ISO 21657:2017 Krandimensionierung nach Grenzzustandsverfahren

Grundprinzipien der Grenzzustandsbemessung

Kelude Schwerindustrie fertigt streng nach nationalen Normen. Der wesentliche Unterschied zwischen dem von ISO 21657:2017 eingeführten Grenzzustandsverfahren (Limit States Design – LSD) und dem in der chinesischen Krandimensionierungsnorm GB/T 3811 verwendeten Verfahren der zulässigen Spannungen (Allowable Stress Design – ASD) lässt sich wie folgt zusammenfassen: Das ASD-Verfahren begrenzt die maximale berechnete Spannung aus jeder Lastkombination auf die zulässige Spannung des Materials. Die zulässige Spannung ergibt sich aus der Streckgrenze des Materials geteilt durch einen festen Sicherheitsfaktor (z. B. 1,5). Dabei wird nicht zwischen verschiedenen Lastarten (ständige bzw. veränderliche Lasten) hinsichtlich ihrer unterschiedlichen sicherheitsrelevanten Gewichtung unterschieden. Das LSD-Verfahren begrenzt dagegen die Bemessungslastwirkung (Schnittgrößen) in jedem Grenzzustand auf die Tragfähigkeit der Konstruktion. Unterschiedliche Lastarten (Eigengewicht, hängende Last, Windlast, Trägheitskraft) werden mit unterschiedlichen Teilsicherheitsbeiwerten (Lastteilsicherheitsbeiwerte) beaufschlagt, die nach ihrem Einflussgrad und ihrer sicherheitstechnischen Bedeutung festgelegt werden. Auch die Tragfähigkeit (Widerstand) wird mit einem Widerstandsteilsicherheitsbeiwert (<1) beaufschlagt, um die tatsächliche Zuverlässigkeit von Material und Konstruktion genauer abzubilden. Das LSD-Verfahren unterscheidet zwei Grenzzustände: den Grenzzustand der Tragfähigkeit (Ultimate Limit State – ULS) – die Konstruktion darf unter maximaler Bemessungslast nicht versagen, instabil werden oder kippen – mit der höchsten Sicherheitsstufe; sowie den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (Serviceability Limit State – SLS) – die Konstruktion darf unter normaler Gebrauchslast keine übermäßigen Verformungen, Schwingungen oder Risse aufweisen, die den Betrieb beeinträchtigen, jedoch keine Sicherheitsgefahr darstellen. Die Norm fordert, dass die Kranstruktur sowohl die ULS- als auch die SLS-Anforderungen erfüllt; beide Nachweise sind getrennt zu führen, wobei die strengere Bedingung für die Konstruktion maßgebend ist.

Lastteilsicherheitsbeiwerte und Lastkombinationen

Die Norm legt folgende Teilsicherheitsbeiwerte und Lastkombinationen fest: Ständige Lasten (G) – Eigengewicht des Krans, Gegengewicht und feste Anbauteile (Teilsicherheitsbeiwert γG=1,2). Veränderliche Lasten (Q) – Hublast (hängende Last einschließlich Eigengewicht von Lastaufnahmemittel und Gut) mit Teilsicherheitsbeiwert γQ=1,5 (für Hublast) bzw. γQ=1,35 (für Windlast). Außergewöhnliche Lasten (A) – z. B. Anpralllasten, Erdbebenlast (Teilsicherheitsbeiwert γA=1,0). Das Prinzip der Lastkombination besteht darin, die ungünstigste Kombination anzusetzen (diejenige, die die größten Schnittgrößen in der Konstruktion erzeugt). Grundkombination (Arbeitszustand) – ULS-Kombination = 1,2 × ständige Last + 1,5 × Hublast + 1,35 × Windlast × Kombinationsbeiwert – der Kombinationsbeiwert Ψ berücksichtigt die Wahrscheinlichkeit des gleichzeitigen Auftretens von Wind- und Hublast (0,6–0,7). Extremkombination (Nichtarbeitszustand) – ULS-Kombination = 1,0 × ständige Last + 1,25 × maximale Windlast (Winddruck im Nichtarbeitszustand) – im Nichtarbeitszustand wird keine Hublast berücksichtigt (Haken leer). Ermüdungslastkombination – dient dem Ermüdungsnachweis – Teilsicherheitsbeiwert = 1,0 – es wird das Lastkollektiv zugrunde gelegt (die am häufigsten auftretenden Lasthorizonte, nicht die Maximallast). Die Norm führt außerdem den Zuverlässigkeitsindex β ein – je höher β, desto geringer die Ausfallwahrscheinlichkeit der Konstruktion – die Zielzuverlässigkeit beträgt β=3,0–4,5 (entsprechend einer Ausfallwahrscheinlichkeit von ca. 0,001–0,00003). Die Wahl von β hängt von den Versagensfolgen der Konstruktion ab (Sicherheitsstufe): Sicherheitsstufe I (schwere Folgen – z. B. Gießkrane für den Transport von flüssigem Metall, große Turmdrehkrane) – β≥4,0; Sicherheitsstufe II (allgemeine Folgen – Universal- bzw. Allzweckkrane) – β≥3,5; Sicherheitsstufe III (geringere Folgen – kleine Wartungskrane) – β≥3,0.

Nachweis des Grenzzustands der Tragfähigkeit

Die Norm legt folgende Nachweise für den Grenzzustand der Tragfähigkeit fest: Festigkeitsnachweis – Normalspannung im Querschnitt σ≤f_y/γM (f_y = Streckgrenze des Stahls, γM = Widerstandsteilsicherheitsbeiwert (1,0–1,15, abhängig von Werkstoffart und Versagensart) – Schubspannung τ≤f_y/(√3·γM)). Stabilitätsnachweis – Gesamtstabilität (Stabilität von Druck-Biegegliedern in und außerhalb der Biegeebene unter Biegemoment, Berechnung nach der Euler-Formel und mit äquivalenten Momentenbeiwerten) – lokale Stabilität (das Breiten-Dicken-Verhältnis der Bleche muss Grenzwerte einhalten; Druckflansch und Stegblech dürfen nicht lokal ausbeulen). Ermüdungsnachweis – Ermüdungsklasse der Details – Einteilung der Schweißverbindungen nach Detailkategorien (z. B. Stumpfnaht, Kehlnaht, Schraubenloch, Grundwerkstoff – jede Kategorie entspricht einer eigenen Wöhler-Kurve) – Ermüdungslastkollektiv (Spannungsamplitude Δσ der einzelnen Ermüdungslasthorizonte und zugehörige Lastspielzahl n – lineare Schadensakkumulation nach Palmgren-Miner – Gesamtschädigung D≤1,0). Steifigkeitsnachweis (SLS) – maximale Durchbiegung in der Mitte der Spannweite unter Nennlast ≤ L/700–L/1000 (abhängig von Kranarbeitsklasse und Genauigkeitsanforderungen an die Positionierung). Bruchmechanischer Nachweis – bei bestehenden Kranen, wenn an kritischen Stellen Risse festgestellt werden, wird mit bruchmechanischen Methoden die Risswachstumsgeschwindigkeit und die kritische Risslänge unter bestimmter Last berechnet, um die Anzahl der Lastspiele bzw. die Zeit bis zur nächsten Inspektion zu bestimmen. Die Norm betont ausdrücklich, dass die Genauigkeit der LSD-Berechnung von der zuverlässigen Abschätzung der Last- und Materialparameter abhängt; Unsicherheiten bei den Parametern sind bei der Konstruktion ausreichend zu berücksichtigen, erforderlichenfalls sind konservativere Teilsicherheitsbeiwerte zu wählen.

Vergleich zwischen LSD- und ASD-Verfahren

Die Norm stellt folgende Vergleichsanalyse zwischen LSD- und ASD-Verfahren an: Die Verteilung der Sicherheitsmarge erfolgt unterschiedlich – das ASD-Verfahren konzentriert den gesamten Sicherheitsfaktor (1,5) auf der Widerstandsseite (zulässige Spannung = Streckgrenze/1,5) – ohne Unterscheidung der Lastarten; alle Lasten werden gleich behandelt. Das LSD-Verfahren verteilt die Sicherheitsmarge sowohl auf die Lastseite (Lastteilsicherheitsbeiwerte >1) als auch auf die Widerstandsseite (Widerstandsteilsicherheitsbeiwert <1) – je unvorhersehbarer eine Last ist (z. B. Windlast), desto größer der Teilsicherheitsbeiwert; je besser beherrschbar (z. B. Eigengewicht), desto kleiner der Beiwert – dies ist wissenschaftlich fundierter. Bei gleicher Zielzuverlässigkeit führt das LSD-Verfahren zu wirtschaftlicheren Konstruktionen, da die Wahrscheinlichkeit, dass alle Lasten in einer Kombination gleichzeitig ihren Maximalwert erreichen, gering ist; dies wird über den Kombinationsbeiwert (Ψ) berücksichtigt – die Bemessungslast liegt näher an der tatsächlichen Last, das Strukturgewicht kann um 5–15 % reduziert werden. Auch die Ermüdungsnachweise unterscheiden sich: Das ASD-Verfahren verwendet einen einzigen globalen Sicherheitsfaktor, das LSD-Verfahren eine auf der Wöhler-Kurve basierende Schadensakkumulationsmethode – die Ermüdungsschädigung wird präziser quantifiziert. Die Norm kommt zu dem Schluss, dass für große und wichtige Krane (hohe Tragfähigkeit, hohe Triebwerksgruppe) das LSD-Verfahren genauer und sicherer ist als das ASD-Verfahren und empfiehlt den Einsatz des LSD-Verfahrens bei der Konstruktion wichtiger Krane. Für mittlere und kleine Universal- bzw. Allzweckkrane ist das ASD-Verfahren einfacher in der Handhabung und erfüllt die Nutzungsanforderungen. Abschließend stellt die Norm fest, dass sich die internationale Krandimensionierung derzeit vom ASD- zum LSD-Verfahren hin entwickelt; ISO 21657 bietet den technischen Rahmen für die Aktualisierung nationaler Normen.

Häufige Fragen