GB/T 22437.5-2010 ist der fünfte Teil der Normenreihe zu Kranlasten und Lastkombinationen und definiert speziell für Brücken- und Portalkrane die Lastklassifizierung sowie die Berechnungsregeln für Lastkombinationen unter realen Arbeitsbedingungen. Als am weitesten verbreitete Krankonstruktionen besitzen Brücken- und Portalkrane eine besondere typische Charakteristik in der Lastkombinationsberechnung. Der folgende Beitrag erläutert die Kerninhalte der Norm systematisch.

Normative Einordnung und Lastcharakteristik von Brücken- und Portalkranen

GB/T 22437.5-2010 befasst sich speziell mit der Lastberechnung von Brücken- und Portalkranen. Die Konstruktionsmerkmale dieser Krankategorie bestimmen die Besonderheiten der Lastanalyse: Die aus Hauptträger und Kopfträgern gebildete Kastenkonstruktion nimmt überwiegend vertikale Biegebeanspruchungen auf; die auf der Schiene verfahrende Laufkatze erzeugt lokale Radlasten; beim Kranfahren entstehen horizontale Trägheitskräfte sowie Schräglaufkräfte, die als zusätzliche horizontale Lasten auf Kopfträger und Schiene wirken. Im Gegensatz zu Mobil- und Turmkranen ist der Einfluss der Windlast bei Brücken- und Portalkranen vergleichsweise gering – bei Innenaufstellung bleibt die Windlast unberücksichtigt, lediglich bei im Freien betriebenen Portalkranen ist sie anzusetzen. Darüber hinaus bildet die Katzenradlast eine wesentliche Quelle lokaler Spannungen im Hauptträger und ist gesondert zu berechnen.

Lastklassifizierung

Hauptlasten (P) – Eigengewicht (Masse aller Strukturbauteile und Anbauteile wie Hauptträger, Kopfträger, Katzfahrwerkrahmen, Führerhaus, Laufstege der elektrischen Ausrüstung), Hublast (Nenntragfähigkeit + Lastaufnahmemittel + Gewicht des hängenden Drahtseilteils) sowie durch das Eigengewicht verursachte Trägheitskräfte (horizontale Trägheitskräfte beim Anfahren/Bremsen von Laufkatze und Kranbrücke). Der dynamische Lastfaktor φ₂ für das Heben wird in Abhängigkeit von Hubgeschwindigkeit und Antriebsart mit 1,0 bis 1,6 angesetzt. Der Stoßbeiwert φ₃ (Schlaglast beim Überfahren von Schienenstößen durch Kranbrücke und Laufkatze) wird mit 1,0 bis 1,4 angenommen.

Zusatzlasten (A) – Windlast (nur für im Freien betriebene Portalkrane; Winddruck im Arbeitszustand 250 N/m², Sturmzustand nach 50-jähriger Wiederkehrperiode), Temperaturlast (bei Längen über 80 m oder Montage-/Fertigungstemperaturdifferenzen über 20 °C sind Spannungen aus Temperaturdehnung zu berücksichtigen) sowie Schneelast (in schneereichen Regionen).

Sonderlasten (S) – Montage- und Demontagelasten, Anprallasten (Pufferkräfte), Prüflasten (statische Prüfung mit 1,25-facher, dynamische Prüfung mit 1,1-facher Nennlast). Die Pufferanprallkraft bei Brücken- und Portalkranen wird aus der kinetischen Energie bei 85 % bis 100 % der Nenngeschwindigkeit des Kranfahrens ermittelt und mit einem dynamischen Lastfaktor von 1,0 bis 1,5 multipliziert.

Lastkombinationen und Lastfälle

Die Norm definiert drei grundlegende Lastkombinationen für Brücken- und Portalkrane:

Lastfall A (Normalbetrieb ohne Wind) – P, maßgeblich für den Festigkeitsnachweis von Haupt- und Kopfträgern bei Innenaufstellung ohne Windeinwirkung. Sicherheitsfaktor n ≥ 1,22 (bezogen auf die Streckgrenze n = 1,48, bezogen auf die Zugfestigkeit n = 2,5). In diesem Lastfall sind zusätzlich die vertikale statische und dynamische Steifigkeit des Hauptträgers nachzuweisen (Durchbiegung unter Volllast ≤ L/750; Eigenfrequenz des Hauptträgers bei in Feldmitte stehender Laufkatze ≥ 2 Hz).

Lastfall B (Arbeitsbetrieb mit Wind, im Freien) – P + A, maßgeblich für den Festigkeitsnachweis im Freien betriebener Portalkrane im Arbeitszustand unter Berücksichtigung der Arbeitswindlast. Sicherheitsfaktor n ≥ 1,22.

Lastfall C (Sturm, Nichtarbeitszustand) – P + Sturm-A, maßgeblich für den Festigkeitsnachweis im Freien betriebener Portalkrane im Nichtarbeitszustand (Kran in Verankerungsposition, Schienenklemmen angezogen). Sicherheitsfaktor n ≥ 1,10.

Für Brücken- und Portalkrane ist die maßgebende Lastkombination der Lastfall A: Bei in Feldmitte positionierter Laufkatze unter Volllast erfährt der Hauptträger das maximale Biegemoment und die größte Durchbiegung; bei am Trägerende stehender Laufkatze unter Volllast tritt die maximale Schubspannung auf. In diesen beiden ungünstigsten Positionen sind Festigkeit, Steifigkeit und Stabilität des Hauptträgers jeweils getrennt nachzuweisen.

Berechnung der Katzenradlast

Die Norm legt besonderen Wert auf die Berechnungsmethode der Katzenradlast: P_w = (Q + G_t + G_h) / n, wobei Q die Nenntragfähigkeit, G_t das Eigengewicht der Laufkatze, G_h das Gewicht der Hakenflasche und n die Radanzahl darstellen. Die Radlastverteilung ist in Abhängigkeit von der Position der Laufkatze auf der Schiene zu betrachten – bei Annäherung an ein Trägerende verteilt sich die Last ungleichmäßig auf die vier Laufräder, wobei die lastnahen Räder höhere Radlasten aufnehmen. Die durch die Radlast verursachte lokale Druckspannung im Stegblech des Hauptträgers ist gesondert nachzuweisen (Verhältnis von Stegblechhöhe zu -dicke muss die Anforderungen an die lokale Stabilität erfüllen). Die Norm empfiehlt, im Stegblech des Hauptträgers unterhalb der Schienenposition Längssteifen anzuordnen, um die Widerstandsfähigkeit gegen lokale Druckbeanspruchung zu erhöhen.

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Besondere Lasten bei Portalkranen

Im Vergleich zu Brückenkranen müssen bei Portalkranen (auch als Portalhubkrane bekannt) zusätzliche Lastfälle berücksichtigt werden: Die Windlast am Stützbein, die aufgrund der großen Stützbeinhöhe (bis zu 30 m und mehr) erhebliche horizontale Kräfte und Biegemomente an den Verbindungsstellen zwischen Stützbein und Portalrahmen erzeugt. Das Kippmoment am Stützbein, wenn die Laufkatze am Auslegerende unter Volllast steht. Die horizontalen Seitenkräfte durch Schräglauf der Kranbrücke – wenn die beiden Enden der Kranbrücke nicht synchron laufen, neigt sich der Kran auf der Schiene und erzeugt horizontale Kräfte senkrecht zur Schiene, die auf den Spurkranz des Laufrads der Kranbrücke und die Schienenflanke wirken. Die Norm legt fest, dass die Schräglauf-Seitenkraft F_s mit (1/8~1/10) P_w zu berechnen ist (P_w = Maximale Radlast des Laufrads der Kranbrücke). Für im Freien eingesetzte Portalkrane ist zusätzlich die Windlast zu berücksichtigen, die bei Sturm auf Schienenklemme und Verankerungseinrichtung wirkt. Kelude Schwerindustrie erstellt die Lastkollektive für die Konstruktion von Brücken- und Portalkranen streng nach DIN 15018 und gewährleistet so die Strukturfestigkeit für alle Betriebsbedingungen.

Lastkombinationen für Brücken- und Portalkrane im Vergleich

Die folgende Vergleichstabelle zeigt die zentralen Parameter der Lastkombinationen für Brücken- und Portalkrane und dient als Referenz für Auswahl und Betrieb.

Häufige Fragen