DE3819233A1 - Verfahren zum herstellen von knoten fuer fachwerksrohrkonstruktionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Knoten in Fachwerksrohrkonstruktionen. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren zur Bildung der Verbindungsstücke zwischen einem Pfosten einer Fachwerksrohrkonstruktion und den Querstreben, welche diese mit einem anderen Pfosten verbinden, beispielsweise bei den Pfosten von Offshoreöl- und Gasprospektions- und Produktionsplattformen.

Gewisse Arten von Offshoreplattformen werden durch Konstruktionen abgestützt, welche durch lange röhrenförmige Elemente (Pfosten) gebildet sind, die durch rohrförmige Querelemente, sog. Streben, verbunden sind. Diese Konstruktionen stehen kontinuierlich unter Spannung, nicht nur durch das Gewicht der Plattform sondern auch durch die Wellen des Ozeans, wobei die zyklische Belastung von erheblicher Größe ist. Solche Konstruktionen müssen daher sehr beachtliche Zug-, Kompressions-, Biege- und insbesondere Ermüdungsfestigkeit aufweisen.

Ein wesentlicher Punkt der Kräfteansammlung ist die Übergangszone zwischen Pfosten und Querstrebe. Diese Zone muß daher so ausgelegt und sehr sorgfältig konstruiert sein, um die hohen Kräfte auszuhalten, denen diese Zone über die sehr lange Lebensdauer der Plattform ausgesetzt ist und während der es praktisch unmöglich ist, irgend eine Wartung auszuführen.

Der übliche Aufbau der die Plattform abstützenden Konstruktionen, Gerüste oder Gestelle besteht aus geschweißten Rohren und ist aus einer Vielzahl von Gründen nicht als zufriedenstellend anzusehen. Ein Hauptnachteil ist darin zu sehen, daß die Schweißnähte zwischen den Pfosten und Streben genau in der gerade erwähnten Übergangszone sich befinden, nämlich wo die maximale Lastkonzentration auftritt. Dies ist ein Faktor, der gewiß sehr sorgfältig beachtet werden muß, insbesondere weil in Konstruktionen dieser Abmessungen es sehr schwierig ist, vollständig gesunde Schweißungen zu machen und diese zu überprüfen.

Andere Konstruktionsmodelle wurden vorgeschlagen, die beispielsweise relativ kleine volle Knoten oder Bunde bzw. Schellen, je mit einem Streb tragenden Stutzen versehen oder auch gegossene Knoten, die bei üblichen Plattformkonfigurationen ihre Anwendung fanden. Diese leiden jedoch an einer Anzahl von Nachteilen.

Handelte es sich um vollständig röhrenförmige Konstruktionen, so besteht eine der interessantesten Lösungen, die in der norwegischen Patentanmeldung 84-3792 vorgeschlagen wurde, zur Bildung des übergangs (Stutzens) zwischen Pfosten und Strebe eine Stahlplatte vorzusehen, die so gekrümmt ist, daß sie sich dem Radius des Pfostens anpaßt und durchbohrt ist, wo die Verbindung gemacht werden soll und die dann am Loch zur Bildung des Stutzens extrudiert wird. Dieses Blech wird montiert und geschweißt mit anderen zweckmäßig gestalteten Blechen zur Bildung des Knotens.

Diese Lösung ist zwar vom theoretischen Standpunkt aus interessant, jedoch tatsächlich durch mehrere ziemlich gravierende Nachteile behaftet. Um beispielsweise die Verbindung mit der Strebe vom Pfosten so weit wie möglich fortzulegen, muß eine beachtliche Verformung durch Extrusion (Strangpressen) vorgenommen werden. Dies führt zu einem übermäßigen Dünnwerden der Wandungen des Stutzens; um dieses Dünnerwerden innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten und insbesondere sicherzustellen, daß keine größeren Diskontinuitäten hinsichtlich der Dicke im übergang mit der Strebe vorhanden sind, ist es notwendig, von einer sehr viel dickeren Platte als sonst erforderlich wäre, auszugehen. Wünscht man andererseits, die Platten- oder Blechdicke an die für den Pfosten verwendete anzupassen, da das Loch für das Extrudieren benötigt wird, können nur Stutzen sehr begrenzter Länge hergestellt werden; dies vermindert den Vorteil, die Verschweißung mit der Strebe ein beachtliches Stück von der Oberfläche des Pfostens fort zu verlegen.

Es ist daher klar, daß das Interesse an dieser Lösung klar wegen solch ungünstigen Faktoren wie übermäßige Gewichtszunahme begrenzt ist, verglichen mit den bekannten Rohrknoten, den möglichen Veränderungen in der Dicke längs des Pfostens und der kurzen Entfernung zwischen Schweißung und Pfosten.

Selbst heute gibt es, kurz gesagt, keine verläßliche Knotenkonstruktionstechnologie für große Fachwerk- oder Gitterkonstruktionen wie sie zum Tragen von Offshoreplattformen Verwendung finden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten zu überwinden, indem ein neuer Weg aufgezeigt wird, wie man die Knoten auf großen Rohrgitterkonstruktionen herstellt; durch die Maßnahme nach der Erfindung soll die Produktion von Knoten mit einer beliebigen Anzahl von Stutzen möglich werden, welche in adäguater Weise die Entfernung zwischen den Strebschweißungen von der Oberfläche des Pfosten festlegen und hierdurch die Einhaltung von Sicherheitsgrenzen ermöglichen, wobei solche Streben unter irgend einem gewünschten Winkel zum Pfosten gesetzt werden.

Die Erfindung geht somit aus von einem Verfahren zum Herstellen von Fachwerksrohrkonstruktionen, gebildet aus länglichen Elementen, sog. Pfosten, die über rohrförmige Transversalelemente, sog. Streben, über Zwischenelemente, sog. Knoten, miteinander verbunden sind, die je mit wenigstens einem Verbindungselement, dem sog. Stutzen, zwischen Pfosten und Streben versehen sind.

Als neu und erfinderisch werden die folgenden Merkmale angesehen.

• - Der Stutzen wird ausgehend von einem Stahlblech hergestellt
• - Das Stahlblech wird in U-Gestalt gebogen
• - Der so erhaltene gekrümmte Teil des Werkstücks wird erwärmt
• - Ein Vorsprung auf dem erwärmten Teil wird durch Bildung auf einer Matrize erzeugt
• - Der Krümmungsradius des gekrümmten und so hergestellten Werkstücks wird dem des Pfostens angepaßt
• - Der geformte Teil wird längs der Mittellinie des Vorsprungs gebohrt
• - Der geformte und durchbohrte Teil wird auf die Endgestalt des Stutzens extrudiert.

Indem wenigstens eines der so erhaltenen Werkstücke mit wenigstens einem gekrümmten Blech zusammengebaut bzw. montiert wird, wird ein Knoten zum Lagern auf einem Pfosten geformt.

Somit wird für eine röhrenförmige Gitterfachwerkskonstruktion eine Lösung geschaffen, die insbesondere für solche Gestelle oder Gerüste brauchbar ist, die Offshoreplattformen für Öl- und Gasprospektion und -produktion abstützen, wobei von einem Verfahren der oben genannten Art ausgegangen wird.

Der gekrümmte Teil des durch in U-Formbiegens des Blechs erhaltenen Werkstücks wird auf eine Temperatur zwischen 950 und 1200°C erwärmt, so daß ein schnelles Warmformen des Werkstücks in der folgenden Stufe, vorzugsweise in einem einzigen Vorgang, ermöglicht wird.

Die Verformung eines Teils der erwärmten Zone des in U-Form gebogenen Werkstücks auf einer Matrizenform ist so ausgelegt, daß ein Vorsprung auf der konvexen Fläche des U-Werkstücks gebildet wird; dieser Vorsprung hat einen Durchmesser, der dem des endgültigen Stutzens benachbart ist sowie eine vernünftige Länge und eine Achse, die gemäß dem Winkel orientiert ist, unter dem die Strebe mit dem Pfosten verbunden werden soll, aufweist.

Die Verformung kann erreicht werden, indem das erwärmte in U-Form gebogene Werkstück in einer ähnlich gekrümmten Matrize mit einer Ausnehmung geformt wird, deren Gestalt und Winkel diejenigen des gewünschten Vorsprungs sind.

Das endgültige Extrudieren bzw. Strangpressen des Vorsprungs zur Bildung eines Stutzens spezifischer Länge und Wanddicke wird in wenigstens einem Durchgang durchgeführt; der Extruderstempel verfügt vorteilhaft über ein konisches Profil; die untere Form hat im wesentlichen die Konfiguration des gewünschten Stutzens. Der interessanteste Vorteil dieses Arbeitsverfahrens besteht darin, daß ein erster adäguat langer anfänglicher Vorsprung gebildet wird, dessen Durchmesser in etwa dem des endgültigen Stutzens entspricht, bevor das Bohren zum Extrudieren notwendig wird. So tritt tatsächlich die erste Verformung, die den größten Teil des Stutzens erzeugt, ein, wenn das (Knoten)blech noch undurchbohrt ist; das gesamte Volumen des verformten Teils trägt so zur Bildung des Stutzens bei: das Verfahren beginnt also mit Blech, dessen ursprüngliche Dicke bei weitem geringer als diejenige ist, die bei Verfahren erforderlich wird, welche von durchbohrtem Blech ausgehen.

Da weiterhin der Stutzen durch Strangpressen oder Extrudieren eines bereits in die gewünschte Richtung verformten Teils und beim gewünschten Winkel gehalten wird, kann seine Länge vergrößert werden; die Strebverschweißung wird noch weiter von der Zone fort verlegt, die durch den maximalen Kraft- oder Beanspruchungsaufbau beeinflußt wurde.

Aus Vorgehendem wird klar, daß, arbeitet man erfindungsgemäß, es möglich wird, mit Stutzen versehene Bleche oder Platten zu erhalten, die wesentlich leichter sind und einen längeren Stutzen haben, wie sonst nach bekannten Verfahren möglich wird. Aus im Maßstab durchgeführten Tests ergab sich, wenn man in jedem Fall Knotenteile berücksichtigte, deren Fläche gleich der eines Blechs oder einer Platte nach der Erfindung ist, daß sich die folgenden Ergebnisse einstellten:

Es wird also erfindungsgemäß möglich, mit vernünftig dünnem Originalblech zu arbeiten und trotzdem eine gute Stutzenlänge zu erhalten. Gemäß den bekannten Verfahren dagegen werden, ausgehend von relativ dünnen Blechen oder Platten, kurze Stutzen erhalten, deren Länge proportional mit der Zunahme in der Plattendicke nicht zunimmt.

Wie bereits erwähnt, ist es sehr wichtig, daß man in die Lage versetzt wird, die Verbindung mit der Strebe zur Fläche des Knotens unter Abstand zu bringen, da der Aufbau von Beanspruchungen oder Kräften in den verschiedenen Teilen des Knotens an der Oberfläche, in der Übergangszone zur Strebe, am größten ist und mit Entfernung von dieser Zone abnimmt.

Hierzu kann abgeschätzt werden, daß in gewissen Situationen (Pfostendurchmesser 500 mm, Strebendurchmesser 250 mm) unter 100 mm von dieser Übergangszone die Kräfte von 1/3 bis 1/2 maximal reichen können, während unter 200 mm der Wert zwischen 1/8 und 1/6 maximal reduziert wird. Es ist daher klar, daß durch Verlängerung des Stutzens die Schweißung unter einem sicheren Abstand von der Zone maximalen Kraft- oder Spannungsaufbaus durchgeführt werden kann; es können also dünnere Bleche zur Anwendung gebracht werden; die endgültige Konstruktion wird leichter, die Kosten werden gesenkt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung, verglichen mit der bekannten auf der Verwendung von Blech beruhenden Technik, ist darin zu sehen, daß der Endteil des Stutzens ein kreisförmiges Profil hat, welches die Verwendung einfacher automatischer Schweißtechniken ermöglicht. Mit den bekannten Techniken dagegen ist das Profil des Endteils des Stutzens elliptisch, so daß Schweißschwierigkeiten erheblich vergrößert werden, die Arbeit muß oft von Hand durchgeführt werden. Der Knoten nach der Erfindung kann direkt an den Ort der Anbringung auf dem Pfosten und der Verbindung mit den Streben gebracht werden; im Falle der Anwendung der bekannten Technik dagegen, bevorzugt man, an den Stutzen eine Verlängerung mit freiem Ende und kreisförmigem Querschnitt anzuschweißen, so daß vermieden wird, auf der Baustelle das schwierige Schweißen eines elliptischen Querschnitts während der Aufstellung durchführen zu müssen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, aus denen sich auch die Vorteile herleiten lassen:

Fig. 1 zeigt einen Teil der Fachwerk- oder Gerüstkonstruktion;

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine Bauart eines solchen Knotens;

Fig. 3 zeigt einmal in der Ansicht, einmal im Längsschnitt eine Gesamtdarstellung des zu einem Umgebogenen dicken Blechs und der Matrize in zwei aufeinanderfolgenden Bearbeitungsphasen und

Fig. 4 ist ein Teilschnitt durch eine Blech- oder Plattenanordnung mit Stutzen zum Extrudieren, mit Matrize und Patrize.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer röhrenförmigen Fachwerkskonstruktion, die beispielsweise eine Offshorekonstruktion tragende Konstruktion bildet. Hierbei sind mit 1 die Pfosten, mit 2 die Streben und mit 3 die Knoten bezeichnet. Die Komplexität der Konstruktion im allgemeinen und der Knoten im besonderen ist selbstredend: die große Anzahl von Knoten ist evident und damit die Rolle, die sie hinsichtlich Stabilität, Sicherheit und endgültigen Kosten einer Plattform spielen.

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch so einen sog. K-Knoten. Die linke Seite der Fig. ist ein Beispiel der allgemeinen Probleme von solchen Knoten, während der rechte Teil sich auf die vorliegende Erfindung bezieht.

In der klassischen Knotenkonfiguration - linker Teil der Fig. 2 - besteht der Hauptkörper des Knotens aus einem Rohr 4 großen Durchmessers, an welches ein kleineres Rohr 5, welches die Strebe ist, angeschweißt ist. Der Übergang oder die Verbindung 6, wo die Strebe mit dem großen Rohr zusammentrifft, ist erkenntlicherweise der Schwachpunkt der Konstruktion und ist leider genau in der Zone angeordnet, wo die maximale Beanspruchungsansammlung sich findet.

Erfindungsgemäß dagegen - siehe rechte Seite der Fig. 2 - ist ein Blech oder eine Platte geeigneter Dicke 8 vorgesehen, die mit einem Stutzen 11 ausgebildet ist und die längs der Linie 9 und 10 mit dem Rest des Knotens 7 verschweißt ist, der seinerseits aus einem oder mehreren Teilen geformt sein kann.

Die Strebe 12 ist an den Stutzen längs der Linie 13 geschweißt - die Form ist kreisförmig - .

Die Länge des Stutzens wird gemessen längs seiner Mittellinie zwischen den Punkten A und B, die jeweils den Schnitt der Mittellinie des Stutzens mit der Oberfläche der Verbindung und die durch das freie Ende des Stutzens gebildete Kreismitte, hier mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet, darstellen.

Was nun die Verfahren zum Herstellen der extrudierten Teile nach der Erfindung angeht, so zeigt Fig. 3 zwei aufeinanderfolgende in den Fig. 3a und 3b dargestellte Situationen. Die erstere zeigt eine Transversalansicht der in eine U-Gestalt gebogenen Platte bzw. des Bleches 8 und der Matrize 14. Der gekrümmte Teil 8 a des U-förmigen Blechs oder der U-förmigen Platte 8, beispielsweise unter der strichpunktierten Linie C-C′, wird auf eine hohe Temperatur, typischerweise zwischen 950 und 1200°C, erwärmt und wird dann in die Matrize 14 mit einer geeigneten Ausnehmung 14′, die mit gestrichelter Linie angedeutet ist, gesetzt und wird dann unter Verwendung der bekannten Verfahren verformt. Das Produkt dieser Verformung ist im oberen Teil der Fig. 3b, diesmal im Längsschnitt, gezeigt. Der beheizte Teil 8 a des Bleches 8 ist beaufschlagt worden, um sich innerhalb der Ausnehmung 14′ so zu verformen, daß der Vorsprung 11′ gebildet wird.

In den folgenden Phasen wird der Endteil 15 des Vorsprungs 11′ längs der Mittellinie hiervon durchbohrt und wieder auf hohe Temperatur, beispielsweise zwischen 950 und 1200°C gebracht. Das Werkstück wird dann in eine Extruderform 16 (Fig. 4) gebracht, wo es in seiner Position gegenüber der Form 18 gehalten wird, die über eine geeignete konische Ausnehmung 18′ verfügt, und zwar vermittels des Elementes 17. Eine konische Patrize 19 bildet dann den Endteil 15 des Vorsprungs 11′ und erzeugt so den Stutzen 11 mit Wandungen variabler Dicke, wie in Fig. 2 gezeigt.

Wie man ohne weiteres sieht, nutzt die Erfindung eine äußerst originelle Kombination von Biege-, Schweiß- und Schmiedevorgängen, die es ermöglicht, schnell Schmiedeteile hoher Genauigkeit und ohne kostspielige Modifikation von Standardausrüstung und Verfahren zu erhalten.

Die Aufmerksamkeit muß auch auf einen Faktor gerichtet werden, der für die Sicherheit des Endproduktes wesentlich ist, nämlich die Kombination der Leichtheit des Werkstücks mit seiner spezifischen Gestalt. Diese Kombination ermöglicht es, eine Zone möglicher Schwäche - d.h. dort wo die Strebe angeschweißt ist - ein erhebliches Stück gegenüber der Zone maximalen Kraftaufbaus zu verschieben.

Es soll in Erinnerung gebracht werden, daß verschiedene Faktoren, die bei der Auslegung von Gerüst oder Gestellkonstruktionen für Offshoreplattformen beachtet werden müssen, es erforderlich machen, daß die Länge des Stutzens wenigstens gleich dreiviertel des Radius dieses Stutzens ist: erfindungsgemäß ist die Länge des während der ersten Verformung des beheizten Teils des in U-Form gebogenen Blechs wenigstens gleich dem halben Radius des Stutzens, während im Endprodukt es sehr leicht ist, die minimal gewünschte Länge um eine beachtliche Grenze zu überschreiten. Die oben gegebene Tabelle hat gezeigt, daß der aus geschweißtem Rohr hergestellte Knoten der leichteste von allen ist; in Praxis jedoch, müssen aufgrund der sehr ungünstigen Lage der Schweißung die Dicken der verschiedenen Teile erhöht werden, so daß das Gewicht des endgültigen Knotens auch zunimmt. In Praxis daher ist der übliche rohrgeschweißte Knoten nur scheinbar leichter als der nach der Erfindung und er ist potentiell weniger sicher.

Die anderen Blech- oder Plattenknoten, die nach den bekannten vorbeschriebenen Techniken hergestellt wurden, sind auch viel schwerer als die Knoten nach der Erfindung, darüber hinaus sind sie weniger sicher.

Der Gewichtsfaktor ist von großer Wichtigkeit, auch vom Sicherheitsstandpunkt. Die Konstruktion des Plattformgerüstes ist tatsächlich konstant durch Wellen beaufschlagt, von denen einige eine beachtliche Höhe haben. Eine Abnahme im Gesamtgewicht der Knoten vermindert nicht nur die statische Last auf den Gerüstbauteilen, reduziert vielmehr auch die dynamische Last in noch größerem Ausmaß.

Die Maßnahme nach der Erfindung sichert erhebliche Vorteile hinsichtlich der Plattformsicherheit, der einfacheren Herstellung des oder der Knoten, der Gewichtsreduzierung und der Kosteneinsparung.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen von Fachwerksrohrkonstruktionen, gebildet aus länglichen Elementen, sog. Pfosten, die über rohrförmige Transversalelemente, sog. Streben, über Zwischenelemente, sog. Knoten, miteinander verbunden sind, die je mit wenigstens einem Verbindungselement, dem sog. Stutzen, zwischen Pfosten und Streben versehen sind, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - Der Stutzen wird ausgehend von einem Stahlblech hergestellt
• - Das Stahlblech wird in U-Gestalt gebogen
• - Der so erhaltene gekrümmte Teil des Werkstücks wird erwärmt
• - Ein Vorsprung auf dem erwärmten Teil wird durch Bildung auf einer Matrize erzeugt
• - Der Krümmungsradius des gekrümmten und so hergestellten Werkstücks wird dem des Pfostens angepaßt
• - Der geformte Teil wird längs der Mittellinie des Vorsprungs gebohrt
• - Der geformte und durchbohrte Teil wird auf die Endgestalt des Stutzens extrudiert.

2. Verfahren zur Herstellung von Knoten für Fachwerksrohrkonstruktionen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufwärmtemperatur des gekrümmten Teils des Werkstücks, das durch Biegen des Blechs in U-Gestalt erhalten wurde, zwischen 950 und 1200° gehalten wird.

3. Verfahren zur Herstellung von Knoten für rohrförmige Gerüstkonstruktionen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der beheizten Zone des in U-Form gebogenen Werkstücks mit einem Vorsprung auf der konvexen Fläche des U-Teils versehen ist, wobei dieser Vorsprung einen Durchmesser benachbart dem des gewünschten Stutzens aufweist und über eine Länge gleich der wenigstens gleich der halben des Radius des Stutzens verfügt und daß die Mittellinie unter einem Winkel orientiert ist, unter dem die Strebe mit dem Pfosten verbunden werden muß, wobei der Vorsprung in einer Matrize einer Krümmung ähnlich der des U-Werkstücks geformt wird und über eine Ausnehmung verfügt, deren Gestalt und Winkel diejenigen des gewünschten Vorsprungs sind.

4. Verfahren zur Herstellung von Knoten in Fachwerksrohrkonstruktionen gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erhaltene Vorsprung längs seiner Mittellinie gebohrt, auf eine hohe Temperatur und mit einer Patrize und Matrize (strang)gepreßt wird und das Profil der Patrize von konischer Gestalt ist, während die Matrize die Konfiguration des endgültig gewünschten Stutzens hat.

5. Fachwerksrohrkonstruktion gebildet aus länglichen Elementen, sog. Pfosten, die über rohrförmige Transversalelmente, sog. Streben, miteinander über Zwischenelemente, sog. Knoten, verbunden sind, die je mit einem Verbindungselement, dem sog. Stutzen, zwischen Pfosten und Strebe versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesenkgeschmiedetes Blech mit hieran einteiligem gesenkgeschmiedeten abgewinkelten Stutzen mit hinsichtlich dem Blech an die Gestalt eines Pfostens (7) angepaßter Form längs Quer- (10) und Längslinien (9) gegen den Pfosten verschweißt ist.

6. Fachwerksrohrkonstruktion nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe (12) an den Stutzen (11) längs einer kreisförmigen Linie (13) verschweißt ist.

7. Fachwerksrohrkonstruktion nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Blech und Stutzen aus einem in U-förmige Gestalt gebogenen Blech gesenkgeschmiedet sind.