| JP2001271450 | BEAM WITH AUXILIARY FLANGE |
| JP2009030319 | LONG-SPAN STRUCTURE BUILDING |
| JP2006274543 | THIN STEEL-MADE BEAM |
PATENTANSPRüCHE:
1. Hohlprofil (10), insbesondere für einen Fachwerkturm, mit einem ersten Profilteil (11) und einem zweiten Profilteil (12), wobei der Querschnitt des Hohlprofils (10) so ausgebildet ist, dass das erste Profilteil (11) zwei Schenkel (14, 15) aufweist und das zweite Profilteil (12) dergestalt zwischen den Schenkeln (14, 15) des ersten Profilteils (11) angeordnet ist, dass zur Bildung eines geschlossenen Hohlquerschnittes, die eine Endkante des zweiten Profilteils (12) mit einem Schenkel und die andere Endkante des zweiten Profilteils (12) mit dem anderen Schenkel des ersten Profilteils verbunden ist und zwar so, dass ein Teilabschnitt des jeweiligen Schenkels (14, 15) des ersten Profilteils (11) über die Verbindungsstelle hinausragt, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Profilteil dergestalt ausgebildet ist, dass das Verhältnis der beiden Flächenträgheitsmomente (Iy, Iz) um die Flächenschwerpunktsachen (y, z) des Querschnitts des Hohlprofils (10) zwischen 0,9 und 1,6 liegt.
2. Hohlprofil (10) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (14, 15) des ersten Profilteils (11) in einem Winkel zwischen 60° und 120° angeordnet sind.
3. Hohlprofil (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (14, 15) des ersten Profilteils (11) über einen Kreisabschnitt (13) miteinander verbunden sind.
4. Hohlprofil (10) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Profilteil (11) das Verhältnis der Dicke der Schenkel (14, 15) zu dem Radius des Kreisabschnitts (13) 1: 3 beträgt.
5. Hohlprofil (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Profilteil (12) so ausgebildet ist, dass im Bereich der Verbindungsstellen die Endkanten des zweiten Profilteils (12) in einem Winkel zwischen 70° - 110° zu den Schenkeln des ersten Profilteils angeordnet sind.
6. Hohlprofil (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Profilteil (12) zwei Schenkel (17, 18) aufweist, die in einem Winkel zwischen 60° und 120° zueinander angeordnet sind.
7. Hohlprofil (10) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (17, 18) des zweiten Profilteils (12) über einen Kreisabschnitt (16) miteinander verbunden sind.
8. Hohlprofil (10) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beim zweiten Profilteil (12) das Verhältnis der Dicke der Schenkel (17, 18) zu dem Radius des Kreisabschnitts (16) 1: 3 beträgt.
9. Hohlprofil (10) gemäß einem der Ansprüche 6- 8, dadurch gekennzeichnet, die Endkanten der Schenkel (17, 18) des zweiten Profilteils (12) in einem Winkel (α) zwischen 110° und 160° nach außen gebogen sind.
10. Hohlprofil (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilteile (11, 12) aus Flachstahl hergestellt sind.
11. Hohlprofil (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilteile (11, 12) miteinander verschweißt sind.
12. Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- das erste Profilteil (11) aus einem Flachstahl hergestellt wird, der dergestalt gebogen wird, dass das erste Profilteil (11) einen Kreisabschnitt (13) mit zwei sich von dem Kreisabschnitt (13) erstrek- kenden Schenkeln (14, 15) aufweist,
- das zweite Profilteil (12) aus einem Flachstahl hergestellt wird, der dergestalt gebogen wird, dass das zweite Profilteil (12) einen Kreisabschnitt (16) und zwei sich von dem Kreisabschnitt (16) erstreckende Schenkel (17, 18) aufweist,
- das die äußeren Enden der Schenkel (17, 18) des zweiten Profilteils (12) in einem Winkel zwischen 110° und 160° nach außen gebogen werden,
- das jeweils an den Schenkelendkanten des zweiten Profilteils (12) eine nach außen weisenden Fase (19, 20), mit einem Winkel zwischen 70° und 90° vorgesehen wird,
- das zweite Profilteil (12) in dem ersten Profilteil (11) dergestalt angeordnet wird, dass die Spitzen der Fasen (19, 20) an den Schenkelendkanten des zweiten Profilteils (12) die Innenkanten der Schenkel des ersten Profilteils (11) berührt,
- das die beiden Profilteile (11, 12) miteinander verschweißt werden.
13. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Schenkel (14, 15) des ersten Profilteil (11) vor dem Verschweißen nach außen gebogen werden.
14. Fachwerkturm mit mindestens drei Eckstielen für eine Windenergieanlage, die als Hohlprofil (10) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlprofil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
15. Fachwerkturm für eine Windenergieanlage gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Eckstiele dergestalt ausgebildet sind, dass das Verhältnis der beiden Flächenträgheitsmomente (Iy, Iz) um die Flächenschwerpunktsachen (y, z) des Querschnitts des Hohlprofils (10) über die Länge des Turmes unterschiedlich ist. |
Hoh^ofil, insbesondere für einen Fachwerkturm
Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils
Fachwerkturm mit mindestens drei Eckstielen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hohlprofil, insbesondere für einen Fachwerkturm mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils sowie einen Fachwerkturm mit mindestens drei Eckstielen.
Die Entwicklung von Windenergieanlagen geht dahin, dass deren Abmessungen immer größer werden. Dies hat zur Folge, dass auch der die Gondel und den Rotor tragende Turm sehr groß dimensioniert werden muss. Bislang wurden die Türme von Windenergieanlagen aus Stahlrohren oder auch Spannbeton hergestellt. Diese weisen aber Nachteile auf. Zum einen sind die Abmessungen der Türme so groß geworden, dass sie nur unter großen Komplikationen transportierbar sind. Zum anderen sind solche Turmtypen aufgrund des hohen Materialeinsatzes sehr teuer.
Aufgrund dessen werden nunmehr auch Windenergieanlagen hergestellt, die einen Fachwerkturm aufweisen. Fachwerktürme weisen in der Regel drei bis vier Eckstiele auf, die durch Querverstrebungen (Diagonalen) miteinander verbunden
sind, wobei die Eckstiele und die Verstrebungen aus einem L-Profil hergestellt sind.
Von Nachteil ist, dass L-Profile nur bis zu einer bestimmten Schenkellänge serienmäßig hergestellt werden. Die größten handelsüblichen L-Profile weisen maximal eine Schenkellänge von 260 mm auf. Aufgrund der vorgegebenen Schen- kellänge und des offenen Profils ist auch die Knicklänge bzw. Biege- und Torsi-
\ v onssteifigkeit von L-Profilen begrenzt.
Damit ergibt sich das Problem, dass ein Fachwerkturm zur Kompensation der geringen Knicklänge bzw. Biege- und Torsionssteifigkeit der Standard L-Profile sehr viele Verstrebungen in kurzen Abständen zwischen den Eckstielen enthalten muss, um eine genügend hohe Tragfähigkeit für die auftretenden Lasten einer Windenergieanlage aufweisen zu können (Unterfachwerk). Die Verstrebungen werden über Schraubverbindungen miteinander verbunden. Ein Fachwerkturm bei dem L-Profil verwendet werden, sind sehr viele Verstrebungen notwendig (8000- 10.000). Entsprechend entstehen bei der Turmmontage hohe Montagekosten. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Verschraubungen nach der Montage entsprechend gewartet werden müssen, um ein Lösen von Schraubverbindungen rechtzeitig zu erkennen.
Im Gegensatz zu Leitungsmasten wird der Turm einer Windenergieanlage aufgrund der auf dem Turm angeordneten Maschinengondel auch erheblich dynamisch belastet. Bei dem Fachwerkturm einer Windenergieanlage treten im oberen Bereich überwiegend Torsionslasten auf, so dass der Turmes im oberen Bereich im wesentlichen hinsichtlich Torsion ausgelegt wird. Im unteren Turmbereich spielt Torsion nur noch eine geringe Rolle, dafür nehmen aber die Belastungen durch Biegemomente extrem zu. Um Biegelasten Rechnung zu tragen, wird die untere Turmgrundfläche bei der Verwendung von L-Profilen für die Eckstiele sehr groß ausgebildet, da auf diese Weise die auftretenden Lasten kompensiert
werden können. Bei einem Fachwerkturm mit L-Profilen mit einer Höhe von über 100 m beträgt die Grundfläche z. B. 23x 23 m.
Insbesondere bei der Herstellung von Fachwerktürmen für eine Windenergieanlage wäre daher die Verwendung von Hohlprofilen sinnvoll, da diese gegenüber Standard-L-Profilen statische Vorteile aufweisen. übliche Hohlprofile wie z. B. stranggepresste Rundrohr- und Quadratprofile weisen aber den Nachteil auf, dass sie aus konstruktiven Gründen nur mit hohem Aufwand zusammengefügt werden können.
Aus der EP 1 442 807 Al sowie der FR 921 439 Al sind Hohlprofile bekannt, die aus einem ersten und einem zweiten Profilteil bestehen, wobei das erste Profilteil ein Standard-L-Profil ist. Das zweite Profilteil ist als Steg ausgebildet und dergestalt im ersten Profilteil angeordnet, dass sich ein Hohlprofϊl ausbildet, wobei der eine Längsrand des Steges mit einem Schenkel verschweißt ist und der andere Längsrand des Steges mit dem anderen Schenkel verschweißt ist.
Selbstverständlich sind die statischen Voraussetzungen bei der Verwendung eines solchen bekannten Hohlprofils als Eckstiel für einen Fachwerkturm deutlich besser als es bei der Verwendung eines Standard-L-Profils der Fall ist. Trotzdem reichen die zur Verfügung stehenden Abmessungen der für die Herstellung des bekannten Hohlprofils benötigten Standard-L-Profile häufig nicht aus, um einen Fachwerkturm für eine Windenergieanlage herstellen zu können, ohne dass die Anzahl der Verstrebungen extrem hoch und der Mast damit entsprechend teuer ist. Oder aber es müssen für die Erzeugung des Hohlprofils Spezialmaschinen verwendet werden, deren Herstellungskosten enorm hoch sind, so dass auf diese Weise die Kosten für das Hohlprofil sehr hoch werden.
Aus der EP 1015374 sind Hohlprofile für die Eckstiele einer Hebevorrichtung bekannt, die aus zwei Teilen mit einem winkligen Querschnitt unterschiedlicher
Abmessungen bestehen, wobei die äußeren Enden der Schenkel des Kleineren an den Schenkeln des Größeren anliegen. Die beiden Teile des Hohlprofils sind somit nicht fest miteinander verbunden. Ein solches Hohlprofil ist als Eckstiel für eine Windenergieanlage nicht geeignet, da es in keiner Weise die beim Betrieb einer Windenergieanlage auftretenden Kräfte aufnehmen könnte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Hohlprofils, das als Eckstiel in einem Fachwerkturm eingesetzt werden kann und so ausgebildet ist, dass der Fachwerkturm, gegenüber dem aus den Stand der Technik bekannten Fachwerktürmen eine deutlich reduzierte Anzahl an Verstrebungen sowie eine deutlich reduzierte untere Turmgrundfläche aufweist.
Gelöst wird die Aufgabe mit einem Hohlprofϊl, das die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, einem Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils gemäß Anspruch 12 und einem Fachwerkturm gemäß Anspruch 14.
Das Hohlprofil gemäß Anspruch 1 weist ein erstes Profilteil und ein zweites Profilteil auf, wobei der Querschnitt des Hohlprofils so ausgebildet ist, dass das erste Profilteil zwei Schenkel aufweist und das zweite Profilteil dergestalt zwischen den Schenkeln des ersten Profilteils angeordnet ist, dass zur Bildung eines geschlossenen Hohlquerschnittes, die eine Endkante des zweiten Profilteils mit einem Schenkel und die andere Endkante des zweiten Profilteils mit dem anderen Schenkel des ersten Profilteils verbunden ist und zwar so, dass ein Teilabschnitt des jeweiligen Schenkels des ersten Profilteils über die Verbindungsstelle hinausragt.
Erfindungsgemäß sind das erste und zweite Profilteil dergestalt ausgebildet, dass das Verhältnis der beiden Flächenträgheitsmomente um die Flächenschwer- punktsachen des Querschnitts des Hohlprofils zwischen 0,9 und 1,6 liegt.
Das Flächenträgheitsmoment ist zusammen mit dem Elastizitätsmodul ein Maß für die Steifigkeit eines ebenen Querschnitts gegen Biegung bzw. gegen Torsion. Zudem liefert das Flächenträgheitsmoment Aufschluss über die Neigung von Stäben zu knicken.
Das Verhältnis der beiden Flächenträgheitsmomente um die Flächenschwerpunktsachsen beträgt bei einem Rohrprofil 1. Es ist bekannt, dass Rohrprofile gegenüber anderen Hohlprofilen die besseren statischen Eigenschaften haben. Ein Rohrprofil weist z. B. eine höhere Torsionssteifigkeit sowie ein günstigeres Stabilitätsverhalten, insbesondere eine geringere Neigung zum Biegedrillknicken auf. Dies liegt unter anderem darin begründet, dass der Querschnitt so ausgebildet ist, dass auftretende Kräfte und Momente in allen Bereichen des Querschnitts gleich gut aufgenommen werden können.
Der Nachteil bei der Verwendung von Rohrprofilen ist, dass sie keine geeigneten Möglichkeiten aufweisen, um mehrere Profile in einfacher Weise miteinander zu verbinden bzw. sie durch Diagonalen auszusteifen, da sie keine geraden Flächen zu Verbindungszwecken aufweisen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird in vorteilhafter Weise der Vorzug eines Rohrprofils dergestalt übernommen, dass im Hinblick auf das Verhältnis der Flächenträgheitsmomente der Wert um 1 liegen soll. Das erfindungsgemäße Hohlprofil weist aber gegenüber dem bekannten Rohrprofil den Vorteil auf, dass es zudem gerade Flächen zu Verbindungszwecken aufweist. Weiterhin ist von Vorteil, dass das erfindungsgemäße Hohlprofil aus zwei Profilteilen besteht, wodurch die Variabilität im Hinblick auf die Gestaltung des Querschnitts im Vergleich zu Standardprofilen erheblich verbessert wird.
Der Anmelder hat erkannt, dass die Verwendung eines Hohlprofils mit einem erfindungsgemäßen Verhältnis der Flächenträgheitsmomente die Ausbildung ei-
nes Fachwerkturmes ermöglicht, der die beim Betrieb einer Windenergieanlage im Fachwerkturm auftretende Belastungen aufnehmen kann, wobei der Turm dennoch schlank (relativ kleine untere Turmgrundfläche) und eine deutlich reduzierte Anzahl an Verstrebungen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Türmen mit Standard-L-Profil.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung sind die Schenkel des ersten Profilteils in einem Winkel zwischen 60° und 120° angeordnet. Die Größe des Winkels zwischen den Schenkeln des ersten Profilteils kann in Abhängigkeit von der Zahl der Eckstiele des Fachwerkturms gewählt werden. So ist es bei einem 3- stieligen Mast vorteilhaft, wenn der Winkel 60° beträgt. Bei einem 4-stieligen Mast ist es demgegenüber aber vorteilhaft, das erste Profilteil mit einem Winkel von 90° auszubilden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schenkel des ersten Profilteils über einen Kreisabschnitt miteinander verbunden sind.
Das Vorsehen eines Kreisabschnitt im ersten Profϊlteil bietet den Vorteil, dass auf diese Weise die Querschnittsform des Rundrohres zum Teil nachgebildet werden kann, wodurch entsprechend auch die positiven statischen Eigenschaften des Rohrquerschnitts in das erfindungsgemäße Hohlprofil übernommen werden.
Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Hohlprofils als Eckstiel eines Fachwerkturmes bilden die Kreisabschnitte der ersten Profilteile die äußere Kanten des Fachwerkturmes. Die aufgrund der Kreisabschnitte runde Ausbildung der Kanten bietet den Vorteil, dass gegenüber scharfen Kanten der Windwiderstand und damit auch die Geräuschentwicklung reduziert werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt beim ersten Profilteil das Verhältnis der Dicke der Schenkel zu dem Radius des Kreis-
abschnitts 1: 3. Das Einhalten des erfindungsgemäßen Verhältnis bietet insbesondere bei der Herstellung des ersten Profilteil durch Biegen den Vorteil, dass beim Biegevorgang auftretende metallurgische Spannungen reduziert werden können.
Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung weist das zweite Profilteil ebenfalls zwei Schenkel auf, die in einem Winkel zwischen 60° und 120° zueinander angeordnet sind. Zudem sind die Schenkel des zweiten Profilteils über einen Kreisabschnitt miteinander verbunden sind, wobei das Verhältnis der Dicke der Schenkel zu dem Radius des Kreisabschnitts 1 : 3 beträgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Endkanten der Schenkel des zweiten Profilteils in einem Winkel zwischen 110° und 160° nach außen gebogen sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. Erfindungsgemäß wird das erste Profilteil aus einem Flachstahl hergestellt, der dergestalt gebogen wird, dass das erste Profilteil einen Kreisabschnitt mit zwei sich von dem Kreisabschnitt erstreckenden Schenkeln aufweist.
Ebenso wird das zweite Profilteil aus einem Flachstahl hergestellt, der dergestalt gebogen wird, dass das zweite Profilteil einen Kreisabschnitt und zwei sich von dem Kreisabschnitt erstreckende Schenkel aufweist. Anschließend werden die äußeren Enden der Schenkel des zweiten Profilteils in einem Winkel zwischen 110° und 160° nach außen gebogen werden. Zudem werden jeweils an den Schenkelendkanten des zweiten Profilteils eine nach außen weisenden Fase, mit einem Winkel zwischen 70° und 90° vorgesehen. Das Biegen der Schenkel nach außen sowie das Vorsehen der Fase bieten den Vorteil, dass die Herstellung der späteren Schweißverbindung zwischen den beiden Profilteilen erleichtert wird
und eine Schweißnaht erzeugt werden kann, die den später auftretenden Kräften beim Betrieb der Windenergieanlage standhält.
Abschließend wird das zweite Profilteil in dem ersten Profilteil dergestalt angeordnet, dass die Spitzen der Fasen an den Schenkelendkanten des zweiten Profilteils die Innenkanten der Schenkel des ersten Profilteils berühren, und die beiden Profilteile miteinander verschweißt.
Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, das zusätzlich die äußeren Enden der Schenkel des ersten Profilteils nach außen gebogen werden. Dies bietet den Vorteil, beim späteren Verschweißen der beiden Profilteile auftretende thermische Verformungen der Schenkel ausgeglichen werden können.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Fachwerkturm für eine Windenergieanlage mit mindestens drei Eckstielen, die als Hohlprofil ausgebildet sind. Erfϊndungsgemäß ist das Hohlprofil gemäß einem der Ansprüche 1- 12 ausgebildet.
Wie in der Einleitung erläutert, verändert sich die Art der Belastung durch Torsion und Biegemoment über die Turmlänge. Im oberen Turmbereich muss primär Torsion und im unteren Turmbereich Biegemomente berücksichtig werden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden sind, gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Fachwerkturms die Eckstiele dergestalt ausgebildet, dass das Verhältnis der beiden Flächenträgheitsmomente (Iy, Iz) um die Flächenschwer- punktsachen (y, z) des Querschnitts des Hohlprofils (10) über die Länge des Turmes unterschiedlich ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren lund 2 näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1: schematisch ein erfindungsgemäßes Hohlprofil.
Figur 2: schematisch drei erfindungsgemäße Hohlprofil bei denen das erste und zweite Profilteil dergestalt ausgebildet ist, dass das Verhältnis der beiden Flächenträgheitsmomente um die Flächenschwer- punktsachen des Querschnitts des Hohlprofils 1, 1,35 und 1,6 beträgt.
Die Figur 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Hohlprofil 10, das aus einem ersten Profilteil 11 und einem zweiten Profilteil 12 besteht. Das erste Profilteil 11 weist einen Kreisabschnitt 13 auf. Von den Enden des Kreisabschnitts erstrecken Schenkel 14, 15.
Das zweite Profilteil 12 weist ebenfalls einen Kreisabschnitt 16 auf, von dem sich Schenkel 17, 18 erstrecken. Die oberen Enden der Schenkel 17, 18 sind in einem Winkel α gebogen. An den Kanten der oberen Schenkelenden 17, 18 ist jeweils eine Fase 19, 20 vorgesehen.
Die Figur 2 zeigt schematisch drei erfindungsgemäße Hohlprofile, die jeweils ein unterschiedliches Verhältnis der Flächenträgheitsmomente Iy/ Iz aufweisen. Die Flächenträgheitsmomente sind bezogen auf die Flächenschwerpunktsachsen y und z, wobei beide Achsen senkrecht zueinander auf dem Flächenschwerpunkt S des jeweiligen Hohlprofils stehen.
Die unterschiedlichen Verhältnisse Iy/Iz der drei Hohlprofile der Figur 2 entstehen aufgrund der unterschiedlichen Profildicken des ersten und zweiten Profilteils. So ist die Profildicke des ersten Profilteils des oberen Hohlprofils sehr dick im Verhältnis zur Proflldicke des zweiten Profllteils. Ein solches Hohlprofll
weist zum Beispiel ein Iy/Iz von ~1 auf. Ein solches Verhältnis entspricht dem eines Rundrohres.
Bei dem mittleren Hohlprofil sind die Profildicken der beiden Profilteile ungefähr gleich stark. Bei der vorgeschlagenen Form für das Hohlprofil ergibt sich damit ein Verhältnis Iy/Iz von =1,35.
Demgegenüber ist bei dem unteren Profilteil die Profilstärke des ersten Profilteils sehr viel dünner als bei dem zweiten Profilteil. Bei einer solchen Ausbildung des Hohlprofils beträgt das Verhältnis Iy/Iz =1,6.