Immer leichtere Kräne müssen immer größere Lasten bewegen
Turmdrehkrane und Mobilkrane sind die Arbeitspferde jeder Baustelle und erreichen mitunter schwindelerregende Höhen. Nachdem die Konstruktionen weitgehend optimiert wurden, treiben jetzt ultrafeste Stahlsorten die Entwicklung.
Um mehrere Meter kann sich ein Teleskopausleger unter Last elastisch verbiegen. Hochfeste Stähle und die entsprechende Auslegung der Konstruktion machen dies zu einem sicheren Vorgang.
Foto: Liebherr-Werk Ehingen
Mit dem Kranbau bildete sich von 1890 bis 1920 im Schnittpunkt von Maschinenbau, Elektrotechnik und Stahlbau ein technisches Sondergebiet heraus, das mit den elektrisch betriebenen Laufkranen dazu beitrug, der industriellen Fertigung eine linear-organisatorische Gestalt aufzuprägen. Vor 100 Jahren trat der Turmdrehkran auf den Baustellen seinen Siegeszug an und vor gut 50 Jahren setzte die atemberaubende Entwicklung im Mobilkranbau ein.
Der Zielkonflikt, mit immer leichteren Krantragwerken immer schwerere Lasten heben zu müssen, ließ sich an einem Punkt der Entwicklung nicht mehr alleine dadurch beheben, dass neuartige Tragwerksformen angewandt und optimiert wurden, sondern höherfeste Stähle eingesetzt werden mussten.
„Wald- und Wiesenstahl“ reichte ab der 60er Jahre nicht mehr
Insbesondere im Mobilkranbau zeigte sich schon in den 1960er-Jahren, dass der Feld-Wald-und-Wiesen-Baustahl St 37 mit einer Mindestzugfestigkeit von 370 MPa (N/mm²) und einer Mindeststreckgrenze von 240 MPa – aber auch der höherfeste St 52 – den Anforderungen an Festigkeit und Zähigkeit nicht mehr gewachsen war. So entwickelten Werkstoffingenieure hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen über 550 MPa.
Bei solchen Stählen handelt es sich um niedriglegierte Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von unter 0,2 % je nach geforderter Mindeststreckgrenze und Blechdicke enthalten sie Zusätze von Cr, Mo, Ni und V sowie ggf. eine Mikrolegierung.
Der zurzeit stärkste Gittermastkran mit Raupenfahrwerk mit der Typenbezeichnung CC 8800 von Terex Cranes Deutschland arbeitet aktuell auf einer Brückenbaustelle in China. Der Kran besitzt eine maximale Tragfähigkeit von 1600 t. Er ist der leistungsstärkste in Serie gefertigte Raupenkran und besteht aus einer Gitterrohrkonstruktion, die aus hochfestem Feinkornbaustahl S960QL verschweißt wurde. Auf der Baustelle arbeitet nur die Grundkonfiguration des CC 8800 mit Hauptausleger – Superliftkonfigurationen mit einer Rollenhöhe von 234 m und paarweiser Anordnung wie bei dem CC 8800–1 TWIN (max. Tragfähigkeit 3200 t) sind möglich.
Kranspitzen können mehrere Meter schwingen
Das Foto zeigt einen Teleskopausleger unter Last: Er besteht aus einem Anlenkstück und bis zu sieben Teleskopschüssen. Die Auslenkung an der Kranspitze bewegt sich im Meterbereich, einer Größenordnung, die den Laien schaudern lässt, für den Mobilkranbauer aber heute selbstverständlich ist: Ultrahochfeste Feinkornbaustähle sowie durch numerische Entwicklungsmethoden und durch Ermüdungsversuche abgesicherte konstruktive Innovationen ermöglichen heute bei einem vollständig ausgefahrenen Teleskopausleger Gesamtlängen von bis zu 100 m.
Bei Teleskopauslegern von Mobilkranen liegt die positive Rückkopplung zwischen Werkstoffentwicklung und konstruktiver Durchbildung auf der Hand. Teleskopausleger der ersten Generation besaßen einen Kastenquerschnitt, der beispielsweise aus S460QL gefertigt wurde. Solche Stähle mit der Mindeststreckgrenze von 460 MPa und niedrigen zulässigen Spannungen führten zu großen Blechdicken, so dass Stabilitätsprobleme wie das Plattenbeulen von Blechfeldern zweitrangig war. Schon in den 1970er-Jahren setzten die Ingenieure den Stahlwerkstoff S690QL ein bei gleicher Belastung führte dies zu geringeren Wanddicken – damit rückte aber Plattenbeulen in den Vordergrund. Diesem Problem suchten die Konstrukteure durch immer mehr Kantungen des Profils im Druckgurt zu begegnen. Die Stahlindustrie vollzog schon um 1980 mit dem Feinkornbaustahl S960QL einen Riesenschritt, der kurz darauf im Mobilkranbau zum Einsatz kam. Dies führte in den 1990er-Jahren schließlich zu Querschnitten mit schalenförmigem Druckgurt .
Einsatz von ultrahochfesten Feinkornbaustählen
Heute wird für Teleskopausleger der ultrahochfeste Feinkornbaustahl S1100QL eingesetzt. Aber damit nicht genug: Nach Thomas Ummenhofer vom Karlsruher Institut für Technologie, können durch „Vermeiden von Schweißnähten in den höchstbeanspruchten Bauteilbereichen bei einer geringen Anzahl von Lastwechseln derzeit im Kranbau und Anlagenbau Stähle mit einer Streckgrenze bis zu 1300 MPa erfolgreich eingesetzt werden“.
Am 15. und 16. Mai wird die Fosta, Forschungsvereinigung Stahlanwendung, in Zweibrücken das 10. Stahl-Symposium „Hochfester Stahl im Stahl- und Maschinenbau“ veranstalten. Dort werden Resultate des Forschungsprojektes „Bemessung von ermüdungsbeanspruchten Bauteilen aus hoch- und ultrahochfesten Feinkornbaustählen im Kran- und Anlagenbau“ vorgestellt.
Stahlbauwissenschaft im direkten Austausch bietet seit 20 Jahren das Praktikergespräch Kranbau. So könnte es ein Modell für eine industrieförmige Technikwissenschaft bilden, in der Produktions- und Konstrukteurswissen die Basis für die Verschränkung von Erkennen und Gestalten bildet.
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