Sicherung von Quetschstellen an Türen und Toren durch Begrenzung der wirksamen Kräfte

Autoren: Detlef Mewes, Sankt Augustin, Fritz Mauser, Bonn

Unter Quetschstellen versteht man allgemein Gefahrstellen an baulichen Einrichtungen, Maschinen und Fahrzeugen, bei denen sich Teile so aufeinander zubewegen, dass Personen gequetscht werden. An kraftbetätigten Türen und Toren treten Quetschstellen z. B. zwischen der Hauptschließkante eines Türflügels und seiner Gegenschließkante sowie zwischen Flügeln und festen Teilen der Umgebung wie Wänden auf. Die Bezeichnungen "Hauptschließkante" und "Gegenschließkante" sind in Bild 1 verdeutlicht.

An Türen und Toren sind rund die Hälfte aller Arbeitsunfälle auf Quetschen und Scheren zurückzuführen. Typische Verletzungsarten sind dabei Quetschungen, Prellungen und Stauchungen. Im Extremfall kommt es auch zum Bruch oder gar dem Abtrennen von Körperteilen. In 70% der Unfälle an Türen und Toren sind die Finger bzw. die Hände oder die Arme betroffen, wobei die Finger die mit Abstand gefährdetsten Körperteile sind.

Nach den gegenwärtigen nationalen Vorschriften und Richtlinien [1; 2] liegt bei Türen und Toren i. Allg. eine Quetschstelle erst beim Einwirken einer Kraft von mehr als 150 N vor. Wenn dieser Wert auf Grund der Auslegung oder Steuerung des Antriebs nicht erreicht wird, kann von den genannten Sicherungsmaßnahmen abgesehen werden. Die Begrenzung von Quetschkräften stellt demnach vom Grundsatz her eine geeignete Maßnahme zur Vermeidung von Quetschstellen dar. Das Problem besteht jedoch darin, dass aus den Regelwerken [1; 2] nicht klar zu erkennen ist, ob sich der Grenzwert von 150 N nur auf statische Kräfte, d. h. Klemmkräfte, oder aber auch auf dynamische, aus der Bewegung der Tür herrührende Kräfte bezieht. An einem bewegten Flügel sind die dynamischen Kräfte üblicherweise erheblich höher als die statischen Kräfte. Ferner sind in diesen Richtlinien keine Aussagen hinsichtlich der Einwirkdauer dieser Kräfte getroffen. Um die Gefährdung beurteilen zu können, ist es also erforderlich, sowohl die statischen und dynamischen Kräfte als auch ihre jeweilige Zeitdauer zu messen und im Hinblick auf die Verletzungsgefahr zu bewerten.

Der Beitrag beschreibt das im Rahmen der europäischen Normung [3 bis 5] für kraftbetätigte Türen und Tore entwickelte Kraftmessverfahren und erläutert die zulässigen Werte für Kraft und Zeit.

Bild 1: Bezeichnung von Hauptschließkante und Gegenschließkante am Beispiel einer Drehtür und eines Rolltors

Bild 2: Prinzipieller Aufbau eines Messgeräts zur Ermittlung von Quetschkraft-Zeit-Verläufen

Messung von Quetschkräften

Das grundlegende Prinzip eines Geräts zur Messung von Quetschkräften ist in Bild 2 dargestellt. Der zu beurteilende Türflügel wirkt mit seiner Schließkante über eine Betätigungsfläche und eine als Dämpfungselement dienende Druckfeder auf einen Kraftaufnehmer, dessen Signal verstärkt und über die Zeit aufgezeichnet wird. Anstelle eines Kraftaufnehmers kann auch ein anderer Sensor, der ein kraftproportionales Signal liefert, benutzt werden.

Wichtig ist die Steifigkeit der in das Messgerät eingebauten Druckfeder, da hierdurch die Höhe der gemessenen dynamischen Kräfte unmittelbar beeinflusst wird. Mit einem steiferen Messgerät werden höhere dynamische Kräfte gemessen als mit einem weicheren Gerät. Aus biomechanischer Sicht heraus sollte die Steifigkeit dem Dämpfungsverhalten menschlicher Körperteile nahe kommen, um so realistische Messwerte zu erhalten.

Von Nykänen [6] wurden in Probandenversuchen Steifigkeiten zwischen 100 N/mm für Hände und 400 N/mm für Finger als den bei Türen und Toren am meisten gefährdeten Körperteilen ermittelt. Aus diesem Grunde hat man sich bei der Erarbeitung der DIN EN 12445 [3] wie auch der DIN EN 12650-1 [4] darauf verständigt, für das Kraftmessgerät eine Federsteifigkeit von 500 N/mm zu Grunde zu legen. Damit unterscheiden sich das für kraftbetätigte Türen und Toren an baulichen Einrichtungen vorgesehene Messverfahren und die hiermit ermittelten Kräfte grundlegend von den bei anderen Arten von Türen angewendeten Messverfahren. Kraftmessungen an Fahrgasttüren von Kraftomnibussen beruhen auf einer Federsteifigkeit von 10 N/mm [7], bei Aufzugstüren wird eine Steifigkeit von 25 N/mm zu Grunde gelegt [8; 9].

Bild 3: Messgerät für die Ermittlung von Quetschkräften

Bild 3 zeigt ein Messgerät zur Bestimmung von Kraft-Zeit-Verläufen an kraftbetätigten Türen und Toren gemäß den Normen [3; 4]. Dieses Gerät besteht im Wesentlichen aus einem Messkörper mit einer Messfläche von 80 mm Durchmesser und einem Mittelteil mit einem Anzeigenfeld für Kraft und Zeit sowie einem Handgriff. Die Bauhöhe beträgt 50 mm, das Gewicht 1400 g. Der Messbereich liegt zwischen 25 N und 2000 N. Das Gerät kann so erweitert werden, dass eine Übertragung der gemessenen Werte auf eine grafische Ausgabeeinheit möglich ist, um die aufgenommenen Kraft-Zeit-Verläufe genauer zu analysieren und zu dokumentieren.

Mit dem Messgerät können Quetschkräfte zwischen Haupt- und Gegenschließkanten von Türen und Toren, zwischen den Hauptschließkanten sich aufeinander zu bewegender Flügel sowie zwischen Flügeln und festen Teilen der Umgebung gemessen werden. Das Messgerät wird hierbei entsprechend den Vorgaben der Normentwürfe [3; 4] so in die potenzielle Quetschstelle gehalten, dass die Kraft senkrecht auf die Messflächen einwirkt. Dadurch wird eine unzulässige Beanspruchung des Messgeräts durch Querkräfte vermieden.

Bild 4: Charakteristische Quetschkraft-Zeit-Diagramme (F_d: dynamische Kraft, F_s: statische Kraft, t_d; Dauer der dynamischen Krafteinwirkung, T_t: Gesamtdauer der Krafteinwirkung)

Bei Messungen an kraftbetätigten Türen und Toren lassen sich drei charakteristische Arten von Quetschkraft-Zeit-Diagrammen unterscheiden (Bild 4). Bei einem unmittelbar reversierenden Türantrieb tritt lediglich ein aus der Bewegung des Türflügels resultierender kurzzeitiger Kraftimpuls auf, der durch die dynamische Spitzenkraft F_d und die Impulsdauer t_d ausreichend charakterisiert werden kann. Die Türbewegung kehrt sich hierbei nach Erreichen der Spitzenkraft selbsttätig um. Demgegenüber vermindert sich bei einem verzögert reversierenden Antrieb die Quetschkraft innerhalb des Zeitraumes t_d zunächst nur bis auf die statische Antriebskraft F_s. Erst danach setzt die Reversion der Flügelbewegung ein. Ein nicht reversierender Antrieb weist den im unteren Teil von Bild 4 schematisch dargestellten Schließkraft-Zeit-Verlauf auf. Nach dem Abbau der dynamischen Kraft bleibt die Antriebskraft als statische Klemmkraft erhalten.

Der quantitative Quetschkraft-Zeit-Verlauf hängt u. a. von der jeweiligen Masse und Geschwindigkeit der Tür wie auch der Beschaffenheit der Schließkante ab. Bild 5 zeigt Ergebnisse von Quetschkraftmessungen an einer Schiebetür mit unmittelbar reversierendem Antrieb. Das Bild verdeutlicht, wie bei gleicher Antriebsleistung allein durch die Gestaltung der Schließkante die dynamische Kraft erheblich reduziert und so das Verletzungsrisiko gemindert werden kann.

Zulässige Quetschkräfte

Die Kenntnis der Quetschkräfte und ihrer zeitlichen Verläufe reicht für sich genommen noch nicht aus, um sicherheitstechnisch begründete Kraftgrenzwerte festzulegen, bei deren Einhaltung mit einer genügend großen Wahrscheinlichkeit Quetschverletzungen auszuschließen sind. Dabei ist eine Vielzahl weiterer Aspekte zu berücksichtigen, die bis hin zu medizinischen und verletzungsmechanischen Fragestellungen reichen, wodurch die Festlegung von Kraftgrenzwerten erschwert wird, zumal auch die Fachliteratur dazu keine detaillierten Aussagen bietet. Die dort dokumentierten biomechanischen Beastungsgrenzen menschlicher Körperteile beziehen sich vorwiegend auf das Unfallgeschehen mit Kraftfahrzeugen und die dabei auftretenden spezifischen Belastungen [10]. Ein pragmatischer Weg, zu Kraftgrenzwerten zu gelangen, besteht darin, bestimmte Kräfte durch Probanden sensorisch bewerten zu lassen. Diesen Weg hat man auch bei der Angabe zulässiger Kraftwerte in der DIN EN 12453 [5] beschritten. An den Tests beteiligten sich männliche und weibliche Probanden im Alter zwischen 18 und 60 Jahren. Die Bewertung statischer und dynamischer Kräfte erfolgte dabei durch die subjektive Einschätzung der Erträglichkeit, indem sich die Probanden an ihrem Schmerzempfinden orientierten.

Auf der Grundlage dieser Versuche wurden in die DIN EN 12453 [5] die in der Tabelle aufgeführten zulässigen dynamischen Kräfte aufgenommen. Um die Verletzungsgefahr durch Quetschen zu minimieren, dürfen diese Kräfte nicht überschritten werden. Die Werte gelten sowohl für harte, unnachgiebige als auch für weiche, mit verformbaren Gummiprofilen ausgetattete Schließkanten. Die Einwirkdauer der dynamischen Kraft darf höchstens 0,75 s betragen. Dabei ist jedoch eine wiederholte dynamische Beanspruchung, wie sie gerade beim Aufprallen harter, unnachgiebiger Schließkanten auftreten kann, unter bestimmten Voraussetzungen zugelassen. Hiernach darf nur noch eine statische Kraft (Klemmkraft) von höchstens 150 N gemessen werden, die wiederum nach längstens 4,25 s auf mindestens 25 N abgebaut werden muss.

Bild 5: Einfluss der Beschaffenheit von Schließkanten auf die Quetschkraft und deren zeitlichen Verlauf

Die Grenzwerte sind auf Grund des gewählten Bewertungsverfahrens nicht als strenge biomechanische Belastungsgrenzen aufzufassen, bei denen bereits mit schwerwiegenden Verletzungen, wie Prellungen und Knochenbrüchen, zu rechnen ist. Einschränkend ist jedoch darauf hinzuweisen, dass für Personen, die ein besonderes Schutzbedürfnis haben, z. B. alte Menschen, Kinder oder behinderte Personen, diese Grenzwerte nicht grundsätzlich als ausreichende Schutzmaßnahme angesehen werden können. In solchen Fällen sind berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen, wie z. B. Lichtvorhänge oder Sensorleisten, angemessene Sicherungsmaßnahmen. Ebenso wäre eine weitere Reduzierung der Kräfte denkbar.

Zulässige dynamische Kräfte nach DIN EN 12 453 (5)

Ferner ist darauf hinzuweisen, dass sich Scherstellen im Gegensatz zu Quetschstellen nicht allein durch die Begrenzung von Kräften auf die geforderten Werte vermeiden lassen. Biomechanischen Versuchen [11] zufolge können an Scherstellen unter Umständen bereits Kräfte in der Größenordnung von 50 N Hand- und Armverletzungen verursachen. Um Scherstellen zu sichern, sind deshalb zusätzliche konstruktive Maßnahmen zu ergreifen. Der Normentwurf [5] verlangt in diesem Zusammenhang, dass zwischen den Schließkanten ein Sicherheitsabstand von mindestens 25 mm verbleiben muss oder aber dass die beteiligten Schließkanten mit einem Summenradius von wenigstens 6 mm abgerundet sein müssen.

Zusammenfassung:

Die Begrenzung von Quetschkräften stellt eine Möglichkeit zur Sicherung von Quetschstellen dar. Hierzu müssen die an den Quetschstellen auftretenden statischen und dynamischen Kräfte sowie deren Zeitdauern gemessen werden. In den Normen DIN EN 12445 und DIN EN 12650-1 sind das für kraftbetätigte Türen und Toren zukünftig anzuwendende Messverfahren und die Messpunkte, an denen die Messungen zu erfolgen haben, festgelegt. Die Höhe der Quetschkräfte und ihre Einwirkzeiten sind der DIN EN 12453 zu entnehmen. Die genannten Normen beziehen sich zwar auf kraftbetätigte Türen an baulichen Einrichtungen, sie können aber auch bei der sicherheitstechnischen Beurteilung der Quetschgefahr an anderen bewegten Bauteilen und Maschinen, für die gegenwärtig noch keine detaillierten Festlegungen bestehen, hilfreich sein.