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Die Erfindung betrifft eine Tragstruktur für einen Kran, insbesondere für eine Fachwerkkonstruktion eines Masts oder Kranträgers, insbesondere eines Auslegers, oder für eine Abspannungskonstruktion des Krans, wobei die Tragstruktur ein erstes Tragelement und ein mit dem ersten Tragelement verbundenes zweites Tragelement umfasst.
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Auch betrifft die Erfindung einen Kran mit einer entsprechenden Tragstruktur. Tragstrukturen von Kranen dienen der Aufnahme und Abtragung von Lastkräften, durch deren Kraftfluss ein Kran insbesondere beim Betrieb durch bewegte Lasten beaufschlagt wird. Je nach Krantyp können derartige Tragstrukturen Bestandteil von Fachwerkkonstruktionen von Masten oder Kranträgern, insbesondere von Auslegern, sein. Zu nennen sind hier beispielsweise Turmkrane, Raupenkrane, Gittermastraupenkrane, Industriekrane, Prozesskrane, Hafenkrane, insbesondere Hafenmobilkrane, Hafenschienenkrane, Schwimmkrane, Hafenreifenportalkrane, Containerbrücken (so genannte Ship-to-Shore-Cranes) oder Containerstapelkrane. Auch können die vorgenannten Krane Abspannungskonstruktionen mit von starren stabförmigen, insbesondere rohrförmigen, Abspannungselementen gebildeten Tragstrukturen aufweisen, um Krankomponenten wie beispielsweise einen Ausleger zu sichern beziehungsweise zusätzlich zu stabilisieren und hierfür zu verspannen und damit die Anordnung der entsprechenden Krankomponenten zu versteifen.
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Da mit den genannten Kranen Lasten von mehreren Tonnen, insbesondere bis zu mehreren hundert Tonnen, bewegt werden, sind die Tragstrukturen und deren Tragelemente entsprechend hoch belastbar auszulegen. Aus diesem Grund sind bei bekannten Kranen die Tragstrukturen und deren Tragelemente üblicherweise vollständig aus Stahlwerkstoffen hergestellt.
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In der
EP 2 162 634 B1 ist eine Anordnung zum Verbinden eines länglichen Elementes mit einer weiteren Komponente beschrieben. Hierbei wird eine formschlüssige Verbindung zwischen einem aus Faserverbundmaterial hergestellten Zugelement für die Takelage von Segelschiffen oder Torsionswellen mit einer weiteren Komponente aus Metall hergestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Tragstruktur für einen Kran und einen verbesserten Kran mit einer Tragstruktur bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Tragstruktur und den in Anspruch 9 wiedergegebenen Kran gelöst. In den Ansprüchen 2 bis 8 und 10 bis 11 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine Tragstruktur für einen Kran, insbesondere für eine Fachwerkkonstruktion eines Masts oder Kranträgers, insbesondere eines Auslegers, oder für eine Abspannungskonstruktion des Krans, wobei die Tragstruktur ein erstes Tragelement und ein mit dem ersten Tragelement verbundenes zweites Tragelement umfasst, dadurch verbessert, dass das zweite Tragelement aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere CFK oder GFK, hergestellt ist. Eine derartige Tragstruktur weist gegenüber bekannten Tragstrukturen in vorteilhafter Weise bei geringerem Eigengewicht bessere mechanische Eigenschaften auf. Hierbei kann die Tragstruktur eine Art äußere Rahmenstruktur aufweisen, die von entsprechenden ersten Tragelementen gebildet wird und in die entsprechende zweite Tragelemente aus Faserverbundmaterial und somit in Leichtbauweise integriert werden, um insgesamt die mechanischen Eigenschaften der gesamten Tragstruktur zu optimieren. Somit können die selbst gegenüber hochfesten Stahlwerkstoffen höheren spezifischen Festigkeiten und Steifheiten, besseren Korrosionsbeständigkeiten und überlegenen Ermüdungsverhalten entsprechender Faserverbundmaterialien genutzt werden.
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In konstruktiv einfacher Weise ist vorgesehen, dass das erste Tragelement mit dem zweiten Tragelement über ein Verbindungselement verbunden ist und das Verbindungselement formschlüssig mit dem zweiten Tragelement verbunden ist. Dies ermöglicht einen besonders guten Kraftfluss zwischen dem ersten und zweiten Tragelement. Zudem kann durch das bei der Herstellung des zweiten Tragelements erfolgende Aushärten der Kunststoffkomponente und das hiermit einhergehende Fixieren der formschlüssigen Verbindung anders als beispielsweise bei einer Klebeverbindung eine schnelle und somit wirtschaftliche Verbindung erreicht werden. Es ist nur ein Aushärteschritt erforderlich.
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In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass das Verbindungselement Vorsprünge aufweist, die zur Befestigung an dem zweiten Tragelement in das Faserverbundmaterial des zweiten Tragelements hineinragen. Dadurch kann eine Beschädigung von Fasern vermieden werden und die mechanische Belastbarkeit der hergestellten Hybridverbindung zwischen dem Faserverbundmaterial und dem hiervon abweichenden Material des ersten Tragelements erhöht werden.
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Vorteilhafte mechanische Eigenschaften ergeben sich dadurch, dass das zweite Tragelement stabförmig, insbesondere rohrförmig, ausgebildet ist. Sofern eine entsprechende Tragstruktur Bestandteil einer Abspannungskonstruktion ist, kann das zweite Tragelement auch als Abspannungselement ausgebildet sein.
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In konstruktiv einfacher Weise ist vorgesehen, dass das Verbindungselement zylinderförmig ausgebildet ist. Ein dementsprechend zylinderförmig, insbesondere hohlzylinderförmig und damit rohrförmig beziehungsweise hülsenförmig, ausgebildeter Grundkörper des Verbindungselements ermöglicht eine einfache und besonders belastbare Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem zweiten Tragelement.
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Die Hybridverbindung wird konstruktiv einfach weiter dadurch verbessert, dass die Vorsprünge an einer äußeren Umfangsfläche des Verbindungselements angeordnet sind und an einer Innenfläche des zweiten Tragelements, insbesondere an dessen Ende, in das Faserverbundmaterial hineinragen und hierbei insbesondere die äußere Umfangsfläche an der Innenfläche anliegt.
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In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass das erste Tragelement aus einem metallischen Material, insbesondere aus einem Stahlwerkstoff, hergestellt ist. Dadurch können optimierte mechanische Eigenschaften der Tragstruktur realisiert werden.
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In konstruktiv einfacher Weise ist vorgesehen, dass das zweite Tragelement über ein Anschlusselement an dem ersten Tragelement befestigt ist, das Anschlusselement zwischen dem Verbindungselement und dem ersten Tragelement angeordnet und mit dem ersten Tragelement verschweißt ist. Dies ermöglicht eine besonders stabile Verbindung des ersten und zweiten Tragelements und eine entsprechend gute Kraftübertragung zwischen diesen.
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Um einen verbesserten Kran mit einer Tragstruktur bereitzustellen, ist vorgesehen, dass die Tragstruktur wie eine der vorstehend beschriebenen Tragstrukturen ausgebildet ist. Die vorgenannten Vorteile in Bezug auf die Tragstruktur wirken sich in gleicher Weise auf einen Kran mit einer solchen Tragstruktur aus, wodurch sich insbesondere eine erhebliche Gewichtsreduktion des Krans und verbesserte mechanische Eigenschaften ergeben.
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In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass das zweite Tragelement eine Diagonalstrebe einer Fachwerkkonstruktion eines Masts oder Kranträgers, insbesondere Auslegers, oder ein Abspannungselement einer Abspannungskonstruktion des Krans ist.
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In konstruktiv einfacher Weise ist vorgesehen, dass das erste Tragelement Bestandteil eines Obergurts oder Untergurts des Masts oder Kranträgers, insbesondere Auslegers, ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Krans,
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2 eine ausschnittsweise Ansicht des Auslegers des Krans aus 1 und
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3 eine schematische Schnittansicht der Anbindung einer Diagonalstrebe an ein Untergurtrohr.
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Die 1 zeigt eine Ansicht eines Krans 1, der als so genannter Hafenmobilkran für den Umschlag von normierten Behältern, insbesondere von ISO-Containern, zwischen Land und Wasser beziehungsweise umgekehrt beziehungsweise innerhalb von Container-Terminals ausgebildet ist. Auch kann der Kran 1 mit einem Greifer zum Umschlag von Schüttgütern ausgerüstet werden.
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Der Kran 1 weist im Wesentlichen einen Unterwagen 2 und einen Oberwagen 3 mit einem Turm 4 und einem Ausleger 5 auf. In üblicher Weise wird der Kran 1 über seinen Unterwagen 2 und dessen Radreifenfahrwerke 2a auf dem Land abgestützt. Über die Radreifenfahrwerke 2a ist der Kran 1 frei verfahrbar. Auch ist es möglich, dass der Kran 1 auf Schienen verfahrbar oder stationär auf einem Schwimmponton befestigt wird. Auf dem Unterwagen 2 ist der Oberwagen 3 um eine vertikale Drehachse drehbar gelagert. Der Oberwagen 3 trägt auch ein Hubwerk. Zudem ist auf dem Oberwagen 3 der sich in Vertikalrichtung erstreckende Turm 4 abgestützt, an dem der Ausleger 5 angelenkt ist. Der Ausleger 5 ist um eine horizontale Wippachse schwenkbar mit dem Turm 4 verbunden und zusätzlich über ein an dem Ausleger 5 und an dem Oberwagen 3 angelenktes Wippwerk, das üblicher Weise als Hydraulikzylinder ausgebildet ist, aus seiner seitlich auskragenden Betriebsstellung in eine aufrechte Ruhestellung verschwenkbar. An der von dem Turm 4 abgewandten Spitze des Auslegers 5 sind Seilscheiben drehbar gelagert, über die ausgehend von dem am Oberwagen 3 angeordneten Hubwerk Hubseile in Längsrichtung LR des Auslegers 5 zu der anzuhebenden Last L geführt sind.
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Die 2 zeigt eine ausschnittsweise Ansicht des Auslegers 5 des Krans 1 aus 1. Der Ausleger 5 weist einen fachwerkartigen Aufbau auf. Die Fachwerkkonstruktion des Auslegers 5 umfasst hierbei eine Tragstruktur mit starren stabförmigen, vorzugsweise rohrförmigen, länglichen Tragelementen. Die Fachwerkkonstruktion wird im Wesentlichen von einem Obergurt 6, einem Untergurt 7 sowie mehreren quer zur Längsrichtung LR des Auslegers 5 gesehen X-förmig angeordneten Diagonalstreben 8 gebildet. Der Obergurt 6 und der Untergurt 7 erstrecken sich voneinander beabstandet jeweils in Längsrichtung LR des Auslegers 5 und vorzugsweise zumindest teilweise parallel zueinander. Der Obergurt 6 wird von zwei voneinander beabstandeten Obergurtrohren 6a gebildet, die aus einem metallischen Material, insbesondere einem Stahlwerkstoff, hergestellt sind. Hierbei weisen die länglichen, stabförmigen Obergurtrohre 6a einen runden, insbesondere kreisrunden Querschnitt auf. Der Untergurt 7 ist aus einem oder in gleicher Weise wie der Obergurt 6 aus zwei entsprechenden Untergurtrohren 7a gebildet. Bei nur einem Untergurtrohr 7a ergibt sich in Längsrichtung LR gesehen eine dreieckförmige Querschnittsstruktur des Auslegers 5. Bei zwei Untergurtrohren 7a ergibt sich entsprechender Weise eine viereckige Querschnittstruktur. Der Obergurt 6 und der Untergurt 7 beziehungsweise die einander gegenüberliegenden Obergurt- und Untergurtrohre 6a, 7a sind über die Diagonalstreben 8 miteinander verbunden, die zwischen diesen diagonal verlaufen. Insbesondere ist hierbei jede Diagonalstrebe 8 mit einem ersten Ende 8a an einem Obergurtrohr 6a des Obergurts 6 und mit einem zweiten Ende 8b am zugehörigen Untergurtrohr 7a des Untergurts 7 oder am gegenüberliegenden Obergurtrohr 6a befestigt. Auch andere Anordnungen der Diagonalstreben 8 und andersartig ausgebildete Obergurte 6 und Untergurte 7 sind zur Ausbildung der Fachwerkkonstruktion des Auslegers 5 denkbar.
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Die Diagonalstreben 8 sind jeweils ebenso wie die Obergurtrohre 6a und Untergurtrohre 7a starr und stabförmig, insbesondere rohrförmig sowie vorzugsweise mit rundem, insbesondere kreisrundem, Querschnitt, ausgebildet. Anders als die vorgenannten Komponenten der Fachwerkkonstruktion sind die Diagonalstreben 8 aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere Faserverbundkunststoff (kurz: FVK) und vorzugsweise aus CFK oder GFK, hergestellt. Diese Faserverbundmaterialien werden auch als kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (kurz: KFK), carbonfaserverstärkter Kunststoff (kurz: CFK) oder in Englisch als carbon-fiber-reinforced plastic (kurz: CFRP) sowie umgangssprachlich als Carbon oder Karbon beziehungsweise als glasfaserverstärkter Kunststoff (kurz: GFK) oder in Englisch als glass-fibre reinforced plastic (kurz: GFRP) bezeichnet. Hierbei handelt es sich jeweils um einen Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern beziehungsweise Glasfasern in eine Kunststoff-Matrix eingebettet sind. Der Matrix-Werkstoff dient zur Verbindung der Fasern sowie zum Füllen der Zwischenräume. Als Matrix-Werkstoff sind verschiedenste Kunststoffe verwendbar.
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Die Herstellung der Diagonalstreben 8 erfolgt auf bekannte Weise, indem die entsprechenden Kohlenstoff- oder Glasfasern zunächst um einen Formkern herum angeordnet, insbesondere gewickelt beziehungsweise geflochten, werden, hierbei in zunächst flüssigem beziehungsweise plastifiziertem Kunststoff getränkt und durch dessen anschließendes Aushärten in der von dem Kunststoff gebildeten Matrix fixiert werden.
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Jedes Obergurtrohr 6a und jedes Untergurtrohr 7a dient als erstes Tragelement der Tragstruktur der Fachwerkkonstruktion des Auslegers 5. Jede Diagonalstrebe 8 dient als mit dem ersten Tragelement verbundenes zweites Tragelement der Tragstruktur. Jedes erste Tragelement ist aus einem metallischen Material, insbesondere Stahlwerkstoff, und jedes zweite Tragelement aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere aus CFK oder GFK, hergestellt. Die Tragstruktur umfasst somit eine Hybridverbindung zwischen mindestens einem ersten Tragelement und einem hiermit verbundenen zweiten Tragelement aus einem von dem Material des ersten Tragelements abweichenden Material in Form des entsprechenden Faserverbundmaterials. Die zweiten Tragelemente werden vorwiegend auf Zug oder Druck belastet.
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Die 3 zeigt eine schematische Schnittansicht der Anbindung einer Diagonalstrebe 8 an ein Untergurtrohr 7a. Dargestellt ist eine Blickrichtung in Längsrichtung LR des Auslegers 5 und damit des Untergurts 7 beziehungsweise dessen Untergurtrohrs 7a. Um die Hybridverbindung zwischen dem als erstes Tragelement dienenden Untergurtrohrs 7a und dem zweiten Ende 8b der als zweites Tragelement dienenden Diagonalstrebe 8 herzustellen, wird ein Verbindungselement 9 benötigt.
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Das Verbindungselement 9 ist formschlüssig mit dem von der Diagonalstrebe 8 gebildeten zweiten Tragelement verbunden, so dass die Hybridverbindung mindestens eine formschlüssige Verbindung aufweist. Hierfür weist das Verbindungselement 9 einen zylinderförmigen, insbesondere hohlzylinderförmigen und damit rohrförmigen beziehungsweise hülsenförmigen, Grundkörper mit einem runden, vorzugsweise kreisrunden, Querschnitt auf. Das Verbindungselement 9 ist zumindest in einem Teilbereich einer äußeren Umfangsfläche 9a seines Grundkörpers mit stiftförmigen und vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandeten Vorsprüngen 9b versehen, die sich in radialer Richtung von der Umfangsfläche 9a weggerichtet erstrecken. Hierbei ist in Umfangsrichtung der Umfangsfläche 9a gesehen zumindest eine ringförmige Reihe voneinander beabstandeter Vorsprünge 9b vorgesehen. Vorzugsweise erstrecken sich jedoch in Richtung der Längserstreckung des Verbindungselements 9 gesehen mehrere Reihen von Vorsprüngen 9b von der Umfangsfläche 9a in radialer Richtung des Verbindungselements 9. Zur Befestigung des Verbindungselements 9 an der Diagonalstrebe 8 ragen die Vorsprünge 9b am Ende 8b der Diagonalstrebe 8 und innerhalb derselben in das Faserverbundmaterial der Diagonalstrebe 8 hinein, jedoch nicht durch die Wand 8c der Diagonalstrebe 8 hindurch. Die Außenfläche der Diagonalstrebe 8 ist somit frei von Vorsprüngen 9b und wird somit ausschließlich von Faserverbundmaterial, vorzugsweise dessen Kunststoffkomponente gebildet. Der innerhalb der Diagonalstrebe 8 angeordnete Bereich der Umfangsfläche 9a liegt vorzugsweise an der Innenfläche 8d der Diagonalstrebe 8 an. Dementsprechend weist die Wanddicke d der Wand 8c der Diagonalstrebe 8 ein größeres Maß auf als die Länge der Vorsprünge 9b in radialer Richtung. Dadurch ist das Verbindungselement 9 zumindest teilweise innerhalb der Diagonalstrebe 8 angeordnet und hiervon beziehungsweise von dessen Faserbundmaterial umschlossen, insbesondere ohne, dass hierbei dessen Fasern beschädigt werden, da diese um die Vorsprünge 9b herum angeordnet sind.
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Die beschriebene formschlüssige Anordnung wird erreicht, indem bei der Herstellung des zweiten Tragelements, das heißt der Diagonalstrebe 8, das Verbindungselement 9 und insbesondere dessen Vorsprünge 9a im Bereich von deren Zwischenräumen von dem Faserbundmaterial umgeben werden und hierbei insbesondere von dessen Fasern umwickelt beziehungsweise umflochten und zusätzlich von dem Matrix-Werkstoff umgeben werden. Durch das Aushärten der als Matrix-Werkstoff dienenden Kunststoffkomponente des Faserverbundmaterials der Diagonalstrebe 8 wird die formschlüssige Verbindung zwischen dem zweiten Tragelement und dem Verbindungselement 9 fixiert. Hierdurch ist eine zuverlässige und stabile Krafteinleitung und Kraftübertragung zwischen dem zweiten Tragelement und dem Verbindungselement 9 möglich.
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Das Verbindungselement 9 ist ebenso wie die ersten Tragelemente aus einem metallischen Material, insbesondere Stahlwerkstoff, hergestellt. Dadurch kann das Verbindungselement 9 an seinem von der Diagonalstrebe 8 abgewandten Ende auf einfache Weise an dem vom Untergurtrohr 7a gebildeten ersten Tragelement angebracht und insbesondere angeschweißt werden.
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Für eine gute Krafteinleitung und Kraftübertragung zwischen dem Verbindungselement 9 und dem von dem Untergurtrohr 7a gebildeten ersten Tragelement kann zwischen dem Verbindungselement 9 und dem ersten Tragelement ein Anschlusselement 10 vorgesehen sein. Das Anschlusselement 10 weist eine Ausnehmung 10a auf, die komplementär zur Oberfläche des ersten Tragelements ausgebildet ist, um flächig hieran anzuliegen und hiermit verschweißt werden zu können. Für das dargestellte rohrförmige erste Tragelement in Form des Untergurtrohrs 7a ist die Ausnehmung entsprechend kreisabschnittförmig ausgebildet. Die Hybridverbindung umfasst somit zwischen dem ersten und zweiten Tragelement eine formschlüssige und eine stoffschlüssige Verbindung.
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Alternativ kann das Anschlusselement 10 auch formschlüssig, beispielsweise über eine das erste Tragelement durchgreifende Bolzenverbindung, an dem ersten Tragelement befestigt werden, so dass die Hybridverbindung zwei formschlüssige Verbindungen zwischen dem ersten und zweiten Tragelement aufweist.
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Das Anschlusselement 10 kann zudem von dem Verbindungselement 9 selbst ausgebildet oder als zusätzliche Komponente hieran angeschweißt sein.
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In gleicher Weise ist das erste Ende 8a jeder Diagonalstrebe 8 an dem zugehörigen Obergurtrohr 6a oder gegebenenfalls zweiten Untergurtrohr 7a angebracht. Auch die Anbindung der zwischen beiden Obergurtrohren 6a verlaufenden Diagonalstreben 8 ist in gleicher Weise ausgebildet.
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Die vorliegend beschriebene Erfindung ist nicht auf Hafenmobilkrane beschränkt, sondern umfasst auch analog aufgebaute Tragstrukturen der eingangs genannten Krantypen, die Bestandteil von deren Kranträgern und insbesondere Kranauslegern sind. Entsprechende Tragstrukturen können hierbei zudem auch Bestandteil der Fachwerkkonstruktionen von fachwerkartig aufgebauten Masten sein, die auch als Gittermast bezeichnet werden.
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Auch werden entsprechende Tragstrukturen als Bestandteil von Abspannungskonstruktionen im eingangs genannten Sinne eingesetzt. Hierbei sind ebenfalls erste Tragelemente aus einem metallischen Material, insbesondere aus einem Stahlwerkstoff, vorgesehen, die mit aus Faserverbundmaterial hergestellten und als Abspannungselementen dienenden zweiten Tragelementen verbunden sind. Diese zweiten Tragelemente sind ebenfalls länglich und insbesondere stabförmig, vorzugsweise rohrförmig, ausgebildet. Die erforderliche Hybridverbindung kann hierbei analog zu der oben beschriebenen ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kran
- 2
- Unterwagen
- 2a
- Radreifenfahrwerk
- 3
- Oberwagen
- 4
- Turm
- 5
- Ausleger
- 6
- Obergurt
- 6a
- Obergurtrohr
- 7
- Untergurt
- 7a
- Untergurtrohr
- 8
- Diagonalstrebe
- 8a
- erstes Ende
- 8b
- zweites Ende
- 8c
- Wand
- 8d
- Innenfläche
- 9
- Verbindungselement
- 9a
- Umfangsfläche
- 9b
- Vorsprung
- 10
- Anschlusselement
- 10a
- Ausnehmung
- d
- Wanddicke
- L
- Last
- LR
- Längsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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