Tragwerksplanung für den Turm einer Windenergieanlage in Holzbauweise

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Silvia Baumann
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/ Holzminden/ Göttingen Fachbereich Bauingenieurwesen Tragwerksplanung für den Turm einer Windenergieanlage in Holzbauweise Diplomarbeit SS

1 / Holzminden/ Göttingen Fachbereich Bauingenieurwesen Tragwerksplanung für den Turm einer Windenergieanlage in Holzbauweise Diplomarbeit SS 2004 Angefertigt von: Markus Golinski Erstprüfer: Prof. Dipl. Ing. Nikolaus Nebgen Zweitprüfer: Dipl. Ing. Thorsten Schulz/ Ingenieurbüro Aerodyn

2 INHALTSVERZEICHNIS...1 AUFGABENSTELLUNG, ZUSAMMENFASSUNG, DANK EINLEITUNG BEMESSUNG EINES WINDENERGIEANLAGEN-TURMES Besonderheiten beim Bemessen einer Windenergieanlage Einwirkungen auf die Turmkonstruktion Einwirkungen aus Rotor- und Gondelbetrieb Stationäre Belastungen Instationäre Belastungen Sonstige Einwirkungen auf die Turmkonstruktion Schwingungsprobleme Betriebsfestigkeit und Lastkollektive Turmkonstruktion Anforderungen und Kriterien Übliche Turmkonstruktionen Freitragende Türme Abgespannte Systeme Sonderbauformen Lastannahmen, Lastfälle und Typenprüfung Belastung aus Wind Sonstige Belastungen Typenprüfung in Deutschland Erforderliche Nachweise SCHWINGUNGSBERECHNUNGEN UND BETRIEBSFESTIGKEIT Grundlagen der Schwingungen Lineare Schwingungen des Einmassensystems Die ungedämpfte, freie Eigenschwingung Die gedämpfte, freie Eigenschwingung Besonderheiten bei dynamisch belasteten Holztragwerken Art der Holzbauwerke Eigenschaften des Baustoffes Holz Dauerschwing- und Betriebsfestigkeit von Holz Materialspezifische Merkmale Holz allgemein Holzwerkstoffe Brettschichtholz Holzverbindungen Bestandsaufnahme in der deutschen Holzbaunormung Bemessungsmodelle für dynamisch beanspruchte Tragwerke im Holzbau Bemessungsmodell für Glockenstühle nach GEROLD Tragfähigkeitsnachweise für Einzelstäbe Tragfähigkeitsnachweis für mechanische Verbindungen Gebrauchsfähigkeit Bemessungsmodell nach EC 5-Teil 2 (DIN V ENV ) Allgemeines

3 Tragfähigkeitsnachweis für Einzelstäbe und Verbindungen Vergleich der zwei Bemessungsvorschläge ALLGEMEINES ZUR ENTWURFSPLANUNG Der Maschinenteil der Windenergieanlage aerosmart Technische Daten der Gondel aerosmart Einsatzbereiche der Kleinwindkraftanlage Pflichtenheft für die Turmkonstruktion Lastannahmen für die Vorbemessung Lasten aus der Gondel Extremlasten aus Maschinenbetrieb Windlasten auf den Turm Sonstige Annahmen Ermittlung der Erregerfrequenzen aus Rotorbetrieb VORBEMESSUNG VERSCHIEDENER VARIANTEN Variante 1: Hohlprofil freistehend Methode der Vorbemessung Überschlägliche Nachweise Geschätzte Eigenfrequenz Schnittkräfte und Auslastung Eigenfrequenzanalyse Kontrollrechnung der 1. Biege-Eigenfrequenz Konstruktion und Details Querschnitt Verbindung der Segmente Variante 2: Hohlprofil abgespannt Tragverhalten abgespannter Systeme Ermittlung der Vorspannung der Abspannseile Lastfälle Schnittkräfte Ermittlung der Querschnitte Eigenfrequenzanalyse Konstruktion und Details Querschnitt Verbindung der Segmente Variante 3: Fachwerkturm freistehend Entwurfsüberlegungen Konstruktive Anforderungen Untersuchung verschiedener Ausfachungs-Varianten Lastfälle Ergebnis des Vergleichs und Auswahl Schnittkräfte Eigenfrequenzanalyse Konstruktion und Details Querschnitte Verbindungsbemessung Bewertung der segmentierten Varianten Kriterien für die Bewertung Aufstellung der Bewertungstabelle Untersuchung nichtsegmentierter Varianten

4 5.5.1 Entwurfsüberlegungen und konstruktive Anforderungen Statisches Modell Schnittkräfte Eigenfrequenzanalyse Konstruktion und Details Bewertung der nichtsegmentierten Varianten Kriterien für die Bewertung Bewertungstabelle BEMESSUNG UND KONSTRUKTION VON VARIANTE Lastannahmen Eigengewicht Wind Windlasten am Turmkopf durch Gondel und Rotor Wind auf Turmkonstruktion Vorspannkräfte Temperatur Betriebsfestigkeitslasten Vorgehensweise im Stahlbau Vorgehensweise im Holzbau Sonstige Annahmen Imperfektionen Bodendrehfeder der Fundamentierung Verschieblichkeit der Verbindungsmittel Statisches Modell Zusammengesetzter Querschnitt der Turmspitze Untersuchung der Optimierungsmöglichkeiten Konstruktive Optimierung Tragwerksoptimierung Statische Nachweise Lastfälle Festigkeitsversagen Schnittkräfte für Festigkeitsnachweise Kontrolle der Schnittkräfte Berechnung der statischen Bemessungsfestigkeiten: Montage Ansichten und Positionsübersicht Position 1 gekrümmter Eckgurt Querschnitts- und Stabilitätsnachweis Nachweis des Anschlusses am Fußpunkt Nachweise Stützenfuß-Variante STF Nachweise Stützenfuß-Variante STF Position 2 Zusammengesetzter Querschnitt Variante 1: Ausführung als Block-verleimter Querschnitt Variante 2: Nachgiebig verbundener Querschnitt Position 3 Druckriegel Position 4 Rundstahldiagonalen, Stabanker DETAN-S und Anschluss Betriebsfestigkeitsnachweise Lastfälle Ermüdungsversagen Schnittkräfte für Betriebsfestigkeitsnachweise Ausgewählte Betriebsfestigkeits-Nachweise Nachweis des Eckgurt-Querschnitts

5 Nachweis des Schlitzblech-Anschlusses am Fußpunkt Nachweis der dynamischen Stabilität Annahmen Eigenfrequenzanalyse Zusammenfassung und Ausblick VERZEICHNISSE Glossar Literaturverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Diagrammverzeichnis Tabellenverzeichnis ANHANG R-Stab-Ausdruck der Schnittgrößen R-Stab-Ausdruck für Betriebsfestigkeitsnachweise R-Stab-Ausdruck für den Nachweis der dynamischen Stabilität Berechnung des nachgiebig miteinander verbundenen Querschnitts Konstruktionsplan und Materialliste... Benutzungshinweis: Kursiv gedruckte Begriffe sind im Glossar erklärt. 4

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