DE102005012817A1

DE102005012817A1 - Profilgestaltung

Info

Publication number: DE102005012817A1
Application number: DE102005012817A
Authority: DE
Inventors: Willi Meiners
Original assignee: SEEBA TECHNIK GmbH
Current assignee: Rautaruukki Oyj
Priority date: 2005-03-17
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2006-09-21

Abstract

Mastkonstruktion mit Eckstielen aus Teilprofilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Eckstiele jeweils aus mindestens zwei Teilprofilen bestehen und diese Teilprofile zusammen ein geschlossenes Profil bilden und zwei Trennfugen des geschlossenen Profils so bstimmt sind, dass diese Trennfugen in einer Flucht mit den entsprechenden Trennfugen der geschlossenen Profile der nächsten benachbarten Eckstiele angeordnet sind.

Description

Für die Eckstiele von Turmkonstruktionen mittels Stabwerken verwendet man in der Regel Winkelprofile. Mit der Höhe der Türme und mit der Größe der auf dem Turm montierten Anlagen (z.B. Windkraftanlagen) steigt die Belastung für die Winkelprofile. In gewissem Grade kann man diesen Belastungen durch den Einsatz von Profilen mit größeren Profilquerschnitten entsprechen. Die Vergrößerung der Profilquerschnitte kann jedoch nicht in beliebigem Maß erfolgen, da die Fertigung von Winkelprofilen fertigungstechnisch begrenzt ist.

Es ist eine Möglichkeit, die Anzahl der Eckstiele, die im Allgemeinen vier beträgt, zu erhöhen, um die statischen Vorgaben zu erfüllen. Hierbei befinden sich die durch Querverstrebungen verbundenen Schenkel der allgemein verwendeten rechtwinkligen Winkelprofile nicht mehr in einer Flucht, so dass der Anschluss der Ausfachungsstreben nicht parallel zu den entsprechenden Schenkeln der Winkelprofile erfolgt, was nachteilig ist.

Dieser Problematik begegnet man, indem die Eckstiele aus mehreren, – im Allgemeinen bis zu einer Anzahl von vier, zusammengesetzt werden, wodurch die Querschnittfläche der Eckstiele zwar erhöht wird, die Grundkonstruktion aber weiterhin aus einer Konstruktion mit vier Eckstielen besteht: Nachteilig ist jedoch, dass die für die Knickstabilität wichtigen Trägheitsradien sehr gering sind, da ein großer Teil der Querschnittfläche im Schwerpunktbereich liegt.

Entsprechend sind viele Zwischenabstützungen des Eckstieles notwendig, was den konstruktiven Aufwand erheblich vergrößert.

Es existieren Konstruktionen für Fachwerktürme, bei denen die Eckstiele und auch die Ausfachung aus Rohren gebildet werden. Hierbei ist insbesondere die Materialkonzentration in statisch optimaler Anordnung weit von der neutralen Fase des Profiles entfernt. Allerdings sind die Anschlüsse der Ausfachungen und die Stöße der Eckstiele aufwendiger und ungünstiger, als bei den vorgenannten Winkelprofilkonstruktionen.

Geschweißte Anschlüsse sind aufwendig in der Fertigung und haben hohe Kerbwirkung, weshalb sie für dynamisch beanspruchte Türme wie bei Windkraftanlagen stark überdimensioniert werden müssen und daher kaum in Frage kommen.

Insbesondere vor dem Hintergrund neuer Generationen von Windkraftanlagen, deren Nabenhöhen über 150 Meter betragen, sind neue Ansätze für die Gestaltung der Fachwerkkonstruktion entwickelt worden. Im Stahlbau Kalender 2004 (S. 579–586) wird in einem Beitrag von Herrn Univ. Professor Dr.-Ing Peil eine im Hinblick auf den Materialeinsatz und die Montage optimiertes Eckstielprofil erläutert. Hierbei wird ein handelsübliches I-Profil, wie es in der Fachwelt unter der Bezeichnung „Peiner-Träger" bekannt ist, nach seinem Walzprozess in eine neue Form gebracht, so dass die Gurte einen Winkel von 90° miteinander einschließen. Das Profil kann dabei offen oder geschlossen sein. Im letzteren Fall werden die Gurte an der Kontaktlinie miteinander verschweißt. Die Bezeichnung "geschlossenes Profil" wird im Folgenden für Profilkonstruktionen verwendet, die entweder eine Berührlinie des gesamten Profils oder aber eine Berührlinie an bestimmten Stellen des Profils aufweisen. Diese oben genannten Eckstielkonstruktionen eignen sich nach den o.g. Ausführungen insbesondere für Fachwerktürme mit vier bzw. drei Eckstielen.

Diese Fertigung dieser neuen Profile ist aufwendig, nach dem Walzen des I-Profiles ist ein weiterer Fertigungsprozess notwendig. Vorteil gegenüber Winkelprofilen ist die große Querschnittfläche, die mit nur einem Profil erreichbar ist, sowie der gegenüber Winkelkonstruktionen größere Trägheitsradius. Nachteilig ist, dass der Trägheitsradius gegenüber einem vergleichbaren Rohr wesentlich (etwa Faktor 1,4) kleiner ist, und dass die Diagonalen die Kräfte nicht im Schwerpunkt des Profiles einleiten, so dass die Eckstiele tordiert werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mastkonstruktion – insbesondere der Eckstiele derselben – zur Verfügung zu stellen, die die eine hohe Stabilität aufweist und einfach zu montieren ist.

Die Aufgabe wird entsprechend des Anspruchs 1 der vorliegenden Erfindung gelöst. Ausführungsbeispiele werden in den Unteransprüchen beschrieben.

Das folgende Beispiel erklärt die Erfindung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei folgende Zeichnungen zur Erläuterung beigefügt sind:
1: Querschnitt eines Turmes mit acht Eckstielen im Bereich der Basiskonstruktion
2: Eckstiel eines Turmes mit acht Eckstielen aus zwei profilierten Blechen mit Laschen
3: Stebe einer Ausfachung
4: Querschnitt eines Turmes mit acht Eckstielen im Bereich des Topfes
5: Querschnitt eines Turmes mit vier Eckstielen im Bereich der Basiskonstruktion
6: Eckstiel eines Turmes mit vier Eckstielen aus zwei profilierten Blechen mit Laschen
7: Kombination eines Fachwerkturmes mit einem rohrförmigen Turm
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Turm acht Eckstiele auf. Diese Eckstiele bestehen in der Längsrichtung aus Segmenten, welche aus jeweils zwei vorzugsweise gekanteten Blechen gebildet werden. Diese Bleche weisen im montierten Zustand einen Querschnitt auf, der dem eines achteckigen Rohres entspricht. Die beiden Bleche sind nicht symmetrisch, sondern so beschaffen, dass sich die Laschen (1, 6) der Streben (2) der Ausfachungen so zwischen den Berührlinien der Bleche befinden, dass die Anschlussstellen der Streben flächig zwischen den Kontaktbereichen der beiden Bleche anliegen.
Für die beispielhafte Mastkonstruktion mit vier Eckstielen ergibt sich für das äußere Blech (3) des Eckstieles dementsprechend ein Winkel von ca. 235°. Für das innere Blech (4) des Eckstieles ergibt sich entsprechend ein Winkel von ca. 125°.
Ein besonders vorteilhafter Aspekt dieser Konstruktion ist, dass sich im montierten Zustand ein nahezu geschlossenes Profil des Eckstiels ergibt. Die Form und damit auch der Trägheitsradius und die Knickstbilität entsprechen nahezu einem Rohr, das bekanntermaßen das mögliche Optimum an Knickstabilität ist. Dadurch wird Gewicht gespart, die notwendige Anzahl der Diagonalen und Verschraubungen wird reduziert. In der Regel kann auf gekreuzte Diagonale vezichtet werden, es reicht eine Zick-Zack Ausfachung. Auf Hilfsausfachungen kann komplett verzichtet werden. Notwendig bleiben Horizontalverbände, die leicht an den Flanschen der Eckstiele angeschlossen werden können.
Die Montage der Konstruktion erfolgt durch Schraubverbindungen, vorzugsweise am Ort des Bauwerkes. Schweißarbeiten sind i.A. nicht notwendig.
Die Streben (2) sind mit Ihren flachen Laschen (1, 6) zwischen den Kontaktbereichen der Bleche angeordnet und verringern, gegenüber einer herkömmlichen Konstruktion der Eckstiele aus Winkelprofilen, durch die auf das Zentrum des Eckstieles gerichtete Krafteinleitung, Biegemomente und Torsion der Eckstiele.
Ein weiterer Vorteil der vorgenannten Konstruktion der Eckstiele ergibt sich für die Realisierung des Anschlusses der Eckstiele an das Übergangsstück oder den Topf für die Gondel einer Windenergieanlage. Dieser Topf besteht im Allgemeinen aus zu einem Rohr gewalzten und verschweißten Blechen. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion wird das Blech des Topfes zwischen das jeweilige äußere Blech (3) und innere Blech (4) des jeweiligen Eckstieles positioniert. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass die Krafteinleitung der Kräfte aus der Gondel über die Topfwandung nahezu mittig in die Eckstiele erfolgt und somit keine statisch ungünstigen Kraftumleitungen notwendig sind. Weiterhin erfolgt die Krafteinleitung durch das äußere Blech (3) und das innere Blech (4) zweischnittig, was die Anzahl der zur Verbindung notwendigen Schrauben erheblich reduziert.
Die Stöße der Eckstiele werden gelascht, wobei die Laschen (1, 6) vorteilhaft auf den Flächen des vorzugsweise achteckigen Profiles der Streben (2) verschraubt werden.
Aus dem oben geschilderten Prinzip, der sich zu einem geschlossenen Profil ergänzenden, asymmetrisch geteilten Eckstiele, ergeben sich weitere vorteilhafte Konstruktionsmöglichkeiten.
So ist es zum Beispiel möglich, einen Turm mit beispielsweise vier Eckstielen nach diesem Prinzip zu fertigen. Für das äußere Blech (3) des Eckstieles ergibt sich dabei ein Winkel von 270° und für das innere Blech ein Winkel von 90°. Hier sind Variantenkonstruktionen möglich, die insbesondere in Hinsicht auf den Übergang zu dem Topf der Windkraftanlage optimiert sind.
Durch die erhöhte Stabilität und die Erhöhung der Anzahl der Eckstiele einer Mastkonstruktion lässt sich die benötigte Grundfläche gegenüber einer herkömmlichen Mastkonstruktion wesentlich reduzieren. Dies ist besonders in dem Falle von Belang, in dem dem Abstand der Rotorblätter – auf Grund der Durchbiegung derselben – zu der Mastkonstruktion eine sicherheitsrelevante Rolle zukommt. Hier besteht die Möglichkeit, eine Mastkonstruktion mit vier Eckstielen im Basisbereich mit einer Mastkonstruktion mit z.B. acht Eckstielen im oberen Bereich der Konstruktion zu kombinieren.
Man erhält einen im oberen Bereich sehr schlanken Turm, der den erforderlichen Abstand zu den Rotorblättern besitzt. Auf der Basis der vorgenannten Konstruktionsmerkmale ergibt sich weiterhin die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Stabwerkskonstruktion mit einer rohrförmigen Turmkonstruktion (5) zu kombinieren und somit die Vorteile beider Bauweisen zu kombinieren.

Claims

Mastkonstruktion mit Eckstielen aus Teilprofilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Eckstiele jeweils aus mindestens zwei Teilprofilen bestehen und diese Teilprofile zusammen ein geschlossenes Profil bilden und zwei Trennfugen des geschlossenen Profils so bestimmt sind, dass diese Trennfugen in einer Flucht mit den entsprechenden Trennfugen der geschlossenen Profile der nächsten benachbarten Eckstiele angeordnet sind und sich somit exemplarisch für die vorgehend bezeichneten Trennfugen für einen Turm mit vier Eckstielen ein Winkel von ca. 90° und für einen Turm mit acht Eckstielen ein Winkel von ca. 125° ergibt, wobei mit dem o.g. Winkel der Winkel bezeichnet ist, welcher durch die Lasche 1 und durch die Lasche 6 eingeschlossen wird.
Erfindung entsprechend des vorgenannten Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Teilprofile gebildete geschlossene Profil des Eckstiels vorzugsweise dem eines achteckigen Rohres entspricht.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausfachung der Mastkonstruktion aus Streben (2) aus symmetrischen Profilen besteht, wobei der Querschnitt der zusammengefügten Profile vorzugsweise dem eines achteckigen Rohres entspricht.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengefügten Streben (2) der Ausfachung durch zwischen den symmetrischen Profilen der Ausfachung montierte Laschen (1, 6) mit den Eckstielen verbunden sind.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Eckstiele der Mastkonstruktion über die Höhe des Masten nicht konstant ist.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Gitterturm bildenden Profile mit einem rohrförmigen Turm (5), wobei der rohrförmige Turm (5) zwischen dem Gitterturm und der Gondel des Windkraftwerkes positioniert ist, verbunden sind.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Gitterturm bildenden Elemente mit einem rohrförmigen Segment, vorzugsweise dem Topf der Gondel des Windkraftwerkes verbunden ist und ein Teilprofil des Eckstieles an der Außenwandung des Topfes und ein Teilprofil an der Innenwandung des Topfes positioniert ist.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Eckstiele oder/und der Streben (2) zumindest teilweise durch nichtmetallische Materialien z.B. laminierten Carbonfasern gebildet werden.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Eckstiele oder/und der Streben (2) zumindest teilweise durch nichtmetallische Materialien z.B. laminierten Carbonfasern gebildet werden.
Erfindung entsprechend eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Eckstiele oder/und der Streben (2) zumindest teilweise durch faserhaltige Naturmaterialien gebildet werden.