Elastizitätsverhalten von Aufzugsseilen

Elastizität-Verhalten-von-Aufzugsseilen
Bild 1: Vergleichbarkeit und Belastungsbereiche zur Ermittlung des Seil-E-Moduls in Längsrichtung anhand der charakteristischen Zug-Dehnungs-Beziehung für Drahtseile

Die Anforderungen steigen aufgrund verschiedener Faktoren.

von Dr.-Ing. Andreas Franz und Dipl.-Ing. Konrad Stahr

Zunehmende Bau-/Fahrhöhen, hohe Nutzungsgrade und moderne Systemkonzepte gehören zu den Faktoren, die die Anforderungen an die physikalischen Eigenschaften von Aufzugstragseilen erhöhen. Der Trend zur Kosten- und Energieeinsparung durch Reduzierung von Größe und Gewicht bewegter Massen im Hinblick auf dynamische Belastungen (z. B. Antriebe und rotierende Teile) und statische Belastungen (z. B. Kabinen oder Kabinenverkleidungen) verschiebt den Arbeitspunkt moderner Tragseile weiter in Richtung niedrigere Seillastbereiche. Ein wichtiger Aspekt neben der Seilmindestbruchkraft und der Seillebensdauer (bzw. dem Biegewechselverhalten) ist das Elastizitätsverhalten eines Seils unter Belastung.

Die Seilelastizität steht in direktem Zusammenhang mit der Druckeinfederung der Kabine unter Last und hat somit einen wesentlichen Einfluss auf das Verhalten und die Leistung der Aufzugsanlage (z. B. Anpassung der Niveauregulierung, Energiebedarf bei Mehrfachstarts des Antriebs, Lebensdauer und Verschleiß von Antriebskomponenten). Sie steht somit in direktem Zusammenhang mit den Gesamtbetriebskosten sowie der subjektiven Wahrnehmung des Systemkomforts durch den Fahrgast (z. B. Kabinenbewegung beim Be- und Entladen, Höhenverstellung der Kabine, Versatz von Schachtpodest und Kabinenschwellen).

Die Seilelastizität steht in direktem Zusammenhang mit der Druckdurchbiegung der Kabine unter Last und hat somit einen wesentlichen Einfluss auf das Verhalten und die Leistung der Aufzugsanlage.

Bei der Gesamtauslegung eines Aufzugssystems ist es notwendig, das Elastizitätsverhalten der Tragseile durch bestimmte vernünftige Annahmen zu berücksichtigen. Dieser Artikel fasst Möglichkeiten zur Bestimmung des Seilelastizitätsmoduls nach aktuellen Normen zusammen, beschreibt charakteristische Phänomene der Seilsteifigkeit und gibt einen Überblick über die steifigkeitsoptimierten Produktoptionen aus dem Produktportfolio der Gustav Wolf GmbH.

Axialer Elastizitätsmodul

Verfahren und Anleitungen zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls eines Seils in (axialer) Richtung für Drahtseile finden sich in der Internationalen Norm ISO 12076,[1] sowie in der deutschen Technischen Richtlinie VDI 2358,[2] diesbezüglich überarbeitet. Die Testparameter beider Quellen variieren bereits stark, sodass die Richtlinien Produktion, Markt und Anwendung noch nicht vollständig durchdrungen haben. Darüber hinaus existieren je nach Region zahlreiche anwenderspezifische Ansätze zur Ermittlung der axialen Elastizität/Steifigkeit, die versuchsweise die vorherrschende Belastung des Drahtseils in der Anwendung berücksichtigt.

Die Ansätze zur Vorspannung der Seilprobe sowie zur Minimierung des seileigenen Setzverhaltens (die Komponenten des Seils komprimieren sich unter Belastung, was normalerweise ein kurzzeitiges Phänomen ist und kurz nach der Montage stoppt) unterscheiden sich bereits stark zwischen Anwendungsanforderungen sowie Spann- und Prüfbedingungen. Dieses Setzverhalten kann je nach Seilkonstruktion stark unterschiedlich sein. Abbildung 1 veranschaulicht die unterschiedlichen Ansätze bezüglich des betrachteten Lastbereichs. Unter dem Längselastizitätsmodul des Seils ist in allen Ansätzen die Steigung des Kraft-Dehnungs-Diagramms zu verstehen, die meist als Sekantenmodul zwischen zwei einzelnen axial einwirkenden Belastungspunkten berechnet wird (siehe gleichfarbige Punkte für jeweilige Annäherung von Berechnung).

Das Kraft-Dehnungs-Verhalten jedes Seils ist immer nichtlinear und unterscheidet sich bei Belastung und Entlastung (siehe grüne Linien in Abbildung 1). Daher ist ein Sekanten- oder Tangentenmodul immer eine lineare Annahme/Vereinfachung dieses Verhaltens, die für bestimmte axiale Belastungsbereiche angemessen ist. In Abbildung 1 wird durch den Vergleich der unterschiedlichen Steigungen der jeweiligen Linien zwischen zwei Belastungspunkten (gleiche Farbe bedeutet gleiche Berechnungsmethode) deutlich, dass für das gleiche Seil stark variierende Moduli abgeleitet werden können. Außerdem kann man als Faustregel verstehen, dass der Seilmodul mit der Seilkraft bezogen auf die Bruchkraft des Seils ansteigt.

Die Unterschiede im Seilmodul können durch den Vergleich der Kurvensteigungen direkt nach der Parallelverschiebung verdeutlicht werden (siehe linke obere Ecke in Abbildung 1). Zu beachten ist, dass die drei in Bild 1 genannten berechneten Seilelastizitätsmodule von 60,000 N/mm2 bis 110,000 N/mm2 abweichen können. Bedenkt man, dass in dieser Abbildung exakt das gleiche bewertete Seil dargestellt wird, wird deutlich, dass allein eine Aussage über die Seilsteifigkeit hinsichtlich des Moduls nicht unbedingt das Verhalten der Aufzugskabine unter Last widerspiegelt.

Gustav Wolf kann seinen Kunden die erforderlichen Dehnungs- und Elastizitätseigenschaften basierend auf den vom Kunden angegebenen Anwendungsparametern bereitstellen.

Bild 1 wird oft als Maß für die Seilleistung verwendet und soll die Unvergleichbarkeit verschiedener Berechnungsansätze und die Bedeutung der Angabe des E-Moduls für das eigentliche Seilprodukt durch den Seilhersteller, Anwender oder Dritte aufzeigen. Zur Ermittlung des Dehnungs-/Steifigkeitsverhaltens in der Anwendung selbst ist es sinnvoll, das belastungs- und zeitabhängige Verhalten des jeweiligen Seils unter verschiedenen anwendungsbezogenen Bedingungen zu bewerten. Bei Aufzugsseilen ist eine enge Abstimmung zwischen Seilbenutzern und Herstellern hilfreich. Gustav Wolf kann seinen Kunden die erforderlichen Dehnungs- und Elastizitätseigenschaften basierend auf den vom Kunden angegebenen Anwendungsparametern bereitstellen.

Zeitabhängiges Verhalten des axialen Elastizitätsmoduls

Der Seilmodul ist keine quantitative Größe, die unmittelbar nach der Seilmontage ständig verfügbar ist. Stattdessen unterliegt die Seilstruktur einem Setzverhalten. Nach erfolgter Einstellung ist in einem bestimmten Lastbereich ständig eine spezifische Seilsteifigkeit vorhanden. Die Tatsache, dass ein mit „vorgestreckt“ gekennzeichnetes Seil verwendet wird, hat keinen wesentlichen Einfluss auf dieses Verhalten.

Kenntnisse über die Zeitabhängigkeit und die Ausprägung dieses Phänomens für verschiedene Seiltypen und Konstruktionen sind für den Aufzugshersteller für die Auslegung und Bewertung des Aufzugsverhaltens entscheidend. Bild 2 zeigt den Seilelastizitätsmodul zwischen 2% und 10% der Mindestbruchfestigkeit des Seils (Bereich typischer Belastungszustände für Aufzugsseile nach Bild 1) in Abhängigkeit von der Anzahl der axialen Lastwechsel. Alle E-Module wurden auf den endgültigen Einstellwert des jeweiligen Seiltyps bezogen, so dass quantitative Unterschiede bezüglich des Seil-E-Moduls der bewerteten Seiltypen (Bild 4) an dieser Stelle bewusst nicht berücksichtigt werden.

Deutlich zu erkennen ist die Abhängigkeit des Verstell-E-Moduls in Abhängigkeit von Axiallastzyklen für die verschiedenen Seilausführungen. Während Tragseile mit Natur- und Kunstfasereinlage zunächst eine deutlich reduzierte Seilsteifigkeit und damit E-Modul (ca. Stahlseile erreichen ihre endgültige Seilsteifigkeit.

Der weltweite Trend zum Bau höherer Gebäude erfordert längere Aufzugsseile.

Auch die Vollstahldrahtseile weisen bereits im ersten Lastspiel eine Seilsteifigkeit von ca. 80-90% der Endsteifigkeit auf. Unterschiede sind sowohl in der Art der Fasereinlage (natürlich vs. synthetisch) als auch in der Art des Seilaufbaus (Verdichtung vs. Parallelschlag) zu erkennen. Bei Tragseilen mit Naturfasereinlage konnte kein signifikanter Einfluss der Verdichtung der Außenlitzen auf das dynamische Verhalten bezüglich des Seilelastizitätsmoduls festgestellt werden. Bei Seilen mit hochfesten Kunstfasereinlagen kann das Setzverhalten ausgeprägter sein, so dass eine längere Setzzeit erforderlich sein kann. Die in Abbildung 2 gezeigten Ergebnisse hängen natürlich von der tatsächlichen zyklischen Belastung ab, die beim Testen oder bei der Anwendung angewendet wird.

Steifigkeitsoptimierte Seilkonstruktionen

Der weltweite Trend zum Bau höherer Gebäude erfordert längere Aufzugsseile. Dabei kommt der Dehnung bzw. des axialen E-Moduls im spezifischen Betriebsbereich der eingesetzten Seile eine größere Bedeutung zu. Bei Aufzugsanwendungen werden üblicherweise Stahldrahtseile mit Faserkernkonstruktionen von 8 x 19 Seale oder 8 x 19 Warrington verwendet. In dem Maße, in dem die Anforderungen an die Seile steigen, gibt es zeitgleich immer mehr Spezialseile mit acht oder neun Litzen und Vollstahleinlagen.

Am häufigsten weisen Seile mit Naturfasereinlage einen geringeren axialen E-Modul und damit Steifigkeit auf als Seile mit Vollstahleinlage. Bei Seilen mit Fasereinlage kann dieses charakteristische Merkmal jedoch erhöht werden. Dies kann zum einen durch eine Abflachung der Außendrähte/Litzen wie bei Gustav Wolf CompactTracTM[3] mit einer Substitution der Naturfasereinlagen durch eine hochmodulige, hochfeste Kunstfasereinlage wie bei Gustav Wolf HyTrac.TM[4] Bild 3 fasst die Leistungsfähigkeit der Seiltypen von Gustav Wolf in Bezug auf die axiale Steifigkeit der Seile, die Mindestbruchkraft und die Biegewechsellebensdauer zusammen, um den anwendungsspezifischen Einsatz besser zu ermöglichen.

Das Ergebnis anwendungsorientierter Forschung und Entwicklung als Antwort auf die gestiegenen Anforderungen an Aufzugsanlagen findet sich in der Trac-Serie von Gustav Wolf, bestehend aus CompactTrac, HyTrac, PowerTrac™ und TopTrac™ (Bilder 3 und 4).

Alle Seile der Trac-Serie zeichnen sich durch Verbesserungen in folgenden Bereichen aus:

  • Minimierte Seildehnung und entsprechend höherer Seilelastizitätsmodul
  • Längere Seillebensdauer durch mehr Biegezyklen
  • Verbesserte Verschleißfestigkeit durch vergrößerte Kontaktfläche der Außenlitzen
  • Reduzierte Seildurchmesser aufgrund höherer Bruchkräfte

Mit der Trac-Serie hat Gustav Wolf eine neue Generation von Aufzugsseilen entwickelt, die sich durch verbessertes Steifigkeitsverhalten, längere Lebensdauer, verbesserte Systemleistung und vor allem eine höhere Kundenzufriedenheit auszeichnen. Sie sind als Lösung für die ständig steigenden Anforderungen von Aufzugsanlagen und insbesondere von Hochhausanlagen zu betrachten.

Referenzen
[1] ISO: ISO 12076:2002, „Stahldrahtseile – Bestimmung des tatsächlichen Elastizitätsmoduls“, 2002.
[2] VDI: Verein Deutscher Ingenieure (VDI): Richtlinie VDI 2358 – Drahtseile für Fördermittel, Beuth Verlag GmbH, 1984.
[3] Wolf E. Franz, A., „Seilentwicklung für Aufzüge“,
ELEVATOR WORLD, März 2006.
[4] Franz, A., „Entwicklung von Hybridseilen für Aufzüge“,
EW, Juli 2012.
träumt Franz und Dipl.-Ing. Konrad Stahr

träumt Franz und Dipl.-Ing. Konrad Stahr

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