Welche Schienen - ThyssenKrupp GfT Gleistechnik GmbH

K R A N E
KRANFAHRBAHNEN – HERSTELLTOLERANZEN
Welche Schienenarten
und -befestigungen
sind geeignet?
Bei der Planung einer Fahrbahn für schienengebundene Krane sollte
eine technisch und wirtschaftlich vertretbare Ausführungsvariante
gewählt werden. Der Beitrag gibt einen Überblick über die unterschiedlichen
Kranschienenformen und Befestigungssysteme sowie
die geforderten Herstelltoleranzen. Zur Koordination der unterschiedlichen
Gewerke – Kranbau, Betonbau, Stahlbau, Gleisbau –
wird die Nutzung der Richtlinie VDI 3576 empfohlen.
■ Dipl.-Ing. Karlheinz Feldhaus
Zu betrachtende Komponenten
Kran – Räder – Fahrbahn
Bei der Gestaltung der Fahrbahn für
schienengebundene Krane ist entscheidend,
welche Räder zum Einsatz kommen.
Wird zur Spurführung ein Doppelspurkranz
(Bild ➊) genutzt, richtet sich die
Spurmaßtoleranz nach der vorhandenen
Differenz zwischen Schienenkopfbreite
und lichter Weite zwischen den Spurkränzen.
Diese Art der Spurführung erfordert
wenig Platz, ist aber einem erhöhten
Verschleiß unterworfen. Werden Führungsrollen
(Bild ➋) eingesetzt, lässt sich möglicherweise
eine größere Spurmaßtoleranz
festlegen. Der Raum neben den Schienen
und unterhalb der Schienenoberkante muss
für die Führungsrollen frei bleiben.
Schienenlagerung
Die Lagerung der Schienen muss entsprechend
der Belastung und der Bauart gewählt
werden. Möglich sind grundsätzlich zwei
Ausführungen – kontinuierlich und diskontinuierlich.
Eine diskontinuierliche Variante
ist die Schienenlagerung auf Schienenstühlen
(Bild ➌) oder auf Schwellen Sie ist
vor allem dort gefragt, wo hohe Senkungen
befürchtet werden, so z. B. bei aufgeschütteten
Böden. Die ständige Lageänderung
unter Betrieb erfordert auch eine ständige
Durcharbeitung (d. h. Stopfen und Richten
des Gleises zur Wiederherstellung der Soll-
Lage).
Für Krananlagen ist generell eine kontinuierliche
Schienenlagerung vorzuziehen.
In einem Beispiel (Bild ➍) liegt die Kranschiene
durchgehend auf einer Kunststoffzwischenlage
und einem Stahlträger bzw.
bei Lagerung auf Betonfundament auf
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einem Stahlblech, das präzise vergossen ist.
Für Brückenkrane ist diese kontinuierliche
Schienenlagerung üblicherweise auf einem
stählernen Kranbahnträger vorgesehen. So
wird eine gleichmäßige „Rollbahn“ ohne
horizontale und/oder vertikale Bewegung
hergestellt, und es ergibt sich ein Höchstmaß
an Nutzungskomfort.
Die Bauart „Kontinuierliche Schienenlagerung
auf Ortbetonbalken“ ist aufwändiger
als die diskontinuierliche Schienenlagerung,
hat aber eine längere Lebensdauer und
ist letztlich wirtschaftlicher. Die Bauart
„Diskontinuierliche Schienenlagerung auf
Ortbetonbalken“, auch Schienenstuhl genannt,
erspart in der Herstellung einige Kosten
gegenüber der kontinuierlichen Bauart,
ist aber höchst anfällig gegen Schäden.
Schienendurchbiegung, -torsion und Kantenpressung
der Auflagerplatte überfordern
oftmals den Beton.
Für alle Varianten, die mit Vergussmörtel
gebaut werden, ist die genaue Kenntnis der
Mörtelmischung – Menge und Art des Wasserzusatzes,
Art und Dauer der Mischung,
Topfzeit, Abbindebedingungen – von höchster
Bedeutung für die Haltbarkeit. Ein kleiner
Fehler beim Anmachen des Vergussmörtels
führt unweigerlich zu kostenintensiven
Schäden.
Eine „Kontinuierliche Schienenlagerung
auf einem Stahlbeton-Fertigteil“ könnte
eine wirtschaftliche Alternative zum Ortbetonfundament
sein. Ein erster Versuch dazu
wurde im Jahr 2004 im Dortmunder Hafen
durchgeführt. Das Betonfertigbalkenkonzept
ist aber noch nicht ausgereift. Es bietet
aber die einzigartige Möglichkeit, eine
höhen- und seitenjustierbare Kranfahrbahn
herzustellen, die eine kontinuierliche (oder
eine „fast kontinuierliche“) Schienenlage-
➊ Spurkranz
➋ Führungsrollen
➌ Diskontinuierliche Schienenlagerung
➍ Kontinuierliche Schienenlagerung
rung zulässt. Darüber hinaus ist hier eine
Querverschiebung der Schienenlagerung,
wie sie vor allem bei Schwellen üblich ist,
nahezu ausgeschlossen.
Schienenbefestigungen
Die einfachste Art, Schienen zu befestigen,
ist das Aufschweißen von Vierkantprofilen
oder Kranschienen auf einem Stahluntergrund.
Diese Variante ist allerdings nur bedingt
und für gelegentlichen leichten Kranbetrieb
einsetzbar.
www.hebezeuge-foerdermittel.de · Hebezeuge und Fördermittel, Berlin 46 (2006) 7-8

Schienen auf Stahlträgern wurden früher
oftmals durch Niete oder Schrauben
mit dem Obergurt verbunden. Auch diese
Bauart ist nur gering belastbar und daher
nicht zu empfehlen. Besonders oft wurde
diese Bauart bei Katzschienen eingesetzt;
die Auswechslung dieser Schienen ist sehr
aufwändig.
Heute sind Schienenbefestigungen üblich,
die neben dem Schienenfuß aufgeschraubt
oder aufgeschweißt werden und
so den Schienenfuß seitlich und in der
Höhe fixieren. Diese Befestigungssysteme
sind normalerweise seitenverstellbar,
klemmende Befestigungen beispielsweise
durch ein schräg angeordnetes Langloch.
Die Seitenverstellung erfolgt durch Schieben,
die Sicherung der Verschraubung
durch keilförmige Platten, die ggf. zu erhöhter
Schraubenbelastung führen können.
Führende Systeme haben eine Druckplatte,
die drehbar in der Führungsplatte gelagert
ist, und die Seitenverstellung erfolgt durch
Drehung. Die Schrauben werden planmäßig
vorgespannt und nicht zusätzlich belastet.
Die Längsdehnung einer Kranschiene,
z. B. infolge der Sonneneinstrahlung, ist bei
der Planung der Kranbahn ein wichtiges
Kriterium.
Wenn klemmende Befestigungen eingesetzt
werden, ist bei der Auswahl der
Schrauben darauf zu achten, dass die Kräfte
aus der Längsdehnung von den Befestigungsschrauben
aufgenommen werden
müssen, weil anderenfalls mit Schäden zu
rechnen ist.
Beim Einsatz von Führungssystemen hält
die Führungsplatte die Schiene horizontal
und vertikal ohne einzuengen; es wird kein
bzw. nur ein geringer Druck auf den Schienenfuß
ausgeübt. Die Schiene kann sich
längs dehnen und wieder zusammenziehen,
ohne dass die Befestigung daraus resultierende
Kräfte aufnehmen muss.
Arten von Kranschienen
In der vom VDI-FML-Fachausschuss B1
„Krane“ erarbeiteten Richtlinie VDI 3576
„Schienen für Krananlagen – Schienenverbindungen,
Schienenbefestigungen, Tole-
ranzen“ werden die zum Einsatz kommenden
Schienenarten aufgeführt. Im einzelnen
sind das (Bild ➎):
1.2.1 Flach- bzw. Vierkantschienen
Sie werden aus warm gewalztem Stahl nach
DIN 1017-1 oder 1014-1 hergestellt.
1.2.2 Kranschienen nach DIN 536-1 und 2
Als Werkstoff wird Stahl mit einer Mindestzugfestigkeit
von 690 bis 880 N/mm2 verwendet.
1.2.2.1 Kranschienen Form A
Diese Schienen werden sowohl auf Stahlträgern
als auch auf Beton verlegt. Eine diskontinuierliche
Lagerung für diese Schienenform
ist nicht zu empfehlen. Es werden
elastische, in Sonderfällen auch starre Zwischenlagen
verwendet.
1.2.2.2 Kranschienen Form F
Diese Schienenform ist nicht handelsüblich.
Verwendung und Bauart sind denen der
Form A ähnlich.
Hebezeuge und Fördermittel, Berlin 46 (2006) 7-8 · www.hebezeuge-foerdermittel.de
➎ Schienenarten
in der
Übersicht
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1.2.3. Breitfußschienen nach DIN 5901
Die Breitfußschienen, auch Vignolschienen
genannt, werden überwiegend für Bahnanlagen
eingesetzt. Bei Krananlagen finden sie
üblicherweise nur Verwendung in Verbindung
mit diskontinuierlicher Schienenlagerung.
1.2.4 Schienen nach TL UIC 860 V
Angeboten werden die Schienenformen
S 41 bis S 54 und UIC 50 bis UIC 60. Diese
Schienen werden nach den Liefervorschriften
des internationalen Eisenbahnverbandes
(UIC) hergestellt und sind in Güte und Form
denen nach DIN 5901 ähnlich.
1.3 Sonderschienen
Die Ausführung dieser Schienenformen
ist nicht genormt. Die Bezeichnungen
wurden vom Hersteller festgelegt. Als
Werkstoff wird Stahl mit einer Mindestzugfestigkeit
von 690 N/mm 2 eingesetzt.
Sondergüten und Stähle mit höherer Mindestzugfestigkeit
sind zu vereinbaren.
1.3.1 Dickstegige Schienen
Die dickstegigen Schienen eignen sich besonders
für diskontinuierliche Schienenlagerung
mit hohen Radkräften. Die handelsüblichen
Schienen werden mit der Grundbezeichnung
MRS gekennzeichnet.
1.3.2 Sonderformen Q und R
Diese Sonderformen, „Q“ für quadratische
und „R“ für rechteckige Form, sind für hohe
Radlasten geeignet. Diese Schienen werden
üblicherweise aus warmgewalztem Stabstahl
hergestellt, die Kontur für die Schienenbefestigung
ist mechanisch bearbeitet.
1.3.3 Spezialprofile
Bei extrem hohen Radlasten können Spezialprofile
eingesetzt werden. Als schwerstes
Walzprofil ist zurzeit die Schiene MRS 221
(221,4 kg/m) handelsüblich.
Neue Schwerlast-Kranschiene
AS 86
Die Kranschienen A 45 bis A 150 wurden
bis 1991 mit ebener Lauffläche hergestellt.
Nach DIN 536 Teil 1 vom September 1991
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werden die Laufflächen ausgerundet. Aus
diesem Grund ist die Schiene MRS 87a
(PRI 85) so modifiziert worden, dass der
gleiche Nutzeffekt erzielt wird. Diese
Schiene hat die Bezeichnung AS 86. Die
Änderung bringt für Krananlagen erhebliche
Vorteile: längere Standzeit und geringeren
Verschleiß. Der Grund dafür ist, dass die
Idealvorstellung – parallele Laufflächen
von Schiene und Rad – beim Neubau praktisch
nicht erreicht werden kann. Erst nach
der Inbetriebnahme passen sich die Laufflächen
durch Verschleiß aneinander an. Die
Abweichungen von Ebenheit des Schienenkopfes,
Montagegenauigkeit, Ausführung
des Rades und Achsparallelitätstoleranzen
können sich auf eine erhebliche Parallaxe
addieren.
Die Ausführung nach alter Norm führt
somit zwangsläufig zu hohen Eckdrücken;
wegen der ebenen Schienenkopfausbildung
setzt das Rad immer am Ende des Schienenkopfes
auf. Die Radlast wird auf geringe
Aufstandsflächen übertragen, und der Verschleiß
an Schiene und Rad ist einseitig radikal
progressiv.
Die Ausführung nach neuer Norm
bringt von Anfang an Vorteile (Bild ➏).
Die Außermittigkeit a der Kraft F wird auf
rd. ein Drittel reduziert, und die Aufstandsfläche
ist in voller Größe vorhanden,
die Spannungen werden besser verteilt.
Der zuerst erkennbare Verschleiß, die
Gratbildung am Schienenkopf, wird erheblich
reduziert, die Laufräder werden
gleichmäßig belastet.
Herstelltoleranzen
von Kranfahrbahnen
Festlegungen
Kranbetreiber und -hersteller können die
Toleranzklassen, Toleranzen bzw. Beanspruchungsgruppen
unter Berücksichtigung
der betrieblichen Gegebenheiten und Anforderungen
nach DIN 15018 einvernehmlich
festlegen. Wenn nicht anders vereinbart, gilt
folgende Einstufung:
Toleranzklasse 1:
Beanspruchungsgruppen B4 bis B6
Toleranzklasse 2:
Beanspruchungsgruppen B1 bis B3
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Toleranzklasse 3:
Krananlagen mit kurzen Fahrwegen
Toleranzklasse 4:
Krananlagen mit geringster Beanspruchung
und zeitlich begrenzter Nutzungsdauer.
Werden höhere Anforderungen an die Positioniergenauigkeit
gestellt, so sind ggf.
Werte geeigneter Toleranzklassen zu vereinbaren.
Wenn es aus betrieblichen Gründen
erforderlich ist, können Werte unterschiedlicher
Toleranzklassen verabredet
werden.
Erläuterung der Kenngrößen
Ausführliche Darstellungen sind in der
o. g. Richtlinie VDI 3576 enthalten.
1. Spurmittenmaß s
– Toleranz A
Das Spurmittenmaß s wird von Mitte
Schienenkopf bis Mitte Schienenkopf gemessen.
Unzulässige Abweichungen „A“
bewirken Zwängungen in der Spur.
➏ Von-Mises-
Spannungen an
Kranschienen
im Vergleich;
links Ausführung
nach alter Norm,
rechts Ausführung
nach neuer Norm
(AS 86)
(Bilder: ThyssenKrupp GfT)
2. Lage einer Schiene im Grundriss
– Toleranz B
Eine etwa parallele Lageänderung beider
Schienen in gleiche Richtung ist für den
Fahrbetrieb von geringer Bedeutung, für
automatische Positionierung können sich
jedoch erhebliche Probleme ergeben.
Schienenknicke sind unbedingt in Grenzen
zu halten.
3. Höhenlage einer Schiene (Längsgefälle)
– Toleranz C
und Höhenlage der gegenüberliegenden
Schienen (Quergefälle)
– Toleranz E
Abweichungen von der Höhenlage können
bei langen Bahnen und stetiger Neigung unbedenklich
sein, wenn zweckentsprechende
Fahrwerksbremsen selbsttätiges Rollen verhindern.
Wälzgelagerte Krane rollen bereits
bei einem Gefälle von 1 bis 2 ‰.
Zu hohes Quergefälle führt zu erhöhten
Seitenkräften (vergl. 2.). Quergefälle ist hier
definiert als Abweichung rechtwinklig gegenüberliegender
Punkte von der Höhen-
Sollage.
4. Parallelität der Endanschläge
– Toleranz F
Durch Versatz der Endanschläge in Kranbahnlängsrichtung
stellt sich der Kran
beim Auffahren schräg. Erhöhte Beanspruchung
der Tragkonstruktion und der
Spurführungsmittel sind die Folge.
5. Neu: Abweichungen der
Schienenachse aus der Vertikalen
– Toleranz G
Diese Abweichung führt bei Schienen mit
ebener Lauffläche zu erhöhten Pressungen
zwischen Schiene und Laufrad; dadurch
kommt es zu Auswalzungen, Gratbildungen
und Schienenbrüchen. Der Einsatz
kopfausgerundeter Schienen (AS 86) ist
daher zu empfehlen.
6. Parallelität der Schienen-Z-Achse
zum Steg des Trägers
– Toleranz K
Bei der Lagerung von Schienen auf Stahlträgern
ist eine seitlich versetzte Schiene
nur in dem Maße zu tolerieren, in dem die
Unterkonstruktion entsprechend berechnet
und konstruiert ist.
7. Neigungsdifferenz gegenüberliegender
Schienen (Schränkung)
– Toleranz N
Durch die Schränkung der Schienen treten
bei statisch unbestimmten Konstruktionen
wechselnd undefiniert erhöhte Radlasten auf.
Betriebstoleranzen
Treten nach der Abnahme der Kranfahrbahn
Veränderungen auf, so ist im Bereich der
zulässigen Abnutzung (Verschleiß) und der
zulässigen bleibenden Form- und Lageveränderungen
mit einer Vergrößerung der
Herstelltoleranzen zu rechnen. Solange diese
Vergrößerung die Sicherheit und Funktion
der Krananlage nicht beeinträchtigt, bestehen
keine sicherheitstechnischen Bedenken.
Als Richtwert gilt, dass für die Betriebstoleranzen
der doppelte Wert der Herstelltoleranzen
zulässig ist. Abweichungen darüber
hinaus sind objektgebunden zu vereinbaren.
Der Kranhersteller soll in der zur
Lieferung gehörenden Dokumentation die
für den Kranbetrieb zutreffenden Betriebstoleranzen
dem Kranbetreiber angeben, sofern
bei der Bestellung keine Festlegungen
vereinbart worden waren. ■
Dipl.-Ing.
Karlheinz Feldhaus
ist Abteilungsleiter Projektierung
und Entwicklung
bei der ThyssenKrupp GfT
Gleistechnik GmbH in Essen
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