DE102011001250A1 - Apparatus and method for the transition between a steel tower section and a prestressed concrete tower section - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein T-förmiges Bauteil (1) – bevorzugt aus Stahl –, das besonders dazu geeignet ist, den Übergang zwischen dem unteren Spannbetonabschnitt (7) eines Turmes – bevorzugt einer Windenergieanlage – und dem aufgehenden Turmabschnitt aus Stahl (6) – oder einem alternativen Material – zu bilden. Durch mittig in einem T-Querschnitt angeordnete Aussparungen (3, 5) werden die Spannglieder (8) des unteren Spannbeton-Turmabschnittes (7) durchgeführt, verankert und vorgespannt. Das Bauteil (1) ist damit verankert ohne weitere Verankerungselemente und ohne zusätzliche Belastungen aus exzentrisch angreifenden Kräften.The invention describes a T-shaped component (1) - preferably made of steel - which is particularly suitable for the transition between the lower prestressed concrete section (7) of a tower - preferably a wind turbine - and the rising tower section made of steel (6) - or an alternative material - to form. The tendons (8) of the lower prestressed concrete tower section (7) are led through, anchored and prestressed through recesses (3, 5) arranged in the center in a T cross section. The component (1) is thus anchored without further anchoring elements and without additional loads from eccentrically acting forces.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindung zwischen zwei Konstruktionsabschnitten eine Turmes – bevorzugt eines Turmes einer Windenergieanlage – untereinander. Bei der Koppelstelle handelt es sich um den Übergang zwischen einem in der Regel vorgespannten Stahlbetonturmabschnitt und der aufgehenden Stahlkonstruktion.The present invention relates to a connection between two construction sections of a tower - preferably a tower of a wind turbine - with each other. The coupling point is the transition between a generally prestressed reinforced concrete tower section and the rising steel structure.
Stand der TechnikState of the art
Windenergieanlagentürme mit Turmabschnitten aus unterschiedlichen Materialien werden auch als Hybridtürme bezeichnet. Der untere Abschnitt aus Beton kann aus vorgefertigten Betonelementen, die miteinander verbunden werden, oder aus einem monolithischen Betonbauteil bestehen. Um eine höhere Standfestigkeit zu erhalten ist der Konstruktionsabschnitt aus Betonwerkstoff häufig vorgespannt. Dies erfolgt mittels im Turminneren frei zugänglichen Spanngliedern oder mittels Spanngliedern, die innerhalb des Betonquerschnittes liegen und nach dem Vorspannen vergossen werden. Durch das Vergießen des Hohlraumes zwischen Spannglied und Hüllrohr mit einem alkalischen Vergussmaterial ist das Spannglied besonders gut vor Korrosion geschützt. Außerdem ermöglicht die Lage des Spanngliedes im Betonquerschnitt eine zentrische Vorspannkraft hinsichtlich der Schwerlinie des Betonquerschnittes; es treten keine zusätzlichen Biegebelastungen auf.Wind turbine towers with tower sections made of different materials are also referred to as hybrid towers. The lower section of concrete may consist of prefabricated concrete elements that are joined together, or of a monolithic concrete component. In order to obtain a higher stability, the construction section made of concrete material is often preloaded. This is done by means of tendons freely accessible in the tower interior or by means of tendons, which lie within the concrete cross-section and are cast after preloading. By casting the cavity between the tendon and cladding tube with an alkaline potting the tendon is particularly well protected against corrosion. In addition, the position of the tendon in the concrete cross section allows a centric biasing force with respect to the heavy line of the concrete cross section; There are no additional bending loads.
Der aufgehende Turmabschnitt aus Stahl kann aus mehreren röhrenförmigen Turmsegmenten bestehen, die entweder einstückig gefertigt sind oder aus mehreren zusammengefügten Segmenten über den Umfang der Sektion bestehen. In diesem Stahlringquerschnitt herrschen ebenfalls zentrische Spannungsverhältnisse. Alternativ zu einer Ausführung in Stahl kann der obere Turmabschnitt aus hochfestem, alterungsbeständigem Kunststoff – beispielsweise Glasfaserverstärker Kunststoff – gefertigt sein.The rising tower section made of steel may consist of several tubular tower segments, which are either made in one piece or consist of several joined segments over the circumference of the section. Centric stress conditions also prevail in this steel ring cross section. As an alternative to an embodiment in steel, the upper tower section may be made of high-strength, aging-resistant plastic-for example glass fiber reinforced plastic.
An der Verbindungsstelle des oberen Turmabschnittes mit dem unteren, vorgespannten Turmabschnitt aus Beton treffen unterschiedliche Werkstoffe und Bauteildicken aufeinander. Beide Bauteile müssen dauerhaft fest miteinander verbunden werden, um den hohen dynamischen Belastungen standzuhalten.At the junction of the upper tower section with the lower, prestressed concrete tower section, different materials and component thicknesses meet. Both components must be permanently connected firmly to withstand the high dynamic loads.
Für dieses Detail sind verschiedene Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt. So ist in der Patentschrift
Bei der aus
Alternativ kann ein L-förmiger, einseitiger Flansch am aufgehenden Stahlsegment angeformt werden. Dieser wird am oberen Ende des Betonbauteils aufgesetzt und direkt vom Spannglied durchankert. Wegen der hohen auftretenden Kräfte und des Versatzes zwischen Normalspannungen im Stahlring und der Lasteinleitung der Vorspannkraft muss der Flansch sehr dick ausgeführt werden. Außerdem ist es auch in dieser Bauweise aus geometrischen Gründen erforderlich, dass der Betonquerschnitt aufgeweitet wird – und dass das Spannglied aus seiner Achse heraus zur Endverankerung hin verzogen wird. Bedingt durch die Krümmung des Spanngliedes entstehen in dieser Konstruktion Umlenkkräfte, die ebenfalls im Betonquerschnitt aufgenommen werden müssen.Alternatively, an L-shaped, one-sided flange can be formed on the rising steel segment. This is placed on the upper end of the concrete component and anchored directly from the tendon. Because of the high forces occurring and the offset between normal stresses in the steel ring and the load introduction of the preload force of the flange must be made very thick. In addition, it is also necessary in this design for geometric reasons that the concrete cross-section is widened - and that the tendon is warped out of its axis out to the final anchorage out. Due to the curvature of the tendon arise in this construction deflection forces that must also be included in the concrete section.
Allen bekannten Lösungen haben gemeinsam, dass an dieser dynamisch hochbelasteten Stelle ein Versatz aus der Vorspannkraft und der Normallkraft im Stahlturmabschnitt entsteht. All known solutions have in common that at this dynamic high-load point offset from the biasing force and the Normalallkraft arises in the steel tower section.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Übergangskonstruktion für einen Hybridturm – mit einem oberen Turmabschnitt aus Stahl oder Glasfaserverstärktem Kunststoff und einem unteren Abschnitt aus Spannbeton – zur Verfügung zu stellen, die den hohen dynamischen Einwirkungen stand hält, kompakt aufgebaut und wirtschaftlich ist und die Errichtung des Turmes vereinfacht.The object of the invention is to provide a transitional construction for a hybrid tower - with an upper tower section made of steel or glass fiber reinforced plastic and a lower section of prestressed concrete - which withstands the high dynamic effects, is compact and economical and the construction of the Tower simplified.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.The object is solved by the features specified in the characterizing part of claim 1.
Hierzu sieht die Erfindung ein vorgefertigtes ringförmiges oder ringsegmentförmiges Bauteil aus Stahl – oder alternaiv aus Glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) – als Übergangselement vor. Dieses hat im Querschnitt die Form eines umgekehrten Ts mit einem vertikal angeordneten Steg, der den Übergang zum aufgehenden Querschnitt des oberen Turmabschnittes darstellt. Im Flansch sind in Ringrichtung im definierten Abstand zueinander mittig Öffnungen ausgespart, durch die die Spannglieder des Spannbetonturmabschnittes durchgeführt werden. Im Bereich dieser Flanschdurchörterungen ist der Steg – vorzugsweise in ausgerundeter Form, um Spannungskonzentrationen zu reduzieren – ausgenommen, so dass die Ankerköpfe der Spannglieder Platz finden. Die Spannglieder werden durch die Aussparungen im erfindungsgemäßen Bauteil gefädelt. Das Übergangselement wird in seiner endgültigen Lage auf der Oberkante des Stahlbeton-Turmabschnittes ausgerichtet und kraftschlüssig mit Vergussmörtel vergossen. Zur Erhöhung der Schubkrafttragfähigkeit sind in einer alternativen Ausführungsvariante unterhalb des Flansches sogenannte Schubknaggen angeordnet, die in vorher hergestellte Vertiefungen im Beton eingebracht werden. Nach Erhärten des Vergussmaterials werden die Ankerköpfe eingebaut und eine definierte Vorspannkraft aufgebracht. Die Ankerköpfe werden festgelegt, d. h. die Spannglieder werden verkeilt und die Hüllrohre der Vorspannglieder mit – bevorzugt alkalischem – Verpressmaterial verfüllt. Im nächsten Schritt wird ein Korrosionschutz am Ankerkopf angebracht; dieser kann demontierbar ausgeführt werden, so dass eine Überprüfung der Ankerköpfe im Zuge einer Wartung jederzeit möglich ist.For this purpose, the invention provides a prefabricated annular or ring segment-shaped component made of steel - or alternaively made of glass fiber reinforced plastic (GRP) - as a transition element. This has in cross section the shape of an inverted Ts with a vertically arranged web, which represents the transition to the rising cross section of the upper tower section. In the flange openings are recessed centrally in the ring direction at a defined distance from each other, through which the tendons of the prestressed concrete tower section are performed. In the area of these flange intersections, the web is preferably recessed in rounded form so as to reduce stress concentrations so that the anchor heads of the tendons can be accommodated. The tendons are threaded through the recesses in the component according to the invention. The transition element is aligned in its final position on the upper edge of the reinforced concrete tower section and potted with non-positive grout. To increase the shear force capacity so-called push knobs are arranged in an alternative embodiment below the flange, which are introduced into previously prepared depressions in the concrete. After hardening of the potting material, the anchor heads are installed and applied a defined biasing force. The anchor heads are determined, d. H. the tendons are wedged and the cladding tubes of the tendons filled with - preferably alkaline - injection material. In the next step, a corrosion protection is attached to the anchor head; this can be done demountable, so that a check of the anchor heads in the course of maintenance is possible at any time.
Über das Aufbringen und Festlegen der Vorspannkraft wird das Übergangselement direkt mit dem Stahlbetonschaft verbunden. Ein zusätzliches Einbauteil zur Verankerung oder Befestigung des Stahlturmabschnittes auf dem Spannbetonturmabschnitt ist nicht nötig.By applying and fixing the preload force, the transition element is connected directly to the reinforced concrete shaft. An additional fitting for anchoring or attachment of the steel tower section on the prestressed concrete tower section is not necessary.
Da die Schwerlinie des Stahlquerschnittes mit der des Betonquerschnittes in einer Wirkungslinie liegt, ist kein Versatz und damit auch keine daraus resultierende Zusatzbelastung vorhanden. Die Wandung des aufgehenden Turmes sowie die Bauteildicke des unteren Betonturmabschnittes können minimiert und wirtschaftlich ausgeführt werden. Auch eine geometrische Aufweitung der Stahlbetonwand – zur Aufnahme weiterer Einbauteile oder gekrümmter Spanngliedführung – kann entfallen.Since the center of gravity of the steel cross-section is in line with that of the concrete cross section, there is no offset and thus no additional load resulting therefrom. The wall of the rising tower and the component thickness of the lower concrete tower section can be minimized and carried out economically. Also, a geometric expansion of the reinforced concrete wall - to accommodate other built-in parts or curved tendon guide - can be omitted.
Durch die mittige Lasteinleitung der Vorspann- und damit auch der Verbindungskraft in den Flansch des Stahlbauteiles erfährt dieser keine Biegebelastung in Querrichtung und kann somit geometrisch optimiert ausgebildet werden: auch an dieser Stelle wird Material eingespart.Due to the central load introduction of the biasing and thus also the connection force in the flange of the steel component of this no bending stress in the transverse direction and can thus be designed geometrically optimized: even at this point material is saved.
In einer Ausgestaltung ist das Übergangselement ringsegmentförmig und mit mindestens einem weiteren oder beispielsweise zwei oder drei oder mehreren insbesondere identisch geformten ringsegmentförmigen Übergangsbauteilen zu einem geschlossenen Ring verbindbar. Die miteinander verbundenen Segmente bilden gemeinsam ein ringförmiges Übergangselement.In one embodiment, the transition element is ring segment-shaped and can be connected to at least one further or, for example, two or three or more, in particular identically shaped, ring-segment-shaped transition components to form a closed ring. The interconnected segments together form an annular transition element.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von vier Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below with reference to four drawings. Show it:
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- T-förmiges Bauteil aus StahlT-shaped component made of steel
- 22
- Flanschflange
- 33
- Aussparung im FlanschRecess in the flange
- 44
- Stegweb
- 55
- Aussparung im StegRecess in the bridge
- 66
- Stahl-TurmabschnittSteel tower section
- 77
- Spannbeton-TurmabschnittPrestressed concrete tower section
- 88th
- Spanngliedtendon
- 99
- Spannglied-LitzenTendon strands
- 1010
- Ankerkopfanchor head
- 1111
- Mörtelbettmortar bed
- 1212
- Hüllrohrcladding tube
- 1313
- Schubknagge am EinbauteilPush knob on the insert
- 1414
- Aussparung im BetonRecess in the concrete
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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