Suitability of high strength structural steels in a yard crane headblock application

Abstract

The study goes through the practical design considerations when trying to utilize high strength steels in a specific yard crane headblock application used for hoisting a spreader. As the importance of sustainability has become a high priority and the reduction in the amount of raw material which is used as well as reduction in the energy used when performing the crane motions could result in a more sustainable design.

The practical study starts by outlining the functional principles of the headblock and by mapping out the requirements. EN 13001, a standard series describing the requirements for cranes in Europe was selected as the design standard according to which the study was per-formed. A case study on the existing design of a headblock was performed using mostly analytical calculation methods as well as FEA.

The utilization ratio of various structural details was mapped to find out the improvement potential. Next, a relative design method where the thicknesses of the existing structural members essentially are scaled was used to optimize the structure, resulting in significant potential. In the second step of the optimization process, the relative design method was iterated again, this time assuming the welds to be post-treated to improve their fatigue strength. In the final iteration, the same principles were once again applied, with the addition of using a higher strength steel. The result was an additional but very minor weight reduction potential in the weight of the structure, due to the fatigue strength of various welded details preventing further utilization of the structure.

The results indicate further improvement potential, but in case a major improvement using high strength structural steels is pursued, one should consider redesigning the structure completely.

Tutkimuksessa käydään läpi mahdollisuutta hyödyntää suurlujuusrakenneteräksiä tietynlaisessa nostotyökalussa, jota käytetään satamanostureissa merikonttien nostotyökalun ohessa. Kestävä kehitys on noussut tärkeään rooliin ja sekä materiaalin käytön, että siirtoliikkeissä käytetyn energian vähentäminen edesauttavat tätä tavoitetta.

Tutkimus alkaa toiminnallisuuden kuvauksella sekä teknisten vaatimusten kartoittamisella. Suunnittelun lähtökohdaksi valittiin standardisarja EN 13001, joka sisältää yleiset suunnitteluvaatimukset nostureille Euroopassa. Käytännön tutkimuskohteeksi valittiin eräs olemassa oleva rakenne, jonka nykytilannetta sekä kehitysmahdollisuuksia tutkittiin pääosin analyyttisen laskennan kautta sekä FE-analyysien avulla.

Useiden kriittisiksi havaittujen rakenneyksityiskohtien käyttöasteet kartoitettiin, jotta pystyttiin muodostamaan yleiskuva nykytilanteesta sekä ymmärtää mahdolliset kehityskohteet. Tämän jälkeen tehtiin ensimmäinen optimointikierros, jossa materiaalinvahvuuksia ohennettiin nostaen samalla eri yksityiskohtien käyttöasteita, jonka lopputuloksena oli huomattavasti kevyempi rakenne. Seuraavassa iteraatiokierroksessa oletettiin, että hitsattujen rakenneyksityiskohtien väsymislujuutta parannettaisiin jälkikäsittelyin. Lopuksi tehtiin vielä kehityskierros, jossa sovellettiin samoja periaatteita, mutta käyttöön valittiin lujempi teräslaatu. Lujemman teräksen käytön avulla saavutettiin hyvin maltilliset mahdollisuudet keventää rakennetta, sillä hitsattujen rakenneyksityiskohtien väsymisrajatilat ovat suurten käyttösyklien takia rajoittavana tekijänä jännitystasojen nostamista ajatellen.

Tulokset viittaavat mahdollisuuksiin keventää vastaavanlaisia rakenteita, mutta tavoitellessa huomattavasti suurempaa painon pudotusta on harkittava kokonaisvaltaisempaa uudelleensuunnitteluprosessia.