DE102008018852A1

DE102008018852A1 - Stapelprofil

Info

Publication number: DE102008018852A1
Application number: DE102008018852A
Authority: DE
Inventors: Klaus Hüsemann-Lammert
Original assignee: SEEBA TECHNIK GmbH
Current assignee: Rautaruukki Oyj
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2009-10-22

Abstract

Mastkonstruktion für Turmkonstruktionen von Windkraftanlagen mit einer Höhe von mehr als 80 Metern mit Eckstielen (2) aus Teilprofilen (5), wobei die Teilprofile (5) zu Eckstielsegmenten (3, 4) verbunden sind,
gekennzeichnet dadurch, dass
- die Eckstiele (2) jeweils aus mindestens drei Teilprofilen (5) bestehen und die Teilprofile (5) zusammen ein geschlossenes Gesamtprofil bilden und Trennfugen des geschlossenen Gesamtprofils so bestimmt sind, dass sie in einer Flucht mit entsprechenden Trennfugen geschlossener Gesamtprofile eines benachbarten Eckstiels angeordnet sind und dass
die Teilprofile zwei Winkel Alpha zwischen 120° und 160°, vorzugsweise 140°, aufweisen.

Description

Es existieren Eckstiele von Fachwerk-Turmkonstruktionen, die aus Winkelprofilen gefertigt sind. Mit der Höhe der Türme und mit der Größe der auf dem Turm montierten Bauteile (z. B. Windkraftanlagen) steigt die Belastung für die Winkelprofile. In gewissem Grade kann man diesen Belastungen durch den Einsatz von Profilen mit größeren Profilquerschnitten entsprechen. Die Vergrößerung der Profilquerschnitte kann jedoch nicht in beliebigem Maß erfolgen, da die Fertigung von Winkelprofilen fertigungstechnisch begrenzt ist.
Entsprechend des Standes der Technik existieren zahlreiche Ansätze, die Eckstiele von Fachwerkkonstruktionen so zu gestalten, dass größere Turmhöhen realisierbar sind.
Unter anderem entspricht es dem Stand der Technik, mehrere Winkelprofile durch Schweißen zu verbinden, beziehungsweise bereits in der Fertigung ein kreuzförmiges Profil für Eckstiele zu produzieren.
Diese Profilgestaltung ist in Bezug auf die erzielten Flächenträgheitsmomente der Eckstielkonstruktion nicht optimal.
Entsprechend der DE 103 08 176 A1 wird vorgeschlagen, Eckstiele aus einem Formstahl zu fertigen, dessen Profil mindestens zwei Flanken aufweist, wobei die Flanken mittels eines Trägers verbunden sind. Ein solcherart gestalteter Gitterturm bietet den Vorteil, dass das Profil der Eckstiele durch das Vorsehen eines zusätzlichen Trägers stärker ausgebildet ist. Dadurch ergeben sich Eckstiele mit einer gegenüber aus Winkelprofilen gefertigten herkömmlichen Eckstielen deutlich verbesserten Knicklänge.
Eine weitere Möglichkeit hohe Türme zu realisieren ist es, die Anzahl der Eckstiele, die im Allgemeinen vier beträgt, zu erhöhen, um die statischen Vorgaben zu erfüllen. Hierbei befinden sich die durch Querverstrebungen verbundenen Schenkel der allgemein verwendeten rechtwinkligen Winkelprofile nicht mehr annähernd in einer Flucht, so dass der Anschluss der Ausfachungsstreben nicht parallel zu den entsprechenden Schenkeln der Winkelprofile erfolgt, was nachteilig ist.
Dieser Problematik begegnet man, indem die Eckstiele aus mehreren Teilprofilen, im Allgemeinen bis zu einer Anzahl von vier, zusammengesetzt werden, wodurch die Querschnittfläche der Eckstiele erhöht wird. Die Konstruktion besteht bei dieser Lösung aber weiterhin aus einer Konstruktion mit vier Eckstielen.
Nachteilig ist, dass die für die Knickstabilität wichtigen Trägheitsradien sehr gering sind, da ein großer Teil der Querschnittfläche der Eckstiele im Schwerpunktbereich liegt.
Entsprechend sind viele Zwischenabstützungen der Eckstiele mittels Verstrebungen notwendig, was den konstruktiven Aufwand erheblich vergrößert.
Auf Grund dieser Problematik existieren Konstruktionen für Fachwerktürme, bei denen die Eckstiele und auch die Ausfachung aus Rohren gebildet werden. Hierbei ist die Materialkonzentration im Profil der Eckstiele und im Profil der Ausfachungen in statisch optimaler Anordnung weit von der neutralen Faser des Profiles entfernt. Allerdings sind die Anschlüsse der Ausfachungen und die Stöße der Eckstiele solcher Konstruktionen in der Regel durch Schweißverfahren hergestellt. Geschweißte Anschlüsse sind aufwendig in der Fertigung.
Weiterhin haben Schweißnähte eine hohe Kerbwirkung, weshalb sie für dynamisch beanspruchte Türme wie bei Windkraftanlagen stark überdimensioniert werden müssen und daher kaum in Frage kommen.
Insbesondere vor dem Hintergrund neuer Generationen von Windkraftanlagen, deren Nabenhöhen über 80 Meter betragen und/oder deren Leistung über 2 Megawatt beträgt, sind auf Grund der hohen statischen und dynamischen Belastung der Turmkonstruktionen neue Ansätze für die Gestaltung der Fachwerkkonstruktion entwickelt worden. In der EP 1 442 807 wird ein im Hinblick auf den Materialeinsatz und Montage optimiertes Eckstielprofil erläutert. Hierbei wird ein handelsübliches I-Profil, welches einen Mittelsteg und Gurte aufweist und das Profil in der Fachwelt unter der Bezeichnung „Peiner-Träger” bekannt ist, nach dem Walzprozess der Profilherstellung in eine neue Form gebracht, so dass die Gurte einen Winkel von 90° miteinander einschließen. Das so erzeugte neue Profil kann dabei offen oder geschlossen sein. Im letzteren Fall werden die Gurte an der Kontaktlinie miteinander verschweißt.
Diese Fertigung der neuen Profile entsprechend der EP 1 442 807 ist aufwendig, da nach dem Walzen des I-Profiles ein weiterer Fertigungsprozess notwendig ist.
Vorteil der vorgenannten Konstruktion gegenüber Winkelprofilen ist die große Querschnittfläche, die mit nur einem Profil erreichbar ist, sowie der gegenüber Winkelkonstruktionen größere Trägheitsradius. Nachteilig ist, dass der Trägheitsradius gegenüber einem vergleichbaren Rohr wesentlich (etwa Faktor 1,4) kleiner ist, und dass Verstrebungen der Eckstiele die Kräfte nicht in Richtung des Schwerpunkts des Profiles einleiten, so dass die Eckstiele tordiert werden.
Einen anderen Ansatz zur Realisierung von Eckstielen mit einem geschlossenen Profil stellt die in der DE 10 2005 012 817 A1 offenbarte Verwendung eines aus zwei offenen Teilprofilen bestehenden – in montiertem Zustand geschlossenen – achteckigen Profiles dar. Der Querschnitt des montierten Profils entspricht nahezu dem eines Rohres. Die Teilprofile werden verschraubt. Die Streben werden mittels Anschlussblechen zwischen den Teilprofilen montiert, so dass auftretende Kräfte durch die Streben nahezu zentrisch in den durch die verschraubten Teilprofile gebildeten Eckstiel eingeleitet werden. Durch die Montage der Anschlussbleche ergibt sich ein Spalt zwischen den verschraubten Teilprofilen. Damit das montierte Profil in den statischen Eigenschaften einem geschlossenen Profil entspricht sind unter anderem deshalb ggf. weitere Verschraubungen der Teilprofile zwischen den Streben notwendig. An diesen zusätzlichen Verschraubungen wird zwischen den Teilprofilen ein Distanzelement angeordnet, welches als Bindeblech bezeichnet wird. Der notwendige Abstand der zusätzlichen Verschraubungen und somit die Anzahl der notwendigen Bindebleche ergibt sich aus der Knickstabilität der Profilhälfte mit dem geringerem Flächenträgheitsmoment.
Weiterhin ergibt sich aus den geometrischen Bedingungen des Anschlusses der Streben, dass die Annäherung des Eckstielprofils an die statisch günstige Rohrform, zu Teilprofilen mit sehr unterschiedlichem Flächenträgheitsmoment führt.
Bei einem Turm mit z. B. vier Eckstielen der vorgenannten Konstruktion ergibt sich für das äußere Blech des Eckstieles ein Winkel von ca. 270°. Für das innere Blech ergibt sich entsprechend ein Winkel von ca. 90°. In diesem Falle ergibt sich für das innere Blech ein im Verhältnis zum äußeren Blech geringes Flächenträgheitsmoment., woraus eine erhebliche Anzahl zusätzlicher Verschraubungen und Bindbleche zwischen den Strebenanschlüssen resultiert. Da die Verschraubungen regelmäßig überprüft werden müssen, ergeben sich entsprechende Kosten, die von der Anzahl der verwendeten Bindebleche abhängen.
Bei der Herstellung der Profile hat sich zudem herausgestellt, dass die Fertigung geschlossener achteckiger Profile fertigungstechnisch aufwendig ist.
Eine weitere Lösung zur Realisierung großer Turmhöhen wurde von der SeeBa Energiesysteme GmbH konstruiert. Grundgedanke der Konstruktion ist es, für die Konstruktion eines Eckstieles eines Gittermasten, ein Teilprofil A und ein Teilprofil I zu verwenden, die zu einem Gesamtprofil montiert ein Eckstielsegment bilden, und wobei eine Innenkontur, die durch die Verbindung von drei inneren Eckpunkte des Gesamtprofils gebildet wird, nahezu die Form eines Dreieckes aufweist und die Außenkontur des Gesamtprofils Anschlußbereiche für Anschlußbleche an denen Streben des Gittermasten befestigt sind, aufweist.
Die Teilprofile weisen eine unterschiedliche Geometrie auf und müssen zudem mit Kantungen von bis zu 70° versehen werden. Dies ist zum einen fertigunstechnisch aufwendig und weiterhin bedingen starke Verformungen des Materials die Gefahr, dass starke Eigenspannungen bzw. Vorschädigungen durch die Verformung in das Material eingebracht werden.
Die Montage der Konstruktion erfolgt durch Schraubverbindungen, vorzugsweise am Ort des Bauwerkes. Um die Zugänglichkeit zur Verschraubung der Profilhälften zu gewährleisten sind in den Teilprofilen nicht gezeigte Handlöcher vorzusehen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Konstruktion eines Eckstieles eines Gittermasten zur Verfügung zu stellen, bei der die durch angeschlossene Streben übertragene Kräfte zentrisch in den Eckstiel eingeleitet werden und wobei die Eckstiele ein gleiches Flächenträgheitsmoment um beide Hauptachsen aufweisen und die Konstruktion einfacher als die Konstruktion mit dreieckigen Eckstielprofilen zu fertigen und zu montieren ist.
Die Aufgabe wird entsprechend des Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung gelöst.
Das folgende Beispiel erklärt die Erfindung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei folgende Zeichnungen zur Erläuterung beigefügt sind:
1: Erfindungsgemäßes Gesamtprofil mit Streben (1)
2: Horizontaler Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turmkonstruktion mit sechs erfindungsgemäßen Eckstielen (2) (schematisch)
3: Erfindungsgemäße vertikale Anordnung aus Gesamtprofilen bestehender Eckstielsegemente eines Eckstieles (2), wobei ein oberes Segment (3) gegenüber einem unteren Segment (4) einen geringeren Querschnitt aufweist. Die Eckstielsegmente sind mittels zentraler Anschlussbleche miteinander verbunden.
4: Beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Gesamtprofiles bestehend aus drei Teilprofilen (5), wobei das Gesamtprofil zu einem zentralen Anschlussblech verbundene und mit Anschlussstern (6) bezeichnete Konstruktion aufweist.
5: Erfindungsgemäßes Teilprofil mit einer erfindungsgemässen Geometrie
Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel entsprechend 2 weist der Gittermast sechs Eckstiele auf. Diese Eckstiele bestehen in der Längsrichtung aus Eckstielsegmenten, welche aus jeweils drei, vorzugsweise gekanteten, Blechen gebildet werden.
In 2 sei die dargestellte Konstruktion ein Gittermast mit sechs Eckstielen (2) und einer Höhe des Gittermasten von 120 Metern. Auf dem Gittermast sei eine Windturbine mit einer Leistung von 2 MW angeordnet.
Erfindungsgemäß wird im mittleren Höhensegment der Turmkonstruktion ein Gesamtprofil entsprechend der 4 verwendet. Das für die Gesamtprofile verwendete Material ist ein Baustahl der Qualität S 355 mit einer Länge von 12 Metern und einer Materialstärke von 8 Millimetern. Bei dem in der 5 dargestellten Teilprofil mit einer Profilhöhe von 108,34 Millimetern und einer Profilbreite von 567,63 Millimetern ergeben sich für die erfindungsgemäßen Teilprofile folgende Flächenträgheitsmomente:
Je identischem Teilprofil
J max = 141437000 mm⁴
J min = 7432630 mm⁴
Gesamtprofil
J Gesamt = 537327000 mm⁴
Dabei weisen die Teilprofile einen Winkel Alpha von 140 Grad und zwei Winkel Beta zu je 110 Grad auf. In der Turmkonstruktion ergeben sich dementsprechend gegenüberliegende Anschlussbereiche der Eckstiele z. B. (7) und (8) sowie (9) und (10) parallel zueinander ausgerichtet sind.
Die abgewinkelten Anschlussbereiche der Teilprofile weisen eine Länge auf, die zum einen die Montage der Anschlusstücke ermöglicht und zum anderen danach ausgelegt ist, die notwendige Versteifung des Profils zu gewährleisten.
Der Schwerpunkt des Flächenträgheitsmomentes liegt im Schwerpunkt (11) des Gesamtprofils. Die durch die Streben einer Anschlusshöhe in die einzelnen Eckstiele eingeleiteten Kräfte sind ebenfalls auf den Schwerpunkt des Flächenträgheitsmomentes ausgerichtet, wodurch die Torsionsbeanspruchung der Eckstiele minimiert wird.
Ein besonders vorteilhafter Aspekt dieser Konstruktion ist, dass sich im montierten Zustand ein nahezu geschlossenes Profil des Eckstiels ergibt, wobei die Flächenträgheitsmomente der Hauptachsen der Eckstiele nahezu identisch sind.
Die Gesamtprofile der Eckstiele bilden Eckstielsegmente (3, 4). Die Eckstielsegmente (3, 4) werden in vertikaler Richtung zueinander angeordnet und in besonders vorteilhafter Ausführung der Erfindung mittels eines zentralen Stoßbleches verbunden.
Die zentralen Stossbleche können einteilig aber auch mehrteilig ausgeführt sein.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bestehen die zentralen Stoßbleche aus drei miteinander verbundenen Blechen.
Im Folgenden werden die erläuterten einteiligen und auch mehrteiligen Ausführungen der zentralen Stoßbleche als Stossstern bezeichnet.
Die Stoßsterne (6) weisen gegenüber herkömmlichen Koppelblechen den fertigungstechnischen Vorteil auf, dass die einzelnen zentralen Stoßbleche eines Eckstielstoßes aus einem Teil oder aus Gleichteilen bestehen. Durch die Vormontage des Stoßsterns (6) wird die Montage der Eckstiele vereinfacht.
Zudem bewirkt der Stoßstern (6) eine Versteifung der Eckstielprofile an den durch die Krafteinleitung der Streben (1) besonders beanspruchten Stellen.
Durch die somit auf das Zentrum des Eckstieles gerichtete Krafteinleitung werden Biegemomente und Torsionen der Eckstiele gegenüber herkömmlichen Eckstielkonstruktionen, wie z. B. Eckstielkonstruktionen aus Winkeleisen verringert.
Durch die Montage der Stoßsterne (6) zum Anschluss der Streben (1) ergibt sich ein Spalt zwischen den verschraubten Teilprofilen.
Damit das montierte Profil in den statischen Eigenschaften einem geschlossenen Profil entspricht sind unter anderem deshalb ggf. weitere Verschraubungen der Teilprofile zwischen den Streben notwendig. An den zusätzlichen Verschraubungen werden zwischen den Teilprofilen Bindebleche angeordnet.
In der Regel ist in höheren Segmenten von Turmbauwerken eine geringere statische und dynamische Belastung vorhanden als in unteren Segmenten von Turmbauwerken. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Gesamtprofile ergibt sich durch eine Variation der Materialstärke und/oder durch die Variation der Profilgeometrie wie z. B. der Breite und der Höhe des Querschnittes des Gesamtprofils. Das ermöglicht, den Materialverbrauch an Profilwerkstoff zu minimieren. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang die Verwendung von Feinkornbaustahl vorteilhaft, da aus diesem die jeweiligen Teilprofile exakt auf die statischen Anforderungen hin gefertigt werden können.
Aus dieser Optimierung resultiert in höheren Segmenten von erfindungsgemäß gestalteten Turmbauwerken in der Regel ein geringerer Gesamtprofilquerschnitt als in den niedrigeren Segmenten. Ergeben sich dadurch Distanzen zwischen den vertikal angeordneten und mit den Stoßsternen (6) verschraubten Gesamtprofilen, werden die Bohrungen in den Stoßsternen (6) entsprechend angepasst. Gesonderte Futterbleche sind für eine kraftschlüssige Verbindung durch z. B. Verschraubung nicht mehr notwendig.
Erfindungsgemäß ist auch der Fall, dass die Materialstärke unterer Eckstielsegmente, geringer ist, als die Materialstärke oberer Eckstielsegmente. Dies ist z. B. von der jeweiligen Spreizung der Eckstiele abhängig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10308176 A1 [0005]
- EP 1442807 [0012, 0013]
- DE 102005012817 A1 [0015]

Claims

Mastkonstruktion für Turmkonstruktionen von Windkraftanlagen mit einer Höhe von mehr als 80 Metern mit Eckstielen (2) aus Teilprofilen (5), wobei die Teilprofile (5) zu Eckstielsegmenten (3, 4) verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, dass die Eckstiele (2) jeweils aus mindestens drei Teilprofilen (5) bestehen und die Teilprofile (5) zusammen ein geschlossenes Gesamtprofil bilden und Trennfugen des geschlossenen Gesamtprofils so bestimmt sind, dass sie in einer Flucht mit entsprechenden Trennfugen geschlossener Gesamtprofile eines benachbarten Eckstiels angeordnet sind und dass die Teilprofile zwei Winkel Alpha zwischen 120° und 160°, vorzugsweise 140°, aufweisen.
Erfindung entsprechend des vorgenannten Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilprofile Anschlussbereiche (7, 8, 9, 10) aufweisen, die in einem Winkeln Beta 110 Grad abgekantet sind, so dass die jeweils gegenüberliegenden Anschlussbereiche beispielhaft (7) und (8) sowie (9) und (10) parallel zueinander ausgerichtet sind und der Winkel Gamma der Teilprofile (5) zwischen 115 Grad und 125 Grad, vorzugsweise 120 Grad beträgt.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, die Anschlussbereiche (7, 8, 9, 10) eine Länge aufweisen, die dem 5–20-fachen, vorzugsweise dem 10-fachen der Materialstärke des Teilprofils (5) beträgt.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, Längsachsen auf einer Höhe an ein Gesamtprofil angeschlossener Streben sich in einem Punkt treffen und dieses der Schwerpunkt (11) des Gesamtprofils ist.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, Koppelbleche mit beiden Anschlussbereichen (7, 8, 9, 10) mindestens eines Teilprofils verbunden sind.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, Koppelbleche von Eckstielsegmenten (2) miteinander verbunden sind oder einstückig ausgeführt sind.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, Koppelbleche einen Winkel Delta von vorzugsweise 120° aufweisen.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, die Koppelbleche Ausnehmungen, vorzugsweise Bohrungen, aufweisen, die den Ausnehmungen an den Anschlussbereichen der Teilprofile entsprechen.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, die Eckstielsegmente eine Länge aufweisen, so dass sich die Stöße der Eckstielsegmente an den Anschlussbereichen der Streben (1) ergeben.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass untere Eckstielsegmente (2) der Mastkonstruktion Teilprofile mit einer anderen Materialstärke als mindestens ein oberhalb der unteren Eckstielsegmente (2) angeordnetes Eckstielsegment (3) aufweisen.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teilprofil der Eckstielkonstruktion aus einem Feinkornstahl besteht.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Teilprofile (5) oder/und der Streben (1) zumindest teilweise durch nichtmetallische Materialien z. B. laminierten Carbonfasern gebildet werden.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Teilprofile (5) oder/und der Streben (1) zumindest teilweise durch faserhaltige Naturmaterialien gebildet werden.