DE102013001188B3

DE102013001188B3 - Fachwerk-Standstruktur

Info

Publication number: DE102013001188B3
Application number: DE102013001188.4A
Authority: DE
Inventors: Piotr Jurkojc
Original assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Current assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2014-05-08
Anticipated expiration: 2033-01-17
Also published as: WO2014111073A1

Abstract

Bei der bekannten Fachwerk-Standstruktur zur Gründung einer Windenergieanlage sind drei Standbeinpaare aus jeweils zwei doppelt geneigten und gebogenen Standbeinen vorgesehen, die sich oberhalb ihrer Mitte kreuzen. Um auch größere Lasten tragen und Torsionskräfte besser kompensieren zu können, ist bei der erfindungsgemäßen Fachwerk-Standstruktur (01) vor oder hinter jedem ersten Standbeinpaar (12) aus sich in Kreuzungen 13 kreuzenden ersten Standbeinen (02) jeweils ein weiteres Standbeinpaar (15) angeordnet, dessen weitere Standbeine (16) sich in einer weiteren Kreuzung (19) kreuzen, die jedoch unterhalb ihrer Mitte liegt. Alle ersten und weiteren Standbeinpaare (12, 15) berühren einander nicht. Durch die diagonale Anordnung der Standbeine (02, 16) werden alle angreifenden Kräfte weitgehend gleichmäßig auf diese verteilt, wobei durch die berührungsfreie Dopplung der Standbeinpaare (12, 15) die angreifenden Kräfte auf zwei Ebenen verteilt werden. Dabei bleibt die Mitte der Fachwerk-Standstruktur (01) frei. Diese kann besonders gut Torsionskräfte aber auch Biegekräfte aufnehmen und gleichmäßig verteilen. Zusammen mit einem sehr geringen Gewicht von relativ wenigen, gut vorkonfektionierbaren Bauelementen ergeben sich besondere Vorteile bei der Offshore-Montage von Windenergieanlagen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fachwerk-Standstruktur mit zumindest sechs, regelmäßig um eine vertikale Mittelachse herum angeordneten ersten Standbeinen, die mit ihren oberen Enden mit einem Auflagerelement zum Tragen einer Konstruktion, beispielsweise einer Windenergieanlage, und mit ihren unteren Enden mit einem Untergrund zum Gründen der Standstruktur verbunden sind, wobei die ersten Standbeine mit ihren oberen Enden in Richtung auf die vertikale Mittelachse geneigt sind und jeweils zwei erste Standbeine einander kreuzen und ein erstes Standbeinpaar mit einer ersten Kreuzung bilden, die oberhalb der Mitte der ersten Standbeine liegt.
Fachwerk-Standstrukturen, auch als Gittermasten, räumliche Fachwerke oder Jackett-Strukturen bezeichnet, können in Abhängigkeit von ihren Abmaßen große als auch kleine Konstruktionen tragen. Fachwerk-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 Fachwerk-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 Fachwerk-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 und gut beherrschbaren 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. Besonders vorteilhaft bei Fachwerk-Standstrukturen sind ihr geringes Gewicht und ihre geringe Herstellungs- und Montagekosten, außerdem die bereits erwähnte effektive Optimierbarkeit.
Eine Hauptanwendung für die vorliegend beanspruchte Fachwerk-Standstruktur in einer großen Dimensionierung besteht in der Verwendung als Gründungsstruktur für eine Offshore-Windenergieanlage (OWEA). Dabei trägt die Fachwerk-Standstruktur mit ihrem 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 Fachwerk-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.
Stand der Technik
Aus der GB 2 188 356 A ist eine Fachwerk-Standstruktur für eine OWEA bekannt, die auf vier Standbeinen ruht, die in zwei Tangentialebenen um die vertikale Mittelachse herum geneigt sind. Die Standbeine berühren einander nicht direkt, sind aber durch Stützstreben miteinander verbunden. Dabei bilden erste Stützstreben ein erstes Stützstrebenpaar mit einer Kreuzung, die in der Mitte der ersten Stützstreben liegt. in Richtung auf die vertikale Mittelachse gesehen hinter dem ersten Stützstrebenpaar liegt ein weiteres, sich kreuzendes Stützstrebenpaar, das jedoch horizontal angeordnet und mit dem ersten Stützstrebenpaar verbunden ist. Die weitere Kreuzung der weiteren Stützstreben liegt am Ende der einen weiteren Stützstrebe.
Eine Anordnung als Standstruktur für einen Rotor mit hintereinander liegenden Standbeinen ist aus der US 4 323 331 A bekannt, wobei die Standbeine eines bezüglich des Rotors angeordneten vorderen und eines hinteren Standbeinpaars mit ihren unteren Enden mit zwei vorderen Fußpunkten der Vorrichtung und mit ihren oberen Enden mit einer Plattform verbunden sind, die senkrecht zur Verbindungslinie zwischen den beiden Fußpunkten verläuft. Es entstehen zwei zueinander um 180° gedrehte Dreiecke, die nicht parallel, sondern gekippt zueinander verlaufen. In der gesamten Fachwerk-Standstruktur treten keine Kreuzungen zwischen sich berührenden Standbeinen auf. Die hintereinander liegenden Standbeinpaare sind durch Stützstreben miteinander verbunden, wobei sich diese ebenfalls nicht berührend kreuzen.
Sich kreuzende Standbeine sind beispielsweise aus der US 16 684 E bekannt, wobei die Kreuzungen von ersten und weiteren Standbeinen gebildet werden, die in unterschiedlichen Ebenen hintereinander liegen. Dabei sind alle ersten Standbeine in einer ersten Richtung geneigt und alle in Richtung auf die vertikale Mittelachse dahinter liegenden weiteren Standbeine in die entgegengesetzte Richtung. Die ersten und weiteren Standbeine sind in den Kreuzungen miteinander verbunden, es entsteht eine Art Scherengitter. Eine ähnliche Fachwerk-Standstruktur ist aus der GB 2 339 436 B bekannt. Hier sind die sich in unterschiedlichen Ebenen kreuzenden ersten und weiteren Standbeine nicht miteinander verbunden. Sie bilden wiederum eine Art Scherengitter mit einer Vielzahl von sich Kreuzungen in der Draufsicht. Torsionskräfte werden entweder durch die ersten Standbeine in der einen Richtung oder durch die weiteren Standbeine in der anderen Richtung abgeleitet. Zur Stabilisierung der Fachwerk-Standstruktur kann eine Verbindung der ersten und weiteren Standbeine durch horizontale Stützstreben vorgesehen sein. Derartige Fachwerk-Standstrukturen tragen in der Regel aber keine sehr großen Lasten und sind beispielsweise als Telefonmasten einsetzbar.
Der Erfindung nächstliegende Stand der Technik und damit die gattungsgemäße Fachwerk-Standstruktur wird in der AT 507 013 B1 offenbart. Beschrieben wird eine Fachwerk-Standstruktur mit sechs, regelmäßig um eine vertikale Mittelachse herum angeordneten ersten Standbeinen. Zur Verbesserung der Standfestigkeit sind die ersten Standbeine mit ihren oberen Enden gegen die vertikale Mittelachse geneigt, sodass der eingeschriebene Kopfkreis der oberen Enden der ersten Standbeine kleiner ist als der eingeschriebene Fußkreis der unteren Enden der ersten Standbeine. Die ersten Standbeine sind mit ihren oberen Enden mit einem Auflagerelement in Form einer Plattform zum Tragen einer Konstruktion in Form eines Darrieus-Rotors als Teil einer WEA verbunden. Mit ihren unteren Enden stehen die ersten Standbeine auf einem Untergrund, beispielsweise einem Gebäudedach. Jeweils zwei benachbarte Standbeine, die aus Rohren gebildet sein können, kreuzen einander und bilden ein erstes Standbeinpaar mit einer ersten Kreuzung, die oberhalb der Mitte der ersten Standbeine liegt. Die ersten Standbeine sind durch ihre Anordnung in zwei Tangentialrichtungen geneigt. Zusätzlich verlaufen sie noch axial gekrümmt, um ein besseres Dämpfungsverhalten gegenüber Rotorschwingungen zu erreichen. Stützstreben sind in der bekannten Fachwerk-Standstruktur nicht vorgesehen. Diese ist jedoch sehr filigran und hat nur ein begrenztes Tragvermögen. Durch den horizontalen drehenden Darrieus-Rotor entstehende Schwingungen kann die Fachwerk-Standstruktur zwar aufgrund der gebogenen Standbeine abdämpfen. In Radialrichtung angreifende Torsionskräfte, beispielsweise Windlasten, kann sie jedoch nur sehr begrenzt ausgleichen. Solche Kräfte können zu einer weiteren Krümmung und zu einer Überbelastung einzelner Standbeine und zu Standunsicherheiten führen.
In der nicht vorveröffentlichten, älteren deutschen Patentanmeldung DE 10 2012 010 205.4 wird vom Anmelder eine Fachwerk-Standstruktur beansprucht, bei der die Standbeine, die ebenfalls in zwei Tangentialrichtungen geneigt verlaufen und paarweise einander kreuzen, durch Radialstreben unterstützt sind, die sich alle in einer gemeinsamen Verbindung treffen, die zentral auf der vertikalen Mittenachse liegt. Dadurch ergibt sich eine direkte, diagonale Verbindung gegenüberliegender Standbeine, wobei die Mitte der Fachwerk-Standstruktur um die vertikale Mittelachse herum entsprechend belegt ist. Die angreifenden Kräfte werden nicht nur durch die primär belasteten, in der Regel der angreifenden Kraft, zum Beispiel Windkraft, gegenüberliegende Standbeine, sondern auch durch die Standbeine auf der Seite der angreifenden Kraft aufgenommen. Dadurch ergibt sich bei der älteren Fachwerk-Standstruktur eine besonders gleichmäßige Verteilung der angreifenden Kräfte auf alle Standbeine. Es ist ein sicherer Stand gewährleistet und eine Überbelastung vermieden. Die neue, mit vorliegender Anmeldung beanspruchte Fachwerk-Standstruktur, bei der der zentrale Bereich um die vertikale Mittenachse frei bleibt, stellt eine Alternative zu der älteren Fachwerk-Standstruktur dar, wobei unter Beibehaltung deren Vorteile bei der neuen Fachwerk-Standstruktur die Belastbarkeit, insbesondere bezüglich Torsion, noch verbessert und das Gesamtgewicht nochmals verringert werden konnte.
Aufgabenstellung
Ausgehend von der oben beschriebenen, bekannten gattungsgemäßen Fachwerk-Standstruktur ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, durch konstruktive Mittel eine Verbesserung der Stabilität, insbesondere gegen angreifende Torsionskräfte, zu erreichen. Weiterhin sollen größere Lasten auf dem Auflagerelement getragen werden können. Dabei sollen bestehende Vorteile der gattungsgemäßen Fachwerk-Standstruktur, insbesondere das geringe Gewicht, die moderaten Herstellungs- und Montagekosten und das filigrane und ästhetisch sehr ansprechende optische Erscheinungsbild, erhalten bleiben und noch verbessert werden. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Anspruch 1 zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
Bei der beanspruchten Fachwerk-Standstruktur mit mehreren ersten Standbeinpaaren aus gekreuzten ersten Standbeinen ist erfindungsgemäß in Richtung auf die vertikale Mittelachse vor oder hinter jedem ersten Standbeinpaar ein weiteres Standbeinpaar aus zwei weiteren Standbeinen angeordnet. Auch die weiteren Standbeine jedes weiteren Standbeinpaares sind erfindungsgemäß mit ihren oberen Enden in Richtung auf die vertikale Mittelachse geneigt und mit dem Auflagerelement sowie mit ihren unteren Enden mit dem Untergrund verbunden. Weiterhin kreuzen sich die weiteren Standbeine jedes weiteren Standbeinpaares erfindungsgemäß in einer weiteren Kreuzung. Diese liegt erfindungsgemäß unterhalb der Mitte der weiteren Standbeine. Weiterhin sind die ersten und die weiteren Standbeinpaare weder direkt noch indirekt durch Stützstreben miteinander verbunden. Bei der erfindungsgemäßen Fachwerk-Standstruktur werden die ersten Standbeinpaare durch die davor oder dahinter angeordneten weiteren Standbeinpaare bezüglich der Kraftverteilung entlastet. Durch die in zwei Ebenen angeordneten, sich jeweils in einer Ebene direkt kreuzenden Standbeine werden diagonale Verbindungen zwischen weiter auseinanderliegenden Orten an der Plattform und an der Gründung der Fachwerk-Standstruktur geschaffen. Dabei ist eine Kraftverteilung zwischen den einzelnen Ebenen aufgrund fehlender Verbindungen zwischen den ersten und weiteren Standbeinen nicht möglich. Angreifende – auch besonders große – Lasten, insbesondere auch Torsionskräfte, werden so parallel über mehrere Standbeine der Fachwerk-Standstruktur und in zwei Ebenen abgeleitet. Eine weitere Verbesserung der Kraftverteilung und damit eine weitere Erhöhung der Stabilität ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Standstruktur dadurch, dass die weiteren Kreuzungen der weiteren Standbeine unterhalb der Mitte der weiteren Standbeine, wohingegen die ersten Kreuzungen der ersten Standbeine oberhalb der Mitte der ersten Standbeine liegen. Dabei ist durch die wählbare Positionierung der ersten Kreuzungen oberhalb der Mitte der ersten Standbeine und der weiteren Kreuzungen unterhalb der Mitte der weiteren Standbeine eine effektive Optimierung der erfindungsgemäßen Fachwerk-Standstruktur durch eine optimale Anpassung an die vorgegebenen Lastverhältnisse gewährleistet.
Die ersten und die davor oder dahinter liegenden zugeordneten weiteren Standbeinpaare berühren einander nicht. Die ersten und weiteren Standbeinpaare sind weder direkt und unmittelbar noch indirekt durch Stützstreben miteinander verbunden. Angreifende Kräfte werden somit parallel durch die ersten und weiteren Standbeine geleitet und optimal in der Fachwerk-Standstruktur verteilt, wodurch eine hohe Standfestigkeit und eine gleichmäßige Spannungsverteilung in den einzelnen Standbeinen erreicht wird. Angreifende Lasten werden durch die diagonale Verbindung zwischen den Standbeinen gleichmäßig in den Untergrund eingeleitet. Die diagonalen Verbindungen der Standbeine gewährleisten eine besonders hohe Torsionssteifigkeit der beanspruchten Fachwerk-Standstruktur. Durch die Dopplung der Standbeinpaare bleiben der filigrane Charakter und damit auch das geringe Gewicht der erfindungsgemäßen Fachwerk-Standstruktur erhalten. Damit verbunden ist eine geringe Anzahl von einzelnen Bauelementen, aus denen sich die Fachwerk-Standstruktur zusammensetzt. Überschaubare Stücklisten mit leichtgewichtigen Einzelbauteilen sind insbesondere bei Offshore-Installationen von großer Bedeutung.
Aus dem weiter oben erwähnten Stand der Technik ist es bekannt, dass die Standbeine mit einer von Null verschiedenen Krümmung verlaufen können. Dafür werden aber speziell gebogene oder stückweise aneinander gesetzte Standbeine benötigt. Bei der Fachwerk-Standstruktur nach der Erfindung können vorteilhaft und bevorzugt die ersten Standbeine jedes ersten Standbeinpaares durch die erste Kreuzung geradlinig verlaufen. Dadurch können einfache, ungebogene, einstückige Rohre als Halbzeug für die Standbeine eingesetzt werden. Auch die weiteren Standbeine können durch die weitere Kreuzung geradlinig verlaufen. Unter Beachtung der Bedingung, dass die weiteren Kreuzungen unterhalb der Mitte der weiteren Standbeine liegen, sind die oberen und unteren Enden der weiteren Standbeine entsprechend mit der Plattform und dem Untergrund verbunden. Dabei kann es zu einer relativ ausladenden Fachwerk-Standstruktur kommen. Deshalb ist es bevorzugt und vorteilhaft, wenn die weiteren Standbeine durch die weitere Kreuzung winklig verlaufen. Dadurch kann die weitere Kreuzung in einen optimalen Ort unterhalb der Mitte der weiteren Standbeine gelegt werden, ohne dass die gesamte Fachwerk-Standstruktur zu ausladende Maße annimmt oder die Plattform entsprechend ausladend gestaltet sein muss.
Zu einer weiteren Gewichtsersparnis bei der Fachwerk-Standstruktur nach der Erfindung kommt es, wenn das Auflagerelement nicht massiv, sondern bevorzugt und vorteilhaft sternförmig ausgebildet ist. Dabei weist es mehrere Ausbuchtungen auf, die der Verbindung mit den oberen Enden von jeweils einem ersten und einem weiteren Standbein aus zwei ersten und weiteren Standbeinpaaren dienen. In der Mitte des sternförmigen Auflagerelements kann eine Säule angeordnet sein, auf der die WEA nach oben abgestützt wird. Weiterhin können bei der Fachwerk-Standstruktur nach der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft zumindest drei (bei zumindest sechs ersten Standbeinen) im Untergrund verankerte Gründungselemente vorgesehen sein. Diese dienen dann der Verbindung mit den unteren Enden von jeweils einem ersten und einem weiteren Standbein aus jeweils zwei Standbeinpaaren.
Weiter oben wurde bereits ausgeführt, dass die Standbeine geradlinig oder winklig durch die Kreuzungen verlaufen. Grundsätzlich können die Standbeine in den Kreuzungen einfach miteinander verschweißt, verschraubt oder vernietet sein. Bevorzugt und vorteilhaft ist es, wenn die Kreuzungen von eigenständigen ersten und/oder weiteren Kreuzungselementen, insbesondere Gusskreuzungen, gebildet sind, in denen Abschnitte der Standbeine aus den ersten und/oder weiteren Standbeinpaaren enden. Solche Gusskreuzungen sind einfach vorkonfektionierbar und zu montieren bzw. zu demontieren bei einer Demontage der Fachwerk-Standstruktur.
Weiterhin können bei der Fachwerk-Standstruktur nach der Erfindung vorteilhaft und bevorzugt zwischen den ersten Standbeinen und/oder zwischen den weiteren Standbeinen erste und/oder weitere Stützstreben angeordnet sein, wobei eine Verbindung der ersten und weiteren Standbeine miteinander durch erste oder weitere Stützstreben erfindungsgemäß ausgeschlossen ist. Durch die ersten und/oder weiteren Stützstreben zwischen den ersten Standbeinen und/oder den weiteren Standbeinen werden das filigrane Erscheinungsbild und die Leichtigkeit der Fachwerk-Standstruktur nach der Erfindung nicht gestört, deren Stabilität aber noch weiter erhöht. Die ersten und/oder weiteren Stützstreben können nach den gewählten Lastfällen entsprechend angeordnet werden, insbesondere können sie bevorzugt und vorteilhaft horizontal angeordnet sein. Durch entsprechende Lastsimulationen ist ihre Anordnung – genau wie die gesamte Auslegung der Fachwerkstruktur nach der Erfindung – relativ einfach ermittelbar. Schließlich wurde bereits öfters erwähnt, dass die ersten und weiteren Standbeine ebenso wie die ersten und/oder weiteren Stützstreben bevorzugt und vorteilhaft aus Stahlrohren gebildet sein können, die als preiswertes Halbzeug in allen Abmaßen kommerziell zur Verfügung stehen und gut zu transportieren und zu montieren sind.
Weitere konstruktive Details hierzu und zu den zuvor ausgeführten Modifikationen der beanspruchten Fachwerk-Standstruktur nach der Erfindung können den nachfolgenden Ausführungsbeispielen entnommen werden. Dabei ist die beanspruchte Fachwerk-Standstruktur jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, in denen Ausführungsformen mit drei ersten Standbeinpaaren gezeigt werden. Andere Ausführungsformen mit mehr als drei ersten Standbeinpaaren sind ebenfalls analog ohne Weiteres ausführbar.
Zuvor sollen noch einige Zahlen als Anhaltspunkte für die Leistungsfähigkeit der Fachwerk-Standstruktur nach der Erfindung gegeben werden. Bei einem in der Simulation errechneten Gesamtgewicht von 239,7 t konnte eine Rotationssteifigkeit von 4552,83 MNm/rad errechnet werden. Eine herkömmliche Jacket-Standstruktur zeigt im Vergleich eine Rotationssteifigkeit von lediglich 2791 MNm/rad. Die Spannungsverteilung der Fachwerk-Standstruktur nach der Erfindung unter unterschiedlichen Lastfällen (Lastangriff bei 0°, 90° und 180°) entspricht in etwa der Spannungsverteilung bei der oben erwähnten älteren Standstruktur. Insbesondere aber bei der Torsionssteifigkeit im Verhältnis zum Gesamtgewicht konnte gegenüber der älteren Standstruktur jedoch nochmals eine bedeutsame Verbesserung erzielt werden. Die Fachwerk-Standstruktur nach der Erfindung zeigt aufgrund ihres speziellen Aufbaus bei einem geringeren Gesamtgewicht eine höhere Torsionssteifigkeit.
Ausführungsbeispiele
Die Fachwerk-Standstruktur nach der Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen, nicht maßstäblichen Figuren zum weiterführenden Verständnis noch weitergehend erläutert. Im Einzelnen zeigt die
1 eine perspektivische Schrägansicht der Fachwerk-Standstruktur,
2 eine perspektivische Seitenansicht der Fachwerk-Standstruktur in einer zur Ansicht gemäß 1 etwas gedrehten Ansicht,
3 eine perspektivische Schräguntersicht auf die Fachwerk-Standstruktur in Blickrichtung auf die vertikale Mittelachse,
4 eine Unteransicht auf die Fachwerk-Standstruktur in einer zur vertikalen Mittelachse etwas gedrehten Blickrichtung,
5 eine perspektivische Schrägdraufsicht auf die Fachwerk-Standstruktur,
6 eine geometrische Darstellung der Ebenen in der Fachwerk-Standstruktur und
7 eine perspektivische Schrägansicht der Fachwerk-Standstruktur ohne Bezugszeichen mit Schwarz-Weiß-Darstellung der Standbeinpaare zur besseren Unterscheidung.
In der 1 ist eine Fachwerk-Standstruktur 01 nach der Erfindung mit sechs ersten Standbeinen 02 als Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Schrägansicht dargestellt. Die ersten Standbeine 02 sind regelmäßig um eine vertikale Mittelachse 03 herum angeordnet und in zwei Richtungen dazu geneigt. Die ersten Standbeine 02 sind mit ihren oberen Enden 04 in Richtung auf die vertikale Mittelachse 03 geneigt und mit einem Auflagerelement 05 zum Tragen einer Konstruktion 06, beispielsweise einer Windenergieanlage, verbunden. Mit ihren unteren Enden 07 sind die ersten Standbeine 02 mit einem Untergrund 08 über Gründungselemente 09 zum Gründen der Fachwerk-Standstruktur 01 verbunden. Im gewählten Ausführungsbeispiel mit sechs ersten Standbeinen 02 sind drei Gründungselemente 09 vorgesehen. Zwischen jeweils zwei benachbarten Gründungselementen 09 verlaufen die ersten Standbeine 02 unter Bildung eines ersten Standbeinpaars 12 aufeinander zugeneigt und weisen eine erste Kreuzung 13 auf. Diese liegt oberhalb der Mitte 14 der ersten Standbeine 02. An ein und demselben Gründungselement 09 verlaufen die ersten Standbeine 02 aus unterschiedlichen Standbeinpaaren 12 hingegen voneinander weggeneigt. Dies gilt analog für die weiteren Standbeine 16 (siehe unten). Durch eine weitere Neigung der ersten Standbeine 02 auch in Richtung auf die vertikale Mittelachse 03 ist der durch die oberen Enden 04 definierte Kopfkreis 10 kleiner als der durch die unteren Enden 07 der ersten Standbeine 02 definierte Fußkreis 11. Dadurch wird eine gute Standfestigkeit der gesamten Fachwerk-Standstruktur 01 erreicht.
In Richtung auf die vertikale Mittelachse 03 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel hinter jedem ersten Standbeinpaar 12 ein weiteres Standbeinpaar 15 aus zwei weiteren Standbeinen 16 angeordnet. Die weiteren Standbeine 16 sind ebenfalls mit ihren oberen Enden 17 in Richtung auf die vertikale Mittelachse 03 geneigt und mit dem Auflagerelement 05 verbunden. Mit ihren unteren Enden 18 sind die weiteren Standbeine 16 ebenfalls mit dem Untergrund 08 bzw. mit den Gründungselementen 09 verbunden. Damit verlaufen die weiteren Standbeine 16 in einer anderen Ebene zu den ersten Standbeinen 02. Anstelle der gezeigten Anordnung der weiteren Standbeine 16 hinter den ersten Standbeinen 02 in Richtung auf die Mittelachse 03 kann auch deren Anordnung vor den ersten Standbeinen 02 vorgesehen sein. Dadurch ändert sich aber an der Kraftverteilung in der Fachwerk-Standstruktur 01 prinzipiell nichts. Die weiteren Standbeine 16 in jedem weiteren Standbeinpaar 15 kreuzen wiederum einander in einer weiteren Kreuzung 19. Diese liegt jedoch unterhalb der Mitte 20 der weiteren Standbeine 16. Im Gegensatz dazu liegen die Kreuzungen 13 der ersten Standbeine 02 jeweils oberhalb der Mitte 14 der ersten Standbeine 02. Alle ersten Standbeinpaare 12 und alle weiteren Standbeinpaare 15 sind weder direkt noch indirekt durch Stützstreben miteinander verbunden. Angreifende Kräfte werden somit parallel über die ersten Standbeinpaare 12 und die weiteren Standbeinpaare 15 gleichmäßig verteilt und über die Gründungselemente 09 in den Untergrund 08 abgeführt.
In der 2 ist die Fachwerk-Standstruktur 01 gemäß 01 in einer perspektivischen Seitenansicht dargestellt. Rechts in der Darstellung ist der geradlinige Verlauf der ersten Standbeine 02 durch die erste Kreuzung gut zu erkennen. Weiterhin ist auch gut zu erkennen, dass die weiteren Standbeine 16 in der einen Ebene geradlinig unter Einschluss eines 180°-Winkels 24 (siehe 2 rechts) und in der anderen Ebene winklig unter Einschluss eines stumpfen Winkels 24 (siehe 2 Mitte) durch die weitere Kreuzung 19 verlaufen. Dadurch kann die weitere Kreuzung 19 optimal unterhalb der Mitte 20 der weiteren Standbeine 16 positioniert werden. Die oberen Enden 17 der weiteren Standbeine 16 können in guter Position mit den Auflagerelementen 05 und die unteren Enden 18 der weiteren Standbeine 16 können in guter Position mit dem Untergrund 08 bzw. mit den Gründungselementen 09 verbunden werden.
In der 3 ist die Fachwerk-Standstruktur 01 nach der Erfindung in einer perspektivischen Schräguntersicht dargestellt. Zu erkennen sind das Auflagerelement 05 und die Gründungselemente 09. Die ersten Standbeinpaare 12 werden aus den ersten Standbeinen 02 mit den ersten Kreuzungen 13 gebildet. Die weiteren Standbeinpaare 15 werden aus den weiteren Standbeinen 16 mit den weiteren Kreuzungen 19 gebildet. Auch in dieser Darstellung ist gut zu erkennen, dass die ersten Standbeinpaare 12 und die weiteren Standbeinpaare 15 sich gegenseitig nicht berühren. Dargestellt sind zudem erste Stützstreben 25 zwischen den ersten Standbeinen 02 und weitere Stützstreben 26 zwischen den weiteren Standbeinen 16 (vergleiche auch 1, 2). Sowohl die ersten Stützstreben 25 als auch die weiteren Stützstreben 26 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel horizontal angeordnet. Sie können aber auch beliebig geneigt angeordnet sein.
Die 4 zeigt eine Unteransicht der Fachwerk-Standstruktur 01 auf. Gut zu erkennen sind hier die verschiedenen ersten und weiteren Standbeinpaare 12, 15 mit den voreinander liegenden ersten und weiteren Kreuzungen 13, 19. Dargestellt sind ebenfalls die ersten Stützstreben 25 und die weiteren Stützstreben 26. In dieser Darstellung ist weiterhin gut zu erkennen, dass die Mitte der Fachwerk-Standstruktur 01 um die vertikale Mittelachse 03 herum frei ist, wodurch sich die Montage und Wartung erleichtern. Ebenfalls gut zu erkennen ist, dass die oberen Enden 04 der ersten Standbeine 02 und die weiteren oberen Enden 17 der weiteren Standbeine 16 nebeneinander auf einer horizontalen Linie 27 liegend mit dem Auflagerelement 05 verbunden sind. Dies erleichtert die Vorkonfektionierung des Auflagerelements 05 und die Montage der Standbeine 02, 15. Außerdem ergibt sich ein besonders gleichmäßiges und ansprechendes optisches Erscheinungsbild. Aus denselben Gründen sind mit den Gründungselementen 09 auch jeweils ein erstes Standbein 02 und ein weiteres Standbein 16 in einer vertikalen Linie 28 übereinander angeordnet (vergleiche auch 1).
In der 5 sind die zuvor genannten Besonderheiten, die das optische Erscheinungsbild prägen und die Vorfertigung und Montage der Fachwerk-Standstruktur 01 vereinfachen, nochmals dargestellt. Dargestellt ist, dass jede horizontale Linie 27 auf einer Ausbuchtung 29 im Auflagerelement 05 positioniert ist. Bei der gezeigten Anordnung von jeweils drei ersten Standbeinpaaren 12 und drei weiteren Standbeinpaaren 15 ergeben sich drei Ausbuchtungen 29, die das Auflagerelement 05 sternförmig prägen. Weiterhin sind Versteifungsrippen 30 zwischen den oberen Enden 04 der ersten Standbeine 02 und den oberen Enden 17 der weiteren Standbeine 15 und zu der Konstruktion 06, beispielsweise dem Turm einer WEA, dargestellt. Schließlich ist noch im Detail für die erste Kreuzung 13 ein erstes Kreuzungselement 31 und für die weitere Kreuzung 19 ein weiteres Kreuzungselement 32 dargestellt. Deutlich ist der geradlinige Verlauf (Winkel 24 = 180°) der ersten Standbeine 02 durch das Kreuzungselement 31 und der winklige Verlauf (stumpfer Winkel 24) der weiteren Standbeine 15 durch das weitere Kreuzungselement 32 zu erkennen.
Beide Kreuzungselemente 31, 32 sind als Gusskreuzungen 33 ausgebildet. Die ersten Standbeine 02 und die weiteren Standbeine 15 sind – wie die ersten und weiteren Stützstreben 25, 26 – als einfache Stahlrohre 34 ausgebildet und enden als Standbeinabschnitte 35 in den Kreuzungselementen 31, 32. Dort sind sie hineingesteckt und verschweißt.
In der 6 ist die Geometrie der Fachwerk-Standstruktur 01 nach der Erfindung schematisch dargestellt. Gezeigt sind die oberen Enden 04 der ersten Standbeine 02, die auf dem Kopfkreis 10 liegen. Daneben liegen die oberen Enden 17 der weiteren Standbeine 16, die auf einem Kopfkreis 36 angeordnet sind. Jeweils zwei obere Enden 04 der ersten Standbeine 02 und zwei obere Enden 17 der weiteren Standbeine 16 liegen auf der horizontalen Linie 27 entlang des Auflagerelements 05. Die unteren Enden 07 der ersten Standbeine 02 liegen auf dem Fußkreis 11. Die unteren Enden 18 der weiteren Standbeine 16 liegen auf dem Fußkreis 37. Jeweils ein unteres Ende 07 der ersten Standbeine 02 und ein unteres Ende 18 der weiteren Standbeine 16 liegen auf der vertikalen Linie 28 entlang des Gründungselements 09. Weiterhin sind die durch die ersten Standbeine 02 definierten Ebenen 21 und die durch die weiteren Standbeine 16 definierten Ebenen 22 eingezeichnet. Deutlich ist zu erkennen, dass sich die Ebenen 21, 22 einander nicht berühren, weshalb sie die Kräfte parallel in den Untergrund 08 einleiten. Die Ebenen 21, 22 schneiden jeweils die Kegelstümpfe, die sich jeweils zwischen den Kopfkreisen 10, 36 und den Fußkreisen 11, 37 erstrecken. Die Ebenen 21, 22 sind damit zur vertikalen Mittelachse 03 geneigt. Dabei ist in der 6 auch gut zu erkennen, dass die Ebenen 21, 22 je nach Lage der oberen Enden 04, 17 und der unteren Enden 07, 18 der ersten und weiteren Standbeine 02, 16 einen Winkel zwischen sich einschließen oder auch parallel zueinander verlaufen können. Gezeigt ist ein Winkel zwischen den Ebenen 21, 22.
Die 7 schließlich zeigt eine bezüglich der Bezugszeichen vereinfachte Darstellung der Fachwerk-Standstruktur 01 nach der Erfindung gemäß 1. Zur besseren Darstellung der speziellen Geometrie sind die ersten Standbeinpaare 12 aus den ersten Standbeinen 02 horizontal schraffiert und die weiteren Standbeinpaare 15 aus den weiteren Standeinen 16 horizontal und vertikal schraffiert dargestellt. Die ersten Kreuzungen 13 und die weiteren Kreuzungen 19 sind schwarz dargestellt.
Bezugszeichenliste

01: Fachwerk-Standstruktur
02: erstes Standbein
03: vertikale Mittelachse
04: oberes Ende von 02
05: Auflagerelement
06: Konstruktion
07: unteres Ende von 02
08: Untergrund
09: Gründungselement
10: Kopfkreis von 04
11: Fußkreis von 07
12: erstes Standbeinpaar aus 02
13: erste Kreuzung von 02
14: Mitte von 02
15: weiteres Standbeinpaar aus 16
16: weiteres Standbein
17: oberes Ende von 16
18: unteres Ende von 16
19: weitere Kreuzung von 16
20: Mitte von 16
21: Ebene von 02
22: Ebene von 16
23: virtueller Kegelstumpf
24: Winkel zwischen 02, 16
25: erste Stützstrebe zwischen 02
26: weitere Stützstrebe zwischen 16
27: horizontale Linie für 04, 17
28: vertikale Linie für 07, 18
29: Ausbuchtung in 05
30: Versteifungsrippe
31: erstes Kreuzungselement für 13
32: weiteres Kreuzungselement für 19
33: Gusskreuzung
34: Stahlrohr
35: Standbeinabschnitt
36: Kopfkreis von 17
37: Fußkreis von 18

Claims

Fachwerk-Standstruktur (01) mit zumindest sechs, regelmäßig um eine vertikale Mittelachse (03) herum angeordneten ersten Standbeinen (02), die mit ihren oberen Enden (04) mit einem Auflagerelement (05) zum Tragen einer Konstruktion (06), beispielsweise einer Windenergieanlage, und mit ihren unteren Enden (07) mit einem Untergrund (08) zum Gründen der Fachwerk-Standstruktur (01) verbunden sind, wobei die ersten Standbeine (02) mit ihren oberen Enden (04) in Richtung auf die vertikale Mittelachse (03) geneigt sind und jeweils zwei erste Standbeine (02) einander kreuzen und ein erstes Standbeinpaar (12) mit einer ersten Kreuzung (13) bilden, die oberhalb der Mitte (14) der ersten Standbeine (02) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung auf die vertikale Mittelachse (03) vor oder hinter jedem ersten Standbeinpaar (12) ein weiteres Standbeinpaar (15) aus zwei weiteren Standbeinen (16) angeordnet ist, die ebenfalls mit ihren oberen Enden (17) in Richtung auf die vertikale Mittelachse (03) geneigt und mit dem Auflagerelement (05) sowie mit ihren unteren Enden (18) mit dem Untergrund (8) verbunden sind und die einander in einer weiteren Kreuzung (19) kreuzen, die unterhalb der Mitte (20) der weiteren Standbeine (16) liegt, wobei die ersten und weiteren Standbeinpaare (12, 15) weder direkt noch indirekt durch Stützstreben miteinander verbunden sind.
Fachwerk-Standstruktur (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Standbeine (02) jedes ersten Standbeinpaares (12) durch die erste Kreuzung (13) geradlinig verlaufen.
Fachwerk-Standstruktur (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Standbeine (16) jedes weiteren Standbeinpaares (15) durch die weitere Kreuzung (19) winklig verlaufen.
Fachwerk-Standstruktur (01) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflagerelement (05) sternförmig ausgebildet ist und mehrere Ausbuchtungen (29) zur Verbindung mit den oberen Enden (04, 17) von jeweils einem ersten und einem weiteren Standbein (02, 16) aus jeweils zwei ersten und weiteren Standbeinpaaren (12, 15) aufweist.
Fachwerk-Standstruktur (01) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Untergrund (08) verankerte zumindest drei Gründungselemente (09) zur Verbindung mit den unteren Enden (07, 18) von jeweils einem ersten und einem weiteren Standbein (02, 16) aus jeweils zwei Standbeinpaaren (12, 15) vorgesehen sind.
Fachwerk-Standstruktur (01) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder weiteren Kreuzungen von ersten und/oder weiteren Kreuzungselementen (31, 32) gebildet sind, in denen Abschnitte der ersten und/oder weiteren Standbeine (02, 16) aus den ersten und/oder weiteren Standbeinpaaren (12, 15) enden.
Fachwerk-Standstruktur (01) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder weiteren Kreuzungselemente (31, 32) als Gusskreuzungen (33) ausgebildet sind.
Fachwerk-Standstruktur (01) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten Standbeinen (02) und/oder zwischen den weiteren Standbeinen (16) erste und/oder weitere Stützstreben (25, 26) angeordnet sind.
Fachwerk-Standstruktur (01) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder weiteren Stützstreben (25, 26) horizontal angeordnet sind.
Fachwerk-Standstruktur (01) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder weiteren Standbeine (02, 16) und/oder die ersten und/oder weiteren Stützstreben (25, 26) aus Stahlrohren (34) gebildet sind.