Die neue Seilnorm CEN-TS : Stand der Diskussion

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1 17. Kranfachtagung, 27. März 2009, Technische Universität Dresden 23 Die neue Seilnorm CEN-TS : Stand der Diskussion Prof. Dr.-Ing. Gerhard Wagner Ruhr Universität Bochum 1 Einleitung Die Abstimmung zum Schlussentwurf prcen/ts (Oktober 2007) [1] ergab eine ausreichende Zustimmung, lediglich Österreich und Deutschland stimmten negativ. Die Norm ist damit als sogenannte Technische Spezifikation (TS) gültig. Nach den CEN-Regularien gilt eine TS zunächst für drei Jahre, dann ist zu entscheiden, ob sie zurückgezogen wird, nochmals drei Jahre gültig bleibt oder in eine EN-Norm umgewandelt wird. Das negative Abstimmungsverhalten Deutschlands verblüffte die anderen Nationen, denn die TS war im Komitee CEN/TC147/WG2 unter maßgeblicher Beteiligung Deutschlands erarbeitet worden. In diesem Beitrag werden die deutschen Abstimmungsmodalitäten erläutert, die wesentlichen Inhalte der TS knapp dargestellt und der Stand der Diskussion in Deutschland sowie das geplante weitere Vorgehen aufgezeigt. 2 Abstimmungsmodalitäten Bei der Abstimmung innerhalb der CEN hat jedes Land nur die Möglichkeit, eine (nach Ländergröße gewichtete) Stimme abzugeben. Um innerhalb Deutschlands den Aufwand gering zu halten, wurde zu Beginn der europäischen Normungsarbeiten im Koordinierungsausschuss beschlossen, dass sich das deutsche Abstimmungsverhalten aus Stimmen interner Gruppen ergibt. Dies sind Herstellerfirmen Betreiberfirmen Berufsgenossenschaften, Versicherungen, TÜV Wissenschaft und Forschung. Damit Deutschland einer Norm oder TS zustimmt, müssen alle vier Gruppen zustimmen. Ist eine Gruppe gegen eine Norm, so wird Deutschland negativ stimmen oder sich der Stimme enthalten. Bezüglich der TS wurde im Vorfeld der Abstimmung Kritik geäußert, zum Beispiel auf der Kranfachtagung 2007 [2] und in Hebezeuge und Fördermittel [3]. Deshalb stimmte die Gruppe der Berufsgenossenschaften und somit Deutschland als Ganzes gegen die TS.

2 Kranfachtagung, 27. März 2009, Technische Universität Dresden 3 Vorgeschichte Bei Beginn der europäischen Normungsarbeiten in der CEN/TC147/WG2 im Jahre 1993 wurde vereinbart, alle Normen in einem einheitlichen Format zu erstellen. Einzelne Teile der Norm hätten dann die jeweiligen Experten erarbeiten können (gedacht war an Experten des Stahlbaus, der Maschinenelemente, der Laufräder und Schienen und der Seile). Lediglich für Seile und Seiltriebe bildete sich eine Arbeitsgruppe (Feyrer, Sharp, Verreet, Wiek), die ein Arbeitspapier entwickelte. Dieser Entwurf war jedoch nicht in das vorgegebene Format der Teile 1 und 2 der Entwürfe zur EN13001 eingebunden. Deshalb wurde auf der Basis dieses Arbeitspapiers die Ausarbeitung eines Entwurfes für den Teil 3.2 durch die CEN/TC147/WG2 vorgenommen. Dabei wurden folgende Anforderungen an die Norm formuliert: Anwendung der Klassifizierungen der EN Teil 1 [4] Anwendung der Lasten und Lastkombinationen der EN Teil 2 [5] Betriebsweise durch S R Klassen beschreibbar (wie in EN13001-Teil 3.1 [6]) Gültigkeit einer D/d-modifizierten Wöhlerlinie Mindestbruchkraft F u als Basiswert Biegewechsel statt Laufzeit als Basis der Lebensdauerberechnung Erfordernis statischer und dynamischer Nachweise (analog Teil 3.1) Gültigkeit der Ablegekriterien nach ISO 4309 [7] Und: die Ergebnisse sollten nahe bei den Ergebnissen der DIN [8] liegen. 4 Aufbau und Inhalt der CEN/TS Die TS erfüllt die genannten Anforderungen: Sie beschreibt ausführlich die anzusetzende Seilkraft, die für alle in EN Teil 2 genannten Lastfallkombinationen (mit deren Schwingbeiwerten und Teilsicherheitsbeiwerten) mit allen Einflüssen des Seiltriebes (Seilspreizung, Wirkungsgrad, horizontale Lastbeschleunigungen) zu berechnen ist. (Anmerkung: DIN vernachlässigt Beschleunigung und Seilspreizung - wenn deren Einfluss jeweils kleiner 10% ist sowie die Seiltriebwirkungsgrade größer 95%. Im ungünstigsten Fall wird also die Seilkraft um den Faktor 1.1*1.1/0.95=1.27 zu gering angesetzt.) Es werden ein statischer Nachweis und ein (dynamischer) Betriebsfestigkeitsnachweis gefordert.

3 17. Kranfachtagung, 27. März 2009, Technische Universität Dresden 25 Der statische Nachweis wirkt in den unteren Klassen dimensionierend. Für die zulässige Seilkraft F Rd,s gilt: F = Rd,s F γ u rb (1) F u : Mindestbruchkraft des Seiles γ rb : Sicherheit in Abhängigkeit von D/d Tabelle 1: Minimale Sicherheitsbeiwerte im statischen Nachweis D/d 11,2 12,5 14,0 16,0 18,0 20,0 γ rb 3,06 2,75 2,52 2,30 2,16 2,05 Die Gesamtsicherheit ist größer, weil die Seilkraft noch mit den Teilsicherheitsbeiwerten (1.34 in Lastfallkombination A) und den Schwingbeiwerten zu multiplizieren ist. Der Betriebsfestigkeitsnachweis unterstellt die Gültigkeit einer D/d-modifizerten Wöhlerline. Wie in DIN wird angenommen, dass für die negativ inverse Steigung der Wöhlerlinie m=3 gilt, wenn D/d der folgenden Bedingung genügt: D d log2 ~ 1,125 ( w ) Im Gegensatz zur DIN wird jedoch statt der Laufzeit (Stunden/Tag) nun die Biegewechselzahl w tot eingeführt. Die Berechnung der Biegewechsel erfolgt so, wie aus der DIN bekannt. Für die zulässige Seilkraft F Rd,f im Betriebsfestigkeitsnachweis gilt: tot (2) F = s = k r Rd,f 3 s r * ν r F r u * γ rf (4) * f f (3) F u : Mindestbruchkraft des Seiles γ rf : Sicherheit = 7 s r : Seilkraftverlaufsparameter f f : weitere Einflüsse: aus D/d Einzeldrahtfestigkeit Ablaufwinkel Schmierung Mehrlagigkeit Rillenradius Seiltyp (rope type factor t der ISO) k r : Seilkraftkollektiv ν r : relative Biegewechselzahl

4 Kranfachtagung, 27. März 2009, Technische Universität Dresden Die wichtigste Größe in dieser Formel ist der Seilkraftverlaufsparameter s r, aus dem sich die Klassen S R bestimmen, die an die Stelle der Klassen.. 1Bm, 1Am, 2m,.. der DIN treten. Der Seilkraftverlaufsparameter ergibt sich aus dem Produkt Seilkraftkollektiv k r (Spektrum) mal relativer Biegewechselzahl ν. ν = r w w tot D (5) w tot : Gesamtzahl der Biegewechsel w D : Bezugspunkt (Referenzwert) w D =5*10 5 Zur Anwendung der Norm kann entweder eine Klasse S R gewählt oder vorgegeben werden (z.b. durch den Besteller, wie bisher nach DIN ), oder der Seilkraftverlaufsparameter s R wird aus der erwarteten Betriebsweise bestimmt. Hierzu wird das Seilkraftkollektiv nach folgender Formel berechnet: k r = i max i = 1 F F Sd, f, i Sd, f 3 wi * w tot (6) F Sd,f,i : Seilkraft während der Hubbewegung i F Sd,f : maximale Seilkraft w i : Biegewechsel bei Hubbewegung i w tot : Gesamtzahl der Biegewechsel Diese Formel entspricht dem kubischen Mittelwert der DIN 15020, ist jedoch allgemeiner, weil nicht die festen Kollektive (leicht, mittel, schwer) hinterlegt sind. Die Berechnung des Seilkraftverlaufsparameters s r kann also sowohl mit den alten Laststufen und einer Biegewechselzahl (anstelle der Laufzeiten) als auch heruntergebrochen auf einzelne Hub- oder Senkbewegungen durchgeführt werden. (Beispiel: Ein Turmdrehkran, der Lasten vom Grund auf ein hohes Gebäude hebt, dort oben Lasten bewegt und ohne Last den Haken wieder auf den Grund zurückführt. Heben und Senken erfahren hier Biegewechsel mit unterschiedlichen Lasten. Unterschiedliche Abschnitte des Seiles erfahren unterschiedliche Kollektive.) 5 Vergleich mit DIN Vergleiche zwischen unterschiedlichen Methoden oder Rechenmodellen sind immer von den gewählten Randbedingungen abhängig. Bei Vergleichsrechnungen zwischen DIN und der TS ist entscheidend, welche Hubhöhe und welche Hubgeschwindigkeit angesetzt werden. Nach DIN war es ohne Belang, ob das Hebezeug eine Last z.b. ein Mal 10 Meter oder 10 mal einen Meter gehoben hat. Für die Berechnung der Biegewechselzahl nach der neuen TS liegt jedoch zwischen beiden Fällen ein Faktor Beispiel: 4 to Hubwerk, 2/1 eingeschert, Hubgeschwindigkeit 4m/min, mittlere Hubhöhe 2 m:

5 17. Kranfachtagung, 27. März 2009, Technische Universität Dresden 27 DIN 15020: Bei 1AM (800 Volllaststunden): D/d=18 und d min =12 mm ist ausreichend. TS: z=800*60 Lastzyklen. Bei w=3 wird w tot = und s r =0.288 ( S R5 ). Bei Gegenbiegung w=5 wird s r =0.48 ( S R6 ). Bereits für S R5 ist die Seilzugkraft (netto) F Sd =19600N > F Rd,f =17285N, also selbst bei günstigsten Annahmen für f f wäre das nach DIN15020 gewählte Seil nach der TS nicht mehr zulässig. 2. Beispiel: 10 to Hubwerk, 4/1 eingeschert, Hubgeschwindigkeit 2m/min, mittlere Hubhöhe 5m, maximaler Hubweg 8m: DIN 15020: Bei 1BM (400 Volllaststunden): D/d=16 und d min =13 mm ist ausreichend. TS: z= 400*12 Lastzyklen. Bei w=6 wird w tot =28800 und s r =0.058 ( S R3 ). Seilzugkraft (netto) F Sd =24525N > F Rd,f =36787N, also ebenfalls ausreichend. Nun wird auch der statische Nachweis erforderlich, der ebenfalls erfüllt ist. Es lassen sich natürlich auch Beispiele finden, bei denen ein Seil die Bedingungen der TS erfüllt, nicht jedoch der DIN Kritikpunkte Am 10. Oktober 2008 fand im Hause des VDMA ein Hearing der deutschen Einsprecher gegen die TS statt, bei dem die einzelnen Kritikpunkte diskutiert wurden. Die wichtigsten Kritikpunkte sowie die Stellungnahmen des Autors dieses Beitrages (in seiner Eigenschaft als Convenor der CEN/TC147/WG2) werden in Folgenden genannt: 6.1 Faktor l 2 Anzahl der eingesetzten Seile Die TS erlaubt es, zur Erreichung der in einer beliebig langen Betriebszeit erwarteten Gesamtbiegewechsel w tot, l R Seile einzusetzen. Dieser Faktor wurde von G.Steinbach [3] als "willkürlich angenommen" bemängelt. WG2 sieht dies völlig anders: während in DIN von einer nicht explizit angegebenen (jedoch implizit eingearbeiteten) Betriebsdauer von 8-10 Jahren ausgegangen wurde, kann nach EN13001 eine beliebig lange Lebensdauer (z.b. 50 Jahre) des Kranes der Auslegung zugrunde gelegt werden. Hierfür ist die Festlegung der geplanten Seilwechsel notwendig. Der Betreiber kann unter ökonomischen Gesichts-

6 Kranfachtagung, 27. März 2009, Technische Universität Dresden punkten zwischen häufigerem Seilwechsel oder teurerem Hebezeug (Seildurchmesser, Trommeldurchmesser, Getriebe) wählen. 6.2 Seilartfaktor t Die TS hat auf Wunsch der europäischen Seilhersteller den Faktor eingeführt, mit dem unterschiedliches Ermüdungsverhalten infolge der Biegewechsel bei unterschiedlichen Seilarten berücksichtigt werden soll. Die Einsprecher führen aus, dieser Faktor sei "nicht begründet". Die WG2 hat diesen Faktor zunächst aus der ISO 4308 [9] übernommen. Nach erster Kritik an diesem Faktor wurde ein Testverfahren zur Bestimmung des Faktors eingeführt. Dieses Verfahren war den Herstellern zu aufwendig, so dass dieses Kapitel aus der Norm genommen und wieder die Werte der ISO eingesetzt wurden. Da dieser Faktor im ISO/TC96/SC3 zur Zeit diskutiert wird, wird die WG2 die Entwicklung der ISO abwarten. 6.3 Stufung der Klassen S R Die TS stuft s r in den Klassen S R mit Stufensprüngen 2 ein. Tabelle 2 Klassen S R des Seilkraftverlaufsparameters s r Klasse S R 0 S R 1 S R 2 S R 3 S R 4 S R 5 S R 6 S R 7 S R 8 S R 9 s r 0,008 0,016 0,032 0,063 0,125 0,25 0,5 1,0 2,0 4,0 Ein Einsprecher bemängelte, dass sich jedoch für Z A10, also die Hubspielzahl, bei der mit 95% Sicherheit höchstens 10% der Seile ablegereif sind, Stufensprünge ergeben, die in den unteren Klassen zu klein sind. Dies rührt daher, dass nach der TS in den unteren Klassen meist der statische Nachweis maßgebend wird, so dass dann nicht die Stufensprünge aus dem Betriebsfestigkeitsnachweis sondern die Stufung der minimalen Sicherheitsbeiwerte des statischen Nachweises wirksam sind. (Diese Werte wurden im übrigen von der Experten-Arbeitsgruppe, der der Einsprecher angehörte, vorgeschlagen.) 6.4 Laststufen oder Hubbewegungen Die Einsprecher bemängeln die Qualität der deutschen Übersetzung der TS, insbesondere, dass die TS nicht den Begriff der Laststufen der DIN15020 verwendet, sondern von Hubbewegungen spricht. Generell gilt, dass die Übersetzung aus dem Englischen ins Deutsche exakt dem englischen Wortlaut zu folgen hat, so dass manchmal bisher verwendete und ge-

7 17. Kranfachtagung, 27. März 2009, Technische Universität Dresden 29 bräuchliche deutsche Formulierungen oder nicht dem Englischen entsprechende Fachbegriffe nicht erlaubt sind. (Beispiel: Aus den alten Begriffen "Haupt-, Zusatz- und Sonderlasten" wurden gemäß der englischen Bezeichnungen "regular, occasional and exceptional loads" nun im Deutschen "Regelmäßige, nicht regelmäßige und außergewöhnliche Lasten".) Im konkreten Fall sind jedoch Laststufen etwas anderes als Hubbewegungen, wie sie bereits am Beispiel eines Turmdrehkranes erläutert wurden. Bei der Berechnung des Seilkraftkollektives k r nach der oben gezeigten Formel können natürlich auch die relativen Lasten der Laststufen anstelle der relativen Lasten der Hubbewegung verwendet werden. Das Ergebnis für k r bleibt das gleiche. 6.5 Nicht erfüllbare Forderungen der Betriebsdauer Die TS nennt für jede Klasse S R ein Referenzverhältnis R Dd für D/d: Bei gegebenem D/d und dem Seilkraftverlaufsparameter s r kann die zulässige Seilkraft F Rd,f im Betriebsfestigkeitsnachweis bestimmt werden. Tabelle 3 Referenzverhältnis R Dd Klasse S R 0 S R 1 S R 2 S R 3 S R 4 S R 5 S R 6 S R 7 S R 8 S R 9 R Dd 11,2 12,5 14,0 16,0 18,0 20,0 22,4 25,0 28,0 31,5 Steinbach weist in [3] und [4] darauf hin, dass es möglich zu sein scheint, bei gleichem Seil und D/d mit immer kleinerem Seilkraftkollektiv die Biegewechselzahl w tot ins Unendliche zu treiben, weil sich s r gemäß Formel 4 aus dem Produkt Seilkraftkollektiv mal relativer Biegewechselzahl ergibt. Natürlich ist das von der TS nicht beabsichtigt, denn die TS nennt in Formel 2 als Bedingung für die Gültigkeit der Wöhlerlinie mit m=3 den Proportionalitätszusammenhang zwischen D/d und w tot (allerdings ohne eine Proportionalitätskonstante anzugeben). Dies entspricht im Prinzip auch dem Vorgehen der DIN Dort ergibt sich die Triebwerksklasse aus dem "Produkt" Kollektiv mal Laufzeitklasse. Die Laufzeitklasse ist durch Betriebsstunden pro Tag bezogen auf die Gesamtlaufzeit definiert. Da jedoch die Betriebsstunden pro Tag auf 24 Stunden pro Tag begrenzt sind, beziehungsweise weil DIN als kleinsten kubischen Mittelwert k 0.53 nennt, ist ein Missbrauch der Formel in DIN nicht möglich.

8 Kranfachtagung, 27. März 2009, Technische Universität Dresden Tabelle 4 Triebwerksgruppen der DIN15020 Laufzeit je Tag in Stunden k 0, >16 k 0,53 1B 1A 2m 3m 4m 0.53<k 0,67 1B 1A 2m 3m 4m 5m 0,67<k 0,85 1B 1A 2m 3m 4m 5m 5m Durch die richtige Abkehr von der Betriebszeit hin zu Biegewechseln ist diese Obergrenze der Betriebsstunden pro Tag nun nicht mehr implizit in der TS enthalten. Die einfache Lösung, der aufgezeigten Möglichkeit des Missbrauchs der Formel 2 zu begegnen, besteht in der Vorgabe einer Obergrenze für w tot je D/d-Verhältnis. Dies entspricht dem Begrenzen der zulässigen Seilkraft im Betriebsfestigkeitsnachweis durch die statische Grenze. Sonst wäre es hier möglich, durch einen sehr kleinen Seilkraftkollektivwert k r über Formel 3 zu beliebig großen zulässigen Seilkräften zu gelangen. 7 Weiteres Vorgehen In der Sitzung der CEN/TC147/WG2 am berichtete der Convenor von den Inhalten des deutschen Hearings. Die WG2 sieht daraufhin zunächst keinen Grund zu handeln, denn der Sinn einer TS besteht ja gerade darin, Erfahrungen und Kommentare einzuholen. In den Regularien der CEN wird eine TS folgendermaßen definiert: Zitat: "2.6 Technical Specification (TS): Document adopted by CEN for which there is the future possibility of agreement on a European Standard, but for which at present the required support for approval as a European Standard cannot be obtained, there is doubt on whether consensus has been achieved, the subject matter is still under technical development, or there is another reason precluding immediate publication as a European Standard." Zitatende. Die TS wird also (auch bedingt durch die Fülle anderer work items der WG2) zunächst für drei Jahre Bestand haben. Ob die TS überarbeitet (als neue TS) nochmals für drei Jahre veröffentlicht wird oder ob die Arbeitsgruppe mit der Umwandlung der TS in eine EN beginnt, wird erst dann entschieden. In jedem Falle werden bei der Überarbeitung oder Umwandlung in eine EN die gemachten Erfahrungen und Verbesserungsvorschläge (z.b. die Begrenzung der Biegewechselzahlen in Abhängigkeit von D/d), die bis dahin gesammelt werden, in den

9 17. Kranfachtagung, 27. März 2009, Technische Universität Dresden 31 neuen Entwurf einfließen. Vor der Umwandlung in eine EN wird der Entwurf zur Umfrage veröffentlicht. Alle eingehenden Kommentare müssen von der WG2 bearbeitet und beantwortet werden. Erst der danach überarbeitete und veröffentlichte Entwurf kommt in die Schlussabstimmung. Zusammenfassung Der Teil 3.2 der EN ist zunächst als Technische Spezifikation (TS) erschienen. Nach den CEN-Regularien dient die Verabschiedung einer TS der Einführung neuer Methoden und der Vorbereitung einer Normenentwicklung. Neben einer TS dürfen der TS widersprechende nationale Normen bestehen, eine TS darf aber nicht im Widerspruch zu EN-Normen stehen. Nach einer kurzen Darstellung der wesentlichen Inhalte der TS geht dieser Beitrag auf die in Deutschland vorgebrachten Kritikpunkte ein, die dazu führten, dass Deutschland der TS nicht zugestimmt hat. Nach Ablauf der Dreijahresfrist wird das zuständige CEN/TC147/WG2 entscheiden, ob unter Berücksichtigung der bis dahin gemachten Erfahrungen eine überarbeitete TS für weitere drei Jahre veröffentlicht wird oder ob die Umwandlung (Transformation) der TS in eine Euronorm (EN) erfolgt, was dann die Zurückziehung der DIN bedingt. Literatur [1] prcen/ts Krane Konstruktion allgemein Teil 3-2: Grenzzustände und Sicherheitsnachweis von Drahtseilen in Seiltrieben [2] G.Steinbach Normen für Seiltriebe und die Betriebsdauer der Drahtseile. Tagungsband 15.Internationale Kranfachtagung 2007 [3] G.Steinbach Bemerkungen zur Entwicklung der Normen Hebezeuge und Fördermittel [4] EN Krane Konstruktion allgemein Teil 1: Allgemeine Prinzipien und Anforderungen [5] EN Krane Konstruktion allgemein Teil 2: Lasteinwirkungen [6] EN Krane Konstruktion allgemein Teil 3-1: Grenzzustände und Nachweise von Stahltragwerken [7] ISO 4309 Cranes Wire ropes Care, maintenance, installation, examination and discard [8] DIN Hebezeuge Grundsätze für Seiltriebe Berechnung und Ausführung [9] ISO 4308 Cranes Selection of wire ropes

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