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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Errichten einer Schwergewichtsgründung für eine Offshore-Windkraftanlage nach Patentanspruch 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schwergewichtsgründung für eine Windkraftanlage nach Anspruch 5.
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Gründungssysteme für Windkraftanlagen (WKA), die offshore errichtet werden, unterscheiden sich in Flach- und Pfahlgründungen. Im letzteren Fall werden eine oder mehrere Pfähle in den Meeresboden eingetrieben zur Abstützung des Turms einer WKA. Im ersteren Fall wird ein sogenanntes Schwergewichtsfundament verwendet, das auf dem Meeresboden abgesetzt wird. Das Schwergewichtsfundament besteht in der Regel aus einem Schwergewichts- oder Basiskörper und einem auf diesem angeordneten Schaft. Der Schaft ist entweder gleichzeitig Turm der WKA oder dient zur Abstützung des Turms der WKA.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Schwergewichtskörper eines Schwergewichtsfundaments in den Meeresboden einzuspülen, vorzugsweise derart, dass seine Oberseite in Höhe des Meeresbodenniveaus zu liegen kommt. Das Einspülen der Schwergewichtsfundamente in den Meeresboden mit Hilfe von Druckwasser hat etliche Vorteile, auf die hier im Einzelnen nicht eingegangen werden soll. In jedem Fall verfolgt die Herstellung einer plangemäßen Gründungsebene ein Lösen und Verflüssigen des Bodens unter dem Fundament. Durch das Gewicht des Schwergewichtsfundaments wird der gelöste Boden seitlich verdrängt und bei Anordnung einer sogenannten Kolkschutzmatte am Rand des Schwergewichtskörpers unter diese verlagert. Durch Wasserinjektion wird ein Porenwasserüberdruck aufgebaut, der die Scherfestigkeit des Bodens herabsetzt, so dass das Bodenwassergemisch unter dem Gewicht des Fundaments verdrängt wird und das Fundament einsinken kann. Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens lässt sich auch feinkörniger Boden mit verhältnismäßig hoher Festigkeit, zum Beispiel Mergel oder Kreide, mit Hilfe von Hochdruckdüsenanordnungen unter der Fundamentsole lösen. Der Druck des Wasserstrahls beträgt bis zu 700 bar und wird gegebenenfalls mit Druckluft kombiniert. Befinden sich hingegen größere Steine oder Findlinge im Untergrund, muss entweder eine andere Position gewählt oder eine andere Lösung gefunden werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Errichten einer Schwergewichtsgründung anzugeben, das auch bei Meeresböden, in denen Steine oder Findlinge anzutreffen sind, durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des neuen Anspruchs 1 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird vor dem Aufsetzen des Schwergewichtskörpers auf dem Meeresboden die Weichschicht mit einem Wasserinjektionsverfahren umgelagert. Anschließend wird eine Kiesschicht aufgebracht, beispielsweise in einer Dicke von 1 bis 2 m. Auf diese Giesschüttung wird der Schwergewichtskörper, vorzugsweise ein Ringkörper in Schalenform, aufgesetzt. Aufgrund des Gewichts des Schwergewichtskörpers und gegebenenfalls der mit ihm bereits verbundenen WKA und der gezielt vorgenommenen Bodenverflüssigung wird der Schwergewichtskörper in die Kiesschicht eingesenkt in eine leicht erhöhte Gründungsebene.
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Das Fluidisieren mittels Hochdruckdüsen, erfolgt nach einer Ausgestaltung der Erfindung im Bereich der Sohle des Schwergewichtskörpers, wobei die Zuleitung von Fluid unter Druck zu den Düsen über mindestens eine Leitung in einer hohlen Stütze des gitterförmigen Schafts der WKA erfolgt, die mit dem Schwergewichtskörper verbunden ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Düsen sektionsweise angesteuert, um einem ungleichmäßigen Absenken entgegenzuwirken.
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Wie schon erwähnt, ist der Schwergewichtskörper vorzugsweise ein trogförmiges Ringfundament. Dieses wird nach dem Einsenkvorgang zur Ballastierung mit hohlraumreichen Gesteinsmengen aufgefüllt. In der Fundamentssohle können mehrere rohrförmige Öffnungen vorgesehen sein, die die sonst möglichen Ausbildungen von Gasblasen (Methan), von Porenwasserüberdrücken und Bodenverflüssigung infolge zyklischer Einwirkungen aus Wellen, Strömung und Wind vermeiden. Diese Öffnungen werden durch die Ballastierung teilweise abgedeckt, jedoch nicht verschlossen. Falls zweckmäßig oder zur stabilen Abdeckung der Öffnungen in der Fundamentssohle erforderlich, wird in die Fundamenttröge eine ca. 1 m dicke Grobkiesanlage eingefüllt. Die Einbringung des Grobkiesels und von Gesteinsmengen erfolgt mit Hilfe von Spezialschiffen, die das Material über Fallrohre in die Trogräume des Fundaments einbringen.
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Nach einer weiteren Aufgabe der Erfindung soll ein Verfahren zur Herstellung einer Schwergewichtsgründung für eine Windkraftanlage angegeben werden, das mit einem minimalen logistischen Aufwand durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Ringkörper aus Beton auf einem Ponton im Bauhafen oder an Land erstellt. Der Ringkörper ist vorzugsweise schalen- oder trogförmig, wobei einzelne Trog- oder Schalenabschnitte durch Querwandungen voneinander getrennt sind, um den Ringkörper stabiler zu halten. Nach Herstellung des Ringkörpers wird dieser auf die Hafensohle abgesenkt. Ein gitterförmiger Schaft wird liegend hergestellt. Die Herstellung erfolgt ebenfalls auf einem Ponton oder an Land. Der gitterförmige Schaft wird anschließend aufgerichtet und mit seinen Stützen in vorgegebene Öffnungen des Ringkörpers eingesetzt und gesichert. Die Sicherung erfolgt vorzugsweise kraftschlüssig, beispielsweise durch eine geeignete Klemmverbindung, die später wieder gelöst werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die WKA zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgebaut werden kann, während der Ringkörper am Meeresboden verbleibt.
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Auf den Schaft wird am oberen Ende mindestens ein Deck, vorzugsweise zwei in der Höhe beabstandete Decks montiert, und auf einem oder beiden Decks wird ein Turm für die WKA aufgebaut. Gondel und Rotor der WKA werden am Turm montiert. Die hergestellte Einheit wird mittels eines speziellen Transportschiffs zum Standort transportiert, wo sie auf den Meeresboden abgesenkt wird. Mittels eines Düsensystems am Ringkörper, vorzugsweise in seiner Sohle, wird der Boden unter der Sohle des Ringkörpers fluidisiert und das fluidisierte Material wird zur Seite hin verlagert, wobei der Ringkörper in eine vorgegebenen Tiefe einsinkt.
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Der Ringkörper ist vorzugsweise mit rohrförmigen Beinen versehen, die über die Sohle nach unten überstehen. Sie werden entweder nach dem Absetzen des Ringkörpers auf die Hafensohle oder auch später in einer größeren Wassertiefe eingebaut. Sie können ebenfalls über eine geeignete kraftschlüssige Verbindung mit dem Ringkörper verbunden werden.
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Mit den rohrförmigen Beinen wird eine kombinierte Pfahl-Plattengründung erhalten, wobei zwischen den rohrförmigen Beinen (Gründungsrohren) und der Platte des Ringkörpers eine Interaktion mit dem Untergrund bewirkt wird. Die vertikalen Lasten werden im Wesentlichen durch Sohlenpressung auf ausreichend tragfähigem ebenen Baugrund abgetragen, wohingegen die horizontalen Schubkräfte weitgehend durch die beschriebenen Gründungsrohre in den Baugrund abgetragen werden. Die Gründungsrohre können nur geringe vertikale Lasten übernehmen. Länge und Querschnitt der Gründungsrohre sind naturgemäß von den Bodenverhältnissen abhängig. Sie reichen zum Beispiel bis 4 m unter die Sohle des Ringkörpers und haben zum Beispiel einen Durchmesser von 3 m.
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Die erfindungsgemäßen Verfahren sollen nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben werden.
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1 zeigt perspektivisch einen Ringkörper für ein Fundament einer Windkraftanlage.
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2 zeigt schematisch das Einfüllmaterial des Ringkörpers nach 1.
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3 zeigt die Herstellung des Ringkörpers nach 1 auf einem Ponton.
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4 zeigt das Absetzen des Ringkörpers auf einer Hafensohle.
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5 zeigt die Herstellung eines gitterförmigen Schafts für die Windkraftanlage.
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6 zeigt den Einbau des Schaftes in den Ringkörper.
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7 zeigt die Anbringung von zwei Decks auf dem Schaft und den Aufbau eines Turms für die Windkraftanlage.
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8 zeigt den Einbau von Winden und einer Traverse für die Gondeln der Windkraftanlage.
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9 zeigt den Abtransport der kompletten Windkraftanlage mit einem Transportschiff.
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10 zeigt den Einbau von Stützbeinen in den Ringkörper bei größerer Wassertiefe.
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11 zeigt die Vorbereitung des Einsatzortes der Windkraftanlage.
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12 zeigt den Transport der Windkraftanlage mit dem Transportschiff zum Einsatzort.
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13 zeigt das Absetzen der Windkraftanlage auf den Meeresboden.
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14 zeigt die Befüllung des Ringkörpers mit Ballastmaterial.
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15 zeigt die Befüllung von Wassersäcken mit Wasser in der Windkraftanlage.
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16 zeigt das Aufhöhefahren der Gondeln mit den Rotoren am Turm.
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17 zeigt eine Draufsicht auf den Ringkörper und den gitterförmigen Schaft.
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1 zeigt einen schalenförmigen Ringkörper 10 für ein Schwergewichtsfundament einer Offshore-Windkraftanlage. Der Ringkörper ist aus Beton und in vier Schalenabschnitte 12 unterteilt, wobei die Unterteilung durch ausgefüllte Stege 14 erfolgt, in denen jeweils größere Öffnungen 16 und radial außen liegend kleinere Öffnungen 18 geformt sind (siehe auch 17). In die Schalenabschnitte 12 werden Segmente 20 aus Ballastmaterial eingesetzt, wie sie in 2 angedeutet sind.
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In 3 ist dargestellt, wie auf einem Ponton 22, der neben einer Pier im Bauhafen schwimmt, der Ringkörper 10 hergestellt worden ist. Dies geschieht durch Errichten einer geeigneten Schalung, die anschließend mit Beton gefüllt wird. Die äußeren Schalungselemente können mit dem Ringkörper 10 verbunden sein, während die innere Schalungskonstruktion nach dem Betonieren herausgehoben werden kann. Der Ponton 22 ist gegebenenfalls absenkbar. Beim Absenken des Pontons schwimmt das Ringfundament auf, wobei gegebenenfalls zur Erhöhung der Schwimmfähigkeit die Seitenwände temporär erhöht werden können. Am Rand des Ringkörpers 10 ist eine Kolkschutzmatte 24 aus einem geeigneten mehr oder weniger flexiblen Material angebracht.
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In 4 ist dargestellt, wie der Ringkörper 10 mit Hilfe eines Krans (gegebenenfalls mit zwei Kränen) vom Ponton 22 abgehoben und auf die Hafensohle aufgesetzt wird. Der Ponton 22 wird fortbewegt.
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Gegebenenfalls auf einem Ponton 26 wird ein gitterförmiger Mast oder Schaft erstellt, der hier im Quadrat angeordnete rohrförmige Stützen 28 aufweist, die durch Querstäbe 30 miteinander verbunden sind. Wie in 6 gezeigt, wird der Schaft 32 in die Vertikale angehoben, wobei, was nicht gezeigt ist, der Ponton 26 mit einer geeigneten Kippvorrichtung ausgestattet sein kann. Mit Hilfe eines Krans 36 wird der Schaft 32 mit den Stützbeinen 28 in die Öffnungen 16 (1, 17) eingesetzt. Dort erfolgt eine kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise durch eine geeignete nicht dargestellte Klemmkonstruktion. Letztere ermöglicht den späteren Ausbau des Schaftes 28 nach Abbau der Windkraftanlage.
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Wie in 5 dargestellt, kann der gitterförmige Schaft auch an Land hergestellt werden. In 7 ist zu erkennen, wie auf die oberen Enden der Stützbeine 28 des Schaftes 32 zwei in der Höhe beabstandete Decks 38, 40 montiert werden, wobei ein Turm 42 für die Windkraftanlage in geeigneter Weise auf den Decks 38, 40 angeordnet ist. Die Lagerung kann elastisch sein, um einer Neigung der Einheit bei Setzungen oder sonstigen Vorgängen zu kompensieren. Dies ist im Einzelnen jedoch nicht dargestellt. Der Turm 42 weist am oberen Ende eine Plattform 44 auf. In 8 ist zu erkennen, wie von der Plattform 44 Seile 46 herunterhängen zu einer Traverse 48, die eine mittlere Öffnung aufweist, durch die sich der Turm 42 hindurch erstreckt. Die Traverse 48 hängt an den Seilen 46. Auf dem unteren Deck 48 sind mehrere Wassersäcke 50 gefaltet gestapelt.
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In 9 ist dargestellt, wie an der Traverse 48 an den Enden jeweils eine Gondel 52, 54 montiert ist mit jeweils einem Rotor 56, 58, der zwei Flügel aufweist. In 9 ist ferner dargestellt, wie ein Spezialtransportschiff die gesamte Einheit der Windkraftanlage aufnimmt und mittels Litzenheber von der Hafensohle anzuheben imstande ist.
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In 10 ist dargestellt, wie die Einheit der Windkraftanlage nach 9 in größerer Wassertiefe auf den Meeresboden abgesenkt ist, um Gründungsrohre oder -beine 62 in die Öffnungen 18 (1, 17) einzusetzen. Die Gründungsrohre 62 ragen einige Meter über die Sohle des Ringkörpers 10 nach unten und werden mit Hilfe geeigneter kraftschlüssiger Verbindungen in den Öffnungen gesichert. Es versteht sich, dass die Gründungsrohre auch bereits im Bauhafen eingebaut werden können, wie dies etwa in den 7 und 8 zu erkennen ist.
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In 11 ist gezeigt, wie von einem geeigneten Schiff 66 aus mit Hilfe eines Fallrohres 68 eine zum Beispiel 2 m dicke Kiesschicht 70 auf dem Meeresboden aufgebaut wird. Zuvor ist mit Hilfe eines geeigneten Wasserinjektionsverfahrens, ebenfalls vom Schiff 66 aus eine Verlagerung der Weichschichten bis auf eine tiefere tragfähige Schicht vorgenommen worden.
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12 zeigt den Transport der komplett aufgebauten Windkraftanlage einschließlich Gründungsteilen zum Einsatzort. In 13 ist dargestellt, wie der Ringkörper 10 auf die Kiesschicht abgesetzt wird. Dies geschieht über Seile mit sogenannten Litzenhebern, die am Transportschiff 60 angeordnet sind. Betongewichte 72, 74, die über Seile an dem Deck 40 angehängt sind, werden über geeignete Hebezeuge ebenfalls am Meeresboden abgesenkt. Dies ist in 14 zu erkennen.
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In 14 ist ferner zu erkennen, wie vom Schiff 66 über das Fallrohr 68 in die Schalenabschnitte 12 des Ringkörpers 10 (siehe auch 1) Ballastmaterial eingefüllt wird, um den Ringkörper 10 zu beschweren. In 15 ist zu erkennen, dass die Wassersäcke 50, die am unteren Deck 40 angehängt sind, mit Ballastwasser gefüllt sind. Damit greift ein erhebliches Gewicht am Ringkörper 10 an und dieses Gewicht zusammen mit dem Gewicht des Ringkörpers 10 lastet auf der Kiesschicht (11). Mit Hilfe eines geeigneten, hier nicht dargestellten Düsensystems wird die Kiesschicht verflüssigt, und durch das Gewicht wird das Material nach innen und nach außen verlagert, und zwar nach außen unter die Kolkschutzmatte 24, wobei der Ringkörper 10 eine gewisse Strecke in die Kiesschicht einsinkt, um danach einen festen Stand zu erhalten.
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In 16 sind die Wassersäcke 50 entfernt, und mit Hilfe von Winden an der Plattform 44 wird über die Seile 46 die Traverse 48 am Turm 42 hochgezogen in eine Arbeitsposition, die hier nicht dargestellt ist. Nach Erreichen der erforderlichen Höhe wird die Traverse 48 mit geeigneten Mitteln am Turm 42 festgesetzt. Die Rotoren werden gegeneinander in der Drehlage um etwa 90° versetzt, bevor sie in Gang gesetzt werden können.
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Die Belastung des Ringkörpers über die Ballastsäcke 50 führt dazu, dass dadurch mögliche Setzungen vorweggenommen werden, so dass die Anlage rascher betriebsfertig wird.
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Es sei noch erwähnt, dass die Leitungen und Pumpen für die Verflüssigung des Bodens, wie dies in Verbindung mit den 15 und 16 beschrieben wurde, in den hohlen Stützen 28 des Schaftes 32 angeordnet sind. Daraus ist zu ersehen, dass sämtliche Arbeiten, die für die Fertigstellung der Windkraftanlage, einschließlich des Einspülens des Fundaments im Meeresboden von den Decks 38, 40 aus erfolgen. Wie ferner zu erkennen, kann durch Absenken der Traverse 48 auf das obere Deck 38 auch auf einfache Weise eine Wartung oder Reparatur an den Maschinenteilen der Windkraftanlage vorgenommen werden.
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In 17 ist noch einmal eine Draufsicht auf den Ringkörper 10 und den Schaft 32 zu erkennen. Der Innendurchmesser beträgt zum Beispiel 20 m, während der Außendurchmesser zum Beispiel 40 m beträgt. Die Höhe des schalenförmigen Ringkörpers 10 beträgt zum Beispiel 4 m. Am Rand des Ringkörpers 10 wird, was in 17 nicht dargestellt ist, die Kolkschutzmatte angebracht. Sie ist zum Beispiel in 3 bei 24 angedeutet.
