DE10254100A1

DE10254100A1 - Supporting structure for offshore buildings, e.g. wind power station, consists of tower that is narrowed to main support in area of greatest wave force and uses vertical bars for better transmission of forces

Info

Publication number: DE10254100A1
Application number: DE10254100A
Authority: DE
Inventors: Joachim Falkenhagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2022-11-21
Also published as: DE10254100B4

Abstract

The supporting structure consists of a pipe shaped tower (1,2), which is narrowed to a main support (3) in the area of the greatest wave force using an eccentric transmission piece (4,5). Vertical bars (6,7) with a small diameter are used for a better transmission of moments or vertical forces affecting the structure. The construction is reduced to a pipe again further to the ocean bottom.

Description

Stand der TechnikState of technology

Gebräuchliche Bauweisen für Tüme sind – (Ein-)Rohrtürme, vorzugsweise aus Stahl oder Beton, auch konisch, oft mit kreisförmigen bzw. vieleckigem Fundament, und – Fachwerktürme, bei denen meist durch eine breite Aufstandsfläche ein großer Hebelarm genutzt wird, die Eckstützen einzeln gegründet werden und die Momentübertragung durch axiale Stabkräfte erfolgt. Dadurch, daß die Stäbe jeweils im Winkel zueinander angeordnet werden, können auch horizontale Kräfte übertragen werden.Common construction methods for towers are - (single) tube towers, preferably made of steel or concrete, also conical, often with circular or polygonal foundation, and - truss towers, at who usually use a large lever arm due to a wide contact area, the corner supports founded individually be and the moment transfer by axial rod forces he follows. Because the Rods each can be arranged at an angle to each other, horizontal forces can also be transmitted become.

Rohrtürme, deren Lasten unterhalb eines Übergangsstücks auf drei gleiche und gleichmäßig angeordnete, einzeln gegründete Rohrtürme verteilt werden, wurden u.a. für Mobilfunkmasten (Fiehne, Präsentation einer Diplomarbeit) und für Offshore-Winenergieanlagen (IMS: Voruntersuchung zur Gründung einer 5 MW-Offshore-WEA in 2001, Blatt Referenzprojekte) beschrieben. Bekannt sind auch Abstützungen eines vertikalen Rohrturms mit zwei schrägen, seperat gegründeten Abstützungen.Pipe towers, the loads below of a transition piece three identical and evenly arranged, individually founded tubular towers were distributed among other things For Cell phone masts (hair dryer, presentation a thesis) and for Offshore Winenergieanlagen (IMS: preliminary investigation for the foundation a 5 MW offshore wind turbine in 2001, sheet reference projects). Outriggers are also known a vertical tubular tower with two sloping supports, which were founded separately.

In früherer Anmeldung dieses Erfinders wurde ein Gittermast-Monopfahl beschrieben, bei dem sich ein vergleichsweise enger Fachwerksabschnitt oberhalb eines (Fundament-) Rohres ( DE 101 17 113 ) bzw. zwischen zwei Rohrabschnitten (Anspruch 7 der DE 101 17 113 ) befindet, und mit dem vorzugsweise bei Offshore-Windkraftanlagen die Wellenlasten gemindert werden sollen.In the earlier application of this inventor, a lattice mast monopile was described in which a comparatively narrow half-timbered section is located above a (foundation) pipe ( DE 101 17 113 ) or between two pipe sections (claim 7 of DE 101 17 113 ), and with which the wave loads are to be reduced, preferably in offshore wind turbines.

Beschrieben wurde von selben Erfinder auch die Möglichkeit eines exzentrischen Gittermast-Monopfahls, bei dem eine Stütze rohrförmig ist, und einen größeren Durchmesser aufweist als die anderen Elemente des Fachwerks in derselben Höhe (PCT/DE 02/02336 Anspruch 9), um insbesondere Drehmomente um eine vertikale Achse besser als mit schmalen Fachwerkelementen übertragen zu können, und der mögliche Einsatz von Vollprofilstahl. In den Zeichnungen ist der "Fachwerkbereich" dort jeweils mit diagonalen Aussteifungen abgebildet worden.It was described by the same inventor also the possibility an eccentric lattice mast monopile, in which a support is tubular, and a larger diameter has the same height as the other elements of the framework (PCT / DE 02/02336 Claim 9), in particular torques around a vertical Axle better than being able to transmit with narrow truss elements, and the possible Use of full profile steel. In the drawings, the "half-timbered area" is also there diagonal bracing.

Erfindunginvention

Diese Bauform wird nun gemäß anliegenden Ansprüchen in einigen Aspekten weiter fortgeführt.This design is now in accordance with the appended claims some aspects continued.

Ziel ist gegenüber einem einfachen bzw. konifizierten Rohrturm die Reduzierung der Wellenkräfte durch geringe Durchmesser in dem maßgeblichen Bereich. Dabei wird ein konstruktiver. Mehraufwand in diesem Turmabschnitt in Kauf genommen, der sich jedoch durch geringeren Aufwand im Fundamentbereich ausgleicht.The goal is compared to a simple or butted one Pipe tower reducing the shaft forces due to small diameter in the relevant area. This will be a constructive one. Additional effort in this tower section accepted, which, however, is due to less effort in the foundation area balances.

Im Vergleich zu einem voll ausgebildeten Gittermast sind die Ziele

– die Reduzierung des Aufwands für Verstrebungen und deren Anschlüsse,
– weniger den Wellen ausgesetzte Elemente, und
– die Beschränkung von Streßkonzentrationen an Stabanschlüssen

durch Beschränkung der Fachwerkwirkung auf die wesentlichen Bauwerkslasten (Kippmomente und eingeschränkt Gewicht) und auf den wesentlichen Bereich (Bereiche der Dauerlast durch kleinere Wellen und der Wellenkämme der Extremwellen) sowie durch geeignete Ausprägung der Anschlüsse.The goals are compared to a fully trained lattice tower

- the reduction of effort for struts and their connections,
- less elements exposed to the waves, and
- the restriction of stress concentrations at rod connections

by restricting the truss effect to the essential structural loads (tipping moments and limited weight) and to the essential area (areas of permanent load due to smaller shafts and the crests of the extreme waves) and by appropriate design of the connections.

In bevorzugter Ausführung dieser Erfindung besteht der Turm bei offshore-Windenergieanlagen oberhalb der Extremwellen bis zur Gondel und ebenfalls von einigen Metern unterhalb des Ruhewasserspiegels bis in den Meeresboden hinein aus einem Rohrturm bzw. leicht konifiziertem Turm, im unteren Teil auch als Monopfahl zu bezeichnen. In einem Abschnitt des Turmes in Nähe der Wasseroberfläche ist der Rohrturm unterbrochen, weil sein großer Durchmesser zu viele Wellenlasten aufnehmen würde.In a preferred embodiment of this Invention is the tower in offshore wind turbines above the extreme waves to the gondola and also a few meters below the calm water level down to the sea floor from a tubular tower or slightly butted Tower, also known as a monopile in the lower part. In one Section of the tower nearby the water surface the tube tower is interrupted because of its large diameter too many wave loads would record.

Ein fachwerkartiger bzw. aufgelöster Bereich kommt erfindungsgemäß und vorzugsweise dadurch zustande, daß der Rohrturm konisch verjüngt wird, und sich dadurch weitgehend kontinuierlich zu einer "Hauptstütze" mit mittlerem Durchmesser fortentwickelt. Auf der anderen Seite weitet sich die Hauptstütze wieder zu dem Rohrtum auf. Neben der Hauptstütze sind in gleicher Höhe in der einfachsten Bauweise nur zwei weitere, aufrecht stehende Tragelemente bzw. Stäbe mit kleinerem Durchmesser (im folgenden als Verstrebungen bezeichnet) vorhanden. Diese Verstrebungen sind nahe des Übergangs von großem Rohrturm zu konischem Bereich mit dem restlichen Tragwerk verbunden.A half-timbered or dissolved area is coming according to the invention and preferably in that the Tapered tubular tower becomes, and thereby largely continuously, a "main pillar" with a medium diameter further developed. On the other side, the main support widens again to the Rohrtum. In addition to the main support are at the same height in the simplest design only two further, upright supporting elements or Rods with smaller diameter (hereinafter referred to as struts) available. These struts are close to the transition from the large tubular tower connected to the rest of the structure to form a conical area.

Auf diagonal verlaufende Aussteifungen, wie sie in üblichen Fachwerktürmen der Übertragung der Horizontalkäfte und der Momente um die vertikale Achse dienen, wird verzichtet. Dieser Verzicht liegt gerade deshalb nahe, weil diese Lasten bei Offshore-WKA ein beträchtliches Ausmaß erreichen, und daher größeren Aufwand für Verstrebungen verursachen würden, der durch die Kraftabführung in dem Hauptturm vermieden wird. Die drei Tragelemente stehen vorzugsweise parallel zueinander senkrecht, abgesehen von einer Konusfom der Hauptstütze, wie sie erfindungsgemäß wenigstens an den Enden der Hauptstütze vorhanden ist.On diagonal bracing, as in usual Lattice towers the transfer the horizontal forces and serve the moments around the vertical axis is dispensed with. This waiver is obvious precisely because these burdens are involved Offshore wind turbines a considerable one Reach scale, and therefore greater effort for struts would cause the through power dissipation is avoided in the main tower. The three support elements are preferably parallel to each other perpendicular, apart from a cone shape of the main support, such as at least according to the invention the ends of the main support is available.

Möglich wären auch ähnliche Ausprägungen mit mehr als drei Tragelementen, mit mehr als einer "Hauptstütze" oder mit geneigten Verstrebungen bzw. Nebenstützen. Derartige Anordnungen können mit ähnlicher Funktionsweise und Ausprägung im Detail konstruiert werden; weil sie aber grundsätzlich weniger wirtschaftlich erscheinen, werden sie in den nachfolgenden Beschreibungen nicht mehr ausdrücklich erwähnt, sondern durch die Beschreibung der bevorzugten Bauweise mit drei vertikalen Elementen repräsentiert.Possible would also be similar Expressions with more than three supporting elements, with more than one "main support" or with inclined struts or In addition to props. Such arrangements can with similar Functioning and expression be constructed in detail; because they're basically less They appear economical in the descriptions below no longer expressly mentioned, but by describing the preferred design with three vertical elements.

In dem System mit einer Hauptstütze und daneben den beiden schlankeren Nebenstützen bzw. Verstrebungen kann der Anschluß zwischen den oben und unten anschließenden, bevorzugt rohrförmigen Turmabschnitten und den Verstrebungen wegen dem geringen Flächenträgheitsmoment dieser Verstrebungen aus statischer Sicht näherungsweise wie eine gelenkige Verbindung behandelt werden, auch wenn eine feste (Schweiß-) Verbindung vorliegt.In the system with a main support and next to it the two slimmer auxiliary supports or Struts, the connection between the above and below, preferably tubular tower sections and the struts due to the low moment of inertia of these struts can be treated from a static point of view approximately as an articulated connection, even if there is a firm (welded) connection.

Dieses System kann Vertikalkräfte und Kippmomente (Momente um horizontale Achsen) in beliebigen Kipprichtungen mittels axialer, gegensätzlich gerichteter Druck- und Zugspannungen in den drei Stützen aufnehmen. Horizontalkräfte, wie sie bei Windkraftanlagen in starkem Maße durch den Schub des Windes entstehen, werden in konventionellen Fachwerktürmen durch die paarweise, im Winkel zueinander angeordneten Tragelemente aufgenommen, und dabei in axial zu den Stäben verlaufende Kräfte umgewandelt.This system can handle vertical forces and Tilting moments (moments around horizontal axes) in any tilting direction by means of axial, oppositely directed Take up compressive and tensile stresses in the three supports. Horizontal forces, like in wind turbines to a large extent due to the thrust of the wind are created in conventional half-timbered towers by the pairs, in Support elements arranged at an angle to one another, and thereby in axial to the bars running forces converted.

In dem auf drei Elemente reduzierten Fachwerk können die Horizontalkräfte im wesentlichen nur von der Hauptstütze aufgenommen werden, die wegen ihrem größeren Durchmesser eine größere Biegesteifigkeit als die beiden Verstrebungen aufweist. Entsprechend der Länge der Hauptstütze erzeugt die oben eingeleitete Horizontalkraft bei Kraftübertragung zum unteren Ende ein Kippmoment in der Hauptstütze, das wiederum auf die unteren Turmteile weiterzuleiten ist. Dieses Kippmoment erzeugt Zug- und Druckspannungen an entgegengesetzten Seiten der Hauptstütze, die sich insbesondere mit den axial von oben in die Hauptstütze eingeleiteten Spannungen und weiteren Spannungen überlagern. Wegen der geringeren Länge der Hauptstütze im Vergleich zum gesamten Turm reicht für die Übertragung dieses Kippmoments ein geringerer Durchmesser aus, als er für einem Rohrturm mit Krafteinleitung in Nabenhöhe erforderlich wäre. Durch den geringeren Durchmesser bleibt auch der Angriff von Wellenkräften gegen diese Hauptstütze begrenzt. Die geringe Zahl von drei Tragelementen trägt ebenfalls zur Lastminderung und zur Kostensenkung bei, und erleichtert den Anschluß an den vorzugsweise als Rohrtum auszuführenden oberen und unteren Teil der Tragkonstruktion.In the reduced to three elements Truss can the horizontal forces essentially only be taken up by the main support because of their larger diameter greater flexural rigidity than the two struts. According to the length of the mainstay generates the horizontal force introduced above during power transmission a tipping moment in the main support towards the lower end, which in turn applies to the lower Tower parts must be forwarded. This tipping moment generates tensile and Compressive stresses on opposite sides of the main support, the in particular with the stresses introduced axially from above into the main support and other voltages. Because of the shorter length the mainstay compared to the entire tower is enough to transmit this tilting moment a smaller diameter than that for a tubular tower with force transmission in hub height would be required. Due to the smaller diameter, the attack of wave forces also remains this mainstay limited. The small number of three support elements also bears to reduce the load and reduce costs, and makes it easier Connection to the upper and lower preferably to be executed as a tube Part of the supporting structure.

In weiteren Ausführungsmöglichkeiten kann unterhalb dieses minimal fachwerkartigen Turmbereichs auch eine tripodförmige oder andere Gründung angeordnet werden, z.B. mit einem kurzen Rohrturmabschnitt zwischen Fachwerk und Tripod. Ebenfalls denkbar wäre ein symmetrischer Aufbau mit mittiger Hauptstütze und mehrseitig darum angeordneten Verstrebungen, die dann auch als Spannseile ohne Druckbelastung ausgeführt werden könnten; grundsätzlich wird aber ein asymmetrischer Aufbau mit seitlicher Hauptstütze zu bevorzugen sein.In other design options, below this minimally half-timbered tower area also a tripod-shaped or other foundation be arranged, e.g. with a short tube tower section between Truss and tripod. A symmetrical structure would also be conceivable central main support and struts arranged around it on several sides, which are then also called Tension ropes could be carried out without pressure load; basically will but to prefer an asymmetrical construction with a side main support his.

Da die Verstrebungen wegen ihrem geringen Durchmesser und ihrer großen Schlankheit nur begrenzt in der Lage sind, Biegemomenten in Folge seitlich angreifender Wellenkräfte zu widerstehen, könnten sie in ihrem mittleren Bereich seitlich von der Hauptstütze gehalten werden. Dies erfolgt im Falle eines einzigen Halteniveaus vorzugsweise nicht exakt mittig, sondern außermittig, um der Entstehung einer entgegengesetzten Biegung in den beiden Hälften einer Verstrebung bzw. einer Biegeschwingung zweiter Ordnung entgegenzuwirken.Because the braces because of their small diameter and their great slenderness only limited able to withstand bending moments due to laterally acting wave forces, they could held laterally by the main support in its central area become. This is preferably done in the case of a single hold level not exactly in the middle, but off-center, to create an opposite bend in the two halves to counteract a bracing or a second-order bending vibration.

Um an der Verbindungsstelle keine unerwünschten Streßkonzentrationen zu provozieren, kann es vorteilhaft sein, eine in vertikaler Richtung bewegliche bzw. entlang der Verstrebungen gleitende Verbindung auszuführen, so daß die Verstrebungen seitlich gehalten werden, ohne daß an dieser Stelle Vertikalkräfte und damit Kippmomente von der Hauptstütze auf die (beiden vertikalen Haupt-) Verstrebungen übertragen würden (Anspruch 4). Falls dagegen eine Schweißverbindung mit den Verstrebungen erfolgt, kann evtl, durch eine sehr flache, in vertikaler Richtung wenig biegesteife Gestaltung dieser Verbindung erreicht werden, daß sich wenig Momente übertragen. Vorzugsweise sollte jedoch keine Schweißverbindung mit den (Haupt-) Verstrebungen erfolgen.To none at the junction undesirable stress concentrations to provoke, it may be advantageous to use a vertically movable or to perform a sliding connection along the struts, so that the Struts are held laterally without vertical forces and thus tilting moments from the main support to the (two vertical Main) struts transferred would (Claim 4). In contrast, if there is a welded connection with the struts done, possibly by a very flat, in the vertical direction less rigid design of this connection can be achieved, that itself transmit few moments. However, preferably no weld connection with the (main) Struts take place.

Zur Dämpfung sogenannter Vortex-Schwingungen, wie sie an schlanken Stäben und hier vor allem an den Verstrebungen in einem bewegten Medium entstehen, werden unter anderem schraubenförmig gewendelte Applikationen (englisch strakes) eingesetzt. Würden diese fest mit einem Stab verbunden, ergäbe sich der Nachteil, daß sie nicht wie die Stäbe durch die axial wirkenden Kräfte auf Dehnung und Druck belastet werden. Daher können sie eine Streßkonzentration an ihrer Befestigungsstelle an dem Stab verursachen, auch wenn die unmittelbar von den Applikationen auf den Stab ausgeübten Kräfte gering sind. Dies wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß die Applikationen an einem gesonderten Bauteil befestigt werden, das den Stab vorzugsweise zylinderförmig umschließt. Bei einer Ausführung mit seitlicher Halterung kann diese Halterung auch dieses Bauteil oder unmittelbar die schwingungsdämpfenden Applikationen halten (Anspruch 5).For damping so-called vortex vibrations, like on slender bars and above all on the struts in a moving medium arise, among other things, are helically coiled applications (English strakes) used. would these firmly connected to a rod, there would be the disadvantage that they are not like the bars due to the axially acting forces be subjected to strain and pressure. Therefore, they can have a stress concentration at their attachment point on the rod, even if the forces directly exerted by the applications on the rod are low are. According to the invention, this is avoided by that the Applications are attached to a separate component that the rod preferably cylindrical encloses. In one execution with side bracket, this bracket can also this component or immediately hold the vibration damping applications (Claim 5).

Eine seitliche Abspannung oberhalb des Fachwerkbereichs kann Horizontalkräfte aufnehmen und somit von dem Fachwerkbereich fernhalten (Anspruch 6). Eine zu starre Abspannung könnte jedoch auch zu vermehrten Horizontalkräften in diesem Bereich führen, so daß diese Lösung vor allem für nachgiebige Seilabspannungen und bei Übertragung eines Teils des Kippmoments in den Boden in Betracht käme.Side bracing above of the truss area can absorb horizontal forces and thus from keep the truss area away (claim 6). Bracing too rigid could however also lead to increased horizontal forces in this area that these solution especially for compliant rope bracing and when transferring part of the Tilting moment into the ground would be considered.

Eine mögliche Ausprägung sieht vor, daß die Endbereiche der Verstrebungen (kleineren Stützen) abgeflacht sind, und sich von außen an die Hauptstütze, bzw. an die Stelle des Rohrturms, an dem die konusartige Verjüngung zur Hauptstütze beginnt, anschmiegen, um so die Kraftübertragung auf eine gewisse Strecke entlang des Umfangs zu verteilen (Anspruch 7). Im Querschnitt hat der Endbereich einer Verstrebung dann die Form eines Bogens, ebenso wie das jeweils benachbarte Segment der Hauptstütze. Der Anschlußbereich des Rohrturms, der hier die Kräfte der beiden konzentrisch angeordneten Bögen aufnimmt, könnte verstärkt sein, und einen gewissen Abstand zwischen den beiden Bögen herstellen, um Streßkonzentrationen bei gegensätzlicher Lastrichtung in den beiden Bögen zu vermeiden.A possible form provides that the end regions of the struts (smaller supports) are flattened and nestle from the outside against the main support or at the location of the tubular tower where the conical tapering towards the main support begins, so that the power transmission increases to distribute a certain distance along the circumference (claim 7). In cross section, the end area has one Then brace the shape of an arch, as well as the adjacent segment of the main support. The connection area of the tubular tower, which here absorbs the forces of the two concentrically arranged arches, could be reinforced and create a certain distance between the two arches in order to avoid stress concentrations in the two arches with opposite load directions.

Die sich dadurch einstellende Verstärkung der Wandstärke des Rohrturms könnte genutzt werden, um hier auch gleich eine Verschraubung mit Flansch anzuordnen. Möglich wäre ein einzelnes Anschrauben der Elemente des Fachwerkbereichs, vorzugsweise jedoch ein Verschweißen derselben mit einem zylindrischen Übergangsstück, das dann einen Flansch zum nächsten Rohrturmsegment besitzt.The resulting amplification of the Wall thickness of the tubular tower can be used to screw a flange to arrange. Possible would be a individual screwing of the elements of the framework, preferably however, welding the same with a cylindrical transition piece, which then has a flange to the next Pipe tower segment owns.

Da sich durch die gegensätzliche Kraftrichtung der Verstrebungen eine unerwünschte Abfolge unterschiedlich belasteter Stahlbereiche an der Stelle ergeben könnte, an dem die seitlichen Ausläufer der Endbereiche benachbarter Verstrebungen an dem Rohrturm bzw. Übergangsstück enden, kann es zweckmäßig sein, an dieser Stelle eine Aussparung in dem Übergangsbereich zwischen Rohrturm und Kunus zu lassen (Anspruch 8). Das gleiche gilt am jeweils anderen Rand dieser Anschlußbereiche. Da ein Loch in einer sonst geschlossenen Abfolge Rohrturm-Konus-Hauptstütze für die Kraftübertragung nicht allzu nachteilig ist, jedenfalls weniger nachteilig als etwa der Verzicht auf ein Profil mit geschlossenem Umfang, ist der durch das Loch entstehenden Nachteil durch die reduzierte Streßkonzentration mehr als ausgeglichen. Andererseits könnte auch eine Überlappung der Anschlüsse beider Verstrebungen erfolgen.Because the opposite Direction of force of the struts an undesirable sequence different stressed steel areas at the point where the lateral Foothills of the End areas of adjacent struts end on the tubular tower or transition piece, it can be useful at this point a recess in the transition area between the tubular tower and let Kunus (claim 8). The same applies to the other Edge of these connection areas. Because a hole in an otherwise closed sequence, tubular tower-cone main support for the power transmission is not is too disadvantageous, at least less disadvantageous than that Dispensing with a profile with a closed circumference is through the disadvantage of the hole due to the reduced stress concentration more as balanced. On the other hand, could also an overlap of the connections both struts take place.

Eine weitere Möglichkeit ist es, daß innerhalb des Rohrturm-Konus-Übergangsbereichs Löcher ausgespart sind, aus denen sich je eine Verstrebung ähnlich einer Nase herausentwickelt (Anspruch 9). Die Verstrebung ist dann auf der Rohrturm-Seite des Loches an diesen angeschweißt.Another possibility is that within the Tubular tower cone transition area Spared holes from which a strut similar to a nose develops (Claim 9). The strut is then on the tubular tower side of the hole welded to this.

Bei Windkraftanlagen ist mit windbedingten Horizontallasten vorzugsweise in Nähe der Nabenhöhe zu rechnen. Dies würde es ermöglichen, die vorzugsweise drei Stützen des Fachwerkbereichs nach unten aufzuspreizen, so daß sie neben den vertikalen Zug- und Druckkräften, mit denen sie das Kippmoment nach unten weitergeben, in ihrer Achsrichtung gleichzeitig auch horizontale Kraftkomponenten übertragen. Da besonders die Nabenhöhe und der Abstand der drei Stützen das Verhältnis von Horizontalkraft und den das Kippmoment erzeugenden Vertikalkäften bestimmen, könnte die Neigung der drei Stützen so gewählt werden, daß im allgemeinen bzw. bei den auslegungsmaßgeblichen Extremlasten das System dieser drei Stützen die Horizontalkraft überwiegend axial aufnimmt (Anspruch 10).In wind turbines is with wind-related horizontal loads preferably in the vicinity the hub height to count. This would enable preferably three supports of the half-timbered area spread out so that it is next to the vertical tensile and compressive forces, with which they pass the tilting moment downwards, in their axial direction at the same time also transmit horizontal force components. Because especially that Hub height and the distance between the three supports The relationship of horizontal force and the vertical forces generating the tilting moment, could the inclination of the three supports so chosen be that in general or in the case of the design-relevant extreme loads System of these three supports the horizontal force predominantly axially receives (claim 10).

Allerdings ist das Verhältnis zwischen Kippmoment und Horizontalkraft bzw. die mittlere Krafteinleitungshöhe je nach Betriebszustand und Windfeld unterschiedlich, so daß vorstehendes Ziel nur eingeschränkt erreicht werden kann. Weiterhin wird in verschiedenen Betriebszuständen eine Übertragung von Horizontalkräften durch die Hauptstütze erforderlich sein, und daraus die Entstehung von Biegemomenten in der Hauptstütze resultieren. Durch geschickte Auslegung kann jedoch für den wichtigsten Betriebszustand die Momententstehung in der Hauptstütze, bzw. in Teilen derselben, beschränkt werden. Bei offshore-Windenergieanlagen könnten insbesondere die betriebsbedingten Ermüdungslasten aus dem Wind auslegungsbestimmend sein. Da diese Kräfte recht hoch angreifen, und damit recht große Axialkräfte in den Stützen (Hauptstütze und Verstrebungen) zur Lastabtragung benötigen, kann eine geringe Neigung der Stützen ausreichend sein.However, the relationship between Tipping moment and horizontal force or the average force introduction height depending on Operating condition and wind field different, so that the above Target only limited can be achieved. Furthermore, a transmission takes place in different operating states of horizontal forces through the main support be necessary, and from this the creation of bending moments in the mainstay result. Skillful interpretation can, however, be the most important Operating state the moment in the main support, or in parts of it. In the case of offshore wind turbines, in particular the operational ones fatigue loads be decisive for the design from the wind. Because these powers are right attack high, and thus quite large axial forces in the supports (main support and struts) need for load transfer, can have a slight inclination of the supports be enough.

Soweit sich die drei Stützen dabei mehr voneinander entfernen, als es durch eine etwaige Differenz des Durchmessers von unterem und oberem Rohrturm vorgeprägt ist, müßte ein unten anschließender Übergangsbereich die Stützen wieder zusammenbringen.So far the three supports distance more from each other than by any difference the diameter of the lower and upper tubular tower is stamped, would have to transition area below the pillars bring them back together.

Vorzugsweise die Hauptstütze könnte sich dabei weiter von den Verstrebungen bzw. anderen Stützen entfernen, auch aus der Projektion der Hullfläche des Rohrturms hinaus, und erst nach einer Knickstelle bzw. einem Umlenkpunkt wieder diesen annähern (Anspruch 11). Damit könnte die Hauptstütze evtl. über eine größere Strecke schlank mit geringer Momentlast ausgeführt werden. Durch den größeren Abstand können auch Wechselwirkungen der Wellen durch mehrere sehr nahe nebeneinander gelegene Rohren beschränkt werden.The main support could preferably be used further away from the struts or other supports, also from the Projection of the envelope surface of the tubular tower, and only after a kink or one Approach the deflection point again (Claim 11). So that could the mainstay possibly over a longer distance slim with low moment load. Because of the larger distance can also interactions of the waves by several very close to each other located pipes limited become.

Kommt der Wellengang bzw. die Strömung meistens aus derselben Richtung, so kann eine Lösung mit zwei Stützen, darnter eine ovale Hauptstütze mit der Schmalseite parallel zur Hauptwellenrichtung, gewährleisten, daß sich die Wellenkräfte reduzieren, und gut über die Längsseite der ovalen Stütze abgetragen werden, daß aber andererseits die Konstruktion auch senkrecht dazu steif genug ist, um insbesondere Windkräfte aus unterschiedlichen Richtungen abzutragen.Most of the time comes the swell or the current from the same direction, so a solution with two supports, below an oval main pillar with the narrow side parallel to the main shaft direction, ensure that itself the wave forces reduce, and well over the long side the oval support removed be that but on the other hand, the construction is stiff enough perpendicular to it, especially wind power ablate from different directions.

Im zweckmäßiger Ausführung wird man den aufgelösten Bereich so anordnen, daß im unteren Bereich der überwiegende Teil der kleineren, alltäglichen Wellen, die für die Materialermüdung maßgeblich sind, und im oberen Bereich die Kronen der größten Wellen, die die Auslegung nach Extremlasten bestimmen, den aufgelösten Bereich des Turmes treffen und somit zwischen den Stäben hindurch strömen können.In the practical version, you become the resolved area arrange so that in lower area of the vast majority Part of the smaller, everyday Waves for the material fatigue essential and, at the top, the crowns of the largest waves that are interpreting Determine after extreme loads, hit the disintegrated area of the tower and thus between the bars flow through can.

Gegebenenfalls könnten auch zwei aufgelöste Bereiche übereinander angeordnet werden, die jeweils auf eine dieser Bemessungslasten abgestimmt sind. Auch wenn diese aufgelösten Bereiche unmittelbar aufeinander folgen, würde dies eine geeignete Momentübertragung von der oberen Hauptstütze auf das System der parallelen unteren Tragelemente erfordern. Eine derartige Momentübertragung bzw. eine Übertragung momentbildender Vertikalkräfte von der Hauptstütze zu den übrigen Elementen könnte mit zusätzlichen Schrägverstrebungen zustande kommen, an die sich oben und unten jeweils ein Bereich mit vorzugsweise nur drei parallelen Elementen (Hauptstütze und zwei Verstrebungen) anschließen würde. Alternativ wäre eine weitgehende Aufweitung der Hauptstütze und ein Übergang ähnlich dem Übergang vom Fachwerkbereich zum Rohrturm, nur mit beidseitigem Fachwerk, möglich.If necessary, two resolved areas could also be arranged one above the other, each of which is matched to one of these design loads. Even if these resolved areas follow each other immediately, this would be a suitable moment transfer from the upper main support to the system of the parallel lower stretcher elements require. Such a torque transmission or a transmission of torque-generating vertical forces from the main support to the other elements could be achieved with additional oblique struts, to which an area with preferably only three parallel elements (main support and two struts) would adjoin at the top and bottom. Alternatively, an extensive expansion of the main pillar and a transition similar to the transition from the truss area to the tubular tower would only be possible with a truss on both sides.

Die Hauptstütze des Gittermastbereichs stellt einen zweiseitig eingespannten Stab dar, der seitlich durch Wellenkräfte belastet wird. Das Biegemoment in einem derartigen Stab hat ein Maximum in der Mitte und an den beiden Enden. Dies ermöglicht es, den Übergang zwischen ausgeprägten Konen an den Enden und einem mehr zylindrischen Mittelteil an eine Stelle mit geringer Belastung durch diese Biegemomente zu legen.The main pillar of the lattice tower area provides a double-sided clamp, which is laterally loaded by wave forces becomes. The bending moment in such a rod has a maximum in the Middle and at both ends. This enables the transition between pronounced Cones on the ends and a more cylindrical middle part on one Place with little stress due to these bending moments.

Die abgeflachten Endbereiche der Verstrebungen können eine hydrodynamisch ungünstige Bogenform haben; daher kann es sinnvoll sein, diese durch zusätzliche Verkleidungen zu einer ovalen Form zu ergänzen.The flattened end areas of the Struts can a hydrodynamically unfavorable arch shape to have; therefore it may be useful to add additional Complement panels to an oval shape.

Als typische Dimensionen könnten sich bei Offshore-Windkraftanlagen etwa 4 bis 8 m Durchmesser des Rohrturmbereichs, 1,50 m bis 3 m Durchmesser der rohrförmigen Hauptstütze und 0,25 m bis 1 m Durchmesser der daneben angeordneten, stabartigen Verstrebungen bei einer Gesamtlänge des aufgelösten Bereichs von etwa 15 m bis 20 m ergeben. Der gesamte Stahlquerschnitt in den Verstrebungen und der Hauptstütze kann in ähnlicher Größe liegen. Da der Stahl bei der Hauptstütze zur besseren Momentaufname über einen größeren Umfang verteilt wird, wird dort die Wandstärke eher geringer sein. Besonders für die Hauptstütze bietet sich auch Stahlbeton an.Typical dimensions could be in the case of offshore wind turbines, about 4 to 8 m in diameter of the tubular tower area, 1.50 m to 3 m in diameter of the tubular main support and 0.25 m to 1 m diameter of the rod-like arranged next to it Struts with a total length of the dissolved Range from about 15 m to 20 m. The entire steel cross section in the struts and the main support can be in a similar Size. Because the steel at the main pillar for better snapshot over a larger scope is distributed, the wall thickness will be rather smaller there. Especially for the mainstay reinforced concrete is also an option.

Die Verstrebungen könnten z.B. aus einem Rohling geschmiedet werden. Diese könnten insgesamt durch Schmiedevorgänge an den Enden abgeflacht werden, oder auch in den Endbereichen der Länge nach aufgesägt werden, so daß leichter verformbare Teilquerschnitte entstehen, die dann einzeln zum Radius des Rohrturms geführt werden können. Umgekehrt wäre auch eine Herstellung der Verstrebungen aus mehreren Einzelstäben, Blechen, Seilen oder Fasern möglich, die im mittleren Teil der Verstrebung gebündelt und evtl. mit einer Füllmasse verbunden werden. Die bessere Formbarkeit dieses Materials könnte auch zum Einsatz von faserverstärktem Kunststoff in diesem Bereich führen, was auch gewisse Korrosionsprobleme im Spritzwasserbereich vermeiden würde. Im Falle einer rohrförmigen Verstrebung könnte diese in Nähe ihrer Anschlußstelle zunächst in eine Nierenform übergehen, die sich dann zu einem Bogen weiter abflacht.The struts could e.g. be forged from a blank. Overall, these could be achieved by forging the Flattened ends, or lengthwise in the end areas sawn be so that easier deformable partial cross sections are created, which then individually to the radius of the tube tower can be. Conversely also a production of the struts from several single bars, sheets, ropes or fibers possible, which are bundled in the middle part of the strut and possibly connected with a filling compound become. The better formability of this material could also for the use of fiber-reinforced Lead plastic in this area, which also avoid certain corrosion problems in the splash water area would. In the case of a tubular Could be bracing this nearby their junction first go into a kidney shape that then flattens out into an arc.

Weitere Ausführungsdetails ergeben sich aus den Ansprüchen.Further execution details result from the claims.

Zeichnungendrawings

1 zeigt die Ansicht mit Rohrabschnitten (1, 2) im oberen und unteren Teil des Turms, der verjüngten Hauptstütze (3), die mit konischen Übergangsstücken (4, 5) aus dem Rohrturm (1, 2) entwickelt wird, und einer sichtbaren Verstrebung (6, dahinter verdeckt 7), die an den Enden abgeflacht und verbreitert ist. Die Zeichnung der Zusammenfassung zeigt dieselbe Situation, ergänzt um eine Windturbine (8) am oberen Ende, die Darstellung der Wasseroberfläche (9) und einen Monopfahl (10) im Erdreich (11). 1 shows the view with pipe sections ( 1 . 2 ) in the upper and lower part of the tower, the tapered main pillar ( 3 ) with conical transition pieces ( 4 . 5 ) from the pipe tower ( 1 . 2 ) is developed, and a visible bracing ( 6 , hidden behind 7), which is flattened and widened at the ends. The drawing of the summary shows the same situation, supplemented by a wind turbine ( 8th ) at the top, the representation of the water surface ( 9 ) and a single post ( 10 ) in the ground ( 11 ).

2 zeigt einen horizontalen Schnitt durch einen Turm mit Hauptstütze (3) und zwei Verstrebungen (6, 7), 3 einen Schnitt mit ovaler Hauptstütze (8) und nur einem weiteren Tragelement und Andeutung der vorherrschenden Wellenrichtung (Pfeil 9). 2 shows a horizontal section through a tower with main support ( 3 ) and two struts ( 6 . 7 ) 3 a cut with an oval main support ( 8th ) and only one other support element and indication of the predominant direction of the shaft (arrow 9 ).

4 zeigt einen Querschnitt durch den Verbindungsbereich des Rohrtums (1, oben mit angedeutetem Flansch) mit der konisch aufgeweiteten Wand der Hauptstütze (3) und einen Verstrebung (6). 4 shows a cross section through the connection area of the Rohrtums ( 1 , with the flange indicated above) with the flared wall of the main support ( 3 ) and a brace ( 6 ).

5 zeigt als Querschnitt die Detailausprägung einer seitlichen Halterung der durchlaufenden und als Vollstab ausgeführten Verstrebung (6), die von einem Rohr (12) umfaßt wird, an das ein spiralförmiger Schwingungsdämpfer (13) befestigt ist, und das mit einer kurzen Halterung (14) an der rohrförmigen Hauptstütze (3) befestigt ist. 5 shows a cross-section of the detail of a lateral bracket of the continuous strut and designed as a full bar ( 6 ) from a pipe ( 12 ) to which a spiral vibration damper ( 13 ) is attached with a short bracket ( 14 ) on the main tubular support ( 3 ) is attached.

6 zeigt eine Bauweise gemäß Anspruch 9, bei der sich die Hauptstütze schräg ist und sich etwas aus dem Bereich des Rohrturms heraus entwickelt. Die Ansichten in 1 und 6 sind gegenüber praxisnahen Proportionen etwas gestaucht dargestellt. 6 shows a construction according to claim 9, in which the main support is inclined and develops somewhat out of the area of the tubular tower. The views in 1 and 6 are shown somewhat compressed compared to practical proportions.

7 zeigt die Ansicht eines Verbindungsbereichs mit einem Loch (15) zwischen den Bereichen, an denen die Endbereiche beider Verstrebungen (6, 7) mit dem Rohrturm (1) und mit dem konusartig aufgeweiteten Übergangsbereich (4) der Hauptstütze (3) befestigt sind (Anspruch 7, Querschnitt wie 4). 7 shows the view of a connection area with a hole ( 15 ) between the areas where the end areas of both struts ( 6 . 7 ) with the tubular tower ( 1 ) and with the conical widened transition area ( 4 ) the main support ( 3 ) are attached (claim 7, cross section like 4 ).

8 zeigt einen Verbindungbereich, bei dem eine Verstrebung (6) in einem Loch (16) in der Verbindung Rohrturm (1) – Hauptstütze (3) aus dem Rohrturm entwickelt wird (Anspruch 9), 9 einen dazu gehörigen Querschnitt (gestrichelt: sichtbare Linien hinter der Zeichenebene) 8th shows a connection area in which a strut ( 6 ) in a hole ( 16 ) in the pipe tower connection ( 1 ) - main support ( 3 ) is developed from the tubular tower (claim 9), 9 a corresponding cross-section (dashed lines: visible lines behind the drawing plane)

Claims

Support structure for offshore structures, in which - in vertical order - initially an area consisting of a supporting pillar or tubular tower - then an area consisting of several supporting elements, between which water can flow - and then again an essentially consisting of a pillar or tubular tower or existing monopile Area at least once in succession, characterized in that - the number and the inclination of the elements in the area with several elements is less than would be necessary to transmit forces and moments introduced from above by forces running axially to the elements, - these Elements are dimensioned differently and are therefore differently rigid, and are therefore to a different extent suitable and contribute to transmitting horizontal forces introduced from above over this area, and to derive the tilting moments resulting from the vertical transmission of these horizontal forces - the larger element or at least one the larger elements are transferred from the pillar or tubular tower area by conical or eccentrically conical transition areas, supplemented by additional measures, in particular to connect the other elements.

Support structure according to claim 1, wherein the area consisting of several elements (truss area) from one Element with a larger diameter (hereinafter: main support) and two adjacent, also upright elements with smaller diameter (hereinafter: struts), and at the moment initiated above the truss area in the area of the truss predominantly through opposite Compressive and tensile stresses are transmitted in the three elements, while the Horizontal force introduced from above mostly not by the different direction of axial forces transmitted downwards in bars will, but mostly through the main pillar, whereby the mainstay Includes tilting moments from the horizontal force in the main support and the height the mainstay result.

Support structure according to claim 2, wherein the main support over the predominant Part of their height is conical is formed, with increasing diameter downwards and thereby preferably eccentrically conical, with a larger slope of its lateral surface the side of the struts than on the opposite side.

Support structure according to one of claims 1 or 2, from the main support one or more side supports to the struts or smaller elements that run are not intended to transmit vertical forces to the struts.

Support structure according to one of claims 1 to 3, in which components enclose the struts, and preferably on these cylindrical, enclosing Components damping elements are arranged.

Support structure according to one of claims 1 to 5, above the truss area laterally by guyings is held.

Support structure according to one of the preceding claims, which flattened the struts at their top and / or top end and expanded and formed into an arcuate cross section and are from the outside the transition area between the tubular tower and the main support or its conical end, approach, so that along of the circumference of the pipe tower or its continuation in places service areas the mainstay and a strut run side by side.

Support structure according to claim 7, in which the side or between the areas where you see the connection areas a striving for the rest of the area of the tubular tower and the cone, Holes or only fill in the outer surface with more elastic material Pipe tower and cone are arranged.

Support structure according to one of claims 1 to 6, in the sequence "cone to main pillar "- tubular tower spared holes are at the edges on the side facing the tubular tower, the preferably widened offshoot of the struts.

Support structure according to one of the preceding claims, which is the mainstay and the struts are arranged at an angle to one another, and their center distance widens downwards, so that the tensile and compressive stresses already absorb part of the horizontal load in these elements.

Support structure according to one of the preceding claims, which is the mainstay inclined outwards and, after a reversal point, approaches the struts again.

Support structure according to one of the preceding claims, the middle section consists of an ovalized main tube and one further efforts or additional support consists.