DIN EN 15227 „Anforderungen für die Kollisionssicherheit von …dmg-berlin.info/page/downloads/vortrag_loeffler.pdf · 2008. 8. 12. · Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich
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Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“ Professur für Technik spurgeführter Fahrzeuge
DIN EN 15227 „Anforderungen für die
Kollisionssicherheit von Schienenfahrzeugkästen“
- Empfehlungen für Hersteller und Betreiber
Chemnitz, 16.07.2008
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Gliederung des Vortrages
• Rahmenbedingungen zur Entwicklung
der passiven Sicherheit bei Schienenfahrzeugen
• Vorschriftensituation
• Anforderungen an kollisionssichere Schienenfahrzeuge
• Einige Anwendungen und Beispiele
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Sicherheitskonzept• aktive Sicherheit (= Vermeiden von Unfällen) bleibt weiterhin das grundlegende
Konzept der Eisenbahnsicherheit:- ein Freiheitsgrad weniger durch Spurführung- umfangreiche Signaltechnik- umfassend ausgebildetes Personal, das während der Fahrt überwacht wird- sicherheitsbezogene Bremstechnik (Betriebsbremsung, VB, SB)- zunehmendes Ersetzen von kollisionsträchtigen BÜ durch Unter- bzw.
Überführungen- Kollisionsfolgen bei Entgleisungen nur aktiv zu begegnen
• Restrisiko (z.B. umgestürzte Bäume, andere Hindernisse im Gleis, BÜ) bleibtHerausforderung zur Weiterentwicklung des Schienenfahrzeugs zur
Erhöhung der passiven Sicherheit für
zusätzliche, unbestreitbare Sicherheitsdimension für Fälle, die nicht durch aktiveSicherheit abgedeckt werden können
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Definition• Maßnahme zur Erhöhung der passiven Sicherheit
crashgerechte Konstruktion
• Konstruktion von Schienenfahrzeugen, die über die Bemessung auf quasistatische außergewöhnliche Durchgangsdruckkräfte auf Puffer und Stirnwand (bisherige Regel der Technik) hinaus eine hohe Energieaufnahme mit kontrollierter Verformungermöglicht.
• Ziel: maximaler Schutz von Fahrgästen und Triebfahrzeugführer sowie Gütern gegenüber Kollisionen:– Zusammenstoß: Eisenbahnfahrzeug kollidiert mit Eisenbahnfahrzeug– Zusammenprall: Eisenbahnfahrzeug kollidiert am Bahnübergang mit
Straßenfahrzeug– Aufprall: Eisenbahnfahrzeug kollidiert mit Gegenstand oder Tier
• Dabei:– konstruktive Anpassung hinsichtlich der Stoßbelastungen in Fahrzeuglängsrichtung– keine Behandlung von Flankenfahrten und anderen Unregelmäßigkeiten
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Auslegung konventioneller Fahrzeuge
Zusammenstoß von UIC-Wagen mit ca. 25 km/h Zusammenstoß D-Zug mit Güterzug (Oebisfelde 1991)
• aus Vorschrift bekannt:Dimensionierungskraft in Längsrichtung: 1500 … 2000 kNerreicht bei ca. 10 ... 12 km/h, manchmal auch etwas mehr
• bei wesentlicher Überschreitung dieser Auflaufgeschwindigkeiten:- Auftreten nicht statthafter plastischer Verformungen des Fahrzeugkastens- keine Regeln über Orte und Größe dieser Verformungen
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Kollision konventioneller Fahrzeuge
09.04.1993: Berlin-Wannsee: Frontalzusammenstoß mit vrel ≈ 140 km/h (IC 995: Berlin- Stuttgart ↔ D 1045: Hannover-Berlin)(Quelle: DWA; web1.berlin089.server4free.de/v160)
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Analyse Kollision konventioneller Fahrzeuge
Wir erkennen:wegen Wirkebenen-Versatz von Stoßkraft und Schwerpunkt
Abknicken der Überhangkonstruktion oder
Aufklettern mit Zerstörung der nichtaufkletternden Struktur oderwegen Steifigkeitsverteilung am Fahrzeug
Knicken in Wagenmitte hinter der Drehgestellanlenkung
größte Spannungen am gestoßenen Endeaber im Zugverband auch am nicht gestoßenen Ende: Stoßbelastung!abhängig vom Energieverzehr im Fahrzeug
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Aussagen in bisherigen Vorschriften
• Kraftvorgabe genügt nicht, wir brauchen: Aussagen über zu beherrschende Aufstoßenergien
(mit dem Ziel der Erhöhung der passiven Sicherheit)• Aussagen zu Schutz gegenüber Kollisionen in bisherigen Vorschriften i.d.R. nur
allgemeiner Natur
UIC 566: „Beanspruchung von Reisezugwagenkästen und deren Anbauteilen“(1990) – aufgegangen in EN 12663
• 1.1.2:Die mit Rammsäulen verstärkten Stirnwände müssen so mit dem Kopfstück, dem Obergurt und dem Dach verbunden sein, dass die durch einen Aufprallunfall entwickelte Energie zuerst durch Verformung der Stirnwandpartie abgebaut wird, bevor auch andere Teile des Wagenkastens verformt werden.
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Vorschrift
2.2 Bauliche Maßnahmen für die Sicherheit des Personals 2.2.1 Maßnahmen zum Schutz gegen von außen einwirkende zerstörende Kräfte 2.2.1.2 Die Wände, der Fußboden und das Dach sollen eine hinreichende Widerstandsfähigkeit für Druck-, Biegungs- und Knickbelastung gegen die von außen einwirkenden Kräfte aufweisen. 2.2.1.3 Die Führerräume sollen in die Kastenstruktur der Triebfahrzeuge integrierte Räume möglichst steifer Konstruktion sein, so dass Verformungen aus Aufstößen vor den Führerräumen gegebenenfalls unterhalb von ihnen auftreten. Insbesondere sollen die Stirnwände der Führerräume im Falle eines Zusammenstoßes eine hinreichende Einbindung zum Rahmen und einen berechnenden Widerstand besitzen gegen Verformungen, insbesondere im Bereich zwischen dem Kopfquerträger und dem unteren Teil der Stirnfensterausschnitte. Es wird empfohlen, die Annahme folgender Druckkräfte ohne bleibende Verformung zu gewährleisten: Lokomotiven und
Steuerwagen (*) Triebwagen Bemerkungen
Unterhalb der Stirnfenster-ausschnitte
300 kN 300 kN gleichmäßig verteilt
in Höhe der Kopfquerträger
2.000 kN 1.500 kN auf die zwei Puffer verteilt
2.000 kN 1.500 kN in der Achse der automatischen Kupplung
(*) Für Steuerwagen gelten darüber hinaus die Bestimmungen des UIC-Merkblattes Nr. 566 VE Zusätzlich wird empfohlen, die Frontpartie des Triebfahrzeuges in stoßabsorbierenden Materialien auszuführen, die am besten durch Verformung, notfalls durch bleibende Verformung, die Stoßenergie aufnehmen.
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Typischer Verformungsverlauf
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Abschnitte VerformungskennlinieBeginn mit Kennlinie der Stoßeinrichtung
Steifigkeit Stoßeinrichtung << Steifigkeit Wagenkastenkaum Verformung des Wagenkastens im ersten Abschnitt
Stoßeinrichtung am Anschlag Wagenkastensteifigkeit kommt zum Tragenaufgrund Steifigkeitsunterschiede starker Anstieg der Kennlinie
Überschreitung der Längskraftfestigkeit (z.B. 2000 kN + Sicherheitszuschläge)plastische Verformung des Wagenkastens beginntKraftniveau der plastischen Verformung liegt über der Längskraftfestigkeit
bei großen Verformungen (meistens mehrere Meter)Verformung wird instabil Kraft geht auf Null zurück
aufgenommene Energie = Integral unter der Kennlinie
Crashgerechte Gestaltung bedeutet: große Verformungswege!
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Verformungskennlinien bei Kollisionengleiche Stoßpartner ungleiche Stoßpartner
gleichmäßige Aufteilung der Kollisionsenergie
∫ ⋅⋅=Fzgs
FzgKoll dsFE 2!
weniger fester Stoßpartner nimmt Kollisionsenergie fast allein auf
∫∫ ⋅+⋅=
⋅+
⋅⋅=
21
21
2
21
21
21
FzgFzg sFzg
sFzg
relFzgFzg
FzgFzgKoll
dsFdsF
vmmmm
E
(Quelle: Forschungsvorhaben BMV, Voß; Füser)
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Notwendiges Absorptionsvermögen
Notwendiges Energieabsorptionsvermögen Frontalzusammenstoß Zusammenprall mit LKW (16,5 t)
Zug v [km/h] E1 [MJ] E2 [MJ] v [km/h] E1 [MJ] E2 [MJ]
TGV ↔ TGV
m = 340 t 55 3,6 2,7 96 5,0 0,7
ICE3 ↔ ICE3
m = 412 t 55 2,95 2,8 96,5 4,9 0,7
3teiliger Nahverkehrszug ↔ 3teiliger Nahverkehrszug
m = 129 t 55 2,3 1,4 98 4,8 0,6 E1 – von führendem Fahrzeug zu absorbierende Energie E2 – zwischen den Fahrzeugen zu absorbierende Energie
(Quelle: nach Adtranz Portugal)
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Kollisionsszenarien nach TSI HGVBei „Frontalaufprall“ muss mechanische Struktur des Fahrzeugs:
- einem Aufklettern standhalten,- den Verzögerungsgrad begrenzen,- die Fahrgastbereiche und den Führerstand (z.B. Eindringen von
Hindernissen in Fahrgast- und Personalbereiche) optimal schützen,- die Aufprallenergie absorbieren (kontrollierte Verformung).
3 Referenzunfälle:Δv = 36 km/h
v = 36 km/h
v = 110 km/h
Szenario 1
Szenario 2
Szenario 3
80 t
15 t
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Einzuhaltende Bedingungen
zu absorbierende Aufprallenergie: 6 MJ - davon mindestens 75 % im Vorderteil des ersten Fahrzeugs- der Rest verteilt über alle Wagenübergänge im restlichen Zug
Fahrgastbereich erstes Fahrzeug/Überlebenszelle Triebwagenführer:- erhöhte Crash-Festigkeit- statische Festigkeit: ≥ 1.500 kN über (!) mittlerer Stauchkraft der
Knautschzonen bei allen Szenarios- mittlere Verzögerung: ≤ 5 g
Crash-Festigkeit erstes Fahrzeug = Festigkeit der übrigen Fahrzeuge
Aufkletterschutzvorrichtungen an Enden und zwischen den Fahrzeugen
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prEN 15277Entwurf der WG2 des CEN zur crashgerechten
Konstruktion ( ursprünglich als Teil 2 der EN 12663 vorgesehen)
Titel: „Bahnanwendungen – Anforderungen an die Kollisionssicherheit der Wagenkästen von Schienenfahrzeugen“ (Schlussentwurf September 2007)Railway applications — Crashworthiness
requirements for railway vehicle bodiesCommittee: CEN/TC 256; WI (Work Item
number): 00256123Abstimmung der Mitglieder der CEN (Formal
vote): Abschluss: 06.11.2007(22 Zustimmungen, 3 Enth., 2 Ablehnungen)
momentan Veröffentlichungsperiode (Publicationperiod): bis September 2008Erarbeitung/Veröffentlichung der nationalen
Versionen (DIN EN …)
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Anwendungsbereich – 4 AuslegungskategorienAnwendungsbereich:
-für Neukonstruktionen von Lokomotiven und Personenfahrzeuge Einordnung in Kollisionssicherheits-Auslegungskategorien C-I bis C-IV
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4 Kollisionsszenarios1. Frontalzusammenstoß von zwei identischen Zugeinheiten2. Zusammenstoß mit „typischem“ Schienenfahrzeug / Gegner3. Zusammenprall einer Zugeinheit mit einem Hindernis (z. B. LKW auf BÜ)4. Zusammenprall einer Zugeinheit mit einem kleinem Hindernis (z. B. PKW auf
BÜ, Tiere, Unrat usw.)
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Probleme mit kurzen Loks
Problem:(3achsige) kurze
Mittelführerstands-loks mit hohem Schwerpunkt führen bei Aufprall extreme Nickbewegung aus
Bei Szenario 1angeblich Abheben der Radsätzeum ca. 800 mm! (beim Nicken)
(Quelle: Der Eisenbahningenieur 58(2007)3)
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Problembehandlung
eigentliches Problem:- Einsatz energieverzehrender Strukturen Stoßdauer wird verlängert- längere Stoßdauer = mehr Dynamik: große Kontaktkräfte wirken
länger auf die Massen- kurze Lokomotiven = kleine Massen (kleine Trägheitsmomente)
starke Bewegungen (auch vertikal)- Sicherheitsgewinn durch Abmilderung des Längsstoßes ↔ Sicherheitsverlust durch Erleichtern des Aufkletterns
- aber Folgerung des Artikels: „je härter der Stoß, desto günstiger die Kollision“ ist falsch
Problem des Nachweises des hinreichenden Aufkletterschutzes
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Beherrschung KollisionsenergienKontrollierte Energieaufnahme durch:Vorgabe von mit steigender Aufstoßgeschwindigkeit wechselnder Abfolge von Verhaltensweisen der Fahrzeugkonstruktion mit progressiver Kraftaufnahme:- dabei Orientierung an Unfallfolgen und Instandsetzung- Aufnahme der Kollisionsenergie in definierten Verformungsbereichen
zum Schutz der Bereiche, in denen sich Personen bzw. Güter befinden- das funktioniert nur, wenn kollidierende Fahrzeuge nicht entgleisen und nicht
aufklettern
(Quelle: prEN 15227)
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Kontrollierte Energieaufnahmein keinem der Fälle darf Überpufferung auftreten Aufkletterschutzmehr als drei Stufen möglich bzw. nicht alle Elemente müssen vorhanden sein
4 Stufen Überlebensraum soll erhalten bleiben!
weitere Aussagen lt. prEN 15227:„Bild: Progressiver Kraft-Weg-Verlauf (nur indikativ)“Deformationskraft muss nicht kontinuierlich steigen Trend aber einhalten
praktische Struktur: wesentliche Störungen der Deformationskraftminimale Anforderungen:
- normale Kupplungsbedingungen einhalten- wirksamer Aufkletterschutz-Mechanismus- Erreichung der Gesamt-Energieaufnahme an den Fahrzeugendenwünschenswert
Minimierung der Abweichungen von mittlerer Deformationskraft in jeder Stufe
Kräfte, die weniger als 5 ms andauern, dabei nicht signifikant
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Konstruktive Möglichkeiten
erkennbar:schon konventionelle Fahrzeuge haben „Schutzmechanismus“
jedoch 2 gravierende Mängel:- unkontrollierter Zusammenbruch bei zunehmender Überlastung- Unberechenbarkeit des Zusammenbruchmechanismus
Kollisionssicherheit muss nicht völlig neu geschaffen werdennur Verbesserung bestimmter Bereiche der WK-Struktur bzw. Einbau
entsprechender Crash-Komponenten notwendig
Wie kann eine Konstruktion konstruktiv crashfähig ausgelegt werden?- Überschlägige Bestimmung der Kollisionsenergie- Zuordnung der Kollisionsenergie zu Verformungsbereichen- Konstruktive Umsetzung des geplanten Verformungsverhaltens
dabei Nachweis von:- Stoßkompatibilität und- Stabilität des Fahrzeugkastens
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CrashpufferEST Crashpuffer G1-200 M
Baulänge: 620 mm (UIC 526-1) Pufferteller: 550 x 340 mm rechteckig
(UIC 527-1 und ERRI B12 DT 84)
Federsystem, Klassifizierung nach UIC: Kat. A (UIC 526-1) Federhub: 105 mm (+0/-5 mm, UIC 526-1) Energieaufnahme reversibel (dyn.): ca. 40 kJ Befestigung: 280 x 160 mm, M24 typische Auslösekraftschwelle pro Puffer: 1500 kN typisches mittleres Kraftniveau pro Puffer: 1125 kN max. Deformationslänge zusätzlich zum Pufferhub: ca. 200 mm Energieaufnahme insgesamt pro Fahrzeugende (dyn.): ca. 600 kJ Gewicht pro Puffer: 127 kg
mehrstufiges Deformationssystem EST Duplex G1.A1(EST Crashpuffer G1 + EST Absorberblock A1)
Variable CrashpufferHofmann, Herbert Ing.-Büro Industrievertretungen GmbH & Co.
(Quelle: WWW)
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Energieverzehrelemente
Crashabsorber aus AluminiumschaumSchunk Sintermetalltechnik GmbH(Combino® Bern)
„Stoßstange“ aus Stahlschaum
(Quelle: WWW)
Wabenstrukturen(z.B. Aluminiumleg.)
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Kennlinien irreversibler Stoßverzehrelemente
dynamische Verformungsverläufe:
KunststoffverbundrohrRohr aus nichtrostendem Stahl
Wabenelement bzw. Schaumblockaus Aluminium-Legierung
(Quelle: Diplomarbeit S. Scharf)
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Crasherprobungen Absorber
(Quelle: Scharf; Marek: ZEV+DET Glas.Ann. (1997)12)
Deformation Stahlkasten
Stahlkasten-Wabe-Kombination
verbrauchterFVK-Rohrabsorber
Energieabsorptionsprinzip ET 2000
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interne Energieverzehrstrukturen
Vorbau TGV Duplex mit Energieverzehrelementen
vorgestauchtedickwandigeStahlstruktur
(Quelle: Zehnder: ZEV+DET Glas.Ann. (2001) 9/10;Diplomarbeit S. Scharf)
Profilformen für crashfähige Stahlträger
Verzehrglieder ausMehrkammerhohlprofileim Pendolino WCML
SAFETRAM-CT-Absorber
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Aufkletterschutzvorrichtungen
Kletterschutzprofile
gegen Vertikalbewegungen gegen Vertikal- und Querbewegungen
Triebkopfseite Wagenseite
Niete PufferEnergieabsorptions-einrichtung
Normalbetrieb
Normalbetrieb maximale Einfederung
Wirkung des Aufkletterschutzes
(Quelle: Diplomarbeit S. Scharf; Wolter: EI (2001)5; Cléon: Revue générale de chemins de fer (1993)11)
Komponente Bahnräumer/Aufkletterschutz/PufferhörnerSAFETRAIN (180° gedreht)
Funktionsprinzip Aufkletterschutz TGV2N
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EU-Projekt SAFETRAIN
Designstudie
(Quelle: Wolter: ZEV+DET Glas.Ann. (2001)9/10)
Auszug Crashsimulationsberechnung
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TRAXX-Crashkonzept
(Quelle: Carl; Schneider; Wolter: ZEVrail (2004)9))
≈ 0,06 MJ (normale Betriebslasten, Rangier-Aufstöße)≈ 1,7 MJ (Zusammenstöße)
≈ 3 MJ (Zusammenpralle)
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Crashtest u. Simulation TRAXX
(Quelle: Carl; Schneider; Wolter: ZEVrail (2004)9))
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Sicherheits-Chemiekesselwagen CeSa
(Quelle: ZEV+DET Glas.Ann. (2000)7; Müller: EI (2000)7)
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