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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bauelementbefestigung in einem Turm einer Windenergieanlage.
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Windenergieanlagen umfassen in der Regel einen in einem Fundament verankerten Turm, ein darauf drehbar gelagertes Maschinenhaus sowie einen am Maschinenhaus montierten Rotor. Bei modernen Windenergieanlagen werden dabei oft Turmhöhen von 100 m und mehr benötigt, um eine bestmögliche wirtschaftliche Ausnutzung der Windverhältnisse zu garantieren, da die Windgeschwindigkeit im Allgemeinen mit der Höhe über der Geländeoberkante zunimmt.
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Bei der Errichtung von Windenergieanlagen werden oft Stahlrohrtürme oder Hybridtürme mit einem Stahlrohr-Abschnitt aufgrund einer im Vergleich mit beispielsweise Betontürmen geringen Masse und des schnellen Aufbaus bevorzugt. Damit können die Errichtungskosten eines solchen Turmes gegenüber anderen Konstruktionen reduziert werden.
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Ein solcher Turm einer Windenergieanlage wird meist aus mehreren Segmenten zusammengesetzt. Diese Segmente werden zunächst durch das Verschweißen von gewalzten Blechen herstellt. Bei der Errichtung des Turmes werden die zur Baustelle gelieferten Turmsegmente meist aufrecht stehend durch Flanschverbindungen miteinander verschraubt.
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Der Turm einer Windenergieanlage muss dabei in seinem Durchmesser und seiner Wandstärke ausreichend dimensioniert werden, um alle auftretenden statischen und dynamischen Belastungen ertragen zu können. Dabei ist nachzuweisen, dass die Struktur eines solchen Stahlrohrturmes so ausgelegt ist, dass alle infolge der durch den Wind und der maschinenseitig induzierten statischen und dynamischen Lasten über die gesamte Betriebsdauer ertragen werden können, ohne dass ein Schaden auftritt.
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Der Durchmesser eines solchen Turmes beträgt an seinem Fuß aus Gründen der zulässigen Transportmaße auf dem Weg zum Ort der Errichtung der Windenergieanlage meist etwa 4 m. Daher wird bei der Auslegung eines solchen Turmes vor allem die Wandstärke minimiert.
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Als kritisch sind dabei Abweichungen von der homogenen Struktur des Turmes anzusehen, beispielsweise die Verbindungsstellen zwischen den Turmsegmenten, aber insbesondere auch Bereiche, an denen Bauelemente an der Turmwand angebracht sind. Solche Bauelemente sind beispielsweise in Form von Plattformen zur Wartung, Steigleitern, Aufzügen oder zur Befestigung von Leistungskabeln, Elementen zur Beleuchtung oder Stromversorgung notwendig.
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Die Montage solcher Bauelemente an der Turmwand erfolgt in der Regel durch eine Schweißverbindung. Die aus der Inhomogenität einer solchen Schweißverbindung resultierende Kerbwirkung ist beim Betriebsfestigkeitsnachweis zu berücksichtigen. Gleiches gilt für Verschraubungen der Elemente mit der Turmwand, bei denen ebenfalls eine Kerbwirkung zu berücksichtigen ist. Somit kann für eine Schweiß- oder Schraubverbindung nur eine deutlich geringere Kerbfallklasse nachgewiesen werden. Dies erfordert die Verstärkung der Turmstruktur, was insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen unerwünscht ist.
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Alternativ dazu können Einbauelemente in einem Stahlturm mithilfe von Magneten befestigt werden. Dazu eigenen sich Permanentmagneten, welche mit einem geringen Eigengewicht eine große Haftkraft erzeugen können.
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In der
DE 10 2009 053 036 A1 wird beschrieben, wie mithilfe von Neodym-Haftmagneten verschiedene Arbeitshilfen, wie Gerüste, Plattformen, Leitern, Halte- und Orientierungshilfen angebracht werden können, um das Anschweißen, Verschrauben oder Verseilen solcher Elemente zu vermeiden.
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Die
DE 60 300 538 T2 beschreibt ein Verfahren zur Anbringung von Elementen an einem Windturbinenturm, wobei die Elemente teilweise oder vollständig durch magnetische Anziehungskräfte an der Turmwand befestigt sind.
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In der
DE 60 308 422 T2 wird eine Aufhängungsanordnung mit magnetischen Befestigungsmitteln für Elemente wie Leitern, Kabel, Beleuchtungsmittel und andere Elemente im Inneren eines Windkraftanlagenturm beschrieben. Die magnetischen Befestigungsmittel bestehen dabei mindestens teilweise aus einem permanentmagnetischen Material, insbesondere aus Neodym-Magneten und Samarium-Cobalt-Magneten.
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Anstelle der Anbringung der Einbauelemente im Turm einer Windenergieanlage mittels permanentmagnetischer Werkstoffe ist auch eine Verankerung am Flansch in Verbindung mit einer zusätzlichen Abstützung an der Turmwand möglich, um Schweißverbindungen zu umgehen.
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Die
DE 10 2010 008 639 A1 beschreibt eine solche Befestigungskonstruktion. Dabei wird durch eine Aufteilung der Kräfte erreicht, dass alle Zugbelastungen durch Zugstäbe auf die Flansche übertragen werden und die Turmwand durch Druckabstützungen belastet wird.
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Weiterhin beschreibt die
DE 20 2006 017 158 U1 eine Variante zur Befestigung von Steigleitern im Turm einer Windkraftanlage, welche durch eine Verankerung an den Flanschen und durch eine Krümmung der Steigleiter und/oder durch eine Vorspannung an der Turmwand fixiert wird.
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Die
DE 10 2009 055 726 A1 beschreibt eine Gitterkonstruktion im Turm einer Windenergieanlage, welche nur durch Stützelemente an der Innenwandung des Turmes abgestützt ist.
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Für die an der Turminnenwand angebrachten Elemente ist für die gesamte Betriebsdauer einer Windenergieanlage nachzuweisen, dass einerseits die erforderlichen Haltekräfte erbracht werden können und andererseits die Festigkeit der Turmwand nicht beeinträchtigt wird.
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Für die Garantie ausreichender Haltekräfte durch magnetische Verbindungsmittel sind derart starke Permanentmagnete zu verwenden, beispielsweise Neodym-Eisen-Bor-Magnete, die zusätzliche Maßnahmen sowohl zur genauen Positionierung beim Anbringen solcher Elemente als auch bei einer möglichen Demontage erfordern. Magnetverbindungen mit geringerer Haltekraft können dagegen nur schwierig nachgewiesen werden. Hierfür wäre eine zusätzliche Abstützung notwendig, um ein vollständiges Ablösen der Bauelemente von der Turmwand und das Herunterfallen bei nicht ausreichenden Haltekräften zu umgehen. Eine solche Stützstruktur ist aus Kostengründen jedoch unerwünscht.
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Auch eine ausschließliche Montage durch eine abgestützte Konstruktion, beispielsweise mit Verstrebungen, führt zu hohen Kosten. Darüber hinaus behindern derartige Konstruktionen andere Einrichtungen, wie beispielsweise Kabeldurchführungen oder einen Aufzug.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Bauelementbefestigung, wie beispielsweise für Beleuchtungsmittel, Leitern, Aufzüge oder Plattformen zur Wartung, in einem Turm einer Windenergieanlage bereitzustellen, welches einerseits den zusätzlichen Materialaufwand reduziert und andererseits durch konstruktive Maßnahmen dafür sorgt, dass die genannten Nachteile abgemindert werden, so dass der Nachweis der Festigkeit eines solchen Turmes auch ohne den Einsatz von Schweißverbindungen möglich ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Bauelementbefestigung an der Innenwand (3) eines Turmes (2) einer Windenergieanlage gelöst, wobei die Bauelementbefestigung für mindestens ein Bauelement (1) in einem Turm (2) einer Windenergieanlage aus einem Verbindungsmittel (6) in Form eines Klebstoffes besteht und so das Bauelement in mindestens einem Freiheitsgrad behindert wird.
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In weiteren Ausbildungen der Erfindung besteht das Verbindungsmittel (6) aus einem selbsthärtenden oder aus einem nicht selbsthärtenden Klebstoff, wobei die Haltekräfte des Bauelementes (1) vollständig oder teilweise durch das Verbindungsmittel (6) aufgenommen werden.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann das Verbindungsmittel (6) durch ein weiteres nichtklebendes Verbindungsmittel unterstützt werden.
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In einer weiteren Ausbildungen der Erfindung kann das Verbindungsmittel (6) auf der Oberfläche des Bauelementes (1) oder auf der Oberfläche der Innenwand (3) des Turmes (2) der Windenergieanlage angeordnet sein, wobei diese Oberflächen behandelt sein können.
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Die Klebeverbindung zwischen dem Bauelement (1) und der Innenwand (3) des Turmes (2) einer Windenergieanlage kann gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung eine angepresste Verbindung darstellen, wobei die Beaufschlagung mit einer Anpresskraft während der Montage des wenigstens einen Bauelementes (1) an der Innenwand (3) des Turmes (2) der Windenergieanlage erfolgt.
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Damit kann für den Nachweis der Dauerfestigkeit des Turmes gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Kerbfallklasse nach DIN EN 1993-1-9:2010-12 angenommen werden. So kann anstelle eines Kerbfalles 80 für den Bereich eines angeschweißten Elementes entsprechend der Norm DIN EN 1993-1-9:2010-12 mit der Erfindung ein Kerbfall von bis zu 112 für ein angeklebtes Element nachgewiesen werden.
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Dadurch wird unter Berücksichtigung der zu gewährleistenden Stabilität eine Reduktion der Kosten erreicht, da der Materialeinsatz im Mantelbereich des Turmes vermindert werden kann. In einigen Fällen wird dadurch der Nachweis der Stabilität und der Festigkeit eines solchen Turmes erst möglich.
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Die Verbindungsmittel in Form eines Klebstoffes sind außerdem besonders geeignet, um die von Bauelementen an der Innenwand eines Turmes infolge von Eigengewicht und zusätzlichen Belastungen parallel zur Turmachse auftretenden Scherkräfte zu ertragen.
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Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbeispiel anhand der 1 näher erläutert, wobei
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Bezugszeichenliste
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- ein Bauelement an der Innenwand des Turmes,
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- einen Abschnitt eines Turmes einer Windenergieanlage,
- 3
- eine Innenwand eines Turmes einer Windenergieanlage,
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- die Achse eines Turmes einer Windenergieanlage,
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- die für die Anordnung des Bauelementes (1) vorgesehene Stelle an der Innenwand des Turmes,
- 6
- das Verbindungsmittel in Form eines Klebstoffes sowie
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- die Richtung der Andruckkraft
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- während des Anbringens darstellen. Die 1 gibt dabei den Sachverhalte beispielhaft und nicht maßstabsgetreu wider. Dabei zeigt die 1 die Position eines mit einem Verbindungsmittel in Form eines Klebstoffes (6) anzubringenden Bauelements (1) an der Innenwand (3) eines Turmes (2) einer Windenergieanlage.
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Vor dem Anbringen des Bauelementes (1) wird sichergestellt, dass sowohl das Bauelement (1) als auch die Stelle (5) der Innenwand (3) des Turmes (2), an der das Bauelement (1) angebracht werden soll, gereinigt, frei von öl- bzw. fetthaltigen Substanzen sowie frei von Feuchtigkeit sind.
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Weiterhin wird darauf geachtet, dass die dem Klebstoff (6) versehene, zu verklebende Oberfläche des Bauteils (1) eine geringe Schichtdicke aufweist, um einerseits den Klebstoffverbrauch zu minimieren und andererseits eine optimale Haftung zu gewährleisten.
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Die Bauelementverbindung wird durch den Kontakt des mit Klebstoff (6) versehenen Bauteils (1) an der dafür vorgesehenen Stelle (5) der Innenwand (3) des Turmes (2) bereitgestellt. Dabei muss in Abhängigkeit des verwendeten Verbindungsmittels in Form eines Klebstoffes (6) eine ausreichende Andruckkraft bereitgestellt werden sowie auf eine entsprechende Zeitdauer der aufzubringenden Andruckkraft geachtet werden, um so die Aushärtung des Klebstoffes (6) zu ermöglichen, bis die gewünschten Haltekräfte übertragen werden können.
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Weiterhin sind die beim Verkleben notwendigen Umweltbedingungen für die Verfestigung des Verbindungsmittels in Form eines Klebstoffes (6) in Abhängigkeit des verwendeten Verbindungsmittels (6) hinsichtlich der Temperatur, der Strahlung, insbesondere Ultraviolett-Strahlung, der Luftfeuchtigkeit und/oder möglicher Vibrationen sicherzustellen.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist das Bauelement (1) und/oder die vorgesehene Stelle (5) der Innenwand (3) des Turmes (2) zur besseren Haftung des Verbindungsmittels (6) eine hohe Rauhigkeit der Oberfläche auf, die durch eine Oberflächenvorbereitung oder einer Oberflächenbehandlung vor dem Kleben bereitgestellt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist das an die Innenwand (3) des Turmes (2) geklebte Bauelement (1) zusätzlich eine Stützstruktur auf, um die auf die Klebeverbindung (6) wirkenden Scherkräfte zu reduzieren und so eine dauerhafte Festigkeit der Verbindung zu garantieren oder diese gegen ein Versagen zu sichern.
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Es versteht sich, dass die genannte Bauelementbefestigung alle Bauelementverbindungen umfasst, mit welchen ein Bauelement (1) ohne Veränderung der Gefügestruktur des Materials der Turmstruktur angebracht werden kann, wobei die dauerhaften Haltekräfte insbesondere durch Adhäsion bereit gestellt werden. Die hierfür zu verwendenden Verbindungsmittel (6) bestehen dabei neben handelsüblichen Klebstoffen auch aus anderen nichtmetallischen Werkstoffen, beispielsweise natürlichen oder synthetischen organischen Verbindungsmitteln, Silikonen, Befestigungszementen oder anderen keramischen Werkstoffen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009053036 A1 [0010]
- DE 60300538 T2 [0011]
- DE 60308422 T2 [0012]
- DE 102010008639 A1 [0014]
- DE 202006017158 U1 [0015]
- DE 102009055726 A1 [0016]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 1993-1-9:2010-12 [0026]
- DIN EN 1993-1-9:2010-12 [0026]
