IT201600083638A1 - HIGH PRECISION CORRECTION SYSTEM OF THE VERTICALITY OF THE WIND TOWERS BY CONNECTING ELEMENTS TO SITE ADJUSTABLE FLANGES - Google Patents
HIGH PRECISION CORRECTION SYSTEM OF THE VERTICALITY OF THE WIND TOWERS BY CONNECTING ELEMENTS TO SITE ADJUSTABLE FLANGESInfo
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- E02B2017/0091—Offshore structures for wind turbines
Description
Descrizione dell’ invenzione avente per titolo: Description of the invention entitled:
“Sistema di correzione ad alta precisione della verticalità delle torri eoliche mediante elementi di connessione a flange regolabili in sito”. “High precision correction system of the verticality of wind towers by means of connection elements to adjustable flanges on site”.
DESCRIZIONE: DESCRIPTION:
La presente invenzione può essere utilizzata net campo dell’ ingegneria delle costruzioni marittime in acciaio ed in particolare nei sistemi di collegamento tra fondazioni tubolari e strutture in elevazione (stazioni meteo, turbine eoliche, tari, antenne, piattaforme per l'industria petrolifera e del gas) cosi come già ampiamente descritto nei documenti brevettatali anteriori di seguiti citati: DE 20 2013 010214 U1 (RWE INNOGY GMBH [DE], 2014-1 1-03), US 2010/307097 Al (WORD III THOMAS NOTT [US] ET AL, 2010-12-09) e US 2013/180199 Al (VADLAMUDI VENKATA KR1SHNA [IN] ET AL, 2013-07-18). The present invention can be used in the field of maritime steel construction engineering and in particular in connection systems between tubular foundations and elevated structures (weather stations, wind turbines, tari, antennas, platforms for the oil and gas industry. ) as already extensively described in the following prior patent documents cited below: DE 20 2013 010214 U1 (RWE INNOGY GMBH [DE], 2014-1 1-03), US 2010/307097 Al (WORD III THOMAS NOTT [US] ET AL , 2010-12-09) and US 2013/180199 Al (VADLAMUDI VENKATA KR1SHNA [IN] ET AL, 2013-07-18).
Nelle costruzioni marittime che utilizzano elementi tubolari infissi nel fondale marino come fondazioni, risulta essere particolarmente critico P ottenimento di una installazione precisa di tali elementi. Ciò a causa dei sistemi di infissione ed installazione utilizzati, costituiti da magli idraulici e da vibro infissori manovrati da gru poste su jack-up o pontoni stabilizzati, che possono determinare irrimediabili errori di verticalità negli elementi infissi. Tali errori, attualmente compresi nel range angolare di 0° e 0,6°, se non adeguatamente corretti, possono causare P insorgere di anomale sollecitazioni strutturali capaci talvolta di portare al collasso dell’opera. Nel settore dell’eolico offshore, questi errori vengono corretti mediante l’impiego dei cosiddetti “elementi di transizione” (transition piece - offshore wind farm) costituiti da una sorta di bicchiere cilindrico capovolto, anch'esso realizzato in acciaio. Tali elementi, sono strutture tubolari aventi diametro interno leggermente maggiore rispetto al diametro esterno dei monopali infissi nel fondale. L’installazione avviene per inserimento dall’alto e il gioco, necessario all’innesto, viene colmato mediante riempimento con malte cementizie. Questo sistema riduce o annulla l’inclinazione dovuta all’ infissione e pennette il livellamento orizzontale della sua faccia superiore. In maritime constructions that use tubular elements fixed to the seabed as foundations, it is particularly critical to obtain a precise installation of these elements. This is due to the driving and installation systems used, consisting of hydraulic hammers and vibrating hammers operated by cranes placed on jack-ups or stabilized pontoons, which can cause irreparable verticality errors in the window elements. These errors, currently included in the angular range of 0 ° and 0.6 °, if not adequately corrected, can cause anomalous structural stresses P capable of sometimes leading to the collapse of the work. In the offshore wind sector, these errors are corrected by using the so-called "transition elements" (transition piece - offshore wind farm) consisting of a sort of inverted cylindrical glass, also made of steel. These elements are tubular structures with an internal diameter slightly larger than the external diameter of the monopoles fixed in the seabed. The installation takes place by insertion from above and the clearance, necessary for grafting, is filled by filling with cement mortars. This system reduces or cancels the inclination due to the insertion and allows the horizontal leveling of its upper face.
I Tale livellamento è indispensabile per il successivo fissaggio delle strutture di elevazione (torri, tralicci, ecc), in quanto il margine di tolleranza dell'errore verticale per Γ installazione di tali strutture è di circa 0,3°, valori difficili da ottenere direttamente dall’ azione di infìssione. I This leveling is essential for the subsequent fixing of the elevation structures (towers, trusses, etc.), as the vertical error tolerance for Γ installation of such structures is about 0.3 °, values which are difficult to obtain directly from the driving action.
L’elemento di transizione tradizionale costituisce una sovrastruttura aggiuntiva che collega il monopalo di fondazione alla struttura sovrastante. The traditional transition element constitutes an additional superstructure that connects the foundation monopole to the overlying structure.
Tali elementi strutturali sono particolarmente critici e sono progettati per resistere a forti momenti flettenti, forze di taglio e carichi assiali provenienti da carichi ambientali ciclici, (vento e le onde), che agiscono durante l’intera vita di progetto. Tali elementi sono esposti alla corrosione marina che, come è noto, risulta essere molto aggressiva nella zona di transizione tra acqua ed aria. These structural elements are particularly critical and are designed to withstand strong bending moments, shear forces and axial loads from cyclic environmental loads (wind and waves), which act during the entire project life. These elements are exposed to marine corrosion which, as is known, is very aggressive in the transition zone between water and air.
L’elemento dì transizione consente la correzione dell’assetto, ma determina diversi svantaggi, tra i quali: The transition element allows for the correction of the set-up, but causes several disadvantages, including:
- Sensibile aumento dei costi dovuti a: maggiore peso che il monopalo di fondazione deve sostenere, maggiore quantità di materiale e impegni di produzione, maggiori aree necessarie allo stoccaggio e oneri di movimentazione e montaggio, maggiore impegno per la manutenzione della struttura. - Significant increase in costs due to: greater weight that the foundation monopole has to bear, greater quantity of material and production commitments, greater areas necessary for storage and handling and assembly costs, greater effort for the maintenance of the structure.
- Aumento dei tempi di: progettazione, costruzione, movimentazione e stoccaggio. - Increased times for: design, construction, handling and storage.
- Minore affidabilità e durata della costruzione a causa della graduale perdita di resistenza nel tempo dei materiali cementizi utilizzati nel collegamento dell'elemento di transizione con il monopalo. - Less reliability and durability of the construction due to the gradual loss of resistance over time of the cementitious materials used in the connection of the transition element with the monopole.
- Aumento del numero di elementi strutturali sottoposti agli effetti corrosivi. - Increase in the number of structural elements subjected to corrosive effects.
Per i problemi esposti, si rende necessario trovare soluzioni che possano eliminare le criticità descritte e ridurre, tempi e costi di costruzione ed installazione, rendendo più affidabile e longevo il col legamento strutturale tra le componenti di fondazione e quelle di elevazione. For the problems exposed, it is necessary to find solutions that can eliminate the criticalities described and reduce construction and installation times and costs, making the structural connection between the foundation and elevation components more reliable and long-lasting.
L’invenzione è un nuovo elemento di connessione tra monopalo di fondazione e struttura in elevazione, caratterizzato da dimensioni, pesi e tempi di produzione molto più contenuti. The invention is a new connecting element between the foundation monopole and the elevated structure, characterized by much shorter dimensions, weights and production times.
Il nuovo elemento di connessione, viene costruito mediante due flange circolari di uguali diametri e dimensioni che vengono accoppiate in modo da costituire una corona circolare cilindrica con basi parallele ed orizzontali. Tale elemento consente numerosi vantaggi: The new connection element is constructed by means of two circular flanges of equal diameters and dimensions which are coupled so as to form a cylindrical circular crown with parallel and horizontal bases. This element allows numerous advantages:
- La sua dimensione è molto contenuta rispetto ai classici elementi di transizione. Il peso stimato è di circa 10 - 20 ton contro le 200-500 ton. - Its size is very small compared to the classic transition elements. The estimated weight is about 10 - 20 tons against 200-500 tons.
- La produzione delle due flange è molto più veloce, in quanto per la loro realizzazione è sufficiente eseguire solo due operazioni di taglio su lamiera piana, due calandrature e due saldature a pieno spessore. Il numero di lavorazioni, il personale, la taglia dei macchinari necessari per le lavorazioni, cosi come lo spazio destinato allo stoccaggio ed alla movimentazione sono evidentemente diminuite. - The production of the two flanges is much faster, as for their realization it is sufficient to perform only two cutting operations on flat sheet metal, two calendering and two full thickness welding. The number of processes, the personnel, the size of the machinery necessary for the processes, as well as the space for storage and handling have obviously decreased.
- L'approntamento del nuovo elemento di connessione è indipendente dai tempi di installazione dei monopali o dall' inclinazione che questi hanno assunto a seguito delfinfissione nel fondale marino in quanto tali elementi possono essere costruiti e conservati in magazzino per essere poi utilizzati al momento di bisogno. - The preparation of the new connection element is independent of the installation times of the single poles or of the inclination they have assumed following the installation in the seabed as these elements can be built and stored in the warehouse to be then used when needed .
- I tempi, le criticità e le difficoltà di installazione offshore si riducono drasticamente per via del peso e dimensioni minori dei componenti. - The times, criticalities and difficulties of offshore installation are drastically reduced due to the smaller weight and dimensions of the components.
- la manutenzione di questo innovativo sistema di connessione e livellamento è ridotta al semplice controllo periodico del serraggio dei bulloni di collegamento. - the maintenance of this innovative connection and leveling system is reduced to a simple periodic check of the tightening of the connection bolts.
- 1 fenomeni di corrosione locale di tale elemento aggiuntivo sono limitati, in quanto la superficie esposta, complanare a quella della torre e/o del monopalo, risulta essere estremamente ridotta. - The local corrosion phenomena of this additional element are limited, since the exposed surface, coplanar with that of the tower and / or the monopole, is extremely small.
L’invenzione permette una rapida correzione deU'errore di verticalità mediante la semplice installazione di due flange cilindriche, perfettamente simmetriche, aventi ciascuna una faccia piana con 0° di inclinazione orizzontale ed una faccia piana con 0.5° dì inclinazione orizzontale. The invention allows a quick correction of the verticality error by simply installing two cylindrical flanges, perfectly symmetrical, each having a flat face with 0 ° of horizontal inclination and a flat face with 0.5 ° of horizontal inclination.
Entrambe le flange sono caratterizzate da fori passanti verticali, simmetricamente disposti lungo il piano orizzontale, necessari per il collegamento monopalo — struttura in elevazione. Le flange, accoppiate tra loro sulle facce con 0,5° di inclinazione, descrivono una corona circolare cilindrica con basi parallele ed orizzontali. Both flanges are characterized by vertical through holes, symmetrically arranged along the horizontal plane, necessary for the single-post connection - structure in elevation. The flanges, coupled together on the faces with an inclination of 0.5 °, describe a cylindrical circular crown with parallel and horizontal bases.
Le due flange sono ottenute partendo da lamiera piana tagliata secondo il seguente approccio matematico - geometrico: The two flanges are obtained starting from flat sheet metal cut according to the following mathematical - geometric approach:
Predisposta una lamiera piana di larghezza e spessore adeguati all’impiego, il cui valore è ottenuto da calcoli strutturali, lunghezza pari a πΐλ dove D è il diametro di progetto del monopalo di fondazione, si procede al taglio mediante un pantografo CNC, impostando una traiettoria curva di taglio definita da punti P(x,z) le cui coordinate x e z sono dipendenti esclusivamente dal diametro D e dall'angolo di massimo errore verticale previsto [imas(tavola 2). Prepared a flat sheet of width and thickness suitable for use, whose value is obtained from structural calculations, length equal to πΐλ where D is the design diameter of the foundation monopole, proceed to the cut using a CNC pantograph, setting a trajectory shear curve defined by points P (x, z) whose coordinates x and z depend exclusively on the diameter D and on the angle of maximum expected vertical error [imas (table 2).
Su tale traiettoria curva di taglio, ad ogni coordinata corrisponderà una coordinata z G (0 ÷ D<■>tan /?) On this cutting curve trajectory, each coordinate will correspond to a z coordinate G (0 ÷ D <■> tan /?)
Ai fini dell' impostazione su una macchina CNC, si deve discretizzare la traiettoria di taglio in un numero sufficientemente elevato N di punti, e per ogni punto ni-esimo Pi(xì,zi) si determina un valore di Zj dato dalla relazione For the purposes of setting on a CNC machine, the cutting path must be discretized in a sufficiently high number N of points, and for each nth point Pi (xì, zi) a value of Zj is determined given by the relation
La lamiera, dopo essere stata tagliata mediante un pantografo CNC viene calandrata, ottenendo cosi una flangia cilindrica con una faccia orizzontale ed una inclinata rispetto all'orizzontale di un angolo β. L’inclinazione viene ottenuta mediante il taglio curvo impostato sul pantografo CNC con l’equazione sopra indicata, The sheet, after being cut using a CNC pantograph, is calendered, thus obtaining a cylindrical flange with one horizontal face and one inclined with respect to the horizontal by an angle β. The inclination is obtained by means of the curved cut set on the CNC pantograph with the above equation,
Successivamente le flange vengono chiuse mediante saldatura a pieno spessore e vengono effettuate le forature necessarie a consentirne il collegamento mediante bullonatura. Subsequently, the flanges are closed by full thickness welding and the necessary holes are made to allow them to be connected by bolting.
11 numero di fori dipende dai risultati dei calcoli strutturali. I fori passanti, sono rispettivamente equidistanti dal centro della flangia e ogni singolo foro ha distanza identica dal foro successivo e dal foro precedente. I fori hanno diametro adeguato per evitare Γ interferenza con i bulloni. Infine le facce della flangia vengono levigate per ottenere la perfetta planarità. The number of holes depends on the results of the structural calculations. The through holes are respectively equidistant from the center of the flange and each single hole has an identical distance from the next hole and from the previous hole. The holes have a suitable diameter to avoid Γ interference with the bolts. Finally, the faces of the flange are smoothed to obtain perfect flatness.
Le due flange che compongono l’elemento di connessione consentono la correzione in loco di qualsiasi errore d'inclinazione verticale compreso tra 0° e pmax (nelle installazioni più recenti [3 max <0,5°, teoricamente le flange possono correggere anche i ° di errore). The two flanges that make up the connection element allow the correction on site of any vertical inclination error between 0 ° and pmax (in the most recent installations [3 max <0.5 °, theoretically the flanges can also correct i ° error).
La correzione si realizza posizionando sulla flangia di testa del monopalo l'elemento di connessione costituito dalle due flange accoppiate e ruotandole reciprocamente sino a raggiungere rassetto orizzontale sulla faccia superiore delle stesse. The correction is carried out by positioning the connection element consisting of the two coupled flanges on the head flange of the monopole and rotating them reciprocally until they reach horizontal order on the upper face of the same.
Ottenuto tale risultato si può procedere ail'installazione perfettamente verticale della struttura in elevazione, mediante bullonatura. Once this result has been obtained, it is possible to proceed with the perfectly vertical installation of the structure in elevation, by means of bolting.
L’invenzione vuole realizzare un giunto di collegamento che possa facilmente e con elevata precisione, correggere qualsiasi errore di infissione (nel rango di possibile utilizzo), adattandosi, mediante rapida e semplice movimentazione alla condizione esistente. The invention aims to create a connection joint that can easily and with high precision correct any driving error (in the range of possible use), adapting, by means of rapid and simple handling, to the existing condition.
Questo si traduce nella possibilità di produrre in serie e con anticipo le flange ed averle pronte in caso di necessità, in questo modo è possibile ottimizzare ì tagli sulla lamiera di partenza e allo stesso tempo si ha una standardizzazione delle procedure di realizzazione. This translates into the possibility of producing the flanges in series and in advance and having them ready in case of need, in this way it is possible to optimize the cuts on the starting sheet and at the same time there is a standardization of the manufacturing procedures.
L’invenzione permette un elevato livello di: The invention allows a high level of:
- regolazione e correzione: per monopali di elevate dimensioni il numero di fori, e quindi di bulloni, necessari a soddisfare i carichi ottenuti dai calcoli strutturali è superiore ai 90, questo vuol dire che sì ha la possibilità di variare la posizione della flangia superiore, fissata l'inferiore, di un numero di posizioni pari al numero di fori (uno step ogni 4° di rotazione). - adjustment and correction: for large monopoles the number of holes, and therefore of bolts, necessary to satisfy the loads obtained from the structural calculations is greater than 90, this means that it is possible to vary the position of the upper flange, fixed the lower, by a number of positions equal to the number of holes (one step every 4 ° of rotation).
Le due flange, nella Tavola 1, indipendenti in fase di installazione e tra loro vincolabili solidamente mediante bullonatura, sono caratterizzate da identica geometria. Nella configurazione neutra risultano avere uno sfasamento di 180° rispetto all’asse di simmetria ed una inclinazione di 0°. Al variare/crescere dell angolo da correggere, fissata la flangia inferiore, mediante la rotazione della flangia superiore si ottiene un piano di installazione perfettamente orizzontale. The two flanges, in Table 1, which are independent during installation and can be solidly linked together by bolting, are characterized by identical geometry. In the neutral configuration they have a 180 ° phase shift with respect to the symmetry axis and an inclination of 0 °. As the angle to be corrected varies / increases, once the lower flange is fixed, a perfectly horizontal installation plane is obtained by rotating the upper flange.
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