DE102007020483A1

DE102007020483A1 - Offshore-Tragstruktur mit konischem Übergangsstück und Zugang in Nähe der Wasserlinie

Info

Publication number: DE102007020483A1
Application number: DE102007020483A
Authority: DE
Inventors: Joachim Falkenhagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-10-30
Also published as: DE202007018750U1; DE202007018751U1

Abstract

Die Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage wird durch mehrere Merkmale verbessert, darunter - ein in der Nähe der Wasseroberfläche ausgeführter konischer Abschnitt eines Übergangsstücks, das darunter mit einer ausbetonierten Verbindung in dem Überlappungsbereich mit einem weiteren Stahlrohr verbunden wird, - die Ausbildung eines konischen Überlappungsbereichs durch die Verbindung zwischen einem oben konischen Stahlrohrpfahl mit einem unten konischen Übergangsstück, - einen nach oben zunehmenden Stahlquerschnitt im konischen Bereich, - eine Rammhilfe, die Unterschiede in der Längsverteilung der Pfahlmasse ausgleicht, - eine Zuführung von Kabeln im mittleren Teil dieser ausbetonierten Verbindung, - eine Leiter, die den konischen Bereich überbrückt und einigen Abstand zum Turm einhält, sodann eine Einheit mit einem Zugangspodest bildet, - eine Zugangsöffnung in geringem Abstand oberhalb des Ruhewasserspiegels und unterhalb des Extremwellenstands gelegen und - eine weitere Plattform, die bei extremem Wellenschlag wegklappen kann und die im Falle eines Defektes einen Ersatztransformator aufnehmen kann.

Description

Die Tragstruktur vieler Offshore-Windenergieanlagen ruht aus einem in den Boden gerammten, zylinderförmigen Großpfahl, der ein Stück oberhalb des Ruhewasserspiegels endet. Um diesen Pfahl wird ein ebenfalls zylinderförmiges Übergangsstück mit geringfügig größerem Durchmesser aufgesteckt. Der Zwischenraum wird mit einem hochfesten, betonartigem Material ausgefüllt (grouted connection), das auch geringfügige Korrekturen der Vertikalität bei nicht ganz vertikal gerammtem Pfahl ermöglicht.
Als Übergangsstück (transition piece) bezeichnet man meist ein vorgefertigtes Stahlsegment, das über den eigentlichen Überlappungsbereich mit dem Monopile hinaus weiter nach oben reicht An der Außenseite des Übergangsstücks befinden sich Leitern für den Zugang zur Anlage und häufig auch Aufnahmen für die vom Meeresboden zum Turm geführten Energiekabel, die die erzeugte Leistung abführen sollen. Am oberen Ende des Übergangsstücks befindet sich eine Flanschverbindung zum nächsten Turmsegment und meist auch eine Plattform zur Aufnahme von Gegenständen, die zur Gondel der Windkraftanlage gehoben bzw. von dort abgesenkt werden sollen. Dort befindet sich auch ein Zugang zum Turminneren und der dort beginnenden Treppe bzw. dem Fahrstuhl zum Turmkopf.
Diese Bauweise hat jedoch mehrere Nachteile, die durch die beschriebenen Merkmale vermieden werden sollen. Diese sind einzeln oder auch additiv einsetzbar:

1. Über die Strecke des Überlappungsbereichs soll sich die Momenten-Belastung allmählich von dem Übergangsstück auf das untere Stahlrohr (Pfahl) übertragen. An seinem unteren Ende ist das Übergangsstück nicht mehr auf Momenten belastet und wird damit auch weniger verformt, jedenfalls nicht in vertikaler Richtung (Längsrichtung) gedehnt bzw. getaucht. Bei einer Bauweise mit unverminderter Wandstärke bzw. Steifheit am unteren Ende des Übergangsstücks ergibt sich eine unterschiedliche Verformungsneigung gegenüber dem umfassten Monopfahl in derselben Höhenlage, was zu einer besonderen Verbeulung des Monopfahls am unteren Rand des Übergangsstücks führt, und damit auch erhöhte Materialspannungen im Monopile erzeugt. Die unterschiedliche Dehnung in vertikaler Richtung kann auch ein Aufreißen der Betonverbindung begünstigen. Gleichzeitig ergibt sich ein zusätzlicher Materialverbrauch im unteren Teil des Übergangsstücks – wo bei konventioneller Bauweise eine zweifache (im Pfahl und im Übergangsstück) Stahlmenge vorhanden ist und sie sich dann am Ende des Übergangsstücks abrupt auf nur eine Stahlschale reduziert. Ggf. muss zusätzlich der Stahlquerschnitt im Monopile wegen der genannten punktuellen Belastung vermehrt werden. Stattdessen soll daher der Stahlquerschnitt des Übergangsstücks an dessen unteren Ende reduziert werden. Das kann zunächst durch Verwendung weniger starker Stahlbleche für das unterste bzw. die unteren rohrförmigen Abschnitte des Übergangsstücks erfolgen. Dabei kann es sinnvoll sein, die Länge dieser Abschnitte gegenüber den üblichen Lieferbreiten der Stahlbleche zu vermindern, d. h. die Zahl der aneinanderzuschweißenden, rohrförmigen Abschnitte zu vergrößern. Zusätzlich kann das erwünschte Ergebnis durch den mechanischen Abtrag von Stahl in Nähe des unteren Endes des Übergangsstücks verfolgt werden. Dieser Abtrag kann ggf. bereits vor dem Biegen zu einem Rohrabschnitt erfolgen. Günstig wäre es, wenn bereits die verwendeten Bleche so gewalzt werden, dass sich ihr Querschnitt an einer Seite vermindert, bzw. sie insgesamt eine Trapezform aufweisen.
2. Am oberen Ende des Pfahl könnte entsprechend vorgegangen werden; dies dürfte allerdings häufig dadurch verhindert werden, dass dann der Pfahl die Rammstöße nicht mehr in der erwünschten Weise aufnehmen kann. Damit bleibt es nun bei zusätzlichen Kräften gegen die Mantelfläche des Übergangsstücks in Nähe des oberen Endes des Monopiles. Es bietet sich damit an, hier gleichzeitig einen Übergang zu einem konischen Abschnitt vorzunehmen: Durch den konischen Abschnitt sind auch Kraftrichtungen im Winkel zur Mittelachse des Turmes innerhalb der konischen Mantelfläche übertragbar. Am Übergang zwischen dem konischem Teil und dem zylinderförmigen Bereich des Übergangsstücks entstehen zusätzliche Lasten, die ohnehin eine Vergrößerung des Querschnitts nahe legen, so dass diese ebenfalls wegen der Lasten am oberen Ende des Monopiles naheliegende Vergrößerung doppelt ausgenutzt werden kann.
3. Der obere Abschluss des Monopiles und ein daran anschließender Beginn der konischen Verjüngung des Übergangsstücks soll in der Nähe und ggf. bereits unterhalb des Ruhewasserspiegels erfolgen. Das hat mehrere Vorteile: Der Übergangsbereich mit der betonierten Verbindung zweier Stahlrohre liegt vollständig im Wasser, mithin besteht geringere Korrosionsgefahr, insbesondere auch nicht, nachdem sich die Verbindung zwischen Beton und Stahl teilweise gelöst hat.

Für die Kraftübertragung in den Boden wird ein ausreichender Durchmesser benötigt. Im Bereich der Wassersäule ist ein großer Durchmesser ebenfalls im Hinblick auf die Steifigkeit der Tragstruktur günstig. Genügende Steifigkeit ist auch wegen der Eigenfrequenzen erforderlich. Im Wellenschlagsbereich ist aber ein möglichst geringer Durchmesser vorteilhaft, um die Kraftentstehung durch Wellen und die Refraktionswirkung auf die Wellen zu vermindern. Dabei ist zu beachten, dass die Turmquerschnitte oberhalb des Ruhewasserspiegels am meisten zur Entstehung von Extremlasten aus Wellenschlag betragen. Also ist ein Querschnittwechsel möglichst bereits in Nähe des Ruhewasserspiegels oder etwas darunter anzustreben. Dies hat auch den Vorteil, dass der zu rammende Pfahl weniger lang ist, was sich vorteilhaft auf dessen Beulgefahr auswirkt und zu geringeren Transportgewichten führt. Die nach unten zunehmende Momenten-Belastung spricht allerdings gegen eine Verlagerung des Übergangsbereichs zu einem Bereich weit unterhalb des Ruhewasserspiegels.
Die konische Verjüngung endet vorzugsweise ein Stück unterhalb der maximalen Wellenangriffshöhe, so dass im Bereich der maximalen Wellenhöhe ein zylindrischer Abschnitt folgt. Oberhalb des Wellenangriffsbereichs kann dann durchaus noch für eine gewisse Strecke ein unverändert zylindrischer Querschnitt beibehalten werden, bis sich ggf. in Nähe des Turmkopfes wieder ein konischer Turmabschnitt anschließt. Selbst eine erneute Vergrößerung des Turmquerschnitts oberhalb des Wellenangriffsbereichs wäre denkbar, hätte aber fertigungstechnische Nachteile.
Der im konischen Bereich bzw. am Übergang konisch zu zylinderförmig erforderliche Mehrquerschnitt an Stahl trägt auch vorteilhaft zum Widerstand gegen etwaigen Schiffsstoß bei.

4. Stattdessen könnte auch der Überlappungsbereich selbst aus zwei konisch geformten Stahlschalen (konische Teile des Monpiles und des Übergangsstücks) geformt werden. Scheinbarer Nachteil dieser Bauweise ist das „doppelte" Vorkommen eines konischen Bereichs, was wegen der höheren Fertigungskosten zunächst ungünstig erscheint. Soweit der konische Bereich nicht exakt kegelförmig ist, kann dies die Notwendigkeit der Anpassung und ggf. Ausrichtung von oberem und unterem Teil zudem Mehraufwand mit sich bringen. Andererseits kann gerade die Verfüllung des Spalts mit einem gegossenen Material Formunterschiede ausgleichen. Insbesondere würde nur an einer Seite jedes konischen Abschnitts ein geschweißter Übergang konisch-zylinderförmig vorkommen. Dies kann insbesondere die Fertigung und Verschweißung des konisches Stücks erleichtern, zumal die Toleranzen am kreisförmigen Übergang zum Zylinder nur einseitig eingehalten werden müssen.

Sofern an den konischen Überlappungsbereich oben wieder ein zylindrischer Teil des Übergangsstücks bzw. unten ein zylindrischer Teil des Pfahls unmittelbar folgt, ergibt sich damit wiederum in Höhe des oberen Rands des Monpiles bzw. des unteren Rand des Übergangsstücks ein Knick des Mantels der anderen, fortgesetzten Stahlschale. Der Vorteil dieser Kombination in Form der verbesserten Möglichkeit der Aufnahme von Kräften senkrecht zur Mantelfläche wurde bereits oben beschrieben.
Natürlich kann sich die konische Form auch über den oberen bzw. unteren Rand des Überlappungsbereichs hinaus fortsetzen. Das kann insbesondere erwünscht sein, um eine größere Variation des Querschnitts herbeizuführen, bzw. wenn eine allmählichere Variation des Durchmessers (und damit eine geringere Neigung der Mantelfläche des konischen Bereichs zur Mittelachse) erwünscht ist.
Der Überlappungsbereich kann deshalb konisch sein, um besondere Vorteile dieser Kombination auszunutzen, oder einfach deshalb, weil die konische Verjüngung gerade in der Höhe gewünscht wird, in der sich der Überlappungsbereich befindet.

5. Leitern für den Zugang könnten unterhalb des konischen Abschnitt beginnen und zunächst senkrecht nach oben geführt werden. Wenn sich z. B. der Durchmesser des Turmes konisch von 6 Meter im Übergangsbereich und Monopile auf 4 Meter vermindert, würden diese Leitern somit 1 Meter zusätzlichen Abstand zum Turmmantel erhalten. Ein solcher Abstand zwischen der Leiter und dem hauptsächlichen, tragenden Bestandteil des Übergangsstücks hat den Vorteil, dass sich Refraktionswirkungen der Wellen an der Turmwand nicht mehr so stark bemerkbar machen. Insbesondere erfolgen dann Spritzbewegungen infolge von kurzwelligen Bestandteilen des Seegangs mit mäßiger Amplitude in etwas Abstand von der Leiter. Diese Leitern werden vorteilhaft mit Stahlrohren verbunden, die den Anstoß von Wartungsschiffen aufnehmen, und die dann bei den beispielhaften Abmessungen ebenfalls einen Meter zusätzlichen Abstand von der Wand des Turms einhalten. Alternativ hierzu können auch die Holme einer Leiter selbst aus Rohren ausgebildet werde, die so stabil sind, dass sie einem Schiffsstoß Wiederstehen können, und die demgegenüber wesentlich kleineren Sprossen werden dazwischen eingeschweißt.
6. Im konischen Bereich und im unmittelbar oben folgenden zylinderförmigen Bereich ist keine Befestigung der Leiter bzw. der Rohre für den Schiffsaufprall vorgesehen. Das hat den Vorteil, dass dort auch keine Stresskonzentrationen durch zugehörige Schweißnähte entstehen. Die obere Befestigung des Leiter usw. erfolgt vielmehr in geringem Abstand oberhalb. Dort wird dann der Stahlquerschnitt, der knapp darunter die besonderen Kräfte im oberen Übergangsbereich konisch – zylinderförmig aufnimmt, dazu genutzt, die Befestigung aufzunehmen.
7. Hier befindet sich auch ein kleines Zugangspodest und eine Zugangsöffnung zum Turm. Wenn man davon ausgeht, dass ein Zugang zur Anlage bei mehr als 3 m signifikanter Wellenhöhe meist nicht mehr möglich sein wird, und sich die wellenbedingten Wasserstände nach oben und unten um den Ruhewasserspiegel verteilen, reicht es wahrscheinlich aus, dieses Podest rund 2 bis 3 m über dem Ruhewasserspiegel bei Springtide anzuordnen. Die Größe des Podests könnte vielleicht etwa 1,20 Meter·0,6 Meter betragen, womit auch der Abstand zwischen Leiter und konisch zurückgesetztem Turm überbrückt würde. Innerhalb des Turms könnte ein zusätzlicher Schutz gegen das Eindringen von Frischwasser sinnvoll sein. Für Besucher der Anlage hat dies den Vorteil, dass sie schnell das geschützte Turminnere erreichen, wo sich eine weitere Leiter befindet. Der Hauptvorteil für die Anlagenkonstruktion liegt darin, dass sich nun im oberen Bereich des Wellenschlags – der durchaus weitere 10 Meter und mehr nach oben reichen kann – keine Leiter mehr an der Außenseite des Turms befindet und somit weder Wellenkräfte noch intensive Korrosion auf die Leiter einwirken. Es besteht keine Gefahr, aus größerer Höhe von einer außen angebrachten Leiter in das Wasser zu stürzen. Gegebenenfalls kann auch ein Lift, der zur Gondel führt, weiter nach unten geführt werden, da die Maximalwellen nicht in das Turminnere eindringen. Die Tür sollte allerdings dicht ausgeführt werden, ggf. ist eine zusätzliche Schleuse sinnvoll. Größere Plattformen sollen nicht in geringer Höhe an der Außenseite des Turmes angebracht werden, da sie zu starke Wellenkräfte auf sich ziehen würden. Soweit eine Plattform zur Übernahme von Gegenständen an der Außenseite des Turms erforderlich ist, wird diese daher in größerer Höhe angebracht, oberhalb der Reichweite der Bemessungswelle, und erhält ggf. einen zweiten Zugang zum Turm. Zwischen dem unteren Zugangspodest und der Plattform ist der Turm an der Außenseite rohrförmig, die Leiter ist innen.
8. Die Kabel von offshore – Windenergieanlagen müssen an geeigneter Stelle in den Turm eingeführt werden. Meist erfolgt dies etwa in der Höhe der Zugangsplattform. Dies hat den Nachteil, dass sie eine größere Strecke entlang der Außenwand geführt werden und dort Wellenlasten anziehen. Außerdem besteht dort – im Bereich oberhalb des Wassers – eine größere Erwärmungsgefahr, zumal die Kabel in Rohren geführt werden müssen.

Teilweise werden die Kabel bereits in Nähe des Meeresgrunds in die Anlage geführt; dies hat aber den Nachteil, dass damit der Turm in einem Bereich geschwächt wird, in dem er die größten Lasten (Biegemomente) auszunehmen hat und der zusätzlich durch den Rammvorgang belastet wird.
Günstig erscheint es daher, die Kabel im Bereich der Wassersäule überwiegend durch Rohre geschützt an der Außenseite des Turms verlaufen zu lassen, oberhalb des Ruhewasserspiegels aber im Turminneren zu führen. Bei einer Verbindung mit zwei sich überlappenden Stahlrohrabschnitten (grouted connection) ist in der Mitte des Überlappungsbereich die Belastung des Stahls vergleichsweise gering, da sich die Lasten auf die beiden Stahlrohre verteilen können. Daher bietet es sich ggf. an, an dieser Stelle die Durchführung der Kabel in das Rohrinnere vorzunehmen. Ggf. ist die Durchführung durch den Pfahl nachträglich zu bohren, da sonst bei der Ausrichtung des Übergangsstücks auf eine Übereinstimmung der jeweiligen Durchführungen zu achten wäre und die Löcher im Pfahl auch während der Rammarbeiten zusätzliche Lasten bewirken. In Verbindung mit einem Zugangspodest und einer Tür in geringer Höhe wäre es auch möglich, die Durchführung unterhalb der Tür anzuordnen, soweit dort noch die Materialspannungen im Turm reduziert sind bzw. der Turm ohnehin wegen der Tür verstärkt ausgelegt wurde. Dabei könnten vorzugsweise die Rohre, die die Zugangsleiter halten, und die auch Schiffsstöße aufnehmen sollen, zugleich die zu den Anlage führenden Kabel aufnehmen.

9. Die konische Form von Teilen des Pfahls ermöglicht es, während des Rammvorgangs eine hierzu negativ geformte Einbauhilfe bzw. Rammhilfe aufzusetzen, mit der eine gleichmäßige Massenverteilung entlang des Rammguts erreicht wird.

Dies beruht auf folgender Überlegung:
Beim Rammen von Stahlpfählen entsteht eine durch den Stahl durchlaufende Kompressionswelle dadurch, dass der Stoß des Rammgeräte nur kurze Zeit am oberen Ende des Pfahls wirkt, und sodann die dadurch verursachte Stauchung des Stahls mit der für Stahl geltenden „Schallgeschwindigkeit" in Längsrichtung des Pfahls durch den Stahl durchläuft. Bei Wechseln des Stahlquerschnitts kommt es zu einer unerwünschten Reflexion eines Teils der Rammenergie. Besonders bei auf Biegung belasteten Pfählen, wie sie als Monopiles zur Gründung von Offshore-Windturbinen eingesetzt werden, ist aus statischen Gründen häufig ein größerer Stahlquerschnitt in einem mittleren Teil des Pfahls vorteilhaft. Dies führt dann zu mehreren Wechseln des Stahlquerschnitts über die Länge des Pfahls und erschwert daher die Rammung des Stahlpfahls. Auch die Konusform von Teilen des Pfahls führt bei konstanter Wandstärke zu einer eingeschränkten Fortbewegung der Rammenergie in Pfahllängsrichtung. Um diesen Einfluß zu vermeiden, soll die für die Ausbreitung der Kompressionswelle wirksame Stahlmasse je Längeneinheit möglichst vereinheitlicht werden. Dies erfolgt bei einem an der Oberseite konisch verengtem Pfahl dadurch, dass ein zweites konisches Stahlteil aufgesetzt wird, das eine gerade entgegengesetzte Massenverteilung über seine Länge aufweist. Der einzubauende Pfahl weist häufig am oberen Ende eine geringere Masse je Längeneinheit auf, was im konischen Bereich durch den geringeren Durchmesser und üblicherweise durch geringeren Stahlquerschnitt zustande kommen kann. Daher soll der ihn als Rammhilfe umschließende Konus umgekehrt am oberen Ende mehr Masse aufweisen als am unteren.
Der Rammstoß wird vorzugsweise auf beide Stahlteile gleichzeitig ausgeübt, wobei die Rammhilfe über die Länge des konischen Kontaktbereichs und besonders bei Querschnittswechselns die eigene Bewegungsenergie an den einzubauenden Pfahl überträgt. Um zu vermeiden, dass der als Rammhilfe verwendete Hilfskonus während des Rammens unlösbar mit dem einzubauenden Pfahl verpresst wird, und nach der Rammung nicht mehr von dem Pfahl gelöst werden kann, sollte ein kontakthemmendes Material zwischen die beiden Gegenstände eingebracht werden. Dabei könnte es sich z. B. um ein zähes, fettartiges Material handeln, das bei einem Rammstoß nur wenig komprimiert wird, und beim Rammen auch nur in geringem Umfang aus dem Spalt herausgedrückt wird, so dass ein Abstand zwischen dem beiden Stahlteilen erhalten bleibt. An beiden Enden des Spalts könnte ein weniger viskoses Material verwendet werden, mit dem im überwiegenden Teil des Spalts ein anderes Material eingeschlossen wird, das sich durch eine möglichst geringe Volumenminderung während des Rammstoßes auszeichnet.
Vorteilhaft wäre ggf. ein Material mit einem besonders großen Wärmeausdehnungskoeffizienten, da durch den Rammstoß auch Reibungswarme entsteht, und eine danach folgende Erwärmung des Trennmaterials dann einen Gegendruck erzeugen würde.
Der einzubauende Pfahl und die Rammhilfe könnten vor dem Einbau an Land über dieses Füllmedium miteinander verbunden werden. Dabei würde auch die Paßform überprüft werden. Die oberen Enden des Pfahls und der Rammhilfe sollten möglichst plan zueinander liegen. Mit einer Drehmaschine könnte der oberste Teil der Rammhilfe auf eine Ebene mit dem Pfahl gebracht werden, damit sie beide gleichzeitig von der Ramme angestoßen werden. Dies ist auch deshalb sinnvoll, weil die Rammhilfe bei mehrfachem Einsatz sicherlich Beschädigungen am oberen Ende erhält. Im weiteren Arbeitsfortschritt würden dann nach Einbau des ersten Pfahls jeweils Pfähle verwendet werden, deren zylindrischer Teil oberhalb des konischen Teils jeweils etwas kürzer ist als beim vorigen Pfahl, um die Verkürzung der Rammhilfe zu berücksichtigen, die durch die wiederholte Bearbeitung der Oberseite der Rammhilfe zustande kommt.
Nach dem Einbau des Pfahls wird die Rammhilfe wieder abgezogen. Dies könnte u. a. sehr langsam erfolgen, um eine entsprechendes Fließen des Füllmaterials zu ermöglichen, oder die erleichterte Abnehmbarkeit der Rammhilfe wird durch Erwärmung des Pfahls und des Füllmediums erreicht.
Ein weiterer Vorteil des Einsatzes einer solchen Rammhilfe ergibt sich daraus, dass der einzubauende Pfahl im oberen Bereich weniger von Rammstößen belastet wird. Nützlich ist dies insbesondere am oberen Ende des konischen Bereichs. Am Übergang zwischen zylindrischem und konischem Bereich entsteht dort nämlich bei axialer Belastung eine nach innen gerichtete Kraft oder genauer ein zur Pfahlachse gerichteter Kraftbelag um den Umfang. Auch diese Last wird durch die konische Rammhilfe vermindert.
Eine solche Rammhilfe kann im Fall der Rammung eines mit einem Flansch versehenen Pfahls den Vorteil haben, die Belastung des Flansches durch Rammstöße zu mindern.

10. Als Alternativ zu einer gesonderten Rammhilfe besteht die Möglichkeit der Verwendung von Stahl-"Blechen", die zu einer ungleichen Stärke gewalzt worden sind, die also nach dem Walzen ein geringfügig trapezförmiges Profil haben. Diese werden dann so gebogen, dass im konischen Bereich des Pfahls die Wandstärke nach oben hin größer wird. Damit wird der Abnahme der Masse je Längeneinheit nach oben, die sich bei unveränderter Wandstärke durch den geringer werdenden Durchmesser ergeben würde, entgegengewirkt. Die Zunahme der Wandstärke nach oben hin kann auch im Einbauzustand statisch erwünscht sein, weil damit der geringeren Steifigkeit in Folge der Minderung des Durchmessers engegengewirkt wird. Die Zunahme der Wandstärke könnte stattdessen auch durch Verwendung verschieden starker Bleche erreicht werden, dann würde aber die Masse je Pfahllänge jeweils im Bereich eines Bleches nach unten hin mit dem Konusdurchmesser zunehmen, dann wieder bei den Stufen der Wandstärke abnehmen.

Abbildungen
Die 1 zeigt die Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage, die im unteren Teil einen Großpfahl 1 aufweist. Auf diesen ist ein Übergangsstück 2 aufgestülpt. Im Überlappungsbereich ist der Zwischenraum mit einem Betonmaterial 3 verfüllt worden. Das Übergangsstück weist im unteren Bereich 4 in Nähe seines unteren Abschlusses einen verminderten Wandquerschnitts auf.
Auf der linken Seite der Abbildung befindet sich eine Führung 5 für ein Kabel 6, die zunächst an der Außenseite des Übergangsstücks befestigt ist. Im mittleren Teil des Überlappungsbereichs 7 der beiden hauptsächlich tragenden Stahlrohre 1, 2 wird das Kabel 6 in das Innere des Turms geführt
Knapp oberhalb des oberen Endes 8 des Pfahls 1 vermindert sich der Durchmesser des Übergangsstücks 2 durch einen konischen Abschnitt 9. Dieser befindet sich vorzugsweise noch ganz oder teilweise unterhalb des Wasserspiegels 10. Unterhalb des konischen Abschnitts 9 ist eine Leiter mit sehr kräftigen Holmen bzw. eine kombinierte Leiter-Fender-Konstruktion 11 an dem Übergangsstück 2 befestigt. Im Bereich des konischen Abschnitts 9 nimmt der Abstand zwischen Übergangsstück 2 und der Konstruktion 11 zu. Dort und im Bereich des Ruhewassserspiegels gibt es auch keine Verbindung zwischen dem zentralen Teil des Übergangsstücks 2 und der Leiterkonstruktion 11. Wenige Meter oberhalb des Ruhewasserspiegels knicken die Holme der Leiter bzw. die Träger der Konstruktion 11, die die Leiter halten, in die Horizontale ab und werden zum Turm geführt. Dazwischen wird ein kleines Zugangspodest 12 ausgebildet, vorzugsweise durch Geländer gesichert. Hier kann ein Besucher kurz innehalten, bevor er die Tür der Turmöffnung 13 öffnet. Im Turminneren befindet sich eine weitere Leiter oder Treppe 14 nach oben.
Eine größere Plattform 15 befindet sich ein Stuck oberhalb des höchsten Wasserstands 16, der bei der Extremwelle auftritt, für den die Anlage ausgelegt wurde. Es bleibt aber möglich, dass durch den Wellenschlag gegen den Turm auch dieser Wasserstand überschritten wird. Das gleiche kann durch das nicht auslegungsrelevante Zusammentreffen mehrerer Wellenkämme stattfinden. Wenn zwei Wellenkämme aus unterschiedlichen Richtungen auf den Turm treffen, addieren sich auch ihre Kräfte gegen den vertikalen Rohrquerschnitt des Turms nicht, gleichwohl kommt es zu einem höheren Wasserstand und damit ggf. zu einem Aufprall der Wasseroberfläche gegen die Unterseite der Plattform 15. Die Plattform ist daher im Bereich 17 am Turm gelenkig gelagert. Sie wird weiterhin von zwei Trägern 18, 19 gehalten, deren Achse etwa tangential zur Turmaußenwand dort an den Punkten 20, 21 befestigt ist (Draufsicht 2). Die beiden Träger 18, 19 sind für den Fall eines Hochklappens der Plattform ausfahrbar ausgeführt, was z. B. dadurch erreicht wird, das jeweils zwei Rohre ineinander gesteckt sind, von denen das eine mit dem Gelenk an dem Punkt 20 bzw. 21 befestigt ist, das andere mit einem weiteren Gelenk am Punkt 22 bzw. 23. In Normalposition ruhen die beiden Rohre in der Endstellung mit maximalem Einschiebung des kleineren in das größere Rohr.
Diese Plattform 15 hat kein bzw. kein durchgehendes Geländer, um das Abstellen von größeren Gegenständen zu erleichtern. Eventuell hat sie auch keine durchgehende begehbare Fläche, sondern nur einen Rahmen oder ein weites Gitter. Auf einen zweiten Zugang 24 zum Turm könnte ggf. verzichtet werden, wenn die Plattform 15 vorrangig zum Abstellen von Gegenständen dient, die von einem Schiff auf begrenzte Höhe angehoben werden sollen, und sodann neben dem Turm mit einen Anlagenkran zur Gondel gehoben werden sollen, insbesondere wenn dabei mitwirkende Personen ebenfalls auf ähnlichem Weg vom Schiff zur Plattform 15 gelangen können. Eine Öffnung 24 hat aber auch den Vorteil eines zusätzlichen Notausstiegs für den Fall, dass der untere Ausstieg 13 nicht mehr zur Verfügung seht, weil der Wellengang während Arbeiten an der Anlage erheblich zugenommen hat.
Im Bild ist auch ein im Turm installierter Transformator 25 der Anlage gezeigt. Dieses ist defekt, aber zu sperrig ist, um durch die Öffnung 13 ausgetauscht zu werden. Daher wurde auf dem Podest nun ein weiterer Transformator 26 aufgestellt, der dessen Funktion übernimmt und durch Öffnungen in der Turmwand verkabelt wurde.
3 zeigt eine andere Führung der Kabel 27, die innerhalb der hauptsächlichen Holme 28 der Leiter bzw. einer kombinierten Leiter-Fender-Konstruktion geführt werden. Um zu starke Biegungen und enge Radien beim Einführen des Kabels zu vermeiden, verlaufen diese Holme im Bereich 29 in geringem Winkel zur Turmwand, und das letzte Stück der Leiter 30 und die Plattform 31 sind getrennt aufgesetzt. Das ermöglicht auch eine statisch günstige Befestigung der Geländer 32.
4 zeigt einen Querschnitt durch eine Turmkonstruktion mit konischem Überlappungsbereich 34, einem darunter zylinderförmigen Pfahl 35 und einem Übergangsstück 36, das auch über den Überlappungsbereich hinaus ein Stück konusförmig fortgesetzt ist.
5 zeigt ein Kräfteparallelgramm am unteren Ende eines konischen Überlappungsbereichs 37 mit dem Übergang zu einem zylinderförmigen Teil 38 des Pfahls, und zwar links die auf Druck belastete Seite.
Das Zusammenwirken der Drucklast 39 in axialer Richtung im zylinderförmigen Teil 38 des Pfahls und der entsprechenden Druckbelastung 40 des konischen Teils des Pfahls führt zu einer nach außen gerichteten resultierenden Kraft 41 an der Knickstelle. Die untere Kante 42 des Übergangsstücks am unteren Rand des Überlappungsbereichs 37 führt zu einer nach innen gerichteten Kraft 43. Beide Kräfte 41 und 43 sind vorteilhaft in entgegengesetzte Richtung gerichtet, heben sich also über eine zusätzliche Druckbelastung im Spalt (teilweise) auf. An der auf Zug belasteten Seite wirken die beiden resultierenden Kräfte 44 und 45 ebenfalls in entgegengesetzte Richtung, was hier aber zu einem eher unvorteilhaften Auseinanderklaffen der beiden Schalen führen kann.
6 zeigt ein entsprechendes Kräfteparallelogramm am unteren Ende eines zylinderförmigen Überlappungsbereichs mit dem Übergang zu einem konischen Teil des Pfahls, wiederum links die auf Druck belastete Seite.
Das Zusammenwirken der Drucklasten 46 in axialer Richtung im zylinderförmigen Teil und der entsprechenden Druckbelastung 47 des konischen Teils führt hier nun zu einer nach innen gerichteten resultierenden Kraft 48 an der Knickstelle. Die untere Kante 49 des Übergangsstücks am unteren Rand des Überlappungsbereichs 50 führt in der Tendenz zu einer nach innen gerichteten Verbiegung der Schale. Beide Verbiegungstendenzen sind in die gleiche Richtung gerichtet. Ein möglicher Vorteil kann darin liegen, dass der Pfahl durch die Kraftwirkungen an der Knickstelle bereits nach innen „verbeult" wird, und sich in der Folge die Verbeulungsneigung durch den unteren Rand des Übergangsstücks nicht mehr so deutlich bemerkbar macht.
Rechts sind die Kräfte an der auf Zug belasteten Seite skizziert. Die über den Knick umgelenkten Zugkräfte wirken in Richtung einer Ausbeulung des Pfahls nach außen. Dies mindert die Gefahr der Entstehung eines klaffenden Spalts zwischen Pfahl und dem an sich „zu steifen" unteren Rand des Übergangsstücks, der die Tendenz hat, auf der Seite mit Zugbelastung nach außen abzustehen.
7 zeigt einen Querschnitt durch einen konusförmigen Pfahl 51, dessen Wandstärke im Konusbereich nach oben stetig zunimmt.
8 zeigt einen Querschnitt durch einen konusförmigen Pfahl 52 mit einer aufgesetzten Rammhilfe 53, deren Wandstärke nach oben hin durch Verwendung unterschiedlich starker Stahlbleche stufenartig zunimmt. Der Spalt ist mit einem Material 54 gefüllt, das die von der Ramme 55 kommenden Kräfte von der Rammhilfe auf den Pfahl überträgt. Die Oberseiten 56, 57 von Pfahl und Rammhilfe sind plan zueinander angeordnet.

Claims

Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage mit einer Verbindung zwischen einem gerammten Pfahl (1) als unterem Stahlrohr und einem oberen Turmteil (2), bei der sich zwei Stahlrohrabschnitte überlappen (7) und der Zwischenbereich vergossen (4) wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Überlappungsbereich der Stahlquerschnitt des unteren Stahlrohrs (1) in Nähe seines oberen Endes vermindert.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage mit einer Verbindung zwischen einem gerammten Pfahl (1) und einem oberen Turmteil (2), bei der sich zwei Stahlrohrabschnitte überlappen (7) und der Zwischenbereich vergossen (4) wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Überlappungsbereich der Stahlquerschnitt des oberen Stahlrohrs in Nähe seines unteren Endes (4) vermindert.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage mit einer Verbindung zwischen einem gerammten Pfahl (1) und einem oberen Turmteil (2), bei der sich zwei Stahlrohrabschnitte überlappen (7) und der Zwischenbereich vergossen (4) wird, dadurch gekennzeichnet, dass der oberhalb dieses Überlappungsbereichs anschließende Abschnitt konisch geformt ist und sich dadurch nach oben im Durchmesser vermindert.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage mit einer Verbindung zwischen einem gerammten Pfahl (34) und einem oberen Turmteil (36), bei der sich zwei Abschnitte beider Turmteile überlappen und der Zwischenbereich vergossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bauwerksteile im Überlappungsbereich (34) konisch geformt sind.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Anschluss an den Überlappungsbereich (34) die konische Form des oberen Turmteils (36) bzw. Übergangsstücks (36), nach oben fortsetzt.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Anschluss an den Überlappungsbereich die konische Form des Pfahls nach unten zunächst fortsetzt.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage mit einem gerammten Pfahl, dadurch gekennzeichnet, dass – der Pfahl einen konischen Bereich aufweist, in dem der Durchmesser des Pfahls nach oben hin abnimmt, und – der Querschnitt des Stahlmantels im konischen Bereich nach oben zunimmt.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage mit einem konischen Abschnitt (9) in Nähe des Ruhewasserspiegels dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leiter (11) unterhalb des konischen Abschnitts (9) am Rand des dortigen Rohrabschnitts befestigt ist, und im Bereich des konischen Abschnitts vertikal nach oben fortgesetzt ist, sich mithin der Abstand zwischen Leiter (11) und Turmwand im konischen Abschnitt des Turms vergrößert.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage mit einem konischen Abschnitt in Nähe des Ruhewasserspiegels dadurch gekennzeichnet, dass eine Leiter (11) im Bereich des konischen Abschnitts (9) entlang der Außenseite der Tragstruktur verläuft, dort aber nicht befestigt ist.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Konstruktionselemente, vorzugsweise zwei Stahlrohre, unterhalb eines Zugangs (13) mit dem Turm befestigt sind, sodann vom Turm weg verlaufen und dort ein Zugangspodest (12) tragen, dann nach unten verlaufen und eine Leiter tragen bzw. die beiden Holme einer Leiter (11) ausbilden, ohne in einem etwaigen konischen Bereich des Turms mit dem Turm verbunden zu sein, und weiter unten wieder mit dem Turm verbunden sind.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage mit einer Verbindung zwischen einem gerammten Pfahl (1) und einem oberen Turmteil (2), bei der sich zwei Stahlrohrabschnitte überlappen (7) und der Zwischenbereich vergossen (4) wird, dadurch gekennzeichnet, dass im mittleren Teil des Überlappungsbereichs Durchführungen für Kabel (6) vorgesehen werden, die an dieser Stelle in das Turminnere und dort weiter nach oben geführt werden.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich, in dem sich die beiden Stahlrohrabschnitte überlappen (7) und der Zwischenbereich vergossen (4) wird, unterhalb des Ruhewasserspiegels befindet.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Zugang (13) zum Turm der Anlage in einem Bereich oberhalb des Ruhewasserspiegels befindet, der bei einem Wellengang, wie er bei Wartungsbesuchen zu der Anlage mit dem Schiff regelmäßig vorkommt, von den Wellen im allgemeinen nicht erreicht wird, der sich aber innerhalb des Bereich befindet, der bei den größten für die Auslegung maßgeblichen Wellen vom Wellengang erreicht wird.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich zusätzlich eine weitere Plattform (15) zum Abstellen von Gegenständen oberhalb des Bereichs befindet, der bei den größten für die Auslegung maßgeblichen Wellen vom Wellengang erreicht wird.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich der Plattform (15) keine Türöffnung (24) in der Wand des Turms befindet, die einem mittelgroßen Menschen einen Durchlass ermöglichen würde.
Offshore-Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass der ursprüngliche Transformators (25) defekt ist und an seinem ursprünglichen Installationsort im Turminneren verblieben ist, und ein Ersatztransformator (26) außerhalb des Turms installiert wurde.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich der Plattform (15) mindestens eine Öffnung in der Wand des Turms befindet, die im Falle eines Defekts des Transformators (25) und der Aufstellung eines Ersatztransformators (26) auf der Plattform die Durchführung von Kabeln ermöglicht.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage mit einer außen am Turm angebrachten Plattform (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform bei Wellenschlag nach oben wegklappen kann.
Hilfsgegenstand (Rammhilfe; 53) zur Verbesserung des Rammvorgangs beim Rammens des konischen Pfahls (52) einer Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass dessen innere Form in etwa der Form der äußeren Seite des konischen Bereichs des Pfahls folgt, und seine Massenlängsverteilung so gewählt wird, dass – der Pfahl mit seiner nach oben abnehmenden Masse je Längeneinheit und – der Hilfsgegenstand mit seiner nach oben zunehmenden Masse je Längeneinheit zusammengenommen eine Massenverteilung je Längeneinheit aufweisen, die weniger variiert als die des Pfahls alleine.
Kombination aus einer Hilfsgegenstand nach dem vorstehenden Anspruch und dem konischen Pfahl einer Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum mit einem zähen, schlecht komprimierbaren Material (54) aufgefüllt ist, das während des Rammvorgangs Kräfte von dem Hilfsgegenstand auf den Pfahl überträgt.
Hilfsgegenstand (51) nach Anspruch 19 oder 20 mit konischem Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hilfsgegenstand der Stahlquerschnitts in dem konischen Bereich, in dem der Durchmesser nach oben hin abnimmt, nach oben hin zunimmt.
Tragstruktur einer Offshore-Windenergieanlage, die mehrere Merkmale der vorherigen Ansprüche kombiniert.