Towers out of double walls

Abstract

Konzepte für wirtschaftliche und schnell errichtbare Türme sind heutzutage gefragter denn je. Der Grund dafür ist die Energiewende und die damit einhergehende weltweite Errichtung von Windenergieanlagen. Um wirtschaftlich Strom erzeugen zu können, müssen Windenergieanlagen besonders in Schwachwindgebieten mit einer hohen Bodenrauigkeit eine große Höhe aufweisen. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb ein neues Turmbaukonzept vorgestellt, welches besonders für hohe Türme geeignet ist. Aktuell gibt es eine große Zahl an Turmbauverfahren, die Stahl, Beton und sogar Holz einsetzen. Besonders ”kleine“Anlagen mit Nabenhöhen zwischen 80 und 120 m werden fast ausschließlich aus einteiligen Stahlrohrsegmenten mit Durchmessern bis zu circa 4,3 m hergestellt. Höhere Türme müssten massiver sein, jedoch stößt der Transport von Stahlrohren mit solchen Durchmessern im Straßennetz an seine Grenzen. Dies gab den Anstoß eine Vielzahl diverser Bauverfahren zu entwickeln, welche sich durch einen geringeren Vorfertigungsgrad im Vergleich zu einteiligen Stahlrohrtürmen auszeichnen. All diese Bauverfahren werden in der vorliegenden Arbeit beschrieben. Durchgesetzt hat sich vor allem eine hybride Betonfertigteilbauweise mit aufgesetztem Stahlrohrturm, wie sie auch für Türme der derzeit höchsten Windenergieanlagen eingesetzt wird. Die Türme benötigen allerdings hohe Vorspannkräfte, um die geforderte Steifigkeit sowie Tragfähigkeit aufzuweisen. Ortbetontürme, welche im Vergleich zu Fertigteilbetontürmen zeitintensiv in der Errichtung sind, können bei gleichem Materialeinsatz höhere Steifigkeiten sowie Tragfähigkeiten erreichen. Eine Kombination von beiden Bauweisen Fertigteil und Ortbeton würde es ermöglichen, schnell tragfähige Türme zu errichten. Das in dieser Arbeit beschriebene Turmkonzept benützt Doppelwände (Halbfertigteile) als Grundbausteine und ermöglicht daher Türme ähnlich schnell wie mit vollwandigen Fertigteilen herzustellen und dabei eine ähnliche Tragfähigkeit wie bei Ortbetontürmen zu erreichen. Hierbei sollen handelsübliche, ebene Standard-Doppelwände, welche weltweit erhältlich sind, benützt werden, um polygonale Ringsegmente zusammenzusetzen. Diese Segmente können dann aufeinander gestapelt werden, sodass der Hohlraum zwischen den Doppelwandplatten ausbetoniert werden kann. Jede Fuge ist mit Bewehrung versehen, weshalb von einer durchgängigen Lastweiterleitung in vertikaler als auch in horizontaler Richtung ausgegangen werden kann. Abschließend wird der Betonturm vorgespannt. Dieses Konzept wird in dieser Arbeit ausführlich und in unterschiedlichsten Ausführungsmöglichkeiten beschrieben. Die Machbarkeit des vorgestellten Konzeptes sowie die Sinnhaftigkeit des Einsatzes von handelsüblichen Doppelwandelementen wurde erfolgreich im Zuge der Errichtung eines Prototypen-Turmabschnitts demonstriert. Der Prototyp bestand aus sechs Segmenten mit einer Gesamthöhe von 16,15 m und einem Außeneckradius zwischen 3,85 m und 4,22 m. Die während der Errichtung gemachten Erfahrungen und durchgeführten Versuche sind in dieser Arbeit beschrieben und ermöglichen eine Weiterentwicklung des Bauverfahrens. Zusätzlich zur Machbarkeit können die konstruktiven Vorteile des vorgestellten und getesteten Bauverfahrens mit einem neuen Visualisierungskonzept für den Ermüdungswiderstand von bewehrten Betonquerschnitten gezeigt werden. Dieses Konzept ermöglicht es, die maßgeblichen Abhängigkeiten zwischen der Querschnittsgeometrie, dem Bewehrungsgrad, den Materialgüten und dem Vorspannniveau aufzuzeigen. Da der Ermüdungsnachweis für hoch dynamisch belastete Betonkonstruktionen für eine praktische Anwendung der maßgebende Nachweis ist, können die Ergebnisse des Visualisierungskonzepts zur Vorbemessung von Betontürmen herangezogen werden. Das Visualisierungskonzept und die essentiellen Nachweise für die Ermüdung, Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit werden benützt, um einen hybriden Turm mit einer Nabenhöhe von 140 m zu bemessen. Das Ergebnis der statischen Bemessung dieses Turms mit einem unteren Abschnitt aus zehn Doppelwandsegmenten sind die erforderlichen Massen und Materialgüten. Dies und die Beschreibung des Bauablaufs liefern die Grundlage für einen Vergleich der Wirtschaftlichkeit mit anderen Bauverfahren. In jedem Fall zeigen die Ergebnisse, dass das erforderliche Vorspanniveau und die Betongüte, im Vergleich zu einer Fertigteilbauweise aus vollwandigen Elementen, halbiert werden können.

Economical and quick erectable tower structures are more in demand today than ever before. The reason for this is the energy transition and thus associated worldwide erection of wind turbines. In order to economically compete with other power plants, especially at low wind sites and areas with a big soil boundary layer, wind turbine towers must rise in height. In this work, therefore, a new tower erection method is presented, which is especially suitable for high towers. Currently, there is a large variety of tower erection methods made of steel, concrete and even timber. Especially “short” towers with hub heights between 80 and 120 m are erected almost exclusively from one-piece tubular steel segments with diameters up to approximately 4.3 m. Higher towers would have to be more massive, but the transportation of tubes with such a diameter reaches the limit which is transportable in the road network. This fact gave rise to the development of a variety of erection methods, which are characterised by a lower degree of prefabrication compared to one-piece tubular steel towers. These erection methods are described in the present work. The most successful of these is a hybrid tower concept, with a bottom part out of solid concrete precast parts topped by a section out of tubular steel segments, which is currently used for the erection of the highest wind turbine towers. However, these towers require a high level of prestressing to provide the required stiffness and load-bearing capacity. A cast-in-place tower would achieve a higher stiffness and load-bearing capacity with the same material utilisation. However, these towers are rarely erected because of their comparatively long construction period. A combination of both methods, precast and cast-in-place, would allow utilising the advantages of both. The tower concept described in this work uses double walls (semi-finished parts) as the basic building block, and thus it enables the erection of towers with a construction period similar to solid precast towers while a load-bearing capacity similar to cast-in-place towers is achieved. Therefore, standard and plane double wall elements, which are available worldwide, are used to pre-assemble segments. These segments are then stacked on top of each other so that the hollow space between the double wall slabs can be filled with concrete. Every joint is equipped with reinforcement, thus, enabling a force transmission in horizontal and vertical direction. Finally, the structure is prestressed. This concept is described further in close detail and different execution variants are discussed. The practical feasibility of the proposed concept, as well as the meaningfulness of the use of standard double walls, was tested successfully in the erection of a prototype tower section. The prototype consisted of six segments with a total height of 16.15 m and an outer edge diameter ranging between 3.85 and 4.22 m. In this work, the conducted experiments are discussed in detail thus providing a basis for the further development of the proposed concept. In addition to the practical feasibility, it is possible to demonstrate the structural advantages of the proposed and tested tower concept by a new concept for the fatigue resistance visualisation of reinforced concrete cross-sections which is presented in this work. The visualisation concept allows showing the governing dependencies between the geometry of the cross-section, reinforcement ratio, material qualities and prestressing level. The results of the fatigue resistance visualisation concept can be used to pre-dimension concrete towers because the fatigue proof is for a practical application decisive for highly dynamically loaded concrete structures. This visualisation concept and all essential proofs regarding fatigue, the ultimate limit state and the serviceability are used to design a hybrid tower with a hub height of 140 m consisting out of ten double wall segments in the lower concrete section. The results of the structural analysis are the required material quantities and qualities. These values and the description of the erection process are the basis for an economical comparison towards other tower designs. Importantly, the results indicate that the proposed tower concept requires only half of the prestressing force and the concrete strength compared to a design using solid precast parts.