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Die Erfindung betrifft eine Bausektion aufweisend wenigstens zwei Wandelemente mit je zwei Längskanten und zwei Querkanten, und Verbindungsstücke zur Verbindung der Wandelemente über deren Längskanten, wobei zwei Wandelemente miteinander über ein oder wenigstens ein Formstück verbunden sind sowie ein Bauwerk und die Verwendung der Bausektion und / oder des Bauwerks.
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Der Stand der Technik zu den relevanten Konstruktionsformen ist bspw. in der Druckschrift
DE 10 2011 054 567 A1 dargelegt, deren Inhalt und entsprechend darin aufgeführte Druckschriften hiermit einbezogen werden. In den darin zitierten Literaturquellen sind auch die bisherigen Verbindungstechniken beschrieben.
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Aus der Druckschrift
DE 20 2005 010 139 U1 ist ein Antennenmast bekannt, der mindestens zweiteilig auszubilden ist. Die Verbindungsstelle entlang der Längskante der Hohlprofilsegmente kann formschlüssig mittels ineinandergreifender Profilenden nach dem Nut-Feder-Prinzip erfolgen. Allerdings wird nicht beschrieben, wie Herstellung, Transport und Montage der Segmente tatsächlich erfolgen sollen. Außerdem wird nicht erläutert, wie die Hohlprofilsegmente an den Querkanten miteinander verbunden werden sollen. Der Fokus liegt auf der Geometrie der Hohlprofilsegmente, die entweder aus Kunststoff oder Aluminimum gefertigt werden sollen. Im Gegensatz dazu können mit der vorliegenden Erfindung andere Werkstoffe zum Einsatz kommen, wobei die einzelnen Wandelemente keine Hohlprofile darstellen, sondern Platten- oder Schalensegmente.
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In der Druckschrift
DE 20 2005 011 492 U1 wird ein Mast beschrieben, der an den Längskanten Elemente aufweist, die auf dem Nut-Feder-Prinzip basieren. Auch für diese Art einer Mast- oder Turmkonstruktion werden lediglich Hohlprofilsegmente beansprucht. Im Unterschied dazu können mit der vorliegenden Erfindung auch andere Segmentformen als gekrümmte oder ebene Wandelemente zum Einsatz kommen.
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Aus der Druckschrift
US 2009/0090069 A1 ist eine modulare Turmstruktur bekannt, bei der Module mit einem LKW angeliefert werden und anschließend mit einer Vorrichtung zu einem Turm zusammengesetzt werden. Die Verbindungen entlang der Längskanten der Teilschalen werden mit Hilfe von Schrauben hergestellt, wobei die Nachteile einer Flanschverbindung oder lasttragender Bolzen vermieden werden sollen, welche hier als Stand der Technik vorausgesetzt werden. Die modulare Turmstruktur soll eine Mehrzahl von Sektionen umfassen, wobei die Sektionen aus einer Mehrzahl von Segmenten ausgebildet sind. Die vertikale Verbindung soll eine innere vertikale Reibplatte umfassen, welche über eine Naht zwischen benachbarten Segmenten angeordnet ist und eine äußere vertikale Reibplatte, welche über die gleiche Naht angeordnet ist. Im Gegensatz dazu sollen bei der vorliegenden Erfindung keine Schrauben entlang der Längskanten der Wandelemente eingesetzt werden. Außerdem sind nicht nur gekrümmte Segmente sondern ebene Segmente für das neue Baukastenprinzip geplant.
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In der Druckschrift
US 2006/0213145 A1 werden Turmkonstruktionen ausschließlich für Windturbinen beschrieben, deren Sektionen nicht nur einen zylindrischen Querschnitt, sondern auch einen polygonalen Querschnitt besitzen können. Als Werkstoff für die einzelnen Segmente wird lediglich Stahl favorisiert. Die Längskanten der Segmente weisen Bohrungen auf, um Schrauben/Bolzen/Stifte hindurchzustecken. Im Unterschied dazu sind bei der vorliegenden Erfindung keine Schrauben/Bolzen/Stifte an den Längskanten der Wandelemente erforderlich, sondern Formstücke und Rundstäbe. Des Weiteren besitzt die Turmkonstruktion mehrere radiale Verstrebungen an den Stirnseiten der Sektionen, die bei der vorliegenden Erfindung nicht benötigt werden. Außerdem erfolgt die Verbindung der Sektionen miteinander nicht über Flansche und Eckverbinder, wie sie in der vorliegenden Erfindung beschrieben sind.
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Aus der Druckschrift
US 2006/0000185 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden zweier Flansche, insbesondere Flansche von Segmenten eines Pylons bekannt. Hierbei werden sowohl herkömmliche, einfach gehaltene Flanschverbindungen angegeben, wie auch Ineinandergriffe, wobei hierbei Segmente hakenartig ineinander eingreifen sollen, so dass die Segmente nicht unbeabsichtigt voneinander wegrutschen. Hierbei müssen jedoch Segmentstöße mit Flanschverbindungen an welcher Stelle auch immer noch vorhanden sein. Im Gegensatz dazu werden bei der vorliegenden Erfindung keine Flanschverbindungen entlang der Längskanten der Wandelemente eingesetzt. Die Geometrie und Funktionsweise des Eckverbinders ist ebenfalls nicht in
US 2006/0000185 A1 aufgeführt.
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Aus der
DE 10 2009 048 984 A1 ist bekannt, dass mehrere Rohre für eine Sektion zusammengesetzt werden, um ein Turmbauwerk zu errichten. Allerdings wird nicht beschrieben, mit welchen Verbindungselementen die Längs- und Querkanten ausgeführt werden sollen. Außerdem sind keine Polygonquerschnitte mit ebenen Wandelementen darüber abgedeckt.
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In der
DE 11 2010 005 382 T5 wird eine Turmkonstruktion ausschließlich für Windenergieanlagen beansprucht, die mit ihren ebenen Wandsegmenten einen Polygonquerschnitt je Sektion bildet. Es wird ein Verbindungselement beschrieben, welches zwischen zwei benachbarten Wandsegmenten eingesetzt wird. Dieses Verbindungselement soll zusammen mit den beiden Wandsegmenten einen Winkel von 10° bis 70° einschließen können. Im Unterschied dazu erlaubt das abgewinkelte Formstück der vorliegenden Erfindung auch kleinere und größere eingeschlossene Winkel zwischen den Wandelementen. Außerdem ist in der
DE 11 2010 005 382 T5 immer vorgesehen, dass die Verbindungselemente mit Hilfe von Schrauben/Bolzen/Stifte entlang den Längskanten der Wandsegmente angeschlossen werden. Im Gegensatz dazu sind bei der vorliegenden Erfindung keine Schrauben/Bolzen/Stifte an den Längskanten der Wandelemente erforderlich.
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Aus der
US 7,160,085 B2 ist ein Turm bekannt, der aus Segmenten derart zusammengesetzt wird, dass er ein Polygonquerschnitt bildet. In einer weiteren Ausführungsform kann der Turm auch aus runden Segmenten bestehen. Die Verbindungstechnik besteht aus horizontal verlaufenden Flanschen. Die Längskanten der Segmente sind gestuft oder wellenförmig ausgebildet, was nicht der vorliegenden Erfindung entspricht. Die Stoßfugen der Segmente sind nicht mit den Formstücken, Rundstäben und Eckverbindern der vorliegenden Erfindung vergleichbar.
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Aus der
DE 203 21 855 U1 ist ein Turm für eine Windenergieanlage bekannt, wobei die Turmsektionen mehrteilig sein können, die mittels Flansche und Schrauben entlang ihrer Längskanten verbunden werden. Im Gegensatz dazu werden mit der vorliegenden Erfindung die Flansche und Schrauben an den Längskanten der Segmente vermieden, weil Formstücke und Rundstäbe stattdessen für den Form- und Kraftschluss eingesetzt werden sollen. Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf Stahltürme mit zylindrischen oder konischen Turmabschnitten mit gekrümmten Segmenten beschränkt, sondern erlaubt auch Polygonquerschnitte mit ebenen Wandelementen aus anderen Werkstoffen.
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Aus der
US 2005/0166521 A1 sind Turmkonstruktionen mit zylindrischen, konischen oder polygonalen Querschnitten bekannt, deren Segmente über Winkelprofile entlang der Längskanten verbunden werden sollen. Allerdings müssen dafür Schrauben/Bolzen/Stifte als Verbindungsmittel eingesetzt werden, die bei der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind. Außerdem weisen die Winkelprofile keine ineinandergreifenden Elemente auf, über deren Formschluss direkt eine Kraftübertragung ohne Schrauben stattfinden könnte. Des Weiteren sind bei der vorliegenden Erfindung keine Querverstrebungen im Inneren des Turms erforderlich, um Verbindungselemente entlang den Längskanten in ihrer Lage zu halten bzw. zu stabilisieren.
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In der
DE 28 26 687 A1 wird eine rohrförmige Konstruktionseinheit mit verriegelten Profilen an den Längskanten beschrieben. Der Einsatzbereich ist vorwiegend bei Masten für Segelboote oder als Lampenmaste zu sehen. Allerdings sind die ersten 12 Patentansprüche ausschließlich auf rohrförmige Konstruktionseinheiten beschränkt, wohingegen die vorliegende Erfindung auch Polygonquerschnitte zulässt, die nicht nur aus gekrümmten Teilschalen sondern auch aus ebenen Wandelementen zusammengesetzt sein können. Außerdem weisen die Längskanten der Teilschalen keine Rundstäbe und Formstücke auf, wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Eckverbinder sowie die Elemente für die Spannvorrichtung sind ebenfalls nicht Gegenstand des Patents
DE 28 26 687 A1 . Des Weiteren werden mit der vorliegenden Erfindung keine Düsen und einzuspritzenden Kunststoffe benötigt, um die Verbindungen an den Längskanten der Segmente herzustellen.
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Aus der
EP 1 717 452 A1 ist eine Verbindungsvorrichtung zum Verbinden von zwei Bauteilen bekannt, die durch ein Ineinanderstecken oder Ineinanderschieben der Befestigungselemente gekennzeichnet ist. Der Einsatzbereich liegt vorwiegend im Haus- und Gebäudebau. Die Verbindungsvorrichtung besteht aus einem Aufnahmeteil und einem Einschubteil, welches über eine in Längsrichtung verlaufende schlitzförmige Öffnung eingeführt wird und dass zwischen dem Aufnahmeteil und dem Einschubteil wenigstens ein Verriegelungselement zur Verriegelung des in das Aufnahmeteil eingeschobenen Einschubteiles an einer vorgegebenen Position vorgesehen ist. Im Gegensatz dazu ist bei der vorliegenden Erfindung kein Verriegelungselement erforderlich. Außerdem sind keine Ansprüche in Bezug auf die Verbindung der Querkanten gestellt, wohingegen die vorliegende Erfindung eine Lösung mit Hilfe von Flanschen und Eckverbindern darlegt. Außerdem werden keine Verfahren für Transport und Montage der Bauteile beschrieben, die erforderlich wären, um letztendlich einen zusammengesetzten Baukasten zu erhalten.
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In der
DE 10 2011 054 567 A1 wird ein Turmbauwerk beschrieben, welches insbesondere als Tragstruktur für Antennen-, Fernmelde- oder Windenergieanlagen eingesetzt werden kann. Derartige Turmbauwerke sollen zylindrisch und/oder konisch röhrenartig ausgebildet sein, wobei die Turmsektionen wiederum mit segmentartigen Elementen errichtet werden. Im Unterschied dazu ermöglicht die vorliegende Erfindung nicht nur den Einsatz von Teilschalen, sondern auch ebene Wandelemente für den Zusammenbau einer Sektion. Aufgrund dessen sind nicht nur röhrenartige, sondern auch polygonale Querschnittsformen für eine Sektion herstellbar. Des Weiteren werden in
DE 10 2011 054 567 A1 keine abgewinkelten Formstücke erfasst, sodass lediglich Formstücke mit einem Abkantwinkel von 0° eine Übereinstimmung darstellen würden. Die vorliegende Erfindung zeigt darüber hinaus auch Lösungen auf, wie die Sektionen miteinander an den Querkanten kraftschlüssig verbunden werden können, wofür Eckverbinder entwickelt wurden. Die Eckverbinder übernehmen im Rahmen der Montage eine weitere Funktion, nämlich die Aufnahme einer Spannvorrichtung, die in der
DE 10 2011 054 567 A1 nicht enthalten ist. Außerdem ist die entwickelte Spannvorrichtung in der Lage, nicht nur ein einzelnes Formstück über ein Seil oder eine Zugstange zwischen die Wandelemente einzuschieben, sondern auch eine Lösung darstellt, mit der mehrere Formstücke gleichzeitig zwischen die Wandelemente eingeschoben werden können.
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Bei der Bemessung von konventionellen Stahlrohrtürmen für Windenergieanlagen führen oftmals die Stabilitäts- und Ermüdungsprobleme infolge der hohen statischen und dynamischen Beanspruchungen zu großen Turmabmessungen. Das steht im Konflikt mit den Herstellungskosten, Transportmöglichkeiten, Fertigungstechniken sowie der Montagetechnik.
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Des Weiteren stellt die Verbindungstechnik für turmartige Bauwerke immer wieder eine neue Herausforderung dar, wenn größere Anlagen geplant werden. Speziell die Verwendung von geschraubten Ringflanschverbindungen zwischen den Turmsektionen erfordert mittlerweile sehr große Flansch- und Schraubenabmessungen. Dies führt zu einem hohen Fertigungs-, Montage- und Wartungsaufwand der Ringflanschverbindungen, die außerdem auf Ermüdung, Imperfektionen und Vorspannkraftverluste zu prüfen sind.
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In den meisten Fertigungsstätten ist das Rundwalzen der Grobbleche mit einer Dicke bis zu 70 mm bislang eine limitierende Größe für die Turmsektionen. Beim Transport zum jeweiligen Einsatzort gibt es bei vielen Straßenbrücken wegen der begrenzten Durchfahrtshöhe von 4,5 m eine weitere Einschränkung hinsichtlich des Turmdurchmessers. Größere Durchmesser bei stählernen Rohrtürmen durch bauseitige Schweißung herzustellen, ist einerseits durch die geforderten Schweißnahtqualitäten und andererseits durch die Baustellenbedingungen problematisch.
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So führte der höhere Produktions- und Transportaufwand für Turmdurchmesser größer als 4,3 m zu alternativen Lösungen, wie z.B. dem Stahlbetonturm, der vor Ort mit einer Kletterschalung hergestellt wird. Seit einigen Jahren werden auch Stahltürme eingesetzt, wobei die untersten Turmsektionen aus Teilschalen bestehen, die einzeln zur Baustelle transportiert werden.
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Im Hinblick auf zunehmende Anlagengrößen für die Energieerzeugung sowie erhöhte Turmabmessungen sind nicht nur für die Turmwandung, sondern auch für die Verbindungen neue bzw. verbesserte Lösungen in Bezug auf Fertigung sowie Transport- und Montagetechniken zu entwickeln. Diesbezüglich wird auf Keindorf, Tragverhalten und Ermüdungsfestigkeit von Sandwichtürmen für Windenergieanlagen, Schriftenreihe Heft 25 des Instituts für Stahlbau der Leibniz Universität Hannover, Dissertation, Hannover, 2010 verwiesen.
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Als Alternative zu den bisherigen Konstruktionsvarianten wird vom Erfinder eine neue Technologie vorgestellt, mit der ein modulares Baukastensystem und dessen Endmontage am Einsatzort möglich ist, wofür auch neuartige Verbindungselemente eingesetzt werden sollen.
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Erfindungsgemäß weist die Bausektion (oder auch Baukasten mit einer oder mehreren Sektionen) wenigstens zwei gekrümmte und/oder ebene Wandelementen mit je zwei Längskanten und zwei Querkanten auf, wobei die Wandelemente an den Längskanten eine Profilierung mit einem Querschnitt aufweisen und wenigstens zwei Formstücke zur Verbindung der Wandelemente über deren Längskanten, wobei jedes Formstück wenigstens zwei Aufnahmen zur Aufnahme jeweils einer Längskante der Wandelemente aufweist und wobei die Aufnahme mit einem zu dem Querschnitt der Profilierung der Längskante des Wandelementes geometrisch komplementären Querschnitts ausgebildet ist, wobei zwei Wandelemente miteinander über ein oder wenigstens ein Formstück verbunden sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsform können an den Querkanten der Wandelemente Flansche und/oder Eckverbinder vorgesehen sein und/oder kraftschlüssig angearbeitet und/oder eingesetzt werden, wobei diese eine Verbindung und/oder einen Anschluss zwischen zwei aneinander gesetzten Sektionen ermöglichen und/oder Eckverbinder und/oder Flansche als Kreuzungsbereich von Längs- und Querfugen ausgebildet sein können, wobei diese an den Querkanten und/oder wenigstens abschnittsweise an den Längskanten der Wandelemente angeordnet sein können.
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Ferner können die Formstücke gleichartig in Form eines Stabes und/oder Rundstabes und/oder Profilstabes ausgebildet sein.
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Die zusammengesetzten Wandelemente können insbesondere einen zylindrischen oder einen elliptischen oder polygonalen Raum oder einen offenen Raumabschnitt in U-Form oder C-Form aufspannen, der dann entsprechend genutzt werden kann.
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Die Wandelemente können insbesondere aus Metall und/oder Kunststoff und/oder faserverstärktem Kunststoff und/oder Holz und/oder Beton gefertigt sein. Ferner können die Wandelemente auch besondere Abschnitte wie Türen, Luken oder Fenster aufweisen.
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In unterschiedlichen Ausgestaltungsvarianten können die Dicke und/oder Breite und/oder Höhe eines Wandelementes oder mehrerer Wandelemente zueinander über die jeweilige Erstreckung jeweils gleichbleibend, unterschiedlich oder sich verjüngend ausgebildet sein. Auf diesen Weisen können gerade Wände oder aber auch sich verjüngende Räume, beispielsweise im Turmbau und dergleichen ausgebildet werden.
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Insbesondere können die Bausektion und/oder eine Verbindung von wenigstens zwei Bausektionen schraub- und/oder schweiß- und/oder klebelos ausgebildet sein, so dass ein einfacher Aufbau als auch ein etwaig notwendig werdender Abbau der Bausektionen bzw. von Bauwerken aus einzelnen Bausektionen schnell und einfach möglich ist.
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Nachfolgend werden unterschiedliche vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten sowohl für das bzw. die Formstücke bzw. die Eckverbinder aufgezeigt, wonach die entsprechenden Elemente, nämlich Formstück bzw. Eckverbinder derart ausgebildet sein können, dass:
- - in den Flanschen und/oder Eckverbindern und/oder Formstücken Durchführungen und/oder Aufnahmen für Zugelemente und/oder Zug- / Stahlseile angeordnet sind;
und/oder
- - die Öffnung im Formstück zur Aufnahme der Profilierung des Wandelementes bei Aufnahme der komplementären Profilierung ein verbleibenden Spalt kleiner gleich 1 mm aufweist;
und/oder
- - es einen Abkantwinkel von 0° bis 180° aufweist;
und/oder
- - der Grundwerkstoff Metall und/oder Kunststoff und/oder faserverstärkter Kunststoff und/oder Holz und/oder Beton ist;
und/oder
- - wenigstens eine Bohrung zum kraftschlüssigen Anschluss eines Zugelements vorgesehen ist; und/oder
- - wenigstens eine Durchgangsbohrung zur Durchführung eines Zugelementes vorgesehen ist; und/oder
- - Dichtungselemente im Bereich der Öffnung im Formstück zur Aufnahme der Profilierung vorgesehen sind, die in Kontakt mit den Profilenden der Wandelemente stehen;
und/oder
- - die Seitenkanten der Formstücke geometrisch komplementär zu den Stirnseiten der angrenzenden Flansche ausgebildet sind;
und/oder
- - die Formstücke und/oder Eckverbinder mit den Wandelementen eine planmäßig lösbare Verbindung eingehen und ein Längsschub der Formstücke entlang der Längskanten der Wandelemente mittels einer temporär zum Herstellen und/oder Rückbauen anzusetzenden Vorschubeinrichtung ermöglicht werden kann;
und/oder
- - ein Zugelement an der Stirnseite eines Formstücks mittels einer Stirnplatte und/oder eines Spannankers befestigbar ist;
und/oder
- - wenigstens eine Durchgangsbohrung in wenigstens zwei Eckverbindern vorhanden sind, durch die Verbindungsmittel und/oder Schrauben und/oder Bolzen und/oder Stifte zum Kraftschluss zwischen Eckverbinder und Flansch und/oder Eckverbinder und Eckverbinder einer angrenzenden Bausektion hindurchgeführt sind.
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In einer Ausgestaltungs- bzw. Nutzungsvariante zur Nutzung der erfinderischen Bausektion können wenigstens zwei Bausektionen zu einem Bauwerk zusammengeführt werden, wobei die Bausektionen miteinander entlang der Querkanten der Wandelemente verbunden sind und bedarfsweise zusätzliche Sicherungen vorgesehen sind, ausgewählt aus Verbindung zu einem Fundament und/oder einer Gründung, und/oder Verbindung zu einem Widerlager, und/oder Verbindung durch eine Mehrzahl oder durch alle miteinander verbundenen Bausektionen durch Spannvorrichtungen.
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Erfindungsgemäß können die erfindungsgemäßen Bausektionen genutzt werden als: temporäres und/oder mobiles und/oder stationäres und/oder permanentes Bausystem im Hoch und/oder Tiefbau, Tragelement und/oder Tragkonstruktion im Fahrzeugbau, Onshore- und/oder Offshore-Bauwerk zur Energieerzeugung, Bauwerk oder Bauwerkselement im Fassadenbau und/oder Hallen- und/oder Messebau, Speicher von flüssigen und/oder gasförmigen und/oder festen Stoffen und/oder Waren, in Form von Silos und/oder Tanks und/oder Containern, Mast und/oder Aufbauelement im Schiffsbau, zusammengesetzter Flügel und/oder Rotorblatt in der Luftfahrt, und/oder Senkkasten und/oder Pfahlgründung und/oder Baugrubensicherung und/oder Tunnelbauelement.
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Die Erfindung sowie Ausgestaltungen davon werden nachfolgend exemplarisch und erläuternd erklärt, wobei diese Beschreibung nicht beschränkt zu werten ist, sondern mögliche Ausgestaltungen exemplarisch ausführt.
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In ist das modulare Baukastensystem in der Variante als turmartige Konstruktion dargestellt. Es kann jedoch auch als mobile bzw. temporäre Konstruktion, als Onshore- und Offshore-Bauwerk zur Energieerzeugung, im Fassadenbau, Hallen- und Messebau oder bei Anlagen zur Speicherung von Stoffen (Silos, Tanks, Container) zum Einsatz kommen.
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Des Weiteren kann es exemplarisch als Mast im Schiffbau oder als zusammengesetzte Flügel bzw. Rotorblätter in der Luftfahrt verwendet werden.
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Im Tiefbau sind z.B. für Senkkästen, Pfahlgründungen, Baugrubensicherungen und Tunnelbauten weitere Anwendungsgebiete denkbar.
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Das neue Baukastensystem besteht aus mehreren Wandelementen 7, die gekrümmt oder eben sein können (Schalen oder Platten). Die Wandelemente 7 weisen an ihren Längskanten 13 ein Profil 14 auf, welches z.B. ein Rundstab 15 sein kann. Mit Hilfe von Formstücken 16 sollen die Längskanten 13 verbunden werden, allerdings ohne Schrauben, Schweißnähte oder Klebemittel. Die Kraftübertragung findet vorwiegend über Kontaktpressungen und Reibung zwischen Rundstab 15 und Formstück 16 statt. Hierfür ist eine hohe Passgenauigkeit erforderlich, um den Schlupf zwischen den Elementen zu minimieren.
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Die Wandelemente 7 werden mit Hilfe der Formstücke 16 zu einem Hohlkörper 17 zusammengesetzt, der eine Sektion 8 von einem Bauwerk darstellt, z.B. von einem Turmbauwerk 1. Die Formstücke weisen einen beliebigen Abkantwinkel 22 auf, sodass der Hohlkörper 17 z.B. einen Polygonquerschnitt 18 bildet. Die Formstücke 16 können auch unterschiedliche Abkantwinkel besitzen, falls dies geometrisch für den Gesamtquerschnitt der Sektion 8 erforderlich sein sollte. Die Formstücke 16 müssen nicht an jeder Ecke eines Polygonquerschnitts 18 eingesetzt werden, da z.B. die Wandelemente 7 selbst eine Abkantung aufweisen können, d.h. der Polygonquerschnitt 18 kann auch mehr Ecken als Formstücke 16 besitzen.
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An den Querkanten 11, 12 bzw. Stirnseiten der Wandelemente 7 am Fußende und Kopfende befinden sich Flansche 19, damit jeweils zwei Sektionen 8 miteinander verbunden werden können. Für den Kraftschluss zwischen den Flanschen 19 werden Bolzen oder Schrauben 20 eingesetzt, wofür die Flansche 19 entsprechende Durchgangsbohrungen 21 besitzen. Im Kreuzungsbereich von Längs- und Querkanten wird ein Eckverbinder 23 verwendet, damit die Eckbereiche der Sektion 8 bündig abschließen und keine Lücke aufweisen.
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Die Formstücke 16 besitzen ein oder mehrere Durchgangslöcher 26 für die Durchführung von einem Seil 24 oder einer Zugstange 25 oder gleichwertigem Zugelement, welches für die Montage benötigt wird.
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Für die Wandelemente können metallische Werkstoffe eingesetzt werden. Es sind aber auch Beton oder Holz als Grundwerkstoff für das Baukastenprinzip denkbar. Alternativ kann das Baukastenprinzip im Bereich der Luftfahrt für Flügel oder Rotorblätter sowie im Schiffbau für den Mast eingesetzt werden, wobei glasfaserverstärkte oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe für die einzelnen Wandelemente zu bevorzugen sind. In diesen Fällen werden vorzugsweise zwei Halbschalen konstruiert, die Formstücke jeweils an der Vorder- und Hinterkante des Mastprofils bzw. Blattprofils aufweisen. Die Formstücke und Eckverbinder können aus den gleichen Werkstoffen hergestellt werden, die bereits für die Wandelemente aufgezählt wurden. Für die Zugelemente (Seil, Zugstange etc.) sowie Schrauben und Bolzen werden vorzugsweise metallische Werkstoffe verwendet.
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Die Formstücke sind skalierbar und können an die jeweilige Geometrie (Durchmesser, Abkantwinkel, Anzahl und Länge der Wandelemente) beliebig angepasst werden. Dadurch können zahlreiche Grundrisse des Baukastens ermöglicht werden. Bedingt durch die Verbindungselemente sind modulare und mobile Bauweisen denkbar, die nachträglich ergänzt aber auch zerstörungsfrei demontiert werden können, was ebenfalls einen großen wirtschaftlichen und umweltpolitischen Mehrwert mit sich bringt.
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In sind die Verbindungselemente dargestellt, die entlang der Längskanten der Wandelemente geplant sind.
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Als Weiterentwicklung zu den Varianten in der Druckschrift
DE 10 2011 054 567 A1 ist das neue Baukastensystem nicht auf zylindrische Bauformen mit gekrümmten Wandelementen, Teilschalen beschränkt. Bedingt durch die Winkelstellung des Formstücks können auch polygonartige Bauformen mit ebenen Wandelementen, Platten erfasst werden, um eine geschlossene Sektion des Baukastens zu erhalten.
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Dadurch werden Umformprozesse bei der Herstellung der Wandelemente eingespart. Es können direkt die Bleche bzw. Platten als Flacherzeugnisse vom Lieferanten eingesetzt werden, ohne diese zunächst zu Rohrschüssen umzuformen. Des Weiteren sind bei der längsorientierten Ausrichtung auch keine Schweißnähte mehr innerhalb der Wandelemente/Rohrschüsse erforderlich, was nochmals den Fertigungsaufwand reduziert. Lediglich die Längskanten sind mit passenden Profilen (z.B. Rundstäbe) auszustatten, wofür eine Schweißverbindung denkbar ist.
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Die Formstücke können bei Bedarf für unterschiedlich dicke Wandelemente eingesetzt werden, weil lediglich der Rundstab zum Formstück passgenau ausgebildet werden muss, d.h. das linke Wandelemente kann eine geringere Blechdicke aufweisen als das rechte Wandelement.
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Im Hinblick auf die Speicherung von Flüssigkeiten (Tankbauweise) berücksichtigt die Erfindung auch Positionen für abdichtende Elemente entlang der Längskanten (druckdichte Anwendungen). Zusätzlich zum Dichtungsgummi kann für den Ringspalt zwischen Rundstab und Formstück ein Verpressmaterial vorgesehen werden, damit eine gewisse Redundanz hinsichtlich der Anforderungen an die Dichtheit gewährleistet werden kann.
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An den Querkanten der Wandelemente werden einerseits Flansche mit Durchgangsbohrungen eingesetzt und weiter ein neuartiges Verbindungsstück, welches als Anbindung bzw. Abschluss für die längsorientierten Formstücke dient, s. .
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Die Eckverbinder besitzen seitliche Aussparungen, um Überlappungen zu den benachbarten Flanschteilen zu erhalten und über Schrauben/Bolzen/Stifte oder gleichwertige Verbindungsmittel kraftschlüssig miteinander zu verbinden. Des Weiteren wird ein Kraftschluss zum Eckverbinder der zweiten Sektion dadurch erzielt, dass auch Durchgangsbohrungen im zweiten Flansch vorgesehen sind, um die Eckverbinder untereinander zu verbinden, s. .
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Die Flansche sind über Quernähte an das jeweilige Wandelement angeschweißt. Ein Eckverbinder wird zwischen zwei Flansche eingesetzt, wofür praxisrelevante Toleranzen zu berücksichtigen sind. Wenn die zweite Sektion auf die erste Sektion aufgesetzt und ausgerichtet wurde, können einerseits die Flansche und andererseits die Eckverbinder kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Es sind auch Durchgangsbohrungen vorgesehen, wo Schrauben/Bolzen/Stifte oder gleichwertige Verbindungsmittel hindurchgesteckt werden, sodass auch ein Flansch mit einem Eckverbinder unmittelbar verbunden ist.
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Die Herstellung des Baukastens beginnt bei den Wandelementen, die als Flacherzeugnisse angeliefert werden können. Nachdem bevorzugt ein Sandstrahlen der Oberflächen erfolgt ist, kann der Zuschnitt auf die gewünschte Länge und Breite erfolgen, wobei auch ein konischer Verlauf möglich ist, d.h. die Breite verjüngt sich von der einen Querkante des Wandelements bis zur anderen Querkante. Während des Zuschnitts mit Hilfe einer Brennschneidanlage wird bereits die Schweißnahtvorbereitung an den Längs- und Querkanten der Wandelemente durchgeführt (Fasen für die jeweilige Nahtform).
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Die Wandelemente können eine variable Blechdicke, über die Länge betrachtet, aufweisen. Diese Optimierung des Materialeinsatzes kann durch statisch-konstruktive Kriterien gewünscht sein.
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Die Rundstäbe können ebenfalls als Halbfertigprodukte angeliefert werden und sollten bzw. müssen eine sandgestrahlte Oberfläche aufweisen. Die Rundstäbe werden an den Längskanten der Wandelemente über Heftnähte fixiert und anschließend über Stumpfnähte kontinuierlich angeschweißt.
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Die Flansche und Eckverbinder sind Halbfertigprodukte, die am besten im sandgestrahlten Zustand angeliefert werden können. Nach dem Zuschnitt der Flansche, inklusive der Fasen für die Schweißnahtvorbereitung, werden die Durchgangsbohrungen hergestellt. Anschließend erfolgt auf einem Schweißportal der Anschluss der Flansche an die Querkanten der Wandelemente mit Hilfe von Stumpfnähten.
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Nach Kontrolle der Maßhaltigkeit und dem Reinigen der Wandelemente wird die Beschichtung für den Korrosionsschutz hergestellt. Wenn die Beschichtung ausgehärtet ist, sind die Wandelemente für den Transport vorzubereiten.
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Für die Formstücke können metallische Werkstoffe vorgesehen sein, die durch das Stranggießen zunächst eine Grundform erhalten. Anschließend wird die tatsächliche Querschnittsgeometrie der Formstücke mit Hilfe eines Press- oder Ziehverfahrens hergestellt. Die Oberflächen der Formstücke werden ebenfalls gereinigt und anschließend mit einer Beschichtung vor Korrosion geschützt. Zusätzlich können Dichtungsgummis an den Schenkeln der Formstücke angeordnet werden, die im montierten Zustand den Wasserzutritt in den Ringspalt zwischen Formstück und Rundstab verhindern sollen.
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Für bisherige Konstruktionen dürfen die Sektionen maximal einen Durchmesser von 4,3 m besitzen, wenn sie über Land mit Brückendurchfahrten transportiert werden müssen. Für größere Dimensionen ist die umfangsorientierte Fertigung nicht geeignet, weil keine Straßenbrücke mehr durchfahren werden kann (s. links). Deshalb gibt es bereits Lösungen, wo gekrümmte Teilschalen transportiert werden, die vor Ort (Baustelle) endmontiert werden. In ähnlicher Weise ermöglicht die neue längsorientierte Fertigung von Sektionen den Transport von Teilschalen bzw. Wandelementen über Land (s. rechts).
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Für die gleiche Turmsektion wird auch nur ein Transporter benötigt, der zudem nicht als Tieflader mit Überbreite gekennzeichnet sein muss und deshalb auch kein Begleitfahrzeug benötigt. Die Transportkosten reduzieren sich und die Auswahl an möglichen Transportrouten vergrößert sich.
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Die Wandelemente werden auf dem Transporter mit einem Kran von oben eingehoben oder von der Heckseite eingeschoben. Seitliche Schienen über die gesamte Länge und gepolsterte Klemmvorrichtungen an den Stirnseiten des Transporters stellen sicher, dass sich die Wandelemente nicht während der Fahrt lösen (Ladungssicherung). Die Klemmvorrichtungen sind auf die Rundstäbe an den Längskanten der Wandelemente passgenau abgestimmt. Ein Kontakt zwischen den Wandelementen muss ausgeschlossen sein, um Schäden am bereits aufgebrachten Korrosionsschutz zu vermeiden.
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Die Formstücke, Eckverbinder, Schrauben, Bolzen sowie die Montagetechnik werden separat zum Einsatzort transportiert.
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Bei größeren Dimensionen erfolgt die Endmontage des Baukastens direkt am Einsatzort bzw. auf der Baustelle. Dafür müssen jeweils zwei Wandelemente entlang ihrer Längskanten parallel ausgerichtet werden, sodass die Formstücke von einer Querkante beginnend eingeführt werden können.
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Dazu besitzen die Formstücke werkseitige Anschlüsse für Zugstangen oder Seile, die durch eine Spannvorrichtung geführt werden. Die Spannvorrichtung wird auf dem Eckverbinder positioniert und stützt sich darauf ab, wenn der Spannvorgang durchgeführt wird. Der Eckverbinder dient demnach zusätzlich als Abstützblock, welcher die Kräfte von der Spannvorrichtung an die benachbarten Flansche überträgt. Über einen hydraulischen, elektrischen oder mechanischen Antrieb der Spannvorrichtung wird eine Zugkraft auf das Seil bzw. die Zugstange mit Hilfe von Klemmen aufgebracht, s. .
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Während des Spannens erfolgen einzelne Verschubvorgänge für das Seil bzw. die Zugstange. Über den kraftschlüssigen Anschluss zum Formstück werden diese ebenfalls mit verschoben und zwar relativ zu den Wandelementen, die in Position gehalten werden.
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Der Spannvorgang wird beendet, wenn das Formstück soweit eingeschoben wurde, bis es direkten Kontakt zur Unterseite des Eckverbinders hat. In ist die Endposition des Formstücks nach dem Spannvorgang dargestellt.
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Die Spannvorrichtung inklusive der Seile/Zugstangen wird wieder demontiert und kann für den nächsten Montageschritt zwischen zwei anderen Wandelementen erneut eingesetzt werden. Die Montage einer Sektion endet, wenn der Baukasten vollumfänglich geschlossen ist.
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Alternativ sind bei den Formstücken Durchgangslöcher während der Herstellung zu berücksichtigen, wenn die Länge der Wandelemente größer ist als die maximal mögliche Länge eines Formstücks. In diesem Fall werden mehrere Formstücke entlang der Längskante eines Wandelements benötigt. Damit der Spannvorgang trotzdem von der Position des Eckverbinders durchgeführt werden kann, wird das Seil bzw. die Zugstange durch alle Löcher der Formstücke hindurchgeführt und mit einer Stirnplatte am letzten Formstück befestigt und ein Spannanker montiert, s. .
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Die Zugkraft wird an dem Stirnende des letzten Formstücks eingeleitet und an jeder Stoßfuge zwischen zwei benachbarten Formstücken über Druckkontakt übertragen. Dadurch wird sichergestellt, dass während des Spannvorgangs alle Formstücke gleichzeitig und gleichmäßig zwischen die Wandelemente eingeschoben werden.
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Die Erfindung soll hinsichtlich des Montageverfahrens nicht nur die Option eines horizontalen oder geneigten Vorschubes abdecken, sondern auch einen Verschub in der Senkrechten.
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Während des Betriebs bzw. der Nutzung des Baukastens werden die Kräfte und Momente infolge von funktionalen und klimatischen Einwirkungen (Maschinenbetrieb im oder auf dem Baukasten, Wind, Schnee, Temperatur) über die vorgesehenen Verbindungselemente kraftschlüssig übertragen, sodass das geschlossene Baukastensystem als biege- und torsionssteif eingruppiert werden kann. Aufgrund der Betriebslasten und einer möglichen Aufstellung des Baukastens im Freien sind dessen tragende Elemente regelmäßig zu warten. Da die Formstücke und Rundstäbe einen Form- und Kraftschluss ohne Schrauben/Bolzen/Stifte ermöglichen, sind diese Verbindungen entlang der Längskanten der Wandelemente als wartungsfrei einzustufen. Insofern bietet dieses Baukastenprinzip Vorteile in Bezug auf den Wartungsaufwand während der Nutzungsdauer. Im Gegensatz dazu müssen bei Flanschverbindungen die Vorspannkräfte der Schrauben regelmäßig im Betrieb kontrolliert werden. Diese Anforderung gilt jedoch auch für die Flansche an den Querkanten der Wandelemente.
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Des Weiteren sind die Schweißnähte und die Dichtungselemente für jede Sektion des Baukastens regelmäßig zu inspizieren.
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Am Ende der Nutzungsdauer ist der Rückbau von Konstruktionen durchzuführen. Da die Formstücke und Rundstäbe grundsätzlich als lösbare Verbindung einzustufen sind, kann die Demontage zerstörungsfrei erfolgen. Dafür sind entsprechende Geräte einzusetzen, die jedoch nicht Gegenstand dieser Erfindung sind. Aufgrund der zerstörungsfreien Demontage besteht die Möglichkeit, die einzelnen Elemente des Baukastens für einen anderen Einsatz bzw. Anwendungsbereich wiederzuverwenden.
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Anhand der Beschreibung wird ersichtlich, dass bei der Entwicklung dieser neuen Technologie nicht nur allein das Kriterium der Tragfähigkeit herangezogen werden darf, sondern im Zusammenhang mit Fragestellungen zur Ermüdungsfestigkeit, Gebrauchstauglichkeit, Verbindungstechnik sowie Fertigungs- und Montagetechnik als Gesamtsystem betrachtet werden muss.
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Im Folgenden werden die Vorteile zusammenfassend aufgeführt:
- Fertigung:
- - keine Umformtechnik erforderlich bei ebenen Wandelementen
- - keine Schweißnähte zwischen den Rohrschlüssen notwendig wenn längsorientierte Fertigung
- - skalierbare Verbindungselemente in Serienproduktion möglich
- - beliebige Grundrissformen für den Baukasten denkbar, weil Formstücke geometrisch angepasst werden können
- Transport:
- - Transport sowohl über Land als auch über See
- - keine Beschränkung auf 4,5 m für die Hauptabmessungen des Baukastens
- - keine Überbreite bei LkW-Transport für die einzelnen Wandelemente
- Montage:
- - horizontaler, geneigter oder senkrechter Verschub möglich
- - eine einzige Spannvorrichtung wird für alle Verbindungen entlang der Längskanten benötigt
- - robuster und einfacher Spannvorgang
- - keine Anziehvorgänge für Schrauben an den Längskanten
- - keine Schweißarbeiten und Korrosionsschutzmaßnahmen am Einsatzort erforderlich
- Betrieb:
- - direkte Kraftübertragung ohne Schlupf zwischen Formstück und Rundprofilen
- - höhere Stabilität für die Wandelemente (Platten oder Schalen), da die Formstücke dazwischen als aussteifende Elemente fungieren
- - keine Wartung der Verbindungen an den Längskanten (ohne Schrauben) erforderlich
- - zerstörungsfreie Demontage möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turmbauwerk
- 2
- Innenrohr
- 3
- Außenrohr
- 4
- Ringspalt
- 5
- Füllmaterial
- 6
- Mantel
- 7
- Wandelement
- 8
- Sektion
- 9
- Verbindungselement
- 10
- Teilschalen
- 11
- Querkante am Fuß eines Wandelements
- 12
- Querkante am Kopf eines Wandelements
- 13
- Längskante
- 14
- Profil
- 15
- Rundstab
- 16
- Formstück
- 17
- Hohlkörper
- 18
- Polygonquerschnitt
- 19
- Flansch
- 20
- Schrauben bzw. Bolzen
- 21
- Durchgangsbohrung
- 22
- Abkantwinkel
- 23
- Eckverbinder
- 24
- Seil
- 25
- Zugstange
- 26
- Durchgangsloch im Formstück
- 27
- Spannvorrichtung
- 28
- Stirnplatte
- 29
- Spannanker
- 30
- Schweißnaht
- 31
- Klemme
- 32
- Anschluss für Zugelement
- 33
- Dichtungselement
- 34
- Öffnung für Zugelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011054567 A1 [0002, 0015, 0043]
- DE 202005010139 U1 [0003]
- DE 202005011492 U1 [0004]
- US 2009/0090069 A1 [0005]
- US 2006/0213145 A1 [0006]
- US 2006/0000185 A1 [0007]
- DE 102009048984 A1 [0008]
- DE 112010005382 T5 [0009]
- US 7160085 B2 [0010]
- DE 20321855 U1 [0011]
- US 2005/0166521 A1 [0012]
- DE 2826687 A1 [0013]
- EP 1717452 A1 [0014]
