Summary
When designing a crane, it’s obligatory for the design to satisfy with the applicable, national standards. In the Netherlands the NEN organization is responsible for producing the in the Netherlands applicable standards. All international standards from CEN and ISO must also be approved by NEN, before they are obligatory. This report contains: NEN 2018, NEN 13001, ISO 4301, Eurocode 1 and ASCE 7/10.
These standards describe all (wind) loads and combined load cases which a crane must resist during its lifetime. Extreme wind conditions (out-of-service conditions) can lead to overload, loss of static equilibrium and failure of the structure. Moderate, but fluctuating, wind loads (in-service conditions) can also strongly contribute in the fatigue of a crane.
Wind is an air flow with a certain density, velocity and direction. A wind flow can generate a pressure on a surface (q) resulting in a force (F). De magnitude of the force depends on the projected area of the structure (A) and the aerodynamic drag coefficient (C).
The wind pressure (q) is a function of the height (z), the wind velocity (v) and the air density (ρ). The fundamental wind velocity is recorded at a height of 10meters above flat and open country and averaged over a chosen time period. Commonly a 3 second mean wind velocity or a 10 minute mean wind velocity with a return period of 50 years. So an annual risk of exceeding this wind velocity of p=0.02. The fundamental wind velocity is a static wind velocity. The fundamental wind velocity is increased or decreased by the absence or presence of nearby structures, hills, nature etc. The resulting mean wind velocity is still a static wind velocity. In reality a wind flow is not a static flow but dynamic constantly fluctuating flow. The dynamics of a wind flow are expressed by the gust factor which is a function of the turbulence intensity. Turbulence is the ratio of the standard deviation of the wind velocity and the mean wind velocity.
( ) ( ) ( )
The fundamental wind velocity used to determine the wind pressure differs over the standards. Table A gives an overview of the different static fundamental wind velocities found in the standards used in this report. Figure A shows where each region or wind area can be found in the Netherlands.
Figure B gives an overview of the resulting wind pressure of the used standards, as a function of the height of the structure. The difference in wind pressure between the older standards (NEN 2018) and the newer standards (NEN 13001 and NEN 1991) is big. This mainly because the newer standards use a factor for turbulence and the older don’t take turbulence into account.
Figure B Wind pressure, calculated using the fundamental wind velocities form table A
The aero dynamical coefficients (C) are given in a similar way in all standards. The newer standards contain extended tables of aero dynamical coefficients which are influenced by the wind angle, structures dimensions, cross section shapes and details like rounded corners. The aero dynamical coefficients given are basic values which can be reduced, depending on the structures solidity and slenderness. The solidity is the ratio between the projected area (A) of all members and the total enclosed area (Ac). As shown in figure C. The slenderness is at least the ratio between the length (l) and the characteristic diameter of a member (h). As shown in figure C. In the newer standards the position of the member within the structure influences the slenderness.
00 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 0 50 100 150 200 250 Wind pressu re q [ N/m2 ] Height z [m]
Wind pressure, NEN 1991, NEN 13001, NEN
2018 and ASCE 7-10
NEN 13001 out-of-service C NEN 13001 out-of-service D NEN 2018 out-of-service NEN 1991 WA I and Terrain Cat. 0 NEN 1991 WA II and Terrain Cat. II ASCE 7-10 Inland
Table A Fundamental wind velocities
Figure A Locations of the fundamental wind velocities from table A
All standards allow wind tunnel testing or CFD analysis to determine aero dynamical coefficients. When a structure is sensible to dynamical behaviour or the first natural frequency is below 1Hz wind tunnel testing is also advised, for a crane this is often the case.
A wind load is one of the many loads acting on a structure. All loads combined lead to a load case, in which each load has its own contribution and resulting safety factor. Each load is classified: Permanent, Variable or Accidental. In-service wind loads are variable actions and out of service wind loads are accidental actions. Wind loads contribute in the occurring stresses and the body stability.
A structure can very well overload under non-maximal wind loads when a dynamic response occurs. Dynamic behaviour can be caused by the fluctuating nature of the wind flow, by the structures shape which generates an oscillating wind flow or by a motion of the structure itself which causes an increase of the wind load. An energy build-up can cause a structure to oscillate until failure. Dynamic behaviour can be avoid by avoiding critical cross sections, adding spoilers, splitters or adding mechanical coupling and by increasing the structures stiffness and damping.
Dynamic behaviour can be investigated using wind tunnel research, but only when using an, expensive, aero-elastic support system instead of a simple force balance. A common force balance does not allow dynamical behaviour and can only be used to determine aerodynamic coefficients. A wind tunnel model crane needs to be constructed in such a way that it behaves identical to the real life crane. Therefor multiple dimensionless coefficients need to be checked. The wind flow inside the wind tunnel should contain a wind velocity which varies with the height, a boundary layer.
All standards use alike methods, but still differ. The difference is made in the chosen wind velocities and the amount of detail of the aerodynamic coefficients. Wind loads from standards remain rough estimates which ensure a safely designed structure. The growth of world trade is will force the number of standards to reduce and become more consistent. More consistency will develop more detailed and worldwide applicable standards. Because each part of the world has its own climate, and resulting wind velocity, temperature, air density etc. a worldwide standard can contain much more data and detail in determine the wind pressure. The knowledge on wind dynamics and the resulting wind loads is a constantly developing field, in which wind tunnel and CFD testing provides more and more insight. Constantly increasing and detailing the data in aerodynamic coefficient tables. A worldwide standard can increase and accelerate the knowledge on wind loads on structures.
Summary (in Dutch)
Bij het ontwerpen van een kraan is het verplicht te voldoen aan de nationaal geldende normen. In Nederland is de NEN organisatie verantwoordelijk voor het maken en voorschrijven van de normen. Alle internationale normen van CEN en ISO moeten ook eerst door de NEN getoetst worden, voordat ze geldend zijn. Dit rapport bevat de volgende normen: NEN 2018, NEN 13001, ISO 4301, Eurocode 1 en ASCE 7/10.
Deze normen beschrijven alle (wind) belastingen en belastingcombinaties die een kraan moet kunnen weerstaan tijdens zijn leven. Extreme windcondities (buiten bedrijf) kunnen lijden tot overbelasting en het bezwijken van de constructie. Mattige, maar fluctuerende, windbelastingen (in bedrijf) kunnen ook een grote bijdrage leveren aan de vermoeiing van een constructie.
Wind is een lucht stroming met een zekere dichtheid, snelheid en richting. A wind stroming kan een druk genereren op een oppervlak (q) wat resulteert in een kracht (F), welke constant of fluctuerend is. De grote van de kracht wordt bepaald door het frontaaloppervlak (A) en de aerodynamische coëfficiënt (C).
De winddruk (q) is een functie van de hoogte (z), de windsnelheid (v) en de luchtdichtheid (ρ). De fundamentele windsnelheid wordt geregistreerd op 10meter hoogte boven vlak en open gebied en gemiddeld over een gekozen tijd. Gebruikelijk is een 3 seconde of 10 minuten gemiddelde wind snelheid die iedere 50 jaar voorkomt. Dus een jaarlijkse kans op overschrijding van p=0,02. Deze fundamentele windsnelheid is een statische windsnelheid. De fundamentele windsnelheid wordt verhoogd of verlaagd door de aanwezigheid of afwezigheid van bebouwing nabij, heuvels, begroeiing, etc. Dit resulteert in een gemiddelde, statische, windsnelheid. In werkelijkheid is een windstroming niet statisch maar dynamisch en constant veranderend. Deze dynamica van een windstroming wordt uitgedrukt door de vlaagfactor, welke een functie is van de turbulentie intensiteit. Turbulentie is de ratio tussen de standaard afwijking van de windsnelheid en de windsnelheid.
( ) ( ) ( )
De gebruikte fundamentele windsnelheid verschilt tussen de normen. Tabel I geeft een overzicht van de fundamentele windsnelheden gebruikt in dit rapport. Figuur I geeft een overzicht van waar welke wind regio of gebied zich bevindt.
Figuur II geeft een overzicht van berekende winddrukken uit de gebruikte normen, als functie van de hoogte van de constructie. Het verschil tussen de oude normen (NEN 2018) en de nieuwere normen (NEN 13001 en NEN 1991) is groot. Dit komt voornamelijk doordat the nieuwere normen turbulentie meenemen in de berekening en de oudere normen doen dit niet.
00 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 0 50 100 150 200 250 Wind pressu re q [ N/m2 ] Height z [m]
Wind pressure, NEN 1991, NEN 13001, NEN
2018 and ASCE 7-10
NEN 13001 out-of-service C NEN 13001 out-of-service D NEN 2018 out-of-service NEN 1991 WA I and Terrain Cat. 0 NEN 1991 WA II and Terrain Cat. II ASCE 7-10 Inland
De aerodynamische weerstandscoëfficiënten kunnen gevonden worden in tabellen en grafieken in de normen. De nieuwere normen bevatten uitgebreidere tabellen waarin de weerstandscoëfficiënten worden beïnvloed door de windhoek, afmeting, vorm van de doorsnede en details zoals afronding van hoeken. De gegeven aerodynamische weerstandscoëfficiënten zijn basis waarden die gereduceerd kunnen worden, afhankelijk van de volheid en de slankheid. De volheid van een element is de ratio tussen het frontaal oppervlak (A) en het omsloten oppervlak (Ac). Zoals te zien in figuur III. De slankheid is de ratio van tenminste de lengte (l) en de karakteristieke diameter (h) van een element.
Tabel I Fundamentele windsnelheid
Figuur I Locaties van de fundamentele windsnelheden uit tabel I
Zoals te zien in figuur III. In de nieuwere normen wordt de slankheid ook beïnvloed door de positie van het element binnenin de constructie.
Alle normen staan ook windtunnel en CFD analyses toe om de aerodynamische coëfficiënten te bepalen. Als een constructie gevoelig is voor dynamisch gedrag of de eerste eigenfrequentie is lager dan 1Hz worden windtunnel testen ook geadviseerd, voor een kraan is dit vaak het geval.
De windbelasting is één van de vele belastingen op een constructie. Alle belastingen gezamenlijk vormen een belastingscombinatie, waarbinnen elke belasting zijn eigen bijdrage heeft, afhankelijk van de veiligheidsfactor. Elke belasting is te classificeren als: Permanent, Variabel of Incidenteel. Windbelastingen tijdens bedrijf zijn variabel en buiten bedrijf incidenteel. Wind belastingen dragen bij aan de optredende spanningen in en aan het statisch evenwicht van een constructie.
Een constructie kan overbelast worden bij een niet maximale windbelasting wanneer er een dynamische response optreedt. Dynamisch gedrag kan worden veroorzaakt door een fluctuerende wind, door de vorm van de constructie zelf wanneer er een oscillerende loslating ontstaat of door de bewegingen van de constructie zelf wanneer deze de windbelasting vergroten. Energie kan worden opgebouwd in de constructie, zodanig dat deze oscilleert totdat de uitwijking tot breuk leidt. Dynamisch gedrag kan worden vermeden door: kritische doorsneden te vermijden, spoilers of vinnen toe te voegen, mechanische verbindingen te maken en door de stijfheid en demping van de constructie te verhogen.
Dynamisch gedrag kan worden onderzocht in een windtunnel. Echter hiervoor is dan een kostbaar aero-elastische ondersteuning nodig, i.p.v. een eenvoudige krachten balans. Een gebruikelijke vaste balans kan wel gebruikt worden om de aerodynamische coëfficiënten te bepalen maar niet om dynamisch gedrag vast te stellen. Een windtunnelschaalmodel moet zodanig gemaakt worden dat zijn gedrag identiek is met de werkelijke kraan. Hiervoor moeten de dimensie loze schaal grootheden worden gecontroleerd. De windstroming moet een snelheidsprofiel bevatten, een grenslaag.
Alle normen gebruiken gelijkaardige methodes, toch verschillen ze. De groei van de wereldwijde handel zal lijden tot minder en meer consistente normen. Meer consistentie zal lijden tot gedetailleerdere en universeel toepasbare normen. Omdat iedere wereld deel zijn eigen klimaat heeft, en daardoor dus eigen windsnelheden, temperatuur, luchtdichtheid, etc. zal een wereldwijde norm over meer detail en data kunnen beschikken als het gaat om het bepalen van de winddruk. Wind
dynamica en de veroorzaakte windbelastingen is een gebied waarover de kennis continu toeneemt. Windtunneltesten en computer simulaties geven meer en meer inzicht. Waardoor constant de data over aerodynamische weerstand coëfficiënt toeneemt en gedetailleerder wordt. Een wereldwijde standaard zou dit proces van toenemende kennis over windbelastingen op constructies kunnen versnellen.
