Analyse des Ermüdungsversagens und Strategie zur Lebensdauermonitoring-Zuverlässigkeit des Fachwerkauslegers bei Geländekränen

Warum Kranarme unbemerkt verschleißen können

Weltweit sind große Mobilkrane im Einsatz, um Windturbinen und andere schwere Bauwerke zu errichten. Obwohl ihre Stahlarme robust und unveränderlich wirken, wird beim Heben das Metall jedes Mal gebogen und wieder entspannt, wodurch es sich allmählich schwächt – ähnlich wie eine Büroklammer, die bei wiederholtem Biegen bricht. Dieser Beitrag untersucht, wie und wo sich dieser verborgene Schaden in den offenen Fachwerkverlängerungen von Kranmasten ansammelt, und zeigt, wie Live-Daten von Sensoren und digitale Modelle Ingenieure warnen können, bevor ein Riss zu einem schweren Unfall wird.

Das Metallskelett am Ende des Auslegers

Die Studie konzentriert sich auf den Fachwerkausleger, den gitterartigen Stahlabschnitt, der an die Spitze eines Teleskopauslegers montiert wird, um größere Reichweiten zu erzielen – unverzichtbar beim Heben von Turbinenbauteilen. Jeder Ausleger besteht aus hohlen Stahlrohren (Hauptseiten und Verstrebungen), die verschweißt sind. Wenn ein Kran wiederholt schwere Lasten hebt, dreht und absenkt, wirken auf diese Schweißverbindungen wechselnde Zug‑ und Druckkräfte. Moderne Leichtbaukonzepte dünnen die Rohre aus und bringen mehr Ausschnitte an, was die Effizienz erhöht, aber auch die Flexibilität vergrößert und die Spannungen an Schweißnähten konzentriert. Weil diese Nähte klein und dicht beieinander liegen und Risse schwer zu entdecken sind, bevor sie vollständig durchgehen, reichen traditionelle Daumenregeln bei Sicherheitsreserven nicht mehr aus.

Von Prüfständen in Originalgröße zu winzigen Rissspuren

Um zu untersuchen, wie sich Schäden tatsächlich entwickeln, bauten die Forschenden einen Prüfstand in Originalgröße mit einem sechs Meter langen Abschnitt eines Fachwerkauslegers aus hochfestem S890‑Stahl. Zunächst setzten sie stetig steigende Lasten an und maßen an vielen Punkten entlang der Hauptseiten nahe dem verankerten Ende, wo der Ausleger am Rest des Mastes anliegt, wie sich der Stahl verformte. Danach führten sie Ermüdungsprüfungen durch und variierten die Last einmal pro Sekunde, bis das Material versagte. Alle drei Prüfteile rissen im Wesentlichen an derselben Stelle: an der Außenkante einer Schweißnaht, wo eine Verstrebung auf ein Hauptrohr trifft und wiederholt unter Zug steht. Nach den Versuchen öffneten sie die Bruchbereiche und untersuchten die Bruchflächen mikroskopisch. Bei hoher Vergrößerung zeigten sich klassische „Striationen“, winzige parallele Wellen, die das Voranschreiten des Risses mit jedem Lastzyklus markieren. Durch Messen des Abstands dieser Rillen entlang des Risspfads konnten sie abschätzen, wie viele Zyklen der Riss beim Durchwachsen der Rohrwand gewachsen war, und das mit der Zykluszahl aus den Ermüdungsversuchen vergleichen.

Aufbau eines digitalen Zwillings der geschweißten Verbindungen

Das Team rekonstruierte dann den getesteten Auslegerabschnitt in einem dreidimensionalen Computermodell mit volumetrischen Elementen, die fein genug sind, um die tatsächliche Schweißgeometrie darzustellen. Besonderes Augenmerk galt den sogenannten „Hotspots“ an den Schweißnähten, wobei virtuelle Linien durch die Rohrwand gezogen wurden, um zu berechnen, wie die Spannung von der Oberfläche ins Innere variiert. Durch Anpassung der Netzgröße und der Tiefe, über die in der Wand gemittelt wurde – Parameter, die der realen Nahtgröße und -tiefe entsprechen sollten – stimmten sie das Modell so ab, dass die prognostizierten Ermüdungslebensdauern etwa im Bereich von zehn Prozent zu den Versuchsergebnissen lagen. Das Modell reproduzierte nicht nur den Ort des Versagens, sondern zeigte auch, welche der rund 80 Schweißnähte in dem Abschnitt am anfälligsten waren. Das demonstriert, dass Simulationen mit geeigneter Detailtiefe um kritische Nähte viele teure physische Ermüdungsprüfungen zuverlässig ersetzen können.

Den Kran seine eigene Geschichte in Echtzeit erzählen lassen

Zu wissen, wie ein einzelnes Auslegerelement unter einer festen Last reagiert, ist nur die halbe Aufgabe; reale Krane erleben auf der Baustelle ständig wechselnde Bedingungen. Um diese Komplexität abzubilden, nutzten die Autoren die bordeigenen Sensoren des Krans, die kontinuierlich Informationen wie Auslegerlänge, Auslegerverstellung, Arbeitswinkel, Richtung, Lastgewicht und Motorstatus protokollieren. Über Monate können so Hunderttausende von Datenpunkten anfallen. Die Forschenden entwickelten Regeln, um diesen Strom zu sichten und einzelne Hubzyklen zu extrahieren: Intervalle, in denen die Last vom Hakengewicht über eine festgelegte Schwelle ansteigt und dann wieder absinkt. Für jeden Zyklus wurden die Spitzlast und die Haltung des Krans aufgezeichnet. Diese aufbereiteten Daten speisten ein vereinfachtes Rechenmodell des gesamten Auslegers, das jede Betriebsbedingung in die Kräfte und Biegemomente an den Verbindungen jeder Fachwerksektion umsetzte. Diese Kräfteverläufe wurden dann auf das verfeinerte Volumenmodell eines repräsentativen Auslegerabschnitts angewandt, um ein realistisches „Lastspektrum“ zu erzeugen und zu berechnen, wie viel Ermüdungsschaden sich an jeder Naht über die Einsatzzeit des Krans ansammelt.

Was das für sicheres Heben bedeutet

Einfach gesagt zeigt die Studie, dass es inzwischen möglich ist, einem Kran eine Art Gesundheitsanzeige für seinen Stahlarm zu geben. Durch die Kombination gut gestalteter Labortests, detaillierter Modelle von Schweißverbindungen und Echtzeit-Betriebsdaten, die über das Internet der Dinge übermittelt werden, können Ingenieure genau feststellen, welche Schweißnähte im Fachwerkausleger am schnellsten altern, wie nahe sie an ihrer Ermüdungsgrenze sind und wann gezielte Inspektionen oder Reparaturen nötig sind. Statt sich auf konservative Zeitpläne zu verlassen oder auf sichtbare Risse zu warten, könnten Kranbetreiber die Ermüdung im Betrieb verfolgen, die sichere Lebensdauer gesunder Bauteile verlängern und frühzeitig dort eingreifen, wo das Risiko am höchsten ist – was sowohl die Sicherheit als auch die Effizienz auf anspruchsvollen Baustellen verbessert.

Zitation: Yao, J., Fu, Y., Li, C. et al. Structural fatigue failure analysis and lifetime reliability monitoring strategy of the lattice jib in all-terrain cranes. Sci Rep 16, 12403 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42707-5

Schlüsselwörter: Geländekran Ermüdung, Fachwerkausleger Schweißnähte, Strukturelles Gesundheitsmonitoring, Finite-Elemente-Ermüdungsanalyse, IoT-Kranzdaten