Krananlagen: Last, Tragfähigkeit & Beanspruchung

• Ständige Einwirkungen: Eigengewicht von Struktur, Antrieben, Schienen, Kabeln.

• Veränderliche betriebliche Einwirkungen: Gehobene Last (inkl. dynamischer Zuschläge), Trägheitskräfte aus Fahr- und Hubbewegungen, Schrägzug, Anschlagstöße, Schwenk- und Kurvenfahrt, Festfahrkräfte an Endanschlägen.

• Umwelteinwirkungen: Wind auf Struktur und Last, Temperatur, Schnee/Eis, ggf. Seegang (Offshore), Erdbeben.

• Außergewöhnliche Einwirkungen: Not-Halt, Lastabwurf, Pufferstoß, Kollision.

• Klasse der Nutzung (Class of Utilization, U): Beschreibt die Gesamtzahl der Lastwechsel/Zyklen während der Lebensdauer (z. B. von gelegentlichem bis sehr häufigem Einsatz).

• Lastkollektiv-/Spektrumsklasse (Load Spectrum, Q): Kennzeichnet die Häufigkeitsverteilung der Lasten im Verhältnis zur Nenntraglast (leicht, mittel, schwer, sehr schwer).

• Krandienstklasse (Crane Duty Group, A1–A8): Ergebnis der Kombination aus U und Q; A1 = sehr leicht, A8 = sehr schwer/sehr hohe Beanspruchung. Diese Klasse bezieht sich auf die Struktur des Krans.

• Mechanismengruppe (Mechanism Group, M1–M8): Klassifizierung einzelner Antriebsmechanismen (Hubwerk, Kranfahrt, Katzfahrt) nach ISO/FEM in Abhängigkeit von Zyklenzahl und Lastspektrum.

• FEM 1Bm ≈ ISO M3 (leichter Betrieb, geringe Zyklen)

• FEM 1Am ≈ ISO M4

• FEM 2m ≈ ISO M5

• FEM 3m ≈ ISO M6

• FEM 4m ≈ ISO M7/M8 (schwerster Betrieb, hohe Zyklen)

• A2–A3/M3–M4: Gelegentlicher Werkstattbetrieb, einfache Montagekrane.

• A4–A5/M5: Regelmäßiger Fertigungs- und Logistikbetrieb.

• A6–A8/M6–M8: Prozesskrane, Gießerei-/Kokillenhandling, Containerkrane mit hohen Zyklen und schweren Spektren.

• m [kg], Gewicht/Masse; g [m/s²], Erdbeschleunigung

• G [N], ständige Einwirkung (Eigengewicht)

• Q [N], veränderliche Einwirkung (Nutzlast inkl. Dynamik)

• SWL/WLL [t oder kg], Nenntraglast/Arbeitslastgrenze

• σ, τ [MPa], Normal- und Schubspannung

• γF, γM [–], Teilsicherheitsbeiwerte für Lasten/Material

• ψ0, ψ1 [–], Kombinationsbeiwerte

• φ [–], dynamischer Beiwert

• v [m/s], Geschwindigkeit; a [m/s²], Beschleunigung

• n [-], Anzahl Zyklen; D [–], Schadenssumme (Miner-Regel)

• L [m], Spannweite; H [m], Hubhöhe

• ULS/FLS [–], Grenzzustände Tragfähigkeit/Ermüdung

• PLC/SPS (Programmable Logic Controller), F-CPU (fehlersichere Steuerung)

• E-Stop (Not-Halt), STO (Safe Torque Off)

• Tragfähigkeit – Load Capacity

• Nenntraglast – Safe Working Load (SWL)

• Beanspruchung – Load Effect/Stress

• Gefährdungsbeurteilung – Risk Assessment

• Erstabnahme – Initial Inspection

• Prüfbuch – Inspection Logbook

• wiederkehrende Prüfung – Periodic Test.

• die Abgrenzung von Nenntraglast (SWL) und tatsächlicher Tragfähigkeit,

• die Einwirkungen und Lastkombinationen für Grenzzustände der Tragfähigkeit (ULS) und Ermüdung (FLS) inklusive Kombinationsbeiwerten ψ,

• die Einordnung in Duty-/Serviceklassen (ISO/FEM) und deren Zuordnung zur Krandienstklasse,

• die Modellierung von Lastkollektiven und Einsatzprofilen als Grundlage für Auslegung, Nachrechnung und Re-Rating.

• Nenntraglast (Safe Working Load, SWL): Herstellerseitig festgelegte maximal zulässige Last für eine definierte Konfiguration (z. B. Anzahl der Seilstränge, Hubhöhe, Ausladung, Betriebsumgebung). Sie dient der Betriebssicherheit und Kennzeichnung, ist jedoch nicht mit der rechnerischen Tragfähigkeit einzelner Komponenten gleichzusetzen.

• Tragfähigkeit (Load Capacity): Ergebnis der Bemessung der Struktur- und Mechanismenbauteile gegen die maßgebenden Grenzzustände. Sie entsteht aus Lastannahmen, Teilsicherheitsbeiwerten und Nachweisen (ULS, FLS, ggf. SLS). Die SWL darf die aus der Bemessung abgeleitete zulässige Last nicht überschreiten.

• WLL der Lastaufnahmemittel (Working Load Limit) ist separat zu betrachten und muss im Verbund mit der SWL des Krans immer eingehalten werden. Die zulässige Betriebslast ist der niedrigste Wert aus SWL (Kran), WLL (Anschlag-/Aufnahmemittel) und weiteren Begrenzungen (z. B. Greifer, Magnet).

• Ständige Einwirkungen (G):

• Eigengewicht von Brücke, Katze, Hubwerk, Schienen, Energiezuführung.

• Vorspannungen, permanente Anbauten.

• Nutzlast inkl. Anschlagmittel; dynamische Zuschläge aus Huben, Beschleunigen/Bremsen, Anfahren/Anschlagen (dynamischer Beiwert φ).

• Trägheitskräfte der Fahrtantriebe (Kran- und Katzfahrt), Kurven- und Schrägfahrt, Schrägzug, Pendelbewegung der Last.

• Festfahr- und Pufferstoßkräfte an Endanschlägen; Schienenverkippung, Schienenstoß.

• Wind auf Struktur und ggf. auf die hängende Last (unterschieden in Betrieb und Außerbetrieb, inkl. Park-/Sturmfall).

• Temperaturfelder und -gradienten (Längenausdehnung, Zwängung), ggf. Schnee/Eis; seismische Einwirkungen, wenn gefordert.

• Not-Halt, Bremsausfall mit Pufferstoß, Kollision, Lastabwurf (nur für Robustheitsszenarien; nicht zur Bestimmung der SWL).

• Der dynamische Beiwert φ berücksichtigt die Verstärkung aus Beschleunigung, Ruck, Seildurchhang/Schwingung und Anschlagvorgang. φ ist abhängig von Hubgeschwindigkeit, Regelgüte, Dämpfung (z. B. Frequenzumrichter), Seiltrieb (Anzahl Stränge) und dem Bedienverhalten.

• Für Kurven-/Schrägfahrt sowie unsymmetrische Lastverteilung sind seitliche Kräfte, Schräglauf und Radlastumlagerungen zu erfassen.

• Basislastfälle werden gebildet (z. B. G + Qhub + Qfahrt + Windbetrieb).

• Bei gleichzeitigem Auftreten mehrerer variabler Einwirkungen werden nichtleitende Anteile durch ψ0/ψ1 reduziert (z. B. Wind mit ψ, wenn die volle Nutzlast gehoben wird).

• Für Außerbetriebzustände (Parkfall) gelten eigene Kombinationen: G + Wind außer Betrieb (erhöht), ggf. Temperatur; Nutzlast ist i. d. R. 0.

Die konkreten ψ-Werte sind normativ festgelegt und vom Szenario abhängig (Betrieb vs. Außerbetrieb, häufige vs. quasi-ständige Anteile). In der Praxis werden Kombinationen projektspezifisch verbindlich festgelegt und in den Rechenunterlagen eindeutig dokumentiert.

• Strukturteile (Stahl): Nachweise für Querschnitte (Plastizität/Fließen), Stabilität (Beulen, Knicken, Kippen), Verbindungen (Schweißnähte, Schrauben). Berücksichtigung von Imperfektionen, Exzentrizitäten, lokaler Spannungskonzentration.

• Rad-/Schienenkontakte: Radlasten, Querkräfte, Kontaktpressungen, Schienenbefestigungen, Pufferanschlüsse.

• Mechanismen: Wellen, Zahnräder, Lager, Bremsen und Kupplungen gegen statische Überlast (i. d. R. in Produktnormen ergänzt).

• Park-/Sturmfall: Nachweis gegen Abheben/Entgleisen (Klemmvorrichtungen, Schienenzangen), Sicherung gegen unbeabsichtigte Fahrbewegung.

Ermüdung ist für Krane regelmäßig bemessungsentscheidend, da wechselnde Lasten und Bewegungszyklen vorliegen.

• Spannungs-Zeit-Verläufe werden zu Spannungsbereichen Δσ oder Δτ verarbeitet; maßgebend sind Beanspruchungsdetails (Kerben, Schweißnähte, Radauflagen).

• Die Einwirkungshistorie wird als Lastkollektiv beschrieben (Block- oder Spektrumslasten). Grundlage sind die Lastspektrumklasse (Q) und die Nutzungsklasse (U) nach EN 13001.

• Ermüdungsnachweis über Wöhlerlinien (S-N-Kurven) für die jeweilige Detailklasse; Schadensakkumulation nach Miner (Schadenssumme D ≤ 1,0).

• Dynamische Effekte (φ) gehen in Δσ ein; Schwingung der Last (Pendel), Schrägzug und Fahrdynamik erhöhen die Spannungsbereiche.

• EN 13001-3-x knüpft an anerkannte Detailklassifizierungen (z. B. Schweißnahtkategorien). Für lokale Hot-Spots (Knoten, Radkastenecken, Ausklinkungen) sind erhöhte Detailanforderungen anzusetzen.

• Für Seile und Ketten gelten spezifische Ermüdungsregeln (ISO 4309 für Seile, produktnormativ für Ketten/Hubwerke).

• Je schwerer das Lastspektrum (Q) und je höher die Nutzungsklasse (U), desto größer die Anforderungen an Querschnitte, Details, Fertigungsqualität und Inspektionsintervalle.

• Änderungen des Einsatzprofils (z. B. höhere Taktung, Zunahme schwerer Hübe) erfordern die Aktualisierung des Kollektivs und eine Nachbewertung des FLS.

• Nutzungsklasse U (Utilization): Gesamtzahl der Lastwechsel/Zyklen über die Lebensdauer (von selten bis sehr häufig).

• Lastspektrumklasse Q (Load Spectrum): Verhältnis schwerer zu leichter Lasten (leicht, mittel, schwer, sehr schwer).

• Krandienstklasse A1–A8: Kombination aus U und Q ergibt die strukturelle Dienstklasse (A1 sehr leicht bis A8 sehr schwer).

• Mechanismengruppe M1–M8 (ISO/FEM): Für einzelne Mechanismen (Hubwerk, Kran- und Katzfahrt) analog bestimmt.

• A2–A3 / M3–M4: Montage- und Werkstattkrane mit sporadischem Einsatz, überwiegend leichte Lasten.

• A4–A5 / M5: Fertigung und Logistik mit regelmäßigem Betrieb, gemischtes Spektrum.

• A6–A8 / M6–M8: Prozess- und Umschlagkrane (Gießerei, Schrott, Container), hohe Zyklen, schwere bis sehr schwere Lasten.

• Tägliche/Jährliche Betriebsdauer (h/Tag, Schichten), geplante Gesamtdauer (Jahre).

• Hübe pro Stunde/Schicht; Verteilung der Lasten in Klassen (z. B. 0–25 %, 25–50 %, 50–75 %, 75–100 % der SWL).

• Bewegungsfolgen: nur Hub oder kombinierte Bewegungen (Hub + Katz + Kranfahrt), Rüstzeiten, Haltezeiten.

• Umgebungsbedingungen: Innen/Außen, Temperaturbereiche, Windexposition, Verschmutzung.

• Sonderbetriebe: Tandemhub, Lastdrehen, Lastpendeldämpfung, frequenzgeregelter Betrieb.

• Planannahmen aus der Produktions-/Logistikplanung (Soll-Profil).

• Historische Betriebsdaten und Zähler (Hubzahl, Lastkollektivzähler am Umrichter).

• Condition Monitoring nach ISO 12482 (Echtzeit- und Langzeitdaten; Ereignis-/Spitzenlastaufzeichnung).

• Audits/Beobachtungen des Bedienverhaltens, Lastaufnahmemittel-Logs (WLL-Nutzung).

• Blockkollektive oder kontinuierliche Spektren; Einteilung in Lastklassen mit Häufigkeiten.

• Rainflow- oder Zählverfahren für Spannungsbereiche; Transformation auf maßgebende Details.

• Abgleich Soll/Ist: Bei Abweichungen sind Duty-/Mechanismengruppen und FLS-Nachweise zu aktualisieren.

• Schritt 1 – Spezifikation des Einsatzprofils: Festlegung von U und Q, Mechanismengruppen je Antrieb, Umgebungs- und Betriebsbedingungen.

• Schritt 2 – System- und Lastmodell: Geometrie, Masseverteilung, Lagerung, Seilzugkonfiguration; Identifikation der Einwirkungen (G, Q, Dynamik, Wind, Temperatur, Puffer).

• Schritt 3 – Lastkombinationen: Definition der maßgebenden Betriebs- und Außerbetriebskombinationen mit ψ; Festlegung der Extrem- (ULS) und Spektralansätze (FLS).

• ULS: Querschnitt, Stabilität, Verbindungen, Rad/Schiene, Mechanismen.

• FLS: Detailklassen, Spannungsbereiche, Miner-Summe D ≤ 1,0; ggf. Hot-Spot-Analysen.

• Sensitivitätsanalysen (z. B. Variation φ, Wind, Lastverteilung), Plausibilitätscheck der Zyklen und ψ-Ansätze.

• Rückführung in SWL-Festlegung, Typenschild-/Beschilderungsupdate; Abstimmung Betriebsanleitung.

• Einrichtung von Zählern/Monitoring (ISO 12482); Ableitung von Prüf-/Wartungsintervallen aus Duty-Klassen und realen Daten.