Beitrag zur numerischen Simulation des sitzenden Menschen zur Beurteilung der Auswirkung von Ganzkörperschwingungen

Grunendahl, Arno; Meskouris, Konstantin

doi:26339

Beitrag zur numerischen Simulation des sitzenden Menschen zur Beurteilung der Auswirkung von Ganzkörperschwingungen

Grunendahl, Arno (Author)

2004 & 2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Arno Grunendahl

ImpressumAachen : Mainz 2004

UmfangII, 124 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheBaustatik - Baudynamik ; [20]04,1

Zugl.: Aachen, Techn. Univ., Diss., 2004

Druckausgabe: 2004. - Onlineausgabe: 2005

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-11-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-10028
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59754/files/Grunendahl_Arno.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Bauingenieurwesen (300000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Ganzkörperschwingung (frei) ; Biomechanik (frei) ; Wirbelsäule (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der heutigen Zeit liegt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Erwachsener Rückenschmerzen erleidet bei 80%. Neben krankhafter Veränderungen der Wirbelsäule und auch psychischen Problemen ist als Ursache die schädliche Wirkung von Ganzkörperschwingungen in zahlreichen epidemiologischen Studien nachgewiesen worden. Hierbei sind Personen, die berufsbedingt Vibrationen in sitzender Haltung ausgesetzt sind, wie Helikopterpiloten und LKW-Fahrer am stärksten gefährdet. Um den Menschen vor der schädlichen Wirkung der Vibrationen wirksam zu schützen, müssen zunächst die Ursachen-Wirkungs-Zusammenhänge untersucht werden. Experimentelle Untersuchungen an lebenden Personen können hierbei aus ethischen Gründen nur teilweise Aufschluss geben, während Versuche „in vitro” nur bedingt geeignet sind, das dynamische Verhalten des Körpers wiederzugeben. Numerische Modelle unterliegen diesen Beschränkungen nicht. Mit ihrer Hilfe ist man prinzipiell in der Lage, beliebig detailliert die mechanischen Abläufe und Zusammenhänge zu untersuchen. In dieser Arbeit wird ein drei-dimensionales, physikalisch nichtlineares Modell des sitzenden Menschen entwickelt. Hierbei werden der Hals- und Brustbereich, sowie die Beckenregion mit einem einfachen Stabwerksmodell abgebildet. Der Bereich der Lendenwirbelsäule besteht aus einem detaillierten Modell aus finiten Volumenelementen, das eine anatomiegetreue Abbildung darstellt. Es werden verschiedene Materialmodelle zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens der Wirbelsäule untersucht. Die linearen und nichtlinearen Materialmodelle werden dabei mit Hilfe von Vergleichsrechnungen kalibriert. Hierzu dienen verschiedene Last-Verformungs-Kurven, die der Literatur entnommen werden können. Zur Berücksichtigung des zeitabhängigen mechanischen Verhaltens werden Nucleus, Annulusgrundsubstanz und kollagene Fasern mit visko-elastischen Materialmodellen versehen. Die Ermittlung der visko-elastischen Parameter erfolgt ebenfalls anhand dokumentierter Versuchsdaten. Zur Verifikation des dynamischen Verhaltens des Modells werden die Eigenfrequenzen sowie verschiedene Übertragungsfunktionen mit experimentellen Daten verglichen. Die Verifikation erfolgt hierbei getrennt für die verwendeten Materialmodelle. Es zeigt sich, dass weder die Verwendung nichtlinearer noch visko-elastischer Materialmodelle im Bereich der Lendenwirbelsäule das dynamische Verhalten des Modells signifikant beeinflussen. Zur Abschätzung des gesundheitlichen Risikos vertikaler Ganzkörperschwingungen, wird ein Schädigungsmodell für ein Versagen der kollagenen Fasern basierend auf der Dehnungsenergiedichte entwickelt. Dadurch wird die Simulation eines Versagens sowohl durch stoßartige Belastung als auch durch Ermüdung ermöglicht. Die Festlegung des Schwellenwertes der Schädigung soll mit Hilfe der VDI-Richtlinie 2057 erfolgen. Hierzu werden zunächst verschiedene Schwingungssignale erzeugt und mit Hilfe der Richtlinie bewertet. Anschließend wird die Dehnungsenergiedichte der kollagenen Fasern infolge der Schwingungsbelastung berechnet. Es zeigt sich, dass in den hier durchgeführten Untersuchungen zwar die Schädlichkeit der Schwingungseinwirkung nach VDI 2057 nachgewiesen werden konnte, ein Zusammenhang der Bewertungsgrößen nach VDI mit der berechneten Dehnungsenergiedichte infolge der Einwirkung kann jedoch nicht hergestellt werden.

Today the probability of suffering from low back pain is up to 80% for an average adult person. There are various causes for low back pain. Besides pathological changes to the spine or psychological problems the harmful effects of whole-body vibration has been shown in many epidemiological studies. Persons that are exposed to vertical vibrations in a seating position during their daily work like helicopter pilots or occupational drivers are even at increased risk. In order to protect people from an impairment caused by vibrations, the causes and courses of damage have to be investigated closely. Experimental investigations with persons alive are limited because of ethical reasons whereas experiments 'in vitro' can only approximately reveal the dynamical behaviour of the human body. Numerical models are not subjected to these limitations. They allow very detailed and close investigation of the mechanical processes. In this work a three-dimensional physically non-linear model of a seated human has been developed. The neck, thorax, and pelvic region is modelled with simple beam elements. The lumbar spine consists of finite volume-elements allowing an anatomically correct representation. Various material models to describe the mechanical behaviour have been investigated. The linear and non-linear material properties are calibrated with load-displacements-curves from experimental data reported in literature. The time dependant material behaviour of the nucleus, the annulus groundsubstance and collagen fibres is approximated with visco-elastic material models. The visco-elastic parameters are also derived by simulating experiments described in literature. For varification of the dynamical behaviour the eigenfrequencies of the model as well as several transmissions are calculated and compared to experimental data from 'in vivo' measurements. The varification is carried out for the various material models employed. It is revealed that the overall dynamical behaviour does not alter significantly with non-linear or visco-elastic material models. For assessing the risk of health due to whole-body vibration an damage model for the collagen fibres is developed. The damage model is based on the strain energy density so that failure due to impact loading as well as fatigue failure can be considered. To determine the threshold level at which damage occurs the German standard VDI 2057 shall be used. Several vertical vibration time histories are generated and assessed according to VDI 2057. Also the resulting strain energy density of the collagen fibres is calculated. It is shown that the injuriousness of the vibration can be determined with VDI 2057 whereas a coherence of the assessment values from the standard with the damage model cannot be shown.

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