DE102018008777A1

DE102018008777A1 - Verfahren zum Vorspannen einer Schraubverbindung

Info

Publication number: DE102018008777A1
Application number: DE102018008777.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dörfeldt
Original assignee: Owt Offshore Wind Tech GmbH; Owt Offshore Wind Technologie GmbH
Current assignee: Owt Offshore Wind Tech GmbH; Owt Offshore Wind Technologie GmbH
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Schraubverbindungen, die großen Belastungen ausgesetzt sind, insbesondere hohen Wechselbelastungen, müssen vorgespannt werden, um dauerhaft zuverlässig zu halten. Bisher erfolgt diese Vorspannung im elastischen Bereich der betreffenden Schraube. Der Vorspannweg ist dabei relativ gering, wodurch eine dauernde Vorspannung nicht immer gewährleistet ist.
Die Erfindung sieht es vor, die Schraubverbindung beim Vorspannen einer Vorbeanspruchung auszusetzen. Dies geschieht durch ein Vorspannen über die planerische Vorspannkraft hinaus. Es hat sich gezeigt, dass nach der beim Vorspannen erfolgenden Vorbeanspruchung der Schraubverbindung die Längung und Entspannung der Schraubverbindung unter Last auch bei größeren Lastwechseln bei dauernder Aufrechterhaltung einer Mindestvorspannung der Schraubverbindung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorspannen einer mindestens zwei Bauteile zusammenhaltenden Schraubverbindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Schraubverbindungen müssen vorgespannt werden. Besonders bei hochbelasteten Schraubverbindungen, die dauernden Wechselbeanspruchungen ausgesetzt sind, ist eine exakte planerisch vorgesehene Vorspannung Voraussetzung für die zuverlässige Verbindung von Bauteilen. Bei der Schraubverbindung kann es sich um eine solche handeln, die eine Schraube und mindestens eine Mutter oder einen mindestens an gegenüberliegenden Endbereichen Gewinde aufweisenden Gewindebolzen mit auf die Gewinde aufgeschraubten Muttern aufweist. Es ist aber auch denkbar, dass der Gewindebolzen mit einem Gewinde in ein Bauteil eingeschraubt ist und dann nur noch auf dem anderen Ende eine Mutter oder eine zweite Kontermutter aufweist.
Üblicherweise werden Schraubverbindungen so weit vorgespannt, dass sie dabei nur im elastischen Bereich bis maximal zum Übergang in den plastischen Bereich vorgespannt werden. Unter der Last erfolgt dann eine Längung bzw. bei wechselnder Last abwechselnd eine Längung und Entspannung des Schafts der Schraube bzw. des Gewindebolzens der Schraubverbindung. Solange sich die Last im planerischen Bereich bewegt, erfolgt das Längen und Entspannen der Schraubverbindung im elastischen Bereich. Es hat sich gezeigt, dass dabei, insbesondere wenn es sich um hochbeanspruchte Schraubverbindungen handelt, die Vorspannung im bisher üblichen Umfang nicht immer ausreichend ist. Aufgrund von toleranzbedingten Abweichungen vom idealen planen Zustand der Anlageflächen der Bauteile für die Schrauben und Muttern führt der Entspannungsprozess nach Auftreten der äußeren Beanspruchung der Schraubverbindung zu einer Verringerung der ursprünglichen Vorspannung, die dann nicht mehr ausreichend groß ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Vorspannen von Schraubverbindungen zu schaffen, das eine zuverlässige Aufrechterhaltung der Vorspannung gewährleistet, insbesondere in einem größeren Belastungsbereich.
Das Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe weist die Maßnahmen des Anspruchs 1 auf. Indem die jeweilige Schraubverbindung bis zu einer Vorbeanspruchung vorgespannt wird, längt sich die Schraubverbindung beim Vorspannen teilplastisch. Das zu einer Vorbeanspruchung der Schraubverbindung erfolgende Vorspannen derselben erfolgt über die Elastizitätsgrenze, insbesondere über die planerische Vorspannkraft (Prozessvorspannung) hinaus. Durch das erfindungsgemäße Vorspannen der Schraubverbindung stellt sie ein größeres Belastungsintervall zur Verfügung, insbesondere tritt während der Beanspruchung der Schraubverbindung kein Unterschreiten der planerischen Vorspannkraft mehr ein. Dabei längt sich die Schraubverbindung beim Vorspannen teilplastisch, indem sie vorgereckt wird und/oder beim Vorspannen fließt. Danach steht der Schraubverbindung ein solcher elastischer Dehnweg zur Verfügung, dass beim Entspannen der Schraubverbindung kein Unterschreiten der planerischen Vorspannkraft mehr eintritt. Dadurch ist die Differenz zwischen der maximalen und minimalen Vorspannkraft bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgespannten Schraubverbindung geringer als bisher, wodurch die erforderliche Vorspannung der Schraubverbindung für ein größeres Belastungsintervall gewährleistet ist. Es findet so praktisch eine Vorwegnahme der zukünftigen Belastung bzw. des zukünftigen Beanspruchungszustands der jeweiligen Schraubverbindung schon zum Zeitpunkt der Montage statt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung sieht es vor, die Schraubverbindung derart weit über die Elastizitätsgrenze hinaus vorzuspannen, dass das Niveau der nominellen Tragfähigkeit und/oder der planerischen bzw. normativen Vorspannkraft erreicht wird oder mindestens annähernd erreicht wird. Dadurch werden die Schraube oder der Gewindebolzen der Schraubverbindung so weit wie möglich vorgespannt und dabei vorgereckt, aber eine negative Beeinflussung der Schraubverbindung oder gar der dauerhaften Schädigung derselben zuverlässig vermieden.
Bevorzugt wird bei der bis mindestens nahe zur nominellen Tragfähigkeit und/oder der planerischen bzw. normativen Vorspannkraft erfolgenden Vorspannung und Vorbeanspruchung der Schraubverbindung ein Teilquerschnitt der Schraube bzw. des Gewindebolzens, insbesondere ein äußerer Teilquerschnitt, so weit wie möglich über die Elastizitätsgrenze hinaus vorbeansprucht. Das gilt vor allem dann, wenn die Vorbeanspruchung ganz oder teilweise durch eine Biegebeanspruchung erfolgt bzw. eine Biegebeanspruchung hervorruft.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass es bei der Vorbeanspruchung der Schraubverbindung zu einer Biegebeanspruchung der Schraubverbindung kommt. Das ist beispielsweise der Fall, wenn die Anlageflächen der Mutter und des Schraubenkopfs der unter Verwendung einer Schraube hergestellten Schraubverbindung oder der Muttern an gegenüberliegenden Enden einer einen Gewindebolzen aufweisenden Schraubverbindung schräg und/oder antiparallel zueinander verlaufen. Dann führt die Vorbeanspruchung der Schraubverbindung, insbesondere des Schraubenschafts bzw. des Gewindebolzens, durch die eine Vorbeanspruchung hervorrufende Vorspannung zu einem Setzen der Schraubverbindung, indem sich der Schraubenkopf und die Mutter bzw. die Muttern an die Neigung ihrer Anlageflächen in den zu verbindenden Bauteilen anpassen. Daraus folgt die durch Biegung hervorgerufene Vorbeanspruchung. Diese Art der Vorbeanspruchung kann allein ausreichen, um in einem größeren Belastungsintervall als bei konventionellen Schraubenverbindungen unter allen planerischen Belastungsfällen eine Mindest-Vorspannung aufrechtzuerhalten, weil die Differenz der maximalen und der minimalen Vorspannkraft über den Dehnweg der Schraubverbindung, insbesondere des Schraubenschafts bzw. des Gewindebolzens, aufgrund der bewusst beim Vorspannen herbeigeführten Vorbeanspruchung der jeweiligen Schraubverbindung größer ist als bei konventionell vorgespannten Schraubverbindungen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Vorspannung der betreffenden, insbesondere jeder, Schraubverbindung bis auf das Niveau der nominellen Tragfähigkeit derselben oder mindestens dicht an dieses Niveau, das dann das Niveau der Prozessvorspannung ist. Eine solche Prozessvorspannung reicht aus, um die Bauteile durch mindestens eine Schraubverbindung mit einem Vorspannungzustand zu verbinden, der gewährleistet, dass selbst bei maximaler planerischer Beanspruchung der Schraubverbindung ihre planerische Vorspannung aufrechterhalten bleibt. Das wird dadurch erreicht, dass aufgrund der Vorspannung bis auf das Niveau der Beanspruchung bzw. der Prozessvorspannung oder mindestens dicht an dieses Niveau sich die Schraubverbindung, nämlich der Schraubenschaft oder der Gewindebolzen, sich mindestens etwas recken und dabei vorzugsweise die durch die Vorbeanspruchung teilplastischen Querschnitte ausplastifiziert werden und/oder die zu verbindenden Bauteile wenigstens im Klemmbereich der jeweiligen Schraubverbindung gestaucht werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildungsmöglichkeit des Verfahrens sieht es vor, die Schraubverbindung nach dem zu einer Vorbeanspruchung führenden Vorspannen wieder zu entspannen. Vorzugsweise erfolgt das Entspannen bis zu einer Planvorspannkraft, die unter dem Niveau der Beanspruchung der Schraubverbindung liegt.
Eine bevorzugte Möglichkeit des Vorspannens der Schraubverbindung erfolgt durch Ziehen. Das heißt, die Vorspannung wird nicht durch Andrehen mindestens einer Mutter der jeweiligen Schraubverbindung herbeigeführt, sondern durch ein an einem freien Endbereich, insbesondere einem Gewindebereich, des Schafts der Schraube oder eines Gewindebolzens temporär angesetzte Zugeinrichtung. Die beispielsweise hydraulisch betätigte Zugeinrichtung ist so ausgebildet, dass sie eine axiale Zugkraft auf die Schraube, insbesondere den Schraubenschaft bzw. den Gewindebolzen, ausübt. Dadurch kann die Vorspannung der jeweiligen Schraubverbindung gezielt und mit ausreichender Kraft mechanisiert bzw. automatisch durchgeführt werden.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, beim Vorspannen der Schraubverbindung durch Ziehen mittels einer Zugeinrichtung, die auf die Schraubverbindung, insbesondere die Schraube bzw. einen Gewindebolzen, ausgeübte Zugkraft zu ermitteln. Das geschieht vorzugsweise fortlaufend. Die Zugkraft bzw. der Zugkraftverlauf können aufgezeichnet werden auf beispielsweise einem Messschrieb. Die Aufzeichnung bzw. der Messschrieb können zur Dokumentation der im vorgesehenen Maße vorgespannten Schraubverbindung dienen.
Bevorzugt wird nach der Herbeiführung der Vorbeanspruchung der Schraubverbindung durch Ziehen mit einer Zugeinrichtung von derselben die Schraubverbindung durch Reduzieren der Zugkraft bis insbesondere zur Planvorspannkraft entspannt.
Auch beim Entspannen der Schraubverbindung durch Reduzieren der Zugkraft der Zugeinrichtung wird die Zugkraft vorzugsweise fortlaufend und/oder kontinuierlich ermittelt und/oder aufgezeichnet. Dadurch kann von der Zugeinrichtung beim Entspannen der Schraubverbindung die Zugkraft, die vorzugsweise der Planvorspannkraft entspricht, angefahren werden. Vorteilhafterweise wird das Anfahren und Erreichen der vorgesehenen Zugkraft genauso wie das maximale Ziehen bzw. Strecken der Schraubverbindung protokolliert und/oder aufgezeichnet.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht es vor, dass nach dem Entspannen der Schraubverbindung durch Reduzierung der Zugkraft der Zugeinrichtung bei noch aufrechterhaltener Zugkraft, die vorzugsweise dem planerisch vorgegebenen Vorspannniveau und/oder der Planvorspannkraft entspricht, mindestens eine Mutter der Schraubverbindung gegen das ihr zugeordneten Bauteil geschraubt wird. Vorzugsweise wird die mindestens eine Mutter nur mit einem relativ geringen, insbesondere vorgegebenen, Drehmoment gegen das ihr zugeordnete Bauteil geschraubt, damit hierbei keine oder nur eine geringe Erhöhung der Zugkraft bzw. Vorspannkraft erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann auch so vorgegangen werden, dass nach dem Gegenschrauben der mindestens einen Mutter gegen das ihr zugeordnete Bauteil von der Zugeinrichtung die Schraubverbindung wieder etwas mehr vorgespannt und anschließend so weit entspannt wird, bis ein signifikanter Abfall der von der Zugeinrichtung auf den Schaft der Schraube oder dem Gewindebolzen ausgeübten Zugkraft erfolgt. Anhand der dabei gemessenen Zugkraft vor dem signifikanten Abfallen derselben lässt sich dann überprüfen, ob sich durch das Andrehen der mindestens einen Mutter die Vorspannkraft nennenswert verändert hat. Gegebenenfalls können durch Wiederholung des Vorgangs Korrekturen vorgenommen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Schraubverbindungen mit einer einen Kopf und einen Schaft aufweisenden Schraube und einer dieser zugeordneten Mutter mit vorzugsweise einer Schraubsicherung. Die Schraubsicherung kann durch spezielle Unterlegscheiben, Kleber und/oder durch Kontern zweier gegeneinander geschraubten Muttern herbeigeführt werden. Die Erfindung eignet sich aber auch für Schraubverbindungen mit Gewindebolzen, die ein durchgängiges Gewinde aufweisen oder über Gewinde an gegenüberliegenden Endbereichen verfügen sowie mindestens eine jedem Ende des Gewindebolzens zugeordnete Schraubsicherung, beispielsweise bei einer Schraubsicherung durch Kontern, jeweils ein Paar Muttern auf jedem Ende der Gewindebolzen. Denkbar ist es aber auch, das Verfahren einzusetzen bei Schraubenverbindungen mit einem Gewindebolzen, dessen eines Ende in ein Gewinde eines Bauteils eingeschraubt ist, während das gegenüberliegende Ende des Gewindebolzens mit mindestens einer Mutter gegen das mit dem ersten Bauteil zu verbindende zweite Bauteil geschraubt ist.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer Turmsektion von beispielswiese einer Windkraftanlage,
2 einen Vertikalschnitt im Bereich einer Flanschverbindung zwischen zwei Teilen der Turmsektion der 1,
3 eine detaillierte Darstellung einer vorgespannten Schraubverbindung der Flanschverbindung der 2,
4 ein Schaubild mit dem Kraft-Dehnungsverlauf beim Vorspannen und Entspannen der Schraubverbindung, und
5 ein alternatives Schaubild analog zur 4.

Die Erfindung bezieht sich auf das Vorspannen von Schraubverbindungen 10 zum Zusammenschrauben mindestens zweier Bauteile. Erläutert wird das erfindungsgemäße Vorspannen am Beispiel einer der gleichen Schraubverbindungen 10 der in den 1 bis 3 dargestellten Flanschverbindung 11 einer Turmsektion 12. Bei der Turmsektion 12 kann es sich beispielsweise um eine solche handeln, wie sie bei Windkraftanlagen anzutreffen ist. Die Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Sie ist vielmehr zum Vorspannen von Schraubverbindungen 10 zum Zusammenhalten mindestens zweier Bauteile beliebiger Art geeignet.
Die in der 1 prinzipiell dargestellte Turmsektion 12 weist ein unteres Sektionsteil 13 und ein oberes Sektionsteil 14 auf, die durch die Flanschverbindung 11 miteinander verbunden sind.
Bei der dargestellten Turmsektion 12 sind sowohl das untere Sektionsteil 13 als auch das obere Sektionsteil 14 aus mehreren untereinander ebenfalls durch Flanschverbindungen 15, 16 und 17 verbundene Turmabschnitte 18 gebildet. Am oberen Ende des oberen Turmabschnitts 18 und am unteren Ende des unteren Turmabschnitts 18 sind Flansche 19 zur Bildung von Flanschverbindungen mit anderen Bauteilen bzw. einem Fundament vorgesehen.
Die 2 zeigt detaillierter die Flanschverbindung 11 zwischen den Sektionsteilen 13 und 14 der Turmsektion 12. Genauso können andere Flanschverbindungen, beispielsweise Flanschverbindungen 15 bis 17, ausgebildet sein. Die Flanschverbindung 11 verfügt über zwei vorzugsweise gleiche und ins Innere der rohrartigen Turmsektion 12 ragende Flanschringe 19 und 20 und eine Vielzahl gleicher Schraubverbindungen 10, die gleichmäßig über den Umfang der Flanschringe 19 und 20 der Flanschverbindung 11 verteilt sind. Jede der gleichen Schraubverbindungen 10 an der gezeigten Flanschverbindung 11 weist eine Schraube 21 mit einem Schaft 22 und einem Schraubenkopf 23 sowie eine Mutter 24 auf. Zumindest der dem Schraubenkopf 23 gegenüberliegende Endbereich des Schafts 22 ist mit einem Gewinde 25 versehen, auf das die ein korrespondierendes Innengewinde aufweisende Mutter 24 aufgeschraubt ist. Die Mutter 24 kann gegebenenfalls selbstsichernd sein. Alternativ können auf das Gewinde 25 der Schraube 21 auch zwei gekonterte Muttern 24 aufgeschraubt sein.
Das Gewinde 25 der Schraube 21 kann einen Flankendurchmesser von über 20 mm, vorzugsweise über 50 mm, beispielsweise im Bereich von 50 mm bis 120 mm, aufweisen.
Bei der hier gezeigten Schraubverbindung 10 sind zwischen dem Schraubenkopf 23 und einer äußeren Anlagefläche 28 des Flanschrings 20 sowie zwischen der Mutter 23 und einer äußeren Anlagefläche 27 des Flanschrings 19 jeweils eine Unterlegscheibe 26 vorgesehen.
Die Anlageflächen 27, 28 der Flanschringe 19, 20 sind in der Praxis entgegen der Darstellung in den 2 und 3 nicht parallel, sondern etwas antiparallel. Beim Anziehen der jeweiligen Schraubverbindung 10 schmiegen sich die Mutter 24 mit der ihr zugeordneten Unterlegscheibe 26 und auch der Schraubenkopf 23 mit der ihm zugeordneten Unterlegscheibe 26 an die antiparallelen Anlageflächen 27, 28 an. Dadurch kommt es zu einer Verformung der Schraube 21, insbesondere ihres Schafts 22 entlang einer Längsmittelachse 29 der Schraube 21. Hieraus resultiert eine Biegebeanspruchung der Schraube 21, insbesondere ihres Schafts 22, in Richtung einer Längsmittelachse 29 der Schraube 21. Diese Biegebeanspruchung führt zumindest zu einem Teil einer Vorbeanspruchung der Schraubverbindung 10, insbesondere ihrer Schraube 21 und vor allem des Schafts 22 derselben.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf die vorhergehende, beispielhafte Beschreibung einer der mehreren Schraubverbindungen 10 näher erläutert:
Die Schraubverbindung 10 wird vorgespannt. Diese Vorspannung erfolgt erfinderisch so weit, dass die Schraubverbindung 10, insbesondere die Schraube 21 oder zumindest ihr Schaft 22, eine Vorbeanspruchung, vorzugsweise planmäßige Vorbeanspruchung, erfährt. Die Vorspannung der Schraubverbindung 10, insbesondere mindestens des Schafts 22 der Schraube 21, erfolgt mit einer solchen, insbesondere planmäßigen, Vorbeanspruchung, die über die Elastizitätsgrenze hinausgeht, und zwar vorzugsweise so weit, dass die planerische bzw. normative Vorspannkraft ganz oder zumindest teilweise erreicht wird. Maximal erfolgt die Vorbelastung durch Vorspannung so weit über die Elastizitätsgrenze hinaus, dass die nominelle Tragfähigkeit der Schraube 21 ganz oder teilweise erreicht wird. Die Vorspannung der Schraubverbindung 10 erfolgt insbesondere auch derart, dass ein Recken der Schraube 21, insbesondere ihres Schafts 22, erfolgt. Dabei schmiegen sich die gegenüberliegenden Enden der Schraube 21, insbesondere der Schraubenkopf 23, die Mutter 24 und die Unterlegscheiben 26, an die Anlageflächen 27 und 28 an den Außenseiten der Flanschringe 19, 20 an, weil und/oder wenn ihre Anlagenflächen 27, 28 antiparallel verlaufen, was üblicherweise der Fall ist. Dabei kommt es schon mindestens zum Teil zur Vorbeanspruchung der Schraubverbindung 10, vor allem ihrer Schraube 21, durch vorzugsweise eine Biegung und/oder Biegebeanspruchung vor allem des Schafts 22 der Schraube 21.
Im einfachsten Falle kann die Vorspannung der Schraubverbindung 10 zur Herbeiführung der Vorbelastung, insbesondere der planmäßigen Vorbeanspruchung, und dem dabei gewünschten Recken der Schraube 21, vor allem ihres Schafts 22, durch das Anziehen der Mutter 24 mit einem entsprechend großen Drehmoment erfolgen. Bevorzugt ist es aber vorgesehen, das zu einer Vorbelastung der Schraubverbindung 10 führende Vorspannen der Schraubverbindung 10 mit einer Zieheinrichtung vorzunehmen. Die Zieheinrichtung wird dazu mit dem das Gewinde 25 aufweisenden freien Ende des Schafts 22 der Schraube 21 verbunden. Dies kann durch entsprechend weites Aufschrauben eines Zugbolzens der Zugeinrichtung geschehen, der dazu mit einem mit dem Gewinde 25 korrespondierenden Innengewinde versehen ist. Es können aber auch Klemmbacken des Zugbolzens zur Herstellung der Verbindung mit dem das Gewinde 25 aufweisenden Ende der Schraube 21 vorgesehen sein.
Die Zieheinrichtung ist mit einer Kraftmesseinrichtung versehen. Zusätzlich kann die Zieheinrichtung auch über ein Mittel zur kontinuierlichen Aufzeichnung der zur Vorspannung der Schraubverbindung 10 dienenden Zugkraft verfügen. Dadurch kann beim Vorspannen der Schraubverbindung 10 bzw. der Schraube 21 vorzugsweise kontinuierlich die von der Zieheinrichtung ausgeübte Zugkraft gemessen und bedarfsweise aufgezeichnet werden. Das ermöglicht ein exaktes Einstellen und/oder Anfahren der von der Zieheinrichtung auf die Schraube 21 aufzubringenden Zugkraft. Es ist so das Erreichen der gewünschten Vorspannung durch die Zieheinrichtung ermittelbar. Die notwendige Zugkraft wird anhand planerischer Vorgaben individuell für die jeweilige Schraubverbindung 10, insbesondere ihre Schraube 21, ermittelt, und zwar vorzugsweise berechnet. Falls alle Schraubverbindungen 10 (wie bei der Flanschverbindung 11) gleich sind, werden alle gleichen Schraubverbindungen mit der gleichen, vorbestimmten Zugkraft vorgespannt.
Vor dem Verbinden der Zieheinrichtung mit dem Ende der Schraube 21 wird auf das Gewinde 25 des Schafts 22 der Schraube 21 die Mutter 24 aufgeschraubt, aber nur so weit, dass sie noch nicht oder mit keiner Vorspannkraft an der Anlagefläche 27 des Flanschrings 19 anliegt.
Die zum Beispiel hydraulisch betätigte Zieheinrichtung übt eine so große Zugkraft in Richtung der Längsmittelachse 29 der Schraube 21, insbesondere ihres Schafts 22, aus, die der maximal gewünschten bzw. möglichen Vorspannung entspricht. Erfindungsgemäß ist die Zugkraft so groß, dass die Schraube 21 gereckt wird zur Herbeiführung oder Vervollständigung der Vorbelastung insbesondere der Schraube 21 der Schraubverbindung 10 bis maximal zur nominellen Tragkraft und/oder der Prozessvorspannung der Schraube 21.
Nachdem die Zieheinrichtung die erforderliche Zugkraft auf die Schraubverbindung 10, insbesondere die Schraube 21 derselben, ausübt, wird die sich durch die Längung mindestens des Schafts 22 der Schraube 21 von der Anlagefläche 27 wegbewegte Mutter 24 der Schraubverbindung 10 gegen die Unterlegscheibe 26 auf der Ablagefläche 27 gedreht, und zwar vorzugsweise nur so weit, dass das Andrehen der Mutter 24 die auf die Schraube 21 am Ende des Schafts 22 ausgeübte Vorspann- und/oder Zugkraft nicht nennenswert erhöht. Nach dem Gegendrehen der Mutter 24 gegen die Unterlegscheibe 26 auf der Anlagefläche 27 wird die Zieheinrichtung von der Schraube 21 gelöst. Dann wird die eingestellte und gemessene Vorspannung von der sich gegen die Unterlegscheibe 26 oder die Anlagefläche 27 abstützenden Mutter 24 aufrechterhalten.
Die 4 zeigt ein Kraft-Dehnungsdiagramm der planerischen, gedachten Vorspannung unter idealen Bedingungen, nämlich theoretischen parallelen Anlageflächen, und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgespannten Schraubverbindung 10. Eine dünne Linie 30 stellt die ideale Vorspannung dar. Die erfindungsgemäße Vorspannung unter realen Bedingungen mit nicht parallelen Anlageflächen veranschaulicht eine dicke Linie 31. Eine gestrichelte dicke Linie 32 veranschaulicht die reale Entspannung der erfindungsgemäß vorgespannten Schraubverbindung 10 bzw. Schraube 21 und ihr Verhalten, nämlich Dehnen und Zusammenziehen, bei Beanspruchungen unter Betriebslasten.
Die ideale Vorspannung gemäß der dünnen Linie 30 erfolgt ohne Vorbeanspruchung der Schraubverbindung 10 im reinen elastischen Bereich bis zum Punkt A. Die Längung der Schraube 21 bei Belastung und Entspannung, das heißt Kürzung der Schraube 21, beim Absenken der Last erfolgt dann ideal-elastisch zwischen den Punkten A und B. Im Punkt A ist die Vorspannung bis zu einer Kraft F_V1 auf die Planvorspannkraft erfolgt. Im Punkt B ist die Schraubenkraft im elastischen Bereich der Schraubverbindung 10 erhöht auf die Kraft F₁ gemäß dem Niveau der Beanspruchung. Im Betrieb erfolgt ein ideal-elastisches Längen und Zusammenziehen mindestens des Schafts 22 der Schraube 21 der Schraubverbindung 10 zwischen den Punkten A und B. Dabei kann sich die Schraube 21 bzw. ihr Schaft 22 reversibel zwischen ε_V1 und ε₁ längen und zusammenziehen im Dehnungsintervall Δ_ε .
Die dicke Linie 31 verdeutlicht den Dehnungsverlauf beim erfindungsgemäßen Vorspannen der Schraubverbindung 10, insbesondere beim Vorliegen von Abweichungen vom idealen Zustand (Toleranzen) und/oder Parallelität der Auflageflächen der Bauteile, wie Flanschringe 19 und 20. Dieses Vorspannen erfolgt mit einer Beanspruchung über die übliche planerische Vorspannkraft hinaus. Die Schraubverbindung 10, insbesondere ihre Schraube 21, erfährt aufgrund der Abweichungen vom Idealzustand Biegungen und verhält sich dabei teilplastisch und/oder die zu verbindenden Bauteile, insbesondere Flanschringe 19, 20, gehen mindestens im Bereich der Auflagen der Schrauben, das heißt des Schraubenkopfs 23 und der Mutter 24, in den plastischen oder teilplastischen Zustand über. Aufgrund der beim Vorspannen entstehenden Biegung der Schraube 21, insbesondere ihres Schafts 22, kommt die Vorbeanspruchung zumindest teilweise durch eine Biegebeanspruchung zustande. Die maximal durch die Biegebeanspruchung erfolgende Vorbeanspruchung, insbesondere des Schafts 22 der Schraube 21, geht dabei zumindest in den außenliegenden Bereichen bzw. Segmenten des Schafts 22 bis zur nominellen Tragkraft der Schraube 21.
Darüber hinausgehende Beanspruchungen längen die Schraube über den Punkt C hinaus bis zum Punkt D der dicken Linie 31. Dabei ist der Dehnweg Δ_ε aufgrund des teilplastischen Verhaltens der erfindungsgemäß vorgespannten Schraube 21 größer als bei der Vorspannung einer Schraube 21 gemäß der dünnen Linie 30 bei ideal-elastischer Dehnung zwischen den Punkten A und B.
Die Entspannung der erfindungsgemäß vorgespannten Schraube 21 erfolgt ideal-elastisch zwischen den Punkten D und F der Linie 31. Maßgebend ist dabei der zwischen den Punkten C und D entstandene Dehnweg Δ_ε . Die Entspannung erfolgt längs dieses Dehnwegs Δ_ε . Der Punkt E liegt im Vergleich zur planerischen, idealen Vorspannung gemäß der dünnen Linie 30 niedriger, also bei einer geringeren Vorspannkraft F_V2 . Diese Vorspannkraft F_V2 verbleibt bei der idealen Vorspannung stets für zukünftige Beanspruchungen.
Die Dehnung der erfindungsgemäß vorgespannten Schraubverbindung 10 bei ihrer Vorspannung gemäß der dicken Linie 31 erfolgt auf oder dicht an das Niveau der über dem notwendigen Vorspannniveau F_V1 liegenden höheren Vorspannung bzw. Beanspruchung F₁ . nämlich der Prozessvorspannung. Aufgrund der Vorspannung mit der höheren Kraft F₁ wird ein erster größerer Lastwechsel der Schraubverbindung 10 bzw. der Schraube 21 erreicht. Dadurch kommt es zur Vorbeanspruchung und einem Recken bzw. Ausplastizieren mindestens des Schafts 22 der Schraube 21.
Nach dem Vorspannen bis zum Erreichen der geforderten Prozessvorspannung, insbesondere bis zum Erreichen der Vorspannkraft F₁ . wird die vorgespannte Schraubverbindung 10 mit der Schraube 21 wieder entspannt auf das Vorspannniveau F_V1 (Punkt F in der 4). Das geschieht im ideal-elastischen Bereich der Schraube 21. Danach ist der erfindungsgemäße Vorspannvorgang abgeschlossen.
Es finden nun zukünftige Beanspruchungen und Lastwechsel im Bereich zwischen dem Punkt F mit der Kraft F_V1 und dem Punkt D mit der Kraft F₁ statt. Infolge der erfindungsgemäßen Vorspannung findet bei einer Beanspruchung der Schraubverbindung 10 eine Reduzierung der Vorspannung bis unter der Vorspannkraft F_V1 (Punkt E) nicht mehr statt. Dadurch werden nach dem Vorspannen entstehende plastische Entspannungen vermieden und demzufolge der Inspektions- und Wartungsaufwand der Schraubverbindung 10 deutlich reduziert. Auch führen wechselnde Beanspruchungen der Schraubverbindung 10 dauerhaft zur Aufrechterhaltung einer planerisch vorgesehenen Mindestvorspannung. Daraus resultiert eine größere strukturelle Sicherheit der Schraubverbindung 10.
Zumindest die Schraube 21 und die Muttern 24 jeder Schraubverbindung 10 bestehen aus einem hochbelastbaren Stahl.
Die 5 zeigt ein Schaubild analog zur 4 mit gleichen Bezugsziffern. Die dicke Linie 31 verfügt in der 5 über einen flacheren Verlauf mit zwei gegensinnig leicht gewölbten Abschnitten. Dieser Verlauf der dicken Linie 31 entspricht einem anderen Stahl für die Schraube 21. Insbesondere verfügt der Stahl über andere Eigenschaften und/oder eine andere Qualität.
Infolge des flacheren Verlaufs der dicken Linie 31 in der 5 befindet sich das Dehnungsintervall Δ_ε zwischen den Punkten C und D der dicken Linie 31 bzw. den Punkten F und D der gestrichelten Linie 32 im Bereich einer größeren Dehnung im Vergleich zur 4. Das Dehnungsintervall Δ_ε ist aber bei der 5 genau so groß wie bei der 4, so dass die gestrichelte dicke Linie 32 bei der 5 über die gleiche Steigung wie bei der 4 verfügt.
Es ist denkbar, dass das Dehnungsintervall Δ_ε bei Schrauben 21 anderer Qualität und/oder Eigenschaften größer oder kleiner ist als in den 4 und 5. Dementsprechend können die Linien 31 und/oder 32, die das Dehnen und Entspannen der Schraube 21, insbesondere ihres Schafts 22, unter Betriebslast symbolisieren, entsprechend steiler oder flacher verlaufen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur für die zuvor beispielhaft beschriebene Schraubverbindung 10, sondern auch für Schraubverbindungen jeglicher Art und zwischen anderen als den beschriebenen Bauteilen. Vor allem ist die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Schraubverbindungen für Turmsektionen 12 von Windkraftanlagen beschränkt. Vielmehr eignet sich die Erfindung für jedwede Schraubverbindung.
Vor allem eignet sich die Erfindung auch für Schraubverbindungen, bei denen Gewindebolzen Verwendung finden, auf dessen beide Enden mindestens jeweils eine Mutter aufgeschraubt ist sowie für Schraubverbindungen 10 mit sogenannten Stehbolzen, bei denen ein Ende des Gewindebolzens in ein Bauteil eingeschraubt ist, so dass dann dieses Bauteil quasi als Mutter wirkt und nur auf das andere Ende wie bei der Schraube 21 mindestens eine Mutter aufgeschraubt ist.
Bezugszeichenliste

10: Schraubverbindung
11: Flanschverbindung
12: Turmsektion
13: unteres Sektionsteil
14: oberes Sektionsteil
15: Flanschverbindung
16: Flanschverbindung
17: Flanschverbindung
18: Turmabschnitt
19: Flanschring
20: Flanschring
21: Schraube
22: Schaft
23: Schraubenkopf
24: Mutter
25: Gewinde
26: Unterlegscheibe
27: Anlagefläche
28: Anlagefläche
29: Längsmittelachse
30: dünne Linie
31: dicke Linie
32: gestrichelte dicke Linie

Claims

Verfahren zum Vorspannen einer mindestens zwei Bauteile zusammenhaltenden Schraubverbindung (10), wobei die Schraubverbindung (10) vorgespannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubverbindung (10) bis zu einer Vorbeanspruchung vorgespannt und/oder Vorbeanspruchung über ihre Elastizitätsgrenze hinaus vorgespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubverbindung (10) derart über ihre Elastizitätsgrenze hinaus vorgespannt wird, dass nur ein Teilquerschnitt, vorzugsweise nur ein äußerer Teilquerschnitt, der Schraubverbindung (10) eine Vorbeanspruchung über die Elastizitätsgrenze hinaus erfährt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung der Schraubverbindung (10) bis zur oder mindestens dicht an das Niveau der nominellen Tragfähigkeit und/oder der planerische Vorspannkraft und/oder der normativen Vorspannkraft erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannen der Schraubverbindung (10) bis zu einer solchen Vorbelastung erfolgt, bei der sich die Schraubverbindung (10), vorzugsweise eine Schraube (21) derselben, teilplastisch längt und/oder vorgereckt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Vorspannen erfolgende Vorbeanspruchung der Schraubverbindung (10) mindestens zum Teil aus einer Biegebeanspruchung der Schraubverbindung (10) resultiert,wobei vorzugsweise die Biegebeanspruchung aus realen Abweichungen der Anlageflächen der Schraubverbindungen (10) von idealen Anlageflächen, vorzugsweise parallelen Anlageflächen, resultiert bzw. entsteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Vorspannen der Schraubverbindung (10) die Schraubverbindung bis zur Planvorspannung bzw. Planvorspannkraft (F_V1), vorzugsweise einer planmäßigen Prozessvorspannung, entspannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannen der Schraubverbindung (10) durch Ziehen derselben erfolgt, vorzugsweise in Richtung ihrer Längsmittelachse (29), und/oder das Vorspannen der Schraubverbindung (10) durch ein streckgrenzgesteuertes Ziehen der Schraubverbindung (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim zum Vorspannen der Schraubverbindung (10) dienenden Ziehen derselben die dabei auf die Schraubverbindung (10) ausgeübte Zugkraft ermittelt wird, vorzugsweise fortlaufend.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erreichen der Zugkraft zur Herbeiführung der Vorspannung der Schraubverbindung (10) durch Ziehen die Schraubverbindung (10) durch Reduzieren der Zugkraft entspannt wird, insbesondere bis zum Erreichen der für die Schraubverbindung (10) vorgesehenen planerischen Vorspannkraft bzw. der Planvorspannkraft (F_V1).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Zugkraft beim Entspannen der vorgespannten Schraubverbindung (10) ermittelt wird, vorzugsweise fortlaufend, und/oder die Zugkraft beim Entspannen so weit verringert wird, bis eine der planerischen Vorspannkraft bzw. Planvorspannkraft (F_V1) entsprechende Zugkraft erreicht worden ist, insbesondere auch beim Entspannen die Zugkraft vorzugsweise fortlaufend aufgezeichnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entspannen der vorgespannten Schraubverbindung (10) bei noch aufrechterhaltener Zugkraft mindestens eine Mutter (24) gegen das ihr zugeordneten Bauteil geschraubt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schraubverbindung (10) mit einer Schraube (21) und mindestens einer Mutter (24) oder eine Schraubverbindung (10) mit einem Gewinde an beiden Enden aufweisenden Gewindebolzen, auf den wenigstens je eine Mutter (24) aufgeschraubt ist, verwendet wird.