim Pkw-Seitenaufprall
(2003)
Die gegenwärtige europäische Regelung zur Prüfung und Zulassung von Kinderschutzsystemen (KSS) für Pkw (ECE-R44-03) beinhaltet dynamische Tests zur Frontal- und Heckaufprallsimulation. Der Seitenaufprall ist bisher nicht berücksichtigt, obwohl die Verletzungsschwere und die Folgekosten groß sind. Im Gegensatz zum Frontal- und Heckaufprall ist der Seitenaufprall gekennzeichnet durch eine direkte Lasteinleitung durch intrudierende Strukturen. Das Kinderschutzsystem und das Kind werden durch große Kontaktkräfte direkt beaufschlagt. Verletzungen des Kopfes und Halsbereichs von Kindern in KSS sind hierbei häufig und schwer. Seit 1993 beschäftigt sich daher eine ISO-Arbeitsgruppe (International Standardization Organisation) mit der Entwicklung eines Testverfahrens zur Prüfung von KSS beim Seitenaufprall. Die Ziele und entsprechende Ideen sowie Konzepte beteiligter Parteien sind bis heute kontrovers, so dass bisher keine endgültige Einigung im Rahmen der Arbeitsgruppe erzielt werden konnte. Ziel der vorliegenden Arbeit als Abschluss eines Projekts der BASt (Bundesanstalt für Straßenwesen) und dem Fachgebiet Kraftfahrzeuge der TU Berlin ist es, die komplexe Problematik zu dem Thema umfassend darzustellen und gleichzeitig einen ganzheitlichen Lösungsvorschlag anzubieten. Hierzu sind die Teilergebnisse der ISO-Arbeitsgruppe im ersten Schritt strukturiert und analysiert worden. Wissenslücken wurden detektiert und in einem weiteren Schritt beseitigt. Alle Teilergebnisse wurden im Rahmen der ISO-Arbeitsgruppe präsentiert, diskutiert und größtenteils auch akzeptiert. Der aktuelle Stand der ISO-WG1 ist somit maßgeblich von den hier erzielten Ergebnissen beeinflusst. Als Kern der vorliegenden Arbeit ist an der TU Berlin das Konzept für ein Testverfahren entwickelt, umgesetzt und geprüft worden. Die wesentlichen Parameter des realen Seitenaufpralls wie: - Beschleunigungsniveau des gestoßenen Pkw, - Delta-v des gestoßenen Pkw, - Maximalintrusion beim gestoßenen Pkw sowie - die maximale Intrusionsgeschwindigkeit im Kopfbereich sind wiedergegeben. In Abgrenzung zu aktuellen, komplexen Schlittentestverfahren, die z.B. zur Entwicklung von Seitenairbags dienen, ist die statische und dynamische Intrusionsgestalt einer realen Pkw-Seitenstruktur hingegen stark vereinfacht, aber ausreichend dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass es prinzipiell möglich ist, das Schutzpotential von rückwärtsgerichteten sowie vorwärtsgerichteten KSS mit dieser Prozedur zu analysieren. Die Seitenaufprallabbildungsgüte ist hoch bei einer gleichzeitig sehr guten Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. So zeigen die Tests, dass die Kinematik des Kopf- und Halsbereichs im Wesentlichen von der Gestalt des KSS im Seitenbereich abhängig ist. Ausreichend große Seitenwangen können den Kopf flächig stützen und vermeiden so den direkten Kontakt zu intrudierenden Strukturen. Gleichzeitig wird die starke laterale Inklination der Halswirbelsäule reduziert. Die Belastungen am Kopf sind aber bei allen getesteten KSS hoch und liegen deutlich oberhalb diskutierter Grenzwerte. Bei genauer Betrachtung der KSS-Seitenwangenpolsterung fällt auf, dass diese entweder gar nicht oder nur rudimentär vorhanden ist. Modifikationen, die abschließend an KSS vorgenommen wurden, zeigen aber auf, dass bereits durch einfache technische Maßnahmen die Belastungen im Kopfbereich signifikant gesenkt werden können. Das mit dieser Arbeit vorgelegte Testverfahren bietet KSS-Herstellern wie auch dem Gesetzgeber die Möglichkeit, Schwächen von KSS aufzudecken und Modifikationen zielgerichtet durchzuführen. Durch die Berücksichtigung des realen Seitenaufpralls ist gewährleistet, dass alle Optimierungen seitens der KSS-Hersteller auch positiven Einfluss auf die passive Sicherheit von Kindern in Pkw haben können. Eine maximale Reduktion der schwer bzw. tödlich verletzten Kinder als Pkw-Insassen in Höhe von ca. 10% ist bei 100%-iger Marktdurchdringung mit optimal gestalteten Produkten realistisch. Dies entspricht einer Verringerung der Anzahl getöteter Kinder um ca. 10 sowie schwerverletzter Kinder um ca. 200 pro Jahr in Deutschland.
Ein Großteil der heute vorhandenen Stahlbrücken wurde in den 1960er Jahren errichtet, als man der Problematik der Materialermüdung noch nicht den notwendigen Stellenwert eingeräumt hatte. Seit Ende der 1990er Jahre ist bei diesen Bauwerken eine stetige Zunahme von Schäden zu verzeichnen, die durch die geringe Ermüdungsfestigkeit einzelner Konstruktionsdetails in Kombination mit erhöhten Beanspruchungen durch den zunehmenden Schwerverkehr verursacht werden. Da Ersatzneubaumaßnahmen sowohl mit hohen Kosten als auch mit langwierigen Genehmigungsverfahren verbunden sind, gilt es, den Bestand der vorhandenen Bauwerke ausreichend lange zu erhalten.
Um auch bei weiter ansteigenden Ermüdungsbeanspruchungen eine hinreichende Restlebensdauer sicherzustellen, werden wirksame Konzepte und neue Lösungen für die Erhaltung von Stahlbrücken erforderlich. Mit der „Verstärkung des Deckblechs orthotroper Fahrbahnplatten durch Aufkleben von Stahlblechen“ wird ein spezieller, jedoch vielversprechender Lösungsansatz verfolgt und eingehend untersucht. Die erforderlichen Untersuchungen sind so umfangreich, dass die folgenden vier aufeinander bezogenen Projekte initiiert wurden, um eine angemessene Abwicklung zu gewährleisten:
• Numerische Untersuchungen
• Klebtechnologie
• Dauerfestigkeitsuntersuchungen
• Fugen- und Randausbildung
Im Projekt „Numerische Untersuchungen“ wird am Beispiel der orthotropen Platte der Rheinbrücke Duisburg-Neuenkamp mithilfe eines numerischen Modells gezeigt, dass die Verstärkung des Deckblechs eine sinnvolle Maßnahme ist, um Spannungen in der Platte und örtliche Durchbiegungen des Deckblechs wirkungsvoll zu vermindern.
Das Projekt „Klebtechnologie“ beschreibt die Entwicklung eines praxistauglichen Klebverfahrens, das auf die speziellen Rahmenbedingungen abgestimmt wurde, die bei der Erhaltung von orthotropen Fahrbahnplatten bestehen.
Kern des Projekts „Dauerfestigkeitsuntersuchungen“ bildet ein aufwändiges Versuchsprogramm mit praxisnahen Dauer-Schwell-Biege-Prüfungen. Als wesentliches Ergebnis wurde der Nachweis erbracht, dass die Klebverbindungen den dynamischen Beanspruchungen aufgrund der herkömmlichen Verkehrsbelastung dauerhaft widerstehen können.
Im Projekt „Fugen- und Randausbildung“ wurde die Anordnung von Fugen und die Gestaltung von Randabschlüssen konzipiert und deren Tauglichkeit untersucht. In Anlehnung an das Projekt „Dauerfestigkeitsuntersuchungen“ wurde anhand von Versuchen eine ausreichende Ermüdungsfestigkeit nachgewiesen.
Die im Rahmen dieser vier Projekte durchgeführten Untersuchungen werden erläutert und die erzielten Ergebnisse dargestellt. Damit sind die labortechnischen Untersuchungen zur „Verstärkung des Deckblechs orthotroper Fahrbahnplatten durch Aufkleben von Stahlblechen“ erfolgreich abgeschlossen. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden eine wesentliche Grundlage für erste Pilotanwendungen in der Praxis.
Anhang A enthält alle wesentlichen Parameter, Ergebnisse, Einzelwerte und Fotos.
Bei der vorliegenden Veröffentlichung handelt es sich um eine von der „Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Bauwissenschaften der Universität Duisburg-Essen“ genehmigte Dissertation zum Erwerb des Doktorgrades. Die mündliche Prüfung fand am 04.11.2022 statt. Gutachterin und Gutachter waren Frau Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Natalie Stranghöner und Herr Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Feldmann.
Herzlich bedanke ich mich an dieser Stelle bei Frau Prof. Stranghöner sowohl für die perfekte Betreuung aber insbesondere auch für den entscheidenden Impuls, die Arbeiten in einer Dissertation zu bündeln, bei Herrn Prof. Feldmann für die Begutachtung sowie bei zahlreichen Kolleginnen und Kollegen aus der Abteilung Brücken- und Ingenieurbau der BASt für die Unterstützung auf vielfältige Art und Weise und dabei ganz besonders bei Herrn Bert Quaas und Herrn Michael Staeck für den engagierten Einsatz im Labor und an der Hydropulsanlage.