Filtern
Erscheinungsjahr
Dokumenttyp
- Konferenzveröffentlichung (62)
- Buch (Monographie) (41)
- Wissenschaftlicher Artikel (12)
- Teil eines Buches (Kapitel) (2)
- Bericht (2)
Schlagworte
- Simulation (119) (entfernen)
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird das Programm ConCalc entwickelt, welches die RDO Beton 09 um simulationsbasierte Verfahren erweitert. Hierzu wird erstens die Deterministik auf die Finite-Elemente-Methode (FEM) umgestellt, damit aktuell vorhandene Einschränkungen überwunden werden können. Zweitens wird eine Probabilistik im-plementiert, um Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnen zu können.
In erster Linie werden die Lastfälle der RDO Beton 09 mit FE präzise nachgebildet, so dass eine Alternative zur klassischen Berechnung mit analytischen Lösungen bereitgestellt wird. Eine Parameterstudie stellte u. a. heraus, dass das den RDO Beton 09 zugrundeliegende Prinzip der Superposition von Verkehrs- und Temperaturlast nicht gilt. Daher sind zur Weiterentwicklung der RDO Beton 09 weitere Untersuchungen nötig.
Die Modellierungsmöglichkeiten von ConCalc gehen weit über die der RDO Beton 09 hinaus und umfassen unter anderem:
• Die Interaktion der Betonplatte mit der Unterlage mittels
• Kontaktmechanik mit Volumenmodellen oder
• zugfreier Winklerbettung.
• Die Berücksichtigung von Dübeln und Ankern als Festkörper in Mehrplattenmodellen zur Analyse der Interaktion im Fugenbereich, sowie
• die Abbildung nichtlinearer Temperaturverläufe.
Neben den genannten Erweiterungen, bestehen mit der FEM nahezu unbegrenzte Möglichkeiten zur Weiterentwicklung.
Zur Durchführung von Berechnungen unter Anwendung der probabilistischen Verfahrensweise werden bestehende Formulierungen zu probabilistischen Bewertungsansätzen implementiert. Unter Berücksichtigung variierender Eingangsgrößen, können somit Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnet werden.
Da das Programm vornehmlich Forschungszwecken dienen soll, müssen Erweiterungen bzw. Änderungen einfach möglich sein. Daher ist ConCalc modular gestaltet und wird in vier Haupt- und mehrere untergeordnete Module unterteilt, die sich einzeln ersetzen lassen. Die Module kommunizieren nur über menschenlesbare Dateiformate, was die Wartbarkeit und Fehlersuche vereinfacht. Soweit möglich wird auf quelloffene und etablierte Softwarelösungen zurückgegriffen, um die zukünftige Anwendbarkeit und Updates zu gewährleisten. Diese Punkte sind für unkomplizierte und zukunftsfähige Weiterentwicklungen essentiell.
Die nachfolgend beschriebenen Hauptmodule sind komplett skriptbar.
Um der Erweiterbarkeit Rechnung zu tragen wird die Benutzeroberfläche zur Konfiguration der Berechnung flexibel und anwenderfreundlich mit eingebundenen Drop-Down-Menüs und ausgewählten Eingabefeldern in Excel gestaltet.
Die grafische Oberfläche exportiert eine übersichtlich formatierte Eingabedatei für ConCalc im verbreiteten JSON-Format. Damit ist es ebenfalls möglich bei Bedarf die grafische Oberfläche zu umgehen und die Eingabedateien manuell oder geskriptet zu erstellen.
Der in Matlab geschriebene Präprozessor erstellt Eingabedateien zur Geometrie- und Netzerstellung mittels GMSH. Die von GMSH exportierten Netzdaten werden anschließend vom Präprozessor u. a. um Randbedingungen und Materialdaten ergänzt um lauffähige Eingabedateien im Abaqus-Format zu erhalten.
Der ebenfalls in Matlab geschriebene FE-Rechenkern liest die Eingabedaten, führt die Berechnung aus und schreibt Ergebnisdateien für den Postprozessor. Die implementierten Algorithmen wurden gründlich anhand analytischer und numerischer Referenzlösungen verifiziert.
Ein wesentlicher Aspekt liegt in der Reduzierung der Rechenzeit von ConCalc. Dies ist insbesondere in Hinblick auf Sensitivitätsanalysen sowie die Anbindung der probabilistischen Verfahrensweise erforderlich. Zur Beschleunigung wurde ein Verfahren zur projektionsbasierten Modellreduktion implementiert. Neben der Optimierung der Rechenzeit für die Einzelrechnung besteht außerdem die Möglichkeit, verschiedene Berechnungen, voneinander gänzlich unabhängig, zu parallelisieren. Das Maß der Parallelisierbarkeit und der Reduzierung des Rechenaufwandes ist dabei von der verfügbaren Hardware und dem Bedarf an Genauigkeit abhängig.
Die Visualisierung der Ergebnisse übernimmt ParaView, wofür Dateien im Visualization-Toolkit-Format geschrieben werden. Zur Dimensionierung und Bewertung wird die maximale Zugspannung identifiziert.
Mit ConCalc steht ein Code zur Verfügung, der alle notwendigen Voraussetzungen für die Umstellung der RDO Beton auf ein FEM-basiertes Verfahren erfüllt. Aufgrund seines modularen Aufbaus und seiner numerischen Effizienz ist ConCalc für die Weiterentwicklung der RDO Beton und für Forschungszwecke geeignet. Darüber hinaus bietet ConCalc einen Code, mit dem erstmals FEM-Berechnungen mit der probabilistischen Methode durchgeführt werden können.
Die zur Bestimmung der Qualitätsstufe des Verkehrsablaufs an Knotenpunkten verwendete mittlere Wartezeit je Fahrzeug unterliegt verschiedenen Einflussfaktoren. Die im HBS (2015) enthaltenen Verfahren zur Berechnung der Wartezeit wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes überprüft. Für einzelne Aspekte wurden Verbesserungspotenziale identifiziert und Anpassungsansätze vorgeschlagen. Die empirische Basis des Projekts waren Videomessungen an 21 Knotenpunkten. Ergänzt wurden die Messungen durch Simulationsrechnungen, denen eine umfangreiche Kalibrierung des Simulationswerkzeugs voranging. An Knotenpunkten mit Lichtsignalanlage hat die Gegenüberstellung von gemessenen bzw. simulierten Wartezeiten mit den nach HBS (2015) berechneten Wartezeiten gezeigt, dass die Wartezeiten meist in einer ähnlichen Größenordnung liegen. Bei einzelnen Komponenten der Berechnungsverfahren wurden die nachfolgenden Verbesserungsmöglichkeiten identifiziert: Der Einfluss der Instationarität an Knotenpunkten mit Lichtsignalsteuerung sollte mit einem angepassten Instationaritätsfaktor abgebildet werden, um auch unsymmetrische Belastungsverläufe in der Bemessungsstunde korrekt zu berücksichtigen. Der Einfluss der Längsneigung auf die Sättigungsverkehrsstärke und der Einfluss bedingt verträglicher Fuß- und Radfahrerströme auf die Kapazitäten der abbiegenden Fahrzeugströme sollten vertieft untersucht werden, da bei den untersuchten Knotenpunkten Unstimmigkeiten festgestellt wurden. Die Wartezeitberechnung bei unsignalisierten Knotenpunkten sollte geringfügig modifiziert werden, um den Einfluss der Kapazität besser abzubilden. Außerdem sollten zur Verbesserung der Simulationspraxis Hinweise zur HBS-konformen mikroskopischen Simulation von Knotenpunkten erarbeitet und als Regelwerk zur Verfügung gestellt werden.
Thorax injury is one of main causes of serious injury in frontal collisions, especially for elderly car occupants. The anthropometric test device (ATD) THOR‐M provides chest deflection measurements at multiple locations, to assess the risk of thorax injury. For this purpose e, risk functions are needed that relate the potential criteria based on multipoint chest deflection measurement to in jury risk. Different thorax injury criteria and risk functions for THOR have been proposed [2‐3]. The criteria and functions are based on the traditional approach to developing injury risk functions using matched ATD and PMHS tests by relating the injury (number of fractures) to injury criteria. Regarding these studies, some limitations have been identified, in particular concerning the loading conditions of the data used (mainly 3‐point‐belt loading, high loading severity, out‐of‐date ATD versions. To extend the data set and overcome these limitations, a new approach for improved thorax injury criteria was applied within the EC‐funded project SENIORS. The new approach is based on matched frontal impact sled computer simulations with a model representing the latest THOR‐M ATD version, and matching simulations with a human body model (HBM) representing an elderly car occupant.
Ziel der Forschungsarbeiten zum Thema Durchsickerung von Straßenböschungen ist es, ausgewogene Beurteilungskriterien für einen umwelteffizienten und zugleich ökonomischen Einsatz von Ersatzbaustoffen und Bodenmaterial zu schaffen. Durch eine belastbare Datengrundlage zur Erfassung des Wasserhaushaltes des gesamten Bauwerkes können Instrumente entwickelt werden, um die Wirksamkeit der unterschiedlichen technischen Sicherungsmaßnahmen zu beurteilen. Um dieses Ziel zu erreichen, verfolgt die Bundesanstalt für Straßenwesen verschiedene Projektansätze zum Thema Durchsickerung von Straßenböschungen. Jeder Projektansatz hat seine Stärken und Schwächen. Durch großmaßstäbliche Versuche können die realen Verhältnisse gut wiedergegeben werden. Solche Versuche sind jedoch personalintensiv und langwierig. Schneller und preisgünstiger sind Modellrechnungen. Die Qualität der Berechnungen hängt aber stark von der Qualität der gewählten Parameter ab. Durch inverse Modellierung müssen die Eingabeparameter der Programme zur Modellrechnung an die Realität angepasst werden. Die realen Bedingungen werden am besten durch ein Pilotprojekt an einem realen Versuchsdamm wiedergegeben. Diese Versuche sind sehr aufwendig und sehr kostenintensiv, aber zur Validierung der Modellrechnung und der großmaßstäblichen Versuche erforderlich. In dem Betrag wird beschrieben, welche großmaßstäblichen Versuche durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) durchgeführt wurden und wie sie von Anfang an durch Simulationsrechnungen begleitet wurden.
Test and assessment procedures for passive pedestrian protection of passenger cars are in place for many years within world-wide regulations as well as consumer test programmes. Nevertheless, recent accident investigations show a stagnation of pedestrian fatality numbers on European roads alongside increasing injury severities for older road users. The EU-funded SENIORS (Safety ENhancing Innovations for Older Road userS) project developed and evaluated a thorax injury prediction tool (TIPT) for later incorporation within test and assessment procedures. Accident data indicates an increasing portion of AIS2 and AIS3+ thoracic injuries of older pedestrians and cyclists which are currently not assessed in any test procedure for vulnerable road users. Therefore, SENIORS focused on the development of a test tool predicting the risk of rib fractures of vulnerable road users (VRU). While injury risk functions were reanalyzed, human body model (HBM) simulations against categorized generic vehicle frontends served as input for the definition of test setups and corresponding impact parameters. TIPT component tests against a generic frontend and an actual vehicle were used for the evaluation of the technical feasibility. The TIPT component tests shows the general feasibility of a test procedure for the assessment of thoracic injuries, with good repeatability and reproducibility of kinematics and results. Impact parameters such as the inclination angles of the thorax, angles of the velocity vector and impact speeds well replicate the parameters gained from the HBM simulations. The proposed markup and assessment scheme offers the possibility of a homogeneous evaluation of the protection potential of vehicle frontends while maintaining justifiable testing efforts. During evaluation testing, the proposed requirements were entirely met. The developed prototype of TIPT and launching system offer impact angles and speeds as suggested by HBM simulations. However, since thorax impacts during pedestrian accidents do not occur perpendicularly to the vehicle surface in most cases, the TIPT built-in linear potentiometers do not acquire the true resultant intrusions on the ribcage and thus, TIPT rib deflections do not reflect the actual human injury risk. However; for the impact forward to the bonnet leading edge, the TIPT seems applicable without further modifications. The test and assessment procedures using the TIPT offer for the first time the possibility of replicating the kinematics of a pedestrian thorax with a component test. The developed assessment scheme gives a first indication on how the risk for thoracic injuries could be implemented within the Euro NCAP Box 3 assessment. Future development of the TIPT may focus on implementing a rib cage that can deflect in all axes in a humanlike way.
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.
Im Projekt ESIMAS - Echtzeit-Sicherheits-Management-System für Straßentunnel - wurde der Prototyp für ein Expertensystem zur Überwachung von Straßentunneln unter Einbezug innovativer Detektionssysteme entwickelt. Das Ziel von ESIMAS ist die Bereitstellung eines ganzheitlichen modularen Ansatzes zur Überwachung von Straßentunneln, welcher sowohl die präventive Ereignisvermeidung, die schnelle Ereigniserkennung als auch die Ereignisbewältigung verbessern soll. Dieser Ansatz geht deutlich über die aktuellen Möglichkeiten der Tunnelsteuerung und übergeordneten Leitsysteme hinaus. Die zukünftige Unterstützung der Überwachung von Tunnelanlagen mit ESIMAS führt zu einem maßgeblichen Sicherheitsgewinn für den Verkehrsteilnehmer, da durch die umfangreichere und genauere Erfassung und Auswertung von Informationen die Verantwortlichen in den Tunnelleitzentralen besser und schneller reagieren können.
APT with the mobile load simulator MLS10 towards non-destructive pavement structural analysis
(2019)
In 2014 a research program has been started about non-destructive test methods to evaluate the structure of pavements. This task has been given to two research groups - first research group is led by RWTH Aachen University (Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule) and the second by University of Siegen. This paper focuses on the initial findings of the running research program. The assessment of the existing infrastructure and its condition will be one of the main tasks during the next years in order to use the available budget for maintenance accurately and efficiently. Therefore, it is necessary to identify possible damages and examine their effects on the road construction. BASt (Federal Highway Research Institute) is using the Mobile Load Simulator MLS10 for accelerated pavement testing (APT) on different types of pavements. In addition to non-destructive test methods, sensors are applied to measure structural impacts. The overall objective of this research program is to develop a non-destructive test method that allows the calculation of the remaining life time and load cycles of pavements. To simulate realistic wheel loads in a short period of time the MLS10 on German full scale standard pavement constructions has been used. The first pavement test section was loaded with 3 x 10 high 6 50 kN wheel loads while the second, thinner pavement test section was loaded with 3 x 10 high 5 50 kN wheel loads. Both loads are equivalent to the pavement design load. Three different strategies have been used to analyze and monitor structural changes. The innovative measurements have been realized by the two research groups to collect data for their models. The RWTH Aachen collected data with twelve geophones aligned in a row parallel to the wheel path. The geophones measure the entire vertical deflection basin of the pavement surface that exists due to the passing real truck wheels. These measurements were done for different truck speeds and at different transverse distances to the wheel path. The University of Siegen collected data by using acceleration sensors on the surface of the road construction. After recording the data they were integrated into displacement signals and evaluated. Additionally to those measurements BASt used conventional equipment to monitor the pavement structure and surface characteristics. The measurements and evaluation tools used for the innovation program have a high potential to validate APT programs in the future. Based on this research it is possible to start further research activities to push the non-destructive evaluation of pavements structures - not only in APT - into an improved direction.
Im Laufe des Lebenszyklus von Lärmschutzwänden (Lsw) können diverse Schadensbilder auftreten. Diese reichen von Löchern und Schlitzen zwischen abschirmenden Wandelementen durch Unfallschäden oder Montagemängel bis hin zu Witterungs- und Verschmutzungserscheinungen von Absorptionsmaterialien. Die Auswirkung dieser Schäden auf die akustischen Eigenschaften des Schallschirms ist bisher nicht detailliert untersucht. Das Vorhaben soll diese Lücke schließen und stellt einen Katalog bereit, auf dessen Basis konkrete Angaben zum Einfluss spezifischer Schäden insbesondere auf die Reduzierung der Schalldämmung und damit die Abschirmwirkung des Schallschirms gemacht werden können. Auf Basis dieser Angaben lassen sich ggf. gezielte und kosteneffiziente Maßnahmen ergreifen, um den Schallschutz von Immissionsorten dauerhaft zu gewährleisten. Zur Erstellung des Schadenskatalogs wird das bestehende nationale Schallausbreitungsmodell der RLS 90 um eine Beschreibung der Schalltransmission durch die Lsw sowie die geometrische Berücksichtigung von runden und schlitzförmigen Leckagen erweitert. Simulationen zeigen, dass hinter der Leckage in der Lsw ein akustisch kritischer Bereich entsteht. Die Grenze dieses Bereichs kann innerhalb des Schadenskatalogs für eine Vielzahl geometrisch abstrahierter Schäden abgelesen und mit einem Bebauungsplan abgeglichen werden. Katalogparameter sind insbesondere die Wirkfläche (Produkt aus Transmissionsgrad und Fläche runder Leckagen) und die Wirkbreite (Produkt aus Transmissionsgrad und Breite schlitzförmiger Leckagen). Es wird gezeigt, dass der Transmissionsgrad von Leckagen zuverlässig durch Berechnung nach MECHEL sowie durch Messung an Lsw in situ bestimmt werden kann. Letztere dienen zudem der erfolgreichen Validierung der verwendeten Modelle zur Beschreibung des Transmissionsgrads von Leckagen sowie der Schallausbreitung an Lsw mit Berücksichtigung der Transmission.
Fire incidents are among the most relevant for people in a tunnel. Therefore, it is important to be sufficiently prepared for such events. A large scale fire test is to be used to help evaluate the initial burning duration and the time it takes for the fire to spread to other vehicles in the tunnel, and in particular how long it takes for a truck carrying wooden pallets to catch fire, taking into consideration the extremely high temperatures. The goal, therefore, is to determine the time it takes for a fire to spread to other vehicles in the tunnel. In the large scale fire test, an accident in a tunnel with one-way traffic is simulated between a truck loaded with approximately 3.7 t of wooden Europol pallets and a passenger car. Directly behind each of the vehicles involved in the accident there is another car which stops at a distance of 1.0 m. Approximately 300 litres of burning diesel are discharged from the truck's fuel tank, which is simulated by using approximately 400 litres of isopropanol. A 10 m-² burning pool forms underneath the truck. Other objectives of the large scale fire test are the validation of the CFD models and the evaluation of the progression of the thermal release ratios estimated for the simulation. The thermal release ratios generated in the test are determined and evaluated using various models.