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Dokumentenidentifikation DE10131095A1 23.01.2003
Titel Anordnung zur Sanierung und/oder Ertüchtigung einer Kühlturmkrone eines Kühlturms aus Stahlbeton
Anmelder Zerna, Köpper und Partner Ingenieurgesellschaft für Bautechnik mbH, 44892 Bochum, DE
Vertreter Bockermann, Ksoll, Griepenstroh, 44791 Bochum
DE-Anmeldedatum 27.06.2001
DE-Aktenzeichen 10131095
Offenlegungstag 23.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.01.2003
IPC-Hauptklasse E04H 5/12
IPC-Nebenklasse E04G 23/02   
Zusammenfassung Bei der Anordnung zur Sanierung und/oder Ertüchtigung einer mit wenigstens einem sich im wesentlichen horizontal erstreckenden, kreisringförmigen Radialsteg (9) versehenen Kühlturmkrone eines eine rotationssymmetrische Kühlturmschale (2) aufweisenden Kühlturms (1) aus Stahlbeton ist der Radialsteg (9) mit zumindest einem über den Kronenumfang ringförmig verlegten, in seiner Längsrichtung gespannten stab- und/oder seilartigen Spannglied (14) wenigstens mittelbar kraftschlüssig gekoppelt. Durch die Anspannung in Längsrichtung werden radiale Kräfte erzeugt, die sich in entsprechende Druckspannungen über die radial innen liegende Brüstung (10) in den Radialsteg (9) auswirken.

Beschreibung[de]

Ein aus Stahlbeton hergestellter Kühlturm umfasst in der Regel eine hyperbolische Kühlturmschale, deren Last über eine Stützkonstruktion im mit Kühllufteintrittsöffnungen versehenen unteren Höhenbereich sowie Fundamente in den Boden geleitet wird. Abgesehen von Sonderlastfällen, wie Erdbeben und Bewegungen der Fundamente, resultiert die Hauptbeanspruchung des Kühlturms aus der Eigenlast, aus Temperatureinwirkungen und aus der Windbelastung der Kühlturmschale. Deren Beulsicherheit und ihr Schwingungsverhalten sind demzufolge für die Standsicherheit des Kühlturms und dessen uneingeschränkte Funktionsfähigkeit von maßgebender Bedeutung.

Die vorstehenden Anforderungen gelten gleichermaßen für Trocken-, Nass- oder Hybridkühltürme mit rotationssymmetrischen Kühlturmschalen beliebiger Meridianform. Sie werden im wesentlichen erfüllt durch die Wahl einer ausreichenden Wanddicke der Kühlturmschale im Zuge der bautechnischen Auslegung und durch eine sorgfältige Umsetzung der Ausführungsrichtlinien bei der Herstellung zur Erzielung eines rissarmen Betons.

Eine besondere Beachtung ist hierbei der Ausbildung der Kühlturmkrone zu schenken, welche ganz bestimmten Steifigkeitsanforderungen genügen muss. Dazu wird zum oberen Schalenrand hin, ähnlich wie zum unteren Schalenrand hin, die Wanddicke der Kühltumschale oberhalb ihrer Taille stetig vergrößert. Außerdem erhält die Kühlturmkrone in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle zur weiteren Aussteifung einen sich im wesentlichen horizontal erstreckenden kreisringförmigen Radialsteg, der sich nach innen, nach außen oder sowohl nach innen als auch nach außen erstrecken kann. Seine Querschnittsform kann unterschiedlich sein. Dieser Radialsteg wird dann als Umgang für Inspektionen an der Kühlturmkrone genutzt. Zur Sicherheit des Inspektionspersonals befinden sich am inneren und/oder am äußeren Umfangsbereich des Radialstegs Brüstungen, wobei die radial innen liegende Brüstung durch die Kühlturmschale gebildet sein kann. Die radial außen liegende Brüstung wird in einigen Fällen auch durch ein Geländer gebildet.

Es ist nun beobachtet worden, dass nach einer Reihe von Betriebsjahren im Bereich der Kühlturmkrone Schäden in Form von Rissbildungen und Verformungen auftreten. Als Ursache hierfür sieht man planmäßige oder unplanmäßige Einwirkungen an, häufig in Verbindung mit Fehlern bei der Errichtung eines Kühlturms. Eine Rissbildung in einem Stahlbetonelement erhöht aber nicht nur die Korrosionsgefahr für den Betonstahl, sondern bewirkt auch einen Steifigkeitsverlust, was im Falle des an der Kühlturmkrone vorgesehenen Radialstegs weitreichende Konsequenzen haben kann.

Um die Funktionsfähigkeit eines Kühlturms mit Rissbildung auch weiterhin zu gewährleisten, hat man bislang im Zuge einer Sanierung der Wiederherstellung des Korrosionsschutzes der Stahlbetonbewehrung durch Rissverpressung, Beschichtung und örtliche Verstärkung den Vorzug gegeben. Abgesehen davon, dass mit derartigen Maßnahmen lediglich der augenblickliche Zustand konserviert werden kann, ohne aber das ursprüngliche Tragverhalten des Kühlturms wiederherzustellen, ist ferner zu berücksichtigen, dass aufgrund der stetig wachsenden Bauhöhe der Kühltürme (100 m und mehr) das Problem der Sanierung einer Kühlturmkrone mit außerordentlichen Schwierigkeiten im Hinblick auf Montagegerüste, Transporteinrichtungen für das Sanierungsmaterial und die bei der Sanierung Beschäftigten verbunden ist.

Der Erfindung liegt - ausgehend vom Stand der Technik - die Aufgabe zugrunde, im Falle von die Funktionsfähigkeit eines Kühlturms beeinträchtigenden Schäden an der Kühlturmkrone den für das Tragverhalten wichtigen Radialsteg derart zu ertüchtigen, dass neben einer Eliminierung bzw. Reduzierung der Rissbildung auch das ursprüngliche Tragverhalten weitgehend wiederhergestellt und darüber hinaus in der Zukunft ggf. zu erwartenden schädigenden Einflüssen entgegengewirkt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung in den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gesehen.

Kern der erfindungsgemäßen Anordnung ist mindestens ein über den Kronenumfang eines Kühlturms ringförmig verlegtes stab- und/oder seilartiges Spannglied, dass wenigstens mittelbar mit dem Radialsteg kraftschlüssig gekoppelt wird. Bevorzugt besteht das Spannglied aus einem Stahlstab oder aus einem Stahlseil. Es sind aber auch andere Materialien denkbar, die den nachfolgenden Anforderungen genügen. So können beispielsweise Glasfaserkabel zum Einsatz gelangen.

Wird ein solches Spannglied in seiner Längsrichtung, also in Umfangsrichtung entsprechend angespannt, so erzeugt diese Anspannung Kräfte in radialer Richtung, und zwar in Richtung auf das Innere des Kühlturms. Diese radialen Kräfte rufen wiederum aufgrund der Schalengeometrie Druckspannungen im Bereich der Kühlturmkrone hervor. Die radial gerichteten Kräfte können dabei über die radial innen liegende Brüstung auf den Radialsteg oder direkt auf den Radialsteg übertragen werden. Auf diese Weise können im Sinne einer Sanierung örtliche Risse verursachende Zugspannungen verringert bzw. gänzlich überdrückt werden. In jedem Fall wird eine Spannungsreserve mit der Zielrichtung geschaffen, dass künftig auftretende Zugspannungen nicht automatisch zu Rissen im Bereich der Kühlturmkrone führen. Auch hierdurch kommt der vorteilhafte Versteifungseffekt durch den Einsatz mindestens eines Spannglieds im Sinne einer Ertüchtigung zum Ausdruck.

Der Radialsteg verfügt im Vergleich zu anderen Schalensegmenten über einen großen Querschnitt und über eine hohe Biegesteifigkeit. Die konzentrierte Anordnung mindestens eines Spannglieds in diesem Bereich bietet daher den Vorteil, auch ein großes Spannglied mit hohen zulässigen Vorspannkräften einsetzen zu können. Welche Größe eines Spannglieds und welche Anzahl an Spanngliedern in einer Ebene oder mehreren Ebenen übereinander, insbesondere in konzentrischer Konfiguration, eingesetzt werden, erfolgt zweckmäßig aufgrund rechnerischen Nachweises in Abhängigkeit von dem jeweils zu sanierenden Schaden und dem gewünschten Grad der Ertüchtigung. Hierbei ist es auch vorteilhaft möglich, ein Spannglied oder mehrere Spannglieder nicht gleichmäßig auf einer exakten Kreisform anzuordnen. Vielmehr kann aufgrund der Breite eines Radialstegs von der konstanten Krümmung und den damit verbundenen gleichmäßigen, nach innen gerichteten Umlenkkräften abgewichen werden, um örtlichen Verformungen der Kühlturmkrone gezielt entgegenwirken zu können.

Die Arbeiten zur mindestens mittelbaren kraftschlüssigen Kopplung wenigstens eines Spannglieds mit dem Radialsteg können auf dem durch den Radialsteg und den Brüstungen gebildeten Umgang erfolgen, so dass die Arbeitssicherheit entscheidend erhöht wird.

Ein im wesentlichen kreisringförmig verlegtes Spannglied kann sich auch aus mehreren Teilabschnitten zusammensetzen. Es ist ferner denkbar, die Teilabschnitte gegeneinander anzuspannen und im gespannten Zustand zu koppeln.

In diesem Zusammenhang ist es auch vorstellbar, dass eine Betonschicht, insbesondere segmentiert, mit angespannten Spanngliedern vorgefertigt auf dem Radialsteg lageorientiert wird.

Die Erfindung hat ferner noch den Vorteil, dass auch bei sehr hohen Kühltürmen von 100 m und mehr die Arbeiten an der Kühlturmkrone ohne besondere Probleme hinsichtlich Montagegerüst und Transporteinrichtungen durchgeführt werden können. Auch kann der betreffende Kühlturm weiter in Betrieb bleiben.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird in den Merkmalen des Patentanspruchs 2 erblickt. Danach ist das Spannglied in eine Betonschicht eingebettet, die auf dem Radialsteg aufgebracht wird. Diese Betonschicht dient dann dem Schutz und der Sicherung der Lage des Spannglieds sowie insbesondere der Weiterleitung der beim Anspannen erzeugten Umlenkkräfte über die radial innen liegende Brüstung auf den Radialsteg. Da der Radialsteg in der Regel am inneren und äußeren Umfang Brüstungen trägt, können diese als Schalung zum Einbringen der Betonschicht verwendet werden. Besondere Schalungsarbeiten entfallen. Die Betonschicht kann gegebenenfalls in Umfangsrichtung segmentiert sein.

Besteht ein Spannglied aus mehreren gegeneinander angespannten Teilabschnitten, so kann auf ein Anspannen gegen die eingebrachte Betonschicht verzichtet werden. In diesem Fall werden die Druckspannungen im Bereich der Kühturmkrone ausschließlich durch die in radialer Richtung wirkenden Umlenkkräfte erzeugt. Die Betonschicht hat dann nur noch die wesentliche Funktion, die Umlenkkräfte an die radial innen liegende Brüstung zu übertragen, von wo sie anschließend auf den Radialsteg übergeleitet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs 3. Danach ist das Spannglied in mindestens ein in die Betonschicht eingelagertes Hüllrohr integriert. Die aus dem Spannbetonbau als Vorspannung ohne Verbund bekannte Variante mit Korrosionsschutz, z. B. Fett, bietet den zusätzlichen Vorteil, dass zu jedem Zeitpunkt die Spannkraft in dem Spannglied kontrolliert werden kann. Zudem ist ein Nachspannen oder auch ein Auswechseln eines Spannglieds möglich. Wenn das Spannglied und gegebenenfalls auch das Hüllrohr in mehrere Abschnitte unterteilt ist, wird als weiterer Vorteil erzielt, dass die Reibungsverluste beim Anspannen minimiert werden können.

Vorstellbar ist aber auch, dass der Raum zwischen dem Spannglied und dem Hüllrohr nach dem Anspannen mit Injektionsmörtel verpresst wird. Bei einer solchen Maßnahme spricht man von einer Vorspannung mit nachträglichem Verbund.

Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 4 ist die auf dem Radialsteg aufgebrachte Betonschicht nicht umlaufend durchgängig. Vielmehr ist mindestens eine Spannnische vorgesehen, in welcher wenigstens ein Koppelelement angeordnet wird, um die Enden des Spannglieds miteinander verbinden zu können. Welches und wieviele Koppelelemente zum Einsatz gelangen, hängt von der bauaufsichtlichen Zulassung des verwendeten Spannverfahrens ab.

Entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 5 ist der Spannnische eine Abdeckung zugeordnet, so dass die an sich geschützte Koppelstelle eines Spannglieds dennoch jederzeit inspiziert werden kann.

Die Merkmale des Patentanspruchs 6 erweisen sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn für die Verlegung eines Spannglieds nur ein kurzes Zeitfenster zur Verfügung steht oder auch der Transport von Beton zur Herstellung einer Betonschicht an einem hochgelegenen Einbauort zu Schwierigkeiten führt. Das Spannglied ist dann durch Konsolen lagefixiert, die auf dem Radialsteg angeordnet werden und sich an der den Radialsteg zum Inneren des Kühlturms hin begrenzenden vertikal ausgerichteten Brüstung abstützen. Die Konsolen übernehmen dann dieselbe Funktion wie eine Betonschicht, d. h. dass sie die durch die umfangsseitige Anspannung des Spannglieds erzeugten radialen Kräfte über die Brüstung auf den Radialsteg übertragen. Sie können aus Beton, Stahl oder einem anderen geeigneten Werkstoff, wie z. B. Kunststoff bestehen.

Wenn eine Einleitung der durch das Anspannen eines Spannglieds erzeugten, radial nach innen gerichteten Umlenkkräfte in eine Brüstung nicht möglich oder auch nicht erwünscht ist, so erweisen sich die Merkmale des Patentanspruchs 7 als vorteilhaft. Eine Betonschicht oder zum Einsatz gelangende Konsolen werden dann mit dem Radialsteg unmittelbar schubfest gekoppelt. Die schubfeste Verbindung der Betonschicht oder der Konsolen mit dem Radialsteg kann beispielsweise durch eine Verdübelung, eine Verzahnung oder eine HV-Verbindung erfolgen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Seitenansicht einen Kühlturm aus Stahlbeton;

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Teilquerschnitt durch die Kühlturmkrone des Kühlturms der Fig. 1 entsprechend dem Ausschnitt II;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Darstellung der Fig. 2 in Richtung des Pfeils III gesehen;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf den Kühlturm der Fig. 1 in Richtung des Pfeils IV gesehen, gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 5 den Ausschnitt II der Fig. 1 in der Perspektive gemäß einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 6 im Schema drei weitere Ausführungsformen des Querschnitts einer Kühlturmkrone entsprechend dem Ausschnitt II der Fig. 1.

Mit 1 ist in der Fig. 1 ein als Naturzugkühlturm ausgebildeter Kühlturm aus Stahlbeton bezeichnet. Der Kühlturm 1 weist eine hyperbolische Kühlturmschale 2 auf, die ihre Last über zugleich einen Kühllufteintritt 3 bildende Stützen 4 auf in den Boden 5 eingelassene Fundamente 6 überträgt. Am oberen Ende des Kühlturms 1 befindet sich ein vor allem zu Inspektionszwecken genutzter Umgang 7. Mit KA ist die Kühlturmachse bezeichnet.

Wie die Ausführungsform der Fig. 2 erkennen lässt, setzt sich dieser Umgang 7 aus einem vom Inneren 8 des Kühlturms 1 weggerichteten, sich im wesentlichen horizontal erstreckenden, kreisringförmigen Radialsteg 9 und zwei Brüstungen 10, 11 zusammen. Die radial innen liegende Brüstung 10 bildet hierbei einen Fortsatz der Kühlturmschale 2.

Auf den Radialsteg 9 und zwischen den beiden Brüstungen 10, 11 ist eine Betonschicht 12 aufgebracht. In die Betonschicht 12 sind auf zwei zueinander konzentrischen Kreisen Hüllrohre 13 eingebettet, welche von Spanngliedern 14 in Form von z. B. stählernen Spanndrähten oder Litzen durchsetzt sind. Der Raum zwischen den Hüllrohren 13 und den Spanngliedern 14 ist nach dem Anspannen mit Injektionsmörtel 13a verpresst, so dass damit ein nachträglicher Verbund zwischen den Spanngliedern 14 und der Betonschicht 12 hergestellt wird. In den Raum zwischen den Hüllrohren 13 und den Spanngliedern 14 kann aber vor dem Anspannen ein Korrosionsschutzmittel eingebracht werden, ohne dass ein Verbund zwischen den Spanngliedern 14 und der Betonschicht 12 hergestellt wird.

Um die Enden 17 der Spannglieder 14 in Längsrichtung der Spannglieder 14 anspannen zu können, ist entsprechend der Darstellung der Fig. 3 in der Betonschicht 12 eine Spannnische 16 vorgesehen. In dieser Spannnische 16 befinden sich dann Koppelelemente 18, welche entsprechend der bauaufsichtlichen Zulassung des verwendeten Spannverfahrens ausgebildet sind. Sie können z. B. aus Stahl, Beton oder glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen.

Wie die Fig. 4 erkennen lässt, können die Spannglieder 14 aus jeweils zwei Längenabschnitten 14a, 14b bestehen, die dann ebenfalls über geeignete Koppelelemente 18 miteinander verbunden sind. Die Koppelelemente 18 des radial inneren Spannglieds 14 sind zu den Koppelelementen 18 des radial äußeren Spannglieds 14 um 90° versetzt. Vorstellbar sind aber auch Spannglieder aus mehr als zwei Längenabschnitten.

Die Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Umgangs 7a, bei welcher zwei auf konzentrischen Kreisen angeordnete Spannglieder 14 mittels zwischen den Brüstungen 10, 11 des Umgangs 7a passgenau angeordneter Konsolen 19 lagefixiert sind. Bei dieser Ausführungsform wird kein Beton (Ortbeton) eingesetzt. Die in Längsrichtung der Spannglieder 14 erzeugte Anspannkraft wird dann über die Konsolen 19 und die radial innen liegende Brüstung 10 auf den Radialsteg 9 übertragen.

Statt des in den Fig. 1 bis 5 veranschaulichten Umgangs 7, 7a kann die Kühlturmkrone 15 aber auch gemäß den Varianten der Fig. 6 ausgebildet sein.

Bei der Variante a) eines Umgangs 7b erstreckt sich der Radialsteg 9a von der Kühlturmwand 2 in das Innere 8 des Kühlturms 1, so dass jetzt die radial äußere Brüstung 11 einen Bestandteil der Kühlturmwand 2 bildet.

Im Falle der Variante b) eines Umgangs 7c erstreckt sich ein Radialsteg 9b in das Innere 8 des Kühltums 1 und ein weiterer Radialsteg 9c nach außen. Randseitig der Radialstege 9b, 9c sind dann die Brüstungen 10, 11 vorgesehen.

Bei der Variante c) eines Umgangs 7d ist wiederum ein sich nach außen erstreckender Radialsteg 9d vorgesehen. Es ist nur eine Brüstung 10 als Verlängerung der Kühlturmwand 2 erkennbar. Die Absicherung nach außen erfolgt durch ein Geländer 20. Bezugszeichenaufstellung 1 Kühlturm

2 Kühlturmschale

3 Kühllufteintritt

4 Stützen

5 Boden

6 Fundamente

7 Umgang

7a Umgang

7b Umgang

7c Umgang

7d Umgang

8 Inneres von 1

9 Radialsteg

9a Radialsteg

9b Radialsteg

9c Radialsteg

9d Radialsteg

10 Brüstung

11 Brüstung

12 Betonschicht

13 Hüllrohre

13a Injektionsmörtel

14 Spannglieder

14a Längenabschnitt von 14

14b Längenabschnitt von 14

15 Kühlturmkrone

16 Spannnische

17 Enden von 14

18 Koppelelemente

19 Konsolen von 7a

20 Geländer von 7d

KA Kühlturmachse


Anspruch[de]
  1. 1. Anordnung zur Sanierung einer mit wenigstens einem sich im wesentlichen horizontal erstreckenden kreisringförmigen Radialsteg (9, 9a-d) versehenen Kühlturmkrone (15) eines eine rotationssymmetrische Kühlturmschale (2) aufweisenden Kühlturms (1) aus Stahlbeton, bei welcher der Radialsteg (9, 9a-d) mit zumindest einem über den Kronenumfang ringförmig verlegten, in seiner Längsrichtung gespannten, stab- und/oder seilartigen Spannglied (14) wenigstens mittelbar kraftschlüssig gekoppelt ist.
  2. 2. Anordnung nach Patentanspruch 1, bei welcher das Spannglied (14) in eine auf dem Radialsteg (9, 9a-d) aufgebrachte und sich an einer den Radialsteg (9, 9a-d) zum Innneren (8) des Kühlturms (1) hin begrenzenden, vertikal ausgerichteten Brüstung (10) abstützenden Betonschicht (12) eingebettet ist.
  3. 3. Anordnung nach Patentanspruch 2, bei welcher das Spannglied (14) in mindestens ein in die Betonschicht (12) eingelagertes Hüllrohr (13) integriert ist.
  4. 4. Anordnung nach Patentanspruch 2 oder 3, bei welcher in der auf den Radialsteg (9, 9a-d) aufgebrachten Betonschicht (12) mindestens eine der Aufnahme wenigstens eines Koppelelements (18) dienende Spannnische (16) vorgesehen ist.
  5. 5. Anordnung nach Patentanspruch 4, bei welcher die Spannnische (16) abgedeckt ist.
  6. 6. Anordnung nach Patentanspruch 1, bei welcher das Spannglied (14) durch mehrere auf dem Radialsteg (9, 9a-d) in Umfangsrichtung verteilt angeordnete und sich an einer den Radialsteg (9, 9a-d) zum Inneren (8) des Kühlturms (1) hin begrenzenden, vertikal ausgerichteten Brüstung (10) abstützende Konsolen (19) lagefixiert ist.
  7. 7. Anordnung nach einem der Patentansprüche 2 bis 6, bei welcher die Betonschicht (12) und/oder die Konsolen (19) mit dem Radialsteg (9, 9a-d) schubfest gekoppelt sind.






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