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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flanschverbindung für Bauelemente eines Turmes, insbesondere für einen Stahlrohrturm einer Windenergieanlage, sowie ein Verfahren zum Verbinden von Bauelementen eines Turmes, insbesondere für einen Stahlrohrturm einer Windenergieanlage.
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Durch die Steigerung der Nabenhöhe von Windenergieanlagen können höhere Erträge erreicht werden, da die Windgeschwindigkeit im Allgemeinen mit dem Abstand von der Geländeoberkante zunimmt. Windenergieanlagen werden üblicherweise mit Stahl-, Beton-, Holz- oder Hybridtürmen in Rohr- oder Gitterbauweise realisiert.
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Bei der Errichtung von Windenergieanlagen werden Stahlrohrtürme aufgrund der geringen Masse und des schnellen Aufbaus oft bevorzugt. Da der Straßen- und/oder Bahntransport eines Turmes mit einer Höhe von oft mehr als 100 m aufgrund der Größenbeschränkungen auf den Transportwegen nicht als Einzelteil möglich ist, werden zunächst Segmente mit einer Höhe von meist 10–30 m gefertigt und auf der Baustelle bei der Errichtung des Turms miteinander verbunden.
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Bei der Fertigung solcher Stahlrohrturmsegmente kommen im Stand der Technik gewalzte Stähle zum Einsatz. Die Verbindung einzelner Komponenten der Segmente eines solchen, meist rotationssymmetrischen Stahlrohrturms erfolgt mit dem Unterpulverschweißverfahren unter Berücksichtigung der Normen DIN 18800 bzw. DIN EN 1993.
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Die Verbindung der Turmsegmente erfolgt bei der Errichtung des Turmes durch entsprechende Flanschverbindungen, wobei die Turmsegmente bei der Montage an ihren Enden mit T- oder L-Flanschen versehen sind und bei der Errichtung des Turmes mit Schrauben, Bolzen oder anderen Befestigungsmitteln verbunden werden.
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Beispielsweise ist in der
EP 2 192 245 B1 eine Windenergieanlage mit einem Turm bestehend aus mindestens einer Turmsektion und einem weiterem Element beschrieben, bei der eine solche Turmsektion mit dem mindestens einen weiteren Element durch eine Flanschverbindung verbunden wird. Die Verbindung erfolgt dabei durch Bolzen und Muttern, die an mindestens einer vom Flansch abgewandten Seite mehrere Vertiefungen zum Aufnehmen von Vorsprüngen von Anzugsvorrichtungen aufweisen.
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In der
EP 1 379 744 B1 wird ein ringförmiger L-Verbindungsflansch für Turmsegmente einer Windenergieanlage mit einer konischen Form vorgestellt. Die zu verbindenden rohrförmigen Abschnitte des Turmes weisen dabei eine konische Form auf, während der Flanschkragen eine Ebene bildet. Der Flanschkragen weist dabei Bohrungen zur Aufnahme von Verbindungsschrauben auf.
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Unter Zugbelastung neigt eine L-Flanschverbindung zur Ausbildung eines Spaltes, hervorgerufen durch das elastische Verhalten des Materials des Flanschkörpers. Verstärkt wird der Effekt zusätzlich, wenn die auftretende Belastung die Vorspannkraft übersteigt. Dies wird dadurch begründet, dass aufgrund der Kraftumleitung aus der Turmwandstruktur in die Schraubverbindung und zurück in die Turmwandstruktur eine Momentenbelastung entsteht, da der Abstand der Schraubverbindung zur Turmachse nicht dem mittleren Turmradius entspricht.
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In der
EP 2 383 476 A1 wird eine konkav-konvexe Form für die Verbindungselemente und den Mutternsatz eines Flansches vorgestellt, um das Klaffen zu minimieren.
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Die
WO 2009 132 659 A2 beschreibt einen Turmabschnitt für den Turm einer Windenergieanlage, wobei der Turmabschnitt mit einem anderen Turmabschnitt oder dem Fundament des Turmes durch einen Flansch verbunden wird. Der Flansch weist dabei mehrere Gruppen von Bohrungen auf, wobei die Gruppen unterschiedliche Winkel zur Turmachse aufweisen. Die Bohrungen werden dabei ringförmig über den über die Turmwand hinausragenden Teil des Flansches verteilt.
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Insbesondere bei Turmhöhen von 100 m und mehr werden Flanschverbindungen aufgrund der erforderlichen Anzahl und Größe der einzelnen Schraubverbindungen oft zusätzlich auf der Außenseite des Turmes realisiert. Daher wird insbesondere für den unteren, besonders hoch belasteten Teil eines Turmes auf T-Flansche übergegangen, bei dem die Verschraubung sowohl im Innen- als auch im Außenbereich des Turmes erfolgt. Damit kann die Auflagefläche erhöht werden, wodurch sich eine Reduktion der Momentenbelastung auf die Verbindungselemente ergibt.
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Die
EP 2 192 238 B1 beschreibt ein Fundament für einen Windenergieanlagenmast mit einem Steinflansch mit zwei Sätzen von Ankerlöchern, wobei die Winkel der beiden Sätze zur Längsrichtung der Windenergieanlage nicht gleich sind.
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Da der Kraftfluss jedoch auch bei der Verwendung von T-Flanschen über die Verbindungselemente umgeleitet wird, kann auch hier die Ausbildung eines Spaltes nicht zwingend vermieden werden.
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Ein weiterer Nachteil einer T-Flanschverbindung ist das Hinausragen der Flansche über den Außendurchmesser. Dadurch wird der mögliche Außendurchmesser des Turmes reduziert, da der Außendurchmesser der Flansche maßgeblich für den Transport des gesamten Bauteils zum Ort der Errichtung des Turmes ist. Weitere Nachteile ergeben sich durch die erschwerte Montierbarkeit und Wartbarkeit im Außenbereich des Turmes sowie aus ästhetischen Gründen.
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Die
JP 07 026 627 A beschreibt eine Verbindung von Stahlrohrleitungen, wobei ein Flansch mit einer Bohrung, die einen Winkel von 45° gegenüber der Achse der Rohre aufweist, genutzt wird, um Rohre unterschiedlichen Durchmessers miteinander zu verbinden, wobei beide Flanschteile einen gleichen Außendurchmesser aufweisen.
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Durch eine solche Anordnung wird ein sonst über den Außendurchmesser des größeren Rohres hinausragender Abschnitt vermieden. Eine Kraftumleitung ist beim Rohrübergang von einem Durchmesser zu einem anderen Durchmesser mit einer Flanschverbindung nicht vermeidbar. Für die Verbindung von Rohrabschnitten mit gleichen Durchmessern an ihren gegenüberliegenden Stirnflächen sind dagegen Verbindungselemente bekannt, die durch die Turmwand geführt werden. Die Kraftübertragung zwischen den einzelnen Bauteilen erfolgt dann zu einem großen Teil über Reibkräfte.
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Die
EP 2 006 471 B1 beschreibt einen Turm einer Windenergieanlage mit einem polygonalen Querschnitt, bei dem jedes Turmsegment aus einzelnen Platten besteht, die durch Verbindungsplatten miteinander verbunden werden. Die Verbindung der Verbindungsplatten mit den Platten des Turmsegmentes erfolgt dabei durch Flansche, Gewindebolzen, Muttern, Gewindebolzenverlängerungen beziehungsweise Unterlegscheiben.
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In der
EP 2 375 057 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem der Turm einer Windkraftanlage oder ein Segment eines solchen Turmes ohne Flansch mit einem Fundament verbunden wird. Dabei wird ein Übergangsstück eingesetzt, durch welches die Bauteile mit Bolzen verbunden oder verschweißt werden.
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Weitere Anwendungen von Flanschverbindungen sind im Behälter- und Rohrleitungsbau zu finden. Verschiedene Varianten von Flanschverbindungen hierfür, beispielsweise mit Rohrschellen und O-Ringen, werden häufig so ausgelegt, dass eine Dichtheit der Verbindung nachgewiesen werden kann, um dem Verlust von Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen, die durch ein Rohr transportiert werden sollen, vorzubeugen. Eine solche Dichtheit muss für Türme, insbesondere einen Turm einer Windenergieanlage, jedoch nicht gewährleistet werden, da ein Austausch der Luft zwischen dem Turminneren und der Umgebung sogar erforderlich ist, um im Inneren des Turmes entstehende Wärmemengen abzuführen. Aus diesem Grund wird für Windenergieanlagen im Stand der Technik häufig sogar eine Turmbelüftung verwendet. Für die Verbindung von Bauteilen eines Turmes sind daher der Verlauf Kraftflusses sowie die Nachweisbarkeit der Festigkeit hinsichtlich statischer und dynamischer Belastung entscheidende Kriterien.
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Für hohe Türme, insbesondere für Turmsegmente von Windenergieanlagen, werden meist L-Flansche mit einer Verschraubung im Inneren des Turmes genutzt, da diese eine bessere Zugänglichkeit bieten, als Flansche, die im Außenbereich verschraubt werden. Die Nutzung einer solchen L-Flanschverbindung ist durch die auftretenden statischen und dynamischen Belastungen begrenzt, insbesondere im unteren Teil eines solchen Turmes.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Flanschverbindung für Bauelemente eines Turmes sowie ein Verfahren zum Verbinden von Bauelementen zu schaffen, womit sich Turmsegmente vor Ort kostengünstig zusammenfügen sowie über die Auslegungslebensdauer der Anlage warten lassen, wobei die Nachteile von Flanschverbindungen im Stand der Technik hinsichtlich der Nachweisbarkeit, der Kosten, der Belastbarkeit und ästhetischer Gesichtspunkte reduziert werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Flanschverbindung (13) von mindestens einem rohrförmigen Bauelement (6) eines Turmes (2) aus Stahl, insbesondere für eine Windenergieanlage (1), mit mindestens einem weiteren rohrförmigen Bauelement (7) des Turmes (2) aus Stahl und/oder einem Fundamentbauelement (3) gelöst, wobei die Flanschverbindung (13) an den Stirnseiten der zu verbindenden Bauelemente (3, 6, 7) jeweils einen Flanschkragen (16) mit Bohrungen (14), die den Flanschkragen (16) und die Schalenmittelfläche (21) durchdringen und dadurch eine Öffnung in der Kontaktebene (18) der zu verbindenden Bauelemente (3, 6, 7) bilden, aufweist. Dabei ist der Flanschkragen (16) als Ring ausgebildet und weist einen Abschnitt mit trapezförmigem Querschnitt (17) auf.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist die Achse der Bohrung (14) einen Winkel von mehr als 15° zur Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) aber weniger als 75° zur Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Bohrung (14) durchgängig oder als Sackloch ausgeführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist die Bohrung (14) ein Innengewinde (20) und/oder ein montiertes Element mit Gewindeeinsatz oder eine Einpressbuchse mit Innengewinde auf.
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Durch die Verwendung von Verbindungselementen in diesen Bohrungen (14), beispielsweise von Schrauben, Nieten und/oder Bolzen, sowie der Verwendung von Befestigungselementen, beispielsweise in Form von Muttern mit oder ohne Scheiben, oder durch Nutzung eines Innengewindes (20), eines Gewindeeinsatzes und/oder einer Einpressbuchse wird eine kraftschlüssige Verbindung erreicht. Durch die Einbringung und Befestigung von Verbindungselementen durch die Schalenmittelfläche der Bauelemente wird eine Kraftumleitung vermieden, die bei Verbindungen mit L-Flanschen und T-Flanschen im Stand der Technik unvermeidbar ist. Damit können die Festigkeitseigenschaften hinsichtlich statischer und dynamischer Belastungen verbessert werden.
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Mit einer solchen Flanschverbindung wird eine Reduzierung der Masse des Flanschteils von Turmsegmenten einer Windenergieanlage um mehr als 50% gegenüber L-Flanschen oder um mehr als 20% gegenüber T-Flanschen im Stand der Technik möglich. Aus einer solchen Materialreduktion folgt auch eine deutliche Reduktion der Turmkosten.
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Außerdem können mit einer solchen Flanschverbindung gegenüber einer L-Flansch- oder einer T-Flanschverbindung im Stand der Technik Vorteile hinsichtlich der Montierbarkeit erreicht werden, da mehr Platz für ein Montagewerkzeug zur Verfügung steht. Der zur Verfügung stehende zusätzliche Platz ist auch für eine Erhöhung der Schraubenanzahl nutzbar.
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Zusätzlich kann der Außendurchmesser des Turmes mit einer erfindungsgemäßen Flanschverbindung gegenüber einer T-Flanschverbindung vergrößert werden, ohne dass die Transportmaße überschritten werden, die einen liegenden Straßen- oder Bahntransport einschränken würden.
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Weiterhin ist ein Verfahren zum Verbinden mindestens eines Bauelementes (6) eines Turmes (2), insbesondere eines Stahlrohrturmes (2) einer Windenergieanlage (1), mit mindestens einem weiteren Bauelement (7) des Turmes (2) und/oder mit einem Fundamentbauelement aus Stahl (3) Gegenstand der Erfindung. Dabei ist eine Flanschverbindung mit mindestens einer Bohrung (14) zur Durchführung von Verbindungselementen versehen, die den Flanschkragen (16) und die Schalenmittelfläche (21) durchdringt, so dass die Kontaktebene (18) der Bauelemente (6, 7) eine Öffnung aufweist. Dabei werden nach einer Ausrichtung und Fixierung der Bauelemente (6, 7) Verbindungselemente in die Bohrungen eingesetzt und mit Befestigungselementen verbunden. Die Verbindung erfolgt dabei so, dass ohne äußere Belastung eine Zugkraft auf das Verbindungselement wirkt, die einer geforderten Vorspannkraft entspricht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verbindungselement mit einem Befestigungselement vorgespannt, wobei das Verbindungselement durch eine Schraube oder einen Bolzen und das Befestigungselement durch eine Mutter, ein Innengewinde (20), einen Gewindeeinsatz und/oder eine Einpressbuchse gebildet wird und das Verbindungselement oder das Befestigungselement bei der Montage gegen ein Verdrehen gesichert wird.
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In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Auflageflächen für die Verbindungselemente und Befestigungselemente vor der Befestigung dieser Elemente durch ein Material abtragendes Verfahren bearbeitet.
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Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbeispiel anhand der 1 bis 3 näher erläutert, wobei
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Bezugszeichenliste
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- 1
- eine Windenergieanlage,
- 2
- einen Turm,
- 3
- ein Fundament,
- 4
- ein Maschinenhaus,
- 5
- einen an ein Maschinenhaus angeschlossenen Rotor,
- 6
- ein Bauelement in Form eines ersten Turmsegmentes,
- 7
- ein Bauelement in Form eines zweiten Turmsegmentes,
- 8, 9
- zwei Bauelemente in Form weiterer Turmsegmente,
- 10
- die Mittelachse eines Turmes,
- 11
- eine L-Flanschverbindung im Stand der Technik,
- 12
- eine T-Flanschverbindung im Stand der Technik,
- 13
- eine erfindungsgemäße Flanschverbindung,
- 14
- eine Bohrung,
- 15
- eine Turmwand,
- 16
- einen als Ring ausgebildeten Flanschkragen,
- 17
- ein Abschnitt des Flanschkragens mit trapezförmigem Querschnitt,
- 18
- die Kontaktebene der Bauelemente,
- 19
- den Winkel zwischen der Achse der Bohrung und der Kontaktebene der Bauelemente,
- 20
- ein Innengewinde und
- 21
- eine Schalenmittelfläche
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Dabei zeigt die 1 als Schnittzeichnung nicht maßstabsgetreu eine Windenergieanlage (1) mit einem Turm (2), bestehend aus vier Turmsegmenten (6, 7, 8, 9), einem Maschinenhaus (4) und einem daran befestigten Rotor (5) auf einem Fundament (3). Weiterhin zeigt die Zeichnung die im Stand der Technik verwendeten Flanschverbindungsarten: eine L-Flanschverbindung (11), insbesondere für die oberen Turmsegmente (7, 8, 9), und eine T-Flanschverbindung (12), insbesondere für die Verbindung der unteren Turmsegmente (6) mit dem Fundament (3), im Vergleich mit einer erfindungsgemäßen Flanschverbindung (13).
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Weiterhin zeigt die 2 als Schnittzeichnung nicht maßstabsgetreu den oberen Teil für eine erfindungsgemäße Flanschverbindung (13).
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Weiterhin zeigt die 3 als Schnittzeichnung nicht maßstabsgetreu eine erfindungsgemäße Flanschverbindung (13) ohne Verbindungselemente, jedoch mit einer Bohrung (14), die ein Innengewinde (20) aufweist, so dass in diese eine Schraube von oben eingeführt und befestigt werden kann.
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Der Flansch (13) wird dabei hergestellt, indem bei der Produktion der Turmsegmente (6, 7) mindestens ein Flanschkragen (16) mit größerem Außendurchmesser und kleinerem Innendurchmesser angebracht wird. Dabei wird ein Flanschkragen (16) vorgesehen, bei dem sich zwischen maximalem Außendurchmesser und dem Außendurchmesser des Turmsegmentes (6, 7) und zwischen minimalem Innendurchmesser und dem Innendurchmesser des Turmsegmentes (6, 7) jeweils ein Abschnitt mit trapezförmigem Querschnitt (17) ergibt.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung wird zunächst eine zylindrische Form des Flanschkragens (16) gewählt, bei der der Außendurchmesser eines außen anzubringenden Elementes größer als der Außendurchmesser des Turmsegmentes (6, 7) ist und bei der der Innendurchmesser eines innen anzubringenden Elementes kleiner als der Innendurchmesser des Turmsegmentes (6, 7) ist. Die Form mit einem Abschnitt, der einen trapezförmigen Querschnitt (17) aufweist, wird dabei durch eine nachträgliche Material abtragende Bearbeitung hergestellt.
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Die so hergestellten Turmsegmente (6, 7) mit einem Flanschkragen (16) mit einem trapezförmigen Abschnitt (17) werden übereinander positioniert und mit mindestens einer Bohrung (14) versehen.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Achse der Bohrung (14) einen rechten Winkel mit der Innen- oder Außenfläche des kegelstumpfförmigen Abschnittes (17) des Flanschkragens (16) auf.
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Darüber hinaus ist mindestens eine weitere Bohrung (14) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzusehen, um weitere, über den Umfang der Turmsegmente (6, 7) verteilte Durchführungen für Verbindungselemente zu realisieren.
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Anschließend wird jeweils ein Verbindungselement, bevorzugt eine Schraube, die einen kleineren Nenndurchmesser aufweist, als die Bohrung, in die mindestens eine Bohrung (14) eingebracht, wobei das Verbindungselement die Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) in einem Winkel von mindestens 15°, höchstens jedoch 75° durchstößt.
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Ein solches Verbindungselement wird dabei von der Innenwand schräg von oben nach unten durch die Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) durch diese Bohrung (14) geführt.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die Verbindungselemente abwechselnd von der Innenwand von oben durch die Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) nach unten und von der Außenwand von oben durch die Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) nach unten über den Umfang des Flansches verteilt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich durch andere Kombinationen in Bezug auf die Richtung der Durchführung der Verbindungselemente von oben oder von unten durch die Kontaktebene (18) der Turmsegmente (6, 7) und durch die Einführung der Verbindungselemente in die Bohrung (14) von der Außenseite oder von der Innenseite des Turmes (2).
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Die Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung erfolgt mit einem Befestigungselement. Dabei wird entweder das Verbindungselement gehalten und das Befestigungselement angezogen oder das Verbindungselement angezogen und das Befestigungselement gehalten. Zur Vermeidung eines Spaltes während einer statischen und/oder dynamischen Belastung ist eine Vorspannung der Verbindung vorzusehen.
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In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine HV-Garnitur, bestehend aus Schraube, Mutter und Scheiben, unter Berücksichtigung der Norm DIN EN 14399 verschraubt. Dabei wird eine Verdrehsicherung für die Schraube oder für die Mutter vorgesehen, beispielsweise durch Anschweißen der Mutter am Flanschkragen (16) oder durch Festhalten mit einem Werkzeug.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Schraube in ein Gewinde eingedreht, so dass Arbeiten an der Außenwand des Turmes vermieden oder reduziert werden können. Dazu eignet sich ein bei der Herstellung der Bohrungen (14) vorbereitetes Innengewinde (20), ein Gewindeeinsatz oder eine Einpressbuchse mit vorbereitetem Gewinde.
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Es versteht sich, dass die dargestellten Sachverhalte und Figuren die Erfindung beispielhaft wiedergeben. Weitere Kombinationen in Bezug auf die Anordnung und Anzahl der Bauelemente (6, 7, 8, 9), der Bohrungen (14) und der Art der Führung der Verbindungselemente verlassen nicht den Rahmen der Erfindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2192245 B1 [0006]
- EP 1379744 B1 [0007]
- EP 2383476 A1 [0009]
- WO 2009132659 A2 [0010]
- EP 2192238 B1 [0012]
- JP 07026627 A [0015]
- EP 2006471 B1 [0017]
- EP 2375057 A1 [0018]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 18800 [0004]
- DIN EN 1993 [0004]
- Norm DIN EN 14399 [0047]
