ISO 20332:2016 Grenzzustandsverfahren im Kranbau
ISO 20332:2016 „Krane – Grenzzustandsverfahren – Nachweis der Strukturfestigkeit von Stahlkonstruktionen“ ist die Verifikationsnorm für den Nachweis von Kranstahlbauten nach dem Grenzzustandsverfahren. Die Norm legt die Lastkombinationen, Teilsicherheitsbeiwerte und Nachweisverfahren für die Festigkeit von Stahlkonstruktionen im Grenzzustand der Tragfähigkeit und im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit fest.
Klassifizierung der Grenzzustände
ISO 20332:2016 unterscheidet bei Kranstahlkonstruktionen folgende Grenzzustände: den Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS – Zustand, bei dem die Konstruktion ihre maximale Tragfähigkeit erreicht – einschließlich Gesamtstabilitätsverlust, lokalem Beulen, Materialfließen, Bruch und Ermüdungsbruch), den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS – Zustand, bei dem Verformung oder Vibration die zulässigen Gebrauchswerte überschreiten – einschließlich übermäßiger elastischer Verformung, Vibration und Geräuschentwicklung) sowie den Ermüdungsgrenzzustand (FLS – Zustand, bei dem die Konstruktion unter wechselnder Last einen Ermüdungsbruch erleidet). Dieser Artikel behandelt die Nachweisverfahren für ULS und SLS; der Ermüdungsnachweis erfolgt nach ISO 24035.
Lastkombinationen für den ULS-Nachweis – Bei der ULS-Überprüfung sind folgende Lasten zu berücksichtigen: ständige Lasten G (Eigengewicht der Konstruktion, Gewicht fester Ausrüstung), veränderliche Lasten Q (hängende Last, Windlast, Schneelast, Temperaturlast) sowie außergewöhnliche Lasten A (Erdbeben, Kollision, Stoß). Die Lasten werden mit den jeweiligen Teilsicherheitsbeiwerten multipliziert und kombiniert: Grundkombination γG×G + γQ×Q, außergewöhnliche Kombination G + A + ψ×Q. Der Teilsicherheitsbeiwert γG (für ständige Lasten) beträgt 1,2 (ungünstig) bzw. 1,0 (günstig), γQ (für veränderliche Lasten) beträgt 1,5.
Nachweisverfahren der Strukturfestigkeit
Grundformel des Festigkeitsnachweises – Unter der Bemessungslastkombination muss die Spannung σd an jeder Stelle der Konstruktion die Bedingung σd ≤ f_d/γM erfüllen, wobei f_d die Bemessungsfestigkeit des Materials (basierend auf der Streckgrenze dividiert durch den Material-Teilsicherheitsbeiwert γM) und γM den Material-Teilsicherheitsbeiwert (für Stahl 1,0–1,1, für Schweißnähte 1,15–1,25) darstellt. Für Druckglieder ist zusätzlich ein Stabilitätsnachweis erforderlich – Gesamtstabilität (Euler-Knicken) und lokale Stabilität (Begrenzung des Breiten-Dicken-Verhältnisses der Bleche).
Stabilitätsnachweis – Der Stabilitätsbeiwert φ für Druckglieder wird in Abhängigkeit von der Schlankheit λ und der Querschnittsklassifizierung (Klassen a, b, c) bestimmt; die Nachweisformel lautet N/(φ×A) ≤ f_d/γM. Für die Gesamtstabilität von Biegeträgern gilt: Bei ausreichendem Abstand der seitlichen Abstützungen kann auf den Gesamtstabilitätsnachweis verzichtet werden, andernfalls ist der Nachweis über φb×W×f_d/γM zu führen. Für die lokale Stabilität von Blechen gelten: Breiten-Dicken-Verhältnis des Flansches b/t ≤ 15 (Q235), Verhältnis Stegblechhöhe zu -dicke h0/tw ≤ 80 (mit Quersteifen ≤ 180). Kelude wendet das Grenzzustandsverfahren konsequent bei der Festigkeitsbemessung von Stahlkonstruktionen an.
| Grenzzustand | Lastkombination | Bewertungskriterien | Teilsicherheitsbeiwert |
|---|---|---|---|
| ULSTragfähigkeit | γG×G+γQ×Q | σd≤fd/γM | γG=1.2,γQ=1.5 |
| SLSnormal | G+Q+ψ×Q | Verformung≤L/400 | ψ=0.7~1.0 |
| FLSErmüdung | Beanspruchungskollektiv | D≤1.0 | γF=1.25 |
| außergewöhnlich | G+A+ψ×Q | σd≤1.5fd | ohne zusätzliche Teilsicherheitsbeiwerte |
Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit
Die Verformungsanforderungen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS) umfassen: Die Durchbiegung des Hauptträgers in der Mitte der Spannweite darf unter Nennlast L/400 bis L/500 nicht überschreiten (bei schwerer Arbeitsweise gilt der strengere Wert), die Durchbiegung am Auslegerende ist auf L/300 begrenzt. Die relative Durchbiegung an Kran- und Katzbahn darf 5 mm nicht überschreiten. Die maximale horizontale Verschiebung der Struktur beträgt in Kranfahrrichtung H/800 (H = Höhe über Schienenoberkante) und in Katzfahrrichtung H/500. Die Verformungsnachweise werden mit der Standard-Lastkombination (ohne Teilsicherheitsbeiwerte) geführt – G + Q (hängende Last mit Nennlast, Windlast mit dem Winddruck im Arbeitszustand).
Die Anforderungen an die dynamische Steifigkeit: Die Hauptfrequenz der Strukturschwingung beim Anfahren und Bremsen unter Nennlast muss ≥ 2 Hz betragen (um Unbehagen des Bedieners und Resonanz mit dem menschlichen Körper zu vermeiden). Die Dämpfungszeit der Struktur nach plötzlichem Entlasten unter Volllast darf 5 s nicht überschreiten. Für Krane mit Präzisionspositionierungsanforderungen (z. B. Gießkrane) gelten strengere Vertikalsteifigkeitsanforderungen (Durchbiegungsgrenzwert L/800 bis L/1000). Die Kranstahlbau-Konstruktion von Kelude Schwerindustrie erfüllt strikt die SLS-Verformungs- und dynamischen Steifigkeitsanforderungen.
Prüfbericht zur Strukturfestigkeit
Der Prüfbericht zur Strukturfestigkeit der Stahlkonstruktion sollte folgende Inhalte umfassen: Berechnungsgrundlagen (angewandte Normen und deren Ausgaben), technische Parameter des Krans (Tragfähigkeit, Spannweite, Triebwerksgruppe usw.), Lastannahmen und Lastkombinationen (Lastwerte und Kombinationsbeiwerte für die jeweiligen Betriebsbedingungen), Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse oder analytischen Berechnung (Spannungsverteilung, Verformungsdiagramme und Stabilitätsanalyse) sowie die Schlussfolgerungen für jeden Grenzzustand (ob ULS und SLS erfüllt sind) und Empfehlungen. Der Prüfbericht ist von einem qualifizierten Tragwerksplaner zu unterzeichnen.
| Nachweisumfang | Anforderungen | Berechnungsverfahren | Berichtsinhalt |
|---|---|---|---|
| ULSFestigkeit | σd≤fd/γM | Finite-Elemente-Methode (FEM)/analytisch | SpannungSpannungsverteilungsdiagramm+Schlussfolgerung |
| ULSStabilität | N/(φA)≤fd/γM | Euler | Stabilitätsnachweis |
| SLSVerformung | δmax≤L/400 | DurchbiegungBerechnung | VerformungSpannungsverteilungsdiagramm |
| SLSVibration | Eigenfrequenz≥2Hz | Modalanalyse | FrequenzWert |
Häufige Fragen zur Kranstatik
F: Welche Grenzzustände unterscheidet ISO 20332:2016?
A: Der Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS – Festigkeit/Stabilität), der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS – Verformung/Vibration) und der Ermüdungsgrenzzustand (FLS – Ermüdungslebensdauer). Für ULS und SLS gelten unterschiedliche Lastkombinationen und Teilsicherheitsbeiwerte.
F: Wie werden die Teilsicherheitsbeiwerte für Lasten angesetzt?
A: Bei ungünstiger Wirkung der ständigen Last gilt γG=1,2, bei günstiger Wirkung γG=1,0. Für veränderliche Lasten gilt γQ=1,5. Der Teilsicherheitsbeiwert für Stahl beträgt γM=1,0–1,1, für Schweißnähte γM=1,15–1,25. Für die außergewöhnliche Lastkombination gilt G+A+ψ×Q.
F: Welche Verformungsanforderungen gelten im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit?
A: Die Durchbiegung des Hauptträgers unter Nennlast darf L/400 (mittlere Hubklasse) bis L/500 (schwere Hubklasse) nicht überschreiten, am Auslegerende gilt L/300. Die relative Durchbiegung an der Schiene ist auf ≤5 mm begrenzt. Die Eigenfrequenz der Konstruktion muss ≥2 Hz betragen. Bei Kränen mit präziser Positionierung gelten strengere Durchbiegungsgrenzwerte.
F: Wie lautet die Nachweisformel für den Festigkeitsnachweis im ULS?
A: σd ≤ fd/γM – σd ist die Bemessungsspannung (unter der maßgebenden Lastkombination), fd die Bemessungsfestigkeit des Materials (basierend auf der Streckgrenze) und γM der Teilsicherheitsbeiwert des Materials. Bei Druckbeanspruchung ist zusätzlich die Gesamtstabilität nach N/(φA) ≤ fd/γM zu prüfen. Die Stahlbau-Konstruktion von Kelude wird durchgängig nach dem Grenzzustandsverfahren nachgewiesen.
