Der Sandwich Joint als zweischnittige Rohr-in-Rohr-Verbindung

Im Zuge der Entwicklung neuartiger Sandwichtürme mussten auch Fragen bezüglich der Verbindungstechnik beantwortet werden. Dazu wurde von Schaumann und Keindorf ein neuer Verbindungstyp vorgeschlagen, der bei der favorisierten Kombination als Stahl-Sandwichturm zum Einsatz kommen soll. Auf der DEWEK 2008 wurde das Prinzip der Verbindung vorgestellt (s. Publikationsliste), wobei für den Verbindungstyp der Begriff Sandwich-Joint gewählt wurde.   

Es handelt sich dabei um eine zweischnittige Rohr-in-Rohr-Verbindung, bei der die obere Stahlturmsektion zwischen Innen- und Außenrohr der bereits verankerten Sandwichturmsektion eingehoben wird. Dafür darf der obere Bereich der Kernschicht noch nicht im Werk verfüllt sein, damit das obere Stahlrohr bis zu einer gewissen Überlapplänge eingeschoben werden kann. Erst nachdem die obere Stahlturmsektion lotrecht ausgerichtet und fixiert ist, erfolgt das Verfüllen des Zwischenraums mit einem Verbundwerkstoff in-situ (s. Abbildung unten).

Neuer Verbindungstyp zwischen Stahl- und Sandwichturmsektionen
Neuer Verbindungstyp zwischen Stahl- und Sandwichturmsektionen

Das Prinzip und Tragverhalten eines Sandwich Joints

Innerhalb des kraftschlüssigen Überlappbereichs werden die Kräfte und Momente vom oberen Stahlrohr über den Verbundwerkstoff in das Innen- und Außenrohr der Sandwichturmsektion weitergeleitet. Die Kraftübertragung erfolgt dabei über Schubkräfte im Verbundwerkstoff, wie es in ähnlicher Weise bei Grouted Joints der Fall ist. Insofern dient der Verbundwerkstoff nicht nur als aussteifendes, sondern auch als kraftübertragendes Element zwischen den Turmsektionen. Dadurch können zwei Ringflansche und eine Vielzahl von Schrauben bei der vorgeschlagenen Verbindungsvariante, dem Sandwich Joint, eingespart werden.

Im Vergleich zum Grouted Joint besitzt der Sandwich Joint den Vorteil, dass er zu den zweischnittigen Rohr-in-Rohr-Verbindungen gehört. Denn in Analogie zu zweischnittigen Schraubenverbindungen besitzt er zwei Scherfugen, wie es die Gegenüberstellung in der folgenden Abbildung verdeutlicht. Dadurch ist der Sandwich Joint in der Lage, die doppelte Schubkraft bei gleicher Überlapplänge zu übertragen. In diesem Fall könnten höhere Turmkopflasten bei gleichem Materialeinsatz weitergeleitet werden. Im Umkehrschluss besteht die Möglichkeit, die Überlapplänge LÜ bei gleicher Kraftgröße F zu verkürzen, wodurch Material im Verbindungsbereich eingespart wird (Länge des zusätzlichen Rohrschusses).

 

Kraftübertragung in Analogie zu ein- und zweischnittigen Schraubverbindungen
Kraftübertragung in Analogie zu ein- und zweischnittigen Schraubverbindungen

Vor- und Nachteile des Sandwich-Joints gegenüber Ringflanschverbindungen

Im Gegensatz zu geschraubten Ringflanschverbindungen können mit dem Sandwich Joint Schiefstellungen und Imperfektionen, wie z.B. Unrundheiten, ausgeglichen werden. Weiterhin entfallen dadurch einige ermüdungskritische Stellen (Hot Spots), weil keine Schrauben und Ringflansche vorhanden sind. Es sind auch keine Wartungsarbeiten erforderlich, um die Schrauben auf evt. Vorspannkraftverluste zu kontrollieren. Andererseits wird der Montageaufwand beim Sandwich Joint höher eingeschätzt. Deshalb werden die Vor- und Nachteile zur besseren Übersicht tabellarisch aufgeführt.

Vor- und Nachteile des Sandwich Joints gegenüber Ringflanschverbindungen
Vor- und Nachteile des Sandwich Joints gegenüber Ringflanschverbindungen

Die Kraftübertragung innerhalb des Sandwich-Joints

Im Rahmen der Dissertation von Christian Keindorf wurden Spannungsanalysen für den Sandwich Joints unter Berücksichtigung des Haftkontakts durchgeführt, um die Beanspruchungen im Füllmaterial aufzuzeigen. Dazu wurde ein Biegemoment angesetzt, bei dem die obere Stahlturmsektion (ST 355 mit tST = 28 mm) die Streckgrenze (S355) auf der Biegedruck- und Biegezugseite erreicht. Innen- und Außenrohr der unteren Sandwichsektion besitzen jeweils eine Blechdicke von t-1 =t+1 = 12 mm bestehend aus dem höherfesten Stahl S460. Insofern wird die Sandwichturmsektion in diesem Fall mit SES 460 bezeichnet.

Anhand der Schubspannungsverteilung ist zu erkennen, dass an den Rändern des Überlappbereiches Spannungsspitzen auftreten. Der Kurvenverlauf entspricht qualitativ der erwarteten Form (s. oben, Erläuterungen zum Prinzip). 

Des Weiteren müssen die Normalspannungen in den Stahlrohren und im Füllmaterial bekannt sein, um eine Dimensionierung für den Sandwich Joint vornehmen zu können. Dazu sind in der zweiten Abbildung die Normalspannungsverläufe über die Höhe der Tragstruktur dargestellt. Anhand des Spannungsplots ist zu erkennen, dass eine kontinuierliche Kraftübertragung von der oberen Stahlturmsektion zum Innen- und Außenrohr der Sandwichturmsektion stattfindet.

Am unteren Übergang des Sandwich Joints wird die Annahme bestätigt, dass das Füllmaterial gegen das Durchrutschen des oberen Stahlrohrs einen Widerstand in Abhängigkeit von seiner Steifigkeit und Druckfestigkeit leistet, weil es direkten Druckkontakt zu diesem besitzt. An dieser Position erreichen die Druckspannungen im Füllmaterial einen Spitzenwert, der jedoch unterhalb der charakteristischen Druckfestigkeit bleibt. Außerdem werden mit Hilfe der Spannungsverläufe weitere Erkenntnisse bestätigt. Zum Beispiel gehören dazu die theoretisch ermittelten Spannungsdifferenzen zwischen Innen- und Außenrohr sowie die Beteiligung des Füllmaterials am Lastabtrag innerhalb der Sandwichturmsektion. Bedingt durch diese Beteiligung des Füllmaterials am Lastabtrag werden Innen- und Außenrohr des Sandwichrohres auf der Biegedruckseite deutlich entlastet, sodass diese gar nicht bis zur Streckgrenze beansprucht werden.

Nicht zuletzt wird eine größere Strukturdämpfung durch den Sandwich Joint erwartet, weil die Stahlrohre nicht direkt aufeinander gestoßen werden. Das Füllmaterial zwischen den Rohren besitzt eine höhere Materialdämpfung als Stahl, wodurch die Übertragung von Schwingungen zu den unteren Tragstrukturen (Sandwichturmsektion, Fundamentsektion, Ankerkorb oder Monopile) reduziert werden können.  

Schubspannungsverteilung im Füllmaterial [Dissertation Keindorf, 2010]
Schubspannungsverteilung im Füllmaterial [Dissertation Keindorf, 2010]
Normalspannungsverläufe in den Stahlrohren und im Füllmaterial [Dissertation Keindorf, 2010]
Normalspannungsverläufe in den Stahlrohren und im Füllmaterial [Dissertation Keindorf, 2010]

Weitere Konstruktionsvarianten vom Sandwich-Joint

Verschiedene Werkstoffkombinationen beim Sandwich Joint
Verschiedene Werkstoffkombinationen beim Sandwich Joint
Weitere Konstruktionsvarianten (Onhsore und Offshore)
Weitere Konstruktionsvarianten (Onhsore und Offshore)

Auf Grundlage von Versuchsergebnissen im Rahmen der Dissertation von Christian Keindorf kommen für die Sandwichturmsektionen, die mit Stahlturmsektionen verbunden werden sollen, mehrere Werkstoffkombinationen in Betracht. Bei der Variante mit einer Elastomerfüllung sind keine Schubrippen und Haftvermittler erforderlich, weil der getestete Verbundwerkstoff eine außerordentlich hohe Haftzugfestigkeit auf sandgestrahlten Stahloberflächen aufweist.

Alternativ kann ein Vergussmörtel mit haftvermittelnden Additiven im Verbindungsbereich zum Einsatz kommen, der außerdem eine gute Pump- und Fließfähigkeit sowie hohe Druckfestigkeit besitzen sollte. Für diese Variante werden Schubrippen, wie bei den Grouted Joints empfohlen, um die Druckstrebentragfähigkeit sowohl im Grenzzustand der Tragfähigkeit als auch im Grenzzustand der Ermüdung deutlich steigern zu können. Dieser messtechnisch nachgewiesene Effekt wurde in der Bautechnik Heft 11/2009 detailliert erläutert, wobei anhand der Versuchsergebnisse auch ein Bemessungsvorschlag abgeleitet wurde.  

Bei einem Onshore-Standort kann z.B. über eine Fundamentsektion eine kraftschlüssige Übertragung zwischen Sandwichrohr und Fundament erzielt werden. Dabei werden die Kräfte und Momente in Analogie zum Anschluss an die obere Stahlturmsektion eingeleitet ("umgekehrter Kraftfluss").

Der Einsatz einer Sandwichturmsektion ist grundsätzlich auch Offshore möglich, wobei sich der Sandwich Joint als Verbindung zum Monopile oder Zentralrohr eines Tripods anbietet. Dafür muss der Sandwich Joint jedoch die besonderen konstruktiven Anforderungen der Offshore-Türme erfüllen. Allerdings könnten durch diese neue Verbindungsvariante weitere Ringflansche und Schrauben eingespart werden. Für die erforderliche Montagetechnik existieren bereits langjährige und übertragbare Erfahrungen bei realisierten Grouted Joints für OWEA.