FORSCHUNGSBERICHT. W.A. Günthner G. Fischer A. Ebner. Untersuchung der Humanschwingungen beim Betrieb von Flurförderzeugen

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1 FORSCHUNGSBERICHT W.A. Günthner G. Fischer A. Ebner Untersuchung der Humanschwingungen beim Betrieb von Flurförderzeugen

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3 Forschungsbericht der Forschungsstelle Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik zu dem über die im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages geförderten Vorhaben N/1 Untersuchung der Humanschwingungen beim Betrieb von Flurförderzeugen der AiF-Forschungsvereinigung Intralogistik / Fördertechnik und Logistiksysteme (IFL)

4 Herausgegeben von: Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. W. A. Günthner fml Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik Technische Universität München Printed in Germany 2011 fml Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik Technische Universität München Boltzmannstr Garching Telefon: Telefax:

5 Zusammenfassung In Deutschland sind ca. 1,6 Millionen Beschäftigte in erheblichem Maße gegenüber Ganzkörper-Vibrationen exponiert, darunter auch Fahrer von Flurförderzeugen. Seit der Verabschiedung der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung im Jahre 2007 ist der Arbeitgeber verpflichtet, im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung die Belastung der Arbeitnehmer auf Grund von Vibrationen zu bestimmen und gegebenenfalls Maßnahmen zu ergreifen. Da repräsentative Vergleichsmessungen Mangelware sind, sowie die Belastung von unterschiedlichen Faktoren abhängt, ist eine Unterstützung der Unternehmen bei der Gefährdungsbeurteilung wünschenswert. Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojekts wird das Schwingungsverhalten von Flurförderzeugen bezüglich der Vibrationsbelastung des Fahrers anhand sechs repräsentativer Fahrzeuge (drei Gegengewichtsgabelstapler, ein Schubmaststapler und zwei Niederhubwagen) mit Hilfe von Schwingungsmessungen auf Teststrecken sowie dem Einsatz der Mehrkörpersimulation untersucht. Für die Durchführung der Simulationsexperimente werden umfangreiche Mehrkörpermodelle unter besonderer Einbeziehung des Reifen-Boden-Kontakts sowie des Mensch-Sitz-Systems erstellt und durch Messungen validiert. In zahlreichen Ergebnisdiagrammen aus Messung und Simulation wird der Einfluss der Parameter herausgestellt und dem Anwender verdeutlicht. Es kann somit gezeigt werden, dass eine Bestimmung der Vibrationsbelastung der Fahrer mit Hilfe der Mehrkörpersimulation möglich ist. Eine generelle Übertragbarkeit auf beliebige Flurförderzeuge ist durch die spezifische Gerätekonfiguration jedoch nicht sichergestellt. Es sind weitere Vergleichsmessungen erforderlich. Durch zwei Demonstratoren erfährt der Betreiber von Flurförderzeugen Hilfestellung bei der geforderten Gefährdungsbeurteilung. Zum einen kann mit einer an die Bedürfnisse der Betreiber angepassten Messtechnik die Belastung der Fahrer im Einsatz bestimmt werden. Zum anderen unterstützt ein Planungswerkzeug die Kombination einzelner Arbeitsspiele auf Basis von Messungen und Tabellenwerten unter Berücksichtigung der in den Simulationsexperimenten abgeleiteten Einflussgrößen. So kann dem Anwender auf einfache Art verdeutlicht werden, welche Maßnahmen zielführend bei der Reduktion der Vibrationsexposition der Fahrer sind. III

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7 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen IX 1 Einleitung Wissenschaftlich-technische Problemstellung Forschungsziel und angestrebte Ergebnisse Forschungsziel Angestrebte Forschungsergebnisse Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse Vorgehensweise 5 2 Stand der Technik und Forschung Humanschwingungen Auswirkungen auf die Gesundheit und Sicherheit Messung und Kennwertberechnung Rechtliche Rahmenbedingungen Veröffentlichte Vibrationswerte für Flurförderzeuge Dynamische Simulation von Flurförderzeugen 24 3 Durchführung von Grundlagenversuchen und Analyse der Einsatzbedingungen Untersuchungsspektrum Auswahl der Flurförderzeuge Auswahl der Fahrersitze Fahrbahnoberflächen im Einsatzgebiet der Flurförderzeuge Aufbau der Teststrecke Messtechnik und Datenaufbereitung Ergebnisse Eigenerregung durch Antriebsaggregate Hantieren mit der Ladung Einfluss von Beladungszustand und Fahrgeschwindigkeit Einfluss von Fahrer und Fahrersitz 54 V

8 Inhaltsverzeichnis Bodenunebenheiten 58 4 Modellbildung der untersuchten Flurförderzeuge Mehrkörpersimulation und Simulationsumgebung Mehrkörpersysteme Kinematische Struktur und Bewegungsgleichungen Vorgehen bei der Erstellung von Mehrkörpersystemen Modellierung gemeinsamer Teilkomponenten Reifen Fahrbahn Sitz Fahrer Hubgerüst Lagerung von Kabine, Pendelachse und Standplattform Fahrzeugstruktur Simulationsmodell der Flurförderzeuge Bestimmung von Masse und Schwerpunkt Gegengewichtsgabelstapler Schubmaststapler Niederhubwagen Verifikation und Validierung der Simulationsmodelle Verifikation der Simulationsmodelle Validierung der Simulationsmodelle Teilkomponente Reifen Teilkomponente Fahrer Teilkomponente Sitz Gesamtfahrzeugmodell Abschließende Bewertung Simulationsexperimente Einfluss der Fahrgeschwindigkeit Gegengewichtsgabelstapler EFG 20 und DFG Schubmaststapler EFM VI

9 Inhaltsverzeichnis Niederhubwagen ESU Einfluss des Beladungszustands Einfluss der Fahrbahnoberfläche Schwellen Fugen Regellose Hindernisse Einfluss von Fahrer und Sitz Sonstige Einflüsse Hubhöhe Reifensteifigkeit Abschließende Bewertung Umsetzung der Demonstratoren Messgerät zur Erfassung der Ganzkörper-Vibrationen im Betrieb Verwendete Hard- und Software Bedienung und Handhabung Tagesexpositions-Planungswerkzeug auf Basis von Einzeltätigkeiten Programmentwurf Bedienung Berechnung der Tagesexposition Validierung der Einsetzbarkeit im Unternehmen Zusammenfassung der Forschungsergebnisse und Ausblick Zusammenfassung Nutzen und industrielle Anwendungsmöglichkeiten Ausblick 185 Literaturverzeichnis 187 Abkürzungsverzeichnis 203 Abbildungsverzeichnis 205 Tabellenverzeichnis 221 Anhang A Schadensbilder bei Fahrbahnoberflächen A-1 Anhang B Ergänzende Diagramme Grundlagenversuche B-1 Anhang C Ergänzende Diagramme Simulationsexperimente C-1 VII

10 Inhaltsverzeichnis Anhang D Bedienoberfläche Messgerät D-1 Anhang E Bedienoberfläche Planungswerkzeug E-1 VIII

11 Formelzeichen Zeichen Einheit Bedeutung A(8) / Tagesexposition / Beschleunigung als Funktion der Zeit / Beschleunigung an der Einleitungsstelle in den menschl. Körper / frequenzbewertete Beschleunigung als Funktion der Zeit / gleitender Effektivwert der frequenzbewerteten Beschleunigung, / effektivwert der frequenzbewerteten Beschleunigung für Messstrecke ohne Hindernis / Energieäquivalenter Mittelwert für die Einwirkungsdauer T e / Beurteilungsbeschleunigung, / formaler Effektivwert der frequenzbewerteten Beschleunigung für ein Hindernis, / Effektivwert der frequenzbewerteten Beschleunigung für Messstrecke mit Hindernissen / Beurteilungsbeschleunigung für einen Zeitraum von 8 h / Effektivwert der frequenzbewerteten Beschleunigungen auf dem Schwingtisch / Effektivwert der frequenzbewerteten Beschleunigungen auf dem Sitz / Effektivwert der frequenzbewerteten Beschleunigung, / Bezugsgröße für den normierten Effektivwert der frequenzbewerteten Beschleunigung, / normierter Effektivwert der frequenzbewerteten Beschleunigung Bandfaktor Scheitelfaktor (Crest-Faktor), / Steifigkeit des gesamten Hubgerüsts / Steifigkeit der Hubkette, / Steifigkeit des hinteren Teils der Hubkette IX

12 Formelzeichen, / spezifische Steifigkeit der Hubkette für 1 m langes Kettenstück, / Steifigkeit des vorderen Teils der Hubkette, / Steifigkeit der Hubkette (nur Zugkräfte) / Kontaktsteifigkeit im Führungsspiel, / Federsteifigkeit der mechanischen Sitzfeder, / konstanter Anteil der Sitzfedersteifigkeit, / Federsteifigkeit des oberen Sitz-Gummipuffers, / Steifigkeit des Sitzpolsters, / Federsteifigkeit des unteren Sitz-Gummipuffers, / Sitz-Torsionssteifigkeit um x-achse, / Sitz-Torsionssteifigkeit um y-achse / Steifigkeit eines Hydraulikzylinders, / Faktor zu Anpassung der gewichtsabhängigen Sitzsteifigkeit / Dämpfungskonstante der Hubkette, / maximale Dämpfungskonstante im Kontakt / Dämpfungskonstante des Reifens, / Dämpfungskonstante des Sitz-Dämpfers, / Dämpfungskonstante des oberen Sitz-Gummipuffers, / Dämpfungskonstante des Sitzpolsters, / Dämpfungskonstante des unteren Sitz-Gummipuffers, / Sitz-Torsionsdämpfung um x-achse, / Sitz- Torsionsdämpfung um y-achse / Dämpfungskonstante eines Hydraulikzylinders / Elastizitätsmodul / energieproportionale Beschleunigungsgröße eines Hindernisses Kraftexponent bei Kontaktkraftberechnung Lagerrollenbreite Kraft an der Einleitungsstelle in den menschl. Körper Kraft in der Hubkette Normalkraft zwischen zwei Körpern,, Vorspannkraft der mechanischen Sitzfeder X

13 Formelzeichen, Feder-Dämpfer-Kraft der Sitzfederung,, ü Rückstellkraft der mechanischen Sitzfeder, Rückstellkraft des Sitzpolsters 1/ Fahrbahn-Anregungsfrequenz Anzahl der Freiheitsgrade eines Gelenks Anzahl der unabhängigen verallgemeinerten Freiheitsgrade eines Systems Durchdringung zweier Körper Schwellwert der maximalen Dämpfung im Kontakt Höhenprofil einer Fahrbahnoberfläche Amplitude der Weganregung Bandeffektivwert Korrekturfaktor Wellenlänge einer Unebenheit maximale Wellenlänge der Fahrbahnanregung minimale Wellenlänge der Fahrbahnanregung Bezugsweglänge Einbaulänge der Hubkette scheinbare Masse des menschlichen Körpers / Maximum Transient Vibration Value Gewichtseinstellung am Sitz, mitschwingende Masse des Sitzes Anzahl der Starrkörper Anzahl der Gelenke Faktor zum Ausgleich der mitschwingenden Masse eines Menschen auf dem Sitz Anzahl der Zwangsbedingungen dynamischer Rollradius Sitzübertragungsfaktor Auslenkung der oberen Sitzplatte Arbeitspunkt des Sitzes maximale Auslenkung des Sitzes von höchster zu tiefster Position (mechanische Federung) Längenänderung eines Profilstollens XI

14 Formelzeichen Dauer einer Messung Einwirkungsdauer Referenzzeit Beurteilungsdauer Wegverschiebung des Polsters / Vibration Dose Value / Fahrgeschwindigkeit / Geschwindigkeit an der Einleitungsstelle in den menschl. Körper / maximale Fahrgeschwindigkeit / minimale Fahrgeschwindigkeit Frequenzbewertungskurve Frequenzbewertungskurve Welligkeit Periodenlänge einer Weganregung / mechanische Eingangsimpedanz des menschlichen Körpers Phasenverschiebung Ω 1/ Wegkreisfrequenz Ω 1/ untere Grenze des Frequenzbereichs Ω 1/ obere Grenze des Frequenzbereichs Φ Ω spektrale Leistungsdichte Φ Ω Unebenheitsmaß U Ω 1/ maximale Wegkreisfrequenz Ω 1/ minimale Wegkreisfrequenz Ω 1/ Bezugs-Wegkreisfrequenz Querdehnungszahl / Kreisfrequenz bei harmonischer Weganregung Integrationszeitkonstante des gleit. Effektivwerts damping tread rubber (Relaxationszeit) XII

15 1 Einleitung Hinter dem Begriff Humanschwingungen verbirgt sich ein weites Themenfeld, mit dem der Normalbürger täglich bewusst oder unbewusst konfrontiert wird. Die Einwirkung von mechanischen Schwingungen auf den menschlichen Körper ist allgegenwärtig. Wirken diese dabei auf den gesamten Körper ein, spricht man von Ganzkörper-Vibrationen. Ganzkörper-Vibrationen mindern nicht nur den Komfort, sondern können auch zu Muskel- und Skeletterkrankungen sowie Durchblutungsstörungen führen und stellen somit eine Gefährdung für die Gesundheit und die Sicherheit des Menschen dar. Durch den Vergleich internationaler Studien ist davon auszugehen, dass in Deutschland ca. 1,6 Millionen Beschäftigte, d.h. 3% der Arbeitnehmer, in erheblichem Maße gegenüber Ganzkörper-Vibrationen exponiert sind [Int-89]. Fahrer von Flurförderzeugen zählen zu einer der Berufsgruppen, bei der mit einer erhöhten Belastung zu rechnen ist. Durch die Verabschiedung der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung im Jahre 2007 als Umsetzung der Richtlinie 2002/44/EG durch die Regierung der Bundesrepublik Deutschland werden dementsprechend auch die Betreiber von Flurförderzeugen verstärkt in die Pflicht genommen, einer möglichen Gefährdung der Beschäftigten durch die Einwirkung von Vibrationen entgegenzuwirken. Im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung ist die Belastung der Arbeitnehmer durch Vibrationen, die sogenannte Tagesexposition, zu bestimmen. 1.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung Die Überprüfung der Einhaltung der in der Richtlinie geforderten Grenzwerte für die Schwingungsexposition kann seitens des Betreibers durch repräsentative Messungen erfolgen. Eine derartige Messung ist aufwändig und kann von einem gewöhnlichen kleinen und mittleren Unternehmen mangels nötiger Messtechnik und Knowhow bezüglich einer Schwingungsmessung im Normalfall nicht selbst durchgeführt werden. Dies führt in der Regel dazu, dass die tatsächliche Belastung der Fahrer im Arbeitsalltag unerkannt bleibt und somit einer Gefährdung nicht vorgebeugt werden kann. Eine Alternative zur eigenen Messung stellt die Übernahme von Vibrationsmesswerten desselben Maschinentyps oder derselben Maschinengruppe aus Datenbanken 1

16 1 Einleitung oder Normen dar [Bun-10d]. Im Bereich der Flurförderzeuge war die Verfügbarkeit belastbarer Daten, vor allem zum Zeitpunkt des Inkrafttretens der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung, nicht gegeben und ist auch derzeit noch sehr beschränkt. Lediglich im Bereich des Baustoffgroßhandels liegen mittlerweile Immissionswerte aus Messungen an 26 Fahrzeugen vor. Bei den weiteren in Kapitel beschriebenen Datenbanken wie dem Katalog repräsentativer Lärm- und Vibrationsdaten am Arbeitsplatz (KarLA) des Landesamts für Arbeitsschutz Potsdam [Lan- 09] oder der nicht öffentlich zugänglichen Vibrations-Expositions-Datenbank VIBEX des Instituts für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung [BGI- 09] ist eine Übertragbarkeit der Tabellenwerte auf den eigenen Anwendungsfall mangels fehlender Präzisierung der vorliegenden Randbedingungen nur begrenzt möglich. Erschwerend kommt hinzu, dass die Belastung des Fahrers im Allgemeinen vom Zusammenspiel mehrerer Faktoren wie z.b. dem Arbeitsumfeld, dem Beladungszustand, dem Zustand von Reifen und Sitz sowie dem Aufbau und der Dynamik des Flurförderzeugs abhängt, was in der Fachwelt bereits in mehreren Beiträgen diskutiert wurde [Eic-07; Töd-07]. Eine genauere Spezifizierung des Einflusses der genannten Größen erfolgt hierbei nicht. Werden im Zuge der in der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung geforderten Gefährdungsbeurteilung Grenzwertüberschreitungen festgestellt, steht der Betreiber vor der Fragestellung, wie die Belastung am effektivsten reduziert werden kann. Durch Unkenntnis der erwähnten Zusammenhänge der Einflussfaktoren erschließen sich ihm notwendige Maßnahmen kaum. Es steht somit die Forderung im Raum, die Auswirkungen der Einflussfaktoren auf die Schwingungsbelastung der Fahrer zu quantifizieren und den Betreibern von Flurförderzeugen als Betroffene zu verdeutlichen. Um Messungen im Tagesgeschäft der Unternehmen weitestgehend zu vermeiden, ergibt sich ebenso der Wunsch, die Bestimmung der Schwingungsexposition der Fahrer durch den Einsatz digitaler Werkzeuge zu erleichtern. Hierbei sollte ein möglichst breites Spektrum der sich auf dem Markt befindlichen Flurförderzeuge erfasst werden. Sind Messungen unumgänglich, so entsteht beim Anwender die Forderung nach einem einfach zu bedienenden Messsystem, welches bei der Bestimmung der Belastung der Fahrer gemäß dem in der Lärm- und Vibrations- Arbeitsschutzverordnung geforderten Vorgehen angewendet werden kann. Zum Zeitpunkt des Inkrafttretens der neuen Richtlinie waren solche Messgeräte nur bedingt auf dem Markt verfügbar. 2

17 1.2 Forschungsziel und angestrebte Ergebnisse 1.2 Forschungsziel und angestrebte Ergebnisse Forschungsziel Die genannte Problemstellung wird zum Anlass genommen, das Schwingungsverhalten von Flurförderzeugen unter Einbeziehung von Fahrzeugsitz und Fahrer im Hinblick auf die Thematik der Ganzkörper-Vibrationen durch den Einsatz rechnergestützter Werkzeuge zu untersuchen. Als wissenschaftliches Werkzeug für die Erforschung dieser dynamischen Fragestellung ist hierbei die Mehrkörpersimulation bestens geeignet und soll deswegen Anwendung finden. Die Herausforderung bei der Bestimmung der Fahrerbelastung mit Hilfe der Mehrkörpersimulation liegt besonders darin, den Einfluss einzelner Betriebsparameter, wie z.b. Bodenunebenheiten, Fahrgeschwindigkeit und Beladungszustand, auf das gesamte Schwingungsverhalten der Flurförderzeuge zu erfassen und die im Sinne der Vibrationsbelastung kritischen Parameter zu identifizieren. Die Mehrkörpermodelle sind dabei in einem solchen Detaillierungsgrad zu erstellen, dass die zu untersuchenden Effekte abgebildet werden können. Um die Anzahl notwendiger Messungen im Unternehmen möglichst gering zu halten, soll im Rahmen des Forschungsvorhabens in einem weiteren Schritt der Fragestellung nachgegangen werden, ob die Bestimmung der Tagesexposition durch die Betreiber auf Basis der Simulationsergebnisse durchgeführt werden kann. Hierfür soll ein entsprechendes Werkzeug entwickelt werden, in welchem zum einen die erarbeitete Berechnungssystematik auf Basis der Simulationsergebnisse hinterlegt wird. Zum anderen kann dem Betreiber bei der Gefährdungsbeurteilung geholfen werden, indem er Unterstützung bei der Berechnung der Tagesexposition auf Basis typischer Arbeitsspiele erfährt. Bei der Untersuchung eines neuen Einsatzfalles kann der Betreiber somit auch vorab eine Aussage über die wahrscheinlich auftretende Vibrationsbelastung des Bedieners treffen. Neben der angesprochenen Systematik soll im Rahmen des Forschungsprojekts darüber hinaus ein Demonstrator zur Erfassung der Tagesexposition auf Basis von Messungen entwickelt und aufgebaut werden. Das zu entwickelnde System soll einfach und bedienerfreundlich aufgebaut sein, so dass sich die Tagesexposition schnell ableiten lässt. Zeit- und kostenaufwendige Messungen können auf diese Weise für kleine und mittlere Unternehmen (kmu) reduziert werden, wodurch ebenfalls die innerbetrieblichen Ausfallzeiten gering gehalten werden können. 3

18 1 Einleitung Angestrebte Forschungsergebnisse Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen sowohl die technischen als auch die organisatorischen Voraussetzungen für eine schnelle und einfache Überprüfung der Einhaltung der Grenzwerte für Ganzkörper-Vibrationen beim Betrieb von Flurförderzeugen gemäß der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung geschaffen werden. Es soll hierbei durch den Einsatz der Mehrkörpersimulation vor allem der Einfluss unterschiedlicher Parameter wie Beladungszustand, Fahrgeschwindigkeit oder Fahrbahnbeschaffenheit systematisch herausgearbeitet und abschließend überprüft werden, ob die Tagesexposition der Fahrer auf Basis der Simulation bestimmt werden kann und mit welcher Unsicherheit die ermittelten Werte belegt sind. Zu diesem Zweck soll zum einen eine Systematik entwickelt werden, mit deren Hilfe der Transportprozess sowie das Arbeitsspiel in seine Teilbereiche und Ereignisse auf gespaltet und die zu erwartende Tagesexposition aus einer gemeinsamen Bewertung der Einzelbelastungen abgeleitet werden kann. Zum anderen soll für eine flächendeckende Überprüfung der Vibrationsbelastung der Bediener von Flurförderzeugen ein geeigneter Demonstrator konzipiert werden, mit dessen Hilfe die Betreiber, vor allem kmu, bei der Durchführung notwendiger Messungen unterstützt werden. Des Weiteren sollen die Untersuchungen Aufschluss über die Auswirkungen falsch eingestellter Sitze auf die Schwingungsbelastung des Bedieners während des Betriebs aufzeigen und damit den direkten Zusammenhang zwischen Sitzeinstellung und dem hieraus drohenden Gefahrenpotenzial verdeutlichen Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse Bislang existiert keine systematische Untersuchung der Einflussfaktoren auf die Belastung der Fahrer durch Ganzkörper-Vibrationen beim Betrieb von Flurförderzeugen. Die hier vorgesehene Untersuchung unter Einsatz der Simulationstechnik gestattet es, eine Vielzahl an Einflussparametern zu variieren. Durch die Abbildung der gesamten Übertragungskette, angefangen vom Rad-Boden-Kontakt über die Modellierung des Schwingungssystems Flurförderzeug bis hin zur Mensch-Maschine- Schnittstelle, kann der Einfluss der verschiedenen Parameter auf die Tagesexposition für den Bediener erarbeitet werden. Im Gegensatz zu exemplarischen Messungen ist beim Einsatz der Simulation davon auszugehen, dass die große Zahl an Simulationsergebnissen Aufschluss darüber 4

19 1.3 Vorgehensweise gibt, wie sich die entsprechenden Parameter auf die Schwingungsbelastung des Bedieners auswirken. Dies kann zu einem Verfahren zur Abschätzung der Schwingungsbelastung in Abhängigkeit der Betriebsparameter führen. Durch die wissenschaftliche Ermittlung eines solchen Verfahrens kann der Arbeitgeber hinsichtlich der Durchführung umfangreicher Messungen entlastet werden und kann anhand eines einfachen Bewertungsschemas entsprechend seiner Betriebsparameter sehr leicht Schwachstellen im gesamten Prozess hinsichtlich der Vibrationsbelastung des Bedieners erkennen und gegebenenfalls notwendig werdende Modifikationen vorsehen und in die Realität umsetzen. Neben der Hilfestellung bei der Bewertung bereits vorhandener Anlagen kann dieses Verfahren darüber hinaus als Einschätzungsgrundlage für die Realisierung neuer Anlagen dienen, da auf diese Weise bereits in einer frühen Phase die Einhaltung des zulässigen Expositionsgrenzwertes hinsichtlich der Vibrationsbelastungen überprüft werden kann. Im Sinne organisatorischer Schutzmaßnahmen können aus den gewonnenen Ergebnissen Maßnahmen und Vorgehensweisen erstellt werden, welche in die Erstellung eines Vibrationsminderungsprogramms mit einfließen. 1.3 Vorgehensweise Die Bearbeitung des Forschungsvorhabends erfolgt auf Basis von sieben aufeinander abgestimmten Arbeitspaketen. Durch den begrenzten zeitlichen Rahmen erfolgt teilweise eine parallele Bearbeitung folgend genannter Arbeitspakete. So erfordert z.b. die Durchführung von Messungen auf der Teststrecke des Lehrstuhls gute Witterungsbedingungen, so dass diese Messungen in der Zeit Frühjahr bis Herbst des Bearbeitungszeitraums durchgeführt werden. In Klammern findet sich der Verweis auf die Kapitel des Berichts, welche die Ergebnisse der Arbeitspakete behandeln. AP 1: Analyse der Einflussfaktoren auf die Tagesexposition des Arbeitnehmers Im Rahmen dieses Arbeitspaketes gilt es, die wesentlichen Unterscheidungskriterien der Flurförderzeuge, d.h. konstruktiver Aufbau samt Fahrwerk, Rüstzustand und Ausstattungsmerkmale wie etwa die Sitzkonstruktion und das Tätigkeitsfeld des Arbeitnehmers, zu erfassen und auf Basis dieser entsprechende Fahrzeuge für die Untersuchungen auszusuchen und das Untersuchungsspektrum für die Mehrkörpersimulationsexperimente abzuleiten. Mit Hilfe von Grundlagenversuchen können erste 5

20 1 Einleitung Aussagen hinsichtlich des Einflusses unterschiedlicher Parameter getroffen werden. (Kapitel 3) AP 2: Abstraktion und Erstellung dreidimensionaler Mehrkörpermodelle Bei der Generierung der Mehrkörpermodelle ist die Tauglichkeit für die Untersuchung der auftretenden Vibrationen und für die Bestimmung der Ganzkörper- Vibrationen zu berücksichtigen. Entsprechende Teillösungen aus dem Stand der Technik sind zu recherchieren und auf die vorliegende Problemstellung zu übertragen sowie alternative Konzepte für die Abbildung der Flurförderzeuge zu erarbeiten. (Kapitel 4) AP 3: Implementierung als Rechnermodell (Simulationsmodell) Unter Verwendung eines geeigneten Mehrkörpersimulationsprogramms werden die erarbeiteten Modelle im Rechner implementiert. Dabei ist auf Modularität und Nachvollziehbarkeit zu achten. Neben der Berücksichtigung des jeweiligen Rüstzustandes des Flurförderzeugs ist auf eine realitätsgetreue Abbildung der elementaren Schnittstellen (Maschine-Boden-Kontakt, Mensch-Maschine-Schnittstelle) besonders zu achten. (Kapitel 4) AP 4: Verifikation und Validierung der Modelle durch Messungen In der anschließenden Testphase gibt ein Vergleich zwischen Messergebnissen am realen Fahrzeug und den berechneten Simulationsergebnissen Aufschluss über die Qualität der Modelle. Durch ein iteratives Vorgehen ist die Qualität der Mehrkörpermodelle gegebenenfalls soweit zu verbessern, dass die Übertragbarkeit auf die Realität gewährleistet ist. Messungen am entsprechenden Gerät stehen durch die Versuche aus AP 1 zur Verfügung. (Kapitel 5) AP 5: Simulation und Ableitung von Aussagen hinsichtlich der Ganzkörper- Vibrationen An den validierten Simulationsmodellen werden gemäß der unter AP 1 vorgenommenen Klassifizierung Untersuchungen durchgeführt. Die hieraus gewonnenen Ergebnisse zeigen die Wechselwirkungen der verschiedenen Einflussfaktoren auf die Ganzkörpervibrationen auf. Diese Daten dienen als Grundlage für die Aussage, ob eine Bestimmung der Tagesexposition mittels der Mehrkörpersimulation durchführbar ist. Ebenso finden die Ergebnisse Einfluss in die Ableitung einer Systematik, mit deren Hilfe Aussagen über die zu erwartende Tagesexposition in Abhängigkeit der Gerätekonfiguration und des Einsatzfalls getroffen werden können. (Kapitel 6) 6

21 1.3 Vorgehensweise AP 6: Entwicklung der Demonstratoren Unter Zuhilfenahme der gewonnenen Ergebnisse soll ein Demonstrator für eine praxistaugliche messtechnische Überprüfung der Belastungsfälle entwickelt werden. Die Anforderung hierbei liegt vor allem an der Umsetzung eines einfach zu handhabenden Messgerätes. Des Weiteren sind die erarbeiteten Zusammenhänge der Einflussfaktoren in einer geeigneten Form darzustellen und zu hinterlegen, dass sie von einem Anwender bei Abschätzung der Tagesexposition leicht eingesetzt werden können. (Kapitel 7.1, Kapitel Kapitel 7.2) AP 7: Validierung des Verfahrens anhand von Anwendungen/Dokumentation Beispielhafte Einsatzszenarien aus dem Arbeitsumfeld von kmus sollen durch Erhebung von Messdaten die Anwendbarkeit der erarbeiteten Demonstratoren belegen (Kapitel 7.3). Die Ergebnisse der Untersuchungen und die Erkenntnisse werden ausführlich dokumentiert. 7

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23 2 Stand der Technik und Forschung 2.1 Humanschwingungen Wirken mechanische Schwingungen (Vibrationen, Stöße oder Erschütterungen) von außen auf den Menschen ein, so spricht man umgangssprachlich von Humanschwingungen. Humanschwingungen können bei Arbeiten an Maschinen oder in Fahrzeugen auftreten. In Abhängigkeit der durch die Vibrationen belasteten Körperstelle wird in der Fachterminologie eine Unterteilung getroffen zwischen: Hand-Arm-Vibrationen (HAV) Ganzkörper-Vibrationen (GKV) Unter Hand-Arm-Vibrationen sind mechanische Schwingungen im Frequenzbereich zwischen Hz zu verstehen, welche bei Übertragung auf das Hand-Arm- System des Menschen Gefährdungen für die Gesundheit und Sicherheit verursachen oder verursachen können. Zu nennen sind dabei vor allem Knochen- oder Gelenkschäden, Durchblutungsstörungen und neurologische Erkrankungen. Hand- Arm-Vibrationen treten beispielsweise bei Arbeiten mit handgehaltenen oder handgeführten Arbeitsgeräten mit rotierenden oder oszillierenden Teilen, handgehaltenen schwingenden Bedienelementen oder Geräten mit Einzelauslösung (z. B. Nagler, Bolzensetzer) auf. [Bun-10d] Im Gegensatz dazu bezeichnet man als Ganzkörper-Vibrationen mechanische Schwingungen im Frequenzbereich zwischen 0,1 80 Hz, die bei Übertragung auf den gesamten Körper Gefährdungen für die Gesundheit und Sicherheit verursachen oder verursachen können. Die bedeutendsten Gefährdungen sind das Auftreten von Rückenschmerzen und eine Schädigung der Wirbelsäule. Beim stehenden Bediener wirken Ganzkörper-Vibrationen über die Füße, beim sitzenden Bediener über das Gesäß, die Füße und den Rücken und beim liegenden Menschen über die Auflagefläche auf den gesamten Körper ein. Ganzkörper-Vibrationen treten bei Fahrzeugen und selbstfahrenden Maschinen (z.b. Flurförderzeuge, Erdbaumaschinen) oder Maschinen mit großer Unwucht oder Schlagenergie (z. B. Schmiedehämmer) auf. Während der Frequenzbereich von 0,1 0,5 Hz für Kinetosen (Bewegungs- oder Seekrankheit) ausschlaggebend ist, ist der Frequenzbereich von 0,5-80 Hz für die Bereiche Gesundheit, Komfort und Wahrnehmung von Bedeutung. [Bun-10d] 9

24 2 Stand der Technik und Forschung Bei der Beurteilung der Schwingungseinwirkung auf den Menschen ist zwischen der auftretenden Belastung als Gesamtheit der äußeren Bedingungen und Anforderungen in dessen Umgebung und der daraus resultierenden Beanspruchung in Abhängigkeit seiner individuellen Eigenschaften zu unterscheiden. Die Beanspruchung wird nach den Kriterien Wohlbefinden, Leistungsfähigkeit und Gesundheit in drei Bereiche unterteilt. Gegenstand der Untersuchungen in diesem Forschungsprojekt und den weiteren Ausführungen ist die Belastung des Menschen durch Ganzkörper-Vibrationen und die Beanspruchung der Gesundheit in Folge dieser Auswirkungen auf die Gesundheit und Sicherheit Exakte Angaben über die Zahl der durch Vibrationen belasteten Beschäftigten sind nicht verfügbar. Durch Abschätzen kann jedoch davon ausgegangen werden, dass in Europa circa 4 7 % der Beschäftigten gegenüber Ganzkörper-Vibrationen exponiert sind [Int-89]. Für Deutschland wären dies ca. 1,6 Millionen Beschäftigte. Auf Basis einer von der Health and Safety Executive in Auftrag gegebenen Studie in Großbritannien im Jahr 1998 [Hea-99a, Hea-99b] kann Mohr unter Verwendung der statistischen Erhebungen des Mikrozensuses 2001 [Sta-02] aktuellere Exponiertenzahlen ableiten, welche allerdings auch die Fahrt mit einem Verkehrsmittel zur und von der Arbeit berücksichtigen (Tabelle 2-1) [Moh-03]. Tabelle 2-1: geschätzte Exponiertenzahlen auf der Basis des Mikrozensus 2001 und der Exponiertenraten in Großbritannien 1998 für Deutschland nach [Moh-03] Deutschland Männlich Weiblich Erwerbstätige (100,0 %) (100,0 %) (100,0 %) Exponierte gegenüber Ganzkörper-Vibrationen (40,8 %) (57,2 %) (19,9 %) GKV > Expositionsgrenzwert (3,0 %) (5,1 %) (0,3%) Seit einigen Jahren sind neben der durchaus positiven Wirkung von Schwingungen wie z. B. beim Wiegen eines Kindes in den Schlaf auch negative Auswirkungen bekannt [Dup-84]. Zu nennen ist die Beeinträchtigung des Wohlbefindens und der Leistung sowie momentane und bleibende Schädigungen der Gesundheit. Die Auswirkungen von Vibrationen auf die Gesundheit und Sicherheit können dabei mittelbarer oder unmittelbarer Natur sein. Als Beispiel für die mittelbaren oder auch indi- 10

25 2.1 Humanschwingungen rekten Auswirkungen ist die Störung der Erfassung von Warnsignalen wie z.b. von Anzeigeinstrumenten anzuführen. Bei den unmittelbaren oder direkten Auswirkungen ist eine Unterscheidung zwischen akuten und chronischen Wirkungen von Vibrationen zu treffen. Im Bereich der Ganzkörper-Vibrationen werden interindividuell große biologische Abweichungen bei den unmittelbaren Auswirkungen verzeichnet. Zum einen können Ganzkörper- Vibrationen das allgemeine Wohlbefinden stören als auch die menschliche Leistungsfähigkeit beeinflussen. Zum anderen können in Folge von Ganzkörper- Vibrationen schmerzhafte Muskelverspannungen, Verdauungsstörungen, Störungen der peripheren Durchblutung oder Funktionsstörungen der weiblichen Fortpflanzungsorgane auftreten. Weiterhin beobachtbar sind biomechanische und physiologische Reaktionen wie die Änderung von Pulsfrequenz und Blutdruck. [Bun-10d] Liegt eine langjährige Einwirkung von Ganzkörper-Vibrationen vor, so sind Rückenschmerzen, ein verstärkter Verschleiß der Wirbelsäule und in deren Folge neurologische Ausfälle der unteren Gliedmaße als chronische Auswirkungen möglich [Bov-99; Dup-84; Sch-98; Sei-86]. Bandscheibenbedingte Erkrankungen der Lendenwirbelsäule durch langjährige, vorwiegend vertikale Einwirkung von Ganzkörper- Vibrationen im Sitzen werden als Berufskrankheit 2110 geführt [Bun-09; Dup-94]. Im Jahre 2008 wurden in Deutschland von 304 angezeigten Verdachtsfällen 13 anerkannt [Bun-10a]. Gleichzeitig sind Wechsel- und Kombinationswirkungen zu beachten, welche die Auswirkungen verstärken können. So kann eine vorgebeugte oder verdrehte Körperhaltung Wirbelsäulenschäden in Folge von Ganzkörper-Vibrationen begünstigen. [Bun-10d] Messung und Kennwertberechnung Um die Belastung des Menschen durch Exposition gegenüber Ganzkörper- Vibrationen zu bestimmen, sind genormte Bewertungsmethoden und Messverfahren erforderlich. Allgemeine Anforderungen an Messung und Bewertung sind in ISO geregelt [ISO2631]. Eine praxisgerechte Anleitung zur Bewertung der Einwirkung von Ganzkörper-Vibrationen am Arbeitsplatz bietet die DIN EN [DIN EN14253], welche das Augenmerk auf die Durchführung der Messung legt. Eine Behandlung der Thematik bezüglich Ganzkörper-Vibrationen findet der Anwender auch in der VDI 2057 Blatt 1 [VDI2057]. In folgenden Ausführungen werden zuerst die Grundlagen zur messtechnischen Erfassung der Ganzkörper-Vibrationen nach DIN EN vorgestellt, um darauf aufbauend die Kennwerte nach ISO und 11

26 2 Stand der Technik und Forschung VDI abzuleiten und die im deutschen Sprachgebrauch bekannte Tagesexposition A(8) als Kenngröße für die Beanspruchung der Gesundheit über einen Arbeitstag von acht Stunden einzuführen Messung der Ganzkörper-Vibrationen Im Idealfall wird die Tages-Schwingungsbelastung kontinuierlich über den Arbeitstag gemessen. Da dies in der Praxis oft nicht durchführbar ist, sind geeignete Zeitabschnitte zu bestimmen. Dauer und Anzahl sind so zu wählen, dass ein repräsentativer Schwingungswert ermittelt werden kann. Als Mindestdauer sind aus statistischen Gründen drei Minuten anzusetzen [DIN EN14253]. Neben der Dauer der Messung T ist ebenso die Einwirkungsdauer T e 24 h zu bestimmen, in welcher der Arbeitnehmer gegenüber den gemessenen Vibrationen exponiert ist. Hierbei können unterschiedliche Verfahren wie Verwendung einer Stoppuhr, Auswertung von Videoaufnahmen oder Methoden der Arbeitserfassung zur Anwendung kommen. Während kurze Schwingungsunterbrechungen in der akuten Belastung eingeschlossen sind, werden längere schwingungsfreie Zeiten nicht mit einbezogen [VDI2057]. Im Normalfall ist die Einwirkungsdauer T e nicht mit der Einsatzzeit auf einer Maschine gleichzusetzen. Abbildung 2-1 verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der Einwirkungsdauer T e, der Einsatzzeit auf einer Maschine und dem Arbeitstag mit einer Schicht von acht Stunden. Abbildung 2-1: Zusammensetzung von Arbeitstag, Einsatzzeit und Einwirkungsdauer Einen Hinweis über die Verteilung von Fahrt- und Stillstandzeiten findet sich in der DIN EN Dort werden die Betriebszustände Heben (ca. 15 %), Leerlauf (58 %) und Fahren (27 %) unterschieden. Der Betriebszustand Leerlauf mit dem größten Zeitanteil umfasst auch das Senken, Neigen und langsame Hantieren der Last. [DIN EN12053] Zur Messung der Vibrationen sind in der Regel Beschleunigungsaufnehmer zu verwenden. Diese müssen in der Lage sein, die höchsten zu erwartenden Schwingungsamplituden zu verarbeiten und einen ausreichenden Messbereich für tiefe Frequenzen aufweisen. Die Beschleunigungsnehmer sind so anzuordnen, dass sie die Vibrationen an der Schnittstelle zwischen Mensch und Schwingungsquelle erfas- 12

27 2.1 Humanschwingungen sen. Dementsprechend hat die Messung bei sitzenden Personen auf dem Sitz und bei stehenden Personen auf der Standfläche zu erfolgen. Bei weichen und gepolsterten Sitzen ist der Beschleunigungsaufnehmer in eine halbelastische Sitzscheibe nach DIN EN [DIN EN30326] zu integrieren (Abbildung 2-2). Abbildung 2-2: triaxialer Beschleunigungsaufnehmer in halbelastischer Messscheibe (Quelle: Metra Mess- und Frequenztechnik, [DIN EN30326]) Bei stehenden Personen sind die Beschleunigungsaufnehmer dicht neben der Stelle des Kontaktes zwischen Fuß und Unterlage zu messen. Ist die Standfläche mit einer elastischen Schicht versehen, kann die Messung der Beschleunigung auf einer starren Platte erfolgen, wobei die Person auf der Platte zu stehen hat. Bei der Messung sind Situationen zu vermeiden, in denen der Benutzer den Kontakt mit dem Beschleunigungsaufnehmer verliert, da sonst nicht die Beschleunigungen gemessen werden, die die Person erfährt. Ebenso können durch Platznehmen auf dem Sitz hohe Beschleunigungen eingeleitet werden, welche das Messergebnis verfälschen. [DIN EN14253] Grundlegende Anforderungen an die Mess- und Analysiergeräte werden in der EN ISO 8041 definiert [DIN EN ISO8041] Kennwerte Die Schwingungskennwerte werden nach erfolgter Messung einzeln für die drei Koordinatenachsen ermittelt. Grundlage ist hierbei das biodynamische Koordinatensystem des menschlichen Körpers aus Abbildung 2-3 für stehende und sitzende Positionen. Als grundlegende Bewertungsmethode dient die Berechnung des Effektivwerts der frequenzbewerteten Beschleunigung [ISO2631]. Da nicht alle Frequenzen einer mechanischen Schwingung beim Menschen eine gleiche Beanspruchung hervorrufen, ist das gemessene Beschleunigungssignal a(t) einer Frequenzbewertung zu unterziehen. Hierbei wird das Signal entsprechend der frequenzabhängigen Beanspruchung gewichtet und in seiner Bandbreite begrenzt. 13

28 2 Stand der Technik und Forschung Abbildung 2-3: Biodynamisches Koordinatensystem des menschlichen Körpers für sitzende (links) und stehende (rechts) Position nach [VDI2057] Bei Betrachtung des Beanspruchungskriteriums Gesundheit ist beim sitzenden Bediener für die x- und y-achse die Frequenzbewertungskurve W d und für die z-achse die Frequenzbewertungskurve W k zu verwenden (Abbildung 2-4). Diese Bewertungsfunktionen stellen einen Kompromiss dar, so dass von zahlreichen Forschern mittlerweile alternative Bewertungsfunktionen, z.b. auf Basis von Frequenz und Amplitude [Gri-10], oder alternative Verfahren, wie z. B. eine kraftbezogene Bewertung [Fri-07], gefordert werden. Seidel et. al. können mittels individualisierter Finite- Elemente-Modelle des sitzenden Menschen aufzeigen, dass die W K -Bewertung in z-richtung unterhalb einer Anregung von 5 Hz die Wirkung auf die Gesundheit unterschätzt und oberhalb von 5 Hz eher überschätzt [Sei-04]. Für den stehenden Bediener wird in den entsprechenden Normen [VDI2057; ISO2631] keine Aussage getroffen. Im Rahmen der Untersuchungen werden für die stehende Person dieselben Bewertungskurven verwendet wie für die sitzende Person, da diese laut Norm auch für das Beanspruchungskriterium Wohlbefinden anzuwenden sind. Eine mathematische Definition der Frequenzbewertungskurven findet sich in ISO Anhang A. 14

29 2.1 Humanschwingungen Frequenzbewertung [db] W k Wk WWd d -80 0, Frequenz [Hz] Abbildung 2-4: Frequenzbewertungskurven W d und W k [ISO2631] Der Effektivwert a wt der frequenzbewerteten Beschleunigung a w (t) ist gleichbedeutend mit dem quadratischen bzw. energieäquivalenten Mittelwert und ist definiert als 1 (2-1) frequenzbewertete Beschleunigung als Funktion der Zeit Dauer der Messung Unter der Voraussetzung, dass das in der Zeit T gemessene Beschleunigungssignal repräsentativ für die Belastung während der Einwirkungszeit T e ist, wird der Effektivwert der frequenzbewerteten Beschleunigung a wt im Folgenden als energieäquivalenter Mittelwert a we für die Einwirkungsdauer T e bezeichnet. Setzt sich die Einwirkungsdauer T e aus n Belastungsabschnitten T i zusammen, so berechnet sich a we zu: 1, (2-2) mit Um die Belastung bzw. Beanspruchung von Personen mit Grenzwerten oder untereinander vergleichen zu können, ist die Beurteilungsbeschleunigung a w0 als Gesamtbelastung für die Beurteilungsdauer T 0 zu bestimmen. Unter der Annahme, 15

30 2 Stand der Technik und Forschung dass die Wirkungen energieproportional sind, werden zwei Einwirkungen als äquivalent bezeichnet, wenn gilt: (2-3) Auf Basis dieser Energieäquivalenz errechnet sich die Beurteilungsbeschleunigung a w0 zu: (2-4) Bei mehreren Belastungsabschnitten n kann die Beurteilungsbeschleunigung a w0 analog zu (2-2) aus den zugehörigen frequenzbewerteten Beschleunigungen wie folgt berechnet werden. 1, (2-5) Für eine Arbeitsschicht von acht Stunden (T 0 = 8 h) ergibt sich a w0 zu a w(8). Bei der letztlichen Ermittlung der Beanspruchung des Menschen sowie deren Beurteilung nach dem Kriterium gesundheitlicher Auswirkungen sind die ermittelten Beurteilungsbeschleunigungen a w0 mit Korrekturfaktoren k in Abhängigkeit der Schwingungsrichtung zu multiplizieren. Der Kennwert für die Beurteilung der Beanspruchung des Menschen durch Vibrationen hinsichtlich der Gesundheit wird in Deutschland als Tagesexposition A(8) [Bun-07b] bezeichnet und ergibt sich zu 8 (2-6) Die Tagesexposition A(8) ist für die drei Schwingungsrichtungen x, y und z zu bestimmen (vgl. Abbildung 2-3), wobei für die Korrekturfaktoren k x = k y = 1,4 und k z = 1,0 gilt, und kann mit Grenzwerten verglichen werden, welche im nächsten Kapitel eingeführt werden. Die beschriebene grundlegende Bewertungsmethode kann jedoch bei starken Stößen oder transienten Schwingungen die Auswirkungen der Schwingungen unterschätzen. Als Kriterium für die Anwendbarkeit der grundlegenden Bewertungsmethode dient der Scheitelfaktor C F, auch Crest-Faktor genannt, welcher als ganzzahliger Teil des Verhältnisses des Spitzenwertes des frequenzbewerteten Beschleunigungssignals zu seinem Effektivwert definiert ist [DIN1311]. max (2-7) 16

31 2.1 Humanschwingungen Für Schwingungen mit einem Scheitelfaktor C F gleich oder kleiner 9 ist die grundlegende Bewertungsmethode normalerweise ausreichend [ISO2631]. Ansonsten ist eine der nachfolgend genannten Methoden anzuwenden. Die Gleitende-Effektivwert-Methode berücksichtigt gelegentliche Stöße und transiente Schwingungen durch die Wahl einer kurzen Integrationszeitkonstante τ bei der Berechnung des gleitenden Effektivwerts a w (t 0 ). 1 (2-8) Eine allgemeingültige Festlegung für den Wert der Integrationszeitkonstanten τ kann aktuell nicht getroffen werden. Als Schwingungsgröße dient der Maximalwert des gleitenden Effektivwertes MTVV (Maximum Transient Vibration Value). Bei dessen Bestimmung wird eine Wahl von τ = 1 s empfohlen [ISO2631]. max (2-9) Eine weitere Methode ist die Vierte-Potenz-Methode, welche durch die Wahl der vierten anstatt der zweiten Potenz als Basis der Mittelung für den Beschleunigungs- Zeit-Verlauf für Spitzen empfindlicher ist als die grundlegende Bewertungsmethode. Die Schwingungsdosis der Vierten-Potenz-Methode VDV (Vibration Dose Value) wird mit der Messdauer T definiert als: (2-10) Aus Erfahrung ist bekannt, dass die Verwendung zusätzlicher Bewertungsmethoden für die Auswirkungen der Schwingungen auf den Menschen im Hinblick auf Gesundheit oder Wohlbefinden erforderlich ist, wenn folgende Verhältnisse überschritten sind [ISO2631]: 1,5 (2-11) 1,75 (2-12) 17

32 2 Stand der Technik und Forschung Rechtliche Rahmenbedingungen Bereits das Arbeitsschutzgesetz aus dem Jahre 1996 verpflichtet die Arbeitgeber, eine Gefährdungsbeurteilung auch unter Berücksichtigung von Vibrationen gemäß dem Stand der Technik durchzuführen [Bun-96]. Konkrete Angaben zu Belastungsgrenzwerten werden dabei jedoch nicht genannt. Dies ändert sich, als im Jahre 2002 das Europäische Parlament die Richtlinie 2002/44/EG über Mindestvorschriften zum Schutz von Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer vor der Gefährdung durch physikalische Einwirkungen (Vibrationen) erlässt [Eur-02]. Eine Umsetzung in deutsches Recht erfolgt 2007 mit der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung (LärmVibrationsArbSchV) [Bun-07b], die den Arbeitgeber verpflichtet, eine Gefährdungsbeurteilung und deren Dokumentation nach inhaltlichen und formalen Vorgaben durchzuführen und entsprechende Maßnahmen abzuleiten, falls eine zu hohe Vibrationsbelastung vorliegt. Um Rechtssicherheit für den Arbeitgeber in dieser neuen Situation zur Verfügung zu stellen, gibt das Bundesministerium für Arbeit und Soziales im Jahre 2010 die Technischen Regeln zur Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung (TRLV Vibrationen) bekannt, welche den Stand der Technik, Arbeitsmedizin und Arbeitshygiene wiedergeben [Bun-10d]. Durch die Vermutungswirkung kann der Arbeitgeber bei Anwendung der technischen Regeln davon ausgehen, die entsprechenden Arbeitsschutzvorschriften einzuhalten. Die Gefährdungsbeurteilung umfasst nach den TRLV Vibrationen folgende Schritte [Bun-10d]: 1. Festlegen der zu beurteilenden Arbeitsbereiche und Tätigkeiten 2. Ermitteln der Gefährdungen 3. Beurteilen der Gefährdungen 4. Festlegen konkreter Arbeitsschutzmaßnahmen 5. Durchführung der Maßnahmen 6. Überprüfen der Wirksamkeit der Maßnahmen 7. Fortschreiben der Gefährdungsbeurteilung Bei der Beurteilung der Gefährdung sind die in der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung genannten Grenzwerte heranzuziehen. Hierbei ist zwischen dem Auslösewert und dem Expositionsgrenzwert zu unterscheiden. Werte und zu ergreifende Maßnahmen können Abbildung 2-5 entnommen werden. Die Beurteilung hat für jede der Raumachsen (x, y, z) getrennt zu erfolgen. 18

33 2.1 Humanschwingungen Expositionsgrenzwert vertikal: A(8) = 0,8 m/s 2 horizontal: A(8) = 1,15 m/s 2 Bei Feststellung Sofortmaßnahmen Arbeitsmedizinische Pflichtuntersuchungen G46 Programm technischer/organisatorischer Maßnahmen Unterrichtung und Unterweisung der Beschäftigten allg. arbeitsmed. Beratung Auslösewert vertikal: A(8) = 0,5 m/s 2 horizontal: A(8) = 0,5 m/s 2 Angebot arbeitsmedizinischer Vorsorgeuntersuchungen Stand der Technik und mittelbare Gefährdungen beachten Abbildung 2-5: Forderungen zu Ganzkörper-Vibrationen nach [Bun-07b; Bun-10d] Für die im Kapitel genannten zusätzlichen Bewertungsmethoden sind in der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung keine Grenzwerte definiert Veröffentlichte Vibrationswerte für Flurförderzeuge Eine erste Abschätzung der Vibrationsbelastung kann durch den Vergleich mit Werten aus Datenbanken vollzogen werden. Hier stehen dem interessierten Anwender mehrere Möglichkeiten der Informationsbeschaffung für Ganzkörper-Vibrationen offen, welche nachfolgend mit Fokus auf Flurförderzeuge erläutert werden sollen. Prinzipiell sind stets Vibrationsdaten des vorliegenden Arbeitsplatzes für die Gefährdungsbeurteilung heranzuziehen, bevor auf Werte aus Datenbanken zurückgegriffen wird. [Bun-10d] Hersteller von Flurförderzeugen sind nach der Maschinenrichtlinie zur Angabe eines Schwingungsemissionswerts verpflichtet. Um eine Vergleichbarkeit dieser Schwingungskennwerte sicherzustellen, definiert die DIN EN ein Verfahren zur Messung der Vibrationsbelastung im Betriebszustand Fahren [DIN EN13059]. In Abhängigkeit von der Fahrzeugbauart, der Reifenart und des mittleren Raddurchmessers werden Fahrgeschwindigkeit und Abmessungen der Teststrecke vorgegeben (Abbildung 3-8). Dieser Kennwert lässt jedoch keine Aussage über die Belastung des Fahrers im täglichen Einsatz zu, da diese von den dort herrschenden Einsatzbedingungen abhängt. 19

34 2 Stand der Technik und Forschung Die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin stellt im Rahmen der Technischen Regeln zur Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung branchenbezogene Gefährdungstabellen in Form von Immissionswerten und orientierenden Vibrationswerten zur Verfügung. Immissionswerte sind unter typischen Betriebsbedingungen gemäß dem Stand der Technik an vergleichbaren Arbeitsmitteln und unter vergleichbaren Einsatzbedingungen gemessene Vibrationswerte [Bun-10d]. Diese stehen aktuell für Baumaschinen und Flurförderzeuge zur Verfügung [Bun-10b]. Während im Bereich der Erdbaumaschinen und des Straßenbaus durch die Technische Spezifikation CEN/TS [DIN CEN/TS15730] als Übernahme des technischen Berichts ISO/TR auf eine breite Datenbasis zurückgegriffen werden kann, sind belastbare Vergleichswerte bei Flurförderzeugen und Kranen spärlich gesät. Hier existieren lediglich Messungen von Schäfer et. al. mit insgesamt 150 Datensätzen bei Gabelstaplern im Baustoffgroßhandel, Portalstaplern und Portalkranen im Hafenumschlag sowie Mobilbaggern im Schrotthandel, welche in die Immissionswerttabellen übernommen sind [Sch-07b]. Damit ist bei Flurförderzeugen nur der Einsatz von Gegengewichtsgabelstaplern im Baustoffgroßhandel durch belastbare Werte abgedeckt (Abbildung 2-6). 14 Anzahl der Messungen Tagesexposition A(8) [m/s 2 ] Abbildung 2-6: Häufigkeitsverteilung des Tagesexposition A(8) für die messtechnisch erfassten Gabelstapler-Fahrer im Baustoffgroßhandel nach [Sch-07b] Bei den in den Jahren 1988 bis 2003 messtechnisch erfassten 26 Gabelstaplern handelt es sich um Gabelstapler diverser Hersteller mit Tragfähigkeiten zwischen 1,5 und 3,5 Tonnen, wobei in 21 Fällen Gabelstapler mit Dieselmotoren zum Einsatz kamen. Die Messdauer der Einzelmessungen beträgt zwischen 35 und 144 Minuten bei einer gesamten Messdauer von etwa 37 Stunden. [Sch-07b] 20

35 2.1 Humanschwingungen Orientierungswerte für Ganzkörper-Vibrationen [Bun-10c] können z.b. durch Messungen mit einfachen Dosimetern an den vorhandenen Arbeitsmitteln und unter den konkret vorliegenden Bedingungen im Betrieb ermittelt werden [Bun-10d]. Unter Dosimetern sind vereinfachte Messgeräte zu verstehen, die trotzdem den in den TRLV Vibrationen Teil 2 beschriebenen Anforderungen an Messeinrichtungen genügen. Im Gegensatz zu den branchenbezogenen Immissionswerten ist die Beschreibung der vorliegenden Betriebsbedingungen allgemeingültiger gehalten, so dass eine gesicherte Übertragbarkeit auf den eigenen Anwendungsfall nicht immer gegeben ist. Bei Flurförderzeugen kann der Anwender auf Angaben für Gabelstapler, Portalstapler und Schubmaststapler zurückgreifen (Tabelle 2-2). Tabelle 2-2: Orientierungswerte für die Gefährdungsbeurteilung bei Ganzkörper-Vibrationen nach [Bun-10c] Gerät- oder Maschinenart Gabelstapler Portalstapler Schubmast-, Regal-, Vierwegestapler Tätigkeit / Bemerkung Fahrbahn glatt/eben Fahrbahn normal/ leicht uneben Fahrbahn uneben/ beschädigt unspezifiziert unspezifiziert Belastungsstufe a wx a wy a wz T Ausl. T Grenz. [m/s 2 ] [m/s 2 ] [m/s 2 ] [h] [h] hoch 0,3 0,3 0,6 5,6 >12 mittel 0,2 0,2 0,4 10,6 >12 gering 0,1 0,1 0,3 >12 >12 hoch 0,5 0,6 1,0 2,1 5,4 mittel 0,3 0,4 0,7 3,6 9,3 gering 0,2 0,2 0,5 7,7 >12 hoch 0,7 0,7 1,6 0,8 2,0 mittel 0,5 0,5 1,1 1,6 4,2 gering 0,4 0,3 0,6 5,4 >12 hoch 0,8 0,6 1,0 1,5 5,5 mittel 0,5 0,4 0,6 3,4 >12 gering 0,3 0,2 0,3 >12 >12 hoch 0,7 0,8 1,1 1,6 4,2 mittel 0,4 0,4 0,6 5,6 >12 gering 0,1 0,0 0,1 >12 >12 Die Angaben bei den Gabelstaplern beruhen auf in der CD "Schwingungen und Vibrationen am Arbeitsplatz" der Vereinigung der Metall-Berufsgenossenschaften veröffentlichten Messungen [Ver-08]. Im Schnitt liegen je Fahrbahnoberfläche 23 Messungen zu Grunde. Die 10 Datensätze der Portalstapler sowie 63 bei den Schubmast, Regal- und Vierwegstaplern entstammen dem BGIA-Report Report 6/2006 [Chr-06]. Am Beispiel der Orientierungswerte wird die Unsicherheit des Anwenders bezüglich der Übertragbarkeit deutlich. Zwar werden Belastungsstufen in der Unterteilung hoch, mittel und gering genannt, jedoch erfolgt keine weitere Spezifizierung 21