Several boom segments form the crane boom. These segments are often truss structures formed out of circular hollow sections, which are welded together forming the truss joints. A adequate modelling of these truss joints is very important for operational strength and life. Due to the large boom sizes, efficient models are used in the finite element method, generally built of beam elements. These models have problems capturing the proper bending moments working in the truss joints. This is caused by a insufficient portrayal of the joint stiffness. In the literature several modelling techniques with beam elements are proposed, which capture the joint stiffness better. These different modelling methods are implemented in a parametric boom section and compared with a shell element FE model. From this comparison the most appropriate modelling method is selected, which improve the portrayal of internal loads and nominal stresses. With these improved nominal stress values, it is investigated to implement a different fatigue assessment. The structural stress can be calculated from the nominal stress in combination with stress concentration factor (SCF) equations. To implement the structural stress method as fatigue assessment, several modelling and extrapolation methods have been compared. Which lead to a method for evaluating the structural stress in a efficient matter. This method is compared with existing SCF K truss joint equations, from which a new set of SCF equations is derived. These equations are constructed from a larger dataset, hold a wider validity range and fit better with the FE models. When applying these SCF equations with the improved beam modelling method in a boom section, the structural stress is not adequately captured. This is caused by unsymmetrical stressed braces in the K truss joints. Both the modelling methods and SCF equations account for uniformly stressed braces forming the truss joints. More research needs to be conducted to this uneven behaviour. If the structural stress method needs to be implemented with efficient FE models, submodels out of shell elements combined with beam elements are recommended. For fatigue evaluation with the nominal stress method, beam models which account for the local joint flexibility give sufficient realistic results. / Flera kranarmsegment bildar kranarmen. Dessa segment är ofta fackverk utformade av cirkulära ihåliga profiler, som är sammansvetsade och bildar fackverkslederna. En ordentlig modellering av dessa fackförband är mycket viktig för dess driftsstyrka och livslängd. På grund av storleken används finita elementmetoden, vanligtvis uppbyggt av balkelement. Dessa modeller har problem med att beräkna de korrekta böjmomenten som uppstår i fackverkslederna. Detta orsakas av en otillräcklig beskrivning av ledstyvheten. I litteraturen föreslås flera modelleringstekniker med balkelement som tar hänsyn till ledens styvhet bättre. Dessa olika modelleringsmetoder implementeras i en parametrisk kranarmsektion och jämförs med en FE-modell med skalelement. Med denna jämförelse väljs den mest lämpliga modelleringsmetoden, vilket bör förbättra skildringen av interna belastningar och nominella spänningar. Med dessa förbättrade nominella spänningsvärden, undersöks det att genomföra en annan utmattningsbedömning. Den strukturella spänningen kan beräknas utifrån den nominella spänningen i kombination med spänningskoncentrationsfaktor- (SCF) ekvationerna. För att implementera strukturella spänningsmetoden som utmattningsbedömning, har flera modellerings- och extrapoleringsmetoder jämförts. Detta leder till en metod för att utvärdera den strukturella spänningen effektivt. Denna metod jämförs med befintliga SCF-ekvationer, från vilka en ny uppsättning SCF-ekvationer härleds. Dessa ekvationer är konstruerade från en större datauppsättning, har ett bredare giltighetsområde och passar bättre med FE-modellerna. När man applicerar dessa SCF-ekvationer med den förbättrade balkmodelleringsmetoden i en kranarmsektion, uppsamlas strukturella spänningar inte tillräckligt, detta orsakas av ojämna spänningar i diagonalelementen i fackverkslederna. Både modelleringsmetoderna och SCF-ekvationerna tar hänsyn till jämnt spända diagonalelement som uppstår i fackverkslederna. Mer forskning bör göras över detta ojämna beteende. Om den strukturella spänningsmetoden måste implementeras med effektiva FE-modeller, rekommenderas undermodeller av skalelement kombinerade med balkelement. För utmattningsutvärdering med den nominella spänningsmetoden, ger balkmodeller som tar hänsyn till den lokala ledflexibiliteten tillräckligt realistiska resultat.

Projektbeschreibung: Ziel der Forschungsarbeiten ist ein neues Forschungsfeld zur Anwendung von Holz und Holzwerkstoffen im Kranbau zu eröffnen und zu gestalten. Damit sollen die wissenschaftlichen Grundlagen gelegt werden, um Krananlagen und deren Komponenten in Holzbauweise technisch sinnvoll und sicher zu gestalten sowie Krane wirtschaftlich, ökologisch und technisch vorteilhaft im Vergleich zu aktuell bestehenden Bauweisen auszuführen. Das Projekt wird als Machbarkeitsstudie durchgeführt. Die wissenschaftliche und technische Bedeutung des Vorhabens ist durch die Eröffnung eines neuen Forschungsfeldes mit stark technischem, praxisorientiertem Fokus gekennzeichnet. Es resultieren dadurch vielfältige sowohl grundlegende als auch anwendungsbezogene Fragestellung die einer wissenschaftlichen Klärung bedürfen. Krane sind Hightech Anlagen und Schnittstelle vieler technischer Wirkungsketten. Einzelne, konkurrenzfähige Anwendungsfälle mit Pilotstatus haben Strahlkraft innerhalb der Branche und darüber hinaus. In Summe müssen aktuell marktfähige, technische Lösungen und Holzbauweisen entwickelt werden, die bisher nicht existieren. Für den Kranbau und seine Marktakteure bietet sich die Möglichkeit Krane aus natürlichen, ökologischen Faserverbunden einzusetzen und sich damit als innovative, zukunftsorientierte Schlüsselbranche zu präsentieren. Projektergebnisse: Es wurde eine Recherche zu normbasierten Kranarten und möglichen Ausführungen durchgeführt. Bei der Suche nach aktuellen Umsetzungen von Kranen jeglicher Art unter Einbindung von Holzwerkstoffen wurde die Ausführung der Kranbahn sowie einer Kranbrücke aus Vollholzwerkstoff aufgedeckt. Die Kranbrücke wurde aufgrund unzureichender Informationen aus Veröffentlichungen intensiver anhand der Informationen und Abbildungen untersucht, sowie ein bestehendes Gebrauchsmuster analysiert. In der Schnittstellenanalyse wurden relevante Normen für spezifische Anwendungsfälle zusammengetragen. Aus den Ergebnissen der Grundlagen und Recherche wurden die notwendigen Nachweise sowohl aus dem Kran- wie auch aus dem Holzbau verglichen und zusammengeführt. So ergeben sich die notwendige Auslegung auf Lebensdauer, sowie die Auslegung für einfache und dauerhafte Beanspruchungen unter der Belastungsart der Biegung. Für die Kranarten wurden Bewertungskriterien und eine Bewertungsmatrix erstellt, mit deren Ergebnis das Substitutionspotential der Kranarten ermittelt werden konnte. Das höchste Substitutionspotential wiesen Brücken- und Portalkrane auf, sodass mit diesen detailliertere Berechnungen und Auslegungen durchgeführt wurden. Durch das Aufstellen von Aspektverhältnissen (Höhe-Breitenverhältnis bei gleicher Spannweite und Durchbiegung) konnten sowohl der notwendige Bauraum, wie auch das Gewicht der einzelnen Variationen theoretisch ermittelt und untereinander verglichen werden. Auf Grundlage der erarbeiteten Erkenntnisse wurde ein Pflichtenheft erarbeitet. Auf dessen Basis wurde eine vorteilhafte Bauweise auf der Grundlage eines Kastenprofils erarbeitet. Dieses vereint den Leichtbau bei geringer Durchbiegung. Der monetäre Vergleich zeigt, dass Holz- und Metallbauweise etwa auf dem gleichen Niveau liegen. Eine Ausführung von Kranen in Holzbauweise wäre somit aus Sicht der Belastung des Gewichtes und aus finanziellen Aspekten vielversprechend.:Projektdaten/ Projekt data Projektbeschreibung Projektergebnisse Project objective Project results Inhaltsverzeichnis 1 Kurzbericht 1.1 Aufgabenstellung 1.2 Planung und Ablauf des Vorhabens 1.3 Resümee der wesentlichen Ergebnisse 1.3.1 Arbeitspakete und Meilensteine 1.3.2 Zusammenfassung 1.3.3 Ausblick 2 Ausführliche Darstellung der Ergebnisse 2.1 Erzielte Ergebnisse 2.1.1 Arbeitspaket 1: Grundlagen 2.1.2 Arbeitspaket 1.1: Recherche 2.1.2.1 Brückenkran 2.1.2.2 Portalkran 2.1.2.3 Kabelkrane 2.1.2.4 Drehkran 2.1.2.5 Fahrzeugkran 2.1.2.6 Stand der Technik 2.1.3 Abgrenzung zur aktuellen Lösung in Holzbauweise, kritische Würdigung 2.1.4 Arbeitspaket 1.2: Schnittstellenanalyse 2.1.5 Arbeitspaket 1.3: Bewertungskriterien 2.1.6 Arbeitspaket 1.4: Konstruktive Analyse 2.1.7 Arbeitspaket 1.5: Substitutionspotentialanalyse 2.1.8 Arbeitspaket 1.6: Wesentliche Offene Fragen für das Forschungsfeld (Auswahl) 2.1.9 Meilenstein I: Pflichtenheft 2.1.10 Arbeitspaket 2: Synthese 2.1.11 Arbeitspaket 2.1: Berechnung 2.1.11.1 Normkonformität 2.1.11.2 CE-Konformität 2.1.11.3 Evaluation einer holzspezifischen Leichtbauausführung 2.1.12 Arbeitspaket 2.2: Material 2.1.12.1 Materialkennwerte 2.1.12.2 Versagensmechanismen 2.1.13 Arbeitspaket 2.3: Target Costing (Variantenvergleich) 2.1.13.1 Konstruktionsvarianten 2.1.13.2 Untersuchung vorteilhafter Profilbauweisen 2.1.14 Baukastensystem 2.1.15 Projektergebnisse bezogen auf die Kernfragen der Machbarkeitsstudie 2.1.16 Frage 1: Wie ist Holz grundsätzlich technisch und wirtschaftlich vorteilhaft im Kranbau einsetzbar? 2.1.17 Frage 2: Welche Kranarten sind prinzipiell realisierbar? 2.1.18 Frage 3: Welche konkreten Schritte sind für die Umsetzung der Holzbauweisen nötig? 2.2 Erfindungen/Schutzrechtsanmeldungen 2.3 Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende 2.4 Wissenschaftliche und/oder technische Erfolgsaussichten nach Projektende 2.5 Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit 3 Erkenntnisse von Dritten 4 Veröffentlichungen 5 Quellen / Project objective: The aim of the research work is to open up and design a new research field for the use of wood and wood-based materials in crane construction. This is intended to lay the scientific foundations for designing crane systems and their components in timber construction in a technically sensible and safe manner, for making cranes economical, ecological and technically advantageous in comparison to current construction methods. The project is carried out as a feasibility study. The scientific and technical importance of the project is characterized by the opening of a new research field with a strong technical, practice oriented focus. This results in a variety of both fundamental and application related questions that require scientific clarification. Cranes are high-tech systems and interfaces to many technical functional chains. Individual, competitive use cases with pilot status have an impact within the industry and beyond. All in all, currently marketable, technical solutions and timber construction methods have to be developed which do not exist so far. Crane construction and its market players have the opportunity to use cranes made from natural, ecological fiber composites and thus present themselves as an innovative, future-oriented key industry. Project results: Research was carried out on standard based crane types and possible designs. In search for current implementations of cranes of all kinds using wood materials, the design of the crane runway and a crane bridge made of solid wood material was discovered. Because of insufficient information from publications, the crane bridge was examined more intensively using the information and illustrations and an existing utility model was analyzed. Relevant standards for specific applications were compiled in the interface analysis. From the results of the fundamentals and research, the necessary proofs from both the crane and the wood construction were compared and brought together. This results in the necessary design for service life, as well as the design for simple and permanent stresses under the type of stress caused by bending. Evaluation criteria and an evaluation matrix were created for the crane types, with the result of which the substitution potential of the crane types could be determined. Bridge and gantry cranes had the highest substitution potential, so more intensive calculations and designs were carried out with them. By setting up aspect ratios (height-width ratio with the same span and deflection), both the necessary installation space and the weight of the individual variations could be determined theoretically and compared with each other. On the basis of the knowledge gained, a specification was drawn up. According to this, an advantageous construction based on a box profile was developed. This combines lightweight construction with low deflection. A monetary comparison shows that the bridge made of wood-based materials is roughly on the same level as the steel bridge. A design of cranes in timber construction would therefore be promising from the point of view of the weight load and from financial aspects.:Projektdaten/ Projekt data Projektbeschreibung Projektergebnisse Project objective Project results Inhaltsverzeichnis 1 Kurzbericht 1.1 Aufgabenstellung 1.2 Planung und Ablauf des Vorhabens 1.3 Resümee der wesentlichen Ergebnisse 1.3.1 Arbeitspakete und Meilensteine 1.3.2 Zusammenfassung 1.3.3 Ausblick 2 Ausführliche Darstellung der Ergebnisse 2.1 Erzielte Ergebnisse 2.1.1 Arbeitspaket 1: Grundlagen 2.1.2 Arbeitspaket 1.1: Recherche 2.1.2.1 Brückenkran 2.1.2.2 Portalkran 2.1.2.3 Kabelkrane 2.1.2.4 Drehkran 2.1.2.5 Fahrzeugkran 2.1.2.6 Stand der Technik 2.1.3 Abgrenzung zur aktuellen Lösung in Holzbauweise, kritische Würdigung 2.1.4 Arbeitspaket 1.2: Schnittstellenanalyse 2.1.5 Arbeitspaket 1.3: Bewertungskriterien 2.1.6 Arbeitspaket 1.4: Konstruktive Analyse 2.1.7 Arbeitspaket 1.5: Substitutionspotentialanalyse 2.1.8 Arbeitspaket 1.6: Wesentliche Offene Fragen für das Forschungsfeld (Auswahl) 2.1.9 Meilenstein I: Pflichtenheft 2.1.10 Arbeitspaket 2: Synthese 2.1.11 Arbeitspaket 2.1: Berechnung 2.1.11.1 Normkonformität 2.1.11.2 CE-Konformität 2.1.11.3 Evaluation einer holzspezifischen Leichtbauausführung 2.1.12 Arbeitspaket 2.2: Material 2.1.12.1 Materialkennwerte 2.1.12.2 Versagensmechanismen 2.1.13 Arbeitspaket 2.3: Target Costing (Variantenvergleich) 2.1.13.1 Konstruktionsvarianten 2.1.13.2 Untersuchung vorteilhafter Profilbauweisen 2.1.14 Baukastensystem 2.1.15 Projektergebnisse bezogen auf die Kernfragen der Machbarkeitsstudie 2.1.16 Frage 1: Wie ist Holz grundsätzlich technisch und wirtschaftlich vorteilhaft im Kranbau einsetzbar? 2.1.17 Frage 2: Welche Kranarten sind prinzipiell realisierbar? 2.1.18 Frage 3: Welche konkreten Schritte sind für die Umsetzung der Holzbauweisen nötig? 2.2 Erfindungen/Schutzrechtsanmeldungen 2.3 Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende 2.4 Wissenschaftliche und/oder technische Erfolgsaussichten nach Projektende 2.5 Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit 3 Erkenntnisse von Dritten 4 Veröffentlichungen 5 Quellen