620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
Seit Anfang der 70er Jahre kann im Bereich der passiven Sicherheit eine stetige Verbesserung durch die Abnahme der im Verkehr verletzten und getöteten Personen beobachtet werden. Weitere fahrzeugtechnische Optimierungen zur Verbesserung von Selbst- und Partnerschutz, unterstützt und forciert durch flankierende legislative Maßnahmen, sind durchzuführen, wobei parallel die Effizienz bereits getroffener Maßnahmen zu prüfen ist. In der Pilotstudie wird der Versuch gemacht, ausgehend von bekannten Erkenntnissen der Unfallanalyse, das Gesamtunfallgeschehen Pkw zu realitätsbezogenen, in ihren Wirkungsmechanismen gleichartigen Unfallkonstellationen zusammenzufassen. Die Reduzierung auf wenige Kollisionstypen schafft die Möglichkeit zur Erarbeitung von Testbedingungen. Die im Test nachzufahrenden Unfallkonstellationen und die statisch/dynamische Untersuchung einzelner Fahrzeugkomponenten dokumentieren sich in physikalischen Messwerten und fahrzeugbezogenen Größen. Ein Bewertungssystem addiert die Messwerte auf und versieht sie mit relevanzproportionalen Wichtungsfaktoren zu einem Sicherheitsgrad. Praktische Bedeutung hat das Projekt zum Beispiel für die quantitative Ermittlung des Sicherheitsfortschrittes innerhalb eines Zeitraumes von 10 bis 15 Jahren, der Untersuchung von Sicherheitskomponenten und der Effizienzüberprüfung legislativer Sicherheitsverordnungen etc.
Zur Bewertung von Straßenraumsituationen soll im Rahmen dieser Forschungsarbeit ein Verfahren für die Praxis entwickelt werden. Von zwei Grundannahmen wird ausgegangen: 1. Eine Straßenraumsituation wird subjektiv als Einheit erlebt. Das bedeutet konkret, dass bei gleichen Verkehrsbelastungen in einer Straße die davon ausgehenden Umweltbelastungen von den Betroffenen je nach Straßenraumsituation unterschiedlich beurteilt werden. Daher lassen sich objektiv messbare Belastungen durch kompensatorische Maßnahmen im Straßenraum subjektiv verringern. 2. Als Maßstab zur Beurteilung gelten die Ansprüche der schwächeren Verkehrsteilnehmer beziehungsweise Straßennutzer; das sind Kinder, ältere Menschen, Behinderte - aber auch alle anderen, wenn sie mit Gepäck, Kinderwagen ... unterwegs sind. Zur Bewertung von Straßenraumsituationen werden Belastungs- und Entlastungsfaktoren herangezogen/abgeleitet/enwickelt. Die Belastungsfaktoren beziehen sich auf Menge und Geschwindigkeitsniveau des Kfz-Verkehrs. Es sind hier Lärm, Gefährdung und Trennwirkung. Die Entlastungsfaktoren beziehen sich auf räumlich-städtebauliche Gegebenheiten von Straßenräumen. Es sind hier Bewegungsraum (für Fußgänger), Straßenraumqualität und Abschirmung.Das Kriterium Abschirmung erfasst die Aspekte "Sicherheitsgefühl" und "Annehmlichkeit" auf Gehwegen. Für den Bewertungsvorgang sind Kriterienblätter entwickelt, die im Sinne einer Checkliste abgearbeitet werden. Der Bewertungsvorgang bezieht sich auf Straßenraumsituationen. Als Bewertungsergebnis wird der Straßenraumverträglichkeitswert gebildet aus der Differenz zwischen der Summe der Belastungspunkte und Entlastungspunkte. Der Straßenraumverträglichkeitswert ermöglicht die Einordnung, ob eine Situation als unverträglich, eingeschränkt verträglich oder verträglich mit Wohnnutzung gelten kann. Mit Hilfe dieses Bewertungsverfahrens können so bestehende Straßenraumsituationen beurteilt, untereinander verglichen und Dringlichkeitsreihungen aufgestellt werden. Die Auswirkungen von Umbaumaßnahmen können durch Bewertung der Nachher-Situation schon im Planungsstadium einfach überprüft werden. In einem Anhang wird das Bewertungsverfahren an Hand von ausgeführten Beispielen für Vorher und Nachher getestet.
Das Ziel des Forschungsprojekts "Quantifizierung der Passiven Sicherheit für Pkw-Insassen" besteht darin, Messergebnisse in Form von Dummybelastungswerten zu einem Sicherheitsindex zu verdichten. Zur Formulierung des dazu erforderlichen Bewertungsalgorithmus wurden folgende Zusammenhänge erarbeitet: 1. Beziehung zwischen Verletzungsschwere und Dummybelastungsgröße für relevante Körperteile, 2. Relevanzfaktoren zur Wichtung der Teilergebnisse und 3. Zusammenhang zwischen körperteilspezifischen Schutzkriterien und dem entsprechenden Erfüllungsgrad. Die wesentliche Aufmerksamkeit erforderte die Bereitstellung der Relevanzstruktur, da mit den einzelnen Relevanzfaktoren die gemessenen Belastungen entsprechend der Bedeutung der im realen Unfallgeschehen beobachteten Verletzungen bewertet werden sollten. Im Bereich der experimentellen Simulation lag das Hauptaugenmerk auf der Bereitstellung der Versuchsbedingungen, wobei die gesetzlich vorgeschriebenen Sicherheitsversuche zu berücksichtigen waren. Daraus ergab sich die Festlegung auf folgende Versuchskonstellationen: 1. Frontaler Wandaufprall, 2. Seitenaufprall einer fahrbaren Barriere auf den stehenden Pkw und 3. Kompatibilitätsversuch, bei dem ein Fahrzeug seitlich mit einem anderen Fahrzeug gleichen Typs kollidiert. Mit Hilfe eines erarbeiteten Bewertungsalgorithmus werden die versuchstechnisch gemessenen Belastungswerte normiert und der Bewertungsfunktion zugeführt. Die so ermittelten Erfüllungsgrade erhalten durch die Relevanzfaktoren eine unfallspezifische Wichtung und lassen sich über Teilsicherheitsindizes zu einem Gesamt-Sicherheitsindex zusammenfassen. Dieser Sicherheitsindex soll Aufschluss über das Niveau der inneren Sicherheit von Pkw geben.
Sicherheitstechnische Anforderungen an die Bestuhlung moderner Reisebusse als Rückhaltesysteme
(1991)
Die Schutzfähigkeit von KOM-Fahrgastsitzen, die den ECE-R 80-Anforderungen entsprechen, ist bisher nur für die aufgerichtete Rückenlehne nachgewiesen. Hier wurde untersucht, ob auch geneigte Rückenlehnen ausreichende Schutzwirkung bieten. Ausgehend von der Normalsitzposition verfügen Reisebussitze heutiger Bauart über einen Lehnenverstellwinkel von circa 15 Grad (Normal-, Ruhesitzposition). Sondersitze für Ältere und Sportler erlauben auch die Liegesitz- beziehungsweise Liegeposition bei jedoch erheblich größeren Sitzteilern. In Schlittenaufprallversuchen mit je zwei instrumentierten anthropometrischen Messpuppen auf Reisebus-Doppelsitzen wurden die Belastungsverhältnisse eines frontalen Aufpralls simuliert. Die Lehnenverstelleinrichtung der Prüfsitze wurde behelfsweise so verändert, dass 3 (4) Winkeleinstellungen der Lehnenneigung möglich waren. Für jeweils zwei hintereinander zugeordnete Sitzplätze wurden wechselweise diese Lehneneinstellungen variiert. Mit 17 Doppelsitzen wurden insgesamt 32 Körperaufprallereignisse in den verschiedenen Lehnenneigungskonfigurationen durchgeführt. Die Versuchsergebnisse gliederten sich nach der Bewegungsform des Dummy, seinen Belastungen und den am Vordersitz hervorgerufenen Beschädigungen. Die Aufprallverhältnisse in aufrechter Normalsitzposition entsprechend der ECE-R 80 bildeten die Bewertungsbasis. Die gewonnenen Versuchsergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Für beliebige Lehneneinstellungen im Winkelbereich bis zu 30 Grad zur Senkrechten bietet die vorgebaute Sitzlehne generell ausreichende Rückhaltewirkung beim Körperaufprall. - Wenn die Vordersitzlehne jedoch steiler eingestellt ist als es der Körperhaltung des dahintersitzenden Dummy entspricht, ist mit 1,5-2fach höheren Kopfbelastungen zu rechnen. Das ECE-R 80-Schutzkriterium HAC < 500 wird überschritten. - Vorsorglich sollte aus sicherheitstechnischer Sicht der zulässige Grenzwinkel der Lehnenneigung auf 30 Grad zur Senkrechten beschränkt werden.
Zur Unterstützung von Forschungsvorhaben auf dem Gebiet der Belastung und Beanspruchung von Kraftfahrern hat die Bundesanstalt für Straßenwesen ein Versuchsfahrzeug, genannt Fahrerleistungsmessfahrzeug (FLMF), sowie die dazugehörigen Nebeneinrichtungen erstellen lassen. Mit diesem Fahrzeug wurde eine erste, psychologisch orientierte Erprobungsstudie im realen Straßenverkehr durchgeführt, um problemorientierte Erfahrungen sammeln zu können. Zur inhaltlichen Ausrichtung der Untersuchung wurde ein Modell über Bedingungen des Kraftfahrerverhaltens im Straßenverkehr entwickelt. In diesem Grundmodell werden situative und situationsübergreifende Komponenten unterschieden, die jeweils personen- und verkehrsbezogen ausgeprägt sein können. In der durchgeführten Untersuchung wird das Schwergewicht auf die Analyse der situationsübergreifenden personenbezogenen Bedingungen gelegt. Die unterschiedlichen situativen verkehrsbezogenen Bedingungen dienen hauptsächlich der Beschreibung der Anforderungen an den Kraftfahrer. Mit 27 Versuchspersonen wurden im Kölner Innenstadtbereich Versuchsfahrten durchgeführt. Die Fahrertätigkeit, wie z.B. Gas geben, Lenken, Bremsen wurden kontinuierlich automatisch erfasst. Zugleich konnten Befragungsergebnisse über Tasten elektronisch gespeichert werden. Auf wichtigen Versuchsabschnitten zeichnete eine Video-Anlage das Verkehrsgeschehen auf. In einer Serie von Vergleichen ausgewählter Situationen werden die situativen und situationsübergreifenden Einflüsse verdeutlicht. Die Ergebnisse zeigen bzw. bestätigen, dass im Innenstadtbereich der situative Einfluss auf das Kraftfahrerverhalten größer ist als der situationsübergreifende.
In einer Großversuchsanlage der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) werden Dauerbelastungsversuche an Asphalt-Modellstraßen im natürlichen Maßstab 1:1 durchgeführt. Bei diesen Versuchen wird die Verkehrsbelastung durch rollende Räder mit Hilfe von Impulsgebern (pulse generators) simuliert. Die Wirkungen aus Impulsgeber-Belastung und Radüberfahrt können miteinander verglichen werden, wenn als Wirkung der Anteil der bleibenden Verformung im Asphalt berücksichtigt wird, welche auf den rheologischen Normalfall des Kriechens zurückführbar ist. Das Schadensereignis bei allen Dauerbelastungsversuchen war bleibende Verformung in Gestalt von Spurrinnen. Es ergaben sich keine konkreten Hinweise auf Materialermüdung, zum Beispiel durch Ausbildung von Rissen. Es werden zwei Typen der Spurrinnenbildung beobachtet. Der erste Typ kann auf den Normalfall des Kriechens von Asphalt zurückgeführt werden, beim zweiten Typ wird eine "Einfahrphase" beobachtet, in der das ungebundene Material des Untergrundes konsolidiert oder plastische Verformung in der Asphaltschicht stattfindet. In einigen Versuchen wurde die Lastabhängigkeit der Spurrinnenbildung untersucht. Diese Untersuchungen führen auf die Möglichkeiten einer Berechnung der Lastabhängigkeit bei gemischtem Verkehr (Lastäquivalenz). Ebenso wird die Abhängigkeit der Spurrinnenbildung bei gemischten Temperaturen diskutiert. In Abschnitt 7 der Arbeit erfolgt eine vergleichende Darstellung aller Versuchsergebnisse, insbesondere im Hinblick auf die Feststellung von Bauweisen-Äquivalenzen. In Abschnitt 8 wird das Konzept eines Verfahrens zur experimentellen Bemessung von Asphaltbefestigungen dargelegt. In Verbindung mit Dauerbelastungsversuchen wird angestrebt, hieraus die Spurrinnenbildung zu prognostizieren.
Die guten Erfahrungen im Landesstraßennetz mit Decken aus Beton mit Fließmittel führten zu der Folgerung, die Eignung der überdeckten Fugen mit Querkraftübertragung auch für Decken aus Beton ohne Fließmittel und für höher belastete Straßen zu untersuchen. Dazu wurde eine Versuchsstrecke im Lastfahrstreifen der Autobahn A 9 und im Standstreifen der A 19 angelegt. Auswertungen ergaben, dass die Fuge mit voller Wirksamkeit hergestellt werden kann, jedoch gemessen an der Nutzungsdauer der Decke bei hoher Beanspruchung frühzeitig ihre Wirksamkeit verliert. Der Schwerverkehr wurde als ausschlaggebend für den Substanzverlust an den querkraftübertragenden Konsolen (Betondübeln) erkannt. Parallel mit dem Substanzverlust an den Betondübeln geht die Querkraftübertragung zur Nachbarplatte zurück. Der Einsatz der Fuge kann aufgund der Untersuchungsergebnisse für Fahrbahnen von höher belasteten Straßen nicht empfohlen werden. Sind die hohen Beanspruchungen weniger häufig und dynamisch, wie zum Beispiel auf Flächen für den ruhenden Verkehr, ist davon auszugehen, dass die Abnutzung der Betondübel geringer ausfällt und die Querkraftübertragung mit der Nutzungsdauer der Decke übereinstimmt. Für solche und ähnlich einzuordnende Straßentypen und Bauklassen empfiehlt es sich, die Fuge auf bewährte einfache Art und Weise in Betonen mit Fließmittel herzustellen.
Zur Vermeidung von Setzungen beim Bau von Straßen auf wenig tragfähigem Untergrund werden seit längerem im Ausland Bauweisen mit einer Schicht aus Expandiertem Polystyrol (EPS) im Unterbau verwendet, wobei das geringe Eigengewicht dieses Baustoffes ausgenutzt wird. Um eigene Erkenntnisse und Erfahrungen mit diesen Bauweisen zu gewinnen, wurden an einer Modellstraße im Maßstab 1:1 vergleichende Untersuchungen an insgesamt sechs Varianten durchgeführt. Die Untersuchungen umfassten eine intensive Materialprüfung sowie zahlreiche Messungen während des Einbaus und auf den Gesamtkonstruktionen. Wesentlicher Bestandteil waren dabei Überfahrtmessungen mit realer Belastung und Dauerbelastungsversuche mit Impulsgebern. Ergebnis der Untersuchungen sind zunächst der Nachweis für die Eignung des Baustoffs EPS, Erkenntnisse über die erforderliche Einbautechnik für die verschiedenen Baustoffe und über die Befahrbarkeit im Bauzustand. Dies wird ergänzt durch Erkenntnisse über die eingesetzte Versuchstechnik und die Auswerteansätze. Die Untersuchungen kommen zu dem Ergebnis, dass die Bauweise mit einer ungebundenen ersten Tragschicht nur für Straßen der Bauklassen V und VI geeignet ist. Bei einer Betonplatte als erster Tragschicht konnte hingegen die Eignung dieser Bauweise für Straßen der Bauklasse III aufgezeigt werden.
Das Merkblatt für die Fugenfüllungen in Verkehrsflächen aus Beton einschließlich der Lieferbedingungen für bituminöse Fugenvergussmassen (TL-bit Fug 82) aus dem Jahr 1982 wurde überarbeitet. Es entstanden die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Fugenfüllungen in Verkehrsflächen (ZTV Fug-StB 01) mit den Technischen Lieferbedingungen (TL Fug-StB 01) und den Technischen Prüfvorschriften (TP Fug-StB 01), die mit dem Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau Nr. 29/2001 vom 31. Juli 2001 für den Bereich der Bundesfernstraßen eingeführt wurden. Als Fugenfüllungen für die Fugen zwischen dem Asphaltbelag und dem Schrammbord auf Brücken werden in den ZTV Fug-StB 01 verarbeitbare elastische Fugenmassen vorgeschrieben. Diese elastischen Fugenmassen sind für Änderungen der Fugenspaltbreite bis 35 % ausgelegt. Bei Fugenspaltbreiten ab 15 mm sind zwischen der Fugenfüllung neben der Schutzschicht und der Fugenfüllung neben der Deckschicht als Unterfüllstoff rechteckige Profile oder Trennstreifen vorzusehen. Die Vergusstiefe muss mindestens das 1,5-fache der Fugenspaltbreite betragen. Der bei den Randfugen auf Beton- und Stahlbrücken zwischen dem Fugenverguss in der Schutzschicht und dem Fugenverguss in der Deckschicht eingelegte Unterfüllstoff oder Trennstreifen soll die Drei-Flanken-Haftung verhindern, da durch sie die Belastung der Fugenflanken vergrößert wuerde, was zu einem Ablösen der Fugenflanken führen könnte. Die Verwendung des Unterfüllstoffes ist aber auch mit Nachteilen verbunden. Wird die Fuge an irgendeiner Stelle undicht, so dringt Wasser, im Winter Salzwasser, in die Fuge ein und verteilt sich entlang des Trennstreifens. Der Schrammbord wird über große Längen geschädigt, wobei diese Schädigung lange Zeit nicht erkannt werden kann. In den Arbeitskreisen 7.10.1 "Beläge auf Betonbrücken" und 7.10.2 "Beläge auf Stahlbrücken" der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) wurde erwogen, den Unterfüllstoff oder Trennstreifen bei den Fugen vor Schrammborden oder Bordsteinen auf Brücken wegzulassen, um die Schädigung des Bauwerks bei einem örtlichen Versagen der Fugenfüllung zu minimieren. Dies würde jedoch voraussetzen, dass die Fugenbewegungen in diesen Bereichen ausreichend klein sind, damit die erhöhte Beanspruchung der Fugenflanken aufgrund der Drei-Flanken-Haftung keine Auswirkungen hat. Zu diesem Zweck wurden im Rahmen dieses Projektes sowohl kurzfristige als auch langfristige Fugenbewegungen an 2 Beton- und 3 Stahlbrücken gemessen. Die Mindestbreite der Randfugen auf Brücken entlang der Schrammborde beträgt 2 cm. Daraus ergibt sich, dass bei Verwendung der elastischen Fugenmassen nach den ZTV Fug-StB 01 Änderungen der Fugenspaltbreite von mindestens 6,5 mm aufgenommen werden können. Die Messungen ergaben, dass die tatsächlich auftretenden Fugenbewegungen nur ca.10 % der theoretisch möglichen Fugenbewegung betragen. Ein Weglassen des Unterfüllstoffes bzw. des Trennstreifens bei Fugenfüllungen der Randfugen entlang des Schrammbordes sollte daher möglich sein. Es ist geplant, die Randfugen von etwa 10 Brücken ohne Unterfüllstoff auszuführen und die Bewährung dieser Randfugen über einen Zeitraum von 4 Jahren zu beobachten. Bei positivem Ergebnis dieses Bewährungsnachweises könnte dann die obligatorische Verwendung eines Unterfüllstoffes oder eines Trennstreifens bei Randfugen auf Brücken entfallen. Desweiteren kann aus den Messergebnissen ein praxisgerechtes Belastungskollektiv für Prüfungen oder Untersuchungen an Fugenfüllungen abgeleitet werden, welches sowohl die temperaturbedingten tages- oder jahreszyklischen Fugenbewegungen als auch die Fugenbewegungen aus Verkehr simuliert. Zur Vereinfachung des Kollektivs und da die jahreszyklischen Fugenbewegungen kleiner als die tageszyklischen Fugenbewegungen sind, reicht es aus, nur die tageszyklischen Fugenbewegungen zu simulieren. Die Frequenz muss unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften festgelegt werden. Die Amplitude der Fugenbewegung sollte 0,45 mm betragen. Die Fugenbewegungen aus Verkehr können praxisgerecht mit einer Frequenz von ca. 1 Hz bei einer Amplitude von 30 -µm für den Lkw-Verkehr oder 0,50 -µm für Schwerlasttransporte simuliert werden. Gegebenenfalls sollte zu den vorgenannten Amplituden noch ein Zuschlag für an den hier untersuchten Brücken nicht erfasste Effekte hinzugerechnet werden.