DE102012106321A1 - Holzturm für Windkraftanlage - Google Patents

Holzturm für Windkraftanlage Download PDF

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    • E04H12/16Prestressed structures

Abstract

Bei einem Holzturm, insbesondere für eine Windkraftanlage, mit einer Längsachse und mit Segmenten, welche in Richtung der Langsachse übereinander gesetzt sind und jeweils wenigstens eine Wand aufweisen, verbinden im Wesentlichen in Richtung der Längsachse verlaufende Vorspannelemente, gegebenenfalls überlappend, unterschiedliche Segmente. Die Vorspannelemente sind in Bohrungen in Wänden und/oder parallel zu Wänden angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Holzturm, insbesondere für eine Windkraftanlage, mit einer Langsachse und mit Segmenten, welche in Richtung der Längsachse übereinander gesetzt sind und jeweils wenigstens eine Wand aufweisen.
  • Ein aus in Längsrichtung eines Holzturmes übereinander gesetzten, gegebenenfalls polygonalen, Segmenten bestehender Holzturm für eine Windkraftanlage ist beispielsweise aus der DE 10 2007 006 652 A1 bekannt. Die Verwendung von Holztürmen bei Windkraftanlagen hat mehrere Vorteile. Holz hat im Vergleich zu Beton oder Stahl, die bei der Herstellung eine negative CO2-Bilanz haben, eine positive CO2-Bilanz, da im Holz mehr CO2 gebunden ist, als durch den Energieverbrauch bei der Herstellung von Holzbauteilen entsteht. Weiterhin hat Holz bei gleichen Festigkeitswerten im Vergleich zu Stahl oder Beton ein um ein Vielfaches geringeres Gewicht, was den Transport erheblich vereinfacht und auch hier den Energieverbrauch bei der Errichtung der Windkraftanlage senkt. Ein weiterer Vorteil von Holz als Baustoff ist, dass Holz in vielen Fällen regional nahe dem Ort, an dem die Windkraftanlage errichtet werden soll, bezogen werden kann, was weitere Transportwege einspart. Ein positiver Nebeneffekt kann dabei sein, dass die regionale Wirtschaft stärker in die Errichtung der Windkraftanlage eingebunden wird, was die Akzeptanz der örtlichen Bevölkerung gegenüber der Windkraftanlage steigern kann. Darüber hinaus kann Holz nach der im Regelfall zwanzigjährigen Betriebsdauer einer Windkraftanlage problemloser entsorgt bzw. recycelt werden als Stahl oder Beton.
  • Ein Problem, das sich bei der Verwendung eines aus übereinander gesetzten Segmenten bestehenden Holzturmes für eine Windkraftanlage ergibt, sind Zug- und Scherkräfte, die sich aus Belastungen des Turmes durch den auf den Turm wirkenden Wind ergeben. Durch diese kann es zum teilweisen Anheben bzw. Trennen einzelner Segmente voneinander kommen und im Extremfall zum Einsturz des Turmes.
  • Die DE 10 2009 017 586 A1 schlägt zur Lösung dieses Problems vor, den Turm nicht aus Segmenten zu errichten, sondern plattenförmige Seitenwände in Form einer Helix anzuordnen, so dass keine über den gesamten Querschnitt des Turms reichenden Stoßkanten mehr vorhanden sind. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der Turm nur mehr sehr begrenzt vorgefertigt werden kann bzw. eine Nachbearbeitung des Turmes erforderlich ist, wodurch die Errichtung länger dauert. So sind Bauteile, die vor der Fertigstellung des Turmes gegebenenfalls sehr witterungsempfindlich sein können, länger möglicherweise schädlichen Umweltbedingungen ausgesetzt. Darüber hinaus bedeutet eine längere Errichtungsdauer auch immer höhere Kosten für die Errichtung.
  • Ziel der Erfindung ist es daher, einen Holzturm dahingehend zu verbessern, dass durch innere und äußere Belastungen entstehende Zug- und Scherkräfte besser aufgenommen werden.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Holzturm der eingangs genannten Art, der gekennzeichnet ist durch im Wesentlichen in Richtung der Längsachse verlaufende Vorspannelemente, welche in Bohrungen in Wänden und/oder parallel zu Wänden angeordnet sind und Segmente in unterschiedlichen Höhen in Richtung der Längsachse verbinden.
  • Übereinander gesetzte Segmente aus Holz können Druckkräfte sehr gut aufnehmen und an ihren Auflageflächen sehr gut von einem Segment ins nächste übertragen. Die Druckkräfte entstehen zum Einen durch das auf den Segmenten lastende Gewicht, zum Anderen durch äußere Einwirkungen wie Wind auf der Seite, zu der sich der Turm neigt.
  • Zugkräfte können hingegen schlechter zwischen einzelnen Segmenten übertragen werden. Diese Zugkräfte entstehen auf der Druckseite der gegenüber liegenden Seite. Vorspannelemente, die über wenigstens zwei Segmente verlaufen, können diese Zugkräfte zwischen diesen Segmenten aufnehmen und verleihen dem Turm Stabilität.
  • Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Holzturmes ist, dass das Dämpfungsverhalten des Turmes positiv beeinflusst werden kann, abhängig von der Länge der Vorspannelemente und deren jeweiligen Angriffspunkten. Durch das bessere Dämpfungsverhalten kann eine Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Holzturm „aggressiver” im Wind bleiben und dadurch im besten Fall einen höheren Jahresenergieertrag erzielen.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Segmente im Wesentlichen polygonal geformt, wobei jede Seite des Polygons durch eine Wand gebildet wird. Diese Ausführungsform ist im Vergleich zu einem runden Turm mit nur einer um 360° umlaufenden Wand wesentlich einfacher und damit auch kostengünstiger zu fertigen. Dabei werden mögliche Nachteile, zum Beispiel durch eine gegebenenfalls weniger aerodynamische Turmaußenfläche, bei weitem durch die Vorteile der kostengünstigeren Fertigung aufgewogen. Die Erfindung lässt sich jedoch auch auf Türme, welche aus runden bzw. kegelstumpfförmigen Segmenten gebildet werden, anwenden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verlaufen parallel zu den Wänden verlaufende Vorspannelemente im Inneren des Holzturmes. So können diese Vorspannelemente ohne großen Aufwand gegen Witterungseinflüsse geschützt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vorspannelemente Stangen und/oder Seile, insbesondere Drahtseile. Diese können, bei im Vergleich zu Holz geringem Platzbedarf, große Zugkräfte aufnehmen. Ausführungsformen, bei denen die Stangen oder Seile aus für Zugbelastungen geeigneten Kunststoffen oder Kohlefaserwerkstoffen bestehen, sind dabei ebenfalls im Sinne der Erfindung.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind in Bohrungen in Wänden verlaufende Vorspannelemente kürzer als parallel zu den Wänden verlaufende Vorspannelemente. Insbesondere verlaufen in Bohrungen in Wänden verlaufende Vorspannelemente über weniger Segmente als parallel zu den Wänden verlaufende Vorspannelemente.
  • Im unteren Bereich des Turmes treten größere Zugkräfte auf als im oberen Bereich des Turmes. Diese Zugkräfte sollen erfindungsgemäß zu großen Teilen oder vollständig von den Vorspannelementen aufgenommen werden. Wenn Vorspannelemente über mehrere Segmente verlaufen, nimmt ein oberes Segment daher größere Druckkräfte auf, als dies ohne Vorspannelemente der Fall wäre, nämlich Druckkräfte, die auf ein weiter unten liegendes, verbundenes Segment wirken und durch Vorspannelemente in ein oberes Segment geleitet werden. Weiter oben liegende Segmente müssen deshalb stabiler und folglich materialaufwendiger ausgeführt werden, als bei einem Turm ohne Vorspannelemente. Wenn sich einige Vorspannelemente über weniger Segmente erstrecken als andere Vorspannelemente, können die Segmente, über die sich weniger Vorspannelemente erstrecken, statisch schwächer und somit materialsparender ausgeführt werden, als wenn nur Vorspannelemente verwendet würden, die über die gesamte Höhe des Turmes verlaufen, wodurch die Konstruktion leichter ausgeführt werden kann, sich das Gesamtgewicht des Turmes somit verringert und Kosten eingespart werden können.
  • In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Vorspannkraft der Vorspannelemente mindestens so groß wie eine durch äußere Belastung auf den Holzturm in Verbindungen von Segmenten entstehende Zugkraft. Die Vorspannelemente übernehmen also alle Zugkräfte, soweit diese technisch vorhersehbar bzw. planbar sind, gegebenenfalls mit einer gewissen Sicherheit. So wirken immer Druckkräfte zwischen den Anlageflächen der Segmente. Zugkräfte zwischen den Segmenten und ein daraus resultierendes, teilweises Anheben der Segmente werden durch entsprechende Sicherheiten in der Berechnung vermieden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass keine weiteren Verbindungsmittel zwischen den einzelnen Segmenten benötigt werden, welche ein Abheben von Segmenten verhindern.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Einrichtungen zum Nachspannen der Vorspannelemente vorgesehen. Da das Holz unter dauerhafter Druckbelastung kriecht und die Vorspannelemente, wenn diese zum Beispiel aus Stahl gefertigt sind, sich unter Zugbelastung in Folge der Relaxation verlängern, ist es sinnvoll, diesen Effekten entgegenzuwirken, insbesondere bei Ausführungsformen, in denen vollständig auf sonstige Bindemittel zwischen den Segmenten verzichtet wird.
  • Erfindungsgemäß wird ein Turm aus einem Fundament, einem Aufsatzelement für einen Turmkopf und einem erfindungsgemäßen Holzturm gebildet. Dabei werden, gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Segmente und das Fundament und/oder Segmente und das Aufsatzelement für den Turmkopf und/oder das Fundament und das Aufsatzelement mit den Segmenten zwischen diesen, über Vorspannelemente miteinander verbunden. So können auch Zugkräfte, die zwischen Turm und Fundament, zwischen Turm und Aufsatzelement bzw. zwischen Fundament und Turm entstehen, übertragen werden. Auch hier kann gegebenenfalls ganz oder wenigstens teilweise auf die Verwendung von zusätzlichen Verbindungsmitteln verzichtet werden.
  • Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
  • 1 eine schematisierte Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Holzturmes,
  • 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1,
  • 3 ein Detail aus 2,
  • 4 eine schematisierte Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turmes und
  • 5 ein Ausführungsbeispiel einer Verbindung des Holzturmes mit dem Fundament.
  • Die 1 und 2 zeigen eine schematisierte Darstellung einer ersten polygonalen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Holzturmes 1.
  • Der Holzturm 1 weist wenigstens zwei in Richtung einer Langsachse 10 des Holzturmes 1 übereinander liegende Segmente 2 auf, welche in dieser Ausführungsform polygonal geformt sind. Diese Segmente 2 setzen sich aus Seitenwänden 3 zusammen, welche die Seiten des Polygons bilden. Der Holzturm ist üblicherweise auf einem Fundament 4 angeordnet und enthält ein Aufsatzelement 5. Das Aufsatzelement 5 kann dabei entsprechend der gewünschten Funktion des Holzturmes 1 gewählt werden, beispielsweise als Aufsatz für das Azimutgetriebe einer Windkraftanlage oder auch für eine Aussichtsplattform.
  • Erste Vorspannelemente 6 verlaufen im Inneren der Wände 3 der Segmente 2. Zweite Vorspannelemente 7 verlaufen außerhalb der Wände 3 innerhalb des Holzturmes 1. Die zweiten Vorspannelemente 7 sind dabei, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, länger und verlaufen über mehr Segmente 2 als die ersten Vorspannelemente 6.
  • Die 2 zeigt einen Schnitt durch den Holzturm 1 von 1. Man erkennt, dass im Ausführungsbeispiel für die Segmente 2 eine achteckige Form gewählt wurde. Erfindungsgemäß kann aber auch jede andere Anzahl an Seiten bzw. Ecken ebenso wie eine runde Form gewählt werden.
  • Die 2 zeigt außerdem, dass bei dieser Ausführungsform pro Wand 3 je ein erstes Vorspannelement 6 vorgesehen ist, das in einer Bohrung 8 verläuft. Ausführungsformen, bei denen mehrere Bohrungen 8 mit ersten Vorspannelementen 6 vorgesehen sind, sind ebenso denkbar. Weiterhin erkennt man in 2, dass die zweiten Vorspannelemente 7 in dieser Ausführungsform in den Ecken angeordnet sind, an denen die Wände 3 miteinander verbunden sind. Varianten, bei denen ein oder mehr zweite Vorspannelemente 7 entlang der Wände 3, zum Beispiel auch in deren Mittelbereich, verteilt sind, sind ebenso im Sinne der Erfindung.
  • Die 3 zeigt ein Detail der 2. Hier erkennt man zusätzlich Rohre 9, welche als Schutz und Führung für die zweiten Vorspannelemente 7 dienen.
  • 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungemäßen Turmes. Bei diesem sind die Vorspannelemente 6, 7 an der Unterseite des Holzturmes 1 direkt mit dem Fundament 4 verbunden und verspannt. Innerhalb der Segmente 2 und des Holzturmes 1 verlaufen die Vorspannelemente 6, 7 analog zur Ausführungsform von 1. Die ersten Vorspannelemente 6 verlaufen dabei wie bei der ersten Ausführungsform über weniger Segmente 2 als die zweiten Vorspannelemente 7. Die zweiten Vorspannelemente 7 verlaufen bei der Ausführungsform gemäß 4 über alle Segmente 2 und verspannen neben den Segmenten 2 und dem Fundament 4 auch noch das Aufsatzelement 5 mit diesen.
  • Werden die Vorspannelemente 6, 7 dabei so ausgeführt, dass sie Vorspannkräfte aufnehmen können, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wenigstens so groß sind, wie die größten, durch äußere Belastung auf den Holzturm in den Verbindungen der Segmente 2 entstehenden Zugkräfte, kann ganz oder wenigstens teilweise auf zusätzliche Zugkräfte aufnehmende Verbindungen zwischen Holzturm 1 und Fundament 4 bzw. Holzturm 1 und Aufsatzelement 5 verzichtet werden.
  • Für die Verbindung zum Fundament 4 werden zum Beispiel ins Fundament selbst Rohre einbetoniert, durch welche die Enden der Vorspannelemente 6, 7 geführt werden. Die Vorspannelemente 6, 7 sind zu diesem Zweck mit Gewinden ausgeführt, auf welche an der Unterseite der Rohre Mutter geschraubt werden. Die Mutter können auch als Einrichtungen zum Nachspannen der Vorspannelemente 6, 7 dienen.
  • Bei der Verbindung zwischen Aufsatzelement 5 und Holzturm 1 über das zweite Vorspannelement 7 ist, insbesondere wenn auf sonstige Verbindungen zwischen Holzturm 1 und Aufsatzelement 5 verzichtet werden soll und das Aufsatzelement 5 aus Metall gefertigt ist, zu beachten, dass zwischen beiden hinreichend Reibung entsteht, um auch Torsionskräfte aufnehmen zu können. Zu diesem Zweck kann eine Auflagefläche des Aufsatzelementes 5 auf dem Holzturm 1 beziehungsweise seinem obersten Segment 2 aufgeraut sein, beispielsweise mit einer Rillenfräsung. Eine formschlüssige Verbindung würde dieses Problem auch lösen.
  • Wenn zusätzlich zu den Vorspannelementen 6, 7 eine weitere Verbindung zwischen dem Fundament 4 und dem Holzturm 1 vorgesehen sein soll, beispielsweise um möglichen Kippmomenten entgegen zu wirken, kann diese wie in 5 gezeigt ausgeführt sein.
  • Bei dieser Ausführungsform sind Platten 11 an der Innen- und Außenseite am unteren Rand der Wände 3 befestigt. Dies kann beispielsweise durch Schrauben, Kleben oder eine Kombination von beidem oder auch anderen Verbindungsarten erfolgen. Sowohl die Platten 11 als auch das Fundament 4 weisen vertikale Löcher 12, 13 auf, die gegebenenfalls, beispielsweise mit Rohren, stabilisiert sein können. Durch die Löcher 12, 13 sind Schrauben 14 geführt. Zwischen Mutter 17 und den Platten 11 sind Unterlegscheiben 15 vorgesehen. Am unteren Ende der Löcher 13 im Fundament 4 befinden sich für den einfachen Zugang zu den Mutter 17 Ausnehmungen 16. Der Verlauf der Vorspannelemente 6, 7 im Fundament 4 ist strichliniert angedeutet.
  • Zwischen der Wand 3 des Holzturms 1 mit den Platten 11 und dem Fundament 4 ist eine Zwischenschicht 18 angeordnet. Diese kann zum Einen mögliche Unebenheiten der Betonoberfläche des Fundaments 4 ausgleichen, zum Anderen kann sie die Reibung zwischen Holzturm 1 und Fundament 4 erhöhen und so den Widerstand des Turms 1 gegen mögliche Torsionskräfte erhöhen. Die Zwischenschicht 18 kann beispielsweise aus Gummi bestehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007006652 A1 [0002]
    • DE 102009017586 A1 [0004]

Claims (13)

  1. Holzturm, insbesondere für eine Windkraftanlage, mit einer Längsachse und mit Segmenten, welche in Richtung der Längsachse übereinander gesetzt sind und jeweils wenigstens eine Wand aufweisen, gekennzeichnet durch im Wesentlichen in Richtung der Längsachse verlaufende Vorspannelemente, welche in Bohrungen in Wänden und/oder parallel zu Wänden angeordnet sind und Segmente in unterschiedlichen Höhen in Richtung der Längsachse verbinden.
  2. Holzturm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannelemente einander überlappen.
  3. Holzturm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Turm wenigstens drei Segmente aufweist.
  4. Holzturm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente im Wesentlichen polygonal geformt sind, wobei jede Seite des Polygons durch wenigstens eine Wand gebildet wird.
  5. Holzturm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Wänden verlaufende Vorspannelemente im Inneren des Holzturmes verlaufen.
  6. Holzturm nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannelemente Stangen und/oder Seile, insbesondere Drahtseile, sind.
  7. Holzturm nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannelemente unterschiedlich lang sind.
  8. Holzturm nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Bohrungen in Wänden verlaufende Vorspannelemente kürzer als parallel zu den Wänden verlaufende Vorspannelemente sind.
  9. Holzturm nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Bohrungen in Wänden verlaufende Vorspannelemente über weniger Segmente verlaufen als parallel zu den Wänden verlaufende Vorspannelemente.
  10. Holzturm nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorspannkraft der Vorspannelemente mindestens so groß ist wie durch äußere Belastung auf den Holzturm in Verbindungen von Segmenten entstehende Zugkräfte.
  11. Holzturm nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Nachspannen der Vorspannelemente.
  12. Turm, insbesondere für eine Windkraftanlage, mit einem Aufsatzelement für einen Turmkopf, mit einem Fundament und mit einem dazwischen liegenden Holzturm, dadurch gekennzeichnet, dass der Holzturm nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgeführt ist.
  13. Turm nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Segmente und das Fundament und/oder Segmente und das Aufsatzelement für den Turmkopf und/oder das Fundament und das Aufsatzelement mit den Segmenten zwischen diesen über Vorspannelemente miteinander verbunden sind.
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