ISO 16881-1:2005

Cranes — Design calculation for rail wheels and associated trolley track supporting structure — Part 1: General

ISO 16881-1:2005 gives the requirements for the selection of the size for iron or steel wheels and presents the formulae for the local stresses in crane structures due to the effects of the wheel loads.

Appareils de levage à charge suspendue — Calcul de conception des galets et de la structure de support du chariot de roulement — Partie 1: Généralités

L'ISO 16881-1:2005 spécifie les exigences pour le choix de la taille pour des galets en fer ou en acier et donne les formules pour les contraintes locales de structure de la grue en raison des effets des charges du galet.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 07-Jun-2005
• ICS: 53.020.20 - Cranes
• Technical Committee: ISO/TC 96/SC 10 - Design principles and requirements
• Drafting Committee: ISO/TC 96/SC 10 - Design principles and requirements
• Current Stage: 9599 - Withdrawal of International Standard
• Completion Date: 22-Jul-2024

Relations

• Consolidated By: ISO 10513:2012 - Prevailing torque type all-metal hexagon high nuts with metric fine pitch thread — Property classes 8, 10 and 12
• Effective Date: 06-Jun-2022
• Revised: ISO 16881-1:2024 - Cranes — Design calculation for wheel/rail contacts and associated trolley track supporting structure — Part 1: General
• Effective Date: 06-Jun-2022

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 16881-1
First edition
2005-05-15
Cranes — Design calculation for rail
wheels and associated trolley track
supporting structure —
Part 1:
General
Appareils de levage à charge suspendue — Calcul de conception des
galets et de la structure de support du chariot de roulement —
Partie 1: Généralités
Reference number
©
ISO 2005
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Normative references. 1
3 Terms and definitions. 1
4 Requirements. 1
4.1 Selection of rail wheels . 1
4.2 Determination of the class of mechanism of the travel wheel . 5
4.3 Determination of local stresses due to wheel loads . 5
Annex A (informative) Distribution of wheel load under rail. 6
Annex B (informative) Local stresses in wheel-supporting flanges . 8
Bibliography . 13

Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 16881-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 96, Cranes, Subcommittee SC 9, Bridge and
gantry cranes.
ISO 16881 consists of the following parts, under the general title Cranes — Design calculation for rail wheels
and associated trolley track supporting structure:
 Part 1: General
The following parts are under preparation:
 Part 2: Mobile cranes
 Part 3: Tower cranes
 Part 4: Jib cranes
 Part 5: Bridge and gantry cranes

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Introduction
This part of ISO 16881 establishes requirements and gives guidance and design rules that reflect the present
state of the art in the field of crane machine design. The rules given represent good design practice that will
ensure fulfilment of essential safety requirements and adequate service life of components. Deviation from
these rules normally could lead to increased risks or reduction of service life, but it is acknowledged that new
technical innovations, materials, etc. may enable new solutions that result in equal or improved safety and
durability.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 16881-1:2005(E)

Cranes — Design calculation for rail wheels and associated
trolley track supporting structure —
Part 1:
General
1 Scope
This part of ISO 16881 gives the requirements for the selection of the size for iron or steel wheels and
presents the formulae for the local stresses in crane structures due to the effects of the wheel loads.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 4301-1, Cranes and lifting appliances — Classification — Part 1: General
ISO 4306-1, Cranes — Vocabulary — Part 1: General
ISO 8686-1, Cranes — Design principles for loads and load combinations — Part 1: General
ISO 8686-2, Cranes — Design principles for loads and load combinations — Part 2: Mobile cranes
ISO 8686-3, Cranes — Design principles for loads and load combinations — Part 3: Tower cranes
ISO 8686-4, Cranes — Design principles for loads and load combinations — Part 4: Jib cranes
ISO 8686-5, Cranes — Design principles for loads and load combinations — Part 5: Overhead travelling and
portal bridge cranes
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 4306-1 apply.
4 Requirements
4.1 Selection of rail wheels
4.1.1 Rail wheel size
To determine the size of a rail wheel, the following checks shall be made:
a) verify that the wheel is capable of withstanding the maximum load to which it will be subjected;
b) verify that the wheel will allow the appliance to perform its normal duty without abnormal wear.
These verifications are made by means of the following two equations:
P
max
u 1, 9P (1)
L
bD⋅
P
mean
uPcc⋅⋅ (2)
L1 2
bD⋅
where
D is the wheel diameter, in millimetres;
b is the useful width of the rail, in millimetres;
P is a limiting pressure dependent upon the metal used for the wheel, in newtons per square
L
millimetre (N/mm ), see Table 1;
c is a coefficient depending on the speed of rotation of the wheel, see Table 2;

c is a coefficient depending on the group of the mechanism, see Table 3;

P is the maximum load on the wheel resulting from load combinations A, B or C, including

max
consideration of both dynamic and static test loadings (load combinations are defined in
ISO 8686-1 to ISO 8686-5);
P is the higher mean load value resulting from Equation (3) when considering both load
mean
combinations A and B.
The mean wheel load takes into account variations of the wheel loading, including, where applicable,
positional changes of the handled load in relation to the supporting wheels during a working cycle.
Equation (3) gives an approximate value of the resultant cubic mean loading.
When the work process is well known, the cubic mean load can be calculated more accurately using the
wheel loads resulting from the actual positions of the handled load. In this calculation, the maximum lifted load
shall be used, coefficient c taking into account the variation of the load.
4.1.2 Determining the mean load
In order to determine the mean loads, the procedure is to consider the maximum and minimum loads
withstood by the wheel in the loading cases considered, i.e. with the appliance in normal duty but omitting the
dynamic coefficients φ when determining P . The values of P are determined by the Equation (3) in
mean mean
the load combinations A and B.
PP+ 2
min,A,B max,A,B
P = (3)
mean
4.1.3 Determining the useful rail width b
For rails having a flat or slightly convex bearing surface, of total width, l, with rounded corners of radius, r, at
each side (see Figure 1), the useful width, b, shall be calculated using Equation (4):
bl=− 2r (4)
For rails or wheels with a slightly convex bearing surface, the limiting pressure P may be increased by 10 %.
L
This allows for the improved contact of a rail to the rolling motion of the wheel.
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In the case of a flat, tapered or convex wheel running on the bottom flange of a beam, the useful width is
calculated by Equation (5):
bw=−r (5)
where the wheel tread of width, w, and the corner radius r are to be taken according to Figure 2. The wheel
diameter, D, shall be taken as the mean diameter on the projected width (w − r).

Figure 1 — Rail dimensions
Figure 2 — Dimensions of flange running wheel
4.1.4 Determining limiting pressure P
L
The value of P is given in Table 1 as a function of the ultimate strength of the metal of which the rail wheel is
L
made.
Table 1 — Values of P
L
Ultimate strength of metal Minimum ultimate strength

used for rail wheel for rail
f P
u L
2 2 2
N/mm N/mm N/mm
5,00 350
> 500
5,60 350
> 600
> 700 6,50 510
> 800 7,20 510
7,80 600
> 900
> 1 000 8,50 700
The qualities of metal correspond to cast, forged or rolled steels, and spheroidal graphite cast iron.
The hardening of the wheel tread at the depth of 0,01D may be taken into account when selecting the value of
P .
L
In the case of rail wheels with tyres, consideration must obviously be given to the quality of the tyre, which
shall be sufficiently thick not to roll itself out.
4.1.5 Determining coefficient c
The values of c depend on the speed of rotation of the wheel and are given in Table 2.

Table 2 — Values of c
Wheel rotation Wheel rotation Wheel rotation
c c c
1 1 1
speed speed speed
r/min r/min r/min
200 0,66 50 0,94 16 1,09
160 0,72 45 0,96 14 1,10
125 0,77 40 0,97 12,5 1,11
112 0,79 35,5 0,99 11,2 1,12
100 0,82 31,5 1 10 1,13
90 0,84 28 1,02 8 1,14
80 0,87 25 1,03 6,3 1,15
71 0,89 22,4 1,04 5 1,16
63 0,91 20 1,06
56 0,92 18 1,07
4.1.6 Determining coefficient c
Coefficient c depends on the group classification of the mechanism and is given in Table 3.
4 © ISO 2005 – All rights reserved

Table 3 — Values of c
Group classification of mechanism c
M1 et M2 1,25
M3 et M4 1,12
M5 1,00
M6 0,90
M7 et M8 0,80
The formulae apply only to wheels whose diameters do not exceed 1,25 m. For larger diameters, experience
shows that the permissible pressures between the rail and the wheel must be lowered. The use of wheels of
greater diameter is not recommended.
NOTE The wheel selection method presented here is based on FEM 1.001-1988, Booklet 4, as revised in Booklet 9
in 1998. This method is based on the group classification of mechanisms (classes M1 to M8) that is equal to the
classification of ISO 4301-1.
4.2 Determination of the class of mechanism of the travel wheel
The determination of the mechanism class (according to ISO 4301-1) of the rail wheel is made in general
terms as follows.
a) The number of working cycles, C, is taken as the specified value or the upper limit of the given U-class.
b) The average displacement of the travel motion, x , is specified according to intended use.
m
c) The wheel load spectrum class number, L , shall be taken as specified or to be calculated from a given
i
spectrum or description of work cycles.
d) Total travel distance is L = 2Cx .
m
e) Running time T = L/v , where v is the normal travel speed of the motion (usually, the maximum speed).
t t
f) Operation time class number is calculated as T = 1 + Int [log (T/200,01 h)/log (2)].
j
EXAMPLE 1 T = 3 200, T = 1 + Int [log (3 200/200,01)/0,693 147] = 1 + Int (3,999 9) = 4; ⇒ classe T .
j 4
EXAMPLE 2 T = 3 201, T = 1 + Int [log (3 201/200,01)/0,693 147] = 1 + Int (4,000 4) = 5; ⇒ classe T .
j 5
g) The mechanism class number is calculated as m = L + T – 2.
m i j
T , L , and m shall be understood as integer numbers, e.g. 5, or as the corresponding symbol, T .
j i m 5
4.3 Determination of local stresses due to wheel loads
The local stresses due to the wheel forces of a crab or a crane may be determined according to Annexes A
and B.
When the permissible stress method is used, the local stresses according to Annexes A and B, combined with
the global stresses due to the rated loads, shall not exceed the permissible stresses.
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 16881-1
Première édition
2005-05-15
Appareils de levage à charge
suspendue — Calcul de conception
des galets et de la structure de support
du chariot de roulement —
Partie 1:
Généralités
Cranes — Design calculation for rail wheels and associated trolley track
supporting structure —
Part 1: General
Numéro de référence
©
ISO 2005
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Tel. + 41 22 749 01 11
Fax. + 41 22 749 09 47
E-mail [e-mail]
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 1
3 Termes et définitions . 1
4 Exigences. 2
4.1 Choix des galets. 2
4.2 Détermination de la classe de mécanisme du galet de déplacement . 5
4.3 Détermination des tensions locales dues aux charges du galet . 6
Annexe A (informative) Distribution de la charge du galet sous rail . 7
Annexe B (informative) Contraintes locales dans les galets supportant les ailes . 9
Bibliographie . 14

Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 16881-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 96, Appareils de levage à charge suspendue,
sous-comité SC 9, Ponts et portiques roulants.
L'ISO 16881 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Appareils de levage à charge
suspendue — Calcul de conception des galets et de la structure support du chariot de roulement:
 Partie 1: Généralités
Les parties suivantes sont en préparation:
 Partie 2: Grues mobiles
 Partie 3: Grues à tour
 Partie 4: Grues à flèche
 Partie 5: Ponts roulants et ponts portiques

iv © ISO 2005 – Tous droits réservés

Introduction
La présente partie de l’ISO 16881 établit des exigences et donne des lignes directrices ainsi que des règles
de conception que reflètent l’état de l’art du domaine de conception des appareils de levage à charge
suspendue. Les règles indiquées représentent des pratiques de conception correctes qui garantissent le
respect des exigences de sécurité essentielles et une durée de vie des composants acceptable. Un écart par
rapport à ces règles peut normalement mener à une augmentation des risques ou à une réduction de la durée
de vie, mais il est admis que de nouvelles innovations techniques, de nouveaux matériaux, etc. puissent
permettre l’émergence de nouvelles solutions aboutissant à une sécurité et une durabilité équivalentes, sinon
accrues.
NORME INTERNATIONALE ISO 16881-1:2005(F)

Appareils de levage à charge suspendue — Calcul de
conception des galets et de la structure de support du chariot
de roulement —
Partie 1:
Généralités
1 Domaine d'application
La présente partie de l’ISO 16881 spécifie les exigences pour le choix de la taille pour des galets en fer ou en
acier et donne les formules pour les contraintes locales de structure de la grue en raison des effets des
charges du galet.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 4301-1, Grues et appareils de levage — Classification — Partie 1: Généralités
ISO 4306-1, Appareils de levage à charge suspendue — Vocabulaire — Partie 1: Généralités
ISO 8686-1, Appareils de levage à charge suspendue — Principes de calcul des charges et des
combinaisons de charge — Partie 1: Généralités
ISO 8686-2, Appareils de levage à charge suspendue — Principes de calcul des charges et des
combinaisons de charge — Partie 2: Grues mobiles
ISO 8686-3, Appareils de levage à charge suspendue — Principes de calcul des charges et des
combinaisons de charge — Partie 3: Grues à tour
ISO 8686-4, Appareils de levage à charge suspendue — Principes de calcul des charges et des
combinaisons de charge — Partie 4: Grues à flèche
ISO 8686-5, Appareils de levage à charge suspendue — Principes de calcul des charges et des
combinaisons de charge — Partie 5: Ponts roulants et ponts portiques
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 4306-1 s'appliquent.
4 Exigences
4.1 Choix des galets
4.1.1 Dimensions des galets
Pour dimensionner un galet, les vérifications suivantes doivent être effectuées:
a) vérifier que le galet est capable de supporter la charge maximale à laquelle il doit être soumis;
b) vérifier que le galet est capable d’assurer, sans usure anormale, le service normal de l’appareil.
Les deux exigences sont vérifiées au moyen des deux équations suivantes:
P
max
u 1, 9P (1)
L
bD⋅
P
mean
uPcc⋅⋅ (2)
L1 2
bD⋅
où
D est le diamètre du galet, en millimètres;
b est la largeur utile du rail, en millimètres;
P est une pression limite dépendant du matériau constituant le galet, en newtons par millimètre

L
carré (N/mm ), voir Tableau 1;
est un coefficient dépendant de la vitesse de rotation du galet, voir Tableau 2;
C
est un coefficient dépendant du groupe du mécanisme, voir Tableau 3;
C
P est la charge maximale sur le galet résultant des combinaisons de charges A, B ou C, y compris
max
la considération des essais dynamiques et statiques de chargements (ces combinaisons de
charges sont définies dans l'ISO 8686-1 à l’ISO 8686-5.);
P est la valeur de charge moyenne la plus élevée résultant de l’Équation (3) en considérant les

mean
combinaisons de charges A et B.
La charge moyenne de galet tient compte des variations de charges de galet, y compris lorsque applicable,
des changements de position de la charge traitée par rapport aux galets supports pendant un cycle de travail.
L’Équation (3) donne une valeur approximative de la charge moyenne cubique résultante.
Lorsque le processus de travail est bien connu, la charge moyenne cubique peut être calculée plus
exactement en utilisant les charges de galet résultant des positions réelles de la charge traitée. Dans ce
calcul, la charge maximale soulevée doit être utilisée, le coefficient c tient compte de la variation de la
charge.
2 © ISO 2005 – Tous droits réservés

4.1.2 Détermination de la charge moyenne
Pour déterminer les charges moyennes, la procédure est de considérer les charges maximale et minimale
supportées par le galet, c'est-à-dire avec l'appareil en service normal sans tenir compte des coefficients
dynamiques φ pour P . Les valeurs de P sont déterminées par l’Équation (3) pour les combinaisons

mean mean
de charges A et B.
PP+ 2
min,A,B max,A,B
P = (3)
mean
4.1.3 Détermination de la largeur de rail utile b
Pour des rails à surface de roulement plane ou légèrement bombée, de largeur totale l, avec des arrondis de
rayon r de chaque côté (voir la Figure 1), la largeur utile b doit être calculée conformément à l’Équation (4):
bl=− 2r (4)
Pour des rails ou des galets à surface de roulement légèrement bombée, la pression limite P peut être
L
augmentée de 10 %. Cela tient compte de l’amélioration du contact d'un rail avec roulement du galet.
Dans le cas de galet plat, conique ou bombé, fonctionnant sur l'aile inférieure de la poutre, la largeur utile est
calculée par l’Équation (5):
bw=−r (5)
où la table de roulement du galet de largeur w et le rayon r doivent être pris conformément à la Figure 2. Le
diamètre du galet, D, doit être pris comme le diamètre moyen sur la largeur projetée (w − r).

Figure 1 — Dimensions de rail
Figure 2 — Dimensions d'un galet sur une aile
4.1.4 Détermination de la pression limite P
L
La valeur de P est donnée dans le Tableau 1 en fonction de la charge de rupture finale du métal composant
L
le galet.
Tableau 1 — Valeurs de P
L
Charge de rupture finale Charge de rupture finale minimale

du métal composant le galet du rail
f P
u L
2 2 2
N/mm N/mm N/mm
5,00 350
> 500
5,60 350
> 600
> 700 6,50 510
> 800 7,20 510
7,80 600
> 900
> 1 000 8,50 700
Les qualités de métal correspondent à des aciers moulés, forgés, laminés et à de la fonte sphéroïdale.
Le durcissement de la table de roulement du galet à la profondeur de 0,01D peut être pris en compte lors du
choix de la valeur P .
L
Dans le cas de galets avec bandage, il faut bien évidemment considérer la qualité de celui-ci, et il doit être
suffisamment épais pour ne pas se laminer.
4.1.5 Détermination du coefficient c
Les valeurs de c dépendent de la vitesse de rotation du galet et sont données dans le Tableau 2.
4 © ISO 2005 – Tous droits réservés

Tableau 2 — Valeurs de c
Vitesse de Vitesse de Vitesse de
c c c
1 1 1
rotation du galet rotation du galet rotation du galet

r/min r/min r/min
200 0,66 50 0,94 16 1,09
160 0,72 45 0,96 14 1,10
125 0,77 40 0,97 12,5 1,11
112 0,79 35,5 0,99 11,2 1,12
100 0,82 31,5 1 10 1,13
90 0,84 28 1,02 8 1,14
80 0,87 25 1,03 6,3 1,15
71 0,89 22,4 1,04 5 1,16
63 0,91 20 1,06
56 0,92 18 1,07
4.1.6 Détermination du coefficient c
Le coefficient c dépend de la classification du groupe du mécanisme, et il est donné dans le Tableau 3.

Tableau 3 — Valeurs de c
Groupe de mécanisme c
M1 et M2 1,25
M3 et M4 1,12
M5 1,00
M6 0,90
M7 et M8 0,80
Les formules s'appliquent seulement aux galets dont les diamètres n'excèdent pas 1,25 m. Pour les diamètres
supérieurs, l'expérience montre que les pressions admissibles entre le rail et le galet doivent être diminuées.
L'utilisation des galets de diamètre plus grand n'est pas recommandée.
NOTE La méthode de sélection du galet présentée ici est basée sur la FEM 1.001-1988, livret 4, révisé dans le
livret 9 de 1998. Cette méthode est basée sur la classification de groupe de mécanismes (classes M1 à M8) qui est
équivalente à la classification de l'ISO 4301-1.
4.2 Détermination de la classe de mécanisme du galet de déplacement
La détermination de la classe de mécanisme (selon l'ISO 4301-1) du g
...