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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Errichten von Rohrturmbauwerken.
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Rohrturmbauwerke sind bekannt, insbesondere als Träger von Windenergieanlagen. Hierbei ist es insbesondere bekannt, aus Stahlblech Rohrabschnitte zu fertigen und die Rohrabschnitte übereinander mit umlaufenden Schweißnähten zu einem Rohrturm zusammenzusetzen, welcher an seinem oberen Ende eine Windenergiegondel aufnimmt. Um die einzelnen Segmente miteinander zu verbinden ist es bekannt, diese entweder zu verschweißen oder mit aufeinanderliegenden, umlaufenden Flanschen so zu versehen, dass die aufeinander liegenden Flansche miteinander verschraubt werden können.
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Darüber hinaus ist es bekannt, derartige Turmbauwerke aus Teilschalen auszubilden, wobei die Teilschalen an ihren Längskanten Flansche besitzen, mit denen diese Teilschalen aneinander geschraubt werden.
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Aus der
WO 2011/092235 A2 ist ein Windenergieanlagenturmsegment bekannt, welches auch als Mantelsegment ausgebildet ist und aus einem Stahlbetonkörper besteht, mit zwei Stößen zum Ansetzen an Stöße wenigstens eines weiteren Turmsegments und in den Stahlbetonkörper im Bereich jeden Stoßes wenigstens ein Verbindungskörper eingelassen und darin verankert ist zum Verbinden mit einem Verbindungskörper eines benachbarten Turmsegments und der Verbindungskörper eine im Wesentlichen parallel zum jeweiligen Stoß angeordnete Befestigungswandung aufweist zum Aufnehmen einer quer zum Stoß und quer zur Befestigungswandung gerichteten Zugbelastung. Bei einer solchen Vorrichtung ist von Nachteil, dass es relativ aufwendig ist, derartige Betonschalen zu gießen und zudem pass- und maßgenau herzustellen. Ferner ist der Rückbau derartiger Stahlbetontürme recht aufwendig und teuer.
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Aus der
DE 10 2010 039 796 A1 ist ein Turm mit einem Adapterstück sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Turm mit dem Adapterstück bekannt, wobei hier ebenfalls ein unterer rohrförmiger Turmabschnitt aus Beton und ein oberer rohrförmiger Turmabschnitt aus Stahl ausgebildet ist. Derartige Hybridtürme werden derzeit für die Errichtung besonders hoher Windenergieanlagentürme bevorzugt, da mit dem Betonunterbau große Durchmesser möglich sind und auf die Unterbautürme in dieser Weise herkömmliche Windenergieanlagentürme oben aufgesetzt werden können, um größere Höhen und damit eine bessere Windausbeute zu erreichen. Hierbei ist jedoch nachteilig, dass der Rückbau eines Betonturms relativ aufwendig ist und der Montageaufwand für Betontürme relativ hoch ist, insbesondere durch die Betonanlieferung.
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Aus der
WO 2010/121630 A2 ist ein Turm für eine Windkraftanlage mit einer Mehrzahl von Eckstielen zur Bildung einer Maßkonstruktion bekannt, wobei die Eckstiele jeweils aus mehreren miteinander verbundenen Teilprofilen zusammengesetzt sind. Hierbei sind die Eckstiele jeweils aus mehreren miteinander verbundenen Teilprofilen so zusammengesetzt, dass Anschlussbereiche gebildet sind an benachbarten Teilprofilen, welche jedoch aus den Teilprofilen ausgebogen sind. Bei dieser Ausführungsform ist von Nachteil, dass hiermit präzises und schnelles Arbeiten erschwert wird.
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Aus der
DE 10 2009 058 124 B4 ist ebenfalls ein Betonunterbau für den Turm einer Windenergieanlage bekannt.
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Aus der
DE 10 2011 603 A1 ist ein Lastaufnahmemittel zum Anheben von schweren Komponenten oder Anlagenteilen, insbesondere Offshore-Anlagen bekannt.
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Aus der
DE 203 21 897 U1 ist eine Windturbine mit einem stationären vertikalen Mast oder Turm bekannt, an welchem der bewegliche Teil der Windturbine angeordnet ist, wobei der Mast zumindest teilweise aus vorgefertigten Wandteilen besteht, wobei mehrere benachbarte Wandteile einen im Wesentlichen ringförmigen Mastabschnitt ausbilden. Hierbei sind die Wandteile oder Segmente aus verstärktem Beton oder einem anderen steinartigen Material aufgebaut und bereits vorgefertigt. Die Befestigung der Betonelemente aneinander erfolgt mit Zuganfang.
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Aus der
DE 10 2011 001 250 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren für den Übergang zwischen einem Stahlturmabschnitt und einem vorgespannten Betonturmabschnitt bekannt.
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Aus der
DE 10 2011 077 428 A1 ist ein Windenergieanlagenturm bekannt mit einer Mehrzahl von vorgefertigten Turmsegmenten, welche jeweils einen oberen und unteren horizontalen Flansch aufweisen, wobei eines der Mehrzahl der Turmsegmente mindestens zwei Längsflansche aufweist, wobei jeder Längsflansch eine erste Seite zum Anlegen an eine erste Seite eines weiteren Längsflansches und eine zweite Seite aufweist, welche an die Mantelfläche seitlich angeschweißt ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt.
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Aus der
DE 11 2010 005 382 T5 ist ein Wandabschnitt für einen Windkraftanlagenturm bekannt, wobei der Wandabschnitt ein erstes Wandsegment und ein zweites Wandsegment umfasst, sowie ein Verbindungselement, welches einen ersten Oberflächenabschnitt, der an dem ersten Wandsegment angebracht ist und sich in eine erste Richtung erstreckt, einen zweiten Oberflächenabschnitt, der an dem zweiten Wandsegment angebracht ist und sich in eine zweite Richtung erstreckt, und ein Zwischenabschnitt mit einem sich quer zu der ersten Richtung und quer zu der zweiten Richtung erstreckenden Zwischenoberflächenabschnitt umfasst, wobei das Verbindungselements hierdurch T-förmig ausgebildet ist und auf eine entsprechende Wandung bzw. zwei aneinander stoßende Wandung aufgesetzt wird und mit Schraubbolzen, die durch die Wandung hindurch ragen, darauf befestigt wird.
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Aus der
DE 10 2013 002 469 A1 ist ein Stahlrohrturm einer Windenergieanlage bekannt, wobei diese Windenergieanlage einen Unterbauturm besitzen kann, wobei dieser Unterbauturm über tiefgezogene, in mehreren Ebenen verformte Flansche verfügt, die sowohl axial als auch radial Nut-und-Federverbindungen gewährleisten sollen. Zudem sind im Bereich des Unterbauturms zusätzliche Bleche eingeschweißt, die eine Doppelhüllenkonstruktion ergeben.
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Aus der
KR 10-1242505 ist ein Windenergieturm bekannt, bei dem Längsflansche miteinander verschraubt werden, wobei zwischen den Längsflanschen Abstandhaltebleche eingesetzt werden können.
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Aus der
DE 603 17 372 T2 sind groß bemessene Türme für Windkraftanlagen und Verfahren zum Erbauen derselben bekannt, wobei hierbei Längsflansche auf die Außenwandungen des Turms von innen aufgeschweißt und miteinander verbunden werden.
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Aus der
US 2012/0137620 A1 ist eine Anordnung eines Windenergieturms an einem Fundament bekannt, wobei ein T-förmiger Sockel des Turms von kreisringförmigen Haltesegmenten am Boden gehalten wird.
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Aus der
EP 2 282 051 A2 ist die Anordnung einer Windenergiegondel an einem Betonturm bekannt.
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Aus der
EP 2 388 479 A1 ist die Verbindung eines Unterbauturmadapters mit einem Turm einer Windenergieanlage bekannt.
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Aus der
EP 2 188 467 B1 ist ein Turm, insbesondere zum Stützen von Telekommunikationsgeräten, bekannt, wobei dieser Turm aus einer Mehrzahl von ebenen Blechen besteht, die nach außen weisende Flansche besitzen, welche mit Verstärkungsblechen ausgebildet sind.
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Bei bekannten Unterbautürmen aus Beton ist von Nachteil, dass die Errichtung teuer und aufwendig ist und der Rückbau nach der Nutzungszeit aufwendig und teuer ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zu schaffen, mit dem derartige Turmbauwerke kostengünstig, schnell und mit hoher Präzision und Passgenauigkeit errichtet werden können, welche besonders stabil sind und eine geringe Eigenfrequenz haben.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Es ist eine weitere Aufgabe einen Unterbauturm für Windenergieanlagen zu schaffen, der schneller errichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Rohrturmbauwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 25 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ein erfindungsgemäßes Turmbauwerk dient insbesondere als Unterbauturm, um einen herkömmlichen Turm zur Aufnahme von Windenergieanlagen aufzusetzen und hierdurch eine größere Höhe und damit bessere Winderreichbarkeit zu erzielen.
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Für größere Höhen von derartigen Turmbauwerken ist es notwendig den Turmquerschnitt zu vergrößern, da nur dann die erforderliche Stand- und Knicksicherheit erzielt werden kann. Üblicherweise werden derartige Türme aus im Querschnitt kreisringförmigen Turmsegmenten erstellt, übereinander gesetzt und miteinander verbunden. Aufgrund der üblichen Brückenhöhe in Deutschland lassen sich sehr große Turmquerschnitte aus einteiligen Rohrabschnitten oder Rohrsegmenten nicht mehr realisieren.
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Hierdurch ist es notwendig, um die Durchfahrthöhe einzuhalten, derartige, sehr breite Türme mit mehr als 4,5 m Durchmesser am Fuß aus Teilschalen, d.h. Ringsegmenten zu einem vollständigen Ring zusammenzusetzen und – so notwendig – mehrere dieser Ringe übereinanderzusetzen.
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Grundsätzlich ist es bekannt, derartige sogenannte längsorientierte Schalen zu erstellen und diese Schalen am Einbauort zu einem Rohr zusammenzusetzen. Es hat sich hierbei jedoch herausgestellt, dass die Präzision so schlecht und die Toleranzen derart groß sind, dass die Montage sehr oft verzögert wird und unnötig erschwert wird. Zudem sind bekannte Schalenkonstruktionen nicht so stabil, dass sie für Rohrturmbauwerke großer Höhe geeignet wären.
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Zudem ist es bekannt, längs orientierte Schalen zu erstellen, bei denen mehrfach umgeformte und insbesondere tiefgezogene Flansche, welche zum Turminneren gerichtet sind und im Wesentlichen axial verlaufen, vorhanden sind. Diese Flansche sollen sowohl in radialer Richtung einen Formschluss zwischen den längsorientierten Schalen nach Art eines Nut-und-Feder-Prinzips ergeben, einen solchen aber auch in axialer Richtung gewährleisten. Hierzu müssen die Bleche in mehreren Achsen verformt werden, was nur durch ein Tiefziehen ermöglicht wird. Hierbei konnte als nachteilig festgestellt werden, dass die erforderliche Präzision, um diese Türme überhaupt noch zusammensetzen zu können, nur dann erzielt wird, wenn relativ dünne Bleche verwendet werden. Um hier eine Stabilisierung herbeizuführen, werden diese längs orientierten Schalen als Doppelwandschalen ausgebildet, was jedoch einen erheblich höheren Konstruktionsaufwand zur Folge hat und zudem nach Nacharbeiten erfordert.
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Erfindungsgemäß wird das Rohrturmbauwerk aus Rohrsegmenten gefertigt, welche aus längsorientierten Schalen hergestellt sind, so dass das Rohrturmbauwerk in Teillängen, die noch transportierbar sind oder, bei einer noch transportierbaren Länge, in seiner vollen Länge errichtet wird. Hierzu werden aus Stahlblech entsprechende Bahnen beziehungsweise Platinen gefertigt, welche dann in kleinen Abkantschritten zu den gewölbten Schalen verformt werden, so dass sie mit weiteren Schalen zusammengesetzt ein Rohrsegment bilden.
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Diese längs orientierten Schalen sind somit aus einer Vielzahl von einzelnen zueinander abgekanteten Flächen ausgebildet. Beispielsweise besteht eine gewölbte Schale aus 5 bis 30, insbesondere 10 bis 20, zueinander abgekanteten Flächen, wobei die abgekanteten Flächen entsprechend der Schalenbreite und damit dem Teilumfang, den jede Schale bezüglich eines Rohrturmbauwerks darstellt, zwischen 1° und 8° und insbesondere zwischen 3° und 6° zueinander gewinkelt abgekantet sind.
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Die verwendeten Materialstärken für die Schalen liegen zwischen 26 mm und 100 mm, insbesondere zwischen 30 mm und 50 mm.
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Die Längs- bzw. Hochkanten der Schalen werden bezogen auf die Breite der Schale (bzw. den damit bewirkten Teilumfang eines Rohrsegments) mit einem Übermaß ausgebildet. Dieses Übermaß wird radial nach innen oder radial nach außen einfach, d. h. nicht mehrfach oder in sich verformt, abgekantet und bildet einen ebenen, geradlinigen Verbindungsflansch zur Verbindung mit benachbarten Schalen zur Erzeugung eines Rohrs oder Rohrsegments.
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Der Kantwinkel des jeweiligen radial nach innen oder radial nach außen weisenden Flansches von dem jeweils direkt benachbarten abgekanteten ebenen Bereich der Schalenaußenwandung richtet sich selbstverständlich nach der Anzahl der Schalen, aus denen der gesamte kreisförmige Turmquerschnitt erstellt wird.
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Radial bedeutet hierbei senkrecht auf dem Umfang des aus den Schalen zusammengesetzten Rohrkörpers.
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Weitere Rohrsegmente können hierauf aufgesetzt und an horizontalen Kanten verschweißt werden, bis ein Rohrabschnitt oder ein vollständiges Rohrturmbauwerk ausgebildet ist. Alternativ kann eine Verbindung über horizontale Ringflansche erfolgen.
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In die abgekanteten Flansche werden die erforderlichen Löcher zum Durchstecken von Schraubbolzen und Verschrauben der Flansche benachbarter Schalen eingebracht, beispielsweise durch Bohren oder Brennen, insbesondere mit Laser.
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Es hat sich herausgestellt, dass bei derart dicken Stahlplatten von 26 mm bis 100 mm, wie sie für Unterbautürme verwendet werden, eine Abkantung sehr präzise Verbindungen zulässt und sowohl durch das Abkanten an sich, aber auch durch das anschließende Erzeugen der Löcher die Verbindungen sehr wirtschaftlich erzeugt werden können. Insbesondere ergibt das Abkanten in kleinen Abkantwinkeln der Außenwand der Schalen sehr präzise Wölbungen mit einer hohen Eigensteifigkeit.
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Zudem hat sich herausgestellt, dass eine Abkantung gerade bei Platten dieser Stärke (26 mm bis 100 mm) besonders spannungsarm und stabil ist, wobei durch die Kombination aus Plattenstärke und Abkantung die Schraubverbindungen nicht sehr eng toleriert sein müssen und keiner hochfesten Schrauben bedürfen.
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An das Rohrsegment werden auf die jeweiligen Stirnkanten der Schalen Ringflanschsegmente stirnseitig angeschweißt, die als Adapter zu einem Fundament, weiteren Rohrsegmenten oder einem (konstruktiv bestehenden) Turmbauwerk und insbesondere Windenergieanlagenturm dienen.
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Durch das Aufschweißen der Ringflanschsegmente und die abgekanteten Flansche ergibt sich praktischerweise ein gewisser Abstand zwischen den horizontalen Ringflanschen und den vertikalen abgekanteten Flanschen, da die Ringflanschsegmente auf die Stirnkanten der abgekanteten Schalen aufgeschweißt werden müssen. Diese sich ergebenden und bei vollständig zusammengesetzten Türmen nach außen weisenden Öffnungen werden mit speziellen, hierfür angeformten Kunststoffelementen verschlossen.
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Die Schalen werden anschließend zur Baustelle transportiert und dort entsprechend zu einem Rohrturmbauwerk zusammengestellt und durch die Flansche hindurch miteinander verbunden.
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Beispielsweise wird ein Unterturm aus einer Mehrzahl von 7 m langen Rohrsegmenten ausgebildet, wobei diese Rohrsegmente jeweils aus einer Mehrzahl von 7 m langen entsprechenden Schalen bestehen.
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Da übliche Windenergieturmbauwerke einen Fußdurchmesser von 4,3 m, die Unterbautürme aus Stabilitätsgründen jedoch Durchmesser bis 7 m und darüber hinaus haben, muss über die Höhe des Unterbauturmes eine Anpassung des Fußdurchmessers von 7 m auf einen Kopfdurchmesser von 4,3 m erreicht werden.
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Dies kann einerseits dadurch erreicht werden, dass die einzelnen Rohrsegmente konisch verlaufen, d. h. eine Kegelstumpfform haben, so dass eine einheitliche Verjüngung des Unterbauturmes von beispielsweise 7 m auf beispielsweise 4,3 m erfolgt.
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Erfindungsgemäß hat es sich jedoch herausgestellt, dass ein besonders stabiler Unterbauturm auch dann erreicht wird, wenn der Unterbauturm aus zylindrischen Rohrsegmenten mit einer Höhe von beispielsweise 7 m errichtet wird und kopfseitig dann ein letztes Adapterelement bzw. ein Adapterrohrsegment aufgesetzt wird, der sich von 7 m Fußdurchmesser auf 4,3 m Kopfdurchmesser verjüngt und insofern einen Kegelstumpf auf dem ansonsten zylindrischen Unterbaurohrturmbauwerk ergibt.
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Erfindungsgemäß wird zwischen den Rohrsegmenten bzw. den horizontalen, L-förmigen Flanschen der Rohrsegmente ein Torsionsausgleichsring angeordnet. Der erfindungsgemäße Torsionsausgleichsring sorgt dafür, dass bei Torsionsbelastungen des Turmes der Kraftfluss von einem L-Flansch in den anderen durch die jeweiligen Schrauben optimal verläuft, indem alle L-Flansche der jeweiligen Schalen aktiviert werden und so eine Vergleichmäßigung stattfindet. Dies sorgt für die hervorragende Stabilität und geringe Eigenfrequenz des Turmes.
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Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass die Flansche und die Abkantung der Flansche mit der Rohrturmbauwerkswandung außerordentlich präzise und nachvollziehbar genau ist. Ferner ist von Vorteil, dass die Abkantung, Verschraubung, horizontale Schweißungen und das anschließende Trennen des Rohrturmbauwerks in die Schalenelemente unter nachvollziehbaren Bedingungen am Herstellort erfolgen kann, wobei eine entsprechende Nachprüfung am Herstellort erfolgen kann.
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Es hat sich herausgestellt, dass das Schwingungsverhalten bzw. Eigenschwingungsverhalten erfindungsgemäßer Rohrturmbauwerke mit 0,215 Hz und darunter alle Erwartungen übertrifft und besonders gut gedämpft ist.
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Zudem hat sich herausgestellt, dass sich bei der erfindungsgemäßen Methode, wonach die Flansche nach innen oder nach außen von den Schalen abgekantet werden, eine höhere Stabilität ergibt als bei Längsflanschen, die an die Längsstoßfläche angeschweißt werden.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
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1: eine isometrische, schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rohrturmbauwerks;
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2: eine Seitenansicht des Rohrturmbauwerks nach 1;
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3: ein Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Rohrturmbauwerk mit gedreht angeordnetem Adapterelement, so dass die Flansche fluchtend dargestellt sind;
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4: einen Schnitt B-B gemäß 3;
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5: einen Schnitt G-G gemäß 3;
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6: einen Schnitt C-C gemäß 3;
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7: einen Schnitt F-F gemäß 6;
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8: einen Schnitt E-E gemäß 9;
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9: einen Schnitt D-D gemäß 6;
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10: eine teilgeschnittene Ansicht im Stoßbereich zweier Rohrsegmente mit dem erfindungsgemäßen Torsionsausgleichsring;
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11: einen Schnitt durch den Stoßbereich zwischen zwei Rohrsegmenten mit dem zwischen den L-Flanschen angeordneten Torsionsausgleichsring;
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12: eine perspektivische Detailansicht der Anordnung von Torsionsausgleichsringsegmenten zwischen den L-Flanschen;
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13: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrturmbauwerk aus einem unteren und einem oberen Rohrsegment mit Schalen und einer Türschale zusammengesetzt;
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14: eine Teilschale aus einem unteren Rohrsegment eines Rohrturmbauwerks nach 13;
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15: eine weitere Teilschale aus einem unteren Rohrsegment des Rohrturmbauwerks nach 13;
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16: eine Teilschale aus einem oberen Rohrsegment des Rohrturmbauwerks nach 13;
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17: eine Teilschale aus einem oberen Rohrsegment des Rohrturmbauwerks nach 13;
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18: eine modular aufgebaute Türschale eines Rohrturmbauwerks nach 13;
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19: die schmale Teilschale aus dem Fußbereich der Türschale;
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20: eine weitere Teilschale aus der Türschale;
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21: ein Adapterstück;
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22: einen Torsionsring;
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23: eine zusammengesetzte Schale eines unteren Rohrsegments;
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24: eine zusammengesetzte Schale eines oberen Rohrsegments;
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25: die schmale Teilschale der Türschale mit Flanschen;
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26: die Türteilschale;
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27: eine zusammengesetzte Schale.
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Ein erfindungsgemäßes Rohrturmbauwerk 1 ist insbesondere ein Unterbauturm für bestehende Windenergieturmkonstruktionen und besitzt einen Kopfbereich 2, auf den ein weiteres Rohrturmbauwerk und insbesondere ein Windenergieturm aufgesetzt angeordnet werden kann.
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Zudem besitzt das erfindungsgemäße Rohrturmbauwerk 1 einen Fußbereich 3, mit dem das Rohrturmbauwerk an einem Fundament angeordnet werden kann.
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Die möglichen Durchmesser des Rohrturmbauwerkes im Fußbereich betragen 7 m bis 8 m, können jedoch auch deutlich darüber liegen.
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Der Durchmesser des Rohrturmbauwerkes 1 im Kopfbereich 2 wird durch den Durchmesser eines aufzusetzendes Rohrturmbauwerkes, insbesondere Windenergieturms, bestimmt und liegt üblicherweise bei 4,3 m, kann gegebenenfalls aber auch darüber oder darunter liegen.
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Das erfindungsgemäße Rohrturmbauwerk 1 ist hierbei aus zumindest einem Rohrsegment 4 oder aus einer Mehrzahl von axial aufeinanderfolgenden Rohrsegmenten 4 ausgebildet.
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Bei einer Ausführungsform des Rohrturmbauwerks 1 (1 bis 12) sind die Rohrsegmente 4 zylindrisch, rohrförmig ausgebildet und besitzen einen Durchmesser, der dem Durchmesser des Rohrturmbauwerkes 1 entspricht.
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Bei dieser Ausführungsform des Rohrturmbauwerks 1 ist das oberste Rohrsegment 4 kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei es sich von einem Rohrsegmentfußbereich 5 zu einem Rohrsegmentkopfbereich 6 vom Durchmesser des Fußbereichs 3 des Rohrturmbauwerks 1 zum Durchmesser im Kopfbereich 2 des Rohrturmbauwerks 1 verjüngt.
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Dies bedeutet, dass das oberste Rohrsegment 4 als einziges der Rohrsegmente des Rohrturmbauwerks 1 kegelstumpfförmig ausgebildet ist, während die übrigen Rohrsegmente 4 zylindrisch ausgebildet sind.
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Da die einzelnen Rohrsegmente 4 einen Durchmesser besitzen, der größer ist als ein Rohrdurchmesser, der logistisch noch zu verkraften, also transportabel, wäre (Brückenhöhe, Straßenbreite), sind die Rohrsegmente 4 zerlegbar bzw. zusammensetzbar ausgebildet. Hierzu ist jedes Rohrsegment 4 aus einer Mehrzahl von Schalen 7 ausgebildet.
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Eine Schale 7 erstreckt sich über einen Teilumfang des Rohrsegments 4 und über die axiale Länge des Rohrsegments 4, so dass durch die Anordnung mehrerer Schalen 7 in Umfangsrichtung ein Rohrsegment 4 ausgebildet wird.
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Die Schalen 7 sind somit im Querschnitt als Ringsegmente mit einer ringsegmentförmig gewölbten Mantelfläche 8 ausgebildet und besitzen hierdurch axial verlaufende Längskanten 9 und horizontal verlaufende Stirnkanten 10 (2).
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Die Mantelfläche 8 der Schalen 7 ist zur Erzielung einer Kreisringsegmentform nicht in diese Form gebogen, sondern mit einer Mehrzahl von Abkantschritten entsprechend abgekantet. Hierdurch ergibt sich eine Mehrzahl von ebenen Flächen 8a, welche entlang von Abkantungskanten 8b zueinander gewinkelt ausgebildet sind. Hierbei wird je nach Breite der Schale eine Anzahl von 5 bis 30 ebenen Flächen 8a angestrebt.
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Letztlich wird somit die Anzahl der Flächen 8a und damit auch der Kanten 8b durch die Zahl der Schalen 7 einerseits und dem Umfang des Turmes andererseits bestimmt, da durch die Fläche 8a ein Kreisring angenähert werden soll.
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Die Stabilität der Schalen, und damit des Turmes, und die geringe Eigenfrequenz des Turmes wird durch eine Mehrzahl von Flächen 8a und Kanten 8b positiv beeinflusst, so dass der gesamte Turm nicht nur aus einem Polygon mit beispielsweise zehn Ecken besteht, bzw. jede einzelne Schale nicht nur aus einem Polygon mit zwei oder drei Biegekanten besteht.
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Die Breite der einzelnen Flächen 8a ist ebenfalls von der Breite der gesamten Schale 7 abhängig, wobei die einzelnen Flächen 8a jeweils mit einem Winkel zwischen 1° und 8°, insbesondere 3° und 6° zueinander gewinkelt ausgebildet sind. Der jeweilige Abkantwinkel der Flächen 8a zueinander hängt von der Anzahl der Flächen 8a und der Breite der Schale 7 und selbstverständlich der Anzahl der Schalen 7 und dem Turmumfang ab, da die Flächen den Gesamtumfang der Schale 7 unterteilen und damit die einzelnen Abkantwinkel einen entsprechenden Bruchteil des Gesamtwinkels des Umfangs der Schale 7 sind.
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Von den Längskanten 9 erstrecken sich einstückig von der Mantelfläche 8 zum Rohrinneren bzw. Rohräußeren aus der Mantelfläche 8 nach innen oder nach außen abgekantete, radial verlaufende Längsflansche 11. Die Längsflansche 11 besitzen hierbei eine Mehrzahl von in Längsrichtung aufeinanderfolgende Bohrungen 12 oder Durchtrittsöffnungen 12 zum Verbinden der Längsflansche 11 benachbarter Schalen 7 miteinander.
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Die Längsflansche sind mit einer jeweiligen axialen Stirnkante 11a jeweils ein Stück axial von den axialen Stirnkanten 10 der Schale 7 beabstandet, beispielsweise mit einer Stufe 11b.
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Bedingt durch die Materialstärke und die starke Abkantung nach innen, besitzen die Längsflansche 11 zur Mantelfläche 8 der Schale 7 einen Abkantradius 11c.
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Die Schalen 7 sind vorzugsweise aus Stahl ausgebildet und besitzen eine Dicke, die zur Verwendung als Unterbauturm für bestehende Windenergieturmkonstruktionen geeignet ist, von mehr als 26 mm, insbesondere mehr als 40 mm bis 100 mm.
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Um eine Mehrzahl von Rohrsegmenten 4 aufeinander anordnen zu können, bzw. das unterste Rohrsegment 4 an einem Fundament anzuordnen, besitzen die jeweiligen Schalen 7 der Rohrsegmente 4 entlang ihrer Stirnkanten 10 auf Stoß aufgesetzte und insbesondere aufgeschweißte, im Querschnitt L-förmige Horizontalflansche 13. Hierdurch wird je ein in montiertem Zustand unterer Schalenfuß 30 und ein in montiertem Zustand oberer Schalenkopf 31 gebildet.
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Die Horizontalflansche 13 bilden selbst je ein entsprechendes Ringsegment einer Länge, die der Breite einer Schale 7 über ihre Mantelfläche 8 inklusive der Stärke der Längsflansche 11 entspricht. Dies verursacht, dass die Horizontalflansche 13 der jeweiligen Schalen 7 nach dem Zusammensetzen des Rohrsegments 4 einen geschlossenen Ring bilden, wobei die Stoßkanten 14 der Horizontalflansche 13 aneinanderstoßen (4).
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Um ein Rohrsegment 4 auszubilden, wird dementsprechend eine Mehrzahl von Schalen 7, z. B. acht Schalen 7, mit einer gegebenen Breite über ihre Mantelfläche 8 und den entsprechenden Längsflanschen 11 aneinander angeordnet, wobei die Bohrungen 12 von entsprechenden Verbindungsmitteln durchgriffen und die Flansche miteinander verbunden werden.
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Dementsprechend bilden die Horizontalflansche 13 der miteinander verbundenen Schalen einen Flanschring aus den Horizontalflanschen 13.
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Um zwei Rohrsegmente 4 aneinander anzuordnen werden die Rohrsegmente 4 mit ihren Flanschen 13 und Bohrungen 12 in den Flanschen 13 fluchtend übereinandergesetzt.
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Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass das direkte Aufeinandersetzen der Flansche 13 dazu führt, dass Torsionsspannungen innerhalb des Rohrturmbauwerks 1 nicht zuverlässig übertragen werden und der Kraftfluss an vielen Stellen nicht optimal ist oder unterbrochen wird.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Anordnung eines Torsionsringes 15 zwischen den Flanschringen aus den Horizontalflanschen 13 zu einer Aktivierung aller einzelnen Horizontalflansche 13 und zu einem gleichmäßigen Lasteintrag in die entsprechenden Schraubbolzen 16 führt. Dies führt dazu, dass das erfindungsgemäße Rohrturmbauwerk eine besonders niedrige Eigenfrequenz und hohe Stabilität besitzt.
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Der Torsionsring 15 ist ein Ring mit einem Außendurchmesser, der dem Außendurchmesser des Flanschringes aus den Horizontalflanschen 13 in etwa entspricht, und mit einem Innendurchmesser, der ebenfalls dem Innendurchmesser des Flanschringes aus den Horizontalflanschen 13 in etwa entspricht.
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Der Torsionsring 15 besitzt hierbei eine Dicke, die etwa ein Drittel bis zwei Drittel seiner Breite, d. h. des Unterschieds zwischen Innen- und Außendurchmesser entspricht, wobei der Dickenwert jedoch im Wesentlichen von statischen Berechnungen abhängt und auch hiervon abweichen kann.
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Der Torsionsring 15 kann hierbei abhängig vom Durchmesser des Rohrturmbauwerks 1 einstückig ausgebildet sein, bei großen Durchmessern des Rohrturmbauwerks 1 kann er auch mehrteilig ausgebildet sein.
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Um eine besonders gute Lastverteilung zu erzielen werden die Trennlinien 17 des Torsionsrings 15 so angeordnet, dass sie gerade nicht im Bereich der Stoßkanten 14 der Horizontalflansche 13 liegen.
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Zudem kann zum Erzielen einer besonders guten Lastverteilung und einer besonders guten Aktivierung der einzelnen Flansche 13 der Torsionsring im Bereich seiner Trennungen bezüglich der Dicke halbiert sein, so dass eine Stufe 18 entsteht (12), so dass der Torsionsring 15 oder entsprechende Torsionsringsegmente 15 in diesem Bereich z. B. halbverjüngt ausgebildet sind. Um die Stoßkante 14 bzw. die Trennlinie 17 zu überbrücken kann dementsprechend ein entsprechendes Überbrückungselement 19 vorhanden sein, welches die eine zentrale Trennlinie 17 überbrückt und zwei von der Trennlinie 17 beabstandete Trennlinien 20 erzeugt (12). Dementsprechend sind auch im Überbrückungselement die entsprechenden Bohrungen für Schraubbolzen 16 vorhanden.
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Der Torsionsring 15 kann aus einer Mehrzahl von Torsionsringsegmenten ausgebildet sein, wobei die Anzahl der Torsionsringsegmente der Anzahl der Schalen 7 entsprechen kann, aber auch höher oder geringer sein kann. Wesentlich ist, dass die Längskanten 9 der Schalen 7 sowie die Stoßkanten 14 der Horizontalflansche 13 einerseits und die Trennlinien 17 der Torsionsringsegmente andererseits versetzt zueinander, d. h. nicht fluchtend, angeordnet sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Rohrturmbauwerk insgesamt im Wesentlichen konisch ausgebildet (13 bis 27). Bei einem sich vom Fußbereich 3 zum Kopfbereich 2 stetig verjüngenden und somit konischen Rohrturmbauwerk 1 sind dementsprechend auch die einzelnen Rohrsegmente 4 konisch ausgebildet, so dass sich deren Durchmesser von einem Rohrsegmentfußbereich 5 zu einem Rohrsegmentkopfbereich 6 verringert, so dass jedes Rohrsegment 4 einen Kegelstumpf ausbildet. Dementsprechend sind die Schalen 7 dann als Kegelstumpfsegmente ausgebildet.
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Dementsprechend sind die Schalen 7 auch in einem Fußbereich 30 breiter und in einem Kopfbereich 31 schmaler, so dass die Mantelflächen 8 konische Rohrsegmente 4 und einen insgesamt konischen Turm (19) ergeben.
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Hierbei kann das Rohrturmbauwerk bzw. können unterschiedliche Rohrsegmente 4a, 4b des Rohrturmbauwerks aus unterschiedlich ausgebildeten Teilschalen 7a, 7b, 70, 71, 72 ausgebildet sein.
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Hierbei sind bei diesem Rohrturmbauwerk 1 die Schalen 7 der Rohrsegmente 4a, die in einem Fußbereich 3 des Rohrturmbauwerks verbaut werden, unterschiedlich zu den Schalen 7, die im Bereich eines oberen Rohrsegments 4b verbaut werden, ausgebildet.
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Die Rohrsegmente 4a, 4b können dabei je aus sich über die axiale Länge erstreckenden Schalen 7 oder z. B. zwei axial aneinander angrenzenden Teilschalen 7a, 7b ausgebildet sein, wobei die Teilschalen 7a, 7b entlang gemeinsamer aneinander anliegender Stirnkanten 10 miteinander verschweißt sind.
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Die Teilschalen 7a, 7b, die in einem oberen Rohrsegment 4b verbaut werden (15, 16), sind durch die Verjüngung des Turmes insgesamt schmaler, so dass sich die Teilschalen 7a, 7b des unteren Rohrsegments 4a von denen des Rohrsegments 4b auch durch die Anzahl der ebenen, zueinander abgekanteten Flächen 8a bzw. deren Abkantungskanten 8b unterscheiden.
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Im Bereich des unteren Rohrsegments 4a haben die Teilschalen 7a, 7b beispielsweise zehn abgekantete, ebene Flächen 8a, während im Bereich des oberen Rohrsegments 4b beispielsweise nur fünf bis sechs Flächen 8a vorhanden sind.
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Wie bereits ausgeführt, sind die Teilschalen 7a, 7b eines jeweiligen Rohrsegments direkt miteinander verschweißt und nicht über Flansche miteinander verbunden.
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Gleichwohl können auch diese Teilschalen 7a, 7b über Flansche miteinander verbunden sein (nicht gezeigt).
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Zwischen diesen Flanschen können dann auch dementsprechend Torsionsringe 15 (nicht gezeigt) angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß wird ein dementsprechendes Rohrturmbauwerk 1 insbesondere als Unterbauturm für bestehende Windenergieanlagenkonstruktionen modular aufgebaut, wobei im Fußbereich 3 das Bauwerk mit einem Flanschring 60 an einem Fundament angeordnet wird, von dem aus sich die entsprechenden Teilschalen 7a, 7b, entsprechend entlang ihrer Flansche 11 verschraubt, bis zu einem Torsionsring 15 axial erstrecken. Die Teilschalen 7a, 7b ergeben somit eine Schale 7.
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Erfindungsgemäß wird in einem Bereich, in dem eine Tür im Unterbau vorzusehen ist, eine modulare Konstruktion vorgenommen, wobei eine Schale 7 in diesem Bereich modular aus einem ersten schmalen Teilschalenabschnitt 70 ausgebildet wird, auf welchen ein Türabschnitt 71 axial aufgesetzt ist, wobei der Türabschnitt 71 im Wesentlichen dem Querschnitt einer Schale 7 besitzt, jedoch eine Türöffnung 71a vorgesehen ist.
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Axial hieran anschließend ist eine Teilschale 72 angeordnet, wobei sich die Teilschale 72 axial um die Länge einer Teilschale 7a, vermindert um die Höhe des Abschnitts 70 und des Türabschnitts 71 erstreckt, und sich gegebenenfalls eine Teilschale 7b axial anschließt.
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Der schmale Teilschalenabschnitt 70, welcher den Türabschnitt 71 von dem Fußbereich 3 bzw. dem Anschluss an ein Fundament beabstandet, besitzt eine Höhe, die in etwa der Innenhöhe eines in den Turm eingebrachten Bodens und/oder einer Anschüttung von außen beträgt, so dass die Tür bzw. der Türabschnitt 71 bei der Errichtung des Turmes zunächst weggelassen werden kann und ein Betreten des Turminneren zu ebener Erde mit einem erheblich größeren Eingangsquerschnitt ermöglicht wird, so dass große Einbauten (Aufzug, etc.) eingebracht werden können.
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Durch die geschraubte und mit ebenen, geraden Flanschen versehene Konstruktion kann ein Türabschnitt 71 jederzeit herausgenommen oder eingesetzt werden.
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Auf das untere Rohrsegment 4a und das obere Rohrsegment 4b ist gegebenenfalls ein nicht aus Schalen sondern als Schweißkonstruktion ausgebildeter Kegelstumpf 80 (20) aufgesetzt, der über einen fußseitigen Flansch 81 und einen kopfseitigen Flansch 82 verfügt, wobei der fußseitige Flansch 81 gegebenenfalls über einen Torsionsring mit einem kopfseitigen Flansch des zweiten Rohrsegments 4b ausgebildet ist und eine herkömmliche Windenergieturmkonstruktion gegebenenfalls über einen weiteren Torsionsring (nicht gezeigt) mit dem kopfseitigen Flansch 82 verschraubbar ist.
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Eine vollständige Schale 7 eines ersten Rohrsegments (22) besitzt einen in bereits beschriebener Weise an eine untere Teilschale 7a angeschweißten Horizontalflansch 13 und einen an die obere Teilschale 7b stirnseitig angeschweißten Horizontalflansch 13. Die obere Teilschale 7b ist mit einer unteren horizontal verlaufenden Kante fluchtend mit einer oberen horizontal verlaufenden Kante 10 der unteren Teilschale 7a auf Stoß verschweißt. Da die Längsflansche 11 von den Horizontalkanten 10, wie bereits ausgeführt, axial mit einer Stufe 11b etwas zurückgesetzt sind, entstehen in diesen Bereichen und im Bereich der Flansche 13 Freiräume 11d, welche nach Fertigstellung der Konstruktion durch Kunststoffelemente (nicht gezeigt) verschlossen werden.
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In gleicher Weise (gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen) sind die Schalen 7 des oberen Rohrsegments 4b ausgebildet (23).
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Die Zahl der axial aufeinanderfolgenden Rohrsegmente 4 ist dabei von der geplanten Höhe des Unterbauturmes und von der axialen Länge der Rohrsegmente abhängig. Somit ist die Zahl nicht auf zwei Rohrsegmente festgelegt, sondern kann von lediglich einem Rohrsegment bis zu einer Vielzahl von Rohrsegmenten reichen, wobei die Konizität des oder der einzelnen Segmente an die Gesamtkonizität des Unterbauturmes anzupassen ist und somit auch der jeweilige Kopf- und Fußdurchmesser.
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Ebenso ist die Zahl der Teilschalen nicht auf zwei festgelegt, ebensowenig wie das axiale Längenverhältnis der Teilschalen zueinander. Es kann sich um eine einstückige Schale handeln oder eine Schale, die aus einer Vielzahl von axial aufeinanderfolgenden Teilschalen ausgebildet ist.
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Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass ein Rohrturmbauwerk 1 aus Rohrabschnitten 4, welche zylindrisch und/oder konisch sind, vollständig in einer entsprechenden Fabrikationseinrichtung hergestellt wird. Unter vorbestimmten Bedingungen, welche geringste Toleranzen zulassen, werden Flansche, welche sich längs beziehungsweise axial erstrecken, nach außen oder nach innen von der Mantelfläche abgekantet und das Rohrturmbauwerk hierdurch durch zumindest zwei Teilschalen, vorzugsweise mehrere Teilschalen, insbesondere vier bis vierzehn Teilschalen, untergliedert, welche gut, auch auf Straßen, zu transportieren sind.
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An einer Errichtungsstelle des Rohrturmbauwerks werden die Teilschalen (wieder) miteinander verbunden, wobei dies in besonders einfacher Weise geschieht, da die Teilschalen absolut passgenau aufeinander abgestimmt sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Errichtungskonzepten, bei denen ein solches Rohrturmwerk aus einzelnen fertig geschweißten Rohrsegmenten zusammengestellt und verschweißt wird, kann die Montage eines solchen großen Rohrturmbauwerks in einem Bruchteil der Montagezeit geschehen, wobei zusätzlich ein Rohrturmbauwerk mit sehr großem Durchmesser, insbesondere Durchmessern am Fuß > 7 m, realisiert werden kann. Zudem machen die ebenen, geradlinigen Flansche die Montage einfach.
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Insbesondere ist von Vorteil, dass mit einem solchen Rohrturmbauwerk in einfacher, kostengünstiger und schnell zu montierender Weise ein sehr hoher Unterbau für bekannte Rohrtürme, welche Windenergieanlagen tragen, erstellt werden kann, so dass übliche Windenergieanlagen höher in den Wind gebracht werden können und damit die Effektivität gesteigert werden kann.
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Es ist darüber hinaus von Vorteil, dass die Kombination von relativ dicken, durch Abkanten gewölbten Stahlblechen einerseits, abgekanteten Flanschen andererseits und Flanschverbindungen mit einem Torsionsring ein Rohrturmbauwerk 1 mit einer sehr geringen Eigenfrequenz ergibt, welches in hervorragender Weise die durch ein aufgesetztes Rohrturmbauwerk eingetragenen Lasten ableitet. Bei dem erfindungsgemäßen Torsionsring 15 zwischen den Horizontalflanschen 13 ist von Vorteil, dass hierdurch eine ideale Aktivierung aller Horizontalflansche 13 aller Schalen 7 und insbesondere aller Bolzen 16 gelingt.
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Die Verbindung sowohl der Längsflansche als auch der Horizontalflansche kann hierbei mit Schrauben bzw. Schraubbolzen, Nieten, Schrauben mit Presshülsen oder Schließringbolzen erfolgen.
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Vorteilhafterweise kann die Anzahl der Schalen 7 abhängig vom Durchmesser des Rohrturmbauwerks zwischen zwei und vierzehn Schalen oder auch darüber liegen, wobei Fußdurchmesser von 4 m bis 14 m und Kopfdurchmesser von 2,5 m bis 10 m ohne weiteres realisierbar sind.
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Auch die Höhe eines erfindungsgemäßen Rohrturmbauwerks 1 kann von der erforderlichen bzw. gewünschten Nabenhöhe des gesamten Rohrturmbauwerks, d. h. inklusive eines aufgesetzten Windenergieturms, variieren, wobei üblicherweise Höhen des erfindungsgemäßen Rohrturmbauwerks 1 von 7 m bis 30 m üblich sind, aber auch Höhen darüber kein Problem darstellen. Bei einer geringen Höhe, beispielsweise von 7 m, wird ein einzelnes, in diesem Fall konisches oder kegelstumpfförmiges Rohrsegment verwendet.
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Die Kombination aus abgekanteten Mantelflächen, abgekanteten Längsflanschen, der Blechstärke, der Horizontalflansche und des zwischen den Horizontalflanschen angeordneten Torsionsringes ergibt insgesamt die hohe Stabilität des erfindungsgemäßen Rohrturmbauwerks.
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Bei dem erfindungsgemäßen Rohrturmbauwerk ist im Gegensatz zu Betonunterbautürmen zudem von Vorteil, dass es erheblich günstiger als Betontürme ist und in besonders guter Weise rückbaufähig ist, wenn die geplante Nutzungszeit abgelaufen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrturmbauwerk
- 2
- Kopfbereich
- 3
- Fußbereich
- 4
- Rohrsegment
- 4a
- unteres Rohrsegment
- 4b
- oberes Rohrsegment
- 5
- Rohrsegmentfußbereich
- 6
- Rohrsegmentkopfbereich
- 7
- Schale
- 7a
- Teilschale
- 7b
- Teilschale
- 8
- Mantelfläche
- 8a
- ebene Fläche
- 8b
- Abkantungskante
- 9
- Längskante
- 10
- Stirnkante
- 11
- Längsflansch
- 11a
- Stirnkante
- 11b
- Stufe
- 11c
- Abkantradius
- 11d
- Freiräume
- 12
- Bohrung/Durchtrittsöffnung
- 13
- Horizontalflansch
- 14
- Stoßkante
- 15
- Torsionsring
- 16
- Schraubbolzen
- 17
- Trennlinie
- 18
- Stufe
- 19
- Überbrückungselement
- 20
- Trennlinie
- 30
- Schalenfuß/Fußbereich
- 31
- Schalenkopf/Kopfbereich
- 60
- Flanschring
- 70
- Teilschalenabschnitt
- 71
- Türabschnitt
- 71a
- Türöffnung
- 72
- Teilschale
- 80
- Kegelstumpf
- 81
- fußseitiger Flansch
- 82
- kopfseitiger Flansch
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/092235 A2 [0004]
- DE 102010039796 A1 [0005]
- WO 2010/121630 A2 [0006]
- DE 102009058124 B4 [0007]
- DE 102011603 A1 [0008]
- DE 20321897 U1 [0009]
- DE 102011001250 A1 [0010]
- DE 102011077428 A1 [0011]
- DE 112010005382 T5 [0012]
- DE 102013002469 A1 [0013]
- KR 10-1242505 [0014]
- DE 60317372 T2 [0015]
- US 2012/0137620 A1 [0016]
- EP 2282051 A2 [0017]
- EP 2388479 A1 [0018]
- EP 2188467 B1 [0019]
