DIN EN 15227 „Anforderungen für die Kollisionssicherheit von …dmg-berlin.info/page/downloads/vortrag_loeffler.pdf · 2008. 8. 12. · Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich

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

TU Dresden, 28.07.2008 DMG-Vortrag Kollisionssicherheit Folie 2

Professur für Technik spurgeführter FahrzeugeProfessur für Technik spurgeführter Fahrzeuge

Gliederung des Vortrages

• Rahmenbedingungen zur Entwicklung

der passiven Sicherheit bei Schienenfahrzeugen

• Vorschriftensituation

• Anforderungen an kollisionssichere Schienenfahrzeuge

• Einige Anwendungen und Beispiele



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



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



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



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)



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



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.



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.



Typischer Verformungsverlauf



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!



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)



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)



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



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



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 …)



Anwendungsbereich – 4 AuslegungskategorienAnwendungsbereich:

-für Neukonstruktionen von Lokomotiven und Personenfahrzeuge Einordnung in Kollisionssicherheits-Auslegungskategorien C-I bis C-IV



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.)



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)



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



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)



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



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



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)



Energieverzehrelemente

Crashabsorber aus AluminiumschaumSchunk Sintermetalltechnik GmbH(Combino® Bern)

„Stoßstange“ aus Stahlschaum

(Quelle: WWW)

Wabenstrukturen(z.B. Aluminiumleg.)



Kennlinien irreversibler Stoßverzehrelemente

dynamische Verformungsverläufe:

KunststoffverbundrohrRohr aus nichtrostendem Stahl

Wabenelement bzw. Schaumblockaus Aluminium-Legierung

(Quelle: Diplomarbeit S. Scharf)



Crasherprobungen Absorber

(Quelle: Scharf; Marek: ZEV+DET Glas.Ann. (1997)12)

Deformation Stahlkasten

Stahlkasten-Wabe-Kombination

verbrauchterFVK-Rohrabsorber

Energieabsorptionsprinzip ET 2000



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



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



EU-Projekt SAFETRAIN

Designstudie

(Quelle: Wolter: ZEV+DET Glas.Ann. (2001)9/10)

Auszug Crashsimulationsberechnung



TRAXX-Crashkonzept

(Quelle: Carl; Schneider; Wolter: ZEVrail (2004)9))

≈ 0,06 MJ (normale Betriebslasten, Rangier-Aufstöße)≈ 1,7 MJ (Zusammenstöße)

≈ 3 MJ (Zusammenpralle)



Crashtest u. Simulation TRAXX

(Quelle: Carl; Schneider; Wolter: ZEVrail (2004)9))



Sicherheits-Chemiekesselwagen CeSa

(Quelle: ZEV+DET Glas.Ann. (2000)7; Müller: EI (2000)7)

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