EP2744955B1 - Vorrichtung und verfahren für den übergang zwischen einem aufgehenden turmabschnitt und einem vorgespannten betonturmabschnitt - Google Patents
Vorrichtung und verfahren für den übergang zwischen einem aufgehenden turmabschnitt und einem vorgespannten betonturmabschnitt Download PDFInfo
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- EP2744955B1 EP2744955B1 EP12724559.5A EP12724559A EP2744955B1 EP 2744955 B1 EP2744955 B1 EP 2744955B1 EP 12724559 A EP12724559 A EP 12724559A EP 2744955 B1 EP2744955 B1 EP 2744955B1
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- E04H12/16—Prestressed structures
Definitions
- the present invention relates to a connection between two construction sections of a tower - preferably a tower of a wind turbine - with each other.
- the coupling point is the transition between a generally prestressed reinforced concrete tower section and the rising structure, which is usually made of steel.
- Wind turbine towers with tower sections made of different materials are also referred to as hybrid towers.
- the lower section of concrete may consist of prefabricated concrete elements that are joined together, or of a monolithic concrete component.
- the construction section made of concrete material is often preloaded. This is done by means of tendons freely accessible in the tower interior or by means of tendons, which lie within the concrete cross-section and are cast after preloading. By casting the cavity between the tendon and cladding tube with an alkaline potting the tendon is particularly well protected against corrosion.
- the position of the tendon in the concrete cross section allows a centric biasing force with respect to the heavy line of the concrete cross section; There are no additional bending loads.
- the rising tower section made of steel may consist of several tubular tower segments, which are either made in one piece or consist of several joined segments over the circumference of the section. Centric stress conditions also prevail in this steel ring cross section.
- the upper Tower section made of high-strength, age-resistant plastic - for example, glass fiber amplifier plastic - be made.
- A1 known construction is arranged at the upper end of the concrete tower segment, an annular head beam through which the inside of the tower lying, free tendons are guided and anchored.
- the rising steel structure has a one-sided flange. Through the head bar extends an inclined bore through which anchoring bolts are guided. These connect steel flange and concrete component and are each fastened with two nuts. This solution allows the replacement of the anchor bolt, but also here creates an offset in the line of action of the vertical forces.
- an L-shaped, one-sided flange can be formed on the rising steel segment. This is placed on the upper end of the concrete component and anchored directly from the tendon. Because of the high forces occurring and the offset between normal stresses in the steel ring and the load introduction of the preload force of the flange must be made very thick. In addition, it is also necessary in this design for geometric reasons that the concrete cross-section is widened - and that the tendon is warped out of its axis out to the final anchorage out. Due to the curvature of the tendon arise in this construction deflection forces that must also be included in the concrete section.
- US 2009/0217618 A1 does not describe a hybrid tower, it is the attachment of a steel tower revealed on a concrete foundation. At the lower edge of a steel ring is provided with openings for the implementation of simple fastening bolts. In order to arrange the fastening bolts centrally to the rising tower wall, openings are provided in the tower wall. There is no attachment of tendons required, it eliminates the problem arising from the tendon guide. All known solutions have in common that at this dynamically highly loaded point of the hybrid tower, an offset from the biasing force and the Normalallkraft arises in the steel tower section.
- the object of the invention is to provide a transitional component and its arrangement at the transition point between prestressed concrete and above rising tower for a hybrid tower - with an upper tower section made of steel or glass fiber reinforced plastic and a lower section of prestressed concrete - to provide the high dynamic Withstands impacts, is compact and economical and simplifies the erection of the tower. Furthermore, the object of the invention comprises Specify method that allows the economic establishment of a hybrid tower by means of the component according to the invention.
- the invention provides a prefabricated annular or ring segment-shaped component made of steel - or alternaively made of glass fiber reinforced plastic (GRP) - as a transition element.
- GRP glass fiber reinforced plastic
- This has the shape of an inverted T in cross section with a vertically or nearly vertically arranged web, which represents the transition to the rising cross section of the upper tower section.
- In the flange openings are recessed centrally in the ring direction at a defined distance from each other, through which the tendons of the prestressed concrete tower section are performed.
- the web is preferably recessed in rounded form so as to reduce stress concentrations so that the anchor heads of the tendons can be accommodated.
- the tendons are threaded through the recesses in the component according to the invention.
- the transition element is aligned in its final position on the upper edge of the reinforced concrete tower section and potted with non-positive grout.
- push knobs are arranged in an alternative embodiment below the flange, which are introduced into previously prepared depressions in the concrete. After hardening of the potting material, the anchor heads are installed and applied a defined biasing force.
- the anchor heads are fixed, ie the tendons are wedged and the cladding tubes of the tendons filled with - preferably alkaline - injection material.
- a corrosion protection is attached to the anchor head; this can be done demountable, so that a check of the anchor heads in the course of maintenance is possible at any time.
- the transition element is connected directly to the reinforced concrete shaft.
- An additional fitting for anchoring or attachment of the steel tower section on the prestressed concrete tower section is not necessary. Since the line of gravity of the steel cross-section is in line with that of the concrete cross-section, there is no offset and thus no resulting Additional load available.
- the wall of the rising tower and the component thickness of the lower concrete tower section can be minimized and carried out economically.
- the transition element is ring segment-shaped and can be connected to at least one further (for example two or three or more), in particular identically shaped, ring-segment-shaped transition components to form a closed ring.
- the interconnected segments together form an annular transition element.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindung zwischen zwei Konstruktionsabschnitten eines 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 Konstruktion, die in der Regel aus Stahl gefertigt ist.
- 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, im Querschnitt 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.
-
US 2009/0217618 A1 beschreibt keinen Hybridturm, es ist die Befestigung eines Stahlturmes auf einem Betonfundament offenbart. An dessen unterem Rand ist ein Stahlring mit Öffnungen zur Durchführung von einfachen Befestigungsbolzen vorgesehen. Um die Befestigungsbolzen mittig zur aufgehenden Turmwandung anzuordnen, sind Öffnungen in der Turmwand vorgesehen. Es ist keine Befestigung von Spanngliedern erforderlich, es entfällt die Problematik, die sich aus der Spanngliedführung ergibt.
Alle bekannten Lösungen haben gemeinsam, dass an dieser dynamisch hochbelasteten Stelle des Hybridturmes ein Versatz aus der Vorspannkraft und der Normallkraft im Stahlturmabschnitt entsteht. - Aufgabe der Erfindung ist es, ein Übergangsbauteil und dessen Anordnung an der Übergangsstelle zwischen Spannbeton und darüber angebrachtem aufgehendem Turm 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. Weiter umfasst die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, das mittels des erfindungsgemäßen Bauteiles die wirtschaftliche Errichtung eine Hybridturmes ermöglicht.
- Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale und die Merkmale des unabhängigen Anspruches 5 gelöst. Weiter gibt der Anspruch 8 ein Verfahren zur Lösung der Aufgabe an.
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 T mit einem vertikal oder nahezu 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 alternativen Ausführung ist das Übergangselement ringsegmentförmig und mit mindestens einem weiteren (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:
-
Fig. 1 zeigt schematisch eine Teilansicht des Turmes - bevorzugt des Turmes einer Windenergieanlage - mit der Übergangsstelle zwischen dem oberen aufgehendem Turmabschnitt 6 und unterem Spannbeton-Turmabschnitt 7. - In
Fig. 2 ist das erfindungsgemäße im Querschnitt T-förmige Bauteil 1 im Detailausschnitt in eingebautem Zustand dargestellt. Im Flansch 2 des im Querschnitt 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 im Querschnitt T-förmigen Bauteiles 1 durch die Aussparungen 3 im Flansch 2 geführt. Nach dem Ausrichten wird das Mörtelbett 11 zwischen im Querschnitt T-förmigem Bauteil 1 und unterem Spannbeton-Turmabschnitt 7 mit Vergussmörtel verfüllt. Nach Erhärten des Mörtelbettes 11 kann der Ankerkopf 10 in der vorgesehenen Aussparung 5 im Steg 4 montiert werden: Die Spannglied-Litzen 9 werden durch den Ankerkopf 10 geführt und mit Keilen gesichert. Die Vorspannkraft wird mittels Pressen am unteren Ende der Spannglieder 8 aufgebracht. -
Fig. 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. -
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Übergangsstelle, der direkt im Spannglied 8 liegt. Nach dem Vorspannen und Sichern der Spannglied-Litzen 9 wird das Hüllrohr 12 verpresst. Im Anschluss wird der Ankerkopf - in der Zeichnung nicht dargestellt - gegen Korrosion geschützt. -
- 1
- im Querschnitt T-förmiges Bauteil
- 2
- Flansch
- 3
- Aussparung im Flansch
- 4
- Steg
- 5
- Aussparung im Steg
- 6
- aufgehender Turmabschnitt
- 7
- Spannbeton-Turmabschnitt
- 8
- Spannglied
- 9
- Spannglied-Litzen
- 10
- Ankerkopf
- 11
- Mörtelbett
- 12
- Hüllrohr
- 13
- Schubknagge (am Einbauteil)
- 14
- Aussparung im Beton
Claims (8)
- Ein im Querschnitt T-förmiges Bauteil (1) als Übergangsbauteil an der Koppelstelle zwischen einem unteren Spannbeton-Turmabschnitt (7) und dem darüber angebrachten, aufgehenden Turmabschnitt (6), das in seiner Längsabwicklung ringförmig oder ringsegmentförmig - und mit mindestens einem weiteren insbesondere identisch geformten ringsegmentförmigen Übergangsbauteil zu einem geschlossenen Ring verbindbar - ist,
dadurch gekennzeichnet, dass es mittig im Querschnitt und in definiertem Abstand zueinander in Ringrichtung Aussparungen (3, 5) in Flansch (2) und Steg (4) aufweist, durch die die Spannglieder (8) des unteren Spannbeton-Turmabschnittes (7) geführt, verankert und vorgespannt sind. - Im Querschnitt T-förmiges Bauteil (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das im Querschnitt T-förmige Bauteil (1) aus Stahl gefertigt ist. - Im Querschnitt T-förmiges Bauteil (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das im Querschnitt T-förmige Bauteil (1) aus einem alternativen Material - bevorzugt Glasfaserverstärkter Kunststoff - hergestellt ist. - Im Querschnitt T-förmiges Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das im Querschnitt T-förmige Bauteil (1) an der Unterseite des Flansches (2) zusätzlich mit Schubknaggen (13) versehen ist. - Anordnung eines im Querschnitt T-förmigen Bauteiles (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 als Übergangsbauteil an der Koppelstelle zwischen einem unteren Spannbeton-Turmabschnitt (7) und dem darüber angebrachten aufgehenden Turmabschnitt (6),
dadurch gekennzeichnet, dass das im Querschnitt T-förmige Bauteil (1) mit dem Flansch (2) nach unten - dem Beton zugewandt - an der Übergangsstelle zwischen Spannbeton- (7) und darüber angebrachtem aufgehenden Turmabschnitt (6) angeordnet ist und dass durch Aussparungen (3, 5) in Flansch (2) und Steg (4) des im Querschnitt T-förmigen Bauteiles (1) Spannglieder (8) des unteren Spannbeton-Turmabschnittes (7) geführt, verankert und vorgespannt sind. - Anordnung eines im Querschnitt T-förmigen Bauteiles (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass seine geometrische Lage an der Übergangsstelle so ist, dass die Wirkungslinie der Spannglieder (8) mit der Schwerlinie des im Querschnitt T-förmigen Bauteiles (1) übereinstimmt und so eine zentrische Lasteinleitung erfolgt. - Anordnung eines im Querschnitt T-förmigen Bauteiles (1) nach Anspruch 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite des Flansches (2) angeordnete Schubknaggen (13) in vorgesehene Aussparungen im Beton (14) des Spannbeton-Turmabschnittes (7) eingreifen. - Verfahren zur Montage einer Übergangskonstruktion eines Hybridturmes aus einem aufgehenden Turmabschnitt (6) und einem unteren Spannbeton-Turmabschnitt (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte:- Ausrichten des im Querschnitt T-förmigen Bauteiles (1) auf der Oberkante des unteren Spannbeton-Turmabschnittes (7) mit Durchführen der Spannglieder (8) durch die vorgesehenen Aussparungen (3, 5) im Flansch (2) und Steg (4) des im Querschnitt T-förmigen Bauteiles (1)- kraftschlüssiges Herstellen eines Mörtelbettes (11) durch Vergießen- nach dem Aushärten des Mörtelbettes (11): Einbau von Ankerköpfen (10), Verankerung von Spannglied-Litzen (9) aus dem Spannbeton-Turmabschnitt (7) und Spannen von Spanngliedern (8)- Verfüllen aller Hüllrohre (12) im Spannbeton.
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