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Die Erfindung bezieht sich auf eine Standstruktur mit zumindest drei, um eine vertikale Mittelachse herum gleichmäßig angeordneten Standbeinen, die an ihren oberen Enden mit einem Auflagerelement zum Tragen einer Konstruktion, beispielsweise einer Windenergieanlage, und an ihren unteren Enden mit Fußelementen zur Verbindung mit einem Untergrund verbunden sind, und mit unteren Radialstreben, die mit ihren äußeren Enden in unteren Verbindungen mit den Standbeinen und mit ihren inneren Enden in einer gemeinsamen Verbindung auf der vertikalen Mittelachse mit den anderen unteren Radialstreben verbunden sind, wobei die unteren Verbindungen der unteren Radialstreben mit den Standbeinen bezüglich der vertikalen Mittelachse unterhalb der gemeinsamen Verbindung der unteren Radialstreben miteinander liegen, sowie mit weiteren Radialstreben.
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Standstrukturen, in Fachwerk-Ausführung auch als Gittermasten, räumliches Fachwerk oder Jackett-Struktur bezeichnet, können in Abhängigkeit von ihren Abmaßen große als auch kleine Konstruktionen tragen. Standstrukturen für große Konstruktionen, beispielsweise technische Bauten, in der Ausführungsform von Gründungsstrukturen, Tragwerken oder Aufständerungen werden in verschiedenen Anwendungen benötigt, beispielsweise zum Tragen von Energieanlagen, beispielsweise Offshore-Windenergieanlagen, Umspannwerken, beispielsweise in Form von aufgeständerten Trafostationen und Kabelknotenpunkten in Windenergieparks, Vorratsbehältern, Arbeitsplattformen, Signaleinrichtungen, Kränen, Türmen oder Masten. Je nach Anwendungsfall können die großen Standstrukturen auf dem Festland oder im Wasser auf dem Gewässerboden als Untergrund angeordnet sein. Bei einer Anordnung im Wasser können sie sich vollständig unter Wasser befinden oder auch teilweise (dauerhaft oder zeitweise) aus dem Wasser herausragen. Je nach Anwendungsfall können sie auch aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise Metall, Kunststoff oder Beton, mit ausschließlichem Einsatz oder auch aus einem Verbundmaterial, beispielsweise einem Faserverbund, oder einem Hybridmaterial, beispielsweise einer Kombination von Stahl mit Beton oder Kunststoff, bestehen und stark unterschiedliche Abmessungen aufweisen, wobei das Material und die Abmessungen an die herrschenden Druck- und Zugkräfte in der Standstruktur angepasst sind. Bei der Berechnung von Gittermasten kann die Ermittlung der Stabkräfte und Spannungen nach den klassischen Methoden der Fachwerksberechnung (Knotenpunktsverfahren oder Rittersches Schnittverfahren) oder durch eine Finite-Element-Berechnung erfolgen. Durch die überschaubaren Berechnungen ist insbesondere eine effektive Optimierung an auftretende Belastungen möglich. Fachwerk-Standstrukturen bestehen in der Regel aus Stahlprofilen, beispielsweise aus gleichschenkeligen L-Winkeln, oder aus Stahlrohren, die durch Schweißen oder Nieten oder auch durch spezielle Verbindungselemente miteinander verbunden werden. Vorteilhaft bei Fachwerk-Standstrukturen sind ihr geringes Gewicht und ihre geringe Herstellungs- und Montagekosten außerdem die bereits erwähnte effektive Optimierbarkeit.
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Eine Hauptanwendung für die vorliegend beanspruchte Standstruktur in einer großen Dimensionierung besteht in der Verwendung als Gründungsstruktur für eine Offshore-Windenergieanlage (OWEA). Dabei trägt die Standstruktur mit ihrem oberen Auflagerelement den Turm der OWEA. Der Hauptanteil bei den erneuerbaren Energien für eine Stromerzeugung besteht derzeit zu mehr als 40% aus Windenergie. Die Entwicklung von Windkraftanlagen schreitet schnell voran. Die Turmhöhen stiegen von 30 m auf 120 m, die Rotordurchmesser von 15 m auf 127 m. In den neu erschlossenen Höhen mit angestiegenen Windgeschwindigkeiten und vergrößerten Rotoren können Anlagen derzeit bis zu 6 MW Generatorleistung liefern. Die größeren Anlagen werden hauptsächlich als Offshore-Windenergieanlagen betrieben, da vor den Küsten genügend Stellplätze in unbewohnter Umgebung vorhanden und die Windgeschwindigkeiten noch höher sind. In Offshore-Gebieten herrschen aber gegenüber einer Landaufstellung grundsätzlich andere Verhältnisse, neben starken Windkräften treten vor allem auch starke Wellenkräfte auf. Es müssen für OWEA daher Anpassungen auch für die Standstrukturen gefunden werden, um den enormen Lasten standhalten zu können. Weiterhin ist bei Offshore-Gründungen aus Umweltschutzgründen bereits bei der Wahl der Gründungsart auf den kompletten Rückbau der Anlage nach deren Außerbetriebnahme zu achten. Es müssen dabei alle Teile der Anlage bis auf eine Tiefe von ca. 2–4 m unterhalb des Meeresbodens entfernt werden. Die Art der Gründungen von OWEAs ist sehr stark von der Wassertiefe, der Beschaffenheit des Meeresbodens und den Umweltbedingungen wie Strömungen, Tidenhub, Wellen, Eisgang etc. abhängig.
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Stand der Technik
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Aus der
US 4 818 145 A ist eine Standstruktur für eine Offshore-Plattform mit drei Standbeinen bekannt, von denen zwei von der Plattform zum Untergrund mit einem Öffnungswinkel zu einer vertikalen Mittelachse verlaufen. Zwischen jeweils zwei Standbeinen sind vier Hauptstreben angeordnet. Zwei Hauptstreben verlaufen horizontal, zwei schräg, ohne sich dabei jedoch eine gemeinsame Verbindung miteinander zu haben. Alle Hauptstreben verlaufen in der von den zwei Standbeinen aufgespannten Ebene. Über spezielle Verbindungselemente sind die Hauptstreben mit dem vertikalen Standbein höhenveränderlich verbunden. Die Verbindung mit dem anderen Standbein ist fest.
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Aus der
DE 103 16 405 A1 ist eine Standstruktur mit einem zentralen geraden Standbein bekannt, das durch mehrere Radialringe stabilisiert wird. Dabei werden die Radialringe durch reine Zugseile abgespannt, die zwischen den Radialringen und dem zentralen Standbein verlaufen. Zwischen den Radialringen ergeben sich Taillenbereich, in denen sich die Zugseile aber nicht kreuzen. Druckkräfte können von den Zugseilen nicht aufgenommen werden.
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Eine Standstruktur mit Taillenbereich ist aus der
WO 00/04251 A1 bekannt. Zur Unterstützung einer Windenergieanlage werden drei gekrümmte Standbeine eingesetzt, die in einem Taillenbereich über ein Koppelelement eine gemeinsame Verbindung miteinander haben und von dort nach oben und nach unten unter einem Öffnungswinkel zur vertikalen Mittelachse verlaufen. Streben sind nicht vorgesehen, vergleiche
13 ebenda. Die
WO 2010/000006 A1 zeigt eine ähnliche Standstruktur, wobei im oberen Bereich jeweils zwei gekrümmte Standbeine eine gemeinsame Verbindung miteinander haben, vergleiche
2 ebenda. Streben sind ebenfalls nicht vorgesehen. Aus der
US 2009/0249707 A1 ist eine komplexere Standstruktur bekannt, bei der der Taillenbereich aus zwei Y-förmigen, geknickten Grundelementen mit insgesamt drei geraden Standbeinen gebildet wird, die mit einer 180°-Verdrehung im Knickbereich und darüber und darunter mittels Streben gemeinsam miteinander verbunden sind. Alle Streben verlaufen horizontal in den von den Standbeinen gebildeten Ebenen. Zusätzlich verlaufen gekreuzte Zugseile in den Ebenen, der Mittenbereich bleibt frei, vergleiche
2 ebenda.
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In der
DE 196 36 240 A1 wird eine Standstruktur in Form eines Gittermasts für eine Hochspannungsfreileitung und ein Windrad mit vier geraden Standbeinen gezeigt, vergleiche
1 ebenda. Zwischen jeweils zwei benachbarten Standbeinen verlaufen jeweils zwei Hauptstreben, die eine gemeinsame Verbindung miteinander aufweisen. Zwischen den Standbeinen und den Hauptstreben verlaufen zusätzlich horizontale und schräge Hilfsstreben. Alle Streben verlaufen aber wiederum in den durch die Standbeine gebildeten Ebenen, der Mittenbereich bleibt frei, vergleiche
3, Schnitt B ebenda.
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Den der Erfindung nächstliegenden Stand der Technik zeigt die
DE 10 2010 015 761 A1 auf. Hieraus ist eine Standstruktur mit drei, um eine vertikale Mittelachse herum gleichmäßig angeordneten oberen Radialstreben bekannt, die im Lichte der vorliegenden Erfindung als Standbeine anzusehen sind. Dabei sind die Standbeine charakteristisch konvex gebogen. An ihren oberen Enden sind die Standbeine mit einem Auflagerelement zum Tragen einer Konstruktion, insbesondere einer Windenergieanlage, und an ihren unteren Enden mit Fußelementen zur Verbindung mit einem Untergrund verbunden. Zu jedem Standbein gehört eine untere Radialstrebe, die mit ihrem äußeren Ende in einer unteren Verbindung mit dem Standbein und mit ihrem inneren Ende in einer gemeinsamen Verbindung auf der vertikalen Mittelachse mit den anderen unteren Radialstreben verbunden ist. Dabei liegen die unteren Verbindungen bezüglich der vertikalen Mittelachse unterhalb der gemeinsamen Verbindung. Weiterhin sind bei der bekannten Standstruktur weitere Radialstreben vorgesehen. Diese sind aber als reine Zugelemente ausgebildet, vergleiche
1 ebenda, und dienen der Verhinderung des Ausknickens der Standbeine unter Last. Druckkräfte können von diesen Zugelementen nicht übertragen werden. Somit werden angreifende Kräfte in der Hauptsache über das jeweils angegriffene Standbein und die zugehörige untere Radialstrebe in den Untergrund eingeleitet. Es ergibt sich somit nicht immer eine gleichmäßige Spannungsverteilung in der Standstruktur. Dies kann insbesondere bei starken Lasten zu Instabilitäten führen.
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Aufgabenstellung
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Ausgehend von der oben beschriebenen, gattungsgemäßen Standstruktur ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung daher darin zu sehen, mit konstruktiven Mitteln eine möglichst gleichmäßige Belastung durch angreifende Kräfte zu erreichen und damit die Stabilität der Standstruktur noch weiter zu verbessern. Dabei sollen bestehende Vorteile der Standstruktur, insbesondere das geringe Gewicht, die moderaten Herstellungs- und Montagekosten und die günstigen Optimierungseigenschaften, erhalten bleiben und sogar verbessert werden. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
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Bei der erfindungsgemäßen Standstruktur sind die Standbeine gerade ausgebildet. Weiterhin sind erfindungsgemäß die weiteren Radialstreben mit ihren äußeren Enden in oberen Verbindungen mit den Standbeinen und mit ihren inneren Enden in der gemeinsamen Verbindung auf der vertikalen Mittelachse mit den anderen weiteren Radialstreben und mit den unteren Radialstreben verbunden sind, wobei die oberen Verbindungen der weiteren Radialstreben bezüglich der vertikalen Mittelachse oberhalb der gemeinsamen Verbindung der weiteren Radialstreben und der unteren Radialstreben miteinander liegen. Durch die gerade Ausbildung der Standbeine sind Zugelemente gegen Ausknicken nicht erforderlich. Vielmehr sind bei der erfindungsgemäßen Standstruktur weitere Radialstreben, die vor allem Druckkräfte aufnehmen und weiterleiten können, vorgesehen und nach Art der unteren Radialstreben angeordnet sind. Die gesamte Standstruktur weist genau eine gemeinsame Verbindung auf, in der sich weitere Radialstreben und untere Radialstreben treffen. Durch die gemeinsame Verbindung aller weiteren und unteren Radialstreben ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Standstruktur eine direkte, diagonale Verbindung gegenüberliegender Standbeine. Die angreifenden Kräfte werden nicht nur durch die primär belasteten, in der Regel der angreifenden Kraft, zum Beispiel Windkraft, gegenüberliegende Standbeine, sondern auch und vor allem durch die Standbeine auf der Seite der angreifenden Kraft aufgenommen. Dazu werden die Kräfte von der der angreifenden Kraft gegenüberliegenden Seite über die nächstliegenden weiteren Radialstreben in die gemeinsame Verbindung und von dort über mehrere untere Radialstreben in die Standbeine auf der Seite der angreifenden Kraft geleitet. Dadurch ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Standstruktur eine besonders gleichmäßige Verteilung der angreifenden Kräfte und Spannungen auf alle Standbeine. Bei herkömmlichen Standstrukturen kann es dazu kommen, dass das am meisten belastete Standbein auf der gegenüberliegenden Seite der angreifenden Kraft versagt, während die anderen Standbeine auf der Seite der angreifenden Kraft unterbelastet sind und abheben. Bei der erfindungsgemäßen Standstruktur sind ein sicherer Stand und eine Überbelastung durch die gleichmäßige Lastverteilung über die gemeinsame Verbindung sicher vermieden. Gleichzeitig weist die erfindungsgemäße Standstruktur ein besonders geringes Gewicht mit einer überschaubaren Stückliste der benötigten Einzelteile, die alle ohne Weiteres einfach im Handel erhältlich sind, und weiterhin eine besonders effektive Optimierbarkeit der Dimensionierung auf. Diese ergibt sich insbesondere durch die optimierte Lagebestimmung der einzelnen Verbindungen in Abhängigkeit von den auftretenden Belastungen.
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Daher kann bei der Standstruktur nach der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft die gemeinsame Verbindung der weiteren und unteren Radialstreben an einem in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen auf die Standstruktur vorbestimmten Ort auf der vertikalen Mittelachse zwischen den oberen Verbindungen der weiteren Radialstreben mit den Standbeinen und den unteren Verbindungen der unteren Radialstreben mit den Standbeinen angeordnet sein. Dieser Ort kann sich oberhalb oder unterhalb des Mittenbereichs der vertikalen Mittelachse der Standstruktur befinden, vorteilhaft und bevorzugt kann die gemeinsame Verbindung der weiteren und unteren Radialstreben auch genau im Mittenbereich der vertikalen Mittelachse angeordnet sein. Dadurch ergibt sich eine besonders gleichmäßige Lastverteilung. Weiterhin können bevorzugt und vorteilhaft die oberen Verbindungen der weiteren Radialstreben mit den Standbeinen und die unteren Verbindungen der unteren Radialstreben mit den Standbeinen an in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen auf die Standstruktur vorbestimmten Orten auf den Standbeinen oder auf den Radialstreben angeordnet sein. Dabei liegen die Verbindungen aber immer oberhalb bzw. unterhalb der gemeinsamen Verbindung aller weiteren und unteren Radialstreben. Je nach auftretender Belastung sind entweder die weiteren und/oder unteren Radialstreben an die Standbeine oder die Standbeine an die weiteren und/oder unteren Radialstreben angebunden. Desweiteren können die weiteren und/oder oberen Radialstreben auch in weiteren gemeinsamen Verbindungen mit den Standbeinen verbunden sein. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn vorteilhaft und bevorzugt die oberen Verbindungen der weiteren Radialstreben mit den Standbeinen direkt unterhalb des Auflagerelements und die unteren Verbindungen der unteren Radialstreben mit den Standbeinen direkt oberhalb der Fußelemente angeordnet sind.
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Weiterhin können bei der Standstruktur nach der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft die Fußelemente als Fußstreben ausgebildet sein, die mit einem in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen auf die Standstruktur vorbestimmten Öffnungswinkel zur vertikalen Mittelachse angeordnet sind. Durch diese Maßnahme kann die Standfläche der Standstruktur nach der Erfindung vergrößert werden, was zu einer weiteren Verbesserung der Standfestigkeit führt. Gleiches gilt für die Anordnung der Standbeine. Eine vertikale Aufstellung der Standbeine ist möglich, aber in der Regel eher unüblich. Bevorzugt und vorteilhaft ist eher eine Anordnung der Standbeine mit einem Öffnungswinkel zur vertikalen Mittelachse zwischen dem Auflagerelement und den Fußelementen. Weiterhin können die als Fußstreben ausgebildeten Fußelemente bevorzugt und vorteilhaft in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen auf die Standstruktur mit einer vorbestimmten Länge bemessen sein. Auch durch diese Maßnahme ergibt sich eine Veränderung, insbesondere eine Verbesserung der Standfläche. Weiterhin wird durch die Längenbemessung eine vertikale Verschiebung der unteren Verbindungen zwischen den unteren Radialstreben und den Standbeinen bewirkt. Zur weiteren Verbesserung der Stabilität der Standstruktur nach der Erfindung können bevorzugt und vorteilhaft zusätzliche Hilfstreben zwischen den Standbeinen und/oder den Radialstreben und/oder den Standbeinen und den Radialstreben angeordnet sein.
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Weitere Einzelheiten zu den variablen konstruktiven Möglichkeiten bei der Standstruktur nach der Erfindung sind dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.
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Ein besonderer Vorteil der Standstruktur nach der Erfindung besteht in ihrer einfachen Konstruktion, verbunden mit einer geringen Anzahl von herkömmlichen Konstruktionselementen. Hierbei kann es sich bevorzugt und vorteilhaft um schweiß- oder nietbare Stahlrohre oder Stahlprofile handeln, aus denen zumindest die Standbeine und Radialstreben bestehen. Entsprechend können dann bevorzugt und vorteilhaft die gemeinsame Verbindung der weiteren und unteren Radialstreben und die oberen Verbindungen der weiteren Radialstreben mit den Standbeinen und unteren Verbindungen der unteren Radialstreben mit den Standbeinen durch Schweiß- oder Nietverbindungen gebildet sein. Neben diesen unlösbaren Verbindungen können aber auch lösbare Verbindungen bei der Standstruktur nach der Erfindung vorgesehen sein. Vorteilhaft und bevorzugt können daher die gemeinsame Verbindung der weiteren und unteren Radialstreben und die oberen Verbindungen der weiteren Radialstreben mit den Standbeinen und unteren Verbindungen der unteren Radialstreben mit den Standbeinen durch lösbare Verbindungen mit Schraub- oder Steckverbindern gebildet sein. Bei Schraubverbindungen kann es sich um einfache Schrauben zur Direktverbindung der Konstruktionselemente oder aber um Platten o. ä. handeln, die mit Schrauben verbunden werden. Es kann sich aber auch um schuhartige Verbinder mit entsprechend der Anzahl der zu verbindenden Elemente vorhandenen Adapterenden handeln, die insbesondere Stahlrohre aufnehmen und so miteinander durch einfaches Stecken und anschließend sicherndes Schrauben, Schweißen oder Kleben verbinden.
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Eine Anpassung der Standstruktur nach der Erfindung an auftretende Lastfälle ist auch bezüglich der Anordnung der Standbeine möglich. Bevorzugt und vorteilhaft ist eine Anordnung der Standbeine in einzelnen Axialebenen zur vertikalen Mittelachse möglich. Die Standbeine verlaufen somit gerade und in verschiedenen Axialebenen zwischen Auflager- und Fußelementen. Alternativ kann auch bevorzugt und vorteilhaft vorgesehen sein, dass jeweils zwei benachbarte Standbeine einander zwischen dem Auflagerelement und den Fußelementen in einem Kreuzungsbereich kreuzend angeordnet sind, wobei jeweils zwei benachbarte Standbeine an dem Auflagerelement und an jedem Fußelement angreifen. Dabei kann bevorzugt und vorteilhaft der Kreuzungsbereich an einem in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen auf die Standstruktur vorbestimmten Ort entlang der vertikalen Mittelachse und/oder entlang von Radialachsen senkrecht zur vertikalen Mittelachse angeordnet sein. Die Standbeine verlaufen bei dieser Ausführungsform gekreuzt zueinander und bilden an den Seiten der Standstruktur X-förmige Strukturen, deren Schenkellängen von den auftretenden Lastfällen abhängen. Vorteilhaft bei einer derartigen X-förmigen Ausbildung der Standbeine ist deren erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen auftretende Torsionskräfte. Eine weitere Erhöhung der Standfestigkeit ergibt sich auch, wenn bevorzugt und vorteilhaft die Standbeine mit einem Öffnungswinkel zur vertikalen Mittelachse zwischen dem Auflagerelement und den Fußelementen angeordnet sind. Die Standbeine verlaufen dann nach Art eines Zelts mit einer Öffnung nach außen, wobei die Querschnittsfläche zwischen den Standbeinen im Bereich des Auflagerelements (Auflagerfläche) dann kleiner ist als im Bereich der Fußelemente (Standfläche). Ansonsten können die Standbeine auch senkrecht und damit parallel zueinander verlaufen, wobei dann im Bereich des Auflagerelements ein schräges Übergangselement vorgesehen ist.
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Weitere spezielle Details zu der Standstruktur nach der Erfindung sind dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen. Dabei ist die beanspruchte Standstruktur jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, in denen Ausführungsformen mit drei Standbeinen gezeigt werden. Andere Ausführungsformen, beispielsweise mit vier, fünf, sechs oder mehr Standbeinen sind aber ebenfalls analog ausführbar.
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Ausführungsbeispiele
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Die Standstruktur nach der Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen, nicht maßstäblichen Figuren zum weiterführenden Verständnis noch weitergehend erläutert. Im Einzelnen zeigt die
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1 eine perspektivische Ansicht der Standstruktur,
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2 eine Draufsicht auf die Standstruktur,
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3 eine erste Seitenansicht auf die Standstruktur,
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4 eine zweite Seitenansicht auf die Standstruktur,
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5A ... F verschiedene Variationen der Verbindungspositionierungen,
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6 die Standstruktur mit Hilfsstreben,
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7A ... E verschiedene Verbindungsvariationen für die Standstruktur,
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8A, B Annahmen für Lastfälle,
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9A ... C Spannungsverteilungen für drei verschiedene Lastfälle und
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10A, B zwei Ansichten einer weiteren Standbeinanordnung.
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Die 1 zeigt in der perspektivischen Darstellung eine Standstruktur 01 mit drei Standbeinen 02, die gleichmäßig um eine vertikale Mittelachse 03 herum angeordnet sind. Die Standbeine 02 sind gerade ausgebildet und können daher einfach aus einem geraden Stahlprofil oder Stahlrohr hergestellt werden. Kräfte werden direkt durch die geraden Standbeine in der Wirkung von Stäben hindurchgeleitet. Eine Ausknickgefahr besteht nicht. An ihren oberen Enden 04 sind die Standbeine 02 mit einem Auflagerelement 05 verbunden. Diese dient dem Tragen einer technischen Konstruktion, beispielsweise einer Windenergieanlage. An ihren unteren Enden 06 sind die Standbeine 02 mit Fußelementen 07 verbunden. Diese dienen der Gründung der Standstruktur 01 mit oder in einem Untergrund 08 und sind der gezeigten Ausführungsform als längliche Fußstreben 20 ausgebildet. Weiterhin weist die Standstruktur 01 je Standbein 02 eine untere Radialstrebe 09 auf. Diese ist mit ihrem äußeren Ende 10 in einer unteren Verbindung 11 mit dem Standbein 02 und mit ihrem inneren Ende 12 in einer gemeinsamen Verbindung 13, die auf der vertikalen Mittelachse 03 liegt, mit den anderen unteren Radialstreben 09 verbunden. Dabei liegen die unteren Verbindungen 11 der unteren Radialstreben 09 bezüglich der vertikalen Mittelachse 03 unterhalb der gemeinsamen Verbindung 13 aller unterer Radialstreben 09 (dünne Pfeile).
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Weiterhin ist jedem Standbein 02 auch eine weitere Radialstrebe 14 zugeordnet. Diese ist mit ihrem äußeren Ende 15 in einer oberen Verbindung 16 mit dem Standbein 02 und an ihrem inneren Ende 17 in der gemeinsamen Verbindung 13 auf der vertikalen Mittelachse 03 mit den anderen weiteren Radialstreben 14 und den unteren Radialstreben 09 verbunden. Dabei liegen die oberen Verbindungen 16 der weiteren Radialstreben 14 mit den Standbeinen 02 bezüglich der vertikalen Mittelachse 03 oberhalb der gemeinsamen Verbindung 13 der weiteren Radialstreben 14 mit den unteren Radialstreben 09 (dünne Pfeile). Es ergibt sich im Erscheinungsbild bei der Erfindung eine harmonische Standstruktur 01 mit drei Standbeinen 02 und sechs Radialstreben (drei untere Radialstreben 09, drei weitere Radialstreben 14, je Standbein 02 genau zwei Radialstreben 09, 14), die von den oberen Enden 04 und den unteren Enden 06 der Standbeine 02 loslaufen und sich alle in der gemeinsamen Verbindung 13 auf der vertikalen Mittelachse 03 treffen.
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In der 1 ist weiterhin ein Lastfall eingezeichnet (dicke Pfeile). Greift beispielsweise eine Windlast 18 an den Mast 19 (gestrichelt) einer Windenergieanlage an, so wird die Kraft primär durch die weitere Radialstrebe 14 bis zur gemeinsamen Verbindung 13 geleitet und von dort auf zwei untere Radialstreben 09 weitergeleitet. Diese leiten die Kräfte dann über die hinteren Standbeine 02 (in der 1 rechts) und die Fußelemente 07 ebenfalls in den Untergrund 08. Ein kleinerer Anteil der wirkenden Kraft (kleine Pfeile) wird auch durch das vordere Standbein 02 (in der 1 links) in den Untergrund 08 eingeleitet. Im herkömmlichen Fall (ohne die gemeinsame Verbindung 13 auf der vertikalen Mittelachse 03 aller weiteren Radialstreben 14 und unteren Radialstreben 09) würde die gesamte Last auf das vordere (in der 1 links) Standbein 02 geleitet werden. Die anderen beiden Standbeine 02 (in der 1 rechts) blieben weitgehend unbelastet und würden ggfs. sogar abheben, wohingegen das vordere Standbein 02 instabil werden und ausknicken könnte. Damit wäre die gesamte Stabilität der Standstruktur 01 gefährdet. Bei der Standstruktur 01 nach der Erfindung (mit der gemeinsamen Verbindung 13 auf der vertikalen Mittelachse 03 aller weiteren Radialstreben 14 und unteren Radialstreben 09) wird nun die angreifende Kraft relativ gleichmäßig auf alle Standbeine 02 verteilt. Insbesondere werden auch die Standbeine 02 belastet, die auf der Seite des Kraftangriffs liegen (in der 1 rechts), wodurch das vordere Standbein 02 (in der 1 links) entlastet wird. Dadurch wird die Stabilität der Standstruktur 02 nach der Erfindung wesentlich verbessert, ein Abheben oder Ausknicken einzelner Standbeine 02 ist sicher vermieden.
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In der 2 ist die Standstruktur 01 gemäß 1 in der Draufsicht dargestellt. Zu erkennen sind das Auflagerelement 05 und die unteren Enden 06 der Standbeine 02 mit den Fußelementen 07 bzw. Fußstreben 20. In der Draufsicht ist die gleichmäßige Anordnung der drei Standbeine 02 in Axialebenen 38 um die vertikale Mittelachse 03 zu erkennen. Zwischen zwei Standbeinen 02 ist jeweils ein Winkel 32, bei drei Standbeinen 02 entsprechend 120°, eingeschlossen. Durch eine Öffnung 21 im Auflagerelement 05, in die beispielsweise der Mast 19 einer Windenergieanlage eingesteckt und fixiert wird, sind weiterhin die weiteren Radialstreben 14 abschnittsweise dargestellt. Zu erkennen ist, dass sie durch die direkte Zuordnung zu den Standbeinen 02 ebenfalls den Winkel 32 (hier 120°) zwischeneinander einschließen. Die weiteren Radialstreben 14 (und auch unteren Radialstreben 09) liegen somit jeweils in der von jedem Standbein 02 zur vertikalen Mittelachse 03 aufgespannten Ebene.
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In der 3 ist die Ansicht A gemäß 2 als Seitenansicht der Standstruktur 01 dargestellt. Zu erkennen sind zwei Standbeine 02 mit jeweils einer unteren Radialstrebe 09 und einer weiteren Radialstrebe 14. Weiterhin sind das Auflagerelement 05 und die Fußelemente 07 bzw. Fußstreben 20 dargestellt. Dargestellt sind ebenfalls die unteren Verbindungen 11 der unteren Radialstreben 09 und die oberen Verbindungen 16 der weiteren Radialstreben 14 mit den Standbeinen 02. Alle unteren und weiteren Radialstreben 09, 14 treffen sich in der gemeinsamen Verbindung 13 auf der vertikalen Mittelachse 03. Die gemeinsamen Verbindung 13 kann beispielsweise durch Schweißen von Stahlrohren als Radialstreben erfolgen. Die Schraffur der weiteren Radialstrebe 14 und der unteren Radialstrebe 09 zeigt die primäre Lastverteilung gemäß 1 in den Streben.
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In der 4 ist die Ansicht B gemäß 3 als weitere Seitenansicht der Standstruktur 01 dargestellt. Zu erkennen sind zwei Standbeine 02, wobei diese unter einem Öffnungswinkel 22 zur vertikalen Mittelachse 03 verlaufen, also schräg stehen. Dadurch wird die Standfestigkeit der Standstruktur 01 verbessert. Weiterhin sind alle drei unteren Radialstreben 09 und alle drei weiteren Radialstreben 14 dargestellt. Alle Radialstreben 09, 14 sind in der gemeinsamen Verbindung 13 miteinander verbunden. Die Schraffur zeigt wiederum die primäre Lastübertragung gemäß 1 an. Gut zu erkennen ist, dass sich die über die mittlere weitere Radialstrebe 14 eingeleitete Kraft gleichmäßig über die gemeinsame Verbindung 13 auf die beiden äußeren unteren Radialstreben 09 verteilt.
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Bereits weiter oben wurde ausgeführt, dass die Standstruktur 01 nach der Erfindung aufgrund ihrer Einfachheit besonders einfach an alle Lastfälle, also alle auftretenden Belastungen auf die Standstruktur 01 anpassbar ist. Insbesondere kann diese Anpassung – neben einer absoluten Bemessung der Längen und Durchmesser (Wanddicke) der beteiligten Konstruktionselemente auch durch die Positionierung der Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Konstruktionselementen in Relation zur vertikalen Mittelachse 03 erfolgen (relative Bemessung der Längen), siehe hierzu die 5A bis 5F. Diese zeigen schematisch die vertikale Mittelachse 03, ein Standbein 02 mit Fußstrebe 20, eine untere Radialstrebe 09, eine weitere Radialstrebe 14, das obere Auflagerelement 06 und den unteren Untergrund 08. Die gezeigten Positionierungen der Verbindungen für ein Standbein 02 mit zugehöriger weiterer Radialstrebe 14 und unterer Radialstrebe 09 sind analog auf alle anderen Standbeine 02 der Standstruktur 01 zu übertragen. Eine unterschiedliche Positionierung gleicher Verbindungen an unterschiedlichen Standbeinen 02 ist zwar prinzipiell möglich, wäre aber nur für sehr spezielle, konstant einseitige Lastfälle sinnvoll und damit in der Regel nicht praktikabel.
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In der 5A ist schematisch (alle 5A bis F zeigen die Elemente nur als Strichlinien schematisch) angedeutet, dass die obere Verbindung 16 zwischen der weitern Radialstrebe 14 und dem Standbein 02 entlang des äußeren Endes 15 der Radialstrebe 14 positionierbar ist. Das Standbein 02 endet dann auf der Radialstrebe 14. Analog dazu zeigt die 5B, dass die obere Verbindung 16 zwischen weiterer Radialstrebe 14 und Standbein 02 auch entlang des oberen Endes 04 des Standbeins 02 positionierbar ist. Die weitere Radialstrebe 14 endet dann auf dem Standbein 02. Grundsätzlich kann die gemeinsame Verbindung 16 von weiterer Radialstrebe 14 und Standbein 02 auch direkt am Auflagerelement 05 angreifen, sodass die weitere Radialstrebe 14 und das Standbein 02 gemeinsam mit dem Auflagerelement 05 verbunden sind, was in den anderen Figuren dargestellt ist.
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Die 5C zeigt die Positionierbarkeit der unteren Verbindung 11 zwischen Standbein 02 und unterer Radialstrebe 09 entlang des äußeren Endes 10 der unteren Radialstrebe 09. Das Standbein 02 endet dann auf der unteren Radialstrebe 09. Analog zeigt die 5D die Positionierbarkeit der unteren Verbindung 11 zwischen Standbein 02 und unterer Radialstrebe 09 entlang des unteren Endes 06 des Standbeins 02. Die untere Radialstrebe 09 endet dann auf dem Standbein 02. Das Positionieren der unteren Verbindung 11 auf das Ende der Fußstrebe 20 ist ebenfalls möglich. Standbein 02 und untere Radialstrebe 09 enden dann in einer gemeinsamen unteren Verbindung 11 an der Fußstrebe 20, gezeigt in den anderen Figuren außer 5C.
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Die 5E zeigt die veränderliche Winkelpositionierbarkeit der Fußstrebe 20 um den Winkel 33 zur vertikalen Mittelachse 03 auf dem Untergrund 08. Die 5F zeigt die höhenveränderliche Positionierbarkeit eines Ortes 35 der gemeinsamen Verbindung 13 der weiteren Radialstrebe 14 mit der unteren Radialstrebe 09 entlang der vertikalen Mittelachse 03 auf der Höhe 34. Eine Positionierung des Ortes 35 der gemeinsamen Verbindung 13 in einem Mittenbereich 23 der vertikalen Mittelachse 03 ist möglich. Außerdem ist eine veränderliche Höhenpositionierbarkeit der unteren Verbindung 11 zwischen der unteren Strebe 09 und dem Standbein 02 durch eine Variation der Länge 35 der Fußstrebe 20.
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Die 6 zeigt die Standstruktur 01 nach der Erfindung mit zusätzlichen Hilfsstreben 24, die der weiteren Verbesserung der Stabilität dienen. Dabei sind alle möglichen Hilfsstreben 24 eingezeichnet, die in einer konkreten Ausführung nicht unbedingt alle gemeinsam zur Ausführung kommen müssen. Die Anzahl der Hilfsstreben ist – wie die Anzahl der Standbeine – von den Lastfallberechnungen abhängig. Die Hilfsstreben 24 sind zwischen den Standbeinen 02, zwischen den weiteren Radialstreben 14, zwischen den unteren Radialstreben 09, zwischen den weiteren Radialstreben 14 und den unteren Radialstreben 09 und zwischen den weiteren Radialstreben 14 und den Standbeinen 02 bzw. zwischen den unteren Radialstreben 09 und den Standbeinen 02 eingezeichnet. Je nach Belastung können die Hilfsstreben 24 als Zug-Druck-Stäbe aber auch als reine Zugstäbe oder reine Druckstäbe ausgebildet sein.
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In der 7A sind das Standbein 02 und die untere Radialstrebe 09 als Stahlprofile 25 dargestellt. Die untere Verbindung 11 zwischen Standbein 02 und unterer Radialstrebe 09 ist als Schweißverbindung 26 dargestellt. Die 7B zeigt die Verbindung 11 als Nietverbindung 27. Die 7C zeigt die Verbindung durch Laschen 28. In der 7D sind das Standbein 02 und die untere Radialstrebe 09 als Stahlrohre 29 ausgeführt. Gezeigt ist eine Schweißverbindung 30. In der 7E ist hingegen eine Verbindung mit einem Steckverbinder 31 aufgezeigt, diese weist verschiedene Adapterenden 41 auf, in die die Standbeine 02 und weiteren und unteren Radialstreben 09, 14 eingeschoben und befestigt werden. Alle genannten Verbindungsarten sind entsprechend auf Stahlprofile und Stahlrohre und auf alle Verbindungen in der Standstruktur 01 anwendbar.
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In der nachfolgend aufgezeigten Tabelle sind drei Lastfälle LF1, LF2, LF3 für den Lastangriff einer Kraft F bzw. eines Moments M aus unterschiedlichen Richtungen x, y, z auf das Auflagerelement
05 bzw. den Mast
19 aufgezeigt, vergleiche
8A,
8B. Dabei sind die zugrunde gelegten Zahlenwerte für die angreifenden Kräfte angenommene Werte. Die Krafteinleitung erfolgt an einem eingespannten Auflagerelement ca. 48 m über dem Meeresboden. Die Fußelemente haben einen Abstand von ca. 24 m zueinander. Diese Abmaße ergeben sich beispielsweise bei einer Offshore-Gründungsstruktur für eine ca. 3,5 MW Windenergieanlage. Die nach der Finiten-Element-Methode berechneten Spannungsverteilungen sind in den
9A,
9B,
9C für die verschiedenen Lastfälle LF1, LF2, LF3 mit einem Lastangriff der Kraft F dargestellt. Die aufgezeigte Skala (N/mm
2) zeigt eine Spannungsverteilung von gering (weiß) und Grautöne bis stark (schwarz). Deutlich ist die bei der Erfindung spezielle Lastverteilung über die unteren Radialstreben
09 in die Fußelemente
07 zu erkennen.
| Lastfall Last | Lastfall LF1 Max. Moment 0° | Lastfall LF2 Max. Moment 90° | Lastfall LF3 Max. Moment 180° |
| Fx [kN] | 600 | 0 | –600 |
| Fy [kN] | 0 | 600 | 0 |
| Fz [kN] | –4.000 | –4.000 | –4.000 |
| Mx [kNm] | 0 | –100.000 | 0 |
| My [kNm] | 100.000 | 0 | –100.000 |
| Mz [kNm] | 2.000 | 2.000 | 2.000 |
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In der 4 ist eine ungekreuzte Anordnung der Standbeine 02 in Axialebenen 38 zur vertikalen Mittelachse 03 dargestellt, die unter einem Öffnungswinkel 22 verlaufen. Die 10A, B zeigen alternativ eine Anordnung mit gekreuzten Standbeinen 02 in zwei Ansichten für verbesserte Torsionsfestigkeit. In der 10A sind in der perspektivischen Draufsicht drei Paare von jeweils zwei Standbeinen 02 aufgezeigt, die sich in einem Kreuzungsbereich 39 kreuzen. An den Auflagerelementen 05 und den Fußelementen 07 schließen jeweils zwei Standbeine 02 an. Die Kreuzungsbereiche 39 sind sowohl entlang der vertikalen Mittelachse 03 axial als auch entlang von Radialachsen 40, die senkrecht zu der vertikalen Mittelachse 03 verlaufen, in Abhängigkeit von den auftretenden Lastfällen anordenbar. Gezeigt sind schräg verlaufende Standbeine 02 (gemäß 4). Bei einer Verschiebung der Kreuzungsbereiche 39 entlang der Radialachsen 40 kommt es zu entsprechenden Veränderungen der Auflagerfläche zwischen den Auflagerelementen 05 oder der Standfläche zwischen den Fußelementen 07 der Standstruktur 01. Weiterhin sind die unteren Radialstreben 09, die weiteren Radialstreben 14 und die gemeinsame Verbindung 13 aller unteren und weiteren Radialstreben 09, 14 zu erkennen. Die 10B zeigt die Standstruktur gemäß 10A in einer Draufsicht. Zu erkennen sind die Elemente gemäß 10A.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Standstruktur
- 02
- Standbein
- 03
- vertikale Mittelachse
- 04
- oberes Ende von 02
- 05
- Auflagerelement
- 06
- unteres Ende von 02
- 07
- Fußelement
- 08
- Untergrund
- 09
- untere Radialstrebe
- 10
- äußeres Ende von 09
- 11
- untere Verbindung von 09 mit 02
- 12
- inneres Ende von 09
- 13
- gemeinsame Verbindung
- 14
- weitere Radialstrebe
- 15
- äußeres Ende von 14
- 16
- obere Verbindung von 14 mit 02
- 17
- inneres Ende 14
- 18
- Windlast
- 19
- Mast
- 20
- Fußstrebe
- 21
- Öffnung in 05
- 22
- Öffnungswinkel von 02 zu 03
- 23
- Mittenbereich von 03
- 24
- Hilfsstrebe
- 25
- Stahlprofil
- 26
- Schweißverbindung
- 27
- Nietverbindung
- 28
- Lasche
- 29
- Stahlrohr
- 30
- Schweißverbindung
- 31
- Steckverbinder
- 32
- Winkel zwischen zwei 02 bzw. zwei 09 bzw. zwei 14
- 33
- Winkel zwischen 20 und 03
- 34
- Höhe von 13 über 08
- 35
- Länge von 20
- 36
- Ort von 13 auf 03
- 37
- Ort von 16, 11
- 38
- Axialebene zu 03
- 39
- Kreuzungsbereich von 02
- 40
- Radialachse senkrecht zu 03
- 41
- Adapterende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4818145 A [0004]
- DE 10316405 A1 [0005]
- WO 00/04251 A1 [0006]
- WO 2010/000006 A1 [0006]
- US 2009/0249707 A1 [0006]
- DE 19636240 A1 [0007]
- DE 102010015761 A1 [0008]
