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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Gründung für eine Windkraftanlage mit einem Monopile und einem aufgesetzten Übergangsstück.
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Hintergrund der Erfindung
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In der Offshore Öl- und Gasindustrie gehören sogenannte „Grouted Joints“ zum Stand der Technik, wobei ein Übergangsstück („Transition-Piece“) zum Einsatz kommt, welches mit einer gewissen Überlapplänge über den in den Boden gerammten Monopile eingehoben wird. Das Übergangsstück wird also über den Monopile gestülpt, genau ausgerichtet und dann der Zwischenraum zwischen den beiden Rohren mit einem Spezialbeton, einem so genannten „Grout“, ausgefüllt. Das Übergangsstück ist dann fest und unlösbar mit dem Monopile verbunden. Ein Nachteil besteht darin, dass man dazu hydraulische Hilfsmittel benötigt, sowie ein Schiff, welches den Beton herstellt oder transportiert und vor Ort pumpen kann. Ist der Beton ausgehärtet, müssen die Hilfsmittel entfernt werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine nachträgliche Neigung des Monopiles nach der Montage im Boden nicht ausgeglichen werden kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die hohen Seitenkräfte zwischen den Bauteilen der Beton strukturell geschwächt werden kann und dann die Gründung instabil wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei einer Neigung des Monopiles die Windkraftanlage rückgebaut werden muss, da der Monopile und das Übergangsstück unlösbar verbunden sind.
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Bei Schwergewichtsgründungen werden Schiefstände durch vorher angefertigte Unterbauten ausgeglichen, was schon bei der Montage zeitaufwändig ist. Wenn danach im Betrieb der Anlage Setzvorgänge stattfinden, muss das Übergangsstück zusammen mit der gesamten oberen Anlage durch ein Kranschiff angehoben und ein vorher speziell angefertigter Unterbau eingebaut werden. Hierdurch entstehen weitere, hohe Kosten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde vor dem Hintergrund des vorstehend beschriebenen Stands der Technik entwickelt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gründung vorzuschlagen, die einfach und schnell aufgebaut werden kann, bei der das Übergangsstück mit wenig Aufwand nachjustiert werden kann und bei der eine einfache Rückbaubarkeit nach Ende der Laufzeit der Windkraftanlage sowie eine sofortige Benutzbarkeit nach Montage möglich ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass für den Monopile und/oder das Übergangsstück Stellelemente vorgesehen sind, so dass der Winkel zwischen Monopile und Übergangsstück justierbar ist, um eine Schrägstellung des Monopiles im Boden auszugleichen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung mit zusätzlichen Merkmalen werden nachfolgend beschrieben.
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Die Stellelemente können längenverstellbar ausgebildet sein, um so eine Justierung zu ermöglichen.
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Besonders gut sind als Stellelemente Oberlenker mit einem Mittelteil mit einem Innenlinksgewinde am einen Ende und einem Innenrechtsgewinde am anderen Ende geeignet.
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Es sind im Wesentlichen horizontale Stellelemente vorgesehen, die an ihrem einen Ende durch untere Halteelemente mit dem Übergangsstück und an ihrem anderen Ende durch zentrale Halteelemente mit dem Monopile, insbesondere mit seinem Deckel, verbunden sind.
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Weiterhin sind schräg nach oben weisende Stellelemente vorgesehen, die an ihrem einen Ende durch obere Halteelemente mit dem Übergangsstück und an ihrem anderen Ende durch randständige Halteelemente mit dem Monopile, insbesondere mit seinem Deckel, verbunden sind.
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Der Monopile und das Übergangsstück sind durch ein Gelenk miteinander verbunden, welches vorzugsweise ein am Übergangsstück befestigtes Auflageelement aufweist, welches auf einem am Monopile befestigten Kopf gleitend verschiebbar angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann sich der Monopile nach oben hin verjüngen. Hierdurch wird der Stellbereich vergrößert.
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In einer anderen Ausführungsform ist der Monopile als Pfahl eines Schwerkraftfundamentes ausgebildet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Figuren zeigen im Einzelnen:
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1 einen vertikalen Längsschnitt durch die Gründung in einer Detailansicht;
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2 Detailansicht der Gründung 100 im Bereich des Deckels 9 in einem vertikalen Längsschnitt;
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3 einen horizontalen Schnitt durch die Gründung oberhalb der unteren Haltelemente;
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4a Detailansicht eines Elementes zur Befestigung von Monopile und Übergangsstück;
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4b Detailansicht einer alternativen Ausführungsform des Monopiles mit einem konischen Abschnitt;
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5 Detailansicht einer weiteren Ausführungsform der Gründung mit einem Deckel;
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6 Detailansicht einer anderen Ausführungsform der Gründung mit einem sich verjüngenden Monopile; und
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7 Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Gründung mit einem Schwerkraftfundament.
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Funktionsmäßig gleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Merkmale den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
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1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der Gründung 100 in einer Detailansicht. In den Meeresboden 10 ist ein rohrförmiges Monopile 7 gerammt (Meeresboden 10 und unterer Abschnitt des Monopiles 7 sind nicht gezeigt). Der Monopile 7 endet einige Meter über dem Meeresspiegel 11. An seiner Oberseite ist ein Deckel 9 befestigt, der auf den Monopile 7 aufgelegt und rundum durch eine Montage-Schweißnaht oder eine Verschraubung am Monopile 7 befestigt ist. Damit ist die Deckel 9 fest mit dem Monopile 7 verbunden. Über den Monopile 7 ist ein rohrförmiges Übergangsstück 8 gestülpt. Das Übergangsstück 8 weist eine obere Plattform 22 auf, auf der die Windkraftanlage (nicht gezeigt) angeordnet ist. Die Windkraftanlage muss genau senkrecht stehen und die Plattform 22 waagrecht ausgerichtet sein, damit ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Es ist aber möglich, dass der Monopile 7, bedingt durch den Rammvorgang bei der Montage, nicht ganz genau senkrecht steht. Auch ist es möglich, dass sich der Monopile 7 während des Betriebs einer Windkraftanlage durch den Winddruck etwas schräg stellt. Je nach Bodenverhältnissen im Meer kann sich auch der Untergrund verändern und eine Schrägstellung verursachen.
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Hierzu ist am Monopile 7 unter Wasser ein umlaufender, etwa kugelschalenförmiger Kopf 12 befestigt, welcher mit einer unteren Versteifung 13 an dem Monopile 7 verschweißt ist. Der kugelschalenförmige Kopf 12 hat an seiner Oberseite eine gekrümmte Gleitfläche. Am Übergangsstück 8 ist ein ebenfalls etwa kugelschalenförmiges Auflageelement 14 mit einer oberen Versteifung 13’ befestigt. Das Übergangsstück 8 sitzt mittels des Auflageelements 14 auf dem Kopf 12 bzw. auf dem Monopile 7 auf. Das Auflageelement 14 ist auf dem Kopf 12 gleitend verschiebbar, wodurch beide Teile ein Gelenk bilden. Hierdurch kann der Winkel zwischen Übergangsstück 8 und Monopile 7 bewegt und verstellt werden. Die Verstellbarkeit wird allerdings dadurch begrenzt, dass bei einem bestimmten Winkel die Außenfläche des Monopiles 7 an die Innenwand des Übergangsstückes 8 stößt.
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Zur Einstellung sind ungefähr horizontale Stellelemente 1 sowie schräg nach oben weisende Stellelemente 2 vorgesehen. Die Anzahl der Stellelemente 1, 2 ist nach statischen Erfordernissen von Fall zu Fall auszuwählen. Die Stellelemente 1, 2 sind in ihrer Länge einstellbar ausgebildet, d.h. die Länge kann innerhalb bestimmter Grenzen verändert werden. Die im Wesentlichen horizontalen Stellelemente 1 sind an ihrem einen Ende durch untere Halteelemente 3 mit dem Übergangsstück 8 und an ihrem anderen Ende durch zentrale Halteelemente 6 mit dem Deckel 9 verbunden. Die schräg nach oben weisenden Stellelemente 2 sind an ihrem einen Ende durch obere Halteelemente 4 mit dem Übergangsstück 8 und an ihrem anderen Ende durch randständige Halteelemente 5 mit dem Deckel 9 verbunden. Die unteren Halteelemente 3 und die oberen Halteelemente 4 sind an der Innenwand des Übergangsstücks 8 und die randständigen Halteelemente 5 sowie die zentralen Halteelemente 6 sind an der Oberseite des Deckels 9 befestigt. Jedes der Haltelemente 3, 4, 5, 6 ist mit einem Ende der Stellelemente 1, 2 gelenkig verbunden. Der Übersichtlichkeit halber ist in der 1 nur ein horizontales Stellelement 1 und ein schräg nach oben weisendes Stellelement 2 dargestellt.
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Mit den etwa horizontalen Stellelementen 1 kann das Übergangsstück 8 genau senkrecht ausgerichtet werden, indem die Länge der Stellelemente 1 verändert wird. Die ungefähr horizontalen Stellelemente 1 dienen also zum Ein- und Feststellen bzw. zur Justierung des Winkels zwischen Monopile 7 und Übergangsstück 8. Nach der Justierung werden die Stellelemente 1 hinsichtlich ihrer Längeneinstellbarkeit verriegelt.
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Sind die etwa horizontalen Stellelemente 1 eingestellt und verriegelt, werden die schräg nach oben weisenden Stellelemente 2 montiert. Die schräg nach oben weisenden Stellelemente 2 werden dann in ihrer Länge so eingestellt, dass sie das Übergangsstück 8 bzw. dessen Auflageelement 14 mit Kraft auf den Kopf 12 des Monopiles 7 drücken. Damit wird jegliches Spiel zwischen Kopf 12 und Auflageelement 14 verhindert. Danach werden auch die schräg nach oben weisenden Stellelemente 2 hinsichtlich ihrer Längeneinstellbarkeit verriegelt.
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Damit ist das Übergangsstück 8 fest mit dem Monopile 7 verbunden und beide Elemente 7, 8 lassen sich nicht gegeneinander bewegen. Weiterhin können die Stellelemente 2 Gewichtskräfte aus der auf dem Übergangsstück 8 befestigten Windkraftanlage über den Deckel 9 in den Monopile 7 ableiten, so dass die auf das Auflageelement 14 und den Kopf 12 wirkenden Kräfte begrenzt werden. Bei der gezeigten Ausführungsform kann am Deckel 9 eine (nicht gezeigte) Verdrehsicherung für das Übergangsstück 8 und den Monopile 7 vorgesehen sein.
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Als Stellelemente 1, 2 sind längenverstellbare Elemente geeignet, die Druck- und Zugkräfte aufnehmen können, insbesondere sogenannte Oberlenker. Diese sind nach dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen ein Mittelteil 15 mit einem Innenlinksgewinde am einen Ende und einem Innenrechtsgewinde am anderen Ende. In die Gewinde sind zwei Gabelköpfe mit jeweils Rechts- und Linksgewinde drehbar eingeführt. Wird das Mittelteil 15 rechts- oder linksherum gedreht, so wird das Stellelement 1, 2 länger oder kürzer. Zum Festellen sind Kontermuttern vorgesehen. Dadurch stehen stabile, längenverstellbare Stellelemente 1, 2 zur Verfügung.
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2 zeigt eine Detailansicht der Gründung 100 im Bereich des Deckels 9 in einem vertikalen Längsschnitt. Es sind die unteren, am Übergangsstück 8 befestigten Haltelemente 3 und die an der Oberseite des Deckels 9 befestigten randständigen 5 und zentralen Haltelemente 6 gezeigt. Die Öffnungen 16 in den Haltelementen 3, 5, 6 sind für die spätere Montage der Stellelemente 1, 2 vorgesehen. Die Haltelemente 3, 5, 6 sind geringfügig anders geformt als in 1 dargestellt.
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3 zeigt einen horizontalen Schnitt durch die Gründung 100 mit dem äußeren Übergangsstück 8 und dem darin angeordneten Monopile 7, wobei die Schnittebene etwas oberhalb des Deckels 9 und der unteren Haltelemente 3 verläuft. Die sechs sternförmig angeordneten, horizontalen Stellelemente 1 sind in der Draufsicht dargestellt. Sie sind mit ihrem einem Ende jeweils an den unteren Haltelementen 3 des Übergangsstücks 8 und mit ihrem anderen Ende an den zentralen Haltelementen 6 des Deckels 9 befestigt. Die ebenfalls sechs sternförmig angeordneten, schräg nach oben geneigten Stellelemente 2 sind angeschnitten dargestellt, da sie durch die Schnittebene verlaufen. Es ist dargestellt, dass ein horizontales Stellelement 1 jeweils neben einem schrägen Stellelement 2 angeordnet ist, so dass sich eine alternierende Anordnung der Stellelemente 1, 2 ergibt.
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4a zeigt eine Detailansicht eines Elementes 17 zur dauerhaften Verbindung von Monopile 7 und Übergangsstück 8. Hierdurch ist es möglich, das Übergangsstück 8 nach Ausrichten auf dem Monopile 7 unlösbar zu befestigen. Dafür benötigt man zum Ausrichten mindestens zwei Verbindungselemente 17, die mindestens 90 Grad und maximal 120 Grad zueinander versetzt sind. Diese sind mit dem Deckel 9 und dem Übergangsstück 8 durch Schweißnähte 18 verbunden.
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4b zeigt eine Detailansicht einer alternativen Ausführungsform des Monopiles 7 mit einem konischen Abschnitt 19. Entsprechend weist das Versteifungselement 13’ für den Kopf 12 eine innere konische Form auf. Es wird über den Monopile 7 gestülpt, und klemmt sich somit über den Konus selbst fest.
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5 zeigt Detailansicht einer zweiten Ausführungsform der Gründung 100 mit einem alternativen Deckel 9’. Dieser Deckel 9’ weist einen zylindrischen Aufsatz 20 auf. Die randständigen Halteelemente 5’ für die horizontalen Stellelemente 1 sind an der senkrecht verlaufenden Ausatzwand 21 befestigt. Hierdurch können die Halteelemente 5’ größere Druck- und Zugkräfte aufnehmen. Die zentralen Halteelemente 6’ sind an der Oberseite in den Aufsatz 20 integriert. Insgesamt sind dadurch erheblich höhere statische Belastungen möglich.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Gründung mit einem sich nach oben hin verjüngenden Monopile 7’. Hierdurch sind größere verstellbare Winkel zwischen Monopile 7’ und Übergangsstück 8 möglich und es kann eine größere Schrägstellung des Monopiles 7’ im Meeresboden 10 (nicht gezeigt) ausgeglichen werden.
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7 zeigt eine weiteren Ausführungsform der Gründung 100 mit einem Schwerkraftfundament 23. Hierbei ist der Monopile 7’’ nicht in den Meeresboden 10 gerammt, sondern als Pfahl an einem Schwerkraftfundament 23 befestigt, das dem Meeresboden 10 aufliegt. Ein oberer Abschnitt des Monopiles 7’’ bzw. des Pfahls liegt zusammen mit dem Übergangsstück 8 über dem Meeresspiegel 11, weist aber ansonsten die oben beschriebenen Merkmale und Funktionen auf. Die Gründung 100 kann daher wie bei einem in den Boden gerammten Monopile 7 zur Ausrichtung einer Windkraftanlage verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Horizontale Stellelemente
- 2
- Schräge Stellelemente
- 3
- Untere Haltelemente
- 4
- Obere Haltelemente
- 5
- Randständige Haltelemente
- 6
- Zentrale Haltelemente
- 7
- Monopile
- 8
- Übergangsstück
- 9
- Deckel
- 10
- Meeresboden
- 11
- Meeresspiegel
- 12
- Kopf
- 13
- Versteifung
- 14
- Auflageelement
- 15
- Mittelteil
- 16
- Öffnungen
- 17
- Verbindungselement
- 18
- Schweißnähte
- 19
- Konus
- 20
- Aufsatz
- 21
- Aufsatzwand
- 22
- Plattform
- 23
- Schwerkraftfundament
- 100
- Gründung
