DE10129812A1

DE10129812A1 - Gittermast-Monopfahl mit Seilabspannung für offshore-Windkraftanlagen

Info

Publication number: DE10129812A1
Application number: DE10129812A
Authority: DE
Inventors: Joachim Falkenhagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-06-24
Publication date: 2003-08-21

Abstract

Tragstruktur für eine Windkraftanlage, die im unteren Teil als geschlossener Gründungskörper im Boden verankert wird, der in typischer Ausführung zylinderförmig ist, im oberen Teil eine verzweigte Struktur aufweist, die insbesondere dem Wellengang einen geringen Widerstand entgegensetzt, und dort durch Seile seitlich gehalten wird.

Description

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.

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. Schwerkraftfundamente
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 Gründung gemäß 1 oder 2 erfolgt.
Eine Seilkonstruktion beschreiben Bunce und Carey (J.W. Bunce & J.M. Carey: A guyed support structure design in Proc. European Wind Energy Conference, Vorabausfertigung), allerdings mit Rohrturm und Schwerkraftfundament. Dort die Spannseile zwar mit horizontalen Seilen untereinander verbunden, es ist aber nicht erkennbar, dass dies dem Spannen des gegenüberliegenden Seils oder der Dämpfung von Schwingungen dienen soll. Ebenfalls ist nicht charakteristisch, dass die hauptsächlichen Spannseile in Turmnähe im Knick verlaufen oder vom Turm nach unten gezogen werden sollen.
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.
5. Verzweigte Lösungen mit Einzelfundamenten je Zweig, meist als Tripoden-Fundament.

Probleme der bekannten Lösungen

Tragkonstruktionen ohne Spannseile führen zu großem Momenteneintrag im Erdboden.
Verspannte Rohrtürme berücksichtigen nicht das Erfordernis der Begrenzung der Lastangriffsfläche für Wellenlasten; dabei ist besonders in Nähe des Einspannpunktes mit hohen Momentlasten in verspannten Türmen zu rechnen.
Horizontale Verbindungen zwischen den Spannseilen (fender lines) führen zu verstärkter Zugspannung in den äußeren Teilen der Seile.

Neue Lösung

Die Erfindung beruht auf der Kombination der Vorteile eines Großpfahls im Boden mit verzweigter Fachwerkkonstruktion (Patentanmeldung Gittermast-Monopile) mit denen einer seitlichen Verspannung mittels der in den Patentansprüchen 1-7 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 horizontale Kräfte auf das umgebende Erdreich abgegeben werden können.
Dieser Pfahl ist nach oben mit einer Fachwerkkonstruktion fortgesetzt. Diese wird seitlich verspannt.
Durch seitliches Halten der Tragkonstruktion gemäß Anspruch 8 während der Bauzeit kann evtl. auf den Einsatz von weiteren Hubeinrichtungen reduziert werden, wenn die Tragkonstruktion mit zusätzlicher Hilfe von Auftrieb schaffenden Einrichtungen aufgerichtet wird, von den Seilen gehalten wird und eine Rammeinrichtung von der Tragkonstruktion selbst gehalten wird.
Das Anspruchsmerkmal 9 führt dazu, daß bei Biegung des Turms und Spannen der hauptsächlichen Spannseile auf einer Seite gleichzeitig ein Zug auf die Verbindungsseile ausgeübt wird, der ein völliges Erschlaffen der entlasteten Seile und einen Ruck bei Wiederanspannung vermeidet.
Dabei werden die hauptsächlichen Zugseile nach unten gezogen, ohne daß es zu starken Krafterhöhungen im äußeren Teil der Spannseile kommen muß. Dadurch kann ein relativ flacher Verlauf der äußeren Spannseile mit einem steilen Verlauf in Turmnähe verbunden werden. Wenn die Lage der Spannseile im äußeren Bereich Einschränkungen unterliegt, z. B. unter Wasser liegen muß, kann damit trotzdem ein höherer Krafteinleitungspunkt erreicht werden. Dies kann schwingungstechnische Vorteile haben und eine bessere Krafteinleitung im Boden bewirken.

Vorteile

Die Vorteile beruhen auf einer sinnvollen Verbindung der Vorteile von Tragwerken mit Rohrturm und Rohrpfahl mit denen verzweigter Tragwerken mit seitlicher Abspannung, die sich insbesondere bei kombinierter Einwirkung von großen Wellen- und Windlasten mit hohen Hebelarmen positiv auswirkt.
Innerhalb des Bodens kann der Pfahl die eingeleiteten Momente über seine vergleichsweise große seitliche Mantelfläche an das umgebende Erdreich übertragen. Durch die seitliche Abstützung mit einem Seil ergeben sich günstigere Hebelarme.
Eine geringe Einbindetiefe, wie sie sich aus ungünstigen Rammeigenschaften tieferliegender Bodenschichten ergeben kann, wird ermöglicht.
Durch die ermöglichten 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.
Ein Fachwerk kann bei gleichem Materialaufwand wie ein Rohrturm eine größere Wandstärke haben und günstige Befestigungsmöglichkeiten für die Spannseile an den Verstrebungsstellen bieten. Die Spannseile können gegebenenfalls auf der dem Spannseil abgewandten Stütze befestigt werden.
Eine niedrige Seilführung im äußeren Bereich kann die Akzeptanz seilgestützter Lösungen unter Vogelschutzaspekten verbessern.

Ausführungsbeispiel und Zeichnung

In der Zeichnung 1 dargestellt wird eine Tragstruktur mit einem großen zylinderförmigen Rohr als Fundament (unbelastete Position = 7) unterhalb des Meeresbodens (9), auf dem oben drei Stützen (davon zwei in der Darstellung sichtbar, eine weitere rechts verdeckt) mit kleinerem Durchmesser angeschweißt sind, die ihrerseits durch schräge Verstrebungen (zick-zack-Linien) verbunden sind.
Die oben an der Windkraftanlage angreifenden äußeren Kräfte (1) drücken die Tragstruktur im oberen Teil nach rechts und spannen das linke äußere Zugseil (3). Dadurch werden die Verbindungsseile (5) nach links gezogen und damit einer völligen Erschlaffung der rechten äußeren Zugseile (4), die bei Wiederanspannung zu einem Ruck führen könnte, entgegengewirkt. Je nach Geometrie der Seile kann erreicht werden, daß sich die Verbindungsseile schneller bewegen als die Tragstruktur im Befestigungspunkt (6). Damit kann eine Dämpfung im Wasser von Bewegungen der Tragstruktur erreicht werden. Ein Strömungswiderstand entsteht vorrangig bei Bewegungen senkrecht zur Seilachse. Dies kann durch die Befestigung von einen Strömungswiderstand bildenden Körpern (gesonderter Patentanspruch, hier nicht dargestellt) an den Seilen unterstützt werden, was sich besonders bei Bewegungen parallel zur Seilachse anbietet.
Wo sich zwei Seile oder Tragstreben in der Zeichenebene hintereinander befinden, ist dies durch zwei kurze Striche dargestellt.
Durch die angreifenden Kräfte wird das Fundament gegenüber der ursprünglichen Lage (7) nach links gegen den Boden gedrückt, wodurch eine Gegenkraft (8) durch das Bettungsmodul des Bodens entsteht. Eine große Steifheit des Turms kann dabei teilweise durch die flexible Aufhängung ausgeglichen werden. Im Beispiel ist der Nulldurchgang der seitlichen Auslenkung des steif dargestellten Turms gerade in Meereshöhe, was in günstigem Verhältnis zu der seitlichen Lastabtragungsfähigkeit gegen den Boden steht.

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,

3. 1.3.3 die zur Übertragung von horizontalen Kräften an das Erdreich genutzt wird, und

4. 1.4 im Bereich des Fachwerks seitlich angreifende Seile, in denen eine Gegenkraft zu der äußeren Krafteinleitung entsteht,

5. 1.5 wobei die Lage des Übergangs zwischen Fachwerk und Fundament durch die Höhe des Meeresgrundes bestimmt wird, und

6. 1.6 bei der eine Momentenübertragung zwischen Fachwerk und Fundament gewährleistet ist.

7. 1.6 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 Tragkonstruktionen 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 oder n 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 am unteren Ende der Stützen des Fachwerks so gewählt sind, daß sich in der Draufsicht das von von den Stützen gebildete n-Eck und die die Umfassungslinie des Fundaments schneiden, bzw. wenn bei drei Stützen 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 2 m von diesen Punkten entfernt sind, und

8. 5.8 dem unteren Teil der hauptsächlichen Stützen.

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. Verfahren zum Einbau einer Tragkonstruktion gemäß Anspruch 1, 2, 4, 5, 6 oder 7

1. 8.1 bei dem die Spannseile

2. 8.2 oder zusätzliche Seile, die an den Spannseilen oder deren Verankerungen befestigt werden

3. 8.3 dazu genutzt werden, die Tragkonstruktion während des Baus zu bewegen, aufzurichten oder in Position zu halten.

9. Tragkonstruktion gemäß einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, 6 oder 7 bei der jeweils zwei benachbarte Spannseile mit einem oder mehreren weiteren Seilen verbunden sind, die ihrerseits von weiteren Seifen, befestigt am unteren Teil des Turms, nach unten gezogen wird.

10. Tragkonstruktion mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 2, 4, 5 oder 6 bzw. jedoch keiner vollständig geschlossenen seitlichen Oberfläche im Fundamentbereich.