WO2020211993A1 - Gründung für ein offshore-bauwerk - Google Patents

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WO2020211993A1
WO2020211993A1 PCT/EP2020/054599 EP2020054599W WO2020211993A1 WO 2020211993 A1 WO2020211993 A1 WO 2020211993A1 EP 2020054599 W EP2020054599 W EP 2020054599W WO 2020211993 A1 WO2020211993 A1 WO 2020211993A1
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WO
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tower
anchoring
foundation
section
seabed
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PCT/EP2020/054599
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English (en)
French (fr)
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Daniel Bartminn
Claus Linnemann
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Innogy Se
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Publication date
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Priority to US17/604,260 priority patent/US20220195686A1/en
Priority to KR1020217036952A priority patent/KR20210149842A/ko
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    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
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    • E02D27/32—Foundations for special purposes
    • E02D27/42—Foundations for poles, masts or chimneys
    • E02D27/425—Foundations for poles, masts or chimneys specially adapted for wind motors masts
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D27/00—Foundations as substructures
    • E02D27/32—Foundations for special purposes
    • E02D27/52—Submerged foundations, i.e. submerged in open water
    • E02D27/525—Submerged foundations, i.e. submerged in open water using elements penetrating the underwater ground
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D2250/00—Production methods
    • E02D2250/0061—Production methods for working underwater
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    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
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    • E02D2600/30—Miscellaneous comprising anchoring details
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/727—Offshore wind turbines

Definitions

  • the invention relates to a foundation for an offshore structure, in particular an anchoring element comprised by a foundation.
  • Foundations or foundation structures for offshore structures, in particular offshore wind turbines, are currently generally designed with regard to their natural frequency in such a way that they do not interfere as far as possible with other frequency excitation bands, e.g. that of the rotor of a turbine
  • Monopile also referred to as a pile
  • a tower of such a wind turbine has a natural frequency f selected that lies between a 1P and a 3P frequency band, the IR frequency band being an excitation from the simple
  • Rotor speed, and the 3P frequency band corresponds to an excitation from three times the speed of the rotor of the turbine.
  • ground foundations for example in the seabed
  • a natural frequency above the IR frequency band can be achieved
  • Such floating foundations for use in the offshore area in wind energy plants also require complex anchoring systems and flexible floating cable guides.
  • Excitation frequency (i.e. the rotor and blade passage frequencies) lies.
  • One possibility of such soft-soft constructions consists in particular in using an anchoring section which can also be moved after installation in the seabed. Due to the mobility of such anchoring section in the seabed, however, the torsional restraint moment of such soft-soft constructions of such foundations is reduced compared to conventional foundations that are more firmly anchored in the seabed. This results in the risk that the structure or the offshore structure could twist during operation. This is
  • the objective task is therefore to at least partially reduce or avoid the problems described, that is to say in particular an inexpensive one
  • An offshore structure is, for example, a wind turbine installed offshore. Furthermore, an offshore structure can be, for example, a substation, or a drilling or production platform. A stimulating component of a
  • a wind power plant is typically a rotor blade or
  • the type of foundation for wind turbines for example, is a so-called monopile, the tower of the wind turbine extending down to the sea floor and an anchoring section of the tower being anchored in the sea floor. The tower is then completely through its anchoring or the anchoring section in the
  • an exciting component is understood to mean, in particular, an element that causes the structure or tower to vibrate when it moves.
  • Vibrations can lead to the entire structure, or at least a part of it, in damage to the structure and / or the tower
  • Vibrations are added. This can lead to an at least partial reduction in the strength of the anchoring of the structure in the sea floor, for example, over a certain period of time. Furthermore, this can, for example, lead to a torsional force being exerted on the building via the excitation by the component (e.g. repeatedly), which subsequently results in a rotation or twisting of the building about an axis in the longitudinal direction of the
  • Self-fire frequency is arranged above the IR frequency band, do not allow this.
  • the anchoring section of the tower in question extends less deeply into the sea floor, in order to provide tilt stability
  • the longitudinal direction of the tower extends outside a vertically extending axis, so that tensile and / or pressure forces are transmitted to the tower by the at least one restoring element, so that the tower can be (re) erected.
  • the foundation in question allows a strong deflection of the tower, with a corresponding offshore structure having a natural frequency that is below the 1P frequency band.
  • the tower is, for example, of such a length that at least a lower end (e.g. part of the anchoring section) of the tower engages the seabed.
  • the lower end engages less deeply into the sea bed than with a rigid bottom ⁇ establishing (.
  • ⁇ establishing As in a conventional floor foundation in a monopile z) is required.
  • the object is based on the knowledge that in order to enable the absorption of larger torsional moments without the installation process being negatively influenced, which is, for example, cylindrical
  • Anchoring section of the tower has to be changed structurally compared to a conventional geometry. Constructive ways to increase a
  • the torsional strength of such offshore structures is objectively realized by one or more anchoring elements, which are in this way in the seabed intervene that a twisting of the offshore structure or its tower is made more difficult relative to the seabed.
  • the tower consists, for example, of reinforced concrete and / or comprises a
  • the tower can consist, for example, of a glass fiber composite material or a carbon composite material, to name just a few non-limiting examples, or at least partially comprise them.
  • engaging anchoring section has an anchoring element or a plurality of anchoring elements that are subject to a torsional force about an axis in
  • the one or more anchoring elements consequently set one
  • Anchoring section engages against an additional resistance.
  • Anchoring section is, for example, less than 1.5 times (ideally less than 3 times) the maximum torsional friction stresses to be expected and transmitted times the outer surface of the tower or the
  • expected skin friction stress is understood to mean, in particular, a threshold value that is derived from friction between the outer surface of the tower or its surface that engages in the seabed
  • Anchoring section and this seabed is achieved.
  • a mean skin friction stress can be assumed, because with not cylindrical anchoring sections changes the corresponding
  • the exemplary factor 1.5 or 3 ensures a safety factor against twisting, which is the maximum expected. In this way it can be ensured that an offshore structure does not twist after its installation.
  • Such torsional moments that can occur depend in particular on the size of the power generation plant used (e.g. turbine size) and can, for example, be in the range of 50 MNm to 200 MNm for turbines with more than 10 MW, possibly correspondingly higher intervals .
  • the foundation can, for example, be dimensioned in such a way that it is determined which torsional moment occurs or can occur as a maximum, and which torsional moment the foundation then applies as a maximum counter-torque . or can apply.
  • the foundation should then be dimensioned, for example, in such a way that it has a tolerance of at least 50% (corresponds to the safety factor 1.5), ie at least 50% larger.
  • the foundation should, for example, be at least 3 times larger (corresponds to the safety factor 3).
  • An equivalent outer surface of the tower (e.g. pole outer surface) of a smooth cylinder, in which the natural torsional stress after it has been introduced into the seabed, for example, is not sufficient to prevent the structure from twisting, can be assumed as a benchmark.
  • the anchoring section which engages in the seabed, comprises an inner one
  • Anchoring element can be used, and wherein one or more torsional forces from the inner anchoring section to the outer anchoring element
  • the one or more anchoring elements protrude in the radial direction inward and / or outward from an inner and / or outer surface of the
  • the anchoring section is at least partially hollow, after the anchoring section has been introduced into the seabed, for example, the seabed is also present within the anchoring section.
  • Ensuring a more difficult twisting of the offshore structure can also be arranged internally.
  • the one or more anchoring elements also protrude, for example, downward from the tower (e.g. pile). It is understood that one or more of the tower (e.g. pile).
  • Anchoring elements can also be arranged on the outside.
  • the one or more anchoring elements extend essentially in the direction of the longitudinal extension direction of the tower beyond the end of the anchoring section engaging into the seabed into the seabed.
  • the one or more anchoring elements are essentially in the direction of the longitudinal extension direction of the tower in the sense of the present subject matter, in particular if they also extend at an angle that is outside of a parallel to the longitudinal extension direction of the tower, but these extend in the vertical direction still extend deeper into the seabed than the deepest end of the anchoring section.
  • An internal stiffener by means of one or more
  • Anchoring elements of the anchoring section can, for example, by means of radially arranged metal sheets (e.g. at least three pieces / thus at an angle of 120 ° with three anchoring elements, 90 ° with four anchoring elements, 72 ° with five anchoring elements, etc.), which are optionally used to increase projecting a few meters from the anchoring section downwards (ie into the seabed) in terms of effectiveness.
  • radially arranged metal sheets e.g. at least three pieces / thus at an angle of 120 ° with three anchoring elements, 90 ° with four anchoring elements, 72 ° with five anchoring elements, etc.
  • the one or more anchoring elements can, for example, be pointed or rounded and thus encompassed by the anchoring section or attached to it, to name just a few non-limiting examples.
  • the anchoring elements can be used in exemplary configurations that can be used from the above configuration, for example.
  • Anchoring elements can be continued or extended in such a way that they form an extension of the anchoring section of the foundation.
  • several thinner piles or comparable profiles or bodies that can be attached to the anchoring section on the outside or inside are suitable for this purpose.
  • the thinner piles can be designed in cross section in such a way that they have a stable connection to the anchoring section, for example via two weld seams or the like. If these thinner piles are arranged, for example, on the inside of the anchoring section, they can also be connected to one another.
  • the one or more anchoring elements can, for example, only in the lower area of the
  • the one or more anchoring elements comprise a reactive material or are filled with a reactive material.
  • the reactive material hardens and / or expands during the installation of the foundation after water saturation.
  • the reactive material (e.g. after water saturation) expands radially and / or downward out of the anchoring section.
  • Anchoring elements can each be designed as a rope, hose, grouting hose, pipe or the like, for example. In this way, the one or more anchoring elements can largely be inserted around the tower, for example
  • Circumferential direction may be arranged in a spiral.
  • the one or more anchoring elements can optionally be filled with a filler material (e.g. a mass).
  • a filling material is, for example, a cement grout, a cement suspension, bentonite, or a
  • Anchoring elements arranged openings z. B. holes in the hose
  • the filling material can emerge from the openings and into the
  • filler material is provided, for example, with reactive additives which, for. B. an ettringite, sulfate or alkali-silica bloom, to name just a few non-limiting examples, propagate.
  • reactive additives for. B. an ettringite, sulfate or alkali-silica bloom, to name just a few non-limiting examples, propagate.
  • filling material with a proportion of CSA (calcium sulfoaluminate) cements is suitable.
  • An exemplary embodiment according to all aspects of the present invention provides that the filler material is provided with such reactive additives that delay the curing and / or expansion of the coating.
  • Such reactive surcharges propagate, for example, a drift, z. B. from
  • the filling material is noticeably delayed after contact with a liquid (e.g. water), so that the foundation can initially be completely immersed in the seabed
  • a liquid e.g. water
  • the one or more anchoring elements are each as sheet metal, hollow profile,
  • Solid profile Solid profile, hose, or a combination thereof.
  • one anchoring element is [of exemplary several
  • Anchoring elements as a thrust plate; Fin; Hose wrapped, for example, spirally around the anchoring portion; Hollow profile;
  • the one or more anchoring elements are arranged, for example, with their respective longitudinal axis radially to the anchoring section (for example on the jacket surface (inside and / or outside) of the anchoring section welded or otherwise attached), so that this a rotary movement of the anchoring section (for example on the jacket surface (inside and / or outside) of the anchoring section welded or otherwise attached), so that this a rotary movement of the anchoring section (for example on the jacket surface (inside and / or outside) of the anchoring section welded or otherwise attached), so that this a rotary movement of the
  • the one or more anchoring elements are designed, for example, as radial spikes which, for example, can be extended, to cite just one further non-limiting example.
  • the seabed can be connected to the anchoring section of the structure, and then the introduction does not interfere with the introduction (e.g. driving in or vibrating in) the foundation.
  • At least three anchoring elements are included in the foundation
  • the present foundation includes, for example, at least four, five, six, seven, eight, nine, ten, eleven, twelve, or more anchoring elements.
  • the one or more anchoring elements are arranged at the same distance from one another (i.e. evenly distributed), or are spaced from one another and / or from one another at the same distance.
  • the one or more anchoring elements are firmly connected to the anchoring section of the tower.
  • the term "fixed" in the sense of the object is understood in particular as a non-releasable or releasable connection between the one or more anchoring elements and the anchoring section.
  • a non-releasable connection Connection are, for example, welding, graying, riveting, or
  • Gluing examples of such a releasable connection are, for example, screwing or clamping, to name just a few non-limiting examples.
  • the foundation further comprises a plate-like element which, when the foundation is arranged, rests on the seabed and is in particular connected to the tower with a force fit.
  • the plate-like element is, for example, an annular plate.
  • a ring plate is largely arranged or applied near the (sea) ground.
  • Such a ring plate is, for example, in contact with the (sea) bottom.
  • Such a ring plate has, for example, a collapse-reducing effect.
  • Such a ring plate is for example connected to the tower (e.g.
  • Such a ring plate contains, for example, at least one eccentric torsion anchoring to the (sea) floor, for example in the form of one or more small piles.
  • Anchoring section of the tower in the seabed movable.
  • Inclinations are caused, for example, by a tidal range of the im
  • Inclinations of the tower are understood as such in the sense of the subject matter in particular when the longitudinal direction of the tower is outside an axis that (for example, exactly) runs vertically.
  • the objective foundation can, for example, at least one reset element, such as. B. spring and / or damping elements, flexible anchorages (z. B. rope anchors), or a combination thereof, to name just a few non-limiting examples.
  • the at least one restoring element can bring about a force counteracting an inclined position of the tower, so that the tower is erected at least partially based on this force after an inclined position.
  • Degrees of freedom take place, for example, within a substantially horizontal plane. If the tower is inclined, for. B. caused by a tilting of the tower, such a movement of the anchoring section of the tower can take place in at least one direction within these two degrees of freedom.
  • the anchoring section of the tower can, for example, have one hole or a plurality of holes through which at least parts of the seabed can flow or penetrate when the anchoring section moves in the seabed. It goes without saying that in this case the sea floor has a soft structure (for example due to water saturation), so that at least parts of the sea floor correspondingly pass through the formed hole or the formed holes in the
  • Anchoring section can pass.
  • an upper section of the tower is relative to the anchoring section of the tower movable, with the anchoring section in the inclined position of the tower
  • a foundation joint is formed between the upper section and the anchoring section of the tower, for example.
  • This foundation joint can for example be sprung and / or damped, for example by means of spring and / or spring joints that are appropriately arranged or encompassed by the foundation joint
  • Damping elements that stiffen the tipping stability of the tower.
  • Such spring and / or damping elements can form at least one restoring element in the sense of the object.
  • the upper section of the tower is movable with respect to the anchoring section of the tower, for example in the direction of at least two degrees of freedom, e.g. B. for tilting the tower in the direction of a horizontal plane of the substantially vertically arranged tower.
  • the upper section of the tower is essentially torsionally stiff and / or
  • the anchoring section is designed in such a way that it receives a further cylindrical hollow body, which is mounted inside the outer cylinder in such a way that the pivot point is at least below a height (which is again about 5 m above the seabed, for example), then it is objective, for example It is provided that its mounting is designed to be largely torsionally rigid and / or transferring torsional forces in the sense of the object. This property can then be transferred from the anchoring section, for example, to the inner hollow body.
  • the upper section of the tower is at least partially within and in one Receiving area of the anchoring section of the tower mounted movably, wherein a formed space between the receiving area of the
  • Anchoring section and the upper section of the tower is filled with a filler material.
  • the movable mounting of the upper section of the tower in the receiving area of the anchoring section of the tower, in which the upper section of the tower can be received is realized, for example, by a foundation joint.
  • this foundation joint can, for example, be sprung and / or damped, for example by means of one or more spring and / or damping elements that are appropriately arranged or comprised by the foundation joint.
  • a joint is arranged (z. B. installed), the torsional forces in the outer
  • Anchoring portion transfers, for example, either directly or into the (sea) soil located in the post or under the pile or via this (sea) soil into the pile.
  • This joint is, for example, either firmly and non-positively z.
  • Anchoring section of the tower e.g. outer pile
  • the pivot bearing can be connected to the sea floor over a large area or by (for example, smaller) piles, barrets or the like.
  • the section engaging in the anchoring section can furthermore be fixed, for example by chains, anchor ropes or the like, to name just a few non-limiting examples.
  • the filler material is or comprises an elastomer.
  • Anchoring portion of the tower (z. B. inner and outer cylinder in the case of a pile) a cylinder filling the gap and / or a filling material, e.g. B. comprising or consisting of an elastomer, is arranged.
  • the anchoring section of the tower is designed at least at its end engaging the seabed essentially with a base area deviating from a circular base area, in particular with an oval, rectangular, square, polygonal or semicircular
  • Anchoring section is for example - z. B. in contrast to the above
  • Section of the tower - oval-shaped, or the tower merges from the upper section into the anchoring section in an oval shape.
  • Anchoring section in the lower area of this is no longer designed as a fully symmetrical body of revolution, i.e. In the lower section, the last extension is continued, for example, only by a half cylinder.
  • Process step also the corresponding process step be disclosed.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an offshore structure comprising an objective foundation
  • Fig. 2 shows a further schematic partial representation of an offshore
  • FIGS. 3a-d each show a schematic section of FIG
  • Fig.l shows a schematic representation of an offshore structure 1, which is at least partially based on or in the seabed M by means of an objective foundation.
  • the offshore structure 1 is a wind power plant, comprising a tower 2, which at its upper end has a power generation plant 8 (e.g. a turbine, not shown in the schematic drawing according to FIG 9 has.
  • a connecting portion 5 z. B. a flange connection
  • the schematically illustrated power generation plant 8 is formed on the tower 2.
  • the tower 2 is divided into an anchoring section 3 and an upper section 4 located above it.
  • the anchoring section 3 is anchored in the sea floor M or at least partially engages in it.
  • the tower 2 or the anchoring section 3 comprises anchoring elements 7, which in the present case are designed as metal sheets and are located radially or laterally from the outer wall of the
  • Anchoring section 3 in the seabed is essentially horizontal In the direction. These can be designed as an alternative or in addition to the configurations shown in FIGS. 3a-d.
  • the anchoring section 3 which engages in the seabed M, comprises an outer anchoring element 16 which at least partially envelops it.
  • the anchoring section 3 is, for example, partially in this outer one
  • Anchoring element 16 can be used or used in the present case. Torsional forces T can then, for example, be transferable from the inner part to the outer anchoring element 16 or, in the present case, can be transferred.
  • the offshore structure 1, which is founded with an objective foundation 1, has a natural frequency below an excitation from a simple one
  • the design of the low natural frequency of the offshore structure 1 is made possible by the fact that the offshore structure 1 is anchored in the sea floor M with a lower embedment depth.
  • the anchoring elements 7 act a torsional force that radially around the
  • the direction of longitudinal extent L of the tower 2, shown schematically in FIG. 1, runs around or counteracts.
  • FIG. 2 shows a further schematic partial illustration of an offshore structure 1, an upper section 4 of the tower 2 of the offshore structure 1 being movable in the direction of at least two degrees of freedom within the anchoring section 3 of the tower 2.
  • a connecting portion 5 z. B. a flange connection
  • a power generation plant 8 not shown in FIG. 2
  • the upper section 4 of the tower 2 engages with a conically tapering (inner) connecting section 15 encompassed by it in a receiving area 6 of the Anchoring section 3 a.
  • the anchoring section 3 in the present case comprises an outer anchoring element 16. The between the inner one
  • Connecting section 15 and the outer anchoring element 16 formed interspace can for example be dilapidated [illustrated schematically by means of the dotted area), z. B. with an elastic filling material 13, such as a
  • Elastomer polymer, sand-clay, sand-clay mixture, to name just a few non-limiting examples.
  • the anchoring section 3 of the tower 2 comprises optional damper and spring elements 14 that function as restoring elements.
  • the damper and spring elements 14 that function as restoring elements.
  • Spring elements 14 cause, for example, an inclined position of the tower 2, the upper section 4 with respect to the anchoring section 3 z. B. is tilted, damped or sprung.
  • a restoring tensile and / or compressive force can be brought about, which is necessary for the upper section 4 of the tower 2 to be erected after the upper section 4 has been inclined of the tower can lead.
  • the anchoring section 3 of the tower 2 can - as embodied in the present case - be open at the bottom, so that an anchoring of the anchoring section 3 in the seabed M can be brought about safely.
  • the exemplary embodiment of a foundation illustrated in FIG. 2 also has a foundation on the
  • Anchoring section anchoring elements 7. These can be designed analogously to the anchoring elements 7 shown in FIG. 1.
  • both the anchoring elements 7 of FIG. 1 and the anchoring elements 7 of FIG. 2 can likewise be designed according to one or more of the configurations shown in FIGS. 3a-d.
  • the anchoring section 3 of the tower 2 can form, for example, a so-called coffer dam in which a pile (the upper section 4 of the tower 2) is at least partially arranged. A rotation of the upper section 4 of the tower 2 can then be intercepted, for example, in such a way that the upper section 4 of the tower 2 is not within the excavated cofferdam or the
  • Anchoring section 3 of the tower 2 can rotate.
  • such an anchoring section can comprise a dynamic joint which also realizes the functions described above. There are then for example occurring torsional forces T of the z. B. from the upper section 4 of the tower 2, which is designed as an inner pile, via such a joint to the anchoring section 3 of the tower 2, which is designed as an outer pile.
  • the foundation in FIG. 2 further comprises a plate-like element 11, which in the arranged state of the foundation (i.e. for example after its installation in the seabed M) on the seabed M essentially (in particular
  • this connection is via a screw connection of the plate-like connection
  • the plate-like element 11 is an annular plate which completely encloses the tower 2.
  • the plate-like element 11 has a colm-reducing effect, for example.
  • the plate-like element 11 can have one or more additional elements (for example piles) which, starting from the plate-like element 11, extend in the vertical direction into the sea floor M (not shown in FIG. 2). This can further increase the torsional strength and / or torsional rigidity.
  • FIGS. 3 a-d each show a schematic partial illustration of exemplary configurations of objective anchoring elements, which can be used, for example, as anchoring elements on one of the foundations shown in FIGS and 2 are shown instead of or in addition to those designed as metal sheets
  • Anchoring elements 7 can be used.
  • Torsion anchor or torsion foundation anchor.
  • the anchoring elements 7 of Figs. 3a-d can, for example, either be supplied ex works, i.e. in the production of at least one section of the tower of a physical foundation can be arranged on the corresponding anchoring section (e.g. welded or screwed on, to name just a few non-limiting examples). Alternatively or additionally, one or more of these anchoring elements can only be used at installing a
  • the actual foundation offshore (or at a quay edge). In the latter case, this can include the corresponding
  • Fig. 3a shows anchoring elements 7, the present on a
  • Anchoring section 3 are arranged with a circular base area 12. Each of the anchoring elements 7 is on the outer surface of the
  • FIG. 3 b shows anchoring elements 7 which, in the present case, are arranged on an inner surface of the anchoring section 3.
  • the anchoring elements protrude beyond the lowest end of the anchoring section 3 after installation.
  • the anchoring elements 7 form a cross-shaped structure, and also a pointed structure which, for example, can facilitate the introduction of the foundation or the anchoring section 3 into the seabed.
  • the anchoring section 3 shown in FIG. 3b also has a circular base area 12.
  • FIG. 3 c shows anchoring elements 7 which in the present case are arranged on an outer surface of the anchoring section 3.
  • the anchoring elements 7 are in the present case each tubular, z. B. in the form of small piles.
  • the anchoring elements 7 are in the present case each tubular, z. B. in the form of small piles.
  • Anchoring elements 7 each have openings, for. B. holes.
  • Anchoring elements 7 are hollow on the inside so that they can have decayed with a reactive material 10. After water contact or water saturation, e.g. B. after the anchoring section 3 has been introduced into the seabed, this reactive material 10 can emerge from the openings, e.g. B. expand and then cure. This increases the strength of the foundation in the sea floor, for example.
  • FIG. 3d shows an anchoring element 7 which is encompassed by the anchoring section 3 and which extends it in a semicircle.
  • FIG. 4 shows a frequency spectrum diagram in which excitation frequencies are shown when a wind energy installation is in operation.
  • areas within a frequency spectrum can be defined in advance for determining the natural frequency of an overall system (offshore structure, in particular a wind turbine) from a foundation consisting of a tower and a power generation system (e.g. with one or more rotor blades) the natural frequency should be.
  • a wind turbine experiences a (dynamic) excitation during operation, in particular from wind loads, from a periodic excitation with the single number of revolutions (rotor frequency, 1P excitation; caused, for example, from imbalances that occur when the rotor blades rotate), as well as from a further periodic excitation from the rotor blade passage with three times the number of revolutions (3 P excitation; for example, by a flow of the
  • the design of the offshore structure is called “soft-stiff”. If the design of the offshore structure is also above the frequency from three times the rotor speed 3P, the interpretation is also referred to as "stiff”. If, on the other hand, the first natural frequency of the offshore structure is below the frequency from the single rotor speed 1P, the design is referred to as "soft-soft”.
  • Embodiment encompassed features - unless explicitly stated to the contrary - are not understood in the present case to mean that the feature is essential or essential for the function of the embodiment.
  • the sequence of the method steps described in this specification in the individual flowcharts is not mandatory; alternative sequences of the method steps are conceivable.
  • Process steps can be implemented in different ways, see above Implementation in software (through program instructions), hardware or a combination of both for implementing the process steps is conceivable.

Abstract

Es wird insbesondere eine Gründung für ein Offshore-Bauwerk offenbart, wobei das Bauwerk einen Turm (2) umfasst, mit einem einen am in Einbaulage oberen Ende angeordneten Verbindungsabschnitt (5), wobei eine oberhalb der Wasseroberfläche anordenbare Stromerzeugungsanlage (8) mit dem Verbindungsabschnitt (5) des Turms (2) verbindbar ist. Die Gründung umfasst einen im Meeresboden verankerbaren Verankerungsabschnitt (3), der gekennzeichnet ist durch ein oder mehrere Verankerungselemente (7), die einer Torsionskraft (T) um die Längsachse des Turms (2) entgegenwirken.

Description

GRÜNDUNG FÜR EIN OFFSHORE-BAUWERK
Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Gründung für ein Offshore-Bauwerk, insbesondere ein Verankerungselement umfasst von einer Gründung.
Hintergrund
Gründungen bzw. Gründungsstrukturen (im Nachfolgenden synonym verwendet] für Offshore-Bauwerke, insbesondere Offshore-Windenergieanlagen werden generell bzgl. ihrer Eigenfrequenz derzeit so ausgelegt, dass sie sich weitestgehend nicht mit anderen Frequenzanregungsbändern, z. B. dem des Rotors einer Turbine als
Stromerzeugungsanlage überlappen. In der Regel wird bei einem sogenannten
Monopile (auch als Pfahl bezeichnet) als Turm einer derartigen Windenergieanlage eine Eigenfrequenz f gewählt, die zwischen einem 1P- und einem 3P-Frequenzband liegt, wobei das IR-Frequenzband einer Anregung aus der einfachen
Rotorumdrehungszahl, und das 3P-Frequenzband einer Anregung aus der dreifachen Umdrehungszahl des Rotors der Turbine entspricht. Insbesondere um
Resonanzschwingungen zu vermeiden, wird versucht, die Eigenfrequenz des Offshore- Bauwerks, z. B. mindestens 10% oberhalb des 1P- und unterhalb des 3P- Frequenzbandes anzuordnen. Die Auslegung solcher„steifen" Türme bzw. Pfähle eines Offshore-Bauwerks wird auch als„soft-stiff''- onstruktion bezeichnet.
Insbesondere wurden bisher für einen Einsatz als Offshore-Windenergieanlagen beispielsweise Bodengründungen (z. B. im Meeresboden) verwendet, mit denen eine Eigenfrequenz oberhalb des IR-Frequenzbandes erzielt werden kann. Andere
Frequenzbänder der Eigenfrequenz einer Offshore-Windenergieanlage wurden aus den folgenden Gründen bisher vermieden: I) Mögliche dynamische Wellenanregung und daraus resultierende
Ermüdungsbeanspruchung bzw. Resonanzen der Turmstruktur des Offshore- Bauwerks;
ii) Insbesondere Turbinen einer Offshore-Windenergieanlage erlauben
regelmäßig nur geringe Toleranzen hinsichtlich langfristiger Schiefstellungen (z. B. verursacht durch einen Tidenhub des im Offshore-Bereich herrschenden Seegangs); und
iii) Weiche Strukturgründungen widersprechen häufig normierten
Nachweiskriterien der Geotechnik.
Ferner sind schwimmende Gründungen zur Aufnahme einer Turmstruktur von einer Offshore-Windenergieanlage bekannt, wobei diese Gründungen in der Regel
Wassertiefen von mehr als 20 m, bzw. bevorzugt sogar mehr als 40 m erfordern. Derartige schwimmende Fundamente für den Einsatz im Offshore-Bereich bei Windenergieanlagen erfordern zudem aufwendige Verankerungssysteme und flexible schwimmende Kabelführungen.
Mitunter können in küstennahen Gewässern, in denen häufig eine Wassertiefe von etwa 40 m nicht überschritten wird, und die zudem beispielsweise aufgrund von weichem Boden eine Bodengründung eines Turms für eine Offshore- Windenergieanlage, und aufgrund einer mangelnden Wassertiefe eine schwimmende Gründung für einen Turm von einer Offshore-Windenergieanlage nicht erlauben, entsprechend nur durch sehr kostenintensive Lösungen ermöglicht werden oder es wurde aufgrund dessen auf diese verzichtet.
Die Fundamente und Türme großer Windenergieanlagen (WEA) sind heute typischerweise als soft-stiff Konstruktionen ausgelegt. Für sehr große Offshore WEA könnten jedoch zükünftig auch weiche Konstruktionen (sogenannte„soft-soft"- Konstruktionen) interessant sein, bei denen die Eigenfrequenz unterhalb der
Erregerfrequenz (also der Rotor- und Blattdurchgangsfrequenzen) liegt. Eine Möglichkeit von derartigen soft-soft-Konstruktionen besteht insbesondere darin, einen Verankerungsabschnitt, der auch nach der Installation im Meeresboden bewegbar ist, zu verwenden. Durch die Beweglichkeit eines derartigen Verankerungsabs chnitts im Meeresboden ist jedoch auch das Torsions-Einspannmoment von solchen soft-soft-Konstruktionen von derartigen Gründungen gegenüber konventionellen Gründungen, die fester im Meeresboden verankert sind, reduziert. Daraus ergibt sich das Risiko, dass sich die Struktur bzw. das Offshore-Bauwerk im Betrieb verdrehen könnte. Dies ist
unerwünscht, z. B. im Hinblick auf den elektrischen Anschluss mittels Kabel, um nur ein nicht-limitierendes Beispiel zu nennen. Maßnahmen, um das Bauwerk gegenüber Verdrehungen zu sichern, erschweren ferner die Installation.
Allgemeine Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen
Es wäre wünschenswert, eine Lösung bereitstellen zu können, um die vorgenannten Probleme minimieren bzw. vermeiden zu können, und insbesondere ein Torsions- Einspannmoment von derartigen Gründungen im Meeresboden zu erhöhen, ohne die Installation nachhaltig zu beeinflussen. Vor dem Hintergrund des dargestellten Standes der Technik ist es somit die gegenständliche Aufgabe, die beschriebenen Probleme zumindest teilweise zu verringern oder zu vermeiden, das heißt insbesondere eine kostengünstige
Möglichkeit bereitzustellen, um ein Offshore-Bauwerk gründen zu können, das ein erhöhtes Torsions-Einspannmoment aufweist, ohne die Installation nachhaltig zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird gegenständlich durch eine Gründung nach einem ersten Aspekt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die gegenständliche Aufgabe wird ferner durch ein Offshore-Bauwerk nach einem zweiten Aspekt gelöst, umfassend eine gegenständliche Gründung nach dem ersten Aspekt. Im Folgenden werden einige beispielhafte Ausführungsformen nach allen Aspekten detaillierter beschrieben:
Ein Offshore-Bauwerk ist beispielsweise eine Offshore installierte Windenergieanlage. Ferner kann ein Offshore-Bauwerk beispielsweise eine Umspannanlage, oder eine Bohr- oder Förderplattform sein. Ein anregendes Bauelement einer
Windenergieanlage ist typischerweise ein von dieser umfasstes Rotorblatt, bzw.
mehrere von dieser umfasste Rotorblätter.
Bestimmte Offshore-Bauwerke, insbesondere Windenergieanlagen, werden
regelmäßig mit einer Gründung im Meeresboden befestigt. Ein gängiger
Fundamenttyp beispielsweise bei Windenergieanlagen ist ein sogenannter Monopile, wobei der Turm der Windenergieanlage sich bis auf den Meeresboden erstreckt, und ein Verankerungsabschnitt des Turms im Meeresboden verankert ist. Der Turm wird dann vollständig durch seine Verankerung bzw. den Verankerungsabschnitt im
Meeresboden gehalten.
Unter einem anregenden Bauelement wird im Sinne des vorliegenden Gegenstands insbesondere ein Element verstanden, dass eine Schwingung des Bauwerks bzw. des Turms bei dessen Bewegung verursacht. Eine oder mehrere von derartigen
Schwingungen können dazu führen, dass das gesamte Bauwerk, oder zumindest ein Teil von diesem, in für das Bauwerk und/oder den Turm beschädigende
Schwingungen versetzt wird. Dies kann dazu führen, dass über eine gewisse Zeit beispielsweise ein zumindest teilweises Verringern der Festigkeit der Verankerung von dem Bauwerk im Meeresboden geschieht. Ferner kann dies beispielsweise dazu führen, dass über die Anregung durch das Bauelement (z. B. immer wieder) eine Torsionskraft auf das Bauwerk ausgeübt wird, die in der Folge zu einer Drehung bzw. Verdrehung des Bauwerks um eine Achse in Längserstreckungsrichtung des
Bauwerks bzw. eines Turm des Bauwerks liegend führen kann. Um gegenüber starken Auslenkungen tolerant zu sein, und sich ferner durch eine große Verformbarkeit extremen Lasten entziehen zu können, muss die Gründung eine Bewegung des Offshore-Bauwerks ermöglichen. Offshore-Bauwerke, deren
Eigenfirequenz oberhalb des IR-Frequenzbandes angeordnet ist, erlauben dies nicht.
Im Gegensatz hierzu erstreckt sich der gegenständliche Verankerungsabschnitt des Turms weniger tief in den Meeresboden, wobei um eine Kippstabilität zu
gewährleisten optional beispielsweise zumindest ein Rückstellelement umfasst ist. Dieses bewirkt beispielsweise bei einer Schiefstellung des Turms, in der die
Längserstreckungsrichtung des Turms außerhalb einer vertikal verlaufenden Achse verläuft, dass durch das zumindest eine Rückstellelement Ziig- und/oder Druckkräfte auf den Turm übertragen werden, so dass der Turm (wieder) aufrichtbar ist.
Die gegenständliche Gründung erlaubt eine starke Auslenkung des Turms, wobei ein entsprechendes Offshore-Bauwerk eine Eigenfrequenz aufweist, die unterhalb des 1P- Frequenzbandes liegt.
Der Turm hat beispielsweise eine derartige Länge, dass zumindest ein unteres Ende (z. B. ein Teil des Verankerungsabschnitts) des Turms in den Meeresboden eingreift. Beispielsweise greift das untere Ende weniger tief in den Meeresboden ein, als dies · bei einer steifen Bodengründung (z. B. bei einer herkömmlichen Bodengründung bei einem Monopile) erforderlich ist.
Es liegt dem Gegenstand die Erkenntnis zugrunde, dass um die Aufnahme von größeren Torsionsmomenten zu ermöglichen, ohne dass der Installationsprozess negativ beeinflusst wird, der beispielsweise zylindrisch ausgebildete
Verankerungsabschnitt des Turms konstruktiv gegenüber einer üblichen Geometrie verändert werden muss. Konstruktive Möglichkeiten zur Erhöhung einer
Drehfestigkeit von derartigen Offshore-Bauwerken wird gegenständlich durch eine oder mehrere Verankerungselemente realisiert, die derart in den Meeresboden eingreifen, dass ein Verdrehen des Offshore-Bauwerks bzw. dessen Turm relativ zu dem Meeresboden erschwert ist.
Der Turm besteht beispielsweise aus einem Stahlbeton und/oder umfasst ein
Stahlfundament. Ferner kann der Turm beispielsweise aus einem Glasfaserverbund- Werkstoff, oder einem Carbonverbund-Werkstoff, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen, bestehen oder diese zumindest teilweise umfassen.
Ferner weist die gegenständliche Gründung an dem in den Meeresboden
eingreifenden Verankerungsabschnitt ein Verankerungselement oder mehrere Verankerungselemente auf, die einer Torsionskraft um eine Achse in
Längserstreckungsrichtung des Turms entgegenwirken. Dies verringert bzw.
vermeidet ein Verdrehen des Offshore-Bauwerks relativ zu dem Meeresboden, bzw. zu einem Fundament, mit dem das Offshore-Bauwerk im Meeresboden befestigt ist.
Das eine oder die mehreren Verankerungselemente setzen folglich einer
Drehbewegung des Turms und/oder seines Fundaments, in das der
Verankerungsabschnitt eingreift, einen zusätzlichen Widerstand entgegen.
Eine resultierende tangential übertragbare Mantelreibungsspannung des Turms bzw. des Verankerungsabschnitts mal der Außenoberfläche des Turms bzw. des
Verankerüngsabschnitts ist beispielsweise kleiner als 1,5 -mal (idealerweise kleiner als 3-mal) der maximal zu erwartenden und zu übertragenden torsionsbedingten Mantelreibungsspannungen mal der Außenoberfläche des Turms bzw. des
Verankerungsabschnitts.
Unter dem Begriff„zu erwartenden Mantelreibungsspannung“ wird insbesondere ein Schwellwert verstanden, der von einer Reibung zwischen der äußeren und in den Meeresboden eingreifenden Oberfläche des Turms bzw. dessen
Verankerungsabschnitt und eben diesem Meeresboden erzielt wird. Hierzu kann beispielsweise eine mittlere Mantelreibungsspannung angenommen, denn bei nicht zylinderförmigen Verankerungsabschnitten verändert sich die entsprechende
Außenoberfläche des Turms. Der beispielhafte Faktor 1,5 bzw. 3 gewährleistet einen Sicherheitsfaktor gegenüber Verdrehungen, die maximal erwartet werden. Derart kann sichergestellt werden, dass sich ein Offshore-Bauwerk nach dessen Installation nicht verdreht.
Derartige Torsionsmomente, die auftreten können, hängen insbesondere von der Größe der verwendeten Stromerzeugungsanlage (z. B. Turbinengröße) ab, und können beispielsweise im Bereich des Intervalls von 50 MNm bis 200 MNm liegen bei Turbine mit mehr als 10 MW ggf. entsprechend höhere Intervalle.
Gegenständlich kann die Gründung beispielsweise derart dimensioniert sein, dass bestimmt wird, welches Torsionsmoment maximal auftritt bzw. auftreten kann, und welches Torsionsmoment die Gründung dann als Gegenmoment maximal aufbringt . bzw. aufbringen kann. Die Gründung sollte beispielsweise dann derart dimensioniert sein, dass diese eine Toleranz von mindestens 50% (entspricht dem Sicherheitsfaktor 1,5), d.h. mindestens 50 % größer ausgelegt ist. Idealerweise sollte die Gründung beispielsweise mindestens 3-mal (entspricht dem Sicherheitsfaktor 3) größer ausgelegt sein.
Als Richtgröße kann beispielsweise eine äquivalente Außenoberfläche des Turms (z. B. Pfahlaußenoberfläche) eines glatten Zylinders angenommen werden, bei dem die natürliche Torsionsspannung nach dem Einbringen von diesem in den Meeresboden beispielsweise nicht ausreicht, um ein Verdrehen des Bauwerks zu verhindern.
Gegenüber einem derartigen Referenzwert kann die vorstehend erläuterte
Dimensionierung von 50 % bis zu 3-mal größere Auslegung der Gründung bestimmt werden.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten umfasst der Verankerungsabschnitt, der in den Meeresboden eingreift, einen inneren
Verankerungsabschnitt und ein diesen zumindest teilweise einhüllendes äußeres Verankerungselement, wobei der innere Verankerungsabschnitt in das äußere
Verankerungselement einsetzbar ist, und wobei eine oder mehrere Torsionskräfte vom inneren Verankerungsabschnitt auf das äußere Verankerungselement
übertragbar sind.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ragt das eine oder es ragen die mehreren Verankerungselemente in radialer Richtung nach innen und/oder außen von einer inneren und/oder äußeren Oberfläche des
Verankerungsabschnitts hervor.
Für den Fall, dass der Verankerungsabschnitt zumindest teilweise hohl ausgebildet ist, ist beispielsweise Meeresboden nach dem Einbringen des Verankerungsabschnitts in den Meeresboden auch innerhalb des Verankerungsabschnitts vorliegend.
Entsprechend kann das eine oder die mehreren Verankerungselemente zur
Gewährleistung eines erschwerten Verdrehens des Offshore-Bauwerks auch innenliegend angeordnet werden. Insbesondere ragt in diesem Fall das eine oder die mehreren Verankerungselemente beispielsweise auch nach unten aus dem Turm (z. B. Pfahl) heraus. Es versteht sich, dass das eine oder die mehreren
Verankerungselemente auch außenliegend angeordnet sein können.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten erstrecken sich das eine oder die mehreren Verankerungselemente im Wesentlichen in Richtung der Längserstreckungsrichtung des Turms über das in den Meeresboden eingreifende Ende des Verankerungsabschnitts hinaus in den Meeresboden.
Das eine oder die mehreren Verankerungselemente sind dabei im Wesentlichen in Richtung der Längserstreckungsrichtung des Turms im Sinne des vorliegenden Gegenstands, insbesondere wenn diese sich auch in einem Winkel, der außerhalb einer Parallelen zu der Längserstreckungsrichtung des Turm liegt, erstrecken, jedoch diese sich in vertikaler Richtung gesehen immer noch tiefer in den Meeresboden hinein erstrecken, als das am tiefsten liegende Ende des Verankerungsabschnitts. Eine innenliegende Versteifung mittels des einen oder der mehreren
Verankerungselemente von dem Verankerungsabschnitt können beispielsweise mittels radial angeordneter Bleche (z. B. mindestens drei Stück/also im Winkel von 120° bei drei Verankerungselementen, 90° bei vier Verankerungselementen, 72° bei fünf Verankerungselementen, usw. zueinander), die optional zur Erhöhung der Wirksamkeit einige Meter aus dem Verankerungsabschnitt nach unten (d.h in den Meeresboden) hinein hervorragen, realisiert sein. Zur Verbesserung des
Eindringverhaltens der Gründung bei deren Installation im Meeresboden können das eine oder die mehreren Verankerungselemente beispielsweise angespitzt oder abgerundet sein und derart von dem Verankerungsabschnitt umfasst oder an diesem angebracht sein, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen.
Die Verankerungselemente können in beispielhaften Ausgestaltungen, die von der vorstehend angeführten Ausgestaltung beispielsweise eingesetzt werden können, z. B. als dünnere Pfähle oder vergleichbare Profile ausgebildet sein, um nur einige nicht- limitierende Beispiele zu nennen.
Alternativ oder zusätzlich kann das eine oder es können die mehreren
Verankerungselemente derart fortgeführt bzw. verlängert sein, dass diese eine Verlängerung des Verankerungsabschnitts der Gründung ausbilden. Wie bereits ausgeführt, eignen sich hiervor beispielsweise mehrere dünnere Pfähle oder vergleichbare Profile bzw. Körper, die außen oder innen am Verankerungsabschnitt angebracht sein können. Im Bereich einer Überlappung mit dem Häuptfundament können die dünneren Pfähle im Querschnitt derart ausgeführt sein, dass diese eine stabile Verbindung zu dem Verankerungsabschnitt aufweisen, beispielsweise über zwei Schweißnähte oder dergleichen. Werden diese dünneren Pfähle beispielsweise innenliegend an dem Verankerungsabschnitt angeordnet, so können sie auch untereinander verbunden sein. Je nach Beschaffenheit und Befestigungsart können das eine oder die mehreren Verankerungselemente beispielsweise nur im unteren Bereich des
Verankerungsabschnitts angeordnet sein, und/oder ferner nach unten in Richtung des Meeresboden (also in den Meeresboden hinein) über die Unterkante des
Verankerungsabschnitts hinausragen.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten umfassen das eine oder die mehreren Verankerungselemente ein reaktives Material oder sind mit einem reaktiven Material verfüllt.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten härtet das reaktive Material im Rahmen der Installation der Gründung nach Wassersättigung aus und/oder expandiert.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten expandiert das reaktive Material (z. B. nach Wassersättigung) radial und/oder nach unten aus dem Verankerungsabschnitt heraus.
Um dies zu ermöglichen, kann das eine oder es können die mehreren
Verankerungselemente beispielsweise jeweils als Seil, Schlauch, Verpressschlauch, Rohr oder dergleichen ausgebildet sein. Derart können das eine oder die mehreren Verankerüngselemente beispielsweise um den Turm herum weitestgehend in
Umfangsrichtung ggf. spiralförmig angeordnet sein. Insbesondere für diesen Fall können das eine oder es können die mehreren Verankerungselemente ggf. mit einem Füllmaterial (z. B. einer Masse) ausgefüllt sein. Ein derartiges Füllmaterial ist beispielsweise ein Zementgrout, eine Zementsuspension, Bentonit, oder eine
Kombination hiervon. Durch in dem einen oder den mehreren
Verankerungselementen angeordnete Öffnungen (z. B. Löcher im Schlauch) kann nach Wassersättigung das Füllmaterial aus den Öffnungen austreten und in den
umliegenden (Meeres-) Boden eindringen und dort expandieren und/oder aushärten. Dies verstärkt beispielsweise ein Fundament der Gründung. Derartiges Füllmaterial ist beispielsweise mit reaktiven Zuschlägen versehen, welche z. B. ein Ettringit, Sulfat oder Alkali-Silika-Treiben, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen, propagieren. Ferner eignet sich beispielsweise Füllmaterial mit Anteilen von CSA (Kalcium Sulfoaluminat)-Zementen.
Eine beispielhafte Ausgestaltung nach allen Aspekten der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Füllmaterial mit derartigen reaktiven Zuschlägen versehen ist, die das Aushärten und/oder Expandieren der Beschichtung verzögern.
Derartige reaktive Zuschläge propagieren beispielsweise ein Treiben, z. B. von
Wasser, so dass ein Aushärten (bzw. Erstarren] und/oder Expandieren des
Füllmaterials nach dem Kontakt mit einer Flüssigkeit (z. B. Wasser] merklich verzögert. So kann zunächst die Gründung vollständig in den Meeresboden
eindringen, und nachdem die Gründung ihre Endtiefe bzw. Endteufe erreicht, vollzieht sich das Aushärten und/oder Expandieren. In der Folge erhöht dieses Aushärten und/oder Expandieren die Festigkeit und/oder Torsionsfestigkeit, mit der die
Gründung in dem Meeresboden halt findet.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten sind das eine oder die mehreren Verankerungselemente jeweils als Blech, Hohlprofil,
Vollprofil, Schlauch, oder einer Kombination hiervon ausgebildet.
Beispielsweise ist ein Verankerungselement [von beispielhaften mehreren
Verankerungselementen] als Schubblech; Flosse; Schlauch, der beispielsweise spiralförmig um den Verankerungsabschnitt herum gewickelt ist; Hohlprofil;
Vollprofil; oder sonstiger geometrischer Körper ausgebildet.
Das eine oder die mehreren Verankerungselemente sind beispielsweise mit ihrer jeweiligen Längsachse radial zum Verankerungsabschnitt angeordnet (z. B. auf der Manteloberfläche (innen und/oder außen] des Verankerungsabschnitts aufgeschweißt oder anderweitig befestigt), so dass diese einer Drehbewegung des
Offshore-Bauwerks bzw. Turms relativ zu dem Fundaments und/oder Meeresboden einen zusätzlichen Widerstand entgegensetzen.
Das eine oder die mehreren Verankerungselemente sind beispielsweise als radiale Dornen ausgebildet, die beispielsweise ausfahrbar sind, um nur ein weiteres nicht- limitierendes Beispiel anzuführen.
Es eignen sich grundsätzlich insbesondere derartige Geometrien als
Verankerungselemente, die bereits vor dem Einbringen der Gründung in den
Meeresboden mit dem Verankerungsabschnitt des Bauwerks verbindbar sind, und dann beim Einbringen (z B. Einrammen bzw. Einvibrieren) der Gründung das Einbringen nicht stört.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten sind mindestens drei Verankerungselemente von der Gründung umfasst
Ferner umfasst die gegenständliche Gründung beispielsweise mindestens vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf, oder mehr Verankerungselemente.
Im Wesentlichen sind das eine oder die mehreren Verankerungselemente mit gleichem Abstand zu einander (d.h. gleichverteilt) angeordnet, bzw. untereinander und/oder voneinander mit gleichem Abstand beabstandet.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten sind das eine oder die mehreren Verankerungselemente fest mit dem Verankerungsabschnitt des Turms verbunden.
Der Begriff„fest" im Sinne des Gegenstands wird insbesondere als unlösbare oder lösbare Verbindung zwischen dem einen oder den mehreren Verankerungselementen und dem Verankerungsabschnitt verstanden. Beispiele für eine derartige unlösbare Verbindung sind beispielsweise ein Verschweißen, Vergrouten, Nieten, oder
Verkleben. Beispiele für eine derartige lösbare Verbindung sind beispielsweise ein Verschrauben, oder Verklemmen, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten umfasst die Gründung ferner ein plattenartiges Element, das im angeordneten Zustand der Gründung auf dem Meeresboden aufliegt und insbesondere kraftschlüssig mit dem Turm verbunden ist.
Das plattenartige Element ist beispielsweise eine Ringplatte. Eine derartige Ringplatte ist weitestgehend in (Meeres-] Bodennähe angeordnet bzw. aufgebracht Eine derartige Ringplatte steht beispielsweise im Kontakt mit dem (Meeres-) Boden. Eine derartige Ringplatte wirkt beispielsweise kolkmindernd. Eine derartige Ringplatte ist beispielsweise mit dem Turm (z. B. ein Pfahl) verbunden. Eine derartige Ringplatte enthält beispielsweise mindestens eine exzentrische Torsions-Verankerung mit dem (Meeres-) Boden, z. B. in Form von einem oder mehreren kleinen Pfählen. Eine derartige Ringplatte ist beispielsweise fest mit dem Turm verbunden, z. B.
verschweißt, verschraubt, oder dergleichen, um nur einige nicht-limitierende
Beispiele zu nennen.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ist bei einer Schiefstellung des Turms der in den Meeresboden eingreifende
Verankerungsabschnitt des Turms im Meeresboden bewegbar.
Schiefstellungen sind beispielsweise verursacht durch einen Tidenhub des im
Offshore-Bereich herrschenden Seegangs, um nur ein nicht-limitierendes Beispiel zu nennen. Schiefstellungen des Turms werden insbesondere dann als solche im Sinne des Gegenstands aufgefasst, wenn sich die Längserstreckungsrichtung des Turms außerhalb einer Achse, die (z. B. exakt) vertikal verläuft, befindet.
Damit bei der gegenständlichen Gründung kurz- und langfristig extreme
Schiefstellungen vermeidbar sind bzw. ausgeglichen werden können, kann die gegenständliche Gründung beispielsweise zumindest ein Rückstellelement, wie z. B. Feder- und/oder Dämpfelemente, flexible Verankerungen (z. B. Seilverankerungen), oder eine Kombination hiervon, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen, umfassen. Das zumindest eine Rückstellelement kann eine einer Schiefstellung des Turms entgegenwirkende Kraft bewirken, so dass der Turm nach einer Schiefstellung zumindest teilweise basierend auf dieser Kraft [wieder) aufgerichtet wird.
Eine derartige Schiefstellung kann eine Bewegung des Verankerungsabschnitts innerhalb des Meeresbodens bewirken. Entsprechend kann sich der
Verankerungsabschnitt beispielsweise in Richtung von zwei Freiheitsgraden innerhalb des Meeresbodens bewegen. Die Bewegung in Richtung der zwei
Freiheitsgrade erfolgt beispielsweise innerhalb einer im Wesentlichen horizontalen Ebene. Bei einer Schiefstellung des Turms z. B. verursacht durch ein Kippen des Turms kann beispielsweise eine derartige Bewegung des Verankerungsabschnitts des Turms in zumindest eine Richtung innerhalb dieser zwei Freiheitsgrade erfolgen. Ferner kann der Verankerungsabschnitt des Turms beispielsweise ein Loch oder mehrere Löcher aufweisen, durch welche bei Bewegung des Verankerungsabschnitts im Meeresboden zumindest Teile des Meeresbodens durchfließen bzw. durchtreten können. Es versteht sich, dass der Meeresboden in diesem Fall eine weiche Struktur aufweist (z. B. durch eine Wassersättigung), so dass entsprechend zumindest Teile des Meeresbodens durch das ausgebildete Loch oder die ausgebildeten Löcher im
Verankerungsabschnitt durchtreten können.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ist ein oberer Abschnitt des Turms relativ zu dem Verankerungsabschnitt des Turms bewegbar, wobei bei einer Schiefstellung des Turms der Verankerungsabschnitt im
Meeresboden im Wesentlichen in seiner Position verharrt.
Zwischen dem oberen Abschnitt und dem Verankerungsabschnitt des Turms ist beispielsweise ein Fundamentgelenk ausgebildet Dieses Fundamentgelenk kann beispielsweise gefedert und/oder gedämpft sein, beispielsweise mittels entsprechend angeordneter bzw. von dem Fundamentgelenk umfasste Feder- und/oder
Dämpfungselemente, die die Kippstabilität des Turms versteifen. Derartige Feder- und/oder Dämpfungselemente können zumindest ein Rückstellelement im Sinne des Gegenstands aüsbilden.
Der obere Abschnitt des Turms ist gegenüber dem Verankerungsabschnitt des Turms beispielsweise in Richtung von zumindest zwei Freiheitsgraden beweglich, z. B. zum Kippen des Turms in Richtung einer horizontalen Ebene des im Wesentlichen senkrecht angeordneten Turms.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ist der obere Abschnitt des Turms im Wesentlichen torsionssteif und/oder
torsionskraftübertragend in dem Verankerungsabschnitt des Turms gelagert.
Sofern der Verankerungsabschnitt derart ausgebildet ist, dass er einen weiteren zylindrischen Hohlkörper aufnimmt, welcher innerhalb des äußeren Zylinders derart gelagert ist, dass der Drehpunkt mindestens unterhalb einer Höhe liegt (die beispielsweise wiederrum etwa 5 m über dem Meeresboden liegt], so ist es gegenständlich beispielsweise vorgesehen, dass seine Lagerung weitestgehend torsionssteif und/oder torsionskraftübertragend im Sinne des Gegenstands ausgebildet ist. Diese Eigenschaft kann dann von dem Verankerungsabschnitt beispielsweise auf den inneren Hohlkörper übertragen werden.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ist der obere Abschnitt des Turms zumindest teilweise innerhalb und in einem Aufnahmebereich des Verankerungsabschnitts des Turms beweglich gelagert, wobei ein ausgebildeter Zwischenraum zwischen dem Aufnahmebereich des
Verankerungsabschnitts und dem oberen Abschnitt des Turms mit einem Füllmaterial verfüllt ist.
Die bewegliche Lagerung des oberen Abschnitts des Turms in dem Aufnahmebereich des Verankerungsabschnitts von dem Turm, in dem der obere Abschnitt des Turms aufnehmbar ist, wird beispielsweise durch ein ausgebildetes Fundamentgelenk realisiert. Wie bereits vorstehend beschrieben, kann dieses Fundamentgelenk beispielsweise gefedert und/oder gedämpft sein, beispielsweise mittels entsprechend angeordneter bzw. von dem Fundamentgelenk umfasste ein oder mehrere Feder- und/oder Dämpfungselemente.
Alternativ oder zusätzlich ist beispielsweise auf Höhe des Drehpunkts unterhalb der umgebenden Meeresoberfläche innerhalb des umgebenden Turm (z. B. Pfahls) ein Gelenk angeordnet (z. B. installiert), das Torsionskräfte in den äußeren
Verankerungsabschnitt (z. B. äußerer Pfahl) beispielsweise entweder direkt oder in den im Pfahl oder unter dem Pfahl befindlichen (Meeres-) Boden oder über diesen (Meeres-) Boden in den Pfahl überträgt.
Dabei wird dieses Gelenk beispielsweise entweder fest und kraftschlüssig z. B.
verschweißt oder vergroutet, oder hydrostatisch mit dem äußeren
Verankerungsabschnitt des Turms (z. B. äußerer Pfahl) verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann das Drehlager beispielsweise flächig oder durch (z. B. kleinere) Pfähle, Barrets, oder dergleichen mit dem Meeresboden verbunden sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der in den Verankerungsabschnitt eingreifende Abschnitt (oberer Abschnitt des Turms) darüber hinaus beispielsweise durch Ketten, Ankerseile oder dergleichen, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen, fixiert werden. In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ist oder umfasst das Füllmaterial ein Elastomer.
Dies wird z. B. dadurch erreicht, dass im Annulus (beispielsweise der Raum zwischen einem Bohrstrang oder einem Casing und einer umgebenden Formation), vorliegend zwischen inneren, d.h. oberer Abschnitt des Turms, und äußerem, d.h.
Verankerungsabschnitt des Turms (z. B. innerer und äußerer Zylinder im Falle eines Pfahls) ein den Zwischenraum ausfüllender Zylinder und/oder ein Füllmaterial, z. B. umfassend oder bestehend aus einem Elastomer, angeordnet ist.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ist der Verankerungsabschnitt des Turms zumindest an seinem in den Meeresboden eingreifenden Ende im Wesentlichen mit einer von einer kreisförmigen Grundfläche abweichenden Grundfläche ausgebildet, insbesondere mit einer ovalförmigen, rechteckförmigen, quadratischen, vieleck-förmigen oder halbkreisförmigen
Grundfläche ausgebildet ist.
Das in den Meeresboden eingreifende bzw. eindringende Ende des
Verankerungsabschnitts ist beispielsweise - z. B. im Gegensatz zu dem oberen
Abschnitt des Turms - ovalförmig ausgebildet, bzw. der Turm geht von dem oberen Abschnitt in den Verankerungsabschnitt in eine ovale Form über.
Alternativ oder zusätzlich ist ein zylindrischer Querschnitt des
Verankerurigsabschnitts im unteren Bereich von diesem beispielsweise nicht mehr als vollsymmetrischer Rotationskörper ausgebildet, d.h. im unteren Abschnitt ist die letzte Verlängerung zum Beispiel nur durch einen Halbzylinder fortgeführt.
Die zuvor in dieser Beschreibung beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sollen auch in allen Kombinationen miteinander offenbart verstanden werden. Insbesondere sollen beispielhafte Ausgestaltungen in Bezug auf die unterschiedlichen Aspekten offenbart verstanden werden. Insbesondere sollen durch die vorherige oder folgende Beschreibung von
Verfahrensschritten gemäß bevorzugter Ausführungsformen eines Verfahrens auch entsprechende Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte durch bevorzugte Ausführungsformen einer Vorrichtung offenbart sein. Ebenfalls soll durch die
Offenbarung von Mitteln einer Vorrichtung zur Durchführung eines
Verfahrensschrittes auch der entsprechende Verfahrensschritt offenbart sein.
Weitere vorteilhafte beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden detaillierten Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung, insbesondere in Verbindung mit den Figuren, zu entnehmen. Die Figuren sollen jedoch nur dem Zwecke der Verdeutlichung, nicht aber zur
Bestimmung des Schutzbereiches der Erfindung dienen. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu und sollen lediglich das allgemeine Konzept der vorliegenden Erfindung beispielhaft widerspiegeln. Insbesondere sollen Merkmale, die in den
Figuren enthalten sind, keineswegs als notwendiger Bestandteil der vorliegenden Erfindung erachtet werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Offshore-Bauwerks umfassend eine gegenständliche Gründung;
Fig. 2 eine weitere schematische ausschnittsweise Darstellung eines Offshore-
Bauwerks umfassend eine gegenständliche Gründung;
Fig. 3a-d jeweils eine schematische ausschnittsweise Darstellung von
beispielhaften Ausgestaltungen von gegenständlichen
Verankerungselementen; und
Fig. 4 ein Frequenzspektrum-Diagramm.
Detaillierte Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen
Fig.l zeigt eine schematische Darstellung eines Offshore-Bauwerks 1, das mittels einer gegenständlichen Gründung zumindest teilweise auf dem bzw. in dem Meeresboden M gegründet ist.
Das Offshore-Bauwerk 1 ist vorliegend eine Windenergieanlage, umfassend einen Turm 2, der an seinem oberen Ende eine Stromerzeugungsanlage 8 (z. B. eine Turbine, in der schematischen Zeichnung nach Fig. 1 nicht dargestellt) mit drei anregenden Bauelementen, vorliegend drei Rotorblätter 9 aufweist. An dem oberen Ende des Turms 2 ist beispielsweise ein Verbindungsabschnitt 5 (z. B. ein Flanschverbindung) ausgebildet, um z. B. die schematisch illustrierte Stromerzeugungsanlage 8 an dem Turm 2 anzuordnen.
Der Turm 2 ist in einen Verankerungsabschnitt 3 und einen darüber liegenden oberen Abschnitt 4 unterteilt. Der Verankerungsabschnitt 3 ist vorliegend im Meeresboden M verankert bzw. greift zumindest teilweise in diesen ein. Ferner umfasst der Turm 2 bzw. der Verankerungsabschnitt 3 Verankerungselemente 7, die vorliegend als Bleche ausgebildet sind und radial bzw. seitlich von der äußeren Wandung des
Verankerungsabschnitt 3 in den Meeresboden im Wesentlichen in horizontaler Richtung hineinragen. Diese können alternativ oder zusätzlich zu nach den in den Fig. 3a-d gezeigten Ausgestaltungen ausgebildet sein.
Optional umfasst der Verankerungsabschnitt 3, der in den Meeresboden M eingreift, ein diesen zumindest teilweise einhüllendes äußeres Verankerungselement 16. Der Verankerungsabschnitt 3 ist beispielsweise teilweise in dieses äußere
Verankerungselement 16 einsetzbar bzw. vorliegend eingesetzt. Torsionskräfte T können dann beispielsweise vom inneren Teil auf das äußere Verankerungselement 16 übertragbar sein bzw. vorliegend übertagen werden.
Das Offshore-Bauwerk 1, das mit einer gegenständlichen Gründung 1 gegründet ist, weist eine Eigenfrequenz unterhalb einer Anregung aus einer einfachen
Umdrehungszahl 1P von den drei Rotorblättern 9 der Stromerzeugungsanlage auf.
Die Auslegung der geringen Eigenfrequenz des Offshore-Bauwerks 1 wird dadurch ermöglicht, dass das Offshore-Bauwerk 1 mit einer geringeren Einbindungstiefe in dem Meeresboden M verankert ist.
Die Verankerungselemente 7 wirken einer Torsionskraft, die radial um die
schematisch in Fig. 1 eingezeichnete Längserstreckungsrichtung L des Turms 2 herum verläuft bzw. wirkt, entgegen.
Fig. 2 zeigt eine weitere schematische ausschnittsweise Darstellung eines Offshore- Bauwerks 1, wobei ein oberer Abschnitt 4 des Turms 2 des Offshore-Bauwerks 1 in Richtung von zumindest zwei Freiheitsgraden innerhalb des Verankerungsabschnitts 3 des Turms 2 bewegbar ist. An dem oberen Ende des Turms 2 ist beispielsweise ein Verbindungsabschnitt 5 (z. B. ein Flanschverbindung) ausgebildet, um z. B. eine Stromerzeugungsanlage 8 (in Fig. 2 nicht dargestellt) an dem Turm 2 anzuordnen.
Der obere Abschnitt 4 des Turms 2 greift mit einem von diesem umfassten konisch zulaufenden (inneren) Verbindungsabschnitt 15 in einen Aufnahmebereich 6 des Verankerungsabschnitts 3 ein. Hierzu umfasst der Verankerungsabschnitt 3 vorliegend ein äußeres Verankerungselement 16. Der zwischen dem inneren
Verbindungsabschnitt 15 und dem äußeren Verankerungselement 16 ausgebildete Zwischenraum kann beispielsweise verfällt sein [schematisch mittels der gepunkteten Fläche illustiert), z. B. mit einem elastischen Füllmaterial 13, wie etwa einem
Elastomer, Polymer, Sand-Ton, Sand-Ton-Gemisch, um nur einige nicht limitierende Beispiele zu nennen.
Ferner umfasst der Verankerungsabschnitt 3 des Turms 2 optionale Dämpfer- und Federelemente 14, die als Rückstellelemente fungieren. Die Dämpfer- und
Federelemente 14 bewirken beispielsweise, dass eine Schiefstellung des Turms 2, wobei der obere Abschnitt 4 gegenüber dem Verankerungsabschnitt 3 z. B. gekippt wird, gedämpft bzw. gefedert wird. Zudem kann mittels der Optionalen Dämpfer- und Federelemente 14 bei einer Schiefstellung des oberen Abschnitts 4 des Turms 2 eine rückstellende Zug- und/oder Druckkraft bewirkt werden, die zu einem Aufrichten des oberen Abschnitts 4 des Turms 2 nach einer erfolgten Schiefstellung des oberen Abschnitts 4 des Turms führen kann.
Der Verankerungsabschnitt 3 des Turms 2 kann - wie vorliegend ausgebildet - nach unten hin offen sein, so dass eine Verankerung des Verankerungsabschnitts 3 im Meeresboden M sicher bewirkbar ist.
Analog zu dem Offshore-Bauwerk 1 der Fig. 1 weist auch die in Fig. 2 illustrierte beispielhafte gegenständliche Ausgestaltung einer Gründung an dem
Verankerungsabschnitt Verankerungselemente 7 auf. Diese können analog zu den gezeigten Verankerungselementen 7 der Fig. 1 ausgebildet sein.
Es versteht sich, dass sowohl die Verankerungselemente 7 der Fig. 1, als auch die Verankerungselemente 7 der Fig. 2 ebenfalls nach einer oder mehreren der in den Fig. 3a-d gezeigten Ausgestaltungen ausgebildet sein können. Der Verankerungsabschnitt 3 des Turms 2 kann beispielsweise einen sogenannten Kofferdamm ausbilden, in dem dann ein Pfahl (der obere Abschnitt 4 des Turms 2) zumindest teilweise angeordnet ist. Eine Verdrehung des oberen Abschnitts 4 des Turms 2 kann dann beispielsweise derart abgefangen werden, dass sich der obere Abschnitt 4 des Turms 2 nicht innerhalb des ausgeschachteten Kofferdamms bzw. des
Verankerungsabschnitt 3 des Turms 2 drehen kann. Alternativ kann ein derartiger Verankerungsabschnitt ein dynamisches Gelenk umfassen, das die vorstehend beschriebenen Funktionen ebenfalls realisiert. Es werden dann beispielsweise auftretende Torsionskräfte T von dem z. B. von dem als inneren Pfahl ausgebildeten oberen Abschnitt 4 des Turms 2 über ein derartiges Gelenk auf den als äußeren Pfahl ausgebildeten Verankerungsabschnitt 3 des Turms 2 übertragen.
Die Gründung der Fig. 2 umfasst ferner ein plattenartiges Element 11, das im angeordneten Zustand der Gründung (d.h. beispielsweise nach deren Installation im Meeresboden M) auf dem Meeresboden M im Wesentlichen (insbesondere
unmittelbar) aufliegt und insbesondere kraftschlüssig mit dem Turm 2 verbunden ist. Diese Verbindung ist vorliegend über eine Verschraubung des plattenartigen
Elements 11 mit dem Turm 2 realisiert. Das plattenartige Element 11 ist vorliegend eine Ringplatte, die den Turm 2 vollständig umschließt. Das plattenartige Element 11 wirkt vorliegend beispielsweise kolkmindernd. Das plattenartige Element 11 kann eine oder mehrere zusätzliche Elemente (z. B. Pfähle) aufweisen, die sich ausgehend von dem plattenartigen Element 11 in vertikaler Richtung in den Meeresboden M hinein erstrecken (in Fig. 2 nicht dargestellt). Dies kann die Torsionsfestigkeit und/oder Torsionssteifigkeit weiter steigern.
Fig. 3a-d zeigen jeweils eine schematische ausschnittsweise Darstellung von beispielhaften Ausgestaltungen von gegenständlichen Verankerungselementen, die beispielsweise als Verankerungselemente an einer der Gründungen, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, anstelle oder zusätzlich zu den als Blechen ausgebildeten
Verankerungselementen 7 verwendet werden können.
Derartige Verankerungselemente werden im Sinne des Gegenstands auch als
Torsionsanker, oder Torsions-Fundamentanker bezeichnet.
Die Verankerungselemente 7 der Fig. 3a-d können beispielsweise entweder schon ab Werk, d.h. bei der Herstellung zumindest eines Abschnitts des Turms einer gegenständlichen Gründung an dem entsprechenden Verankerungsabschnitt angeordnet (z. B. aufgeschweißt oder aufgeschraubt, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen] werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein oder es können mehrere dieser Verankerungselemente erst bei der Installation einer
gegenständlichen Gründung Offshore (oder an einer Kaikante] angeordnet werden. Bei dem letztgenannten Fall kann dies beispielsweise inkl. entsprechender
Trägerbleche erfolgen.
Fig. 3a zeigt Verankerungselemente 7, die vorliegend an einem
Verankerungsabschnitt 3 mit einer kreisförmigen Grundfläche 12 angeordnet sind. Dabei ist jedes der Verankerungselemente 7 an der äußeren Oberfläche des
Verankerungsabschnitts 3 angeordnet. Die Verankerungselemente 7 weisen jeweils einen identischen Abstand zueinander auf.
Fig. 3b zeigt Verankerungselemente 7, die vorliegend an einer inneren Oberfläche des Verankerungsabschnitts 3 angeördnet sind. Die Verankerungselemente ragen dabei über das nach der Installation am tiefsten liegende Ende des Verankerungsabschnitts 3 hervor. Die Verankerungselemente 7 bilden eine kreuzförmige Struktur aus, und zudem eine spitze Struktur, die beispielsweise das Einbringen der Gründung bzw. des Verankerungsabschnitts 3 in den Meeresboden hinein erleichtern kann. Der in Fig. 3b gezeigte Verankerungsabschnitt 3 weist ebenfalls eine kreisförmige Grundfläche 12 auf. Fig. 3c zeigt Verankerungselemente 7, die vorliegend an einer äußeren Oberfläche des Verankerungsabschnitts 3 angeordnet sind. Die Verankerungselemente 7 sind vorliegend jeweils rohrförmig, z. B. in Form von kleinen Pfählen. Die
Verankerungselemente 7 weisen jeweils Öffnungen, z. B. Löcher auf. Die
Verankerungselemente 7 sind innen hohl, so dass diese mit einem reaktiven Material 10 verfällt sein können. Nach Wasserkontakt bzw. Wassersättigung, z. B. nach dem Einbringen des Verankerungsabschnitts 3 in den Meeresboden, kann dieses reaktive Material 10 aus den Öffnungen hinaus treten, z. B. expandieren und anschließend aushärten. Dies erhöht beispielsweise die Festigkeit der Gründung im Meeresboden.
Fig. 3d zeigt ein Verankerungselement 7, das von dem Verankerungsabschnitts 3 umfasst ist, und diesen halbkreisförmig verlängert.
Fig. 4 zeigt ein Frequenzspektrum-Diagramm, in dem Erregerfrequenzen bei einem Betrieb einer Windenergieanlage dargestellt sind.
Wie bereits beschrieben, können für das Bestimmen einer Eigenfrequenz eines Gesamtsystems (Offshore-Bauwerk, insbesondere Windenergieanlage) aus einer Gründung bestehend aus Turm und einer Stromerzeugungsanlage (z. B. mit einem oder mehreren Rotorblättern) vorab Bereiche innerhalb eines Frequenzspektrums definiert werden, in dem die Eigenfrequenz liegen soll.
Beispielsweise erfährt eine Windenergieanlage im Betrieb eine (dynamische) Anregung insbesondere aus Windlasten, aus einer periodischen Anregung mit der einfachen Umdrehungszahl (Rotorfrequenz, 1P- Anregung; beispielsweise verursacht aus Unwuchten, die bei der Rotation der Rotorblättern auftreten), sowie aus einer weiteren periodischen Anregung aus dem Rotorblattdurchgang mit der dreifachen Umdrehungszahl (3 P- Anregung; beispielsweise durch eine Anströmung des
Rotorblatts mit Wind, wobei sich das Rotorblatt direkt vor dem Turm befindet). Ferner ist in Fig. 4 das sogenannte JONSWAP-Spektrum dargestellt, das das
Wellenenergiespektrum durch den Seegang bei Offshore-Bauwerk darstellt und ebenfalls eine Anregung des Offshore-Bauwerks bewirken kann.
Je näher die Eigenfrequenz der Windenergieanlage im Bereich dieser anregenden Frequenzen liegt, desto höher kann die Beanspruchung der mechanischen
Komponenten und des Turms sein.
Wenn die erste Eigenfrequenz des Offshore-Bauwerks unterhalb der Frequenz aus der dreifachen Rotordrehzahl 3P liegt, wird die Auslegung des Offshore-Bauwerks als „soft-stiff" bezeichnet. Ist die Auslegung des Offshore-Bauwerks zudem oberhalb der Frequenz aus der dreifachen Rotordrehzahl 3P, wird die Auslegung auch als„stiff- stiff" bezeichnet. Liegt hingegen die erste Eigenfrequenz des Offshore-Bauwerks unterhalb der Frequenz aus der einfachen Rotordrehzahl 1P, wird die Auslegung als „soft-soft" bezeichnet.
Es versteht sich, dass bei der Auslegung der Eigenfrequenz eines Offshore-Bauwerks auf eine Auslegung der Eigenfrequenz, die innerhalb des 1P- und/oder 3P- Frequenzbandes liegt, zur Vermeidung von vorzeitiger Materialermüdung und
Verschleiß verzichtet werden sollte.
Die in dieser Spezifikation beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und die diesbezüglich jeweils angeführten optionalen Merkmale und Eigenschaften sollen auch in allen Kombinationen miteinander offenbart verstanden werden. Insbesondere soll auch die Beschreibung eines von einem
Ausführungsbeispiel umfassten Merkmals - sofern nicht explizit gegenteilig erklärt - vorliegend nicht so verstanden werden, dass das Merkmal für die Funktion des Ausführungsbeispiels unerlässlich oder wesentlich ist. Die Abfolge der in dieser Spezifikation geschilderten Verfahrensschritte in den einzelnen Ablaufdiagrammen ist nicht zwingend, alternative Abfolgen der Verfahrensschritte sind denkbar. Die
Verfahrensschritte können auf verschiedene Art und Weise implementiert werden, so ist eine Implementierung in Software (durch Programmanweisungen), Hardware oder eine Kombination von beidem zur Implementierung der Verfahrensschritte denkbar.
In den Patentansprüchen verwendete Begriffe wie "umfassen", "aufweisen",
"beinhalten", "enthalten" und dergleichen schließen weitere Elemente oder Schritte nicht aus. Unter die Formulierung„zumindest teilweise" fallen sowohl der Fall „teilweise" als auch der Fall„vollständig". Die Formulierung„und/oder" soll dahingehend verstanden werden, dass sowohl die Alternative als auch die
Kombination offenbart sein soll, also„A und/oder B" bedeutet„(A) oder (B) oder (A und B)". Die Verwendung des unbestimmten Artikels schließt eine Mehrzahl nicht aus. Eine einzelne Vorrichtung kann die Funktionen mehrerer in den Patentansprüchen genannten Einheiten bzw. Vorrichtungen ausführen. In den Patentansprüchen angegebene Bezugszeichen sind nicht als Beschränkungen der eingesetzten Mittel und Schritte anzusehen.
Bezugszeichenliste
1 Offshore-Bauwerk
2 Turm
3 Verankerungsabschnitt
4 oberer Abschnitt
5 Verbindungsabschnitt
6 Aufnahmebereich des Verankerungsabschnitts
7 Verankerungselement
8 Stromerzeugungsanlage
9 Rotorblatt
10 reaktives Material
11 plattenartiges Element
12 Grundfläche
13 Füllmaterial
14 Rückstellelement
15 innerer Verankerungsabschnitt
16 äußeres Verankerungselement
M Meeresboden
S Wasseroberfläche
L Längserstreckungsrichtung des Turms
T Torsionskraft

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Gründung für ein Offshore-Bauwerk (1), umfassend:
einen Turm (2) mit einem im Meeresboden (M) verankerbaren
Verankerungsabschnitt (3) und einen am gegenüberliegenden Ende
angeordneten Verbindungsabschnitt (5), wobei eine oberhalb der
Wasseroberfläche (S) anordenbare Stromerzeugungsanlage (8) mit dem
Verbindungsabschnitt (5) des Turms (2) verbindbar ist;
wobei eine Eigenfrequenz des Offshore-Bauwerks (1) unterhalb einer Anregung aus einer einfachen Umdrehungszahl 1P von zumindest einem anregenden Bauelement (9) liegt; dadurch gekennzeichnet, dass der'in den Meeresboden (M) eingreifende Verankerungsabschnitt (3) ein oder mehrere Verankerungselemente (7) aufweist, die einer Torsionskraft (T) um eine
Achse in Längserstreckungsrichtung (L) des Turm (2) entgegenwirken.
2. Gründung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Verankerungsabschnitt (3), der in den Meeresboden (M) eingreift, einen inneren Verankerungsabschnitt (15) und ein diesen zumindest teilweise einhüllendes äußeres Verankerungselement (16) umfasst, wobei der innere
Verankerungsabschnitt (15) in das äußere Verankerungselement (16) einsetzbar ist, und wobei eine oder mehrere Torsionskräfte (T) vom inneren
Verankerungsabschnitt (15) auf das äußere Verankerungselement (16) übertragbar sind.
3. Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Verankerungsei emente (7) in radialer Richtung nach innen und/oder außen von einer inneren und/oder äußeren Oberfläche des Verankerungsabschnitts (3) hervorragen.
4. Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Verankerungselemente (7) sich im Wesentlichen in Richtung der Längserstreckungsrichtung (L) des Turms (2) über das in den Meeresboden (M) eingreifende Ende des Verankerungsabschnitts (3) hinaus in den Meeresboden (M) erstrecken.
5. Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Verartkerungselemente (7) ein reaktives
Material (10) umfassen oder mit einem reaktives Material (10) verfüllt sind.
6. Gründung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der
Installation der Gründung nach Wassersättigung aushärtet und/oder expandiert, und/oder im Rahmen der Installation der Gründung radial und/oder nach unten aus dem Verankerungsabschnitt (3) heraus expandiert.
7. Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Verankerungselemente (7) jeweils als Blech, Hohlprofil, Vollprofil, Schlauch, oder einer Kombination hiervon ausgebildet sind.
8. Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Verankerungselemente (7) von der Gründung umfasst sind.
9. Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Verankerungselemente (7) fest mit dem
Verankerungsabschnitt (3) des Turms (2) verbunden sind.
10. Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gründung ferner ein plattenartiges Element (11) umfasst, das im angeordneten Zustand der Gründung auf dem Meeresboden (M) aufliegt und
Insbesondere kraftschlüssig mit dem Turm (2) verbunden ist
11. Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schiefstellung des Turms (2) der in den Meeresboden (M) eingreifende Verankerungsabschnitt (3) des Turms (2) im Meeresboden (M) bewegbar ist.
12. Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Abschnitt (4) des Turms (2) relativ zu dem
Verankerungsabschnitt (3) des Turms (2) bewegbar ist, wobei bei einer
Schiefstellung des Turms (2) der Verankerungsabschnitt (3) im Meeresboden (M) im Wesentlichen in seiner Position verharrt.
13. Gründung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Abschnitt (4) des Turms (2) im Wesentlichen torsionssteif und/oder
torsionskraftübertragend in dem Verankerungsabschnitt (3) des Turms (2) gelagert ist.
14. Gründung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Abschnitt (4) des Turms (2) zumindest teilweise innerhalb und in einem Aufnahmebereich (6) des Verankerungsabschnitts (3) des Turms (2) beweglich gelagert ist, wobei ein ausgebildeter Zwischenraum zwischen dem
Aufnahmebereich (6) des Verankerungsabschnitts (3) und dem oberen Abschnitt (4) des Turms (2) mit einem Füllmaterial verfüllt ist.
15. Gründung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial ein Elastomer ist oder ein Elastomer umfasst.
16. Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verankerungsabschnitt [3) des Turms (2) zumindest an seinem in den Meeresboden (M) eingreifenden Ende im Wesentlichen mit einer von einer kreisförmigen Grundfläche abweichenden Grundfläche (12) ausgebildet ist, insbesondere mit einer ovalförmigen, rechteckförmigen, quadratischen, vieleck- förmigen oder halbkreisförmigen Grundfläche (12) ausgebildet ist.
17. Offshore-Bauwerk (1), umfassend eine Gründung nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
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