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- Methode der finiten Elemente (11) (entfernen)
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The head impact of pedestrians in the windscreen area shows a high relevance in real-world accidents. Nevertheless, there are neither biomechanical limits nor elaborated testing procedures available. Furthermore, the development of deployable protection systems like pop-up bonnets or external airbags has made faster progress than the corresponding testing methods. New requirements which are currently not considered are taken into account within a research project of BASt and the EC funded APROSYS (Advanced PROtection SYStems) integrated project relating to passive pedestrian protection. Testing procedures for head impact in the windscreen area should address these new boundary conditions. The presented modular procedure combines the advantages of virtual testing, including full-scale multi-body and finite element simulations, as well as hardware testing containing impactor tests based on the existing procedures of EEVC WG 17. To meet the efforts of harmonization in legislation, it refers to the Global Technical Regulation of UNECE (GTR No. 9). The basis for this combined hardware and virtual testing procedure is a robust categorization covering all passenger cars and light commercial vehicles and defining the testing zone including the related kinematics. The virtual testing part supports also the choice of the impact points for the hardware test and determines head impact timing for testing deployable systems. The assessment of the neck rotation angle and sharp edge contact in the rear gap of pop-up bonnets is included. For the demonstration of this procedure, a hardware sedan shaped vehicle was modified by integrating an airbag system. In addition, tests with the Honda Polar-II Dummy were performed for an evaluation of the new testing procedure. Comparing these results, it was concluded that a combination of simulation and updated subsystem tests forms an important step towards enhanced future pedestrian safety systems considering the windscreen area and the deployable systems.
Accidents involving two wheels vehicles represent one of the more important types of accidents in Europe. These accidents are usually not easy to reconstruct specially for the analysis of the injuries and its correlation with accident dynamics and evidences. Different methodologies are applied in this work for the reconstruction of two wheeler accidents, especially accident involving motorcycles. From the typologies of road evidences like skid marks, to the use of Pc-Crash and the use of Madymo models, different reconstruction of real accidents are presented. One of the questions that sometimes arise for legal purposes when some type of head injuries arise is if the occupant was wearing or not a helmet. The correlation of head injuries with the use of the helmet is a very important issue, therefore an important legal aspect. One of the key questions for the reconstructions that is difficult to analyze, is if the vehicle occupant, was or not, wearing the helmet. Based on the previously collected information, a generic model of a helmet was developed on CAD 3D, followed by its conversion into finite elements, all in order to perform impact tests using the Madymo software that would help improve the helmet- safety, but that also can be used as a tool in accident reconstruction.
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.
Since a number of human models have been developed it appears sensible to use these models also in the accident analysis. Especially the understanding of injury mechanisms and probably even injury risk curves can be significantly improved when interesting accidents are reconstructed using human body models. However, an important limitation for utilising human models for accident reconstruction is the effort needed to develop detailed FE models of the accident partners or to prepare the human model reconstruction by running physical accident reconstructions. The proposed approach for using human models for accident reconstruction is to use simplified and parametric car models. These models can be adapted to the crash opponents in a fast and cost effective way. Although, accuracy is less compared to detailed FE models, the relevant change in velocity can be simulated well, indicating that the computation of a detailed crash pulse is not needed. Two frontal impact test accidents that were reconstructed experimentally and using the parametric car models are indicating sufficient correlation of the adapted parametric car models with the full scale crash reconstructions. However, further developments of the parametric models to be capable for the use in lateral impacts and rear impacts are needed. For the PC Crash simulation runs the output sampling rate is too large to allow sufficient analysis. In addition the performance appears to be too general.
Das Bundesministerium für Verkehr hat die Bundesanstalt für Straßenwesen beauftragt, die Beanspruchung und das Verhalten von Fahrbahnübergängen aus Asphalt bei kurzzeitig schnell auftretenden Horizontallasten (Bremslasten) zu untersuchen. Die Messungen sollten an Brückenüberbauten ohne definierten Festpunkt (schwimmende Lagerung) durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Bauwerksmessungen finden Eingang in die Formulierung von technischen Spezifikationen für Fahrbahnübergänge aus Asphalt (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Fahrbahnübergängen aus Asphalt in Belägen auf Brücken und anderen Ingenieurbauwerken aus Beton, ZTV-BEL-FÜ; Technische Prüfvorschriften für Fahrbahnübergänge aus Asphalt, TP-BEL-FÜ). In dem vorliegenden Bericht sind die Messungen an einem Bauwerk in der Nähe der Ortschaft Kirchhain sowie an einem Bauwerk im Zuge der B 55n beschrieben. Die Messergebnisse machen deutlich, dass Fahrbahnübergänge aus Asphalt neben den durch Bremslasten verursachten Horizontalverschiebungen auch durch die infolge der Vertikallasten aus Fahrzeugüberfahrten resultierenden Verdrehungen der Endquerschnitte beansprucht werden. Für das Bauwerk Kirchhain wurden Messungen mittels eines Belastungsfahrzeuges für die beiden Lastfälle Überfahrt ohne Bremsen und Überfahrt mit Bremsen durchgeführt. Zur Überprüfung der Ergebnisse dieser Messungen wurden parallel numerische Berechnungen durchgeführt. Neben den Messungen mit dem Belastungsfahrzeug erfolgten für beide Bauwerke auch Messungen unter Verkehr. Hieraus ergaben sich erste Hinweise im Hinblick auf die Aufstellung von Belastungskollektiven für Fahrbahnübergänge aus Asphalt. Weiterhin konnten die für die Beanspruchung von Asphaltübergängen maßgebenden Frequenzen ermittelt werden.
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.
Pelvic fracture, cracking or breaking of a portion of the pelvis are extremely common injuries in the side impact collisions of motor vehicles. Due to both its shape and structural architecture, mechanics of the pelvic bone is complicated. There is a lack of knowledge regarding the dynamic behavior of the pelvis and its biomechanical tolerance under impact environment. Hence this study is aimed at the understanding of the mechanical response of the human pelvis with three-dimensional finite element (FE) models, under side impact load, applied through a structure, equivalent to a car door. The door structure was modeled, considering few layers, consisting of foam (Styrodur®, 3035 CS), plastic (UHMWPE), steel, glass and steel, putting them in series. A soft tissue layer (equivalent to fat) was also considered on the greater trochanter location. These FE models (with and without the car door structure) were analyzed with ANSYS-LS-DYNA-® dynamic finite element software to compare the effect of the car door padding system for shock absorption. It was observed that with proper combination of shock absorbing material (foam, etc.) and its thickness, the transmission of impact load to the body part (pelvis, etc.) from the outer surface of the car door could be reduced.
Mit der Umsetzung der DIN EN 1317 in den RPS 2009 sind die Anforderungen an Rückhaltesysteme auch auf Brückenbauwerken deutlich gestiegen. Systeme mit verbessertem Rückhaltevermögen haben Bauwerksbeanspruchungen zur Folge, welche die in der Vergangenheit üblichen Lastansätze für den Lastfall Fahrzeuganprall teilweise deutlich übersteigen. Dadurch ergeben sich erhöhte Anforderungen an die konstruktive Ausbildung der Kappen, der Kappenanschlüsse und der Kragarme. Hier setzt das Forschungsvorhaben an, indem unter Zugrundelegung der gestiegenen Beanspruchungen und begleitet von numerischen Untersuchungen baupraktikable Vorgehensweisen für Entwurf, Planung, Berechnung und Bemessung geeigneter Kappen-Kragarmkonstruktionen im Allgemeinen und für die Nachrüstung und Ertüchtigung von Bestandsbauwerken im Besonderen entwickelt und beschrieben werden. Gegenstand des Forschungsvorhabens sind Brücken mit Kragarmen in Massivbauweise. Zunächst werden übliche Ausführungsformen im Kappen-Kragarmbereich und die derzeit gültigen normativen Vorgaben zum Lastansatz bei Fahrzeuganprall beschrieben und diskutiert. Darauf aufbauend wird ein Lösungsvorschlag für die Kappenverankerung bei der Instandsetzung von Bestandsbauwerken entwickelt. Zur Optimierung der Kragarmbemessung werden numerische Berechnungen durchgeführt, die auf eine maximale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Systemreserven abzielen. Insbesondere wird dabei die lastverteilende Wirkung der üblicherweise als nichttragend angesetzten Brückenkappen berücksichtigt. Darüber hinaus werden nicht - lineare Verfahren unter Berücksichtigung der Rissbildung im Beton angewendet, um Lastumlagerungseffekte realistisch abzubilden. Auf der Grundlage von Anprallversuchen an Rückhaltesystemen, die im Hinblick auf das Lastabtragungsverhalten im Kappen-Kragarm-Bereich ausgewertet werden, wird ein alternativer Lastansatz für die Anprallsituation entwickelt. Eine Bewertung dieses Lastansatzes erfolgt anhand numerischer Untersuchungen zur Kragarmbemessung. Darauf aufbauend wird eine Bemessungshilfe für die Kragarmbemessung erarbeitet, und es werden Maßnahmen zur Kragarmverstärkung unter besonderer Berücksichtigung des alternativen Lastansatzes entwickelt.
Tunnel sind bedeutende Infrastrukturbauwerke. Die Beurteilung der Folgen von Brandereignissen in Tunneln ist daher auch von außerordentlicher volkswirtschaftlicher Bedeutung. Ein solches Brandereignis stellt z.B. der Brand eines mit Benzin beladenen Tanklastzugs dar. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens für die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurden verschiedene Szenarien für diesen Extremfall mit unterschiedlichen Energiefreisetzungsraten und deren Einfluss auf die Tunneltragsicherheit mittels numerischer Strömungssimulationen und Finite-Elemente-Berechnungen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass selbst Brandszenarien mit Flüssigkeitslachenbränden von bis zu 28 t Benzin durch die ZTV-ING-Temperatur-Zeit-Kurve abgedeckt werden können. Der folgende Beitrag fasst die wesentlichsten Ergebnisse zusammen.
Neben Ermüdungsschäden an orthotropen Fahrbahnplatten sind bei Stahlbrücken auch Schäden an nicht direkt befahrenen Konstruktionsteilen der Quersysteme (Kategorie-3-Schäden) festgestellt worden. Das stetig steigende Verkehrsaufkommen führt zu einer Verschärfung des Problems, so dass die Dauerhaftigkeit betroffener Brückenkonstruktionen auch durch diese Schäden gefährdet wird. Anhand ausgewählter Beispiele aus der Literatur und Praxis der Straßenbauverwaltungen werden Kategorie-3-Schäden systematisch untersucht. Die Erfahrungen werden zusammengestellt, ausgewertet und typisiert. Die wesentlichen Ursachen sind Überbeanspruchungen, ermüdungsanfällige Konstruktionsweisen, mangelnde Ausführungsqualität und Modellierungsfehler bei den Berechnungen. Eine Verknüpfung typischer Schadensbilder mit allgemeinen Ursachen ist in gewissem Umfang möglich, so dass der Bericht eine erste Hilfestellung bei der Behandlung von Kategorie-3-Schäden sein kann. Weiterhin werden ausgeführte und weitere Instandsetzungs- und Ertüchtigungsvarianten an stählernen Balkenbrücken mit Hohlkasten- und offenem Querschnitt in allgemeiner Form mit numerischen FE Berechnungen untersucht, um Vor- und Nachteil herauszustellen. Es zeigt sich, dass eine möglichst gleichmäßige Steifigkeitsverteilung im Aussteifungssystem anzustreben ist. Aber auch mit verkehrsleitenden Maßnahmen wie eine Verlegung der Fahrstreifen ohne Eingriff in das Tragwerk lassen sich die kritischen Beanspruchungen u.U. deutlich reduzieren. Ein besonderes Augenmerk wird in diesem Bericht auf die Bauwerkserhaltungsmaßnahme, vollständig auf aussteifende Verbände zu verzichten, gelegt. Der Formerhalt des Brückenquerschnitts wird dabei ausschließlich über die Rahmenwirkung der Quersysteme realisiert. Umfangreiche numerische Untersuchungen beleuchten die Spannungsänderungen der kritischen Details, aber auch mögliche Umlagerungen im gesamten Tragwerk durch die Änderung des Aussteifungssystems. Weiterhin werden auch experimentelle Untersuchungen angestellt, um die Wirksamkeit und Effizienz dieser Variante zu bewerten. Schließlich werden die untersuchten Ertüchtigungs- und Instandsetzungsvarianten bewertet und es werden allgemeine Empfehlungen zur Behandlung von Kategorie-3-Schäden gegeben.
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.