DE102011001250A1 - Vorrichtung und Verfahren für den Übergang zwischen einem Stahlturmabschnitt und einem vorgespannten Betonturmabschnitt - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein T-förmiges Bauteil (1) – bevorzugt aus Stahl –, das besonders dazu geeignet ist, den Übergang zwischen dem unteren Spannbetonabschnitt (7) eines Turmes – bevorzugt einer Windenergieanlage – und dem aufgehenden Turmabschnitt aus Stahl (6) – oder einem alternativen Material – zu bilden. Durch mittig in einem T-Querschnitt angeordnete Aussparungen (3, 5) werden die Spannglieder (8) des unteren Spannbeton-Turmabschnittes (7) durchgeführt, verankert und vorgespannt. Das Bauteil (1) ist damit verankert ohne weitere Verankerungselemente und ohne zusätzliche Belastungen aus exzentrisch angreifenden Kräften.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindung zwischen zwei Konstruktionsabschnitten eine Turmes – bevorzugt eines Turmes einer Windenergieanlage – untereinander. Bei der Koppelstelle handelt es sich um den Übergang zwischen einem in der Regel vorgespannten Stahlbetonturmabschnitt und der aufgehenden Stahlkonstruktion.
• Stand der Technik
• Windenergieanlagentürme mit Turmabschnitten aus unterschiedlichen Materialien werden auch als Hybridtürme bezeichnet. Der untere Abschnitt aus Beton kann aus vorgefertigten Betonelementen, die miteinander verbunden werden, oder aus einem monolithischen Betonbauteil bestehen. Um eine höhere Standfestigkeit zu erhalten ist der Konstruktionsabschnitt aus Betonwerkstoff häufig vorgespannt. Dies erfolgt mittels im Turminneren frei zugänglichen Spanngliedern oder mittels Spanngliedern, die innerhalb des Betonquerschnittes liegen und nach dem Vorspannen vergossen werden. Durch das Vergießen des Hohlraumes zwischen Spannglied und Hüllrohr mit einem alkalischen Vergussmaterial ist das Spannglied besonders gut vor Korrosion geschützt. Außerdem ermöglicht die Lage des Spanngliedes im Betonquerschnitt eine zentrische Vorspannkraft hinsichtlich der Schwerlinie des Betonquerschnittes; es treten keine zusätzlichen Biegebelastungen auf.
• Der aufgehende Turmabschnitt aus Stahl kann aus mehreren röhrenförmigen Turmsegmenten bestehen, die entweder einstückig gefertigt sind oder aus mehreren zusammengefügten Segmenten über den Umfang der Sektion bestehen. In diesem Stahlringquerschnitt herrschen ebenfalls zentrische Spannungsverhältnisse. Alternativ zu einer Ausführung in Stahl kann der obere Turmabschnitt aus hochfestem, alterungsbeständigem Kunststoff – beispielsweise Glasfaserverstärker Kunststoff – gefertigt sein.
• An der Verbindungsstelle des oberen Turmabschnittes mit dem unteren, vorgespannten Turmabschnitt aus Beton treffen unterschiedliche Werkstoffe und Bauteildicken aufeinander. Beide Bauteile müssen dauerhaft fest miteinander verbunden werden, um den hohen dynamischen Belastungen standzuhalten.
• Für dieses Detail sind verschiedene Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt. So ist in der Patentschrift DE 102 30 273 B3 ein ringförmiges Adapterelement aus Stahl beschrieben, das Bohrungen aufweist, durch die die Spannglieder aus dem unteren Betonturmabschnitt geführt sind. Oberhalb des Adapterelementes sind die Spannglieder verankert, so dass eine feste Verbindung zwischen Adapterelement und Spannbeton besteht. Am oberen Abschluss des Adapterelementes befindet sich eine Flanschkonstruktion, an die die aufgehende Stahlkonstruktion angeschlossen ist. Im Adapterring entsteht konstruktionsbedingt ein Versatz der Lastweiterleitung, da die Spanngliedverankerung außerhalb der aufgehenden Wandung liegt.
• Bei der aus DE 10 2007 031 065 A1 bekannten Konstruktion ist am oberen Abschluss des Betonturmsegmentes ein ringförmiger Kopfbalken angeordnet, durch den die im Turminneren liegenden, freien Spannglieder geführt und verankert sind. Die aufgehende Stahlkonstruktion weist einen einseitigen Flansch auf. Durch den Kopfbalken verläuft eine geneigte Bohrung, durch die Verankerungsbolzen geführt sind. Diese verbinden Stahlflansch und Betonbauteil und sind jeweils mit zwei Muttern befestigt. Diese Lösung ermöglicht den Austausch der Ankerbolzen, aber auch hier entsteht ein Versatz in der Wirkungslinie der Vertikalkräfte.
• DE 10 2004 017 006 A1 beschreibt eine Verankerungskonstruktion, deren unteres Bauteil – eine durchankerte Stahlplatte – im Beton des Turmschaftes oder des Fundamentes eingegossen wird. Der Aufbau der Konstruktion ist symmetrisch: im aufgehenden Stahlbauteil ist ein symmetrischer, T-förmiger Flansch angeordnet, durch den beidseitig des Steges je eine Ankerstange geführt und mit einer Mutter befestigt wird. Bei Anordnung von Vorspannlitzen im unteren Turmschaft können diese zwar im Betonquerschnitt geführt und nachträglich vergossen werden, allerdings liegt die Endverankerung des Spanngliedes im Betonquerschnitt seitlich neben der Verankerung des aufgehenden Stahlsegmentes. Um sowohl die Verankerungskonstruktion für den aufgehenden Stahlturm als auch die Endverankerung des Spanngliedes im Querschnitt unterbringen zu können, ist eine Aufweitung des Betonquerschnittes notwendig.
• Alternativ kann ein L-förmiger, einseitiger Flansch am aufgehenden Stahlsegment angeformt werden. Dieser wird am oberen Ende des Betonbauteils aufgesetzt und direkt vom Spannglied durchankert. Wegen der hohen auftretenden Kräfte und des Versatzes zwischen Normalspannungen im Stahlring und der Lasteinleitung der Vorspannkraft muss der Flansch sehr dick ausgeführt werden. Außerdem ist es auch in dieser Bauweise aus geometrischen Gründen erforderlich, dass der Betonquerschnitt aufgeweitet wird – und dass das Spannglied aus seiner Achse heraus zur Endverankerung hin verzogen wird. Bedingt durch die Krümmung des Spanngliedes entstehen in dieser Konstruktion Umlenkkräfte, die ebenfalls im Betonquerschnitt aufgenommen werden müssen.
• Allen bekannten Lösungen haben gemeinsam, dass an dieser dynamisch hochbelasteten Stelle ein Versatz aus der Vorspannkraft und der Normallkraft im Stahlturmabschnitt entsteht.
• Aufgabe der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Übergangskonstruktion für einen Hybridturm – mit einem oberen Turmabschnitt aus Stahl oder Glasfaserverstärktem Kunststoff und einem unteren Abschnitt aus Spannbeton – zur Verfügung zu stellen, die den hohen dynamischen Einwirkungen stand hält, kompakt aufgebaut und wirtschaftlich ist und die Errichtung des Turmes vereinfacht.
• Darstellung der Erfindung
• Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Hierzu sieht die Erfindung ein vorgefertigtes ringförmiges oder ringsegmentförmiges Bauteil aus Stahl – oder alternaiv aus Glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) – als Übergangselement vor. Dieses hat im Querschnitt die Form eines umgekehrten Ts mit einem vertikal angeordneten Steg, der den Übergang zum aufgehenden Querschnitt des oberen Turmabschnittes darstellt. Im Flansch sind in Ringrichtung im definierten Abstand zueinander mittig Öffnungen ausgespart, durch die die Spannglieder des Spannbetonturmabschnittes durchgeführt werden. Im Bereich dieser Flanschdurchörterungen ist der Steg – vorzugsweise in ausgerundeter Form, um Spannungskonzentrationen zu reduzieren – ausgenommen, so dass die Ankerköpfe der Spannglieder Platz finden. Die Spannglieder werden durch die Aussparungen im erfindungsgemäßen Bauteil gefädelt. Das Übergangselement wird in seiner endgültigen Lage auf der Oberkante des Stahlbeton-Turmabschnittes ausgerichtet und kraftschlüssig mit Vergussmörtel vergossen. Zur Erhöhung der Schubkrafttragfähigkeit sind in einer alternativen Ausführungsvariante unterhalb des Flansches sogenannte Schubknaggen angeordnet, die in vorher hergestellte Vertiefungen im Beton eingebracht werden. Nach Erhärten des Vergussmaterials werden die Ankerköpfe eingebaut und eine definierte Vorspannkraft aufgebracht. Die Ankerköpfe werden festgelegt, d. h. die Spannglieder werden verkeilt und die Hüllrohre der Vorspannglieder mit – bevorzugt alkalischem – Verpressmaterial verfüllt. Im nächsten Schritt wird ein Korrosionschutz am Ankerkopf angebracht; dieser kann demontierbar ausgeführt werden, so dass eine Überprüfung der Ankerköpfe im Zuge einer Wartung jederzeit möglich ist.
• Über das Aufbringen und Festlegen der Vorspannkraft wird das Übergangselement direkt mit dem Stahlbetonschaft verbunden. Ein zusätzliches Einbauteil zur Verankerung oder Befestigung des Stahlturmabschnittes auf dem Spannbetonturmabschnitt ist nicht nötig.
• Da die Schwerlinie des Stahlquerschnittes mit der des Betonquerschnittes in einer Wirkungslinie liegt, ist kein Versatz und damit auch keine daraus resultierende Zusatzbelastung vorhanden. Die Wandung des aufgehenden Turmes sowie die Bauteildicke des unteren Betonturmabschnittes können minimiert und wirtschaftlich ausgeführt werden. Auch eine geometrische Aufweitung der Stahlbetonwand – zur Aufnahme weiterer Einbauteile oder gekrümmter Spanngliedführung – kann entfallen.
• Durch die mittige Lasteinleitung der Vorspann- und damit auch der Verbindungskraft in den Flansch des Stahlbauteiles erfährt dieser keine Biegebelastung in Querrichtung und kann somit geometrisch optimiert ausgebildet werden: auch an dieser Stelle wird Material eingespart.
• In einer Ausgestaltung ist das Übergangselement ringsegmentförmig und mit mindestens einem weiteren oder beispielsweise zwei oder drei oder mehreren insbesondere identisch geformten ringsegmentförmigen Übergangsbauteilen zu einem geschlossenen Ring verbindbar. Die miteinander verbundenen Segmente bilden gemeinsam ein ringförmiges Übergangselement.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von vier Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
• 1 zeigt schematisch eine Teilansicht des Turmes – bevorzugt des Turmes einer Windenergieanlage – mit der Übergangsstelle zwischen aufgehendem Stahlturmabschnitt 6 und unterem Spannbetonturmabschnitt 7.
• In 2 ist das erfindungsgemäße Übergangsbauteil 1 im Detailausschnitt in eingebautem Zustand dargestellt. Im Flansch 2 des T-förmigen Bauteiles 1 sind Aussparungen 3 passgenau zur Lage der Spannglieder 8 angeordnet. An der selben Stelle ist der Steg 4 mit einer Aussparung 5 versehen. Das schlaffe Spannglied 8 wird im Zuge der Montage des Bauteiles 1 durch die Aussparungen 3 im Flansch 2 geführt. Nach dem Ausrichten wird das Mörtelbett 11 zwischen Bauteil 1 und unterem Turmabschnitt aus Beton 7 mit Vergussmörtel 11 verfüllt. Nach Erhärten des Mörtels 11 kann der Ankerkopf 10 in der vorgesehenen Aussparung 5 im Steg 4 montiert werden: Die Spanngliedlitzen 9 werden durch den Ankerkopf 10 geführt und mit Keilen gesichert. Die Vorspannkraft wird mittels Pressen am unteren Ende der Spannglieder aufgebracht.
• 3 zeigt einen Querschnitt durch die Übergangsstelle, der zwischen zwei Spanngliedern 8 liegt. In einer alternativen Ausführungsvariante sind zur Erhöhung der Schubkrafttragfähigkeit unterhalb des Flansches zusätzlich sogenannte Schubknaggen 13 angeordnet, die in vorher hergestellte Vertiefungen 14 im Beton eingebracht und mit Mörtel vergossen werden.
• 4 zeigt einen Querschnitt durch die Übergangsstelle, der direkt im Spannglied 8 liegt. Nach dem Vorspannen und Sichern der Spanngliedlitzen 9 wird das Hüllrohr 12 verpresst. Im Anschluss wird der Ankerkopf – in der Zeichnung nicht dargestellt – gegen Korrosion geschützt.
• Bezugszeichenliste

1

T-förmiges Bauteil aus Stahl

2

Flansch

3

Aussparung im Flansch

4

Steg

5

Aussparung im Steg

6

Stahl-Turmabschnitt

7

Spannbeton-Turmabschnitt

8

Spannglied

9

Spannglied-Litzen

10

Ankerkopf

11

Mörtelbett

12

Hüllrohr

13

Schubknagge am Einbauteil

14

Aussparung im Beton

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 10230273 B3 [0005]
• DE 102007031065 A1 [0006]
• DE 102004017006 A1 [0007]

Claims (5)

1. T-förmiges Bauteil aus Stahl (1) als Übergangsbauteil an der Koppelstelle zwischen einem unteren Turmabschnitt aus Spannbeton (7) und dem aufgehenden Turmabschnitt aus Stahl (6), das ringförmig oder ringsegmentförmig und mit mindestens einem weiteren oder beispielsweise zwei oder drei oder mehreren insbesondere identisch geformten ringsegmentförmigen Übergangsbauteilen zu einem geschlossenen Ring verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittig im Querschnitt und in definiertem Abstand zueinander in Ringrichtung Aussparungen (3, 5) in Flansch (2) und Steg (4) angeordnet sind, durch die die Spannglieder (8) des unteren Spannbeton-Turmabschnittes (7) geführt, verankert und vorgespannt sind.
2. Bauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seine geometrische Lage an der Übergangsstelle so ist, dass die Wirkungslinie der Spannglieder (8) mit der Schwerlinie des Bauteiles (1) übereinstimmt und so eine zentrische Lasteinleitung erfolgt.
3. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) an der Unterseite des Flansches zusätzlich mit Schubknaggen (13) versehen ist, die in vorgesehene Vertiefungen (14) im unteren Bauteil eingreifen.
4. Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) aus einem alternativen Material – bevorzugt Glasfaserverstärkter Kunststoff – hergestellt ist.
5. Verfahren zur Montage einer Übergangskonstruktion (1) eines Hybridturmes aus einem aufgehenden Turmabschnitt aus Stahl (6) und eines unteren Turmabschnittes aus Spannbeton (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die Schritte: – Ausrichten des Übergang-Bauteiles (1) auf der Oberkante des unteren Spannbeton-Turmabschnitt (7) mit Durchführen der Spannglieder (8) durch die vorgesehenen Öffnungen (3) im Flansch (2) des Bauteiles (1) – kraftschlüssiges Vergießen des Mörtelbettes (11) – nach dem Aushärten des Mörtelbettes (11): Einbau der Ankerköpfe (10), Verankerung der Spannglied-Litzen (9) und Spannen der Spannglieder (8) – Verfüllen des Hüllrohres (12)

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