biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss19:atsb1906
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biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss19:atsb1906 [10.06.2019 13:59] – [Template für Judith] Rustam Galljamov | biomechanik:aktuelle_themen:projekte_ss19:atsb1906 [14.08.2019 16:32] – [Tabelle] Judith Beier | ||
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- | ====== Template ====== | ||
- | Im Folgenden findet ihr die grobe Struktur vor, wie euer Wiki-Projekt aussehen sollte. Das Template ist in sich logisch aufgebaut. \\ | ||
- | \\ | ||
- | In der Einleitung könnt ihr vorab die Inhalte und Schwerpunkte eures Projektes erwähnen, aber noch nicht näher darauf eingehen. Zudem ist es gut die Themenschwerpunkte anhand eines (einführenden) Beispiels zu verdeutlichen. Dazu könnt ihr diverse Medien in das Wiki einbetten, wie z.B. YouTube-Videos, | ||
- | \\ | ||
- | \\ | ||
- | Nachdem die Wiki-Leser (erfolgreich) auf das Thema eingestimmt wurden, könnt ihr mit der Vorstellung der Projektinhalte beginnen. Denkt daran euren Überlegungen freien Lauf zu lassen und keine Bücher wiederzugeben. Ziel des Projektes ist mitunter die Entwicklung eines kritischen Standpunktes (vgl. [[: | ||
- | \\ | ||
- | \\ | ||
- | Eine kurze Zusammenfassung gegen Ende des Wiki-Eintrags ist sicherlich nicht verkehrt. Ich könnt die aussagekräftigsten Informationen aus den Inhalten nochmals hervorheben, | ||
- | \\ | ||
- | Abschließend formuliert ihr noch ein paar Kontrollfragen, | ||
- | \\ | ||
- | Folgend findet ihr ein Template zur Erstellung neuer Wiki-Einträge mit dem ein oder anderen Beispiel für Zitationsvorgaben sowie Formatierungsmöglichkeiten (//Tipp: ihr könnt einfach den Quellcode kopieren und in euer Wiki-Projekt einfügen!// | ||
- | ====== | + | ====== |
- | ^ Modul-Icon | + | ^ Modul-Icon |
- | ^ Veranstaltung | + | ^ Veranstaltung |
- | ^ Autor(en) | + | ^ Autor | Judith Beier |
- | ^ Bearbeitungsdauer | + | ^ Bearbeitungsdauer |
- | ^ | | + | ^ | |
- | ^ Status | + | ^ Status |
- | ^ Zuletzt geändert am | ... | | + | ^ Zuletzt geändert am | 14.08.2019 |
- | + | ||
- | <note important> | + | |
- | Achtung: Benutzt diese Vorlage für eure Wiki-Einträge!! | + | |
- | </ | + | |
- | + | ||
- | <note tip> | + | |
- | Hier findet ihr **Hilfestellungen beim Formatieren** des Wikis: [[: | + | |
- | Hier gibt es **Hilfe zum Erstellen eines Tutorials/ | + | |
- | </ | + | |
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===== Einleitung ===== | ===== Einleitung ===== | ||
- | Die Einleitung beinhaltet | + | Auf dieser Wiki-Seite soll der menschliche Gang bei schwingenden Untergründen untersucht werden. Hierbei stehen |
+ | Im Rahmen eines Forschungsprojektes mit dem Fachbereich Bauingenieurwesen Technischen Hochschule Köln und der TU Darmstadt soll untersucht werden, wie die Bodenreaktionskräfte auf schwingenden Untergründen modelliert werden können. | ||
+ | In der VDI-Richtlinie 2038 – Blatt 1 (Richtlinie VDI 2038-Blatt 1, 2012) ist ein Last-Zeit-Verlauf für diese Kräfte gegeben, | ||
+ | Gerade für Fußgängerbrücken werden | ||
\\ | \\ | ||
- | ==== Einführendes Beispiel ==== | ||
- | \\ | + | ===== Der menschliche Gang auf starrem Untergrund |
- | \\ | + | Der Mensch verfügt über verschiedene Formen der Fortbewegung. Hierbei stellte Gehen die alltägliche Form der Fortbewegung dar, während Rennen in vielen sportlichen Situationen von zentraler Bedeutung ist. (Kramers-de Quervain, Stüssi, & Stacoff, 2008)\\ |
- | ===== Inhalt1 | + | Im englischen wird zwischen walking und running unterschieden, |
- | Hier wird bspw. der theoretische Hintergrund aufgearbeitet. Verwendete Blockzitate | + | Die nachfolgenden Kapitel sollen nur einen kurzen Überblick über den Bewegungsablauf |
- | Beispielsweise beschreibt Hermann (2001) | + | |
- | >Für Leistungssportler . . . bedeuten Verletzungen oftmals | + | |
- | Andere Zitationsweisen finden sich hier: {{ :studienleitfaden_des_ifs_version_4.0.pdf | + | |
\\ \\ | \\ \\ | ||
- | ==== Unterpunkt 1 ==== | + | ==== Gehen ==== |
- | [{{ : | + | Gehen ist die wichtigste Fortbewegungsart des Menschen und der Bewegungsablauf verläuft bei allen gesunden Menschen nach demselben Grundmuster. (Kramers-de Quervain, Stüssi, |
+ | Der Gangzyklus gliedert sich in Standphase und Schwungphase, | ||
+ | Ein Gangzyklus umfasst einen Doppelschritt, | ||
+ | Die gebräuchlichsten Messparameter zur Erfassung des menschlichen Ganges sind die freie Ganggeschwindigkeit, | ||
+ | Der Zusammenhang zwischen den drei Parametern ergibt sich zu: | ||
- | Nach Ballreich (1996, S. 57) beschreibt die Kinematik (hier Translation) | + | \begin{align*} |
- | < | + | v\mathrm{[m/ |
- | "Als Beispiel kann ein Sprinter herangezogen werden, dessen Bewegungen entlang der Laufbahn an dem Körperoberflächenpunkt gemessen wird, der als erster die Lichtschranke am Ziel durchbricht. Nur für diesen Punkt gilt die Zeitangabe" | + | \end{align*} |
- | \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ | + | Mit $v$ als Ganggeschwindigkeit, $L_\mathrm{S}$ als Schrittlänge und $f$ als Schrittfrequenz. |
- | ==== Unterpunkt 2 ==== | + | Die freie Ganggeschwindigkeit, |
- | Es gibt auch die Möglichkeit Videos einzubinden... dieses Beispielvideo zeigt Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Vorwärts- bzw. Rückwärtssaltos: | + | Als Normwerte für die Zeit- und Distanzparameter geben Kramers-de Quervain et al. (2008) folgende Werte an:\\ |
- | {{ youtube> | + | ^Freie Ganggeschwindigkeit |[m/ |
- | \\ | + | ^Distanz Gangzyklus |[m] |1,20-1,50 | |
- | \\ | + | ^Schrittlänge |
+ | ^Schritt-Kadenz|[1/ | ||
+ | |||
+ | Die Bodenreaktionskräfte beschreiben den zeitlichen Verlauf der aufgebrachten Last eines Schrittes. Beim Gehen werden vertikale Kräfte sowie horizontale Kräfte in Gangrichtung und quer zur Gangrichtung (medio-laterale Kräfte) aufgebracht. | ||
+ | [{{ : | ||
+ | Wie in der Abbildung zu sehen ist, werden die Kräfte im Bereich der Zweibeinstandphase von einem auf das andere Bein umgelagert, das Bein wechselt hier von der Stand- in die Schwungphase. Bei einem einzelnen Schritt in in vertikaler Richtung circa das 1,2-1,3 fache Körpergewicht aufgebracht. Die Kraftspitzen sind abhängig von der Ganggeschwindigkeit. (Kramers-de Quervain et al., 2008) | ||
+ | |||
+ | \\ | ||
+ | ==== Rennen ==== | ||
+ | Rennen unterscheidet sich vom Laufen durch die Flugphase. Während beim Gehen immer Bodenkontakt besteht, sind beim Laufen in der Flugphase beide Beine in der Luft. Der Mensch wechselt bei erhöhter Geschwindigkeit automatisch vom Gehen zu Rennen. | ||
+ | [{{ : | ||
+ | Die Geschwindigkeit, | ||
+ | Menschen sind jedoch auch in der Lage, schneller als 2 m/s zu gehen und langsamer als m/s zu rennen. (Rotstein, Inbar, Berginsky, & Meckel, 2005) | ||
+ | Beim Laufen wird die vertikale Bodenreaktionskraft auf das 2,5-fache des Körpergewichts erhöht. Auch hier ist die Lastspitze von der Geschwindigkeit abhängig und kann noch höhere Werte erreichen. (Perry, 2003; Vaughan, 1984) | ||
+ | Die Dauer des Bodenkontaktes und der Flugphase hängen ebenfalls von der Geschwindigkeit ab. (Vaughan, 1984)\\ | ||
+ | Bei einer Geschwindigkeit von 5 m/s beträgt die Verteilung der Standphase zur Flugphase circa 30% : 70%. | ||
- | **Das Einbinden von Videos ist unter \\ | ||
- | [[http:// | ||
- | beschrieben** | ||
\\ | \\ | ||
\\ | \\ | ||
\\ | \\ | ||
- | ===== Inhalt2 | + | ===== Der menschliche Gang auf schwingendem Untergrund |
- | Hier werden | + | Die meiste Zeit bewegt sich der Mensch auf starren Untergründen. Straßen, aber auch Betondecken in Gebäuden, weisen eine so hohe Eigenfrequenz auf, dass sie durch den menschlichen Gang nicht in Schwingung versetzt |
- | + | ||
- | Verwendete Blockzitate (mehr als 40 Worte) | + | |
- | Beispielsweise beschreibt Hermann (2001) die Konsequenzen | + | |
- | >Für Leistungssportler . . . bedeuten Verletzungen oftmals einen tiefen Ein-schnitt | + | |
- | Andere Zitationsweisen finden sich hier: {{ : | + | |
\\ \\ | \\ \\ | ||
+ | ====Gehen und Laufen auf schwingendem Untergrund - Literaturvergleich==== | ||
+ | Für die Lastansätze der Bodenreaktionskräfte gibt es verschiedene Literaturquellen und Richtlinien. Hier ist die eingangs erwähnte VDI-Richtlinie 2038 (Richtlinie VDI 2038-Blatt 1, 2012) in der Anwendung maßgebend. | ||
+ | In der Richtlinie wird für horizontale und vertikale Schwingungen eine Formel mit verschiedenen Parametern angewandt. | ||
+ | Für vertikale Kräfte wird | ||
+ | \begin{align*} | ||
+ | F_\mathrm{vp}(t)=F_\mathrm{G}+\sum_i{F_\mathrm{G}\cdot \alpha_{\mathrm{v}i}\cdot \sin(2\cdot \pi\cdot i\cdot f_\mathrm{vp}\cdot t - \varphi_{\mathrm{v}i})} | ||
+ | \end{align*} | ||
+ | und für horizontale Kräfte (quer zur Kraftrichtung) wird | ||
+ | \begin{align*} | ||
+ | F_\mathrm{hp}(t)=F_\mathrm{G}+\sum_i{F_\mathrm{G}\cdot \alpha_{\mathrm{h}i}\cdot \sin(2\cdot \pi\cdot i\cdot f_\mathrm{hp}\cdot t - \varphi_{\mathrm{h}i})} | ||
+ | \end{align*} | ||
+ | angesetzt. | ||
+ | Dabei ist $F_\mathrm{G}$ die Gewichtskraft der Person, $\alpha_{i}$ der Last-Koeffizient in der i-fachen Grundfrequenz, | ||
- | ==== Tabellen ==== | + | [{{ : |
- | Um wiederkehrende Fragen nach der Beschriftung | + | Als Parameter für Gehen sind Frequenzen |
+ | Laut Bachmann (Bachmann & Ammann, 1987) können für Rennen auch Frequenzen bis 5 Hz auftreten, diese seien jedoch für öffentliche Fußgängeranlagen sehr selten. Er ordnet den Gangarten Gehen und Rennen jeweils zugehörige Schrittgeschwindigkeiten und Schrittlängen zu. | ||
+ | Er unterscheidet zwischen langsamen, normalem und raschen Gehen, sowie normalem und raschem Laufen (Rennen). | ||
- | | Tabelle | + | ^ |$f_s$ [Hz]|$v_s$ [m/ |
- | ^ Name ^ Alter ^ Gewicht | + | ^langsames Gehen|~1,7|1,1|0,60| |
- | | Mustermann | + | ^normales Gehen |~2,0|1,5 |0,75| |
+ | ^rasches Gehen |~2, | ||
+ | ^normales Laufen|~2, | ||
+ | ^rasches Laufen (Rennen)|>3,2|5,5|1,75| | ||
- | \\ \\ | + | Pachi (Pachi & Ji, 2005) untersuchte Schrittgeschwindigkeit, |
- | ===== Zusammenfassung und Ausblick ===== | ||
- | ... | ||
- | < | ||
+ | ==== Anpassung des Ganges an einen schwingenden Untergrund ==== | ||
+ | Je nachdem, wie stark ein Untergrund schwingt, passt der Mensch seinen Gang an die Schwingung an. Dies gilt sowohl für horizontale, | ||
- | **Themenvorschläge für Folge-Wikis** | + | Je stärker ein Bauwerk schwingt, desto eher versuchen die sich darauf befindenden Personen, ihre Schrittfrequenz dem schwingenden Untergrund anzupassen. Laut Bachmann (Bachmann & Ammann, 1987) und der VDI 2038 (Richtlinie VDI 2038-Blatt 1, 2012) ist es für Fußgänger bei einer vertikalen Verschiebung von 10 mm kaum mehr möglich, in der bevorzugten Ganggeschwindigkeit zu Gehen oder zu Rennen, da man sonst aus dem Tritt gerät. Bei geringeren Verschiebungsamplituden sei dieser Effekt jedoch unbedeutend. \\ |
+ | In den nachfolgenden Videos wurde dies an einer Versuchsbrücke demonstriert. | ||
- | - ... | + | {{ : |
- | - ... | + | |
- | - ... | + | |
- | \\ | + | |
- | < | + | Um einen möglichst starren Untergrund zu erhalten, wurde die Fußgängerbrücke durch ein zusätzliches Auflager in der Nähe der Feldmitte gelagert. Dadurch schwingt die Brücke bei den ersten Durchläufen der Videos nicht bzw. kaum. |
- | \\ | + | Im Video zum Gehen sieht man, dass obwohl die Brücke leicht schwingt, die Größe der Amplitude nicht ausreicht, um den Gang zu beeinflussen. |
+ | Da die Eigenfrequenz der Brücke bei 2,48 Hz liegt, wird diese durch Rennen/ | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Bei horizontalen Schwingungen sorgt die Anpassung des Schrittes dafür, dass sich die Personen alle in einem Gleichschritt kommen, und damit die Schwingungen noch verstärken. Dies ist im folgenden Video, das nach der Veröffentlichung der Millenium Bridge in London gemacht wurde, gut an der Kopfbewegung der Menschen zu sehen. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | /* Diese Zeile führte zum Bug mit dem Sprung nach Unten (NICHT AUSKOMMENTIEREN): | ||
+ | |||
+ | /* | ||
+ | Einbinden des Videos als HTML half leider auch nicht weiter... | ||
+ | |||
+ | < | ||
+ | <div align=" | ||
+ | <iframe width=" | ||
+ | </ | ||
+ | </ | ||
+ | */ | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Für die Resonanz mit horizontalen Schwingungen quer zur Bewegungsrichtung gibt die VDI 2038 (Richtlinie VDI 2038-Blatt 1, 2012, einen) eine Schwingungsamplitude mit einer Beschleunigung von etwa 0,1 m/s² als Grenzwert an, ab dem sich die darauf befindlichen Personen mit dem Bauwerk synchronisieren. | ||
+ | McRobie et al. (McRobie, Morgenthal, Lasenby, & Ringer, 2003) stellten in ihren Untersuchungen auf horizontal schwingenden Plattformen fest, dass die Probanden mit einer Verbreiterung ihres Ganges und Anpassung der eigenen Schrittfrequenz auf die zweifache Frequenz der horizontalen Schwingung reagierten.\\ | ||
+ | Butz (Butz & Sedlacek, 2006) stellte in ihren Versuchen fest, dass der menschliche Gang durch horizontale Schwingungen stärker beeinflusst wird. Vertikale Schwingungen können durch die Beine und Gelenke absorbiert werden, während laterale Verschiebungen des Untergrundes durch eine zusätzliche Bewegung ausgeglichen werden müssen. | ||
+ | |||
+ | \\ \\ | ||
+ | ===== Ausblick und eigener Standpunkt ===== | ||
+ | Um den Lastansatz für Personeninduzierte Schwingungen zu überarbeiten, | ||
+ | Der Einfluss der Beinsteifigkeit und Dämpfung des Beines hat im Lastansatz ebenfalls keinen Einfluss und sollte daher auf schwingenden Untergründen ebenfalls weiter untersucht werden. | ||
- | ===== Eigener Standpunkt ===== | ||
- | ... | ||
\\ | \\ | ||
- | |||
- | < | ||
- | < | ||
===== Fragen ===== | ===== Fragen ===== | ||
- | - ... | + | - Ab welchen Werten haben laterale und vertikale Schwingungen Einfluss auf den menschlichen Gang? |
- | - ... | + | - Welchen Einfluss haben starke Schwingungen auf den menschlichen Gang? |
\\ | \\ | ||
- | alternativ mit Show-Button: | ||
- | |||
- | <spoiler | 1. Frage 1 ?> | ||
- | Antwort zu Frage 1 | ||
- | </ | ||
===== Literatur ===== | ===== Literatur ===== | ||
+ | Bachmann, H., & Ammann, W. (1987). Structural engineering documents: 3d. Schwingungsprobleme bei Bauwerken: Durch Menschen und Maschinen induzierte Schwingungen. Zürich: Internationale Vereinigung f. Brückenbau u. Hochbau.\\ \\ | ||
+ | Butz, E.C., & Sedlacek, G. (2006). Beitrag zur Berechnung fußgängerinduzierter Brückenschwingungen. Aachen : Shaker, Schriftenreihe Des Lehrstuhls Für Stahlbau Und Leichtmetallbau Der RWTH Aachen, 60, 154, A1, B9 S. : Ill., Graph. Darst. (2006). = Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006. \\ \\ | ||
+ | Hegewald, G. Die Ganggeschwindigkeit – eine zentrale Größe in der Ganganalyse. https:// | ||
+ | Kramers-de Quervain, I.A., Stüssi, E., & Stacoff, A. (2008). Ganganalyse beim Gehen und Laufen. SCHWEIZERISCHE ZEITSCHRIFT FUR SPORTMEDIZIN UND SPORTTRAUMATOLOGIE, | ||
+ | McRobie, A., Morgenthal, G., Lasenby, J., & Ringer, M. (2003). Section model tests on human-structure lock-in. PROCEEDINGS- INSTITUTION of CIVIL ENGINEERS BRIDGE ENGINEERING, | ||
+ | Pachi, A., & Ji, T. (2005). Frequency and velocity of people walking. The Structural Engineer, 83, 36–40.\\ \\ | ||
+ | Perry, J. (2003). Ganganalyse. Norm und Pathologie des Gehens. München u.a.: Urban & Fischer, 2003. 1. Aufl.\\ \\ | ||
+ | Perry, J., Oster, W., Wiedenhöfer, | ||
+ | Petersen, C., & Werkle, H. (2017). Dynamik der Baukonstruktionen (2. Aufl. 2017). Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden.\\ \\ | ||
+ | Rotstein, A., Inbar, O., Berginsky, T., & Meckel, Y. (2005). Preferred Transition Speed between Walking and Running: Effects of Training Status. Medicine and Science in Sports and Exercise, 37, 1864–1870.\\ \\ | ||
+ | Vaughan, C.L. (1984). BIOMECHANICS OF RUNNING GAIT. Critical Reviews in Biomedical Engineering, | ||
+ | Richtlinie VDI 2038-Blatt 1. (Juni 2012). | ||
- | Hochmuth, G. (1967). // | ||
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