Hochfeste mechanische Fügeverbindungen für Tragstrukturen von Windenergieanlagen mit großer Nabenhöhe unter kombinierter mechanisch-medialer Belastung
Verfasser:
M. Sc. Michael Radanke, M. Eng. Holger Brauns, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock - Dr. rer. nat. Daniel Wett, Dr.-Ing. Jörg Gehrke, Dr.-Ing. Susanne Friedrich, Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH
194 Seiten - 103,00 EUR (sw, 157 teils farbige Abb., 32 Tab.)
ISBN 978-3-86776-626-5
Zusammenfassung
Schließringbolzenverbindungen werden unter anderem im Stahlbau bei einer Reihe von Konstruktionen eingesetzt. Dazu gehören auch Gittermasttürme von Windenergieanlagen. Dabei sind sie direkt den atmosphärischen Belastungen - insbesondere der Korrosion - am Einsatzort exponiert. Aufgrund der zeitlich stark schwankenden Windlasten sind die Türme auch dynamisch mechanischen Belastungen ausgesetzt.
Über das Korrosionsverhalten von Schließringbolzenverbindungen in diesem mechanisch-medial überlagerten Szenario ist bislang nicht hinreichend viel bekannt. In diesem Forschungsprojekt wurde eine Testmethode für gefügte feuerverzinkte Stahlbau-Proben entwickelt und stahlbautypische mittels eines Schließringbolzensystems verbundene Proben wurden einer gleichzeitigen kombinierten mechanischen und medialen Belastung ausgesetzt.
Dies wurde von dem Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH (IKS) durch die Kombination einer Schwingprüfmaschine und einer Kondensationskammer erreicht, die durch eine Elektrolytdosiereinheit erweitert wurde. Die Parameter wurden so gewählt, dass ein Prüfzeitraum von 3 Wochen etwa einer Belastung von 5 Jahren in Korrosivitätskategorie C4 entspricht.
Bei allen Proben, die nach Versuchsende aufgetrennt wurden, konnte festgestellt werden, dass die Haftung der Zinkstaubschicht und der Zustand der nun freiliegenden Oberflächenabschnitte stark von der Vorbereitung der Oberflächen und der Applikation der Beschichtung abhängen. Mittels mikroskopischer und analytischer Methoden wurden die geschädigten Bereiche – aber auch die Fügeelemente und äußeren Flächen – vom IKS ausführlich charakterisiert, und es konnten Rückschlüsse auf die Ursachen der Schäden gezogen werden.
Es kommt zum Eintritt des Elektrolyten in den Zwischenraum der Bleche, und aufgrund von Rissen in den Beschichtungen kann es zum Angriff auf die metallischen Oberflächen kommen. Bei keiner der allesamt 3 Wochen kombiniert belasteten Proben kam es während der Versuche zu mechanischem Versagen.
Die Auswertung der Kraft-Verschiebungskurven verschiedener Proben durch das Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP ergaben, dass die Applikationsweise der Zinkstaubschicht als auch die Art der Auslagerung der Proben großen Einfluss auf die Gleitkraft haben. Die größten Werte (+20%) wurden bei den für 1 Jahr atmosphärisch ausgelagerten nicht mechanisch belasteten Proben gemessen.
Am niedrigsten waren die Werte bei den unbelasteten, den rein mechanisch belasteten, den bei Konstantklima (23°C 50% rel. Feuchte) ausgelagerten und den mechanisch-medial überlagerten Proben, deren Zinkstaubschicht mittels Rolle aufgetragen wurde. Die Zunahme der Gleitkraft war für die im Projekt gewählten Parameter nicht von der Anwesenheit einer mechanischen Belastung abhängig.
Durch chemische Analysen des aufgefangenen Elektrolyten konnte ermittelt werden, dass von den Proben, die mit einer Zinkstaubschicht versehen sind, Kaliumionen abgegeben werden. Dieser Prozess ist nach wenigen Versuchstagen abgeklungen. Auch die Abgabe von Zink-Ionen nimmt mit der Zeit ab.
Schadstellen an Proben (und zwischenzeitlich auch an Teilen der Prüfanlage) führten zu einem Anstieg der Eisenkonzentration. Über diese Methode ließe sich an Stahlbauwerken eine frühzeitige Prognose von Korrosion ermöglichen, wenn an den Bauwerken mittels konstruktiver Maßnahmen eine Sammlung bzw. Probeentnahme des ablaufenden Wassers ermöglicht würde.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Hochfeste mechanische Fügeverbindungen für Tragstrukturen von Windenergieanlagen mit großer Nabenhöhe unter kombinierter mechanisch-medialer Belastung" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 24EWBR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 569 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Lockbolt connections are used, among other things, in the steel construction of a number of structures. These include lattice towers of wind turbines. Here, they are directly exposed to atmospheric loads - especially corrosion - at the place of use. Due to the wind loads, which fluctuate greatly over time, the towers are also exposed to dynamic mechanical loads.
So far, not enough is known about the corrosion behavior of lockbolt connections in this mechanically-medially superimposed scenario. In this research project, a test method for joined hot-dip galvanized structural steel specimens was developed, and steel structural specimens joined by means of a lockbolt system were subjected to simultaneous combined mechanical and medial loading.
This was achieved by the Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH (IKS) by combining a vibration testing machine and a condensation chamber, which was extended by an electrolyte dosing unit. The parameters were chosen in such a way that a test period of 3 weeks corresponds approximately to a load of 5 years in corrosivity category C4.
For all samples, which were separated after the end of the test, it was found that the adhesion of the zinc dust layer and the condition of the now exposed surface sections depended strongly on the preparation of the surfaces and the application of the coating. Using microscopic and analytical methods, the damaged areas - but also the joining elements and outer surfaces - were characterized in detail by the IKS and conclusions could be drawn about the causes of the damage.
The Electrolyte enters the space between the sheets and, due to cracks in the coatings, the metallic surfaces can be attacked. None of the specimens, all of which were subjected to a combined load of 3 weeks, experienced mechanical failure during the tests.
The evaluation of the force-displacement curves of various specimens by the Fraunhofer Institute for Large Structures in Production Engineering IGP showed that the application method of the zinc dust coating as well as the type of ageing of the specimens have a major influence on the sliding force.
The highest values (+20%) were measured for the non-mechanically loaded specimens that had been atmospherically aged for 1 year. The lowest values were found for the unloaded specimens, the purely mechanically loaded specimens, the specimens stored in a constant climate (23°C 50% relative humidity) and the mechanically-medially loaded specimens whose zinc dust layer was applied by rolling.
The increase in sliding force was not dependent on the presence of a mechanical load for the parameters selected in the project. Chemical analyses of the collected electrolyte showed that potassium ions are released from the samples coated with a zinc dust layer. This process subsided after a few days of testing. The release of zinc ions also decreases with time.
Damage to specimens (and in the meantime also to parts of the testing machine) led to an increase in the iron concentration. This method could be used to predict corrosion in steel structures at an early stage, if constructive measures were taken to enable the collection or sampling of the run-off water at the structures.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Lösungsansatz und Ziel des Forschungsvorhabens
2 Stand der Technik
2.1 Grundlagen Schließringbolzensystem
2.1.1 Grundbegriffe und Funktionsweise
2.1.2 Atmosphärische Belastungen auf SRB-Verbindungen
2.1.3 Korrosionskritische Bereiche und Korrosionsarten von SRB-Verbindungen
2.1.4 Korrosionsschutz der Schließringbolzensysteme
2.1.5 Gestaltungsregeln zum Korrosionsschutz im Stahlbau
2.2 Grundlagen Tragverhalten mechanisch gefügter Verbindungen im Stahlbau
2.2.1 Gleitfeste Verbindungen
2.2.2 Ausführungen nach DIN EN 1090-2
2.3 Korrosionsprüfverfahren
2.3.1 Der „Tropfende Elektrolyt"
2.3.2 Mikroskopische Verfahren und korrelative Techniken
2.3.3 ICP-OES
3 Arbeitsschritte
4 Durchführung
4.1 Recherche der Wetterdaten am Standort Rostock
4.2 Ermittlung der Korrosivitätskategorie mit Standardmetallproben
4.3 Abschätzung der mechanischen Belastung am Einsatzort
4.4 Entwicklung der überlagert mechanisch-medialen Prüfmethode
4.4.1 Integration der Salzdosierung in die Kondenswasser-Kammer
4.4.2 Fertigung der auszutauschenden Anlagenkomponenten
4.4.3 Erstellung des Prüfablaufes und Abschätzung der Korrosionsrate
4.4.4 Probengeometrie
4.4.5 Erste Serie
4.4.6 Zweite Serie
4.5 Versuchsmatrix
4.6 Parameteraufzeichnung während der Versuche
4.7 Charakterisierung Bewertung der Proben nach Belastungsende
4.7.1 Serie 1 – ursprüngliche Halbzeug-Vorbereitung und Zinkstaub-Beschichtung
4.7.2 Serie 2– normgerechte Halbzeug-Vorbereitung und erneute Zinkstaub-Beschichtung (V12-V20)
4.8 Experimentelle Untersuchungen zur individuellen Gleitkraft
4.8.1 Versuchsdurchführung
4.8.2 Versuchsergebnisse
4.8.3 Vergleich der Ergebnisse zur Bestimmung der individuellen Tragfähigkeit
5 Ergebnisse und Ausblick
5.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
6 Literatur
7 Anhang
7.1 Schichtdickenvermessung erste Serie
7.2 Zuordnung der Bleche zu den Proben der ersten Serie
7.3 Oberflächen der Proben der zweiten Serie nach Sweepstrahlen
7.4 Oberflächen der Proben der zweiten Serie nach Beschichten und Zuordnung zu den Versuchen
7.5 Schichtdickenvermessung zweite Serie
7.6 Aufgezeichnete Versuchsparameter erste Serie
7.7 Aufgezeichnete Versuchsparameter zweite Serie
