{"id":6262,"date":"2020-08-03T16:34:37","date_gmt":"2020-08-03T14:34:37","guid":{"rendered":"http:\/\/neu.ski-consult.de\/?page_id=6262"},"modified":"2023-11-16T15:28:54","modified_gmt":"2023-11-16T14:28:54","slug":"sandwich-joints","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/ski-consult.de\/en\/taetigkeitsbreiche\/strukturanalysen\/verbindungstechnik\/sandwich-joints\/","title":{"rendered":"Sandwich Joints"},"content":{"rendered":"\t\t
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Der Sandwich Joint als zweischnittige Rohr-in-Rohr-Verbindung\n<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Im Zuge\u00a0der Entwicklung neuartiger\u00a0Sandwicht\u00fcrme<\/a>\u00a0mussten\u00a0auch Fragen bez\u00fcglich der Verbindungstechnik beantwortet werden. Dazu wurde\u00a0von\u00a0Schaumann und Keindorf\u00a0ein neuer Verbindungstyp vorgeschlagen, der bei der favorisierten Kombination als Stahl-Sandwichturm zum Einsatz kommen soll. Auf der DEWEK 2008 wurde das Prinzip der Verbindung\u00a0vorgestellt (s. Publikationsliste), wobei f\u00fcr den Verbindungstyp\u00a0der Begriff\u00a0Sandwich-Joint\u00a0gew\u00e4hlt wurde.\u00a0\u00a0\u00a0<\/p>

Es handelt sich dabei um eine zweischnittige Rohr-in-Rohr-Verbindung, bei der die obere Stahlturmsektion zwischen Innen- und Au\u00dfenrohr der bereits verankerten Sandwichturmsektion eingehoben wird. Daf\u00fcr darf der obere Bereich der Kernschicht noch nicht im Werk verf\u00fcllt sein, damit das obere Stahlrohr bis zu einer gewissen \u00dcberlappl\u00e4nge eingeschoben werden kann. Erst nachdem die obere Stahlturmsektion lotrecht ausgerichtet und fixiert ist, erfolgt das Verf\u00fcllen des Zwischenraums\u00a0mit einem Verbundwerkstoff in-situ (s. Abbildung unten).<\/p><\/div>

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Neuer Verbindungstyp zwischen Stahl- und Sandwichturmsektionen\n<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Kraft\u00fcbertragung in Analogie zu ein- und zweischnittigen Schraubverbindungen\n<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Das Prinzip und Tragverhalten eines Sandwich Joints\n<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Innerhalb des kraftschl\u00fcssigen \u00dcberlappbereichs werden die Kr\u00e4fte und Momente vom oberen Stahlrohr \u00fcber den Verbundwerkstoff in das Innen- und Au\u00dfenrohr der Sandwichturmsektion weitergeleitet. Die Kraft\u00fcbertragung erfolgt dabei \u00fcber Schubkr\u00e4fte im Verbundwerkstoff, wie es in \u00e4hnlicher Weise bei\u00a0Grouted Joints<\/a>\u00a0der Fall ist.\u00a0Insofern dient der Verbundwerkstoff nicht nur als aussteifendes, sondern auch als kraft\u00fcbertragendes Element zwischen den Turmsektionen. Dadurch k\u00f6nnen zwei\u00a0Ringflansche<\/a>\u00a0und eine Vielzahl von\u00a0Schrauben<\/a>\u00a0bei der vorgeschlagenen Verbindungsvariante, dem\u00a0Sandwich Joint, eingespart werden.<\/p>

Im Vergleich zum Grouted Joint besitzt der Sandwich Joint den Vorteil, dass er zu den zweischnittigen Rohr-in-Rohr-Verbindungen geh\u00f6rt. Denn in\u00a0Analogie zu zweischnittigen Schraubenverbindungen besitzt er zwei Scherfugen, wie es die Gegen\u00fcberstellung\u00a0in der folgenden\u00a0Abbildung\u00a0verdeutlicht. Dadurch ist der Sandwich Joint in der Lage, die doppelte Schubkraft bei gleicher \u00dcberlappl\u00e4nge zu \u00fcbertragen. In diesem Fall k\u00f6nnten h\u00f6here Turmkopflasten bei gleichem Materialeinsatz weitergeleitet werden. Im Umkehrschluss besteht die M\u00f6glichkeit, die \u00dcberlappl\u00e4nge L\u00dc\u00a0bei gleicher Kraftgr\u00f6\u00dfe F zu verk\u00fcrzen, wodurch Material im Verbindungsbereich eingespart wird (L\u00e4nge des zus\u00e4tzlichen Rohrschusses).<\/p><\/div><\/div><\/div><\/div><\/div><\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Vor- und Nachteile des Sandwich-Joints gegen\u00fcber Ringflanschverbindungen\n<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Im Gegensatz zu geschraubten\u00a0Ringflanschverbindungen<\/a>\u00a0k\u00f6nnen mit dem Sandwich Joint Schiefstellungen und Imperfektionen, wie z.B. Unrundheiten, ausgeglichen werden. Weiterhin entfallen dadurch einige erm\u00fcdungskritische 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 h\u00f6her eingesch\u00e4tzt. Deshalb werden die Vor- und Nachteile zur besseren \u00dcbersicht tabellarisch aufgef\u00fchrt.\u00a0<\/span><\/p><\/div><\/div><\/div><\/div><\/div><\/div><\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Vor- und Nachteile des Sandwich Joints gegen\u00fcber Ringflanschverbindungen<\/h6>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Kriterium<\/th>Vorteile<\/th>Nachteile<\/th>\n<\/tr>\n<\/thead>\n
Material<\/td>keine Ringflansche<\/td>zus. Rohrschuss im \u00dcberlappbereich<\/td>\n<\/tr>\n
<\/td>keine Schrauben<\/td>zus. Schubrippen aufschwei\u00dfen<\/td>\n<\/tr>\n
Lastabtrag<\/td>Keine Exzentrizit\u00e4t in Normalkraftrichtung<\/td><\/td>\n<\/tr>\n
<\/td>gr\u00f6\u00dfere Toleranz in Bezug auf Imperfektionen<\/td><\/td>\n<\/tr>\n
<\/td>Ausgleich von Schiefstellungen m\u00f6glich<\/td><\/td>\n<\/tr>\n
<\/td>D\u00e4mpfung durch Verbundwerkstoff m\u00f6glich<\/td><\/td>\n<\/tr>\n
<\/td>weniger erm\u00fcdungskritische Bauteile<\/td><\/td>\n<\/tr>\n
Transport<\/td><\/td>Sektionen ohne formstabile Ringflansche<\/td>\n<\/tr>\n
Montage<\/td><\/td>h\u00f6herer Montageaufwand<\/td>\n<\/tr>\n
Wartung<\/td>\tgeringer als f\u00fcr vorgespannte Schrauben<\/td><\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Die Kraft\u00fcbertragung innerhalb des Sandwich-Joints\n<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Im Rahmen der Dissertation von Christian Keindorf wurden Spannungsanalysen f\u00fcr den Sandwich Joints unter Ber\u00fccksichtigung des Haftkontakts durchgef\u00fchrt, um die Beanspruchungen im F\u00fcllmaterial 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 Au\u00dfenrohr der unteren Sandwichsektion besitzen jeweils eine Blechdicke von t-1 =t+1 = 12 mm bestehend aus dem h\u00f6herfesten Stahl S460. Insofern wird die Sandwichturmsektion in diesem Fall mit SES 460 bezeichnet.<\/p>\n

Anhand der Schubspannungsverteilung ist zu erkennen, dass an den R\u00e4ndern des \u00dcberlappbereiches Spannungsspitzen auftreten. Der Kurvenverlauf entspricht qualitativ der erwarteten Form (s. oben, Erl\u00e4uterungen zum Prinzip). <\/p>\n

Des Weiteren m\u00fcssen die Normalspannungen in den Stahlrohren und im F\u00fcllmaterial bekannt sein, um eine Dimensionierung f\u00fcr den Sandwich Joint vornehmen zu k\u00f6nnen. Dazu sind in der zweiten Abbildung die Normalspannungsverl\u00e4ufe \u00fcber die H\u00f6he der Tragstruktur dargestellt. Anhand des Spannungsplots ist zu erkennen, dass eine kontinuierliche Kraft\u00fcbertragung von der oberen Stahlturmsektion zum Innen- und Au\u00dfenrohr der Sandwichturmsektion stattfindet.<\/p>\n

Am unteren \u00dcbergang des Sandwich Joints wird die Annahme best\u00e4tigt, dass das F\u00fcllmaterial gegen das Durchrutschen des oberen Stahlrohrs einen Widerstand in Abh\u00e4ngigkeit von seiner Steifigkeit und Druckfestigkeit leistet, weil es direkten Druckkontakt zu diesem besitzt. An dieser Position erreichen die Druckspannungen im F\u00fcllmaterial einen Spitzenwert, der jedoch unterhalb der charakteristischen Druckfestigkeit bleibt. Au\u00dferdem werden mit Hilfe der Spannungsverl\u00e4ufe weitere Erkenntnisse best\u00e4tigt. Zum Beispiel geh\u00f6ren dazu die theoretisch ermittelten Spannungsdifferenzen zwischen Innen- und Au\u00dfenrohr sowie die Beteiligung des F\u00fcllmaterials am Lastabtrag innerhalb der Sandwichturmsektion. Bedingt durch diese Beteiligung des F\u00fcllmaterials am Lastabtrag werden Innen- und Au\u00dfenrohr des Sandwichrohres auf der Biegedruckseite deutlich entlastet, sodass diese gar nicht bis zur Streckgrenze beansprucht werden.<\/p>\n

Nicht zuletzt wird eine gr\u00f6\u00dfere Strukturd\u00e4mpfung durch den Sandwich Joint erwartet, weil die Stahlrohre nicht direkt aufeinander gesto\u00dfen werden. Das F\u00fcllmaterial zwischen den Rohren besitzt eine h\u00f6here Materiald\u00e4mpfung als Stahl, wodurch die \u00dcbertragung von Schwingungen zu den unteren Tragstrukturen (Sandwichturmsektion, Fundamentsektion, Ankerkorb oder Monopile) reduziert werden k\u00f6nnen.   <\/span><\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Schubspannungsverteilung im F\u00fcllmaterial [Dissertation Keindorf, 2010]\n<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Normalspannungsverl\u00e4ufe in den Stahlrohren und im F\u00fcllmaterial [Dissertation Keindorf, 2010]\n<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Weitere Konstruktionsvarianten vom Sandwich-Joint\n<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Auf Grundlage von Versuchsergebnissen\u00a0im Rahmen der\u00a0Dissertation<\/a>\u00a0von Christian Keindorf\u00a0kommen f\u00fcr die Sandwichturmsektionen, die mit Stahlturmsektionen verbunden werden sollen, mehrere Werkstoffkombinationen in Betracht.\u00a0Bei der Variante mit einer Elastomerf\u00fcllung sind keine Schubrippen und Haftvermittler\u00a0erforderlich, weil der getestete\u00a0Verbundwerkstoff eine au\u00dferordentlich hohe Haftzugfestigkeit auf sandgestrahlten Stahloberfl\u00e4chen aufweist.<\/p>

Alternativ kann ein Vergussm\u00f6rtel mit haftvermittelnden\u00a0Additiven\u00a0im Verbindungsbereich zum Einsatz kommen, der au\u00dferdem eine\u00a0gute Pump- und Flie\u00dff\u00e4higkeit sowie hohe Druckfestigkeit besitzen sollte. F\u00fcr diese Variante werden Schubrippen, wie bei den\u00a0Grouted Joints<\/a>\u00a0empfohlen, um die Druckstrebentragf\u00e4higkeit sowohl im Grenzzustand der Tragf\u00e4higkeit als auch im Grenzzustand der Erm\u00fcdung deutlich steigern zu k\u00f6nnen. Dieser messtechnisch nachgewiesene Effekt wurde in der Bautechnik Heft 11\/2009 detailliert\u00a0erl\u00e4utert, wobei anhand der Versuchsergebnisse\u00a0auch ein Bemessungsvorschlag abgeleitet wurde. \u00a0<\/p>

Bei einem Onshore-Standort kann z.B. \u00fcber eine Fundamentsektion\u00a0eine kraftschl\u00fcssige \u00dcbertragung zwischen Sandwichrohr und Fundament erzielt werden. Dabei werden die Kr\u00e4fte und Momente in Analogie zum\u00a0Anschluss an die\u00a0obere Stahlturmsektion\u00a0eingeleitet (“umgekehrter Kraftfluss”).<\/p>

Der Einsatz einer Sandwichturmsektion ist grunds\u00e4tzlich auch Offshore m\u00f6glich, wobei sich der Sandwich Joint als Verbindung zum\u00a0Monopile<\/a>\u00a0oder Zentralrohr eines\u00a0Tripods<\/a>\u00a0anbietet. Daf\u00fcr muss der Sandwich Joint jedoch die besonderen konstruktiven Anforderungen der Offshore-T\u00fcrme erf\u00fcllen. Allerdings k\u00f6nnten durch diese neue Verbindungsvariante weitere Ringflansche und Schrauben eingespart werden. F\u00fcr die erforderliche Montagetechnik existieren bereits langj\u00e4hrige und \u00fcbertragbare Erfahrungen bei realisierten Grouted Joints f\u00fcr OWEA.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Verschiedene Werkstoffkombinationen beim Sandwich Joint\n<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Weitere Konstruktionsvarianten (Onhsore und Offshore)\n<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Der Sandwich Joint als zweischnittige Rohr-in-Rohr-Verbindung Im Zuge\u00a0der Entwicklung neuartiger\u00a0Sandwicht\u00fcrme\u00a0mussten\u00a0auch Fragen bez\u00fcglich der Verbindungstechnik beantwortet werden. Dazu wurde\u00a0von\u00a0Schaumann und Keindorf\u00a0ein neuer Verbindungstyp vorgeschlagen, der bei der favorisierten Kombination als Stahl-Sandwichturm zum Einsatz kommen soll. Auf der DEWEK 2008 wurde das Prinzip der Verbindung\u00a0vorgestellt (s. 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