Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau | Institut für Tragkonstruktionen

Technische Universität Wien

Türme für Windenergieanlagen aus Doppelwandelementen

Einleitung

Die Realisierung einer nachhaltigen Energieversorgung (Energiewende) erfordert, dass immer mehr Strom aus nachhaltigen d.h. erneuerbaren Energiequellen wie der Windenergie gewonnen werden muss. Deshalb werden immer mehr Windenergieanlagen mit immer höheren Energieförderleistungen errichtet. Dies bedeutet jedoch unweigerlich, dass die Windenergieanlagen, üblicherweise als Turmbauwerke ausgeführt, mit immer höheren Nabenhöhen errichtet werden müssen. Die damit steigende Belastung des Bauwerks erfordert größere Durchmesser als mit Stahlrohrtürmen üblicherweise wirtschaftlich ausführbar ist. Deshalb hat sich eine hybride Bauweise (Beton und Stahl) als eine wirtschaftliche Lösung etabliert.

Stand der Technik - Betonfertigteiltürme

Bei dieser Hybridbauweise besteht der untere Abschnitt derzeit meistens aus vollwandigen Betonfertigteilsegmenten, die entweder ganz oder in bis zu drei Teilsegmenten an die Baustelle geliefert und zu einem Turm zusammengesetzt werden. Diese Vollfertigteile werden im Allgemeinen trocken zusammen- bzw. aufeinandergestellt und mit Schraubverbindungen fixiert. Sind alle Segmente platziert, werden sie vertikal über die ganze Höhe gegen das Fundament vorgespannt. Diese Fertigteilbauweise hat sich auf Grund der Durchmesser die am Turmfuß hergestellt werden können und ihrer geringen Aufbauzeit sowie der daraus resultierenden Wirtschaftlichkeit am Markt etabliert. Die größten Nachteile dieser Bauweise zeigen sich finanziell in den hohen Kosten für Fertigung und Sondertransport der Fertigteile sowie konstruktiv bei dem mit trockenen Fugen zusammengestelltem Betonkörper, der durch die Vorspannung zusammengehalten werden muss.

Abb. 1: Windkraftanlage mit polygonalem Querschnitt (rendering)
Abb. 2: Fertiggestelltes Segment (oben) und zu einem Segment zusammengestellte Doppelwandelemente (unten)
Abb. 3: Prototyp (rendering)

Neues Turmkonzept

Aus diesem Grund wird derzeit am Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien an einer neuen Bauweise für Türme von Windenergieanlagen aus Halbfertigteilen gearbeitet. Das Ziel ist es ein Bauverfahren zu entwickeln, bei dem die Vorteile der Ortbetonbauweise (monolithisches Bauwerk mit durchgängiger Bewehrung) mit jenen der Fertigteilbauweise (Wirtschaftlichkeit) kombiniert werden, um effizient Türme mit einer großen Hubhöhe errichten zu können. Hierbei soll der Einsatz von einfachen handelsüblichen Doppelwandelementen diese neue Bauweise charakterisieren. Die einzelnen Elemente sollen dabei zu einem sich verjüngenden Turmbauwerk mit polygonalem Grundriss zusammengesetzt werden (Abbildung 1).
Das Turmbauwerk setzt sich aus Ringsegmenten zusammen, welche am Boden aus einzelnen Doppelwänden zusammengesetzt werden, die im weiteren Verlauf übereinander positioniert einen Turm ergeben. Bei der Planung der Doppelwandelemente kann die Geometrie so optimiert werden, dass der Transport zur Baustelle so einfach wie möglich realisierbar ist. Auf der Baustelle setzt man dann die einzelnen Elemente auf einem Vormontageplatz zu einem im Grundriss regelmäßigen Polygon zusammen (siehe Abbildung 3). Hierbei können die Elemente in einem vordefinierten Winkel positioniert werden, so dass sich einzelne Prismen (Segmente) ergeben. Das erste auf diese Weise hergestellte Segment wird dann auf einem davor hergestellten Fundament platziert. Die weiteren Segmente werden durch drei an Ober- und Unterseite angeordnete Betonblöcke auf den vorhergehenden positioniert. Die Lagerung auf drei Punkten erlaubt es, etwaige Herstellungsungenauigkeiten in der Neigung des Turms auszugleichen. Nach dem Platzieren jedes einzelnen Segments wird dieses von innen ausbetoniert und dadurch mit den darunter liegendem Segmenten fest verbunden. Das Heben und das Verfüllen der bereits fertig montierten Segmente erfolgt dabei in einer Arbeitsgeschwindigkeit, so dass es sich um einen kontinuierlichen Prozess handelt. Dadurch soll ein durchgängig bewehrter Füllbeton entstehen.

Bei der vorher beschriebenen Bauweise ergeben sich einige technische sowie statisch konstruktive Herausforderungen. Zu diesen zählt die statisch konstruktive Verbindung der einzelnen Wände untereinander. Diese muss eine geforderte Formstabilität gewährleisten, so dass das eingerichtete Segment, während des Hebens mit dem Kran sowie während der Betonage, nicht unzulässig deformiert wird. Dies kann über Schweißverbindungen, welche an den Seiten der Außenschalen der Doppelwände angeordnet sind, bewerkstelligt werden. Des Weiteren müssen die vertikalen sowie horizontalen Fugen, die sich zwischen den Elementen bzw. Segmenten ergeben, so abgedichtet werden, dass der Füllbeton nicht ausrinnen kann. Hierfür können entweder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) Profile oder Mörtel für die vertikalen und eine Schalung für die horizontalen Fugen verwendet werden. Auch das Einbringen der Anschlussbewehrung zwischen den Elementen bzw. Segmenten in horizontaler als auch vertikaler Richtung ist mit geometrischen Herausforderungen verbunden, die mit Seilschlaufen als nachgiebige Bewehrung bewältigt werden können. All diese Details wurden im Zuge der Errichtung eins 16,5 m hohen Prototypen ausgetestet, siehe Abbildung 3 und Abbildung 4.

Zusammenfassung und Vergleich von Fertigteil- und Halbfertigteiltürmen

Das vorgeschlagene Bauverfahren ist vor allem für Windenergieanlagen mit Nabenhöhen größer als 100 m von Interesse. In diesem Sektor wirtschaftlich sinnvoll und derzeit vorherrschend sind Türme aus vollwandigen Betonfertigteilen. Diese bedürfen einerseits hochspezialisierter Fabriken – die es an wenigen Standorten gibt  – um die die Vollfertigteile herzustellen und andererseits ist die maximale Geometrie der schalen- bzw. ringförmigen Vollfertigteile durch das Verkehrsnetz (z.B. Brückendurchfahrtshöhen) limitiert. Werden die maximal möglichen Fertigteilgrößen realisiert, müssen die Elemente mit kostspieligen Sondertransporten an den Bestimmungsort gebracht werden. Auch bei der Lagerung erfordern diese großen Elemente viel Platz. Im Gegensatz hierzu können Doppelwände derzeit an vielen Standorten weltweit produziert werden. Der Transport erfolgt mit üblichen Sattelschleppern. Da die Elemente eben sind, können sie sowohl im Werk als auch auf der Baustelle platzsparend gelagert werden. Ein Vergleich der zu hebenden Segmentmassen zeigt, dass die Segmente aus Doppelwände – im Bauzustand – maximal ein Drittel der vollwandigen Segmente wiegen und dadurch bei gleichem Gewicht drei Mal so hohe Segmente versetzt werden können bzw. kleinere Hubgeräte verwendet werden kann. Natürlich ist man durch die Verwendung von Ortbeton wetterabhängig, jedoch erhält man im Vergleich zu der Vollfertigteilbauweise, die aufgrund der vertikale Vorspannung standsicher ist, eine Bauweise die durch ihren monolithischen Kern und die schlaffe Bewehrung mit minimierter Vorspannung bemessen werden kann und auf Grund der geringeren Druckspannung auf den Beton einer höheren Ermüdungswiderstand bei gleicher Betongüte aufweisen.

Abb. 4: Errichteter Prototyp

Nach den bisherigen Erfahrungen durch den Bau des Prototyps ist zu erwarten, dass das beschriebene Herstellungsverfahren einer kurzen Bauzeit bedarf, wirtschaftlich ist und sich somit neben den bisher üblichen Bauweisen etablieren kann.

 

Abgewickelt wird das Projekt über die Prototypenförderung "PRIZE" vom Austrian Wirtschaftsservice (aws):

 

Die Finanzierung des Forschungsprojektes erfolgt durch das Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft:

Die Doppelwandelemente wurden hergestellt von:

 

www.betonbau.tuwien.ac.at