DE202004017080U1

DE202004017080U1 - Entkopplung von Tragwerkselementen

Info

Publication number: DE202004017080U1
Application number: DE200420017080
Authority: DE
Original assignee: HUESEMANN LAMMERT KLAUS
Current assignee: Rautaruukki Oyj
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2014-11-06

Abstract

Bauteile welche eine unterschiedliche Steifigkeit aufweisen und welche verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche Steifigkeit der Bauteile durch konstruktive Maßnahmen und/oder der Kraftübergang zwischen den Bauteilen durch die Gestaltung der Form des Überganges und/oder die Einbringung eines Materials, welches eine im Verhältnis zu den Baustoffen der Bauteile unterschiedliche Steifigkeit aufweist, angeglichen wird und eines der Bauteile die Funktionselemente eines hohen Bauwerkes aufnimmt und das andere Bauteil die durch das Gewicht und den Betrieb der Funktionselemente auftretenden Kräfte in eine Tragkonstruktion einleitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung und eine Gestaltung von zumindest zwei miteinander zu verbindenden Teilen.
Verbindungsanordnungen der vorgenannten Art werden häufig im Stahlbau, insbesondere im Hochbau, verwendet, um einzelne Tragwerkselemente zusammengesetzter Tragstrukturen zu verbinden.
Dazu werden zur Verbindung der Tragwerkselemente vorzugsweise Schraubbolzen eingesetzt, die ein Verspannen der Tragwerkselemente ermöglichen. Bei der Montage der Tragwerkselemente werden vorhandene Durchgangslöcher in eine Überdeckungsposition gebracht. Anschließend wird ein Gewindebolzen in eine Gewindemutter eingeschraubt und mit einem gegebenen Moment angezogen, so dass eine Vorspannkraft erzeugt wird, die die zu verbindenden Elemente der Tragstruktur aufeinander presst.
Hierbei wird die Vorspannkraft so bemessen, dass die durch das Eigengewicht oder z.B. durch Windlasten oder den Betrieb auftretende Belastungen nicht zu einer schädlichen Querkraftbelastung der Bolzenverbindung führen.
Vielmehr werden die auftretenden Kräfte durch die kraftschlüssige Verbindung der Tragwerkselemente übertragen. Verbindungen dieser Art sind vor allem im Bereich des Stahlhochbaus zu finden. Eine besondere Bedeutung kommt den angeführten Verbindungen z.B. bei Windkraftanlagen und bei Krantürmen zu.
Hier existieren bereits Ansätze den Kraftfluss innerhalb z.B. einer Mastkonstruktion zu vergleichmäßigen. In der CH 494327 wird z.B. von einem Fachwerk aus Stahl, z.B. in Form eines Mastes, ausgegangen, dessen Eckstiele aus einzelnen Elementen bestehen und wobei diese Elemente zumindest über einen Teil ihrer Länge innerhalb ihrer Elastizitätsgrenze gekrümmt sind. Die Eckstiele (2) erfahren somit nicht mehr an bestimmten Punkten eine Richtungsänderung, sondern es wird eine kontinuierliche Krümmung der Eckstiele (2) erreicht. Aus diesem kontinuierlichen geometrischen Verlauf resultiert eine gleichmässigere Belastung der Konstruktion, was sich wiederum günstig auf die Dimensionierung der Eckstiele (2) auswirkt.
Insbesondere bei der Gestaltung der Verbindung von Windenergieanlagen, welche einen Turm und eine Gondel aufweisen, gewinnt das Problem des durch Kraftspitzen gekennzeichneten Überganges von Kräften innerhalb der Tumkonstruktion an Bedeutung. In der Gondel befindet sich ein Generator, der einen Rotor mit mindestens einem Rotorblatt aufweist.
Der Rotor wirkt dabei als Hebel u.a. für die am Rotor auftretenden Windkräfte. Deshalb werden an der Verbindungsstelle von der Gondel zu den Eckstielen (2) des Turmes, welche im Folgenden mit dem Begriff Topf (1) bezeichnet wird, hohe Kräfte wirksam. Daneben bewirkt die Rotation der Rotorblätter einen Wechsel zwischen Schub- und Zugspannung auf die Verbindungsstelle zwischen den Eckstielen (2) und dem Topf (1) unterhalb des Rotors.
Weiterhin folgt die Gondel in Ihrer Ausrichtung der Windrichtung, woraus eine weitere Änderung der Belastungsrichtung für die Verbindung resultiert.
Bei dem Übergang von den Eckstielen (2) zur Gondel sind auf Grund der Bauteilgeometrien und/oder des Baumaterials unterschiedliche Steifigkeiten vorhanden.
Daraus resultieren im Zusammenwirken mit den oben genannten Kräfteverhältnissen Spitzen im Kraftverlauf innerhalb der Tragwerkselemente, welche zu schädlichen Belastungen der Tragwerkselemente oder/und der Elemente der Bolzenverbindung führen können.
Die während des Betriebes der Windkraftanlage auftretenden Kräfte, führen zudem zu Turmschwingungen und verursachen unter bestimmten Bedingungen auch eine elastische Verformung und damit eine wiederkehrende Veränderung der Planebenheit des Lagerflansches des Azimutwälzlagers von Windkraftanlagen. Diese Lagertlansche der Azimutwälzlager erfüllen dann nicht mehr die von der Herstellern der Wälzlager geforderten engen Toleranzen in Bezug auf die Planebenheit, welche für den sicheren Betrieb und die rechnerische Lebensdauer erforderlich sind. Die genannten Betriebszustände und die daraus resultiernden elastischen Verformungen können die Lebensdauer des Wälzlagers erheblich vermindern und im schlimmsten Fall auch zu dessen Zerstörung führen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Konstruktion zur Verfgügung zu stellen, welche auch bei wechselnden Lastfällen einen möglichst gleichmäßigen Kraftübergang zwischen den Bauteilen der Konstruktion gewährleistet und eine Verformung im Bereich des Überganges von den Eckstielen zu der Befestigung von Baugruppen am oberen Ende des Turmes vermindert.
Diese Aufgabe wird durch eine Erfindungsanordnung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst. Grundgedanke ist dabei, eine schädliche Belastung der Bolzenverbindungen und/oder des Azimutlagers zu vermeiden, indem der Übergang der Kräfte vom Topf (1) der Gondel in die Eckstiele durch konstruktive Maßnahmen vergleichmässigt wird und die Kombination der Materialien im Bereich des Überganges von dem Topf (1) zu den Eckstielen (2) vorzugsweise durch eine Angleichung der Steifigkeit der zu verbindenen Baugruppen möglichst gleichmäßig gestaltet wird und so eine schädliche Belastung der Bolzenverbindungen und/oder des Azimutlagers vermieden wird.
Die besondere Form des Anschlusses der Eckstiele (2) der Fachwerkkonstruktion an den oberen Teil des Turmes einerseits, sowie die auf das Problem bezogene besonders ausgewählte, mathematisch ermittelte Materialwahl hinsichtlich Werkstoff und Materialstärke andererseits ermöglichen die Entkopplung der aus der Turmschwingung resultierenden Kräfte von den Bolzenverbindungen und/oder den Flanschen des Azimutlagers. Dabei werden die Kräfte durch den speziell bemessenen "steifen" Teil des Turmes, dargestellt durch den Topf (1), über die ebenfalls speziell ausgeformten Anschluss-Koppelbleche in den darunter liegenden, entsprechend "weichen Teil des Turmes, dargestellt durch die Fachwerkkonstruktion, abgeleitet. Die Kombination von "steifen" und "weichen" Konstruktionsteilen und besonders die spezielle Form der Verbindung beider Teile mittels verschraubter Anschluss-Koppelbleche stellt sicher, dass die auftretenden Kräfte ausschliesslich zu elastischer Verformung in der Fachwerkkonstruktion führen, nicht aber im empfindlichen Bereich des Lagerflansches für das Azimutlager. Dadurch wird sichergestellt, dass die in der Fertigung erreichte Planebenheit der Flanschoberfläche auch während des Betriebes der Windkraftanlage erhalten bleibt, und somit die Lebensdauer des Lagers nicht durch die Turmschwingungen negativ beeinflusst wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung bildet die Einbringung von Nuten (3) und/oder Bohrungen in den Topf (1) der Gondel. Die zu übertragenden Kräfte können hierbei durch die Gestaltung der Nuten (3) so umgelenkt werden, dass sie gleichmäßig auf die Bolzenverbindung wirken. Somit werden an keiner Stelle der Verbindung die zulässigen Belastungsgrenzen überschritten. Um die Konzentration der Kräfte an den Enden der Schlitze zu vermeiden, ist es vorteilhaft den Übergang von den Schlitzen zu dem Topf (1) durch einen belastungsoptimierten Übergang, vorzugsweise einen Radius (4), zu gestalten.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bildet die Verwendung eines zum eigentlichen Profil des Eckstieles (2) veränderte Geometrie im Anschlussbereich zwischen der Gondel und dem Eckstiel (2). So wird durch eine Verbreiterung des Anschlussbereiches die Kontaktfläche zwischen Eckstiel (2) und Gondel erhöht. Dadurch können die Bolzenverbindungen auf eine größere Fläche verteilt werden, was sich wiederum günstig auf die Vergleichmäßigung des Kraftflusses auswirkt.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Eckstiele (2) nicht direkt an dem Topf (1) sondern an einem ringförmigen Element befestigt sind, welches wiederum mit dem Topf (1) der Gondel verbunden ist. Hierbei besteht die Verbindung zwischen dem ringförmigen Element und der Gondel vorzugsweise aus Schraubverbindungen. Es existiert je nach Ausgestaltung des ringförmigen Elementes auch die Möglichkeit, den Zwischenraum zwischen dem ringförmigen Element und der Gondel mit einem Medium zu füllen, das die Aufgabe einer gleichmäßigen Kraftverteilung übernimmt. Bei diesem Medium kann es sich um eine Flüssigkeit, aber auch um ein aushärtbares Medium handeln.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Medium zwischen dem Topf (1) und dem Eckstiel (2} ein elastisches Material beispielsweise Teflon oder Gummi ist. Dieses Material kann erfindungsgemäss so zwischen den Topf (1) und dem Eckstiel (2) angebracht werden, sich die Bauteile nicht berühren und die Kraftübertragung über das elastische Material bewerkstelligt wird. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es zudem vorgesehen, dass sich zwischen dem Topf (1) und den Eckstielen (2) bzw. zwischen dem Topf (1) und an den Eckstielen (2) angebrachten Bauteilen in der Art eines Formschlusses gestaltet wird. Dieses kann z.B. durch eine konusförmige Verjüngung des Topfdurchmessers geschehen, welche die auftretenden Kräfte im Wesentlichen auf einem entsprechend ausgeformten Ring oder auf entsprechend ausgeformten Segmenten, die mit den Eckstielen des Turmes verbunden sind, ableiten.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung befindet sich zwischen diesen formschlüssigen Elementen zusätzlich ein elastischer Werkstoff. Hier kann es sinnvoll sein, den elastischen Werkstoff mittels z.B. eines Spannringes, der vorzugsweise aus Segmenten besteht, vorzuspannen, um so einen besonders vorteilhaften Kraftübergang zwischen dem Topf (1) und den Eckstielen zu erhalten. Insgesamt resultiert aus den oben genannten Ausführungsformen eine Vergleichmässigung des Kraftüberganges zwischen den Funktionselementen eines hohen Bauwerkes und der Tragkonstruktion des genannten hohen Bauwerkes.

Claims

Bauteile welche eine unterschiedliche Steifigkeit aufweisen und welche verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche Steifigkeit der Bauteile durch konstruktive Maßnahmen und/oder der Kraftübergang zwischen den Bauteilen durch die Gestaltung der Form des Überganges und/oder die Einbringung eines Materials, welches eine im Verhältnis zu den Baustoffen der Bauteile unterschiedliche Steifigkeit aufweist, angeglichen wird und eines der Bauteile die Funktionselemente eines hohen Bauwerkes aufnimmt und das andere Bauteil die durch das Gewicht und den Betrieb der Funktionselemente auftretenden Kräfte in eine Tragkonstruktion einleitet.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil vorzugsweise ein Eckstiel (2) eines Gittermasten oder eines Rohrturmes ist und das zweite Bauteil der Topf (1) unterhalb einer Gondel ist.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil vorzugsweise die Tragkonstruktion eines Lastkranes ist und das zweite Bauteil Kräfte aus Hubvorgängen aufnimmt.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Topf (1) oder die Eckstiele (2) materialdurchbrechende Nuten (3) im Bereich der Anschlussstelle des Eckstieles (2) aufweist.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der materialdurchbrechenden Nuten (3) mit einer Verrundung (4) versehen sind.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil ein Eckstiel (2) eines Gittermasten und das zweite Bauteil der Topf (1) unterhalb einer Gondel ist und dass der Topf (1) Materialausnehmungen (5), vorzugsweise Ausfräsungen aufweist die zumindest teilweise das Material des Topfes (1) nicht durchbrechen.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil ein Eckstiel (2) eines Gittermasten und das zweite Bauteil der Topf (1) unterhalb einer Gondel ist und dass der Eckstiel (2) mit Bohrungen unterschiedlichen Abstandes versehen ist und/oder diese Bohrungen unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil ein Eckstiel (2) eines Gittermasten und das zweite Bauteil der Topf (1) unterhalb einer Gondel ist und dass der Eckstiel (2) kein konstantes Profil aufweist.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil ein Eckstiel (2) eines Gittermasten und das zweite Bauteil der Topf (1) unterhalb einer Gondel ist und dass der Eckstiel (2) an einem ringförmigen Element (8) befestigt ist, welches zwischen dem Eckstiel (2) und dem Topf (1) der Gondel angeordnet ist.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil ein Eckstiel (2) eines Gittermasten und das zweite Bauteil der Topf (1) unterhalb einer Gondel ist und dass der Eckstiel (2) an einem ringförmigen Element (8) befestigt ist, welches zwischen dem Eckstiel (2) und dem Topf (1) der Gondel angeordnet ist und zwischen dem ringförmigen Element (8) und dem Topf (1) ein druckverteilendes Medium (6) eingebracht ist.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das druckverteilende Medium (6) eine zum Zeitpunkt der Einbringung flüssige Konsistenz aufweist.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das druckverteilende Medium (6) eine feste Konsitenz aufweist und die Elastizität des druckverteilenden Mediums (6) größer als die Elastiziät des Werkstoffes der Gondel bzw. des angeschlossenen Eckstieles (2) ist.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Topf (1) und Eckstiel (2) im Wesentlichen auf einer formschlüssigen Verbindung basiert.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer im Wesentlichen formschlüssigen Verbindung von Topf (1) und Eckstiel (2) ein elastisches druckverteilendes Medium (6) zwischen Topf (1) und Eckstiel (2) montiert ist.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elastisches druckverteilendes Medium (6) zwischen Topf (1) und Eckstiel (2) vorzugsweise durch Druck auf einen Ring (7) welcher vorzugsweise segmentartig gestaltet ist, verdichtet wird.
Erfindung entsprechend des Oberbegriffs des Anspruches 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende des Topfes (1) mindestens ein Segment (9) aufweist welches einen geringeren und/oder größeren Durchmesser als der Topf (1) besitzt und an den Eckstielen (2) Segmente (9) angebracht sind, die eine Stützwirkung auf die entsprechenden nicht zylindrischen Segmente (10) des Topfes (1) ausüben.