Erläuterungen zur Norm ISO 21657:2017 „Krane – Bemessung nach dem Grenzzustandsverfahren“

Grundprinzipien der Bemessung nach Grenzzuständen

Krud Heavy Industry richtet seine Produktion streng nach den nationalen Normen aus, wobei die im Jahr 2017 eingeführte Grenzzustandsmethode (Limit States Design – LSD) und die in der chinesischen Krankonstruktionsnorm GB/T 3811 verwendete zulässige Spannungsmethode (Allowable Stress Design – ASD) unterscheiden sich wie folgt: ASD-Methode – Die maximale Berechnungsspannung für jede Lastkombination wird innerhalb der zulässigen Spannung des Werkstoffs gehalten. Zulässige Spannung = Streckgrenze des Werkstoffs ÷ Sicherheitsfaktor. Der Sicherheitsfaktor ist fest vorgegeben (z. B. 1,5). Es wird nicht zwischen den unterschiedlichen Gewichtung der verschiedenen Lastarten (Dauerlasten/Wechselbelastungen) hinsichtlich der Sicherheit unterschieden. LSD-Methode – Die Auswirkungen der Bemessungslasten (innere Kräfte der Konstruktion) unter den jeweiligen Grenzzuständen werden so begrenzt, dass sie innerhalb der Tragfähigkeit der Konstruktion bleiben. Die verschiedenen Lastarten (Eigengewicht, Last, Windlast, Trägheitskraft) werden jeweils mit unterschiedlichen Teilkoeffizienten (Lastteilkoeffizienten) multipliziert – diese werden entsprechend ihrem Einflussgrad und ihrer Bedeutung für die Sicherheit festgelegt. Die Tragfähigkeit (Widerstandsfähigkeit) wird ebenfalls mit dem Teilkoeffizienten für den Widerstand (<1) – Gibt die tatsächliche Zuverlässigkeit von Materialien und Bauwerken genauer wieder. Die LSD-Methode unterteilt die Grenzzustände in zwei Kategorien: den Tragfähigkeitsgrenzzustand (Ultimate Limit State – ULS) – bei dem das Bauwerk unter Einwirkung der maximalen Auslegungslast weder versagt noch instabil wird oder umkippt – mit den höchsten Sicherheitsanforderungen. Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (Serviceability Limit State – SLS) – Die Konstruktion weist unter normalen Betriebslasten keine übermäßigen Verformungen, Schwingungen und Risse auf – dies beeinträchtigt zwar den normalen Betrieb der Anlage, führt jedoch nicht zu Sicherheitsunfällen. Normanforderungen – Die Krankonstruktion muss sowohl die Anforderungen des ULS als auch des SLS erfüllen – beide sind separat zu nachzuweisen – für die Auslegung ist die strengere der beiden Bedingungen maßgeblich.

Aufschlüsselung und Kombination von Lasten

In der Norm festgelegte Teilkoeffizienten und Kombinationen der Lasten: Dauerlast (G) – Eigengewicht des Krans, Gegengewicht und fest montierte Anbaugeräte (Teilkoeffizient γG = 1,2). Wechselnde Lasten (Q) – Hublast (Last – einschließlich des Eigengewichts der Lastaufnahmeeinrichtung und des Materials) – Teilkoeffizient γQ = 1,5 (für Hublasten) oder γQ = 1,35 (für Windlasten). Zufällige Lasten (A) – z. B. Aufprall- und Erdbebenlasten (Teilkoeffizient γA = 1,0). Prinzip der Lastkombination – Es wird die ungünstigste Kombination gewählt (die Kombination, die die größten inneren Kräfte in der Konstruktion erzeugt). Grundkombination (Normalbetrieb) – ULS-Kombination = 1,2 × Dauerlast + 1,5 × Hublast + 1,35 × Windlast × Kombinationskoeffizient – Kombinationskoeffizient Ψ (Wahrscheinlichkeit des gleichzeitigen Auftretens von Windlast und Hublast × 0,6–0,7). Extremkombination (außerhalb des Betriebszustands) – ULS-Kombination = 1,0 × Dauerlast + 1,25 × maximale Windlast (Winddruck außerhalb des Betriebszustands) – außerhalb des Betriebszustands wird die Hublast nicht berücksichtigt (Haken ohne Last). Ermüdungslastkombination – zur Berechnung der Ermüdungslebensdauer – Lastteilungsfaktor = 1,0 – Verwendung eines Ermüdungslastspektrums (das am häufigsten auftretende Lastniveau – nicht die maximale Last). Die Norm führt außerdem den ”Zuverlässigkeitsindex” β ein – je höher der β-Wert, desto geringer ist die Ausfallwahrscheinlichkeit der Konstruktion – angestrebte Zuverlässigkeit β = 3,0 bis 4,5 (entspricht einer Ausfallwahrscheinlichkeit von ca. 0,001 bis 0,00003) . Die Wahl des β-Wertes hängt von den Folgen eines Versagens der Konstruktion (Sicherheitsstufe) ab – Sicherheitsstufe I (schwerwiegende Folgen – z. B. Gießereikrane zum Transport von geschmolzenem Metall, große Turmdrehkrane) – – β ≥ 4,0 – Sicherheitsstufe II (allgemein schwerwiegende Folgen – z. B. Universalkrane) – β ≥ 3,5 – Sicherheitsstufe III (relativ geringfügige Folgen – z. B. kleine Wartungskrane) – β ≥ 3,0.

Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit

In der Norm festgelegte Prüfpunkte für die Tragfähigkeitsgrenzzustände: Festigkeitsnachweis – Normalspannung im Querschnitt σ ≤ f_y/γM (f_y ist die Streckgrenze des Stahls – γM ist der Teilkoeffizient für die Tragfähigkeit (1,0 bis 1,15 – abhängig von der Materialart und der Bruchart) – – Scherspannung τ ≤ f_y/(√3·γM)). Stabilitätsnachweis – Gesamtstabilität (Stabilität von Biege-Druck-Bauteilen in der Biegeebene und außerhalb der Biegeebene unter Einwirkung eines Biegemoments – Berechnung nach der Euler-Formel und dem äquivalenten Biegemomentkoeffizienten) – Lokale Stabilität (das Breiten-Dicken-Verhältnis der Platte muss die Grenzwerte einhalten – es darf keine lokale Knickung an den gedrückten Flanschen und der Stegplatte auftreten) . Ermüdungsnachweis – Ermüdungsklasse der Details – entsprechend der Klassifizierung der Schweißverbindungen (z. B. Stumpfnaht, Kehlnaht, Schraubenlöcher, Grundwerkstoff usw. – für jede Detailklasse gilt eine andere S-N-Kurve für die Ermüdungsfestigkeit) – — Ermüdungslastspektrum (Spannungsamplitude Δσ für jedes Ermüdungslastniveau und die entsprechende Anzahl der Zyklen n – gemäß dem linearen kumulativen Schadenskriterium von Palmgren-Meiner – Gesamtschaden D ≤ 1,0). Steifigkeitsnachweis (SLS) – maximale Durchbiegung des Hauptträgers in der Mitte der Spannweite unter Nennlast ≤ L/700 bis L/1000 (festgelegt entsprechend der Betriebsklasse des Krans und den Anforderungen an die Positioniergenauigkeit). Bruchmechanische Nachweise – für in Betrieb befindliche Kräne – bei Feststellung von Rissen an kritischen Stellen – Berechnung der Rissausbreitungsgeschwindigkeit und der kritischen Risslänge unter bestimmten Belastungen mittels bruchmechanischer Verfahren – Ermittlung der Anzahl der sicheren Einsatzzyklen oder der Zeitdauer bis zur nächsten Inspektion. Besondere Hervorhebung in der Norm – Die Berechnungsgenauigkeit der LSD-Methode hängt von der genauen Abschätzung der Last- und Werkstoffparameter ab – Bei der Auslegung sollten die Unsicherheiten der Parameter ausreichend berücksichtigt werden – Falls erforderlich, sollten konservativere Teilfaktoren verwendet werden.

Vergleich zwischen der LSD-Methode und der ASD-Methode

Vergleichende Analyse der LSD-Methode und der ASD-Methode gemäß der Norm: Unterschiedliche Verteilung der Sicherheitsreserve – Bei der ASD-Methode wird der gesamte Sicherheitsfaktor (1,5) ausschließlich auf die Widerstandsseite konzentriert (zulässige Spannung = Streckgrenze/1,5) – ohne Unterscheidung nach Lastart – alle Lasten werden gleich behandelt. Bei der LSD-Methode wird die Sicherheitsreserve getrennt auf die Lastseite (Lastteilfaktor > 1) und die Widerstandsseite (Widerstandsteilfaktor<1) – Je unvorhersehbarer eine Last ist (z. B. Windlast), desto größer ist der Teilkoeffizient – je besser kontrollierbar eine Last ist (z. B. Eigengewicht), desto kleiner ist der Teilkoeffizient – desto wissenschaftlicher ist die Methode. Die LSD-Methode führt bei gleicher angestrebter Zuverlässigkeit zu einer wirtschaftlicheren Auslegung – da die Wahrscheinlichkeit, dass alle Lasten in einer Lastkombination gleichzeitig ihren Maximalwert erreichen, sehr gering ist – was durch den Kombinationskoeffizienten (Ψ) berücksichtigt wird – die Auslegungslasten liegen näher am tatsächlichen Lastniveau als bei der ASD-Methode – —Das Gewicht der Konstruktion kann um 51 TP3T bis 151 TP3T reduziert werden. Die Methoden zur Ermüdungsnachweise unterscheiden sich: Bei der ASD-Methode wird ein einziger Gesamt-Sicherheitsfaktor verwendet, während die LSD-Methode auf der S-N-Kurve basierende Verfahren zur kumulativen Schadensbewertung nutzt, wodurch Ermüdungsschäden präziser quantifiziert werden. Die Norm geht davon aus, dass die LSD-Methode bei großen und wichtigen Kranen (hohe Tragfähigkeit, hohe Betriebsklasse) genauer und sicherer ist als die ASD-Methode – daher wird die Anwendung der LSD-Methode bei der Auslegung wichtiger Krane empfohlen. Bei kleinen und mittleren Allzweckkranen ist die Berechnung nach der ASD-Methode einfacher. – und erfüllt die Nutzungsanforderungen. Abschließend weist die Norm darauf hin, dass derzeit international ein Übergang von der ASD-Methode zur LSD-Methode in der Kranauslegung stattfindet – ISO 21657 bietet den technischen Rahmen für die Aktualisierung der nationalen Normen.

Häufig gestellte Fragen