Anforderungen an die mechanische Fügetechnik für Türme von WEA in Stahlbauweise für große Nabenhöhen

Moderne Windenergieanlagen ermöglichen mit hohen Nabenhöhen eine wirtschaftliche Energiegewinnung an windschwächeren Standorten sowie in komplexem Terrain oder Waldgebieten. Große Nabenhöhen stellen große Herausforderungen an die Leistungsfähigkeit der Türme, die für den Betrieb der Anlage bestimmte statische und dynamische Eigenschaften erfüllen müssen. Dabei erreicht die Machbarkeit von konventionellen, geschweißten Stahlrohrtürmen technische sowie wirtschaftliche Grenzen und es kommen alternative Turmkonzepte zum Einsatz. Für alternative Turmkonzepte aus Stahl bringen gleitfeste Verbindungen (GV-Verbindung) zahlreiche Vorteile, werfen aber auch neue Fragestellungen auf. Die Tragfähigkeit der GV-Verbindung ist neben der Haftreibungszahl für die Reiboberflächen von der eingebrachten Vorspannkraft abhängig. Im Rahmen der geplanten Lebensdauer einer Windenergieanlage ergeben sich für die GV-Verbindungen Vorspannkraftverluste, die geeignet berücksichtigt werden müssen. Die derzeitigen Bemessungsregeln im Stahlbau erlauben jedoch keine rechnerische Ermittlung dieser Verluste, so dass ein Wartungsaufwand unumgänglich ist.
Im diesem Artikel wird in Anlehnung an die VDI-Richtlinie 2230 für Schraubenverbindungen im Maschinenbau ein verbesserter Bemessungsansatz für GV-Verbindungen im Stahlbau präsentiert, der die Nachweismöglichkeit mit einer verbleibenden Vorspannkraft abzüglich etwaiger Vorspannkraftverluste bietet. Weiterhin werden vergleichende Schwingfestigkeitsuntersuchungen an GV-Verbindungen mit gebohrten und gestanzten Löchern vorgestellt. Es wurde nachgewiesen, dass sich bei gleitfester Lastübertragung keine negativen Effekte auf die Ermüdungsfestigkeit durch Stanzen ergeben. Auf Basis dieser Untersuchungen konnte eine Typenprüfung für einen wartungsfreien Stahlschalenturm ausgestellt werden, der aus mit GV-Verbindungen gefügten Stahlplatten besteht.

Requirements for mechanical joining for application in the wind turbine towers for large hub height made of steel.
Modern wind turbines with high hub heights enable an economical energy production for locations with lower wind speed, complex terrain or in forests. High hub heights result in high requirements for the performance of turbine towers. For power production, the towers have to feature distinct static and dynamic properties. The feasibility of conventional, welded tubular steel towers faces technical and economical limits and alternative tower concepts are applied. For alternative steel towers concepts, friction connections with preloaded bolts have several advantages, but also raises new questions. The load bearing capacity of a friction connection depends on the coefficient of static friction and the applied pretension. During the turbine lifetime, the friction connection will be subject to a loss of pretension that needs to be considered. According to current design standards for steel constructions, the loss of pretension cannot be included in the design phase, but must be accounted for by means of maintenance.
This article presents an advanced design method for friction connection in steel constructions that is based on the VDI guideline 2230 for bolted connections in machinery structures and includes a possibility to consider loss of pretension. In addition, friction connections with drilled and punched holes are considered. It can be shown, that for preloaded friction connections, the punching of holes leads to no adverse effects for fatigue resistance. On the basis of this design method, it was possible to issue a type approval for a maintenance free steel shell tower that consists of steel plates, which are joined by friction connections.