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Die
Erfindung betrifft eine vertikal stehende Röhre, wie sie im Oberbegriff
des Patentanspruches 1 angegeben ist.
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Eine
solche Röhre
ist aus der
DE 196
21 519 A1 bekannt. Derartige Röhren dienen zum Beispiel als
Kühltürme und
große
Kamine, letztere wiederum zum Beispiel bei Aufwindkraftwerken. Sie
müssen
in diesem Fall am Fuß so
abgestützt
sein, dass ein Luftzutritt möglich
ist, zum Beispiel über
große Öffnungen
oder vertikale Stützen.
Wegen des Aufwindes, den sie erzeugen sollen, müssen diese Röhren innen offen
sein und dürfen
möglichst
keine behindernden Einbauten aufweisen. Andererseits benötigen zylindrische
Schalenkonstruktionen aber bekannterweise für ein günstiges Tragverhalten aussteifende
Schotte in regelmäßigen Abständen, damit
die Verteilung der Normalkräfte
in Meridianrichtung nicht zu stark von der idealen, im Querschnitt
linearen Verteilung abweicht.
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Eine
Möglichkeit,
Sonnenenergie in Strom zu verwandeln, bieten die Aufwindkraftwerke
(vgl. Jörg Schlaich, "Das Aufwindkraftwerk – Strom
aus der Sonne, einfach – erschwinglich,
unerschöpflich", Deutsche Verlags-Anstalt
Stuttgart, 1994, ISBN 3-421-03074-X). Dabei wird zunächst unter
einem flachen kreisförmigen,
entlang des Umfangs offenen Dach aus Glas oder Folie, das zusammen
mit dem natürlichen
Boden einen Warmluftkollektor bildet, durch Sonneneinstrahlung Luft
erwärmt.
In der Mitte des Daches steht senkrecht die genannte Röhre als Kamin
mit großen
Zuluftöffnungen
am Fußpunkt.
Das Dach ist luftdicht am Kaminfuß angeschlossen. Da warme Luft
ein geringeres Gewicht als kalte Luft hat, steigt sie im Kamin auf.
Durch den entstehenden Sog wird warme Luft aus dem Kollektor nachgesaugt.
Von außen
strömt
kalte Luft zu. So bewirkt die Sonneneinstrahlung einen kontinuierlichen
Aufwind im Kamin. Die darin enthaltene Energie wird mit Hilfe druckgestufter
Windturbinen, die am Fuße
des Kamines angeordnet sind, in mechanische und dann über konventionelle
Generatoren in elektrische Energie umgewandelt. Ein derartiges Aufwindkraftwerk
kann mit einer entsprechend großen
Glasdachfläche
von ca. 7.000 m Durchmesser und einem Kamin von ca. 1.000 m Höhe für 200 MW
Leistung ausgelegt werden. So können
bereits wenige Aufwindkraftwerke ein großes Kernkraftwerk ersetzen.
Aufwindkraftwerke sind vor allem für Entwicklungsländer interessant, weil
die Bauweise einfach und billig ist, die Aufwindkraftwerke robust
und wartungsarm sind und daher auch dort gebaut und unterhalten
werden können. Ferner
finden sich viele Entwicklungsländer
in Gegenden der Erde, in denen ausreichend stetig Sonnenenergie
und ausreichend große
Flächen
(Wüstenflächen), die
ansonsten nicht genutzt werden können,
zur Verfügung
stehen.
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In
der
DE 196 21 514 ist
beschrieben, wie man zur Aussteifung derartiger für Aufwindkraftwerke geeigneter
Kamine speichenradähnliche
Aussteifungen in geeigneten Höhenabständen anbringen
kann. Diese Aussteifungen bestehen aus einem äußeren Ring (Felge) und einem
inneren Knoten (Nabe), die durch Speichen miteinander in Verbindung
stehen. Die "Felge" besteht aus einem
aus Stahlblechen zusammengeschweißten ringkastenartigen Hohlkörper (Druckring),
der zur Erhöhung
der Festigkeit auf der vorgesehenen Höhe mit Beton ausgegossen wird. Der äußere Durchmesser
dieser Speicheräder,
einschließlich
der Felgen, muss um ein bestimmtes Spiel geringer ausgelegt sein
als der innere Durchmesser des Kamins. Diese Felgen werden dann
innerhalb des Kamins hochgezogen. Ein großes Problem besteht darin,
dass ein solches Speichenrad auch ohne Betonfüllung bereits mehrere tausend Tonnen
wiegt. Am Boden müssen
so viele Speichenräder
hergestellt und zunächst
angehoben werden, wie Speichenebenen in dem Kamin vorgesehen sind, also
beispielsweise bei einer Kaminhöhe
von ca. 1.000 m fünf
derartige Speichenräder.
Weil zunächst das
unterste, dann das zweitunterste usw. bis hin zum obersten nacheinander
von unten nach oben eingebaut werden, müssen zunächst vier Speichenräder zusammen
oder einzeln angehoben und über der
Ebene des untersten Speichenrades geparkt werden, um dann das unterste
Speichenrad anzuheben und einbauen zu können. Die für das Anheben dieser schweren
Lasten erforderliche Ausrüstung und
die notwendige Montagezeit machen jedoch einen derart hohen Kamin
unwirtschaftlich.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, eine
weniger aufwändige,
insbesondere leichtere Aussteifung für eine derartige Röhre oder
Kamin und ein entsprechend einfacheres Montageverfahren zu schaffen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt mit den im Kennzeichen der Patentansprüche 1 und
8 vorgesehenen Mitteln. Die Erfindung betrifft ferner mehrere vorteilhafte
Weiterbildungen.
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Durch
diese Maßnahmen
wird das Gewicht der Aussteifung erheblich reduziert. Da gemäß der Erfindung
die Felge des Speichenrades als Druckring in die Wand der Röhre integriert
ist, beträgt
das Gewicht der verbleibenden Teile, die angehoben werden müssen, also
der Speichen und der zentralen Verankerungsnaben weniger als 20
% des Gewichtes, das sich für
ein Speichenrad nach dem oben genannten Stand der Technik ergibt.
Damit wird es möglich,
die Speichen und die Nabe des untersten Speichenrades zusammen mit
den darauf liegenden zu transportierenden Teilen, nämlich den
Speichen und Naben der oberen Speichenrädern anzuheben, zu montieren
und dann das zweitunterste zusammen mit den verbleibenden darüber anzuordnenden
Speichenrädern
anzuheben und zu montieren usw. Man kann dabei auf Parkpositionen
oberhalb der jeweiligen Einbauebene, die wie seither temporär Verstärkungen der
Röhrenwand
erfordern, verzichten. Der Montagevorgang wird erheblich einfacher
und schneller. Als Ausrüstungen
benötigt
man im Wesentlichen lediglich im Schrägkabelbrückenbau übliche kleine hydraulische
Pressen. Der Bau der Röhre
beziehungsweise des Kamins selbst (aus Beton) kann ohne Unterbrechung
kontinuierlich weiterlaufen. Das führt insgesamt zu einer großen Vereinfachung
und Verbilligung, die es als möglich
erscheinen lässt,
derartige Aufwindkraftwerke in naher Zukunft zu bauen und wirtschaftlich
zu betreiben.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird im Folgenden
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine
Ansicht eines Kamins für
ein Aufwindkraftwerk;
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2 ein
Querschnitt durch die Wand des Kamins nach 1;
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3 einen
teilweisen Schnitt in Richtung der Pfeile III-III in 1;
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4 einen
Schnitt in Richtung der Pfeile IV-IV in 3;
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5 einen
Schnitt durch den Kamin derart, dass sich die Draufsicht auf ein
Speichenrad ergibt, wie es als Aussteifung bei dem Ausführungsbeispiel Verwendung
findet;
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6 ein
Schnitt in Richtung der Pfeile VI-VI in 5;
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7 das
in 6 bei VII gezeigte Detail;
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8 das
in 6 bei IX gezeigte Detail in Draufsicht, gesehen
in Richtung der Pfeile VIII-VIII
in 6;
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9 einen
Schnitt entlang der Linie IX-IX in 8;
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9a einen
Schnitt entlang der Linie IXa-Ixa in 9;
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10 den
1. Schritt der Montage des untersten Speichenrades;
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11 das
in 10 bei XI gezeigte Detail;
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12 eine
Draufsicht auf die Anordnung nach 11 in
Richtung der Pfeile XII-XII;
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13 einen
Schnitt durch den Kamin während
des Montageschrittes nach 10 in
Höhe des ersten
Speichenrades;
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14 das
in 10 bei XIV gezeigte Detail (linkes Bild), einen
diesem gegenüber
entlang des Umfangs versetzten Schnitt (mittleres Bild) und die Zuordnung
einer senkrecht zu diesem Schnitt von rechts sich ergebenden Seitenansicht
(rechtes Bild);
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15 das
in 10 bei XV gezeigte Detail;
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16 den
2. Schritt bei der Montage des untersten Speichenrades;
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17 den
3. Schritt bei der Montage des untersten Speichenrades;
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18 die
Vorbereitung der Montage des zweituntersten Speichenrades;
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19 einen
1. Schritt bei der Montage des zweituntersten Speichenrades;
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20 einen
2. Schritt bei der Montage des zweituntersten Speichenrades;
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21 den
Zustand kurz vor Beendigung der Montage des 2. Speichenrades und
Vorbereitung der Montage des drittuntersten Speichenrades.
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1 zeigt
schematisch den Kamin 1 eines Aufwindkraftwerkes. Die Höhe beträgt bei einem
geplanten Ausführungsbeispiel
1.000 m, der Durchmesser 120 m. Der Kamin steht inmitten eines in 1 lediglich
angedeuteten kreisförmigen
Kollektors 2, der durch ein Glasdach gebildet wird. Dieser Kollektor
hat einen Durchmesser von 7.000 m. Das untere Ende des Kamins 1 wird
durch 32 sich radial erstreckende Rippen 3 (vgl. 3)
gebildet, durch die hindurch die unter dem Kollektor sich bei Sonneneinstrahlung
erwärmende
Luft in den Kamin und durch diesen, durch den Umlenkkörper 4 geführt, nach
oben strömt
und dabei durch eine Turbine 5 strömt, die zur Stromerzeugung
einen Generator antreibt. Die Rippen 3 sind in einem ringförmigen Fundament 7 verankert.
Der Sockel 6 ist 55 m hoch. Das erste Speichenrad 100 befindet
sich in 280 m Höhe. Weitere
Speichenräder 200, 300, 900, 500 sind
in Abständen
von jeweils 280/180 m vorgesehen.
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Die 5 und 6 zeigen
das unterste Speichenrad 100. Die Speichen werden durch
32 Seile 15 gebildet. Diese bestehen ihrerseits aus Bündeln von
91 Litzen aus Stahl, Seilen oder Flachblechen. Der Durchmesser dieser,
die Seile 15 bildenden Bündel beträgt ca. 15 cm. Sie sind im endgültig montierten
Zustand mit 6.000 KN in radialer Richtung gespannt. Mit ihrem äußeren Ende
sind sie in dem Kamin verankert (siehe 7). Mit
ihrem inneren Ende sind sie an einer zentral angeordneten Verankerungsnabe 20 verankert
(siehe 8, 9).
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Wie
aus 7 zu ersehen, erfolgt die Verankerung der äußeren Enden
der Seile 15 direkt am Kamin, der an den für die Verankerung
bestimmten Stellen mit einer entsprechenden Erweiterung 21 versehen
ist, die – nach
Spannung der Seile – den
Druckring des Speichenrades bildet. Beim Aufbau des Kamins mittels
einer Gleitschalung von unten nach oben ist es ohne besondere Schwierigkeiten
möglich,
eine solche Erweiterung 21 anzubringen beziehungsweise
in den Kamin zu integrieren. Die Hohlräume 22 dienen der
Gewichtsersparnis. Die Erweiterung 21 bildet also den in
den Kamin integrierten Druckring (Felge) des Speichenrades beziehungsweise
der Aussteifung. Die Erweiterung 21 ist in jeder der Ebenen
für jedes
Seil 15 eines Speichenrades entlang des Umfangs mit einer Öffnung 25 versehen,
die je eine sich nach unten erstreckende trompetenförmige Aufweitung 26 zum
Einführen
und Hochziehen der Seile 15 aufweist.
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Die
Verankerung der Seile 15 erfolgt durch Keile 28 in
einer Verankerungsplatte 29. Die Verankerungsplatte 29 stützt sich
am Umfang der Öffnung 25 mittels
einer Druckplatte 30 ab.
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Aus
den 8 und 9 ist die Verankerung der inneren
Enden der Seile 15 an der Verankerungsnabe 20 zu
ersehen. Die Enden der Seile 15 sind wie am äußeren Ende
mit Keilen in einer Verankerungsplatte 32 verankert. Die
Verankerungsplatte 32 stützt sich gegen ein Rohr 31 ab,
welches in die vertikale Platte 33 eingeschweißt ist.
Dies wiederum ist an die horizontale zentrale Platte, die die Nabe 20 bildet,
angeschlossen, wobei hinter der Seilverankerung eine rechteckige
Ausnehmung 34 in der Platte 33 zur Montage der
Seilverankerung freigelassen wird.
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An
der Oberseite aller Platten 33 ist ein umlaufender Ring 27 vorgesehen,
der es, wie weiter unten noch erläutert werden wird, ermöglicht,
eine Verankerungsnabe 20 (einschließlich Platten 33)
auf eine andere aufzusetzen (vgl. 11).
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Auf
diese Weise sind sämtliche 32 Seile 15 eines
Speichenrades einerseits mit ihren inneren Enden mit der Verankerungsnabe 20 verbunden
und mit ihren äußeren Enden
in der Erweiterung 21 (Druckring) gespannt. Die Spannung
erfolgt durch Pressen, die auf einem mit der Gleitschalung nach
oben wandernden Gerüst 50 (siehe
zum Beispiel 14) angeordnet werden und dort
gehandhabt werden können.
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Der
Vorteil gegenüber
bekannten Anordnungen ist somit, dass der durch die Erweiterung 21 gebildete
Druckring des Speichenrades beim Aufbau des Kamins in diesen integriert
wird und so nicht mehr nach Fertigstellung des Kamins hochgehoben und
dort montiert werden muss. Außerdem
muss der laufende kontinuierliche Aufbau des Kamins bei der Montage
des Speichenrades nicht unterbrochen werden. Der normale Arbeitsablauf
kann unbehindert weitergehen.
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Die
Montage der Speichenräder
ergibt sich aus den 10 ff. Wie 10 zeigt,
werden in einem ersten Schritt für
die Montage von fünf
Speichenrädern 100 – 500 zunächst die
fünf zugeordneten
Verankerungsnaben 20 auf der Bodenfläche des Kamins zentral übereinander
aufgelegt. Im Detail zeigt das 11. Zuunterst
liegt der Verankerungsring 20, der dem untersten Speichenrad 100 zugeordnet
ist, darauf der zweitunterste, usw. Dabei sind die Verankerungsnaben
um 0,5 ° gegeneinander
versetzt, damit die angeschlossenen Seile 15-1 bis 15-5,
wie aus 12 und 13 ersichtlich,
nebeneinander zu liegen kommen. Dabei sind die Seile dort mit 15-1 bis 15-5 bezeichnet.
Die Seile 15-1 sind dem Speichenrad 100 zugeordnet,
die Seile 15-2 dem Speichenrad 200, usw.
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Wie
aus 15 zu ersehen, sind die äußeren Enden der Seile 15-1 bis 15-5 mittels
aufgesetzter Klammern 36 mit Montageseilen 37-1 bis 37-5 verbunden.
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Die
gesamte Anordnung, die in 11 dargestellt
ist, wird nun in einem ersten Schritt dadurch angehoben, dass die
unterste Verankerungsnabe 20 angehoben wird und dabei auf
ihr alle anderen Verankerungsnaben 20 aufliegen. Dazu werden – wie aus 16 zu
ersehen – zunächst die
Montageseile 37-2 bis 37-5 von oben, das heißt von einem
auf Höhe
der Ebene des untersten Speichenrades 100 angeordneten
Gerüst 50 her, über lediglich
schematisch angeordnete Pressen 38 gezogen und damit die durch
die Presse 38 durchgezogenen Montagelitzen 37-2 bis 5 über Umlenkrollen 39 "abgehängt" (vgl. 14 rechtes
Bild).
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Im
zweiten Schritt, der in 17 dargestellt ist,
werden dann die mit den Seilen 15-1, die an der untersten
Verankerungsnabe 20 angeschlossen sind, angeschlossenen
Montageseile 37-1, in die Öffnungen 25 der Ebene
des untersten Speichenrades 100 eingefädelt, mit Pressen 38-1 gezogen
und angehoben.
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Mit
den Montageseilen 37-1 wird solange gehoben – wobei
zeitgleich mit den Montageseilen 37-2 bis 5 die
Speichenseile 15-2 bis 5 gehoben werden – bis die
Nabe 20 des untersten Speichenrades in einem gewünschten
Abstand unter der Endposition – hier
10 m unterhalb der Ebene, die durch die Öffnungen 25 definiert
ist – angekommen
ist. Die Position ist bestimmt durch die maximal mögliche Kraft
in den Seilen und ihren Verankerungen. Ein weiteres Hochziehen der
Nabe 20 in ihre Endposition und das endgültige Vorspannen
der Seile an ihren äußeren Verankerungen
kann erst erfolgen, wenn die noch aufliegenden Naben der übrigen Speichenräder abgehoben
haben. Vorläufig
werden in dieser Position die weiteren Verankerungsnaben geparkt,
bis der nächste
Abschnitt des Kamins einschließlich
der Erweiterung 21 in der Ebene des zweituntersten Speichenrades 20 fertig
gestellt ist, so dass das zweitunterste Speichenrad 200 montiert
werden kann.
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Im
nächsten
Schritt werden, wie aus 19 zu
ersehen, die Montageseile 37-3 bis 37-5 an einem Verankerungsgestell 38-2 in
der Ebene des Speichenrades 200 befestigt. Die Montageseile 37-2 – verbunden
mit der Verankerungsnabe 20 des zweituntersten Speichenrades 200 – werden
in die Öffnungen 25 in
der dem zweituntersten Speichenrad 20 zugeordneten Ebene
eingefädelt.
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Wie
aus 20 zu ersehen, wird nun die zweitunterste Verankerungsnabe 20 mittels
der Montageseile 37-2 angehoben. Dabei liegen die weiteren drei
Verankerungsnaben 20 (zugeordnet den Speichenrädern 300, 400, 500)
mitsamt den zugehörigen Seilen
auf dieser mit den Montageseilen verbundenen zweituntersten Verankerungsnabe 20 auf
und werden mit dieser angehoben.
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Dieser
Schritt ist beendet, wenn die Seile 15-2 die in 21 gezeigte
Position erreicht haben. Dann werden die Seile 15-1 endgültig mit
einer Kraft von 6.000 KN gespannt, so dass sie eine fast waagerechte
Lage einnehmen (vgl. 20).
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Diese
Vorgänge
werden dann mutatis mutandis bei der Montage der weiteren Speichenräder 300, 400 und 500 wiederholt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turm
- 2
- Kollektor
- 3
- Rippen
- 4
- Umlenkkörper
- 5
- Turbine
- 6
- Sockel
- 7
- Fundament
- 15-1
bis 15-5
- Seile
(Speichen)
- 20
- Verankerungsnaben
- 21
- Erweiterung/Druckring
- 22
- Hohlräume
- 25
- Öffnungen
- 26
- Aufweitungen
- 27
- Ringe
- 28
- Keile
- 29
- Verankerungsplatte
- 30
- Druckplatte
- 31
- Rohr
- 32
- Verankerungsplatte
- 33
- Platten
- 34
- Ausnehmungen
- 36
- Klammern
- 37-1
bis 37-5
- Montageseile
- 38
- Pressen
- 39
- Rollen
- 50
- Gerüst
- 100,
200, 300, 400, 500
- Speichenräder/Aussteifungen