DE10117113A1

DE10117113A1 - Gittermast-Monopfahl als Tragkonstruktion für offshore-Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE10117113A1
Application number: DE10117113A
Authority: DE
Inventors: Joachim Falkenhagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2002-10-10

Abstract

Tragstruktur für eine Windkraftanlage, die im unteren Teil als geschlossener Gründungskörper im Boden verankert wird, der in typischer Ausführung länglich und zylinderförmig ist und auf Biegung belastet wird, und im oberen Teil eine verzweigte Struktur aufweist, die insbesondere dem Wellengang einen geringen Widerstand entgegen setzt.

Description

I Einsatzgebiet

Die Erfindung beschreibt eine kombinierte Tragkonstruktion, die für Bauwerke mit im Vergleich zu ihrem Gewicht relativ großer Momentbelastung geeignet ist, wenn diese Momente insbesondere durch Wind und Wellengang erzeugt werden, wie es in besonderem Maße bei Offshore-Windkraftanlagen und deren Türmen der Fall ist.

II Stand der Technik

Für die Tragkonstruktion und Gründung von schlanken Konstruktionen, die in Relation zu ihrem Gewicht vergleichsweise hohe Momentenbelastungen an den Baugrund zu übertragen haben, wie sie insbesondere Funktürme, Windkraftanlagen und Offshore-Bauwerke darstellen, werden in der Regel die folgenden Gründungsarten verwendet:

1. Vorwiegend durch die Wirkung des Gewichts der Gründung, der Schwerkraft und der Bettung auf der Unterseite im Boden (Sohlbettung) wirksame Fundamente, wobei durch entsprechende Gewichte und Abmessungen des Fundaments ein Umkippen verhindert wird. Solche (Schwerkraft-)Fundamente können in Verbindung mit geschlossenen (meist rohrförmigen) oder verzweigten Tragkonstruktionen (wie Tripode oder Gittermasten) eingesetzt werden. Sie können einen einzigen Fundamentkörper oder mehrere Einzelfundamente (an den einzelnen Fußpunkten der Stützen eines Gittermasts) besitzen. Sie können in unzureichend tragfähigen Boden eingebettet sein und dabei indirekt über auf Druck belastete (Aufstands-)Pfähle auf tragfähigerem Boden ruhen (z. B. bestimmte Pfahl- Platte-Gründungen). Der Fundamentkörper kann ringförmig sein (Fernsehtürme).
Flosdorff und Hilgarth¹⁾ beschreiben als Sonderfall ein "Einblockfundament" in Form eines zusammenhängenden Gründungskörper (für Mastgründungen an Land), wie er vor allem für schaftförmige Maststiele, dagegen "bei Gittermasten selten verwendet" wird, und hier offensichtlich als Schwerkraftfundament mit "großer Betonmenge" gedacht ist bzw. in der Praxis eingesetzt wird. Auch aus den Abmessungen in dem veranschaulichendem Bild 1.2b und aus der Gegenüberstellung zu Pfählen (je Mastfuß getrennt eingesetzt, Bilder 1.24a und 1.24d) ist ableitbar, daß mit dieser Bauweise an eine vorwiegend durch die Sohlbettung des Fundaments wirkende Kraftabtragung gedacht wurde, und nicht an eine hauptsächlich seitliche Verankerung an den Mantelflächen des Gründungskörpers. Außerdem sind die zusätzlich kennzeichnenden Eigenschaften der Windkraftanlage und des offshore-Einsatzes nicht gegeben.
2. Konstruktionen mit mehreren Pfählen, bei denen bei Einleitung von hinreichend großen Momenten jeweils gegenüberliegende Pfähle gegensätzlich auf Zug- bzw. Druck in Richtung der Pfahlachsen belastet werden, und somit ein Gegenmoment erzeugen.
3. Konstruktionen, bei denen der zentrale Turm mit Zugseilen im Lot gehalten wird, wobei die Seile wiederum mit Pfählen oder Schwerkraftfundamenten gehalten werden.
4. Einzelpfahl (Monopfahl bzw. monopile) in gerammter oder gebohrter Bauweise, der sich oberhalb der Bodenoberfläche fortsetzt bzw. in Verbindung mit Rohrtürmen eine durchgehende Pfahl-Rohr-Struktur ergibt.
Bei den bekannten bzw. beschriebenen Monopfahlgründungen erfolgt im Prinzip eine Fortsetzung der oberirdischen Rohrturm-Tragkonstruktion im Boden. Teilweise erfolgt in den Beschreibungen ein Wechsel des Rohrmaterials, der an der Bodenoberfläche oder (wie Hybridturm Bauart Pfleiderer) im eigentlichen Turmbereich beschrieben wird, insbesondere mit einem Materialwechsel in Nähe der Wasseroberfläche.
Auch die Tragstrukturen bisher errichteter bzw. vor der Errichtung stehender offshore- Windkraftanlagen (u. a Tuno Knob, Blyth harbour, Middelgrunden) und weitere Machbarkeitsstudien beruhen auf diesen Lösungen. Beispiele sind u. a. von der KFA Jülich²⁾, der Universität Delft³⁾, und DEWI⁴⁾ veröffentlicht worden. Der Antragsteller konnte außerdem Einsicht in nichtveröffentlichte Machbarkeitsstudien bzw. technische Konzepte der Firmen Halliburton, Elsamprojekt A.S. (Technisches Konzept für die Firma Windland Energieerzeugungs-GmbH und Planungen für den offshore-Windpark bei Horns Rev), der Ingenieure der Knabe GmbH, Wedel und der Ingenieur-Gesellschaft mbH für Bauplanungen IBP, Oldenburg nehmen, die ebenfalls eine oder mehrere der vorstehend dargestellten Lösungen beschreiben.
Soweit es sich um Tripod-Lösungen handelt, ist eine verzweigte Konstruktion mit drei einzelnen Fundamenten versehen worden, die entweder durch ihr Gewicht oder durch Pfähle gehalten werden, und insbesondere auf dem Abstand zwischen den drei Fundamenten und dem damit in horizontaler Richtung erreichten Hebelarm beruhen. Mit ähnlicher Gründung wurde ein Gittermast beschrieben⁵⁾. Auch von den Initiatoren eines offshore-Windprojekts in tiefem Wasser (Projekt Borkum-Riffgrund - Procon Nord) wurde bekannt, daß eine tripod- Lösung zum Einsatz kommt.⁶⁾
Soweit in diesen tripod-Konzepten ein Wechsel von verzweigten zu unverzweigten Teilstrukturen stattfindet, ist der obere Anteil unverzweigt, die Verzweigung erfolgt meist nahe der Wasserlinie. Gemäß diesen Konzepten werden die verzweigten Strukturen im Regelfall separat mit Pfählen oder mit separaten Schwerkraftfundamenten gegründet, seltener mit einer zusammenhängenden Flachgründung, nie mit einem Monopfahl.
5. Relativ schlanke Fachwerke sind von den Standbeinen von Offshore-Plattformen der Öl- und Gasindustrie bekannt, jedoch meist mit mehreren fachwerkartigen Standbeinen je Plattform und nicht in Zusammenhang mit Einpfahl-Gründungen.
6. Bei Pfahlgruppen werden äußere Pfähle oft nach außen geneigt eingebaut, um durch die Aufspreizung der Pfähle ungünstige Wechselwirkungen zwischen den Pfählen zu begrenzen. Dabei kann durch Zug- und Druckkräfte in den Pfählen ein Drehmoment eingeleitet werden, wenn sich die Achsen gegensätzlich belasteter Pfähle oberhalb der Bettungsebene schneiden, wie es bei relativ geringer Pfahlneigung regelmäßig der Fall ist. Die Mitwirkung eines zentralen Pfahls und die Steifigkeit der Pfähle als solche sind dabei nachrangig.

III Probleme der bekannten Lösungen

Offshore-Windkraftanlagen stellen durch die in relativer großer Höhe über Meeresspiegel auf den Rotoren lastenden Windkräfte, die zusätzlichen Wellenkräfte und die vergleichsweise niedrigen Massen besondere Anforderungen an die Gründung.

Gründungen gemäß II 1. (Schwerkraftfundamente) erfordern ausreichend schwere Gründungskörper. Für sie werden insbesondere bei Einbau im Wasser Kostennachteile angegeben, außerdem haben sie Nachteile bezüglich Strömungswiderstand, Kolkung und Schiffssicherheit.

Die zur Erzielung eines Hebelarms erforderliche breite Spannweite oder Aufstandsfläche am Boden führt insbesondere dann zu erhöhtem Aufwand, wenn der weit ausladende untere Teil äußeren Einwirkungen durch Wellengang ausgesetzt ist, die regelmäßig mit den Abmessungen der Tragstruktur zunehmen.

Pfahlgründungen gemäß II 2. erfordern

- wenigstens bei den auf Zug belasteten Pfählen eine hinreichende Kraftübertragung in axialer Richtung des Pfahls durch Mantelreibung, und somit entsprechende Mantelflächen zur Kraftübertragung an den umgebenden Boden. Die übertragbaren Kräfte steigen jedoch im allgemeinen nicht schneller als proportional zur Mantelfläche des Pfahls.
- die Erzeugung eines Hebelarms durch ausreichenden Abstand der Pfähle, und den damit verbundenen konstruktiven Aufwand zur Schaffung einer breiten Tragstruktur am Boden.

Bei offshore-Bauwerken der Öl- und Gasindustrie werden häufig verzweigte Konstruktionen mit mehreren Pfählen je Stütze kombiniert. Diese weisen jedoch im Vergleich zu Windkraftanlagen deutlich größere Bauwerksgewichte auf, so daß schrägstehende Pfähle häufiger nur auf Druck belastet werden. Dagegen ist bei Windkraftanlagen das Verhältnis von windinduzierten Momenten zur Masse größer, so daß die Momentabtragung zur maßgeblichen Aufgabe wird.

Bei Überwiegen nur einer äußeren Kraft zusätzlich zum Eigengewicht, d. h. entweder der Windbelastung (typische Situation für Türme, Schornsteine, Windkraftanlagen an Land) oder der Wellenbelastung, ergeben sich in den verschiedenen Streben von Fachwerkkonstruktionen und zugehörigen separaten Zug/Druckpfähle bestimmte Kräfte. Dabei kann die Gestalt des Fachwerks in Abhängigkeit von der Höhe typischerweise einwirkender horizontaler Kräfte und daraus resultierenden Momenten so gewählt werden, daß sich günstige Kraftverläufe in den Stützen und vergleichsweise geringe Belastungen in den Verstrebungen ergeben. In der Praxis werden bei Windkraftanlagen mit Gittermasten häufig weit ausladende Konstruktionen errichtet.

Eine Optimierung der Fachwerkabmessungen wird bei offshore-Windkraftwerken dadurch erschwert, daß Wind- und Wellenlasten stochastisch zusammenwirken und mit deutlich unterschiedlichen Hebelarmen (Ansatzpunkt der Windlasten des Rotors etwa in Nabenhöhe, Wellenlasten unterhalb der Wasseroberfläche), unterschiedlichen Frequenzen und Phasen auf das Bauwerk und indirekt auf den Baugrund einwirken. Denkbar ist daher, daß bestimmte Tragwerkselemente vorrangig die Windkräfte, andere vorrangig die Wellenlasten abführen und enstprechend dimensioniert werden müssen. Dagegen kann bei einem Rohrturm und bei der beschriebenen Tragkonstruktion dasselbe Tragelement abwechselnd beide Lasten abführen, wodurch sich zudem die Einflüsse von Wind und Welle zum Teil kompensieren.

Die Standsicherheit verzweigter Konstruktionen für Windkraftanlagen mit separaten Gründungen je Stütze kann an Land unter anderem durch große Stützabstände (Hebelarm) verbessert werden. Dies würde jedoch bei Gründung im Wasser relativ aufwendige Verstrebungen zwischen den Stützen unterhalb der Wasserlinie erforderlich machen⁷⁾, also in einem von Wellenlasten beeinflußten Bereich. Ein geringerer Abstand der Stützen würde dagegen durch den geringeren Hebelarm zwischen den Stützen den Aufwand zur Gründung der einzelnen Stützen erhöhen.

Monopile-Tragstrukturen, bei denen sich eine Rohrform vom Fundament bis zum Mast fortsetzt, berücksichtigen nicht das Erfordernis der Begrenzung der Lastangriffsfläche. Sie sind dadurch begrenzt, daß

- einerseits zur Momentabtragung in den Boden ein hinreichender Durchmesser des Tragrohrs und Fundamentkörpers benötigt wird und
- andererseits mit zunehmendem Durchmesser des Turms die Wellenlasten zunehmen.

OPTI-OWECS⁸⁾ geht dabei davon aus, daß monopile-Lösungen für Windkraftanlagen bei Wassertiefen über 20-25 m nicht realisierbar sind. Gemischte Gittermast-Monopilestrukturen wurden in dieser Machbarkeitsstudie nicht beschrieben.

Unter Offshore-Bedingungen ist es vorteilhaft, die Tragkonstruktion bis über die Wasserlinie in einem Stück zu errichten, um Unterwasser-Schweißarbeiten zu vermeiden. Beim Rammen sehr langer Monopfähle (Gründungsanteil und in der Wassersäule bleibender Rohrabschnitt) besteht jedoch die Gefahr des Zusammendrückens in Längsachse.

Bei Pfahlgruppen gemäß II 6., die durch Zug- und Druckkräfte ohne Mitwirkung eines zentralen Pfahls ein Moment erzeugen, würde eine flachere Ausführung der seitlichen Pfähle den Schnittpunkt der Wirkungslinien nach unten verschieben, und damit den wirkenden Hebelarm beeinträchtigen, weswegen diese bislang regelmäßig mit größerer Neigung als 50° ausgeführt werden.

IV Neue Lösung

Die Erfindung beruht auf der Kombination der Vorteile eines Großpfahls im Boden mit denen einer verzweigten Fachwerkkonstruktion mittels der im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale.

Die Tragkonstruktion weist im Boden einen auf Drehmoment um eine horizontale Achse belastbaren Gründungskörper (als Großpfahl, im folgenden: Monopfahl) mit einer geschlossenen seitlichen Hüllfläche (Mantelfläche) auf, über die eingeleitete Bemessungs momente vorrangig über beidseitig auf das umgebende Erdreich wirkende horizontale Kräfte abgegeben werden können. Dieser Übertragungsweg dominiert gegenüber der ebenfalls auftretenden Abtragung der eingeleiteten horizontalen Kraft in derselben horizontalen Richtung und die ebenfalls wirksame Abtragung von Momenten über die Mantelreibung (Kräfte parallel zur Mantelfläche in vertikaler Richtung), den Spitzendruck und die außermittige Sohlbettung.

Dieser Pfahl ist nach oben mit einer Fachwerkkonstruktion fortgesetzt, die den oberen Teil der Tragkonstruktion bildet.

Im Vergleich zu anderen verzweigten Tragstrukturen (Gittermasten) von Windkraftanlagen, die üblicherweise getrennt gegründet werden, ergibt sich somit eine vergleichsweise enge Bauweise durch die Begrenzung auf die Außenabmessungen bzw. den Durchmesser des Pfahls am unteren Ende der Tragkonstruktion.

Zweckmäßige Ausführungen ergeben mit den in den Ansprüchen 2 bis 7 beschriebenen Ausführungsweisen.

Bei der Ergänzung durch zusätzliche, schräge äußere Pfähle gemäß Anspruch 8 wird durch diese Pfähle insbesondere eine horizontale Kraftkomponente erzeugt. Im Fall von einander gegenüber angeordneten, gleich stark auf Zug bzw. Druck belasteten Pfählen kompensieren sich die vertikalen Komponenten und es ergibt sich als Resultierende eine genau horizontale Kraft auf den zentralen Fundamentkörper bzw. Pfahl. Sofern der Schnittpunkt der Achsen der seitlichen Pfähle in Höhe der Bodenoberfläche liegt, wird durch die Summe der seitlichen Pfahlkräfte dort auch kein Moment erzeugt. Das erwünschte Drehmoment kommt vielmehr dadurch zustande, daß sich der zentrale Fundamentkörper bzw. Pfahl in dessen unterem Teil in gegensätzlicher Richtung seitlich im Boden abstützt. Im Vergleich zu der bekannten Lösung III. 6 ist also kennzeichnend, daß die Momentaufnahme erst im Zusammenwirken mit dem mittleren Pfahl erfolgt, und nicht durch Zusammenwirken lediglich der seitlichen Pfähle ein Moment aufgenommen wird.

V Vorteile

Die Vorteile beruhen auf einer sinnvollen Verbindung der Vorteile von Tragwerken mit Rohrturm und Rohrpfahl mit denen verzweigter Tragwerken, die sich insbesondere bei kombinierter Einwirkung von großen Wellen- und Windlasten mit hohen Hebelarmen positiv auswirkt.

Eine Optimierung der Abmessungen ergibt voraussichtlich größere Pfahldurchmesser als bei Monopile-Tragstrukturen mit Fortsetzung des Pfahls über dem Meeresboden, weil weniger Einschränkungen durch den Wellengang entstehen.

Innerhalb des Bodens kann der Pfahl die eingeleiteten Momente über seine vergleichsweise große seitliche Mantelfläche an das umgebende Erdreich übertragen, indem er sich im oberen Teil des Pfahls in Richtung der weiter oben eingeleiteten Kräfte abstützt, wodurch im unteren Teil des Pfahls eine Gegenkraft gegen das Erdreich auf der anderen Seite des Pfahls entsteht. Damit werden die eingeleiteten Momente durch geringfügiges Verkippen des Fundaments mittels ungefähr horizontaler, beidseitiger Kräfte in das Erdreich eingeleitet. Die Krafteinleitung erfolgt also im Gegensatz zur Mantelreibung nicht parallel zur Pfahloberfläche, sondern senkrecht oder in einem Winkel zur Pfahloberfläche. Somit wird im Vergleich zu Zug- und Druckpfählen mit Krafteinleitung parallel zur Pfahloberfläche eine bessere Kraftübertragung erreicht, die zudem unabhängiger von der Oberflächenstruktur der Pfahloberfläche, verwendeten Oberflächenbehandlungen (Korrosionsschutz), Rammhilfsmitteln (Gleitunterstützung) und bestimmten Bodenkennwerten ist.

Durch die großen Abmessungen des Monopfahls ergibt sich auch mit vertretbaren Wand- oder Bewehrungsstärken eine große Biegesteifigkeit des Fundaments, die diese Krafteinleitung unterstützt, insbesondere im Vergleich mit mehreren Einzelpfählen mit geringeren Abmessungen. Auch die seitliche Bettung wird durch große Abmessungen begünstigt.

Oberhalb des Erdreichs bzw. Meeresbodens ergibt sich gegenüber (Einrohr-)Rohrtürmen vergleichbarer Gesamtabmessungen ein geringerer Strömungswiderstand an der Mantelfläche der Tragkonstruktion und damit eine deutlich geminderte Krafteinwirkung durch Wellengang bei Errichtung im Wasser. Diese Lastreduzierung kann wiederum zur Verminderung der Dimensionen und Materialstärken genutzt werden, bzw. bei größeren Wassertiefen erstmalig die Machbarkeit einer Monopfahl-Gründung bewirken.

Bei drei hauptsächlichen Stützen und einem Abstand von 2.cos 30°.Fundamentradius ergibt sich eine Ausführung des Anspruchs 2 als unterer Grenzfall von Anspruch 5. Dann entsprechen die Außenabmessungen des Fachwerks ungefähr den Abmessungen des Fundaments; die schrägstehenden Verstrebungen gemäß Anspruchsmerkmal 5.6 und eine Umlenkung des Kraftflusses entfallen. Dabei ergeben sich die Abmessungen der Fachwerkkonstruktion wenigstens im unteren Teil aus den äußeren Abmessungen des Pfahls.

Je nach Art des Fundaments, der Stützen und der Einbautechnik ergeben sich unterschiedliche Befestigungsweisen am Pfahl:
Die Ausführung kann insbesondere dadurch erfolgen, daß das Fundament aus einem großen, aufrecht stehenden, im Boden eingebauten Stahlrohr besteht, an das Stützen angeschweißt sind, die aus kleineren, ebenfalls aufrecht stehenden Stahlrohren bestehen. Die Stützen könnten in einer zweckmäßigen Ausprägung vor dem Anschweißen geschlitzt, auf dem Umfang des Fundamentpfahls aufgesteckt und mit beidseitigen Schweißnähten befestigt werden. Die beiden Seiten der Stützrohre können im geschlitzten, unteren Bereich zu dem großen Rohr hin gebogen sein. Dabei können sich die Rohrsegmente durch zunehmende Aufweitung nach unten hin dem großen Rohr anschmiegen, oder bei entsprechender Formgebung entlang einer halb-ellipsenförmigen Schweißlinie dem großen Rohr annähern.

Ebenfalls möglich ist ein "Einschlitzen" des Fundamentrohrs. Möglich ist auch eine allmähliche Umformung von Segmenten des Fundamentrohrs im vertikalem Verlauf, bis diese dem kleinerem Radius der die Stützen bildenden Rohre entsprechen.

Im Falle eines Stahlbetonpfahls können die Stützen einige Zentimeter innerhalb der Mantelfläche in diesen eindringen und im Fundamentinneren mit der Bewehrung verbunden sein, bzw. einen Teil von dessen Bewehrung bilden. Im Falte von Stahlstützen können diese so ausgeführt werden werden, daß sie sich innerhalb des Betonfundaments nach unten hin verzweigen und auffächern. Im Falle von Spannbetonstützen können vom Fundament zu den Stützen durchgehende Spannseile verwendet werden.

In vorstehenden Fällen kann eine Unterbrechung des Kraftflusses oder Schweißnaht in der Ebene des Übergangs von Fundamten zu Fachwerkkonstruktion vermieden werden, die in der Ebene des Meeresbodens als einer stark auf Biegung beanspruchten Stelle nicht erwünscht wäre. Während die Stützen zusammen mit zusätzlichen Streben eine verzweigte Fachwerkkonstruktion bilden, werden sie im Fundamentbereich durch die geschlossene Struktur des Gründungskörpers ausgesteift

Zur Erzielung eines größeren Hebelarms oder einer großen Hüllfläche können besonders große Fundamentpfähle eingebaut werden, während große Durchmesser bei einer Monopile- Rohrturm-Bauweise mit kontinuierlicher Rohrform in Boden und Wassersäule zu erheblich ungünstigeren Einwirkungen des Wellengangs führen würde.

Durch die im Vergleich zu anderen verzweigten Strukturen relativ kompakte Bauweise wird erreicht, daß sich Wind- und Wellenlasten in ähnlicher Weise in die Tragstruktur übertragen, und somit "Doppelauslegungen" für Wind und Welle vermieden werden.

Die kleineren Durchmesser und gegenüber unverzweigten Rohrtürmen tendenziell stärkeren Wandstärken der Stützen im Fachwerk können auch das Verhalten bei äußeren mechanischen Einwirkungen positiv beeinflussen (Erwartung geringerer Verdellungsgefahr durch Schiffsstoß als bei Rohrtürmen und besseres Korrosionsverhalten).

Die aus dem großen Durchmesser des Fundamentpfahls resultierende Steifheit kann zur Begrenzung des Materialaufwands für den Pfahl (geringere Wandstärke) genutzt werden.

Eine Nutzung des Teilanspruchs zu 3 bietet sich insbesondere bei Ausführung gemäß Anspruch 2 und Aufbau des oberen Teils aus Rohren an, die als Führung oder Bewegungsraum für eine Rammeinrichtung dienen könnten, wobei der Übergangsbereich zwischen Stützen und Fundament ähnlich einem Amboß das Einrammen in den Boden unterstützen würde.

Die Rohre könnten auch als Führung oder Bewegungsraum für eine Bohreinrichtung fungieren, besonders bei vertikaler Einmündung der Stützen in den Fundamentkörper. Sie . könnten ebenfalls zur Zufuhr von Energie oder Wasser oder zur Abfuhr von Spülgut genutzt werden.

Bei Offshore-Windkraftanlagen könnte innerhalb des Wasserkörpers eine verstrebte Struktur gewählt werden, während die Tragstruktur in einem Teil oberhalb der Wasserlinie aus einem einzigen Rohr besteht (Anspruch 7). Auch sonst ergibt sich im Bereich der Gondel ein Ende der Fachwerkkonstruktion.

Die zusätzliche äußere, seitliche Abstützung gemäß Anspruch 8 ist vor allem deshalb sinnvoll, weil im oberen Teil des Fundaments die größten horizontale Kräfte (Summe der oben eingeleiteten Kräfte und der im unteren Teil des Fundaments resultierenden Gegenkräfte) abgetragen werden müssen, obwohl im oberflächennahen Teil ungünstigere Abtragungsverhältnisse in den Boden vorliegen (daher Erfordernis der Unterstützung) und weit sich in Verbindung mit dem Anschluß zu der Fachwerkkonstruktion günstige Möglichkeiten der Krafteinleitung an einzelnen Stellen (Pfahlenden) bestehen. Falls die seitlichen Stützen nachträglich gesetzt werden, sind entsprechende Durchführungen im zentralen Fundament zu berücksichtigen. Seitliche Stützen können auch optional in Abhängigkeit von den erreichten Rammenergien geplant werden.

Bei einem Fundament gemäß Anspruch 9 könnten die (vor Betonierung noch separaten) Pfähle geeignete Löcher oder Widerlager aufweisen, um eine Betoninjektion zu ermöglichen bzw. um eine Druckkraft-schlüssige Verbindung zwische injiziertem Beton und Pfahl herzustellen. An Stelle einer völlig geschlossenen Hüllfläche könnte auch innerhalb des Bodens eine Fachwerk-ähnliche Struktur hergestellt werden, die durch geeignete Ausgestaltung eine seitliche Kraftabtragung ermöglicht.

Wenn die Stützen parallel sind, könnten sie als "Schienen" genutzt werden, um Gegenstände bei Montage und Wartung zur Spitze des Turms zu heben werden. Wenn die Stützenabstände variabel sind, ist eine Optimierung des Schwingungsverhaltens möglich. Eine Verjüngung des Stützenabstands bei der Zusammenführung zum Fundament könnte auch als Sollbruchstelle bei Schiffsunfällen dienen.

VI Ausführungsbeispiel und Zeichnung

In Zeichnung 1 dargestellt wird eine Tragstruktur mit einem großen zylinderförmigen Rohr als Fundament (1) unterhalb des Meeresbodens (2), auf dem oben drei Stützen (e, f, g) mit kleinerem Durchmesser angeschweißt sind, die ihrerseits durch schräge Verstrebungen (3) verbunden sind. Die beiden in der Perspektive vorderen Stützen (e, f) und die in derselben Ebene gelegenen Verstrebungen sind fett dagestellt, die hintere Stütze g und die in der Ebene von e und g gelegenen Verstrebungen werden von der Stütze e verdeckt (ohne Darstellung), die anderen Streben sind als dünne Linien gezeichnet.

Zeichnung 2 zeigt den Grundriß dieser Tragstruktur, bei der die von den Stützen (f) und (g) gebildete Ebene den Fundamentkörper an einer Linie berührt, deren oberes Ende mit (a) bezeichnet ist. Die Stützen e, f und g erscheinen im Grundriß als Ringe.

In der Ebene zwischen den Stützen f und e befinden sich zwei untere Verbindungsstreben (g) und (h), die an der Stelle (a) mit den Fundamentkörper verbunden sind. Günstige Verhältnisse der Kraftübertragung an das in radialer Richtung weniger belastbare Fundamentrohr ergeben sich dadurch, daß (g) und (h) ungefähr tangential zur Oberfläche des Fundamentrohrs verlaufen. In vielen Belastungsfällen werden sich die horizontalen Anteile der von (g) und (h) eingeiteten Kräfte teilweise kompensieren.

Die Wellen können mit geringem Widerstand die offene Tragstruktur durchdringen.

Abgesehen von einer Zugangshilfe (nicht dargestellt) ergeben sich in Meereshöhe (4) keine besonderen Änderungen der Tragstruktur.

Der Maschinenteil der Windkraftanlage (5) mit den Rotoren ist wie üblich am oberen Ende des Turms drehbar befestigt.

An einer der Stützen ist ein seitlicher Stützpfahl gemäß Anspruch 8 angedeutet (6).

Die oben angreifenden äußeren Kräfte drücken den Pfahl in gleicher Richtung gegen den Boden (7). Der Pfahl drückt weiter unten in entgegengesetzter Richtung gegen den Boden ab (8), wodurch ein Momentengleichgewicht entsteht.

Zeichnung 3 beschreibt den Grundriß einer entsprechenden Tragkonstruktion mit etwa halb so großem Abstand der Stützen; damit entfallen die Verbindungsstreben (g) und (h).

Zeichnung 4 beschreibt den Grundriß einer Tragstruktur mit einem dazwischen liegenden Verhältnis von Fundamentdurchmesser und Stützenabstand, wobei sich sechs Verbindungsstellen zwischen Fundament und Verbindungsstreben ergeben.

Zeichnung 5 beschreibt den Kraftfluß in Verbindung mit seitlich angebrachten Stützpfählen gemäß Anspruch 8:
Die im Turmbereich einwirkende Kraft (10) verursacht eine hier übertrieben dargestellte seitliche Verdrehung der Tragstruktur einschließlich des zentralen Fundamentkörpers. Besondere Bedeutung hat die Biegesteifigkeit des Fundaments gegenüber Biegung um eine horizontale Achse (hier völlig steif dargestellt).

Pfeil (11) kennzeichnet den auch ohne seitliche Pfähle wirksamen seitlichen Kraftangriff im oberen Teil der Hüllfläche (vom Boden in Folge der seitlichen Pressung 7 auf den Pfahl ausgeübte Gegenkraft). Im unteren Fundamentteil wirkt die durch die Bodenpressung (8) verursachte Gegenkraft (12) einer weiteren Verkippung entgegen. Die Mantelreibung am zentralen Fundament wird in der Darstellung vernachlässigt.

Von den beiden seitlichen Pfählen wird eine Druckkraft (13) und eine Zugkraft (14) abgegeben, die (hier mit übereinstimmender Kraftstärke dargestellt) zu einer resultierenden Kräftesumme (15) führen, die etwa in Bodenhöhe an der zentralen Tragstruktur angreift.

Zu einer Kompensierung der durch die Hohenlage der äußeren Krafteinwirkung (10) verursachten Momentaufnahme der Tragstruktur kommt es erst durch das Zusammenwirken der Kräfte (11) und (15) mit der Gegenkraft (12) im unteren Fundamentteil. Nicht die Höhenlage der Kraft (15), sondern die Steifigkeit des zentralen Fundaments und die dadurch entstehende Kraft (12) ist für die Momentabtragung ausschlaggebend.

Im rechten Teil von Zeichnung 5 ist zum Vergleich eine konventionelle Pfahlgründung einer Brücke dargestellt, bei der sich die Wirkungslinien der in den schrägen Pfählen entstehenden Druck- und Zugkräfte (13a) und (14a) deutlich oberhalb des Erdbodens treffen. In dieser Höhe greift auch die theoretische Kräftesumme (15a) an, womit ein stabilisierendes Drehmoment auf das Tragwerk ausgeübt wird. Die Entstehung einer mit (12) vergleichbaren Gegenkraft ist damit nicht für die Momentabtragung erforderlich. Entsprechend sind die Anforderungen an die Biegesteifigkeit der Pfähle gering. Erforderlich ist bei dieser Bauweise lediglich eine gewisse Einspannung und Biegesteifigkeit der Pfähle am oberen Pfahlende, um ein seitliches Verschieben zu verhindern, sofern sich die Höhen der Krafteinwirkungen 10a und 15a unterscheiden.

Literatur ¹⁾

René Flosdorff, Günter Hilgarth: Elektrische Energieverteilung, 6. Auflage S. 21 f., 1995
²⁾

KFA Jülich, Projektträger BEO, Siemens AG, Vulkan Engineering, Preußen-Elektra et. al.: Offshore- Windenergiesysteme, Abschlußbericht zum Fördervorhaben des BMBF Nr. 0329645, Nov. 1995, S. 117 ff
³⁾

Delft University of Technology, Faculty of civil engineeringand geoscience, Institute for Wind Energy, OPTI- OWEC final report, volume 2, methods assisting the Design of Offshore Wind Energy Conversion Systems, Seite 5-1 und volume 4, A Typical Design Solution for an Offshore Wind Energy Conversion System, Seite 3-13 ff. und 6- 8 ff., Delft 1998 (OPTI-OWEC)
⁴⁾

Greenpeace (Hrsg., Verfaßt durch das Deutsche Wind Energie Institut - DEWI): North Sea Offshore Wind - A Powerhouse for Europe, Abschnitt 3.4 support structures, Seite 36 ff.
⁵⁾

Delft, a. a .O. volume 4, S. 4-13, vergleiche auch volume 3, S. 3-13 und
⁶⁾

Vortrag auf einem DEWI workshop zum Thema offshore-Windenergie im Juni 2000
⁷⁾

vergleiche z. B. ein Beispiel in OPTI-OWEC, a. a. O., volume 2, Seite. 5-1 mit 50 m Abstand zwischen den Füßen. Typische Gittermasten großer Windkraftanlagen an Land erreichen Fußabstände über 20 Metern (tel. Auskunft der Nordex GmbH)
⁸⁾

a. a. O., Volume 4, Seite 3-14 t.

Claims

1. Tragkonstruktion für offshore-Windkraftanlagen, gekennzeichnet durch

1. 1.1 mehrere statisch zusammenwirkende, längliche Elemente (im folgenden als Stützen bzw. als Verstrebungen bezeichnet) im oberen Teil (im folgenden als Fachwerk bezeichnet),
2. 1.2 zwischen denen Wasser und Luft durchströmen können, und
3. 1.3 einen unteren Teil (im folgenden als Monopfahl bezeichnet), der
- 1. 1.3.1 überwiegend oder ganz im Boden eingebettet ist, und
- 2. 1.3.2 bezüglich der Krafteinleitung in das Erdreich eine geschlossene seitliche Oberfläche (im folgenden: Mantelfläche) bildet,
4. 1.4 bei der die Lage des Übergangs zwischen Fachwerk und Fundament durch die Höhe des Meeresgrundes bestimmt wird;
5. 1.5 wobei eine Lastabtragung des Monopfahls
6. 1.6 außer über die Wirkung der Bettung an der Unterseite des Fundaments, die Entstehung einer horizontalen Kraft gegen den Boden in der Stärke der Horizontalkomponente der oberhalb des Bodens in die Tragstruktur eingeleiteten Kräfte und die seitliche Mantelreibung in axialer Richtung des Pfahls
7. 1.7 dadurch zustande kommt, daß sich der Monopfahl unter Mitwirkung seiner Biegesteifigkeit
8. 1.8 mit seinen Mantelflächen im oberen und unteren Teil auf entgegengesetzten Seiten im Boden abstützt
9. 1.9 und damit den überwiegenden Teil (über 50%) der für die Bemessung maßgeblichen, eingeleiteten Momentlasten durch "Verkantung" beidseitig an den Boden abträgt.
10. 1.10 Windkraftanlagen im vorstehenden Sinne sind alle Anlagen und Bauwerke mit rotierenden Bestandteilen, die die Luftbewegung zur Gewinnung von Sekundarenergie nutzen, auch wenn sie zusätzliche Einrichtungen aufweisen.

2. Tragkonstruktion gemäß Anspruch 1, bei der

1. 2.1 wenigstens die an den Übergangsbereich zwischen Fachwerk und Fundament angrenzenden
2. 2.2 Anteile des Fundaments bzw. der dafür vorgesehenen Bewehrungen einerseits,
3. 2.3 und der Stützen des Fachwerks andererseits
4. 2.4 vor dem Einbau fest miteinander verbunden werden, und bei der
5. 2.5 die Abmessungen des Fundaments und die Abstände der Stützen des Fachwerks untereinander so gewählt sind,
6. 2.6 daß die von den Stützen eingeleiteten Kräfte ohne Umlenkung der Wirkungslinie des Kraftflusses in dem Übergangsbereich in das Fundament eingeleitet werden.

3. Verfahren zur Errichtung von Tragkonstruktion gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der

1. 3.1 die Stützen des Fachwerks in Verbindung mit
2. 3.2 der Verbindung zwischen Fachwerk und Fundament
3. 3.3 genutzt werden, um den Einbau des Fundaments im Boden zu unterstützen.

4. Tragstruktur nach Anspruch 1 oder 2 bei der das Fundament in horizontalem Schnitt einen Raum umschließt, in dem der ursprünglich anstehende Boden stehen bleibt.

5. Tragkonstruktion gemäß einem der Ansprüche 1 oder 4, mit

1. 5.1 einem aufrecht im Boden eingebauten Fundament und
2. 5.2 drei aufrecht stehenden Stahlprofilen als hauptsächliche Stützen,
3. 5.3 deren unteres Ende oberhalb der Oberkante des Fundaments ist, und
4. 5.4 die im oberen Teil zusammen mit zusätzlichen Verstrebungen ein Fachwerk bilden,
5. 5.5 wobei die Abmessungen des Fundaments und die Abstände der Stützen und des Fachwerks untereinander so gewählt sind, daß der Abstand von zwei Stützen an deren unteren Ende zwischen dem doppelten und dem vierfachen von cos 30° mal Fundamentradius beträgt,
6. 5.6 wobei in der Lücke zwischen den hauptsächlichen Stützen und dem Fundament in den jeweils von zwei dieser Stützen (bzw. den Achsen dieser Stützen) aufgespannten Ebenen Verstrebungen hergestellt werden zwischen
7. 5.7 Schnittpunkten dieser Ebenen und dem oberen Rand des Fundaments bzw. Bereichen, die weniger als 1/10 der Fundamentlänge von diesen Punkten entfernt sind, und
8. 5.8 dem unteren Teil der hauptsächlichen Stützen und

6. Tragkonstruktion gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, bestehend

1. 6.1 aus einem großen, aufrecht im Boden eingebauten Stahlrohr oder Hohlprofil als Fundament
2. 6.2 aus mehreren kleineren, aufrecht stehenden Stahlprofilen als Stützen,
3. 6.3 die im oberen Teil zusammen mit zusätzlichen Verstrebungen ein Fachwerk bilden, und die weiter unten
4. 6.4 an der Mantelfläche des großen Rohrs angeschweißt sind,
5. 6.5 wobei eine hinreichend große Länge der Schweißverbindungen dadurch erreicht wird,
6. 6.6 daß sich die Profillängen überschneiden.

7. Tragkonstruktion gemäß einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5 oder 6 bei der sich

1. 7.1 oberhalb
2. 7.2 der Fachwerkkonstruktion gemäß Ziffer 1.1
3. 7.3 ein weiterer Teil befindet, der
4. 7.4 wieder einen geschlossenen Charakter aufweist

8. Tragkonstruktion nach 1. dadurch gekennzeichnet, daß

1. 8.1 zusätzlich Pfähle die Konstruktion nach außen hin abstützen oder halten, die
2. 8.2 von der Einbindestelle der Stützen in das Fundament oder dem oberen Drittel des Fundaments aus
3. 8.3 mit weniger als 50° Neigung schräg zur Seite verlaufen.

9. Tragkonstruktion nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß

1. 9.1 die Stützen der Fachwerkkonstruktion
2. 9.2 im unteren Teil zunächst ohne weitere Verstrebungen hergestellt und
3. 9.3 in den Boden gerammt werden, und
4. 9.4 daß im Boden der Charakter eines Fundaments mit hinreichend geschlossener Hüllfläche und Steifigkeit dadurch entsteht, daß
5. 9.5 der Boden durch geeignete Maßnahmen, insbesondere Betoninjektionen, hinreichend verfestigt wird.

10. Tragkonstruktion mit den Merkmalen des Anspruchs 1, jedoch keiner vollständig geschlossenen seitlichen Oberfläche im Fundamentbereich