Optimaler Winkel für die Abspannung?

Hallo,

da ich in den nächsten Wochen einen etwas schwereren Generator (63kg/3,2Meter) auf meinem 6 Meter Mast bauen werde wollte ich diesen noch mal etwas stabilisieren/optimieren.

Daher mal die Frage in die Runde, in welchem Winkel man optimaler Weise die Abspannung anbringen sollte.

Ich habe hier mal eine kleine Zeichnung gemacht, so wollte ich das bauen:



Also unten einen Winkel von ca. 48 Grad.

Für die Verankerung habe ich mir 3 Bordsteine 30x10x100 besorgt, die wiegen je 70 kg. dort in die Mitte bohre ich ein Loch und stecke eine Edelstahl M12 Gewindestange da durch. An das obere ende schraube ich eine Ringmutter. Ich denke mal das zieht keiner so schnell aus der Erde raus, wenn das ca. 70cm eingebuddelt ist.

Oder was meint ihr?

Viele Grüße
Stefan

Hallo Stefan,

der optimale Winkel für die Abspannung wäre 90°, horizontal, dann sind die Seilkräfte minimal,
die Knickkräfte auf den Mast 0, aber leider kann man so nicht in die Erde abspannen.

Andere Winkel, z.B. 30° produzieren höhere Seilkräfte und höhere Knickkräfte.

Ich Liste jetzt erst einmal die wesentlichen Kräfte auf:

+ Gewichtskraft des Mastes
+ Gewichtskraft des Windggenerators

Beide Kräfte sind vor allem für das Aufstellen relevant.
Später im Betrieb sind die Windkräfte und die daraus resultierenden Knick Kräfte deutlich höher!

+ Windkraft
Die Windkraft wird über den Rotor, horizontal in den Mast eingeleitet, erzeugt ein Biegemoment
und würde den Mast biegen, wenn dieser nicht abgespannt wäre.
Auch bei Abspannung wird der Mast leicht (z.B. 1 cm) gebogen, was korrekt und wichtig ist.

+ Seilkraft
EIN Seil alleine muss diese Windkraft halten können!
Die Seilkraft errechnet sich aus der maximal zu erwartenden Windkraft,
vergrößert durch den Seilwinkel: Windkraft/sin(x), wobei x=0° senkrecht wäre.
Segler dimensionieren die Seile so, das diese Seile mit 10% ihrer Bruchlast vorgespannt und
belastet werden weil direkt Menschen Leben davon abhängen.

Knickkraft
Die Knickkraft setzt sich aus den Gewichtskräften und 3 bis 4 mal (je nach Anzahl verwendeter Seile)
den senkrechten Anteilen der Seilkräfte zusammen.
Der Knickkraftanteil aus einer Seilkräft berechnet sich wie folgt:
Knickkraftanteil = Windkraft/tan(x), wobei x=0° senkrecht wäre.

Wenn du diese Kräfte kennst kannst du abschätzen ob die Knickkraft so groß wird,
dass - wie du es schon eingezeichnet hast - eine zweite Abspannung in der Mitte erforderlich ist.

Weiterhin kannst du abschätzen wie die Seilanker eingesetzt werden müssen.
Die Dichte von Mutterboden ist etwa 1.5. Ich gehe davon aus, dass du die Erde verdichten wirst.
Hier zählt dann nur der senkrechte Anteil der Seilkraft (quasi Knickkraftanteil) und das Volumen der Erde
was senkrecht über dem Anker liegt und angehoben werden müsste um den Anker aus der Erde zu ziehen.
Von meinem Gefühl her, reicht das nicht, was du vor hast.

Du scheinst Platz genug, für 42° Seilwinkel (48 zur Horizontalen), zu haben.
Dann ist der Kraft Faktor etwa 1.5, d.h. die Seilkraft muss 1.5 mal der zu erwartenden maximalen Windkraft werden.
Der Knickkfraftanteil eines Seiles ist etwa 1.11 mal die maximalen Windkraft.

Wie auch immer, die Seile werden dann mit mindestens 50% der maximalen Windkraft vorgespannt!
Kommt nun die Windkraft dazu wird ein Seil mehr belastet, die anderen Seile entlastet und
der aktuelle Knickkraftanteil bleibt erst einmal gleich und erhöht sich erst wenn die Vorspannung überschritten wird,
und auf der anderen Seite dann lose Seile entstehen.

Ich habe so eine ähnliche Konstruktion gebaut ein sehr 'dünner' 12m Mast mit vielen Seilen:
http://www.mahnecke.de/Black30…&thread=10
Dort sind einige Hinweise und Bilder zur Konstruktion.

Ich hoffe das dir das weiter hilft und wünsche in jedem Fall viel Erfolg und viel Rückenwind.

Grüße

Hallo Stefan,

bezüglich der Erdanker habe ich keine Erfahrung.
Du hattest aber auch gar nicht vor Erdanker zu nehmen.
Anbei mal eine Tabelle von einschraubbahren Erdankern:
http://www.maurelma.ch/Produkt…abelle.pdf

Was in jedem Fall richtig ist:
Die senkrechte Masse über der Erde zu bewerten
und das scheint mir zu wenig bei deiner Bordsteinkante.

Das Rohr scheint mir auch zu dünn und ob die Wickelkonstruktion so aufgeht, kann ich dir auch nicht sagen.
Jede Bohrung schwächt den Mast.

Bedenke:
Bei 6200N Windkraft hast du Fast 1t Seilkraft und fast 700 kg Knickkraftanteil.
Wenn du mit 50% vorspannst wären das bei drei Seilen ca 1t Knickkraft unbelastet.
Durch das Federsystem zwischen Seilen und Mast, wird es immerhin,
wenn später Wind dazukommt nicht noch mehr, wenn ich nicht ganz falsch liege.
Du könntest auch mit nur 33% vorspannen, ich meine das ginge auch,
aber wenn du zu knapp kalkuliert bricht halt alles zusammen.

Was könnte da im schlimmsten Fall passieren, wo soll das aufgebaut werden?

Dein Rotor soll 3,2 Meter haben, ist das der Durchmesser?
Dreht sich der Rotor mechanisch aus dem Wind?
Wenn nein, schlecht, wenn ja, ab welcher Geschwindigkeit?

Grüße

Ein kleiner Tip: Edelstahl-Gewindestangen und Seile sind immer die bessere Wahl falls Du das noch nicht sowieso vorhattest.

Hallo,

Die Tabelle mit den Erdankern und Kräften gilt für die Erdanker der Firma.
Hier wird neben der Masse der Erde zusätzlich noch die Festigkeit/Reibung der Erde mit ausgenutzt.

Das wurde nicht berechnet, sondern für verschiedene Bodenarten gemessen!
Die Tabelle gilt nur, wenn die Böden auch den Angaben entsprechen,
es müssen ggf. Probebohungen stattfinden. Das steht auch so alles dort auf lediglich zwei Seiten.

Diese Erdanker dieser Firma sind, mit Messungen belegte, Hightech,
wo maximale Kräfte bei geringstem Material Einsatz wirken dürfen.

Das lässt sich natürlich überhaupt nicht auf deine Idee mit den Bordsteinkanten übertragen.
Bordsteinkanten sind denkbar ungeeignet für diese Aufgabe.
Deine Bordsteinkanten werden wohl Betonguss sein ohne Bewehrung.
Sie vertragen nur Druckkräfte diese dafür extrem hoch.
Zug oder Biegekräfte lassen die Bordsteinkanten brechen.
Du willst diese in der Mitte anbohren und dort Zugkräfte einleiten.
Genau dort wird es brechen ...

Zu den Rohren:
Der Durchmesser geht mit vierter Potenz in die Festigkeit der Rohre ein.
Aus diesem Grund sind auch alle Mast Konstruktionen innen hohl.
Es macht wirtschaftlich keinen Sinn und auch statisch kaum Sinn Vollmaterial zu nehmen.
Besser den Durchmesser, bei dann gleichem oder weniger Materialeinsatz zu erhöhen.
In deinem Fall, das 50er Rohr mit einem zusätzlichen 40er Innenrohr macht vielleicht 50% mehr Festigkeit,
- wenn es gut gemacht ist, wenn es schlecht gemacht ist, schwächst du das Rohr sogar!
Bei nahezu gleichem Materialeinsatz bekommst du mit einem 90er Rohr eine um Faktor 10 höhere Festigkeit!

Zu den Seilen (Edelstahl vs. Verzinkt)
Verzinktes Material ist deutlich, grob um die Hälfte, günstiger zu bekommen.
Wie auch immer in keinem Fall Edelstahl mit verzinktem Material mischen.
Sind beide Materialien zu dicht aneinander oder sogar direkt verbunden,
entsteht durch das Wasser eine Elektrolyse und der Edelstahl rostet!
Ich würde, wenn möglich, für alles, verzinkten oder lackierten Stahl verwenden
und ggf. mit Lack/Zinkspray nachbessern.

Grüße

Hmm ja, da hat Erdorf recht, verzinktes Seil auf Edelstahl ist gar nicht gut, außerdem rostet das Seil nach ein paar Jahren auch ohne die Zersetzung die durch elektrolytischen Kontakt unterschiedlicher Metalle entsteht. Man muß alle Jubeljahre die Seile mit Zinkpaste von Hand dick imprägnieren. Und sonst: Ich selber finde nicht, das verzinkter Stahl im Aussenbereich die billigere Lösung ist auch wenn Edelstahl anfangs doppelt so teuer ist. Bei der Größe Deiner Anlage bei der Du vielleicht 20 Jahre Lebensdauer ansetzt, schon gar nicht. Als alter Schiffsjunge kennt man sich da aus.

Ich vermute, Dein Mast ist über die ganze länge aus einem Stück. Ich erzähls mal: Ich hattevor Jahren einen Generator - ähnliches Gewicht wie Deiner - ein alter Schweißgenerator, den ich mangels Erfahrung total überdimensioniert unter meinen 2,4 m Diameter Vertikal-Rotor auf 9 m Höhe mit einfachen verzinkten 12" Wasserrohren als Turm benutzt hatte. Wandung 4 mm. Ich glaubte, je größer der Generator, je besser. Das Rohr ging durchs ganze Gebäude bis in den Keller, also über dem Dach nur 3 m hoch.

Weil die Rohre nur 6 m lang im Handel waren, musste ich sie (leider oben) mit passender Schraubverbindung verlängern. Hab ich gemacht und dort gut gefettet. Nach 5 Jahren musste ich umziehen - mit Windrad natürlich - und versuchte, zuerst den Rotor und Generator (Aufstieg mit festgebundener Stehleiter so wie beim Aufbau) abzumontieren. Plötzlich knickte das obere Rohrstück an der Schraubverbindung um 15° ab und stand so ziemlich schräge mit dem ganzen Gewicht des Generators noch oben. Es ist nichts weiter passiert der weitere Abbau war dann allerdimngs sehr viel komplizierter, ich bin heile davongekommen.

Ich will nicht damit angeben, es war der reinste Leichtsinn. Mit der Zeit war das Gewinde trotz Einfettung durch Regen angerostet. Das ein Rohr am Gewinde nicht die Materialstärke des restlichen Rohrs hat hatte ich beim Neubau überhaupt nicht bedacht. Der einmal ungebremst laufende Vertikalläufer im Orkan, das war wegen losgegangener Bremse mal passiert, hatte wohl auch starke Materialermüdung an der Stelle verursacht.

Immerhin, aus Fehlern lernt man.

@ Hans: Der Bezug der Last, der vom Turm auf das Seil ausgeht und dessen Stärke bestimmen soll stimmt. Wenn das für beide Richtungen gilt, also auch die Last, die nötig wäre, den Anker aus dem Boden zu reißen.

Ich hatte mal ein halbes Jahr lang im Winter ein Segelboot vor der Küste vom Fischerhafen "Las Nieves" in GC liegen, zur Sturmperiode. Der Meeresboden war Sand. Alle Fischer zogen ihre Boote in dieser Zeit an Land, auch wenn sie dann noch täglich rausfuhren, zum Fischfang. Sie machten das mit gefetteten Holzbohlen unter dem Kiel und einer Winde.

Sie hielten mich für verrückt, weil ich mein Boot draußen verankert liegen ließ und warnten mich auf`s Eindringlichste, dass mein Boot beim nächsten Sturm an die Felsküste getrieben und zerschmettert würde, ich müsse es auch an Land ziehen.

Das habe ich nicht getan. Der nächste Sturm kam bald und dauerte einige Tage. Die Wellen waren 5 m hoch und mein Boot - von tanzen kann da keine Rede mehr sein - kämpfte vom steifen Ankerseil in die Brecher gezogen gegen den Sturm an.

Ein normaler Anker wäre durch den Sandboden bis an die Felsküste geschleift worden, das ist klar. Die Wellen hätten ihn immer wieder aus seinem Bett gehoben und etwas anderes als sein Gewicht auf dem sonst haltlosen Boden war da nicht.

Was soll ich lang erzählen, der Anker, ein etwa 40 kg schwerer keilförmiger Betonblock mit Eisenarmierung und (für`s bessere Verstauen) in Form des Schiffsbodens gegossen, hatte ein weiteres Seil befestigt mit einem weiterem Ankergewicht, welches 50 m weiter voraus im Sandboden lag. Jedesmal, wenn der erste Anker vom Wellengang angeliftet wurde und das Boot dann normalerweise abgetrieben wäre, hing dieser Anker dann auf diagonaler Zuglinie zwischen dem Boot und dem Ankergewicht weiter vorne. Dieses hielt fest im Sand versunken nicht etwa den ganzen heftigen Stoss durch die Welle sondern nur die Belastung durch das auf und nieder sinkende mittlere Ankergewicht. Die Belastung war dort weniger heftig weil das mittlere Gewicht den Zug über die Gesamtseillänge abfederte und so jedesmal an gleicher Stelle wieder zu Boden sank wo es vorher herausgehoben worden war, bis der nächste Brecher kam und sich der Vorgang widerholte.

So etwas lernt man allerdings nicht auf der Schiffsjungenschule.

Vielleicht kann jemand daraus für seine Zwecke bei Erdreichverankerungen der Windräder Nutzen ziehen.
Ich selber tue das bei meinen Versuchsaufbauten schon seit langer Zeit und komme dabei auch mit weniger starken als für maximale Zuglast ausgelegten Spannseilen aus.

Maximal höchste Lasten treten auch beim Windrad nur zyklisch auf, im Böen ähnlich wie beim Wellengang, eine dann leicht nachgebende, elastisch federnde Abspannung kann da sehr sinnvoll sein.

Im Prinzip gilt allerdings, eine mehrfache Sicherheitsmarge wie die von Hans empfohlen ist ratsam und richtig.

Was unbedingt auch für die Materialwahl, Wandstärke und Dimensionierung des Mastrohres, insbesondere im Bereich um und über der oberen Abspannung des Mastes seine besondere Gültigkeit hat. Es würde also durchaus Sinn machen, die letzten etwa 2 1/2 m bis 3 m oben zusätzlich zu Deiner geplanten 3" Rohr Version noch zusätzlich zu verstärken oder gleich einen durchgängig durch Berechnung der möglichen Biegelast ermittelten neuen Mast zu besorgen. Dafür bieten sich manchmal auch überdimensioniert stabile Rohre an, die man evtl. kostengünstig auf dem Schrottplatz ergattern kann. Vorausgesetzt, man kennt sich mit Materialkunde - Stahl ist nicht gleich Stahl - und Statikanforderungen aus. Im Zweifelsfall also jemanden mit derartigen Kenntnissen hinzuziehen!

Hallo Raudi

"und da ich in jede Richtung mit 2 Seilen abspanne teilt sich das sicherlich noch auf"
Tut es nicht, nur das ober hält die Windkraft, das untere Seil verhindert das Knicken.

Du verstehst z.Z. noch die Angabe Bruchkraft der Seile falsch.
Die Bruchkraft der Seile wird unter (optimalen) Laborbedingungen ermittelt und gilt insbesondere nur für statische Lasten.
Der Wind belastet da aber ganz anders.
Zudem solltest du immer recht weit von der Bruchlast entfernt sein, damit die seile nur im elastischen Bereich belastet
werden und z.B. keine bleibende Längung resultiert.

Bei einem 3m Rotor empfehle ich einen Rotor,
der sich ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit mechanisch aus dem Wind dreht,
das macht dann vieles andere einfacher ...

Grüße

Habe eine Info bekommen...

Der Gesetzgeber fordert, das die Lasten so berechnet werden, als wenn die Anlage nicht aus dem Wind drehen würde. Also "worst case" Scenario, extremer Sturm und aus dem Wind drehen funktioniert nicht mehr.

Also ist die tatsächliche Last wesentlich geringer. Sollte also so passen...

Viele Grüße
Stefan