HUMVIB - Mensch-Struktur Interaktion und Ganganpassung bei Bewegung auf schwingenden Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Knaack, seit 10/2023; Professor Dr. André Seyfarth
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446124066

Durch immer höhere architektonische Anforderungen gibt es im Hoch- und Brückenbau einen starken Trend, schlankere und leichtere Konstruktionen zu entwerfen und zu bauen. Bei Bauwerken, die menschlichen Einwirkungen ausgesetzt sind (z.B. Fußgängerbrücken), können die von Personen verursachten Strukturschwingungen erheblich sein. Folglich muss der Mensch seinen Gang an die Schwingungen der Struktur anpassen. Im Gegenzug beeinflussen die Veränderungen im Gang das Strukturverhalten. Die gebräuchlichen biomechanischen Modelle können die Reaktion des Menschen beim Gehen auf einer flexiblen Struktur nicht vorhersagen, da die zugrunde liegenden Mechanismen hinsichtlich Mensch-Struktur-Interaktion noch ungeklärt sind. Ebenso berücksichtigen die aktuellen Ingenieurmodelle zum Entwurf und der Berechnung der Bauwerke nicht angemessen die Wechselwirkungen zwischen Mensch und Struktur, was zu unsicheren Strukturen oder im Gegenteil zu überdimensionierten Strukturen führen kann.Es besteht daher von beiden Disziplinen (Biomechanik und Bauingenieurwesen) ein dringender Bedarf für ein besseres Verständnis der biomechanischen Anpassung von Menschen während des Gehens auf leicht anregbaren und schwingenden Strukturen. Ziel des Projektes ist es, basierend auf der Dynamik der Mensch-Struktur-Interaktion verbesserte biomechanische Modelle und Ingenieurmodelle zur Beschreibung des menschlichen Gehens auf schwingenden Strukturen im Hinblick auf das menschliche und strukturelle Verhalten zu entwickeln und zu validieren.In diesem Projekt sollen dazu experimentelle Daten von Personen erhoben und analysiert werden, die auf leicht anregbaren Strukturen und (zum Vergleich) auf steifen Strukturen gehen. Die Experimente beinhalten die Erfassung von biomechanischen und strukturellen Reaktionen. Basierend auf den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen werden verbesserte biomechanische Modelle mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad für das Gehen auf nachgiebigen Strukturen für die Simulation entwickelt. Anschließend werden die entwickelten Gangmodelle im Rahmen der Strukturanalyse umgesetzt. Umfangreiche Vergleiche zwischen den Messungen und den Simulationen werden durchgeführt. Dies ermöglicht die Formulierung von Mindestmodellanforderungen sowohl für das Gang- als auch für das Strukturmodell in Bezug auf den Detaillierungsgrad. Hieraus soll ein angemessenes mechanisches Modell zur Vorhersage von durch Personen induzierten Schwingungen unter Berücksichtigung der Mensch-Struktur-Interaktion und ein biomechanisches Gangmodell zur genauen Simulation der menschlichen Reaktion beim Gehen auf schwingenden Strukturen abgeleitet werden. Die Funktionalität des vorgeschlagenen biomechanischen Modells wird an einer aktiven Beinorthese demonstriert. Die Ergebnisse des Projekts sind damit von großer Bedeutung für die Entwicklung von biomechanischen Hilfsmitteln (z.B. Beinprothesen) und für eine bessere Vorhersagbarkeit der strukturellen Reaktionen bei der Auslegung von Bauwerken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jens Schneider, bis 9/2023