Krandimensionierung nach GB/T 22437.1-2008: Lasten und Kombinationen

GB/T 22437.1-2008 ist eine äquivalente Übernahme von ISO 8686-1:1989 und dient als spezifische Methodennorm für die Lastberechnung von Kranen. Bereits in der Konstruktionsphase müssen alle Lasten ermittelt werden, denen ein Kran während seiner Lebensdauer ausgesetzt sein kann. Die Strukturfestigkeit und Stabilität sind anschließend anhand der ungünstigsten Lastkombination nachzuweisen. Die Norm gilt für die Lastberechnung aller Kranarten und legt die Lastannahme sowie die Kombinationsbeiwerte für Eigengewichtslasten, Hublasten, Trägheitslasten, Windlasten, Temperaturlasten und Sonderlasten fest.

Lastklassifizierungssystem für Krandimensionierung

Die Norm unterteilt sämtliche Kranlasten in drei Hauptkategorien. Regelmäßige Lasten (Kategorie I) – Lasten, die beim normalen Kranbetrieb regelmäßig auftreten, einschließlich Eigengewichtslasten (Eigengewicht der Konstruktion und der Ausrüstung), Nennhublasten (maximale Tragfähigkeit einschließlich Lastaufnahmemittel), Anfahr- und Brems-Trägheitslasten (Beschleunigungslasten beim Heben sowie horizontale Trägheitskräfte aus dem Beschleunigen und Verzögern des Fahrwerks), Windlast im Arbeitszustand (berechnet nach lokalen Windzonen und Höhenkoeffizienten) sowie seitliche Führungskräfte aus dem Schräglauf (horizontale Führungskräfte beim Kranfahren). Unregelmäßige Lasten (Kategorie II) – Lasten, die unter anormalen Betriebsbedingungen auftreten können, einschließlich Windlast im Nichtarbeitszustand (berechnet mit der maximalen Windgeschwindigkeit für eine 50-jährige Wiederkehrperiode), Lasten aus unerwartetem Stillstand, Prüflasten und Temperaturlasten. Sonderlasten (Kategorie III) – selten auftretende, aber folgenschwere Lasten wie Erdbebenlasten, Kollisionslasten und prozessbedingte Sonderlasten.

Jede Lastkategorie verwendet unterschiedliche Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen, was den Einfluss der Auftretenswahrscheinlichkeit und der Einwirkungsdauer auf die Strukturelle Sicherheit widerspiegelt. Für Lasten der Kategorie I gelten Teilsicherheitsbeiwerte von 1,0 bis 1,3 (bei Ermüdungsberechnung 1,0), für Kategorie II von 1,0 bis 1,1 und für Kategorie III von 1,0. Je größer der Teilsicherheitsbeiwert, desto größer die Unvorhersehbarkeit der Last und desto höher die erforderliche Sicherheitsredundanz. Die Norm betont ausdrücklich: Konstrukteure müssen die Lastkategorie korrekt zuordnen. Lasten der Kategorie II dürfen nicht als Kategorie I eingestuft werden, um die Sicherheitsanforderungen zu senken, ebenso wenig dürfen Lasten der Kategorie I als Kategorie II behandelt werden, was zu einer unnötig konservativen und unwirtschaftlichen Auslegung führen würde.

Lastkombinationen für Festigkeits- und Stabilitätsnachweis

Die Lastkombination bildet den Kerninhalt der Norm. Die Norm legt drei Lastkombinationen für die Betriebsbedingungen A, B und C fest: Kombination A – Arbeitszustand ohne Wind (für Ermüdungsfestigkeitsberechnung und Überprüfung der Motorleistung), bestehend aus Eigengewichtslast + Hublast + Trägheitslast + seitlicher Führungskraft aus Schräglauf, mit einem Sicherheitsfaktor von 1,50 (Ermüdung) bzw. 1,25 (lokale Ermüdung). Kombination B – Arbeitszustand mit Wind (für die Berechnung der statischen Festigkeit), basierend auf Kombination A zuzüglich Windlast im Arbeitszustand, mit einem Sicherheitsfaktor von 1,34. Kombination C – Nichtarbeitszustand (für den Kippstabilitäts- und Windschutznachweis), bestehend aus Eigengewichtslast + Windlast im Nichtarbeitszustand oder anderen Sonderlasten, mit einem Sicherheitsfaktor von 1,15.

Die konkreten Lastannahmen innerhalb der Lastkombinationen sind wie folgt festgelegt: Die Eigengewichtslast wird nach dem tatsächlichen Gewicht der Konstruktion berechnet. Die Hublast umfasst die Nenntragfähigkeit und das Gewicht der Lastaufnahmemittel und wird mit dem dynamischen Lastfaktor φ2 (1,0 bis 1,2) multipliziert. Der Stoßbeiwert φ1 für das Abheben der Last vom Boden beträgt 1,1 bis 1,3. Trägheitslasten werden aus der Beschleunigung bzw. Verzögerung und der bewegten Masse der jeweiligen Mechanismen ermittelt: Die Trägheitskraft des Hubwerks beträgt φ5 × Hublast (φ5 ist der dynamische Lastfaktor für Antriebe mit variabler Drehzahl), die Trägheitskraft des Fahrwerks ergibt sich aus Fahrwerksmasse × Fahrbeschleunigung. Die Windlast wird nach den Windzonenkarten und Höhenkoeffizienten in Anhang A der Norm GB/T 3811 berechnet. Die seitliche Führungskraft aus dem Schräglauf wird nach der empirischen Formel F = λ × ΣP ermittelt (λ ist der Seitenführungskoeffizient, ΣP die Summe der Radlasten). Konstrukteure müssen die für die tatsächlichen Betriebsbedingungen ungünstigste Lastkombination auswählen.

Dynamische Lastfaktoren: Werte und Anwendungsbedingungen

Die dynamischen Lastfaktoren (φ-Koeffizienten) gemäß der Norm sind zentrale Parameter der Lastberechnung. Ihr korrektes Verständnis und ihre richtige Auswahl sind entscheidend für die Genauigkeit der Konstruktion. φ1 – Stoßbeiwert beim Anheben (1,1–1,3): Beim schnellen Anheben einer Last vom Boden erzeugt die Elastizität des Hubseils im Moment des Abhebens eine dynamische Lastverstärkung. Die Größe des Faktors hängt von der Hubgeschwindigkeit und der Seilsteifigkeit ab. φ2 – Hubstoßbeiwert (1,0–1,2): Berücksichtigt die Stoßwirkung beim Anfahren und Abbremsen des Hubwerks. φ3 – Koeffizient für plötzliche Entlastung (1,5–2,0): Bildet den Extremfall eines unerwarteten Lastabwurfs ab, z. B. bei teilweisem Drahtseilbruch oder Lastabsturz der Anschlagmittel. φ4 – Fahrstoßfaktor: Hängt vom Zustand der Schienenstöße und der Fahrgeschwindigkeit ab; bei ebenen Schienenstößen gilt 1,1–1,3. φ5 – Dynamischer Lastfaktor für Antriebe mit veränderlicher Drehzahl: Wird für die Berechnung der Trägheitskräfte beim Anfahren und Bremsen des Hubwerks verwendet. φ6 – Dynamischer Lastfaktor für Prüflasten (1,0–1,1): Gilt für die Lastberechnung bei der dynamischen Belastungsprüfung.

Die Auswahl der dynamischen Lastfaktoren ist stets in Verbindung mit den Einsatzbedingungen, der Triebwerksgruppe und der Lastcharakteristik des Krans zu treffen. So ist beispielsweise bei Gießkränen die Wahrscheinlichkeit einer plötzlichen Entlastung höher als bei Standardkränen; φ3 ist entsprechend am oberen Ende des Wertebereichs zu wählen. Hafenkrane arbeiten mit hoher Fahrfrequenz und weisen zahlreiche Schienenstöße auf; hier ist φ4 an der Obergrenze anzusetzen. Für Krane der Triebwerksgruppen A7 bis A8 sind die dynamischen Lastfaktoren etwa 10 % bis 15 % strenger auszulegen als für die Gruppen A1 bis A3. Die Norm weist außerdem darauf hin, dass mehrere dynamische Lastfaktoren nicht gleichzeitig mit ihren Maximalwerten kombiniert werden dürfen; vielmehr ist eine realistische Lastkombination auf Basis der tatsächlichen Betriebsbedingungen zu wählen. Kelude Schwerindustrie wendet die dynamischen Lastfaktoren in der Berechnung strikt gemäß der Norm an und überprüft jede Auslegung individuell anhand der tatsächlichen Betriebsbedingungen des Kunden.

Lastkombinationen und Koeffizienten im Überblick

Die folgende Vergleichstabelle fasst die drei Lastkombinationen mit ihren enthaltenen Lasten, Sicherheitsfaktoren und den jeweiligen Berechnungsarten zusammen. Konstrukteure sollten die passende Kombination anhand der tatsächlichen Triebwerksgruppe und der Einsatzumgebung des Krans auswählen.

Berechnungsmethode für Windlasten

Die Windlast ist eine der maßgebenden Umwelteinwirkungen bei der Kranbemessung. Die Norm legt fest, dass die Windlast nach dem Verfahren in Anhang A der Norm DIN 15018 zu berechnen ist: Der Winddruck im Arbeitszustand beträgt 150–250 Pa (je nach Windzone des Aufstellungsorts), der Winddruck im Nichtarbeitszustand wird auf Basis der maximalen Windgeschwindigkeit mit einer Wiederkehrperiode von 50 Jahren am jeweiligen Standort ermittelt. Die Windlast berechnet sich nach der Formel Fw = Cw × p × A, wobei Cw der Windkraftbeiwert ist (abhängig von der Bauform der Struktur und der Windschatten-Reduzierung), p den Winddruck und A die projizierte Windangriffsfläche der Konstruktion darstellt. Bei Fachwerkkonstruktionen ist die projizierte Fläche unter Berücksichtigung des Windschatten-Reduktionsfaktors zu ermitteln. Die Norm schreibt außerdem vor, dass im Nichtarbeitszustand der Böenreaktion Rechnung zu tragen ist – der Böenlastfaktor β = 1,6–2,0 wird angesetzt, um die vergrößernde Wirkung der Windböen auf die Struktur zu erfassen. Bei hohen schlanken Bauwerken wie Turmkranen ist der Böeneffekt ausgeprägter und der höhere Wert ist zu wählen. In Küstenregionen und auf freiem Gelände liegt der Winddruck etwa 15 %–25 % höher als in städtischen Binnenlandlagen; die Bemessung muss daher die maßgebende Windzone am tatsächlichen Aufstellungsort des Krans berücksichtigen.

Die Norm behandelt darüber hinaus ausdrücklich mehrere Sonderfälle bei der Windlastberechnung: Im Nichtarbeitszustand ist die projizierte Windangriffsfläche in der ungünstigsten Richtung zu ermitteln – einschließlich der projizierten Flächen des drehbaren Teils bei verschiedenen Schwenkwinkeln. Bei drehbaren Kranen sind Haken und Laufkatze im Nichtarbeitszustand in eine definierte Position zu bringen, um die Windlast zu minimieren – üblicherweise wird die Laufkatze nahe an den Turmmast gefahren und der Haken in die höchste Stellung angehoben. Die Klemmkraft bzw. Verankerungskraft der Windschutzeinrichtungen (Schienenklemme, Verankerungseinrichtung, Windschutzseil usw.) ist für das 1,25-fache der Windlast im Nichtarbeitszustand auszulegen, um sicherzustellen, dass der Kran auch bei extremen Windgeschwindigkeiten weder verrutscht noch umkippt.

Häufige Fragen zur Windlastberechnung