DE202013011256U1

DE202013011256U1 - Fundament für eine Windkraftanlage

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Publication number: DE202013011256U1
Application number: DE202013011256.5U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-02-24
Anticipated expiration: 2023-12-20

Abstract

Fundament (10) für eine Windkraftanlage an Land, umfassend eine in Erdreich (50) eingelassene Fundamentplatte (12) und einen bezüglich einer vertikalen Mittelachse (M) mittig unterhalb der Fundamentplatte (12) im Erdreich (50) angeordneten Fundamentkegel (11), dessen Durchmesser ausgehend von der Fundamentplatte (12) in Richtung des Erdreichs (50) abnimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fundament für eine Windkraftanlage an Land.
Eine übliche Windkraftanlage (WKA) für den Betrieb an Land besteht im Wesentlichen aus einem Turm und einem auf der Turmspitze angebrachten Rotor mit Maschinengondel. Die Windkraftanlage erntet mit dem Rotor die Energie des Windes, wandelt sie über einen Generator in elektrische Energie um und speist sie in das Stromnetz ein.
Der Turm einer solchen Windkraftanlage besteht in der Regel aus einer aus Segmenten zusammengesetzten runden Stahlröhre mit einem Durchmesser von drei bis vier Metern. Der Turm muss sicher im Boden verankert werden, da er, sowohl direkt als auch über den Rotor, einer großen Windlast ausgesetzt ist. An Land wird am häufigsten eine so genannte Flachgründung gewählt, bei der eine flache Betonplatte als Fundament dient. Zur Herstellung der Betonplatte werden üblicherweise zunächst eine Bewehrung und eine Verschalung angelegt, in welche der Beton vergossen wird. Bei inhomogenen Bodenverhältnissen muss vor dem Fundamentbau ein Bodenaustausch vorgenommen werden. Bei weichen Böden müssen Pfähle in den Boden gesetzt werden, die derart mit der Betonplatte verbunden werden, dass sie die auf den Turm und den Rotor einwirkenden Zug- und Druckkräfte ableiten können. Diese Fundamentvariante wird als Pfahlgründung oder Tiefgründung bezeichnet.
Das Zentrum des Fundaments stellt den Ort der Lasteinleitung dar, an dem die Beanspruchung am höchsten ist. Die Simulation der Beanspruchung erfolgt über die Berechnung der Biegemomente sowie der Normalkräfte und Querkräfte, die eine Funktion der Verformung von Turm und Fundament sind. Diese Beanspruchung ist rotationssymmetrisch, da der Turm dem Wind Angriffspunkte über 360° bietet. Daher sind moderne Fundamente kreisrund ausgelegt.
Alle im Stand der Technik bekannten Fundamentvarianten stellen daher eine besondere technische Herausforderung dar, weil im Betrieb der Windkraftanlage enorme Kräfte auf den Turm und den Rotor einwirken, die abgeleitet werden müssen. Daher ist der Fundamentbau technisch und wirtschaftlich äußerst aufwändig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Fundament für eine Windkraftanlage an Land vorzuschlagen, die auf möglichst einfache Weise eine zuverlässige Ableitung der auf den Turm über den Rotor einwirkenden Kräfte in den Baugrund ermöglicht.
Die Lösung besteht in einem Fundament mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung des Fundamentkegels im Zentrum der Fundamentplatte mit einem sich nach unten in Richtung des Erdreichs verringernden Durchmesser bewirkt, dass die auf das Zentrum der Fundamentplatte wirkenden Kräfte über den Fundamentkegel zuverlässig und effektiv in den Baugrund abgeleitet werden. Die Effektivität des Lastabtrags wird durch geringstmögliche Bodenpressungen oder, bei der Verwendung von Pfählen, durch geringstmögliche Pfahlkräfte, aus einem geringstmöglichen Fundamentgewicht (einschließlich des Gewichts einer auf dem Fundament aufliegenden Erdschicht) erreicht, indem die Fundamentdicke vom Zentrum zum Rand hin entsprechend der Beanspruchung des Fundamentes abnimmt.
Das erfindungsgemäße Fundament ist ferner auf technisch besonders einfache Weise herstellbar. Die im Stand der Technik bekannten Fundamente, wie in 1 beispielhaft dargestellt, weisen so genannte oberseitige Fundamentkegel auf, die auf der Oberseite der Fundamentplatte angeordnet sind und deren Durchmesser sich nach oben in Richtung des Turms verringert. Diese im Stand der Technik bekannten Fundamente sind zwar ebenfalls in ihrem Zentrum dicker als an ihrem Rand, um am Ort der größten Beanspruchung des Fundaments eine größere Bauteildicke zu erreichen. Da die Neigung des oberseitigen Fundamentkegels jedoch ohne Schalung hergestellt wird, kann aufgrund der Viskosität des Frischbetons eine Neigung des Fundamentkegels bis höchstens 10° erreicht werden. Dadurch kann allerdings nur ein vergleichsweise geringer Dickenunterschied zwischen dem Zentrum und dem Rand des Fundaments erzielt werden, so dass bei dieser Bauweise ausgehend von einer optimalen Dicke im Zentrum das Fundament an seinem Rand eine für die tatsächliche Beanspruchung nicht benötigte Dicke aufweist. Das Fundamentgewicht ist daher im Stand der Technik nicht das geringstmögliche, sondern gemessen an seiner tatsächlichen Beanspruchung zu hoch.
Im Regelfall ist eine möglichst geringe Beeinträchtigung der Freiflächen durch die Windkraftanlage erwünscht. Die im Stand der Technik bekannten Fundamente weisen diesbezüglich weitere Nachteile auf. Da der oberseitige Fundamentkegel nicht über die Oberfläche des Baugrunds hinausragen darf, muss das Fundament tief im Erdreich liegen. Dies bedeutet, dass ein besonders tiefer Aushub des Erdreichs erfolgen muss. Nach dem Gießen des Fundaments müssen die Seitenflächen des Fundamentkegels oberhalb der Fundamentplatte wieder mit Erdreich verfüllt werden. Die Erdauflast stellt eine zusätzliche mechanische Beanspruchung des Baugrunds durch entsprechend höhere Bodenpressungen dar.
All diese Nachteile werden mit dem erfindungsgemäßen Fundament vermieden. Die Menge des Erdaushubs ist deutlich verringert, da der Fundamentkegel an der Unterseite der Fundamentplatte angeordnet ist und sein Durchmesser sich nach unten in Richtung des Erdreichs verjüngt. Dies bedeutet, dass ein kegelförmiger Erdaushub vorgenommen werden kann, welcher der Kontur des erfindungsgemäßen Fundamentkegels entspricht. Dabei dient das Erdreich als natürliche Verschalung. Eine nachträgliche Verfüllung ist nicht notwendig.
Der Fundamentkegel ist als Kegelstumpf ausgebildet, jedoch wird zur Vereinfachung der Begriff „Fundamentkegel” durchgängig verwendet.
Der Fundamentkegel wirkt aufgrund seiner erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung an der Unterseite der Fundamentplatte selbstzentrierend und selbststabilisierend auf das Fundament. Dies ist insbesondere bei einer Gründung des Fundaments auf Böden mit einem thixotropen Formänderungsverhalten von besonderem Vorteil. Bei Fundamenten für Windkraftanlagen ist die Bodenpressung grundsätzlich am Fundamentrand auf der windabgewandten Seite am größten und fällt von dort bis zum Zentrum des Fundaments auf null ab. Dementsprechend ist die Verformung des Baugrundes am Fundamentrand am größten. Aufgrund wechselnder Windrichtungen ist die gesamte Windeinwirkung auf das Fundament im Laufe seiner Belastungsgeschichte über seinen Rand am größten, so dass die Bodenpressung bzw. die Verformung des Baugrunds immer entlang des Fundamentrands am größten ist und zum Zentrum hin abnimmt. Solange der Baugrund sich unter diesen Belastungen elastisch verhält, ist dieser Sachverhalt unproblematisch.
Sobald sich der Baugrund jedoch plastisch verhält, d. h. sobald die Verformung des Baugrund sich nicht zurückstellt, verändert sich die Gründung von einem steifen und stabilen System, bei dem die Platte vollflächig auf dem Erdreich aufliegt, durch eine umlaufende Klaffung zwischen dem Fundament und dem Baugrund in ein weiches bis labiles System, bei dem geringste Beanspruchungen schon zu großer Verformung des Baugrunds führen können. Man nennt dieses Phänomen das „Fundamentreiten” oder auch das „Baugrundschüsseln”, das insbesondere bei Böden mit einem thixotropen Verhalten unter der schwingenden Wechselbeanspruchung auftritt.
Durch die selbstzentrierende Wirkung des erfindungsgemäß an der Unterseite der Fundamentplatte angeordneten Fundamentkegels wird dieses Baugrundschüsseln durch einen einfachen, aber wirkungsvollen mechanischen Regelkreis verhindert: Wenn der Baugrund am Fundamentrand bleibend verformt wird, dann werden bei weiteren Fundamentverdrehungen aufgrund des in der horizontalen Fläche fehlenden Kontakts zwischen Fundamentplatte und Baugrund die Lasten jetzt an der Flanke des Fundamentkegels in das Erdreich eingeleitet. Dadurch wird das Erdreich zwangsläufig in Richtung des Fundamentrandes nach oben gedrückt, sodass die stattgefundene bleibende Verformung wieder zurückgestellt wird. Wenn das Erdreich im Bereich der Flanke des Fundamentkegels bleibend verformt wird, so rutscht der Fundamentkegel entlang der Flanke nach unten ab, bis die Fundamentplatte wieder auf dem Erdreich aufliegt. Dadurch wird das Erdreich zwangsläufig nach unten und in Richtung des Fundamentkegels gedrückt, sodass die bleibende Verformung wieder zurückgestellt wird. Aufgrund dieses Regelkreises kann sich keine bleibende geschüsselte Baugrundverformung einstellen. Durch die Selbstzentrierung und Selbststabilisierung in Verbindung mit den geringstmöglichen Bodenpressungen aus dem geringstmöglichen Fundamentgewicht kann das erfindungsgemäße Fundament auch in weichen Böden mit plastischem bis hin zum thixotropen Formänderungsverhalten eingesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Fundamentkegel kann mit einer Neigung von bis zu 60° gegen die Horizontale hergestellt werden.
Bei einem Fundament nach dem Stand der Technik können die horizontal wirkenden Kräfte aufgrund der horizontalen Fundamentsohle nur durch einen wenig stabilen und daher wenig effektiven Lastabtrag über Reibung ins Erdreich abgeleitet werden.
Da der erfindungsgemäße Fundamentkegel mit einer Neigung von bis zu 60° hergestellt werden kann, können insbesondere auch die horizontal wirkenden Kräfte besonders stabil und damit besonders effektiv im Zusammenwirken mit den vertikalen Kräften über Druckspannungen senkrecht zur Fuge zwischen Erdreich und Fundamentbeton in das Erdreich übertragen werden. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung des Fundamentkegels unterhalb der Fundamentplatte können aber auch Horizontalkräfte ohne ein Zusammenwirken mit vertikalen Kräften in das Erdreich übertragen werden, wie das bei einer Tiefergründung der Fall ist, bei der alle Vertikalkräfte über die Pfähle abgeleitet werden. Die in diesem Fall auf das Erdreich wirkenden horizontalen Spannungen aktivieren in Abhängigkeit von dem natürlichen Böschungswinkel des anstehenden Erdreichs den so enannten passiven Erddruck als Widerstand, dessen Tragfähigkeit durch die oberseitig angeordnete Fundamentplatte erhöht wird, da hier das Erdreich nicht nach oben ausweichen kann. Diese Möglichkeit des Lastabtrags über die Aktivierung des passiven Erddrucks ist bei der üblichen Fundamentform nach dem Stand der Technik nicht möglich.
Die bevorzugte Neigung des Fundamentkegels für eine geringstmögliche Beanspruchung des Baugrunds verbunden mit einem geringstmöglichen Fundamentgewicht und einer vollen Ausnutzung der Materialfestigkeiten von Betonstahl und Beton an allen Stellen sowie einem einbaubaren Bewehrungsgrad liegt zwischen 30° und 45°.
Eine Neigung bis 60° ist dann effektiv, wenn eine volle Ausnutzung des einbaubaren Bewehrungsgrades vermieden werden soll und zugleich die Tragfähigkeit des Baugrunds kein minimiertes Fundamentgewicht erforderlich macht. Steilere Baugrubenböschungen als 60° dürfen aus Gründen der Arbeitssicherheit nur in felsigem oder felsähnlichem Baugrund gebaut werden. Eine Neigung bis 20° ist dann zweckmäßig, wenn mit dem anstehenden Baugrund keine steilere Böschungsneigung als verlorene Schalung der Fundamentform herstellbar ist.
Gemäß dem Stand der Technik wirken alle Fundamente für Windkraftanlagen aufgrund der geringen Dickenunterschiede zwischen ihrem Zentrum und ihrem Rand als ebene Plattentragwerke. Dadurch wird zur Berechnung der Statik die Analyse des inneren Kraftflusses auf die Möglichkeiten der Plattentheorie unter Anwendung der Elastizitätstheorie begrenzt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Neigung des Fundamentkegels von bis zu 60° und der daraus resultierenden großen Dickenunterschiede zwischen dem Zentrum und dem Rand des erfindungsgemäßen Fundaments bei gleichzeitiger Zunahme des Verhältnisses von Bauteilfläche zu Bauteildicke ist es möglich, die Berechnung nach der Plattentheorie unter Anwendung der Elastizitätstheorie im verdickten Bereich um die Analyse eines räumlich wirkenden Kraftflusses unter Anwendung der Plastizitätstheorie zu erweitern. Dazu wird in den verdickten Bereich des Fundaments gedanklich ein sogenannter Ersatzhohlkasten gelegt, der die Kräfte ringförmig um das Zentrum herumzuführen vermag, ohne eine Kraftübertragung über das Zentrum zu benötigen. In dem statischen Modell besteht also in der Mitte ein Loch.
Durch die erfindungsgemäße Form kann also der Nachteil der unvollständigen Nachweisführung vermieden werden, wodurch eine höhere Sicherheit und eine höhere Dauerhaftigkeit des erfindungsgemäßen Fundaments erreicht wird.
Zusätzlich verwendete Pfähle werden geringer belastet als im Stand der Technik. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Fundaments gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich aus dem Umstand, dass die Pfähle vor dem Aushub für das Fundament hergestellt werden müssen. Die effektivste Form der Herstellung sind Rammpfähle, die von Gerätschaften abgeteuft werden, die auf einem Schotterplanum, der so genannten Rammebene, auf Höhe des bestehenden Geländes positioniert werden. Die tiefstmögliche Lage der Pfahloberkante ist dabei die Höhenlage der Rammebene, die beim erfindungsgemäßen Fundament in der Regel der Oberseite der Fundamentplatte entspricht. Der kraftschlüssige Kontakt zwischen Pfahlbeton und Fundamentplatte liegt jedoch auf der Unterseite der Fundamentplatte, also bei der erfindungsgemäßen Fundamentform in der Praxis lediglich etwa 1 m tiefer. Da für die Lasteinleitung eine Verbindung zwischen dem Betonstahl des Pfahls und dem Beton der Fundamentplatte erforderlich ist, wird die Bewehrung im Pfahl bis zur Höhe der Unterseite der Fundamentplatte freigelegt, um dann kraftschlüssig mit dem Beton der Fundamentplatte vergossen zu werden. Bei der Fundamentform nach dem Stand der Technik ist hier jedoch ein wesentlich höherer Aufwand erforderlich, da die Unterseite der Fundamentplatte wesentlich tiefer liegt. Das bedingt mehr Aushub um die Pfähle herum und eine zusätzliche Maßnahme, da die Pfahlbewehrung nicht nur entsprechend der Einbindelänge in die Fundamentplatte freigelegt werden muss, sondern der Überstand auch gekappt und beseitigt werden muss.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Fundaments erlaubt es ferner, die Fundamentplatte mit großem Querschnitt und möglichst wenig Betonwerkstoff zu verwenden, da der Fundamentkegel die auf den Turm einwirkenden Kräfte besonders effektiv ableitet. Insgesamt wird das Erdreich mit Werten von etwa 100 kN/m² deutlich weniger belastet als im Stand der Technik mit Werten von etwa 200 kN/m². Aufgrund dieser geringen Beanspruchung des Baugrunds wird in den seltensten Fällen eine Baugrundverbesserung erforderlich sein, und wenn, dann nur direkt unter der Fundamentplatte. Die Fundamentplatte überträgt in diesem Fall dann die vertikalen Fundamentlasten in den verbesserten Kreisring, und im Bereich des Fundamentkegels werden keine vertikalen Lasten in das Erdreich abgetragen.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen in schematischer, nicht maßstabsgetreuer Darstellung:
1 eine Windkraftanlage auf einem Fundament gemäß dem Stand der Technik;
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fundaments;
3 das Fundament gemäß 2 in einer Ansicht von unten;
4 der Gewindekorb des Fundaments gemäß 2 in einer Draufsicht;
5 eine Detailansicht eines Gewindestangenpaars des Gewindekorbs gemäß 4 im Schnitt;
6a bis 6f eine Darstellung von Bauabschnitten zur Herstellung des Fundaments gemäß 2.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fundaments 10. Das Fundament 10 weist einen Fundamentkegel 11 und eine Fundamentplatte 12 auf, die in das Erdreich 50 eingegossen sind. Der Fundamentkegel 11 ist unterhalb der Fundamentplatte 12 angeordnet. Der Durchmesser des Fundamentkegels 11 nimmt erfindungsgemäß, ausgehend von der Fundamentplatte 12, von oben nach unten in Richtung des Erdreichs 50 ab. Der Kegelmantel 11 des Fundamentkegels 11 bildet zusammen mit der Horizontale der Fundamentplatte 12 einen Winkel α, der im Ausführungsbeispiel 45° beträgt. Der Fundamentkegel 11 und die Fundamentplatte 12 sind im Ausführungsbeispiel von einer Sauberkeitsschicht 13 unterlegt, die in an sich bekannter Weise vor dem Bau des Fundaments in die Baugrube eingegossen wird. Im Ausführungsbeispiel ruht das Fundament 10 zusätzlich auf einer Anzahl von Pfählen 14. Diese Maßnahme ist nicht zwingend notwendig, jedoch insbesondere bei nicht ausreichend belastbarem Erdreich 50 ratsam.
Auf der Fundamentplatte 12 ist eine Konterplatte 15 vorgesehen, die als Basis für den Turm der Windkraftanlage dient. Die Fundamentplatte 12 ist im Ausführungsbeispiel mit Ausnahme der Konterplatte 15 von aufgeschüttetem Erdreich 51 bedeckt. Die Fundamentplatte 12 kann auch, sofern es baurechtlich zulässig ist, unüberdeckt ausgeführt werden, oder um das Überdeckungsmaß, sofern baurechtlich erforderlich, tiefer eingebaut werden.
In der Mitte des Fundaments 10 ist rotationssymmetrisch zur Mittelachse M ein Gewindestangenkorb 16 in eine Vertiefung 17 eingestellt, in den Fundamentkegel 11, die Fundamentplatte 12 sowie die Konterplatte 15 eingegossen und praktisch vollständig im Fundament 10 eingebettet. Auf dem Gewindestangenkorb 16 ist ein Fundamentadapter 18 montiert, auf dem das unterste Segment des Turms der Windkraftanlage befestigt wird.
Schließlich sind Leerrohre 19 in das Fundament 10 eingegossen, die dazu dienen, die elektrischen Anschlussleitungen der Windkraftanlage aufzunehmen. Ein oder mehrere Leerrohre 19 können als Entwässerungsrohre verwendet werden. Die Lehrrohre 19 sind im Fundament 10 eingegossen und verlaufen innerhalb des Gewindestangenkorbs 16. Die Lehrrohre 19 treten durch die Sauberkeitsschicht 13 ins Erdreich 50 aus. Sie sind unterhalb des Fundaments 10 in an sich bekannter Weise in unbewehrtem Beton lagesicher in einem Graben verlegt. Die Lehrrohre 19 treten an einem geeigneten Punkt aus dem Erdreich 50 auf und führen bis zu einer Transformatorenstation.
Der Kegelmantel 11' des erfindungsgemäß angeordneten Fundamentkegels 11 kann, wie oben beschrieben, mit einem Neigungswinkel α von bis zu 60°, bevorzugt 30° bis 45° gegossen werden, so dass die auf den Turm wirkenden Kräfte, insbesondere auch die horizontal auf den Turm wirkenden Kräfte, besonders effektiv unter Ausnutzung der selbstzentrierenden Wirkung vom Fundamentkegel 11 ins Erdreich 50 abgeleitet werden. Bei gering belastbarem Erdreich 50 muss eine Bodenverbesserung, falls überhaupt, lediglich direkt unter der Fundamentplatte 12 vorgenommen werden. Der Fundamentkegel 11 ist auch ohne Bodenverbesserung aufgrund seiner erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung für jedes Erdreich geeignet, das eine Tragfähigkeit von mindestens 100 kN/m² aufweist. Die Pfähle 14 sind geringer belastet als im Stand der Technik üblich. Die Fundamentplatte 12 kann mit großem Querschnitt und möglichst wenig Betonwerkstoff hergestellt werden, da der Fundamentkegel 11 die auf den Turm einwirkenden Kräfte besonders effektiv ableitet. Ferner wird das Erdreich mit Werten von etwa 100 kN/m² deutlich weniger belastet als im Stand der Technik mit Werten von etwa 200 kN/m².
3 zeigt das erfindungsgemäße Fundament 10 in einer Ansicht von unten. Die Pfähle 14 bestehen im Ausführungsbeispiel aus an sich bekannten Fertigteilen aus Stahlbeton mit einem Querschnitt von 45 cm × 45 cm. Im Ausführungsbeispiel sind 33 Pfähle in einem der Kontur der Fundamentplatte 12 entsprechenden Kreisring in gleichem Abstand voneinander angeordnet. Hierbei sind fünfzehn Pfähle 14a lotrecht angeordnet. Zwölf Pfähle 14b sind strahlenförmig radial nach außen mit einer Neigung von 4:1 angeordnet und dienen zur Lastableitung von Horizontalkräften. Sechs Pfähle 14c dienen zur Lastableitung von Horizontal- und Torsionskräften und sind mit einer Neigung von 4:1 so angeordnet, dass ihre gedachten Verlängerungen ein Dreieck bilden. Die Pfähle 14 sind insgesamt symmetrisch angeordnet, derart, dass die Mittelachse M eine dreizählige Drehachse bildet.
Die 4 und 5 zeigen Details des Gewindestangenkorbs 16 aus 2. Im Ausführungsbeispiel besteht der Gewindestangenkorb 16 aus achtzig Paaren von Gewindestangen 21. Die Gewindestangen 21 weisen eine Länge von etwa 4,5 m bei einem Gewindedurchmesser von M48 nach DIN 13-1 auf und können mit einer Vorspannkraft von bis zu 720 kN vorgespannt werden. Die Gewindestangen 21 sind mit einer schützenden Bitumenbeschichtung 22 mit einer Schichtdicke von mindestens 4 mm versehen. Andere als Schutzschichten geeignete Werkstoffe können ebenfalls verwendet werden.
Im unteren Teil der 5 sind die unteren Enden eines Paar von Gewindestangen 21 dargestellt, die im Fundamentkegel 11 eingegossen sind. Die Bewehrung 11a des Fundamentkegels 11 ist punktiert angedeutet. Die unteren Enden der Gewindestangen 21 sind mit einer ringförmigen Fixierring 23, der auch segmentiert sein kann, gegeneinander fixiert.
Im oberen Teil der 5 sind die oberen Enden des dargestellten Paars von Gewindestangen 21 abgebildet, die in die Konterplatte 15 eingegossen sind. Die Bewehrung 15a der Konterplatte 15 ist punktiert angedeutet. Der ringförmige Fundamentadapter 18 weist einen Fuß 18a auf, der auf den Gewindestangen 21 befestigt ist, sowie einen Montagering 18b, an dem das unterste Segment des Turms der Windkraftanlage befestigt werden kann. Der Fuß 18a und der Montagering 18b sind bereits ab Werk verschweißt. Der Fuß 18a ist in die Konterplatte 15 eingegossen, während der Montagering 18b aus der Konterplatte 15 herausragt. Der Montagering 18b ist in an sich bekannter Weise mit einer flexiblen, wasserdichten Beschichtung 18c aus Kunststoff versehen. Oberhalb und unterhalb des Fußes 18a befinden sich Justiermuttern 24a, 24b aus Kunststoff, bspw. einem Polyamid. Die Justiermuttern 24 dienen zur Ausrichtung des auf den Gewindestangen 21 installierten Fundamentadapters 18 vor dem Vergießen der Konterplatte. Das aus der Konterplatte 18 herausragende obere Ende jeder Gewindestangen 21 ist in an sich bekannter Weise mit einer Teleskopkappe 25 abgedeckt.
Unterhalb des Fußes 18a des Fundamentadapters 18 sind ferner Injektionsschläuche 26 angeordnet, die in an sich bekannter zum Injizieren von Feinbeton dienen, um eventuell auftretende Risse in der Konterplatte 15, der Fundamentplatte 12 und dem Fundamentkegel 11 zu schließen.
Das Fundament gemäß 2 kann wie folgt hergestellt werden.
Wie in 6a dargestellt, wird zunächst eine Baugrube 31 ausgehoben, deren Kontur den Konturen des Fundamentkegels 11 und der Fundamentplatte 12 entspricht. Anschließend ist die Belastbarkeit, Steifigkeit und Tragfähigkeit des Baugrunds zu überprüfen. Ggf. kann in an sich bekannter Weise eine Ausgleichs- oder Bettungsschicht aus Schotter auf die Oberfläche der Baugrube 31 aufgebracht werden. In der Mitte der Baugrube 31 wird eine kreisförmige Vertiefung 17 ausgehoben.
Die Menge des Erdaushubs ist gegenüber dem Stand der Technik deutlich verringert, da der Fundamentkegel 11 an der Unterseite der Fundamentplatte 12 angeordnet ist und sein Durchmesser sich nach unten in Richtung des Erdreichs 50 verjüngt. Dies ermöglicht den kegelförmigen Erdaushub. Dabei dient das Erdreich 50 als natürliche Verschalung für das spätere Vergießen von Fundamentkegel 11 und Fundamentplatte 12. Eine nachträgliche Verfüllung der Baugrube 31 ist nicht notwendig.
Falls eine Tiefergründung des erfindungsgemäßen Fundaments 10 mit Pfählen 14, bspw. Rammpfählen, gewünscht wird, werden diese an den dafür berechneten Punkten in die Baugrube 31 eingesetzt, so dass sie bis zur Erdoberfläche ragen.
Ferner werden die Leerrohre 19 verlegt, die zur Aufnahme der elektrischen Leitungen zum Transport der erzeugten elektrischen Energie zu einer Transformatorstation dienen (siehe 2). Die Lehrrohre 19 werden unterhalb der Baugrube 31 in an sich bekannter Weise in einem Graben in unbewehrtem Beton lagesicher verlegt.
Gemäß 6b wird auf die ordnungsgemäß vorbereitete Oberfläche der Baugrube 31 in an sich bekannter Weise die Sauberkeitsschicht 13 aus Magerbeton oder aus Beton der geringsten Güte für ein bewehrtes Bauteil (C16/20) aufgetragen, um einen zusätzlichen Korrosionsschutz zu erlangen. Die Sauberkeitsschicht 13 ist etwa 10 bis 20 cm dick. Die Sauberkeitsschicht 13 umhüllt nun die Leerrohre 19 im Bereich der Vertiefung 17.
Der Gewindestangenkorb 16 wird nun in die Vertiefung 17 gestellt. Aufgrund seines hohen Eigengewichts ist keine zusätzliche Fixierung in der Baugrube 31 erforderlich. Falls gewünscht, können die unteren freien Enden der Gewindestangen 21 mit einem Betonumguss fixiert werden. Die oberen freien Enden der Gewindestangen 21 werden mit Hilfe einer Schablone 32 fixiert. Anschließend werden die Gewindestangen 21 wie im Voraus berechnet ausgerichtet.
Nun werden in drei separaten Betonierabschnitten der Fundamentkegel 11, die Fundamentplatte 12 und die Konterplatte 15 gegossen. Die zum Gießen des Fundamentkegels 11 und der Fundamentplatte 12 (Schritte 6d und 6e) geeignete Betonqualität hängt von den Anforderungen des Einzelfalls ab, insbesondere von den vorab berechneten Lasten, die beim Betrieb der Windkraftanlage auf das Fundament 10 einwirken. Es ist jedoch grundsätzlich ratsam, Beton mit einem hohen Wassereindringwiderstand, einer langsamen Festigkeitsentwicklung und einer niedrigen Wärmeentwicklung zu verwenden.
Gemäß 6d wird zunächst wird die kreisförmige und/oder strahlenförmige Bewehrung 11a aus Stahl für den Fundamentkegel 11 eingebaut. Falls gewünscht, können Injektionsschläuche für Feinzement am Fuß des Gewindestangenkorbs 16 verlegt werden (nicht dargestellt). Anschließend wird der Fundamentkegel 11 gegossen. Der Gewindestangenkorb 16 und die im Gewindekorb 16 angeordneten Leerrohre 19 sind nun mit dem Fundamentkegel 11 umgossen. Falls der Beton den Fuß des Gewindestangenkorbs 16 nicht vollständig umschließen sollte, kann über die Injektionsschläuche zusätzlich Feinzement in den Fundamentkegel 11 injiziert werden.
Anschließend wird eine kreisförmige und/oder strahlenförmige Bewehrung aus Stahl für die Fundamentplatte 12 eingebaut und daraufhin die Fundamentplatte 12 gegossen, wie es in 6e dargestellt ist. Somit sind sowohl die Leerrohre 19 als auch große Teile des Gewindestangenkorbs 16 von der Fundamentplatte 12 umgossen, ebenso wie die aus dem Erdreich ragenden freien Enden der Pfähle 14.
In der folgenden Bauphase wird gemäß 6f zunächst die kreisförmige und/oder strahlenförmige Bewehrung 15a aus Stahl für die Konterplatte 15 eingebaut. Anschließend wird der Fundamentadapter 18 auf dem Gewindekorb 16 installiert, ausgerichtet und mit den Justiermuttern 24a, 24b arretiert. Ferner werden die Injektionsschläuche 26 zur Injektion von Feinzement eingebaut. Daraufhin wird die Konterplatte 15 gegossen. Nunmehr ist der Gewindestangenkorb 16 mit Ausnahme der oberen Justiermuttern 24a vollständig umgossen. Auch die Leerrohre 19 sind von der Konterplatte 15 umgossen.
Die Fundamente nach dem Stand der Technik werden in einem Zug gegossen, so dass es zu Verformungsunterschieden zwischen dem nachgiebigen weichen Boden und den im Verhältnis dazu starren Pfahlköpfen kommen kann. Das führt dazu, dass das Fundament im nichtausgehärteten Zustand eine unplanmäßige Biege- und Schubbeanspruchung erfährt.
Das erfindungsgemäße Fundament 10 wird hingegen in mehreren Betonierabschnitten gegossen. Der Fundamentkegel 11 verhält sich aufgrund seiner Ausbildung und Anordnung im Bauzustand in Verbindung mit den einzelnen Betonierabschnitten selbstzentrierend, selbstnivellierend und selbstverdichtend, insbesondere bei weichen Böden mit Pfahlgründung. Bei Pfahlgründungen werden die Setzungen im Erdreich zwischen den Pfählen 14 im Bauzustand verursacht, die erst dann zum Erliegen kommen, wenn die Kraftschlüssigkeit durch den ausgehärteten Beton zu den Pfählen 14 erreicht wird.
Der flüssige Beton des ersten Betonierabschnitts (Fundamentkegel 11) verdichtet durch seine Auflast das Erdreich sowohl unter seiner horizontalen Fläche, daher ist das System selbstverdichtend, als auch unter der schrägen Mantelfläche, ohne dabei die Kraftschlüssigkeit zwischen Erdreich und Fundamentkegel 11 zu verlieren, daher ist das System selbstzentrierend. Dabei entsteht zwangsläufig eine irreversible erste Baugrundverformung, die sich auch an der Lage des Gewindestangenkorbs 16 abzeichnet, ohne dass der Fundamentkegel 11 eine Beanspruchung erfährt, da noch keine Verbindung zu einem Pfahl 14 besteht. Beim zweiten Betonierabschnitt (Fundamentplatte 12) wird diese Verformung zwangsläufig ausgeglichen, da immer mit einem Bezug zu einer horizontalen Ebene gebaut wird. Daher ist das System selbstnivellierend. Beim zweiten Betonierabschnitt wird jetzt die Verbindung zu den unverschieblichen Pfahlköpfen hergestellt. Die Verformungszunahme durch den zweiten Betonierabschnitt wird jedoch nur noch gering ausfallen, da die größten Verformungen durch den vorigen Betonierabschnitt mit einem wesentlich höheren Betonierdruck verursacht wurden und dabei durch die zentrierende Wirkung auch das Erdreich im Bereich der Pfähle 14 mitverdichtet wurde und weil eine krümmende Verformung durch den schon erhärteten ersten Betonierabschnitt nicht mehr möglich ist.
Nach dem Aushärten des Betons ist das erfindungsgemäße Fundament 10 fertig gestellt. Die Fundamentplatte 12 wird mit aufgeschütteter Erde 51 bedeckt. Die Gewindestangen 16 werden in an sich bekannter Weise vorgespannt, so dass das unterste Segment des Turms der Windkraftanlage montiert ist. Damit sind die Vorarbeiten zur Montage der Windkraftanlage abgeschlossen.
Eine wesentliche Besonderheit besteht in der Kombination und der Montageabfolge der Konterplatte 15 aus Beton, der Justiermuttern 24 aus Kunststoff, dem Injektionsschlauch 26 und dem Fundamentadapter 18 zur kraftschlüssigen Verbindung des Betons mit dem Stahlturm, da damit eine wesentliche Vereinfachung und Verbesserung gegenüber der Verbindung nach dem Stand der Technik erreicht wird.
Nach dem Stand der Technik wird die Konterplatte 15 betoniert, ohne dass der Fundamentadapter schon montiert ist. Dann wird der Fundamentadapter 18 mit einem Spalt von mindestens 3 cm montiert. Dann wird der Spalt zwischen dem Fuß 18a des Fundamentadapters mit einem hochfesten kunststoffmodifizierten Mörtel kraftschlüssig verfüllt. Diese Bauweise ist mit dem Nachteil verbunden, dass an den Mörtel in der Fuge besonders hohe Anforderungen an die Materialeigenschaften gestellt werden müssen: Hohe Druckfestigkeit, hohe Zugfestigkeit, hoher E-Modul, hohe Elastizitätsgrenze, ausgeprägte Plastizität, niedriges Kriechmaß und schwindfreies und leicht quellendes Verhalten. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass der Mörtel nur dann eine hohe Druckfestigkeit in der Fuge aufweisen kann, wenn er gleichzeitig hohe Querzugspannungen aufnehmen kann, da der Mörtel sonst am Randbereich durch die hier zwangsläufigen Kraftumlenkungen zerstört wird, und dann das Risiko besteht, dass eine solche Materialzermürbung sich vom Rand nach innen fortsetzt und so die Mörtelfuge durch mechanische Beanspruchung erodiert.
Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung sind weder diese hohe Anforderung noch dieses nachteilige Risiko gegeben. Da der Beton direkt gegen den Fuß 18a betoniert wird, ist keine Mörtelfuge erforderlich. Das ist jedoch nur möglich, indem der Fundamentadapter 18 vor dem Ausgießen in seiner Lage ausgerichtet und mit Justiermuttern 24a, 24b in seiner Lage fixiert wird. Nur durch die Verwendung von Justiermuttern 24a, 24b aus Kunststoff kann jedoch die erforderliche Vorspannung durchgeführt werden, bei der die Justiermuttern 24a, 24b planmäßig zerstört werden. Durch die Konterplatte 15 aus Beton ist die Lasteinleitungsstelle allseitig so von Beton umgeben, sodass mit normalen Betonen die gleichen Druckspannungen wie von hochfesten Mörteln und mit hochfesten Betonen höhere Druckspannungen als von hochfesten kunststoffmodifizierten Mörteln aufgenommen werden kann, sodass keine besonderen Materialanforderungen an den Beton der Konterplatte 15 gestellt werden müssen. Durch den Injektionsschlauch 26 wird sichergestellt, dass die erforderliche Betonfestigkeit und Gefügequalität an der am höchsten beanspruchten Stelle auch tatsächlich gegeben ist und bei Soll-Ist-Abweichungen hier durch die Injektion von Zementleim eine Nachverfestigung möglich ist. Mit dieser Anordnung ist also mit geringerem Aufwand eine tragfähigere und dauerhaftere Verbindung mit dem Turm der Windkraftanlage möglich als nach dem Stand der Technik, sodass höhere Turmbeanspruchungen und damit leistungsfähigere Windkraftanlagen ohne Vergrößerung der Turmdurchmesser kraftschlüssig mit dem Fundament 10 verbunden werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 13-1 [0039]

Claims

Fundament (10) für eine Windkraftanlage an Land, umfassend eine in Erdreich (50) eingelassene Fundamentplatte (12) und einen bezüglich einer vertikalen Mittelachse (M) mittig unterhalb der Fundamentplatte (12) im Erdreich (50) angeordneten Fundamentkegel (11), dessen Durchmesser ausgehend von der Fundamentplatte (12) in Richtung des Erdreichs (50) abnimmt.
Fundament nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelmantel (11') des Fundamentkegels mit der Horizontalen einen Winkel (α) bis zu 60°, vorzugsweise 30° bis 45°, einschließt.
Fundament nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich der Mittelachse (M) mittig oberhalb der Fundamentplatte (12) eine Konterplatte (15) vorgesehen ist.
Fundament nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fundamentplatte (12) von Pfählen (14) gestützt ist.
Fundament nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfähle (14) kreisförmig im Randbereich der Fundamentplatte (12) angeordnet sind.
Fundament nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfähle (14) in gleichem Abstand zueinander angeordnet sind.
Fundament nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfähle (14) symmetrisch angeordnet sind, derart, dass die vertikale Mittelachse (M) eine dreizählige Drehachse bildet.
Fundament nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich der vertikalen Mittelachse (M) mittig ein aus einer Anzahl von Gewindestangen (21) bestehender Gewindestangenkorb (16) in das Fundament (10) eingelassen ist, und dass die oberen freien Enden der Gewindestangen (21) das Fundament (10) überragen.
Fundament nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Gewindestangenkorb (16) ein Fundamentadapter (18) befestigt ist.
Fundament nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindestangenkorb auf einer unterhalb des Fundamentkegels (11) angeordneten Ankerplatte (17) verankert ist.