Verschraubung Langzeitstudie belegt Wartungsfreiheit von IHF Verbindungselementen

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Frank Hohmann* / Juliana Pfeiffer

Über 3.000 Ultraschallmessungen an Windkraftanlagen über 18 Monate belegen: Die ETA-zertifizierten IHF Verbindungselemente sind wartungsfrei.

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Die Messung der Montagevorspannkraft wurde mit einem mechansichen Messbügel durchgeführt.
Die Messung der Montagevorspannkraft wurde mit einem mechansichen Messbügel durchgeführt.
(Bild: ITH)

Die Verbindungselemente IHF Stretchbolt und IHF Roundnut von ITH wurden speziell für auf Zug belastete Schraubenverbindungen im Stahlbau ausgelegt, wie sie unter anderem an Ringflanschen der Turmsegmente von Windkraftanlagen vorkommen. Die Verbindungselemente haben die ETA-Zertifizierung (European Technical Approval) durch das Deutsche Institut für Bautechnik erhalten. Eine Langzeitstudie, die auf Ultraschallmessungen basiert, belegt: Die gemessenen Restvorspannkräfte befinden sich in einem engen Toleranzband und sind so präzise, dass die Schraubenverbindungen nach Erstinstallation und einmaligem Nachziehen keinen weiteren Kontrollen unterzogen werden müssen. Die Schraubenverbindung wird daher als „wartungsfrei“ definiert. Die IHF Verbindungselemente unterliegen weniger Inspektionsintervallen als konventionelle HV-Schraubenverbindungen. Damit können erhebliche Wartungskosten an Schraubenverbindungen eingespart werden, besonders bei Offshore-Anwendungen.

HV-Verbindungen werden Anforderungen nicht gerecht

Zurzeit werden meist konventionelle, drehmomentvorgespannte HV-Verbindungen zur Verschraubung von Stahlrohrtürmen an Windkraftanlagen eingesetzt. Der HV-Standard kann dieser Anwendung auf Grund seiner langen Historie nicht vollends gerecht werden: Die normativen Urspünge gehen bis in das Jahr 1962 und noch weiter zurück (DIN 6914, 6915, 6916). In jenen Normen wurden ursprünglich vor allem Schraubenverbindungen an Brücken oder Stahlkonstruktionen berücksichtigt, welche jedoch in erster Linie Scherbelastungen ausgesetzt, bzw. auf Lochleibung ausgelegt sind. Der HV-Standard wurde sukzessive von M36 auf M48, dann bis auf M64 und zuletzt bis M72 erweitert.Die ETA-zertifizierten Verbindungselemente IHF Stretchbolt und IHF Roundnut wurden speziell für Zugbelastungen ausgelegt. Im Gegensatz zu einer konventionellen HV-Garnitur besteht die IHF-Garnitur nur aus zwei Elementen: IHF Stretchbolt und IHF Roundnut. Die Unterlegscheiben werden in den Schraubenkopf und in die Mutter integriert. Somit reduziert sich die Anzahl der Trennfugen. Ebenso wird eine mögliche Fehlerquelle durch falsche Montage der Unterlegscheiben eliminiert.

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Hohe Präzision der Vorspannkräfte

Die IHF Verbindungselemente mit Schraubenspannzylindern werden hydraulisch, reibungs- und torsionsfrei vorgespannt. Dabei wird eine hohe Systemgenauigkeit erlangt. Eine vergleichbar hohe Präzision der Vorspannkräfte ist bei der Verwendung von konventionellen HV-Verbindungen, welche nach dem reibungsbehafteten Drehmomentverfahren vorgespannt werden, nicht zu erreichen. Im besonderen gilt dies für Schraubenverbindungen größer als M30. Dieses Optimierungspotential wurde bei der Auslegung der IHF Verbindungselemente effizient genutzt. Hierbei wurde ebenfalls berücksichtigt, dass die Schrauben der Turmsegmente an Windkraftanlagen keinen Scherbelastungen, sondern hauptsächlich Zugbelastungen ausgesetzt werden.

Unterscheidung der Anziehverfahren

In der Schraubtechnik werden die Anziehverfahren nach drehenden und ziehenden Verfahren eingeteilt. Bei ziehenden Verfahren wird die erforderliche Montagevorspannkraft (FM) durch rein axiales Längen des Schraubenbolzens mittels eines Schraubenspannzylinders aufgebracht. Durch dieses hydraulische, reibungs- und torsionsfreie Verspannen der Schrauben liegt eine sehr kleine Streuung der Montageverspannkraft (FVM) von ± 1 % vor. Hieraus resultieren präzise und gleichmäßige Montagevorspannkräfte (FM). Bei drehenden Verfahren (z. B. Drehmomentverfahren) ist die erzielbare Montagevorspannkraft (FM) das Ergebnis der vorliegenden Haft- und Gleitreibungskoeffizienten im Gewinde und an der Auflagefläche (Gewindereibung und Kopfreibung). Diese Faktoren können von Schraube zu Schraube so stark variieren, dass sich keine valide Grundlage zur Berechnung finden lässt. Zusätzlich zu den Ungenauigkeiten bei der erzielbaren Montagevorspannkraft (FM) erhalten die Schrauben auch Biege- und Torsionsbelastungen, die zu einer erhöhten Belastung und bei Überbelastung bis zum Versagen der Schraubenverbindung führen können. Eine Verwendung anderer Verfahren – wie zum Beispiel dem Drehwinkelverfahren – ist nicht möglich, da zwischen den Ringflanschen immer ein Spalt vorliegt und somit der Fügepunkt nicht präzise definiert werden kann. Durch die Verwendung von Schraubenspannzylindern wird die Klaffung schnell geschlossen.

Messungen an Schraubendimensionen von M30 bis M64

Die Messung der Montagevorspannkraft wurde während der Langzeitstudie zum einen mit Hilfe eines mechanischen Längenmessverfahrens und zum anderen mit dem USB-System (Ultrasonic Bolt System) durchgeführt. Bei dem USB-System wird ein Ultraschallsensor fest auf die Stirnfläche des Schraubenkopfes aufgebracht („Sputtern“), wodurch hohe Genauigkeiten der Messergebnisse gewährleistet sind. Die Praxisuntersuchungen wurden im Auftrag und in Zusammenarbeit namhafter Windkraftanlagenhersteller an Anlagen der Klassen 1,5 MW; 2,5 MW und 6,0 MW durchgeführt. Dabei wurden Schraubendimensionen von M30 bis M64 untersucht. Alle durchgeführten Untersuchungen belegen, dass das IHF Stretch System ein wartungsfreies Schraubsystem ist. Die Hauptvoraussetzungen auf einen Blick:

  • Eine kleine Streuung der Montagevorspannkraft (FM)
  • Präzise Fertigung der Verbindungselemente
  • Geringe Anzahl von Trennfugen

Die geometrischen Toleranzen der verwendeten Verbindungselemente und der Ringflansche müssen in einem kleinen Streuband liegen und die Anzahl der Trennfugen muss auf ein Minimum reduziert werden. Ferner sollte ein ausreichendes Klemmlängenverhältnis vorliegen.

Herstellungskosten reduzieren

Das IHF Stretch System erfüllt die Vorraussetzungen einer wartungsfreien Schraubenverbindung, da die Streuung der Montagevorspannkraft durch die Verwendung von ziehenden Werkzeugen sehr klein ist und das Verbindungselement durch die integrierten Scheiben die Trennfugen um zwei reduziert werden kann.

Neben der Reduktion der Herstellungskosten durch kompaktere Flanschdimensionen lassen sich auch die Montagekosten bei Erstinstallation durch einen schnelleren Verschraubungsprozess senken. Ringflansche, die mit Schraubenspannzylindern verspannt werden, werden schneller verschraubt, da kein Gegenhalter für den Drehmomentschrauber erforderlich ist. Abhängig von der Schraubendimension und der Anzahl lässt sich die Montagezeit pro Ringflansch um bis zu 50 % reduzieren, wie Praxisergebnisse belegen.

Geringeres Gewicht als Drehschrauber

Gegenüber Drehschraubern oder Drehmomentschraubern bieten Schraubenspannzylinder zusätzlich ein geringeres Gewicht und eine arbeitssichere Positionierung, da die Abstützposition des Schraubenspannzylinders auf der Flanschauflagefläche vordefiniert ist. Das hydraulische, reibungs- und torsionsfreie Vorspannen von Schrauben mit Schraubenspannzylindern wird bei Windkraftanlagen bereits bei Lager- und Getriebeverschraubungen, sowie bei Fundamentschrauben eingesetzt. Die Technologie wurde vor über 30 Jahren für Anwendungen an Großwälzlagern und für Gas- und Dampfturbinen entwickelt und weiterentwickelt.

Weniger Wartungs- und Materialkosten

ITH vollzieht nun den Technologietransfer für Anwendungen im allgemeinen Stahlbau. Hierzu gehört auch, dass die IHF Verbindungselemente die Europäische Zulassung ETA (European Technical Aproval) vom Deutschen Institut für Bautechnik sowie eine Zertifizierung des DNV GL (Zusammenschluss aus Det Norske Veritas und Germanischem Lloyd) erhalten haben. Das IHF Stretch Systemn setzt neue Maßstäbe im Stahlbau. Der Material- und Kostenaufwand ist gering und ermöglicht somit eine schnellere und wartungsfreie Schraubenverbindung. Dabei senken wartungsfreie Schraubenverbindungen die Wartungskosten signifikant. Eine schneller Erstinstallation und damit eine höhere Anlagenverfügbarkeit sind weitere Vorteile. (jup)

* *Dipl.-Ing. Frank Hohmann ist Geschäftsführender Gesellschafter der ITH Schraubtechnik in Meschede

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