Abbildung der dynamischen Beanspruchungen von Fahrzeugkranen und Lkw-Ladekranen in quasistatischen Berechnungen

Ausgangssituation

Fahrzeugkrane besitzen schlanke, elastische Auslegersysteme, die sehr hohe Traglasten erzielen. Aktuelle Fahrzeugkranmodelle erreichen Traglasten bis zu 3000 t und Hubhöhen von bis zu 250 m. Insbesondere lange Auslegersysteme können im Gebrauchszustand bereits ein geometrisch nichtlineares Last-Verschiebungs-Verhalten aufweisen. Bei Lkw-Ladekranen werden hingegen wesentlich geringere Lasten von bis zu 40 t und Hubhöhen bis 40 m erreicht. Aufgrund ihrer vielgliedrigen, schlanken Ausleger und vielfältigen Ausrüstungsvarianten weisen Lkw-Ladekrane hinsichtlich ihrer Auslegungsberechnungen jedoch die gleiche Komplexität wie Fahrzeugkrane auf. Die Grundlage für die Auslegungsberechnung von Fahrzeugkranen und Lkw-Ladekranen bilden bisher die Normen DIN EN 13000, DIN EN 13001 und EN 12999. Bei früheren Forschungsarbeiten und bei der Anwendung der Normen in der Praxis konnte gezeigt werden, dass die dynamischen Beanspruchungen der Krane dabei nur näherungsweise beschrieben werden. Die Auswertung der Bauteilausnutzungen und Spannungen von dynamischen und quasistatischen Berechnungen nach Norm ergab teilweise große Unterschiede zwischen beiden Berechnungsarten. Beim Vorgang „Drehen“ treten die größten Differenzen auf, gefolgt vom Vorgang „Lastheben vom Boden“. Schwächen in den Lastannahmen nach Norm werden durch langjährige Erfahrungen mit quasistatischen Kranberechnungen korrigiert. In der Norm EN 13001-1 wird die Verwendung von dynamischen Auslegungsberechnungen jedoch auch ausdrücklich erlaubt. Mit der nichtlinearen dynamischen Finite-Elemente Berechnung können die dynamischen Beanspruchungen der Krane gut dargestellt werden. Allerdings wird in den Normen die Verwendung von Teilsicherheitsbeiwerten vorgeschrieben. Diese Sicherheitsbeiwerte können in den dynamischen Berechnungen nur sehr schwer berücksichtigt werden. Ein weiterer Nachteil dieser Berechnungsmethode ist die Rechenzeit, die im Vergleich zur quasistatischen Analyse um ein Vielfaches höher liegt.

Zielsetzung

Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Schwingungsmodellen, welche die maximalen dynamischen Beanspruchungen möglichst genau abbilden. Dabei werden aus den Ergebnissen des Schwingungsmodells quasistatische Ersatzlasten generiert, die die dynamischen Maximalbeanspruchungen des Krans abbilden und die Berücksichtigung von Teilsicherheitsbeiwerten erlauben. Eine verbesserte Abbildung der dynamischen Beanspruchungen kann die Sicherheit bei der Dimensionierung der Krane erhöhen. Außerdem führt eine genauere Erfassung der Beanspruchungen zu einer Steigerung der Traglasten und kann zur Verbesserung der Kransteuerung beitragen. Da in den Berechnungen neben der Genauigkeit auch die Effektivität im Vordergrund steht, darf die Verwendung des Schwingungsmodells die Gesamtrechenzeit nicht wesentlich verlängern.

Vorgehensweise

Da die Berechnung nach Norm beim Vorgang „Drehen“ und „Lastheben vom Boden“ zu den größten Abweichungen führt, werden Modelle für diese beiden Vorgänge entwickelt. Anhand einer repräsentativen Auswahl von Rüstzuständen und Auslegerstellungen wird die Anwendbarkeit der Modelle an Gittermast-Fahrzeugkranen und Lkw-Ladekranen bewertet. Bei dem Erkenntnistransferprojekt werden die Modelle in die firmeneigenen Berechnungsumgebungen der beteiligten Industriepartner implementiert. Anschließend wird die Leistungsfähigkeit der Schwingungsmodelle im praxisnahen Einsatz von den beteiligten Firmen getestet.

Projektpartner

  • Palfinger Europe GmbH
  • Liebherr-Werk Ehingen GmbH

Förderung

Das Forschungsprojekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft mit der
Nummer GU 427/31-1.

Ansprechpartner

Manuel Stölzner, M.Sc.