ISO 24035:2020 Ermüdungsbewertung Kranstahlbau
Die Norm ISO 24035:2020 „Krane – Stahlkonstruktionen – Verfahren zur Ermüdungsbewertung“ ist die spezifische Richtlinie für die Ermüdungslebensdauerbewertung von Kranstahlbauten. Sie legt das auf der Spannungslebensdauer basierende Bewertungsverfahren fest – einschließlich der Auswahl von S-N-Kurven, der Zählung von Spannungsspielen, der Berechnung der Schädigungsakkumulation und des Nachweisverfahrens für die sichere Lebensdauer.
Ablauf der Ermüdungsbewertung nach ISO 24035
Das in ISO 24035:2020 festgelegte Ermüdungsbewertungsverfahren umfasst folgende Schritte: Erfassung des Lastkollektivs (Aufzeichnung der Last-Zeit-Verläufe und Lastspielstatistik über den gesamten Lebenszyklus des Krans), Strukturelle Spannungsanalyse (Durchführung einer Finite-Elemente-Analyse oder Messung mit Dehnungsmessstreifen an den zu bewertenden Stellen, um das Beanspruchungskollektiv für die jeweiligen Betriebsbedingungen zu ermitteln), Auswahl der S-N-Kurve (Zuordnung der passenden Kurve basierend auf Stahlsorte, Verbindungsdetail und Spannungsverhältnis), Berechnung der Ermüdungsschädigung (Anwendung der Palmgren-Miner linearen Schadensakkumulationsregel zur Bestimmung der Gesamtschädigung D = Σ n_i/N_i) und abschließend die Bewertung der Ermüdungslebensdauer (Bewertung anhand der kumulierten Schädigung D; die Struktur gilt als sicher, wenn D ≤ 1,0 ist).
Auswahl der Bewertungsstellen – Die Ermüdungsbewertung muss alle Bereiche mit Spannungskonzentrationen in der Stahlkonstruktion abdecken (z. B. Schweißnähte an Verbindungen, Querschnittswechsel, Bohrungen, Nahtzehen) sowie Bereiche, die hohen wechselnden Beanspruchungen ausgesetzt sind (z. B. Mitte der Spannweite des Hauptträgers, Verbindungen zum Kopfträger, Fußpunkte der Stützbeine). Für jeden Kran sind mindestens 3 bis 5 ermüdungsempfindliche Stellen zu bewerten. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die Erstellung regelmäßiger Inspektionspläne und die Strategie des Lebensdauermanagements.
Auswahl der S-N-Kurven und FAT-Klassen
Die Norm klassifiziert die S-N-Kurven anhand der Verbindungsdetails der Stahlkonstruktion: Grundmaterial (ohne Schweißnaht) wird der FAT-Klasse 160 zugeordnet (160 MPa bei 2×10⁶ Lastspielen), geschliffene Stumpfnähte der FAT-Klasse 125, Stumpfnähte im Schweißzustand der FAT-Klasse 112, Kehlnaht- und T-Stöße der FAT-Klasse 100 sowie Kreuzstöße und Schweißnähte an Aussteifungsblechen der FAT-Klasse 80. Die Ermüdungsfestigkeit wird auf eine Lastspielzahl von 2×10⁶ bezogen (im Stahlbau wird häufig 5×10⁶ Zyklen als Bezugswert für die Dauerfestigkeit verwendet).
Neigung der S-N-Kurven – Der Zusammenhang zwischen Spannungsspiel Δσ und Ermüdungslebensdauer N wird im doppellogarithmischen Maßstab als Gerade mit der Neigung m dargestellt. Für m wird in der Regel 3 (im Schweißzustand) bzw. 5 (Grundmaterial und geschliffene Nähte) angenommen. Oberhalb von 2×10⁶ Lastspielen weist die S-N-Kurve im Bereich hoher Spannungen eine Dauerfestigkeit auf (unterhalb dieser Spannungsamplitude tritt kein Ermüdungsversagen mehr auf). Bei veränderlichen Lastamplituden (Wippen) ist die Berechnung mit einer äquivalenten Spannungsschwingbreite Δσeq = (∑n_i×Δσ_i³/N_total)^(1/3) durchzuführen.
| Anschlussdetails | FAT-Klasse | mWert | ErmüdungGrenzwert | typische Stelle |
|---|---|---|---|---|
| Grundwerkstoff | 160 | 5 | 73MPa | Stegblech des Hauptträgers |
| Stumpfstoß(geschliffen) | 125 | 3 | 57MPa | FlanschblechStumpfstoß |
| Stumpfstoß(Schweißzustand) | 112 | 3 | 51MPa | StegblechStumpfstoß |
| Kehlnaht | 100 | 3 | 45MPa | AussteifungsblechVerbindung |
| Kreuzstoß | 80 | 3 | 36MPa | Hauptträger und EndwagenVerbindung |
| plusAussteifungsblech | 80 | 3 | 36MPa | SteifeEnde |
Spannungsspielzählung und Schadensakkumulation
Zur Erstellung des Beanspruchungskollektivs wird die Rainflow-Zählmethode (Rainflow Counting) auf den Last-Zeit-Verlauf angewendet. Dabei werden die Spannungsspiele hinsichtlich ihrer Spannungsamplitude und Mittelspannung erfasst und klassifiziert. Die Rainflow-Methode gilt international als das Standardverfahren zur Ermüdungszykluszählung. Aus den Zählergebnissen wird ein Spannungsbereichs-Histogramm (Δσi-ni-Verteilung) abgeleitet. Die Bewertung der Schädigung erfolgt nach der Palmgren-Miner linearen Schadensakkumulationsregel (D = Σ n_i/N_i ≤ 1,0 für den Nachweis der Auslegungslebensdauer), wobei n_i die gemessene Anzahl der Spannungsspiele der i-ten Spannungsamplitude und N_i die zulässige Schwingspielzahl aus der Wöhlerlinie (S-N-Kurve) für die entsprechende Spannungsamplitude darstellt.
Für D < 1,0 gilt die Struktur als sicher; bei D = 1,0 ist die rechnerische Ermüdungslebensdauer erreicht. Gemäß Norm sind folgende Sicherheitsfaktoren für die Ermüdung zu berücksichtigen: Wird ein rechnerisches Lastkollektiv anstelle von Messdaten verwendet, ist ein Sicherheitsfaktor von ≥ 1,25 anzusetzen. Für nicht einsehbare Schweißnähte (z. B. Innennähte geschlossener Hohlprofile) gilt ein Faktor von ≥ 1,5. Bei Kranen, die für den Personen transport eingesetzt werden, ist ein Sicherheitsfaktor von ≥ 2,0 erforderlich.
Bewertungsbericht und Lebensdauermanagement
Ein umfassender Ermüdungsbewertungsbericht umfasst folgende Kernpunkte: die zugrunde gelegten Normen, die technischen Parameter und die Betriebshistorie des bewerteten Krans, das Lastkollektiv inklusive Herkunft und statistischer Auswertung, die Ergebnisse der Spannungsanalyse (basierend auf Finite-Elemente-Modellen oder Messdaten von Dehnungsmessstreifen), die Auswahl und Begründung der Wöhlerlinie sowie die zugehörige FAT-Klasse, die Berechnung der Schadensakkumulation mit Schlussfolgerung zur Restlebensdauer sowie konkrete Wartungsempfehlungen mit Angabe der prioritären Prüfstellen und Inspektionsintervalle. Die Kelude Schwerindustrie bietet umfassende Bewertungsdienstleistungen für die Ermüdung von Kranstahlbauten an.
| Sicherheitsfaktor | KoeffizientWert | Anwendungsbedingungen |
|---|---|---|
| Standard | 1.25 | BemessungslastSpektrum |
| nicht sichtbar | 1.5 | geschlossenSchweißnaht |
| Personenbeförderung | 2.0 | PersonalHeben und Transportieren |
| Hochtemperatur/Korrosion | 2.0 | Sonderumgebung |
Häufige Fragen
F: Wie läuft das Ermüdungsbewertungsverfahren nach ISO 24035:2020 ab?
A: Das Verfahren umfasst die Erfassung des Lastkollektivs, die Spannungsanalyse der Konstruktion, die Auswahl der S-N-Kurven, die Schadensakkumulationsberechnung (Miner-Regel) und die Bewertung der sicheren Lebensdauer. Die Bewertung sollte mindestens 3 bis 5 ermüdungsempfindliche Stellen abdecken (Schweißnahtkonzentrationszonen und Spannungskonzentrationszonen). Die Konstruktion gilt als sicher, wenn D ≤ 1,0 ist.
F: Wie wählt man die FAT-Klasse für die S-N-Kurve aus?
A: Grundmaterial FAT160, geschliffene Stumpfnaht FAT125, Schweißnaht im Anlieferungszustand FAT112, Kehlnaht FAT100, Kreuzstoß und Aussteifungsblech FAT80. Der m-Wert beträgt 3 für den Schweißzustand und 5 für das Grundmaterial. Die Dauerfestigkeit entspricht 2×10⁶ Lastspielen.
F: Welches Verfahren wird zur Zählung der Spannungsspiele verwendet?
A: Es wird die Rainflow-Zählmethode (Rainflow Counting) verwendet, die in den Ermüdungsbewertungsnormen empfohlen wird. Dabei werden die Spannungsschwingbreiten Δσi und die Mittelspannungen extrahiert, um ein Beanspruchungskollektiv als Histogramm zu erstellen. Die lineare Schadensakkumulation nach Miner ergibt sich aus D = ∑(ni/Ni); die Konstruktion ist sicher, wenn D ≤ 1,0.
F: Wie wird der Ermüdungssicherheitsfaktor festgelegt?
A: Für das Bemessungslastkollektiv wird 1,25 angesetzt, für Schweißnähte, die keiner Sichtprüfung zugänglich sind, 1,5, und für Krane mit Personentransport 2,0. Mit zunehmendem Sicherheitsfaktor wird die FAT-Klasse entsprechend angepasst. Kelude bietet Ermüdungsbewertung und Lebensdauermanagement für Stahlkonstruktionen an.
