Statische und konstruktive Aspekte

Die Integration von Krananlagen in neue oder bestehende Gebäude erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Bauplanung, Tragwerksplanung und Kranherstellern. Idealerweise wird bereits in der Planungsphase einer neuen Industriehalle der Kranlieferant oder Kranfachplaner hinzugezogen, sobald der Architekt erste Entwürfe erstellt. Dadurch lassen sich Halle und Kransystem optimal aufeinander abstimmen, anstatt den Kran erst nachträglich in ein ungeeignetes Gebäude einzupassen. Ein häufig beobachteter Fehler ist, dass Hallen zunächst ohne konkrete Kranplanung gebaut werden und anschließend der benötigte Kran nicht in das fertige Gebäude passt. Die Kranspezifikation sollte detailliert erfolgen (Tragfähigkeit, Spannweite, Hubhöhe, Nutzungsprofil etc.), da unterschiedliche Einsatzarten (z.B. reine Wartungskrane mit seltenem Gebrauch vs. Produktionskrane im Dreischichtbetrieb) zu völlig verschiedenen Anforderungen an Kranbauart, Dimensionierung und die Statik der Halle führen. So muss beispielsweise eine Halle für einen durchgängig genutzten Lagerkran deutlich robuster ausgelegt werden als für einen gelegentlich genutzten Wartungskran. Im Neubau können solche Anforderungen durch geeignete Bemessung der Kranbahnträger, Stützen und Fundamente berücksichtigt werden. Wichtig ist u.a. die räumliche Koordination: ausreichende Deckenhöhe, Kranbahnebene in passender Höhe, Berücksichtigung von Schwingbereichen und Pufferzonen um Kollisionen mit Gebäudeteilen oder Anlagen zu vermeiden.

Bei der Nachrüstung eines Krans in einem Bestandsgebäude ergeben sich besondere Herausforderungen. Oft wurde die Halle ursprünglich ohne Kran konzipiert; dementsprechend fehlen in der bestehenden Statik Reserven für die neuen dynamischen Lasten. Vor Einbau einer Krananlage im Bestand ist daher eine gründliche Tragwerksüberprüfung erforderlich. Es muss festgestellt werden, ob die vorhandenen Stützen, Träger, Kranbahnkonsolen und Fundamente die zusätzlichen Lasten aufnehmen können oder ob Verstärkungsmaßnahmen nötig sind. Praxisbeispiele zeigen etwa, dass der gleichzeitige Betrieb von zwei Brückenkranen in einem Hallenfeld die bestehende Statik überlasten kann, wenn dies nicht eingeplant war. In einem Fall mussten entweder die Halle bzw. die Kranbahn nachträglich verstärkt werden, oder der Parallelbetrieb der zwei Krane durfte nur mit reduzierter Last erfolgen, weil die Halle für Volllast „Puffer an Puffer“-Betrieb beider Krane nicht ausgelegt war. Solche Problematiken unterstreichen die Notwendigkeit, Lastkollektive und Betriebsszenarien im Voraus realistisch festzulegen und mit dem Tragwerksplaner abzustimmen. Gegebenenfalls sind nachträgliche Baumaßnahmen wie das Anbringen von Aussteifungen, der Austausch oder das Aufdopplern (Verstärken) von Kranbahnträgern, zusätzliche Stützen oder größere Fundamente unumgänglich, um die Lastabtragung sicherzustellen. Jede Veränderung an tragenden Teilen des Gebäudes – etwa das Anbringen einer Kranbahnkonsole an einer Halle – muss zudem gemäß Bauordnungsrecht geprüft und genehmigt werden. In Deutschland verlangen die Landesbauordnungen in solchen Fällen eine geprüfte Statik (Prüfstatik) durch einen anerkannten Prüfingenieur, um die Standsicherheit des geänderten Tragwerks zu gewährleisten.

Die Planung und der Betrieb von Krananlagen unterliegen umfangreichen Normen und Vorschriften, die sowohl technische Ausführungen als auch Sicherheit regeln. Zentrale technische Normen sind die Eurocodes und zugehörigen nationalen Anhänge, insbesondere: DIN EN 1991-3 (Eurocode 1, Teil 3: Einwirkungen auf Tragwerke – Kranlasten), DIN EN 1993-6 (Eurocode 3, Teil 6: Bemessung von Stahlbauten – Kranbahnträger und -unterstützungen) sowie Normen zur Ermüdungsbemessung (z.B. DIN EN 1993-1-9 für Stahlbau-Details). Historisch wurden Krantragwerke in Deutschland nach DIN 15018 bemessen – einer Norm von 1974, die Prinzipien für die Berechnung und Konstruktion von Kran-Stahlbauten unter statischer und ermüdungsrelevanter Beanspruchung festlegte. DIN 15018 klassifizierte Krane in Nutzungs- und Beanspruchungsgruppen (z.B. Hubklassen H1–H4, Spannungsgruppe B1–B4) und ermöglichte so eine standardisierte Auslegung auf bestimmte Lastspiele (Lastwechselzahlen). Heutige europäische Normen haben dieses Konzept weiterentwickelt: Die aktuelle Normenreihe EN 13001 („Kran - Konstruktion allgemein“) übernimmt vergleichbare Einstufungen in Hubklassen (HC), Hubwerkgruppen (HD) und S-Klassen für die Nutzungsintensität. Diese Einstufungen legen basierend auf der erwarteten Materialermüdung fest, für wie viele Lastwechsel ein Kranbauteil ausgelegt sein muss. Damit wird – ähnlich wie bei der alten DIN 15018 – eine bestimmte Lebensdauer der Kranstruktur standardisiert, jedoch mit moderneren Sicherheits- und Berechnungsmethoden.

Neben den technischen Eurocodes sind arbeitssicherheitliche Vorschriften zu beachten. In Deutschland verpflichten das Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG) und die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) den Betreiber, Arbeitsmittel wie Krane sicher bereitzustellen, regelmäßige Prüfungen durchzuführen und Gefährdungen zu beurteilen. Spezifische Regeln der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, insbesondere DGUV Vorschrift 52 „Krane“, enthalten detaillierte Vorgaben zu Bau, Ausrüstung, Betrieb und Prüfung von Krananlagen. Ergänzend bieten DGUV-Regeln (z.B. DGUV Regel 100-500, Kap. 2.8 „Krane“) und Technische Regeln für Betriebssicherheit (TRBS, z.B. TRBS 2111) praxisnahe Hinweise zur Umsetzung der Schutzziele. Schließlich fordern die Bauordnungen der Länder, dass die tragende Integration von Kranbahnen in Gebäuden den allgemein anerkannten Regeln der Technik entspricht – was de facto die Anwendung der genannten DIN-EN-Normen und Eurocodes voraussetzt. Somit bewegt sich ein Facility Manager in einem dichten Regelwerk aus bautechnischen Normen und sicherheitsrechtlichen Vorschriften, das einzuhalten ist, um sowohl strukturelle Sicherheit als auch Arbeitsschutz zu garantieren.

Ein wesentliches Merkmal von Krananlagen ist die dynamische Belastung, die sie auf das Tragwerk ausüben. Anders als statische Lasten (z.B. Eigengewicht) erzeugt ein bewegter Kran wechselnde und stoßartige Kräfte, die bei der Bemessung berücksichtigt werden müssen. Die Eurocode-Vorschriften klassifizieren Kranwirkungen als veränderliche Lasten (durch den regulären Kranbetrieb) und außergewöhnliche Lasten (durch seltene Ereignisse wie Pufferaufprall oder Lastkollisionen). Zu den veränderlichen vertikalen Lasten zählen das Eigengewicht des Krans und die gehobene Nutzlast; sie wirken als Radlasten auf die Kranbahnträger. Horizontale Lasten entstehen z.B. durch Beschleunigen und Abbremsen des Kranes in Fahr- oder Katzrichtung, durch Schräglauf (Seitendrift der Kranbrücke) oder Schwingungen beim Anheben und Ablassen von Lasten. Für diese dynamischen Effekte definieren die Normen dynamische Zuschläge (Schwingbeiwerte φ): so gibt DIN EN 1991-3 z.B. Faktoren für den Lastabhebstoß (φ_2, abhängig von Hubgeschwindigkeit und Hubklasse) oder für Pufferanprall (φ_7) vor. Im Kranlastkollektiv wird stets nur eine ungünstigste horizontale Krafteinwirkung zur gleichen Zeit angenommen (z.B. entweder Bremskraft oder Schräglaufkraft), um realistische Kombinationen zu bilden. Die Lastkombinationen für Kranbahnträger ergeben sich aus den maßgebenden Lastfällen mit unterschiedlichen Kranpositionen: maximal ungünstige Vertikallasten (Kran an kritischer Stelle mit voller Last) plus zugehörige Horizontalkräfte werden kombiniert, und zusätzlich müssen auch Situationen wie gleichzeitiger Betrieb mehrerer Krane (z.B. zwei Krane in benachbarten Hallenfeldern) geprüft werden, sofern relevant.

Besondere Aufmerksamkeit erfordern Ermüdungseinwirkungen. Kranbahnen unterliegen oft millionenfachen Lastwechseln durch den Kranbetrieb, was zu Materialermüdung in Schweißnähten, Anschlussdetails und Profilen führen kann. Während ältere Bemessungsnormen (DIN 4132 für Kranbahnen, Vorgänger der Eurocodes) mit vereinfachten Kerbfallannahmen arbeiteten, ermöglichen moderne Normen eine genauere Lebensdauerabschätzung. So enthält DIN EN 1993-1-9 (Eurocode für Ermüdung im Stahlbau) eine feinere Abstufung der Kerbfälligkeiten: 14 Kerbfallklassen mit zulässigen Spannungsspielgrößen von z.B. 40 N/mm² bis 160 N/mm² (für 2·10^6 Lastspiele bei ~95% Überlebenswahrscheinlichkeit) erlauben eine präzisere Berechnung als früher. In der Praxis bedeutet dies, dass ein Tragwerksplaner für jedes kritische Detail (etwa Schweißnaht am Kranbahnträger, Anschluss der Kopfplatte, etc.) einen Ermüdungsnachweis führt, der sicherstellt, dass die rechnerische Nutzungsdauer (häufig 20 Jahre und mehr) unter den gegebenen Lastkollektiven erreicht wird. Hierbei fließen die Nutzungsklassen (S-Klassen nach EN 1991-3 bzw. DIN EN 13001) ein, die aus der erwarteten täglichen Betriebsdauer und Lastkollektiv ermittelt werden. Ein Kran, der im Mehrschichtbetrieb ständig nahe seiner Nennlast arbeitet, weist eine höhere Ermüdungsbeanspruchung auf als ein selten genutzter Kran – entsprechende Sicherheitsbeiwerte berücksichtigen dies.

Ein weiterer wichtiger konstruktiver Punkt ist die Verankerung und Verbindung der Krananlage mit dem Bauwerk. Kranbahnträger werden typischerweise auf Konsolen an Hallenstützen montiert oder auf eigenen Rahmen gelagert. Die Anschlussdetails müssen horizontale und vertikale Kräfte sicher in die Stütze einleiten. Um Zwängungen zu vermeiden, sind häufig Langlöcher oder bewegliche Lagerungen in eine Richtung vorzusehen, damit Temperaturdehnungen oder Schiefstellungen ausgeglichen werden können. Gleichzeitig muss aber ein Abhebeschutz und eine seitliche Ausrichtung vorhanden sein, um den Kranbahnträger unter Last und bei Pufferaufprall in Position zu halten. Steife Anschlüsse können unerwünschte Zwangskräfte erzeugen, etwa wenn Kranbahnträger über mehrere Stützen durchlaufend sind und die Hallenrahmen seitlich nachgeben. In solchen Fällen entstehen zusätzliche Momente und Schwingungen, die wiederum zu Rissbildungen an Anschlussteilen führen können. Daher empfiehlt es sich, die Interaktion von Kranbahn und Gebäudetragwerk ganzheitlich zu betrachten. Gegebenenfalls sind konstruktive Maßnahmen – wie verstärkte Auflagersteifen an den Kranträgern, vorgespannt verschraubte Verbindungen oder Federauflager – einzusetzen, um Lastspitzen abzupuffern und Risse infolge wiederholter Lasten zu vermeiden. Auch Schwingungsuntersuchungen können sinnvoll sein, um sicherzustellen, dass die Eigenfrequenz der Konstruktion nicht in ungünstiger Resonanz mit den Kranfahrbewegungen steht.

Die Modernisierung älterer Krananlagen und Kranbahnen ist ein weiteres Feld, in dem Facility Manager strukturelle Aspekte beachten müssen. Ältere Hallenkrane wurden vielfach nach damals gültigen Normen (DIN 15018, DIN 4132 etc.) bemessen; will man sie heute intensiver nutzen oder mit höheren Lasten betreiben, ist zu prüfen, ob die ursprüngliche Auslegung ausreichend ist. Bei Leistungserhöhungen – z.B. Austausch eines 5-t-Krans gegen einen 10-t-Kran auf derselben Bahn – sind zwangsläufig die Lastannahmen neu zu rechnen. Selbst wenn die mechanischen Komponenten des Krans verstärkt werden, müssen die Kranbahnträger, Stützen und Fundamente auf die höheren Radlasten und ggf. größeren Horizontalkräfte überprüft werden. In vielen Fällen erfordert dies entweder bauliche Verstärkung (Anschweißen von Verstärkungsblechen, Einbau zusätzlicher Unterzüge, Verstärkung von Stützenflanschen etc.) oder die Begrenzung der Nutzung (z.B. Absenkung der erlaubten Geschwindigkeit oder Last, um Dynamik zu reduzieren) bis zur Ertüchtigung. Die Herausforderung bei Bestandsanlagen besteht auch darin, dass Zeichnungen und Berechnungen der alten Statik nicht immer verfügbar sind oder mit heutigen Methoden nicht ohne weiteres vergleichbar sind. Hier sollte ein Sachverständiger oder Tragwerksplaner eine Bestandsaufnahme durchführen, eventuell Materialproben entnehmen (um z.B. Stahlgüte festzustellen) und anhand der heutigen Normen eine Nachrechnung anstellen. Entdeckte Mängel – etwa Ermüdungsrisse an Schweißnähten, Verformungen an Kranbahnschienen, unzureichende Kopfplatten an Stützen – müssen behoben werden, bevor der Weiterbetrieb erfolgt. Um die Restlebensdauer zu ermitteln, kann eine Schädigungsberechnung nach Eurocode (Miner’sche Regel) durchgeführt werden, welche die bislang aufgelaufenen Lastspiele berücksichtigt. Gegebenenfalls ist die Nutzungsdauer eines alten Kranträgers begrenzt, wenn die aufsummierte Ermüdung eine kritische Grenze erreicht – hier kann entweder ein Austausch oder ein kontinuierliches Monitoring (z.B. regelmäßige Rissprüfungen) angezeigt sein, um einen sicheren Weiterbetrieb zu ermöglichen.

Bei allen Änderungen oder Modernisierungen ist zudem die Regelkonformität sicherzustellen. Das bedeutet, dass nach Umbauten die aktuellen Vorschriften eingehalten werden müssen. Beispielsweise müssen erneuerte Krananlagen ggf. nach BetrSichV erneut abgenommen werden und alle Schutzeinrichtungen (Überlastsicherungen, Endschalter, Not-Aus etc.) auf dem Stand der Technik sein. Im Bestand ist auch die Frage des Bestandsschutzes zu beachten: Kleinere Änderungen können den Bestandsschutz der Gesamtanlage beeinträchtigen, so dass nachträglich eigentlich das gesamte System an heutige Normen angepasst werden müsste. Dies ist juristisch komplex und sollte in Abstimmung mit Behörden oder Unfallversicherern erfolgen. Im Zweifel ist es aus Sicherheitsgründen ratsam, auch ältere Anlagen bei Modernisierung freiwillig an die aktuellen sicherheitstechnischen Regeln anzunähern.

Der Facility Manager trägt in Bezug auf Krananlagen eine koordinierende Verantwortung, um den sicheren Betrieb und die Einhaltung aller Prüfvorschriften sicherzustellen. Zunächst müssen regelmäßige Inspektionen und Wartungen organisiert werden. Die Betriebssicherheitsverordnung schreibt wiederkehrende Prüfungen durch befähigte Personen vor – typischerweise sind jährliche Hauptprüfungen durch einen Sachkundigen (Kransachverständigen) erforderlich, bei starker Nutzung auch halbjährliche Zwischenprüfungen. Solche Prüfungen umfassen die Kontrolle der Tragkonstruktion (auf Risse, Korrosion, Verformungen), der mechanischen Komponenten (Seile, Haken, Antriebe) sowie der sicherheitstechnischen Einrichtungen. Alle Prüfungen und Wartungsmaßnahmen sind lückenlos im Prüfbuch bzw. Wartungsprotokollen zu dokumentieren. Die Organisation dieser Prüf- und Wartungspläne obliegt dem Facility Management, ebenso die Auswahl von qualifiziertem Wartungspersonal oder spezialisierten Dienstleistern. Außerdem muss der Betreiber Sorge tragen, dass nur ausgebildetes Personal die Krane bedient und Anschläger (Lastenanhänger) ausreichend unterwiesen sind. Dazu gehören z.B. innerbetriebliche Kranführerscheine und regelmäßige Sicherheitsunterweisungen der Mitarbeitenden. Auch die Betriebsanweisungen für Krane – etwa zulässige Lasten, Fahrbereiche, Kommunikationsregeln beim Heben – müssen vom Facility Management erstellt bzw. vorgehalten und im Betrieb durchgesetzt werden.

In Zusammenarbeit mit dem Tragwerksplaner sollte das Facility Management bei jeder wesentlichen Änderung (z.B. Anbau eines neuen Lastaufnahmemittels, Änderung der Hallennutzung, Anzeichen von Bauteilschwäche) eine statische Bewertung veranlassen. So kann es erforderlich sein, nach einer gewissen Betriebszeit eine erneute Prüfstatik oder Tragfähigkeitsüberprüfung durchzuführen, insbesondere wenn Auffälligkeiten wie Risse an Kranbahnträgern oder Setzungen an Stützenbasen beobachtet werden. Die Verantwortung des Facility Managers besteht darin, frühzeitig Experten (Statiker, Sachverständige) hinzuzuziehen, um präventiv Maßnahmen einzuleiten, bevor es zu sicherheitskritischen Zuständen kommt. Beispielsweise sollte bei detektierten Schwingungsproblemen ein Schwingungsabsorber oder eine steifere Aussteifung nachgerüstet werden – solche Entscheidungen fallen in die Schnittstelle zwischen Betreiber und Fachingenieur.

Ein weiterer Aspekt ist die Ersatzteil- und Modernisierungsplanung. Facility Manager müssen den Lebenszyklus der Krananlage im Blick behalten: Wann werden z.B. Kranfahrwerke auszutauschen sein? Ist die elektrische Steuerung noch zuverlässig oder steht eine Modernisierung an (Stichwort Retrofit mit Frequenzumrichtern etc.)? Solche technischen Änderungen können wiederum Auswirkungen auf die Statik haben (z.B. durch geänderte Fahrkurven und Lastkollektive) und müssen daher immer ganzheitlich betrachtet werden. Hier zeigt sich, dass Facility Management im technischen Bereich interdisziplinär agiert – es verbindet Betrieb, Instandhaltung und Ingenieurwesen, um die Gesamtsicherheit der Anlage zu gewährleisten.

Neben den technischen Aspekten hat der Betreiber einer Krananlage umfassende rechtliche Pflichten. Das Arbeitsschutzgesetz verlangt eine Gefährdungsbeurteilung für den Kranbetrieb und entsprechende Schutzmaßnahmen. Die bereits erwähnte Betriebssicherheitsverordnung regelt die Inbetriebnahme und Nutzung: bevor ein Kran erstmals betrieben wird, ist in der Regel eine Abnahmeprüfung durch eine zur Prüfung befähigte Person (z.B. Sachverständiger einer ZÜS) Pflicht. Weiterhin sind Intervalle für Wiederholungsprüfungen festgelegt (üblicherweise alle 12 Monate), in denen der Kran auf Mängel untersucht wird. Kommt der Arbeitgeber diesen Prüfpflichten nicht nach und es kommt zu einem Unfall, drohen Haftungsansprüche und ggf. strafrechtliche Konsequenzen. Daher muss das Facility Management ein Prüf- und Wartungsregime etablieren, das die gesetzlichen Vorgaben einhält und dokumentiert.

Die DGUV Vorschrift 52 „Krane“ konkretisiert viele Sicherheitsanforderungen: etwa die Pflicht, Lasten nicht über Personen hinweg zu transportieren, Anforderungen an Not-Aus-Einrichtungen, Überlastwarner, Bremsen, Endanschläge und Puffer. Diese Vorschrift und die zugehörigen Regeln (DGUV Regel 100-500) definieren auch die Qualifikation der Kranführer, das Tragen von persönlicher Schutzausrüstung (PSA) bei Wartungsarbeiten auf dem Kran, sowie organisatorische Maßnahmen wie Absperrungen des Fahrbereichs. Sicherheits- und Gesundheitsschutz sind integrale Bestandteile des Kranbetriebs: Dazu zählt u.a. das Erstellen von Betriebsanweisungen, regelmäßige Unterweisung der Mitarbeiter, Notfallübungen (z.B. Verhalten bei Ausfall der Steuerung oder Absturz einer Last) und das Sicherstellen der ersten Hilfe im Gefahrenfall.

Eine wichtige Schnittstelle besteht zwischen dem Facility Management und der Fachkraft für Arbeitssicherheit bzw. dem Sicherheitsbeauftragten im Betrieb. Gemeinsam müssen sie beurteilen, welche Gefährdungen vom Kran ausgehen (Quetschgefahr, Absturz von Lasten, elektrisches Risiko etc.) und wie diesen zu begegnen ist. So können z.B. organisatorische Maßnahmen (Zutrittsverbote unter schwebenden Lasten, Absperrposten bei Außendrehkranen im Wind) die Risiken mindern. Instandhaltungspersonal, das auf Kranbahnträgern arbeitet, muss gegen Absturz gesichert sein (Geländer oder PSA). Ferner ist die Zusammenarbeit mit Fremdfirmen zu regeln, wenn z.B. externe Monteure einen Kran reparieren – klare Absprachen über Verantwortlichkeiten, Abschalten des Krans, Absicherung der Arbeitsstelle sind nötig. All diese Maßnahmen sollen letztlich Unfälle verhindern und einen rechtssicheren Betrieb gewährleisten. Denn im Schadensfall prüfen Behörden oder Unfallversicherungsträger, ob der Betreiber seinen Pflichten (Prüfung, Unterweisung, Instandhaltung) nachgekommen ist; Versäumnisse können zu Bußgeldern oder zum Verlust des Versicherungsschutzes führen.