BE1029539B1 - Turmartiges Bauwerk für eine Windkraftanlage, Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauwerks sowie Windkraftanlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein turmartiges Bauwerk für eine insbesondere als Off-Shore-Bauwerk ausgebildete Windkraftanlage, umfassend wenigstens einen unteren, insbesondere als Monopile ausgebildeten Bauteil und einen oberen, insbesondere als Transition Piece ausgebildeten Bauteil, der zur Ausbildung eines Slip Joints teilweise über den unteren Bauteil gestülpt ist, wobei das obere und das untere Bauteil jeweils einen konusförmigen Bauteilabschnitt aufweisen, wobei das obere und das untere Bauteil jeweils zumindest einen weiteren den Slip Joint mit ausbildenden Bauteilabschnitt aufweist, der quer zu einer zentralen Längsachse des Bauwerks betrachtet oberhalb und/oder unterhalb des konusförmigen Bauteilabschnitts angeordnet ist und dessen Flächensenkrechte die Längsachse in einem größeren Winkel (α) schneiden als die Flächensenkrechte des konusförmigen Bauteilabschnitts. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines turmartigen Bauwerks, wobei zumindest ein Teil der Verbindungselemente auf das untere und/oder das obere Bauteil aufgespritzt oder gegossen wird, sowie eine Windkraftanlage, insbesondere eine Offshore-Windkraftanlage.

Description

-1- BE2021/5506 Turmartiges Bauwerk für eine Windkraftanlage, Verfahren zur Herstellung eines sol- chen Bauwerks sowie Windkraftanlage Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauwerks. Ebenfalls betrifft die vorliegende Erfindung eine Windkraftanlage. Die EP 3 561 201 A1 offenbart eine Verbindung zweier Elemente eines turmartigen Bauwerks, deren konusförmige Bereiche jeweils einen oberen und einen unteren Verbindungsbereich umfassen. Diese Verbindungsbereiche liegen zwecks Herstel- lung der Verbindung der beiden Elemente aneinander an. Die KR 2013 0012106 A offenbart konusförmige Abschnitte der unteren und oberen Bauteile eines turmartigen Bauwerks, die nach oben und nach unten jeweils von weiteren Bauteilabschnitten begrenzt werden. Die weiteren Bauteilabschnitte weisen Flächennormalen auf, die zu den Flächennormalen der oberen und unteren Bauteil- abschnitte angewinkelt sind. Das obere Bauteil stützt sich auf der obersten Kante des unteren Bauteils mittels Stützverbinder ab. Zwischen beiden Bauteilen ist eine Mörtelverbindung zur Abdichtung des Verbindungsbereichs angeordnet.

Aus der EP 3 443 224 B1 sind gattungsgemäße Gegenstände bekannt. Das turmar- tige Bauwerk bzw. Tragwerk für eine Windkraftanlage verbindet die den Rotor tra- gende Gondel mit dem Untergrund, insbesondere dem Meeresboden. Bei einem gattungsgemäßen Bauwerk beschränkt sich der Verbindungs- oder Überlappungs-

-2- BE2021/5506 bereich des Slip Joints auf einen konischen Bereich jeweils des unteren und des oberen Bauteils. Entsprechend findet der Lastabtrag über den konischen Verbin- dungsbereich statt. Dieser ist entsprechend der anzusetzenden Biege- und Traglas- ten groß auszubilden, was zu teuren Bauwerken führt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das für die auftretenden Belastungen vorgesehene Tragwerk dahingehend zu verbessern, dass die Herstellung des Bau- werks insgesamt günstiger wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Gegentand gemäß Anspruch1, wobei dieser sich dadurch auszeichnet, dass das obere und das untere Bauteil jeweils zumindest einen weiteren den Slip Joint mit ausbildenden Bauteilabschnitt aufweist, der quer zu einer zentralen Längsachse des Bauwerkes betrachtet oberhalb oder unterhalb des konusförmigen Bauschnittes angeordnet ist und deren Flächensenkrechte die Längsachse in einem größeren Winkel schneiden als die Flächensenkrechte des konusförmigen Bauteilabschnittes. Bei zwei weiteren den Slip Joint mit ausbildenden Bauteilabschnitten des oberen und des unteren Bauteils ist vorzugsweise jeweils der eine oberhalb und der andere unterhalb des jeweiligen konusförmigen Bauteilab- schnittes angeordnet und sowohl die Flächensenkrechte des einen als auch des an- deren Bauteilabschnittes schneiden die zentrale Längsachse des Bauwerks in einem größeren Winkel als die Flächensenkrechte des konusförmigen Bauteilabschnittes. Die Flächensenkrechten werden hierbei in einem vertikalen Längsschnitt des Bau- werks betrachtet, das heißt in einem identischen Umfangswinkel bezogen auf die zentrale Längsachse des Bauwerks, die bei einer vertikalen Ausrichtung des Bau-

-3- BE2021/5506 werks senkrecht auf einem Untergrund steht. Die Flächensenkrechten der jeweiligen Bauteilabschnitte gehen senkrecht von den Oberflächen in Richtung der Längsmit- telachse des jeweiligen Bauteils, d.h. dass z.B. eine Flächensenkrechte auf einer Außenseite des unteren Bauteils senkrecht von dessen Oberfläche durch die Wand des Bauteils zur Längsmittelachse hin verläuft. Die Oberfläche eines konusförmigen Bauteilabschnitts entspricht zumindest im Wesentlichen, insbesondere vollständig der eines Kegelstumpfes, wobei fertigungsbedingte Toleranzen oder z.B. notwendi- gerweise vorhandene Wülste von Schweißnähten nicht berücksichtigt werden.

Der zumindest eine weitere Bauteilabschnitt des unteren Bauteils liegt zur Ausbil- dung des Slip Joints mit dem zumindest einen weiteren Bauteilabschnitt des oberen Bauteils auf einer Höhe bzgl. der Längsmittelachse. Bei jeweils zwei weiteren Bau- teilabschnitten pro Bauteil liegen die beiden (zweiten) weiteren Bauteilabschnitte ebenfalls wieder auf einer Höhe nebeneinander. Vorzugsweise schneiden die Flä- chensenkrechten dieser Paare von Bauteilabschnitten die Längsachse unbeachtet fertigungsbedingter Toleranzen in demselben Winkel, so dass die Bauteilabschnitte parallel verlaufen.

Im Stand der Technik wurden die auftretenden Lastübergänge ausschließlich für die dann entsprechend zu dimensionierenden konusfôrmigen Bauteilabschnitte gerech- net. Je größer der Überlappungsbereich ist, desto geringer ist die Belastung bezie- hungsweise desto größere Biegemomente können aufgenommen werden. Mit zu- nehmend größer werdenden Anlagen werden die konusförmigen Abschnitte des Bau- bzw. Tragwerks immer größer und damit teurer. Die Erfindung macht sich nun

-4- BE2021/5506 die Erkenntnis zunutze, dass die auftretenden Lastübergänge auch zumindest teil- weise getrennt oder geteilt werden können. Für rein axiale Belastung würde bei glei- chen Winkeln des Konus eine deutlich kürzere Uberlappungslänge ausreichen. Er- findungsgemäB wird daher eine zumindest teilweise Trennung der axialen Kräfte, die insbesondere durch das Eigengewicht des oberen Bauteils und der hierauf befestig- ten Windkraftanlagenteile bestimmt ist, und der Biegelast durch zum Beispiel Wind und Wellen vorgenommen. Während die axiale Kraft weiterhin durch den Konus auf- genommen wird, wird die Biegebelastung nun zumindest in Teilen durch den zusätz- lichen Bauteilabschnitt zumindest mit aufgenommen. Die Belastungen der Slip Joint- Verbindung, die sich aus axialer Last und aus der Biegelast ergeben, treten dann an unterschiedlichen Stellen auf und eine Spannungsüberlagerung wird zumindest in Teilen vermieden. Die Slip-Joint-Verbindung wird somit durch die aneinander liegen- den und dem Lastübertrag dienenden Bereiche der Bauteile einschließlich etwaiger zwischen den Bauteilen angeordneter Verbindungselemente ausgebildet.

Dies trifft insbesondere auf eine Variante der Erfindung zu, bei der neben dem ko- nusförmigen Bauteilabschnitt ein oberer und ein unterer zusätzlicher Bauteilabschnitt vorhanden sind, und bei dem sich dann der Verbindungsbereich sowohl nach oben als auch nach unten von einem zentralen, konusförmigen Bereich fortsetzt. In die- sem Fall werden die Biegelasten zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise zu zu- mindest 80, noch bevorzugter Weise zu zumindest 90% in diesen zusätzlichen Bau- teilabschnitten abgetragen.

-5- BE2021/5506 Vorzugsweise sind die Flächensenkrechten des weiteren Bauteilabschnittes des oberen und unteren Bauteils dergestalt ausgebildet, dass sie die Längsachse in ei- nem gleichen Winkel schneiden. Der Verlauf der Bauteile in dem insbesondere drei- teiligen Verbindungsbereich ist somit zumindest in den Bereichen außerhalb der Übergänge zwischen den Bauteilabschnitten parallel. Sowohl das untere als auch das obere Bauteil bilden jeweils drei den Slip Joint ausbildende Bauteilabschnitte aus, wobei jeweils einer der weiteren Bauteilabschnitte oberhalb des konusfôrmigen Bauteilabschnittes und der andere der beiden unterhalb des konusfôrmigen Bauteil- abschnittes ausgebildet ist.

Vorzugsweise unterscheiden sich die Winkel, mit denen die Flächensenkrechten des oder der weiteren Bauteilabschnitte die zentrale Längsachse schneiden, von denen des konusfôrmigen Bauteilabschnitts um zumindest 2°.

Vorzugsweise ist der zumindest eine weitere Bauteilabschnitt des unteren und/oder des oberen Bauteils hohlzylindrisch geformt und wird insbesondere durch gerade Rohrsegmente ausgebildet. Die Flächensenkrechten des oder der weiteren Bauteil- abschnitte stehen dann insbesondere senkrecht zur zentralen Längsachse. Ein sich an den zumindest einen hohlzylindrischen Bauteilabschnitt anschließender und (bei zwei weiteren Bauteilabschnitten) insbesondere mittlerer konischer Teil kann deut- lich kleiner und somit kostengünstiger ausgeführt werden. Insbesondere bei den immer größer werdenden Dimensionen und Lasten ergeben sich für die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauwerks sowie einer entsprechenden Windkraftanlage

-6- BE2021/5506 durch die kleinere Dimensionierung des mittleren, konischen Bauteilabschnittes er- hebliche Kostenvorteile.

Eine für den Lastabtrag im Betrieb besonders vorteilhafte Variante der Erfindung ergibt sich mit einem unteren und einem oberen Bauteil, welche jeweils einen konus- förmigen Bauteilabschnitt aufweisen und bei denen die weiteren Bauteilabschnitte hohlzylindrisch ausgebildet sind. Von diesen weiteren Bauteilabschnitten schließt sich vorzugsweise einer nach oben und einer nach unten (bezogen auf die zentrale Längsachse in der Betriebsposition des Bauteils) an den konusförmigen Bauteilab- schnitt an. Vorzugsweise ist zwischen dem unteren und dem oberen Bauteil eine Verbindungs- vorrichtung umfassend eine Mehrzahl von insbesondere ringförmigen, plattenförmi- gen und/oder schichtartigen sowie vorzugsweise elastischen, insbesondere viskoelastischen und/oder kompressiblen Verbindungselementen zum Zweck des Lastübertrags zwischen dem oberen und dem unteren Bauteil angeordnet. Diese Verbindungsvorrichtung kann zumindest in einem der zwei oder drei Abschnitte des Verbindungsbereichs des Slip Joints vollständig in Umfangsrichtung um eine zentra- le Längsachse umlaufend und hierdurch eine Dichtungsebene ausbildend angeord- net sein. Es kann sich allerdings auch um mit Abstand voneinander angeordnete Verbindungselemente handeln, die über die Höhe des Bauwerks entlang der zentra- len Längsachse und/oder in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Insbe- sondere in den Übergangsbereichen zwischen einem beispielsweise hohlzylindri- schen Rohr- bzw. Bauteilabschnitt und einem konusförmigen Bauteilabschnitt ist

-7- BE2021/5506 kein Verbindungselement angeordnet, was die Anordnung der jeweiligen Verbin- dungselemente und die Passgenauigkeit erhöht. Vorzugsweise ist zumindest bezo- gen auf die Längsrichtung pro Bauteilabschnitt eine Mehrzahl von Verbindungsele- menten in Umfangsrichtung gleichmäßig um die Längsachse herum verteilt.

Insbesondere bildet die Verbindungsvorrichtung im konusfôrmigen, mittleren Bau- teilabschnitt des Bauwerks eine umlaufende Dichtung aus. Die Anordnung der Dich- tung in diesem Bereich ist besonders vorteilhaft, da sich aufgrund von auftretenden Biegelasten etwaige Relativbewegungen des unteren und des oberen Bauteils zuei- nander in diesem Bauteilabschnitt nur geringfügig auswirken, wenn die wesentlichen Biegelasten durch einen unteren und einen oberen Bauteilabschnitt aufgefangen werden.

Insbesondere sind die Verbindungselemente zumindest überwiegend aus einem Polyurethan ausgebildet. Beispielsweise handelt es sich um Polyurethan-Platten, die auf ihrer Oberfläche mit einer Schichte eines Gleitlacks oder einer anderen reibungs- reduzierenden Beschichtung versehen sind, so dass die Installation der unteren und oberen Bauteile einfacher vonstattengeht.

Entsprechend der Ausrichtung der zu verbindenden Bauteilabschnitte des unteren und des oberen Bauteils sind die bezüglich der Längsachse zwischen übereinander befindlichen Bauteilabschnitten angeordneten Verbindungselemente mit zueinander angewinkelten Flächennormalen versehen. Dies gilt wiederum für eine Betrachtung eines vertikalen Längsschnittes durch die zentrale Längsachse. Vorteilhafterweise

-8- BE2021/5506 ist das zumindest eine Verbindungselement, das zwischen den konusförmigen Bau- teilabschnitten angeordnet ist, mit einer anderen Dicke versehen, als das bezüglich in Richtung quer zur Längsachse betrachtet daneben befindliche Verbindungsele- ment. Hierdurch wird den in der Regel dort auftretenden Lasten Rechnung getragen.

Ebenfalls kann ein Verbindungselement mit einer insbesondere in Richtung seiner flächigen Erstreckung variierenden Dicke versehen sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauwerks können auch von in Umfangsrichtung um die Längsachse nebeneinander angeord- neten Verbindungselementen zumindest eines mit einer größeren Dicke versehen sein, als ein daneben oder bzgl. der Längsachse darüber angeordnetes Verbin- dungselement. Hierdurch können bei einem Bauteil auftretende Toleranzen ausge- glichen werden. Beispielsweise kann ein Verbindungselement auch abgeschrägte Kanten aufweisen, um während einer Installation des Bauwerks durch Überstülpen des oberen Bauteils über das untere Bauteil ein sichereres Übereinandergleiten zu ermöglichen. Dies gilt insbesondere für zwischen oberen und unteren, hohlzylinder- förmig ausgebildeten Bauteilabschnitten angeordnete Verbindungselemente. Zumindest ein Teil der Verbindungselemente ist vorteilhafterweise zumindest teil- weise elastisch, insbesondere viskoelastisch verformbar. Dies kann gezielt zu einem Anpassen der Verbindungselemente an Ungenauigkeiten und Unebenheiten des unteren und des oberen Bauteils, beispielsweise in Form von Schweißnähten ge- nutzt werden, so dass diese beispielsweise in einer Dichtungsebene gut umschlos- sen werden oder aufgrund einer ungenauen Anordnung von Verbindungselementen

-9- BE2021/5506 vorhandene Abstände geschlossen werden. Außerdem kann die Dämpfung und auch hierdurch die Langzeitstabilität der Anlage erhöht werden. Ebenfalls kann es der Anpassung an die Bauteile dienen, wenn ein Teil der Verbindungselemente, zu- mindest also ein Verbindungselement mit einer in sich variierenden Dicke versehen ist und hierdurch beispielsweise Toleranzen eines Bauteils ausgleicht oder Schweißnahterhöhungen ausgleicht. Die einzelnen Verbindungelemente können also in sich eine variierende Dicke aufweisen, um etwaigen auf Bauteil-Seite vor- handenen Abweichungen von einem Sollmaß, zum Beispiel in Form von Schweiß- nähten, Rechnung tragen zu können. Gleichfalls können die Verbindungselemente beispielsweise zum Zwecke einer verbesserten Installation mit Schrägen versehen oder zumindest teilweise im Schnitt keilförmig ausgebildet sein.

Die Verbindungselemente der Verbindungsvorrichtung sind vorzugsweise zumindest überwiegend und mit Ausnahme etwaiger Beschichtungen oder äußerer Klebe- schichten vorzugsweise vollständig aus einem gegebenenfalls mit Ausnehmungen versehenen, kompakten Polyurethan hergestellt. Im Rahmen der Erfindung ist unter einem kompakten Polyurethan oder einem festen Polyurethan ein fester Körper zu verstehen, der im Wesentlichen frei von gasförmigen Einschlüssen ist. Im Wesentli- chen frei von Gaseinschlüssen" bedeutet in diesem Fall, dass das Polyurethan vor- zugsweise weniger als 20 Volumenprozent, besonders bevorzugt weniger als 10 Volumenprozent, insbesondere weniger als 5 Volumenprozent und ganz besonders weniger als 2 Volumenprozent Gaseinschlüsse enthält.

-10- BE2021/5506 Ergänzend zu der Verwendung von lastabtragenden, zumindest teilweise elasti- schen Verbindungselementen, deren Dicke betrachtet quer zur jeweils flächigen Er- streckung insbesondere zwischen 2 und 10 cm liegen kann, kann zumindest ein Teil der Verbindungselemente zumindest teilweise kompressibel ausgebildet sein, wobei die Kompressibilität des jeweiligen Verbindungselementes insbesondere durch eine

Strukturierung der Oberfläche, durch Ausnehmungen im Material und/oder durch das Material zumindest einer Schicht des insbesondere mehrschichtigen Verbin- dungselementes ausgebildet wird.

Beispielsweise kann es sich hierbei um eine ge- schäumte Polyurethanverbindung handeln, durch die ein plattenförmiges Verbin-

dungselement ausgebildet wird.

Durch die Ausbildung kompressibler und/oder zumindest teilweise elastischer Ver- bindungelemente erfolgt neben einem Lastübertrag zwischen dem unteren und dem oberen Bauteil des turmartigen Bauwerks auch eine Dämpfung auftretender Kräfte,

was die Integrität des Bauwerks im Vergleich zu bisher bekannten Verbindungen durch Mörtel oder Bolzen verbessert.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Her- stellung eines turmartigen Bauwerks, welches wie vor- oder nachbeschrieben aus-

gebildet ist und wobei zumindest ein Teil der Verbindungselemente auf das untere und/oder das obere Bauteil aufgespritzt oder gegossen wird.

Vorteilhafterweise wer- den die Verbindungselemente unabhängig von der Herstellungsweise derer auf dem Transition Piece angeordnet.

Das Aufbringen einer Vergussmasse, beispielsweise in Form von Polyurethan kann durch Haftvermittler oder Grundierungen verbessert

- 11 - BE2021/5506 werden, die Anbringung von plattenfôrmigen Verbindungselementen wird durch Kle- ber verbessert.

Insbesondere können ein oder mehrere Magnethalterungen verwendet werden, die die Verbindungselemente solange in Position halten, bis diese beispielsweise durch Aushärten des Klebers sicher festgelegt sind.

Vorteilhafterweise wird zumindest ein Teil der Verbindungselemente vorab herge- stellt und anschließend auf dem unteren und/oder oberen Bauteil befestigt. Vor- zugsweise werden alle Verbindungselemente vorab beispielsweise in Form von Plat- ten gegossen und anschließend insbesondere auf dem oberen Bauteil befestigt. Ei- ne vorteilhafte, weil einfach zu handhabende Option zur Festlegung der Verbin- dungselemente liegt in der Verwendung einer Magnethalterung, über die ein Verbin- dungselement zumindest so lange an der gewünschten Position an dem oberen o- der unteren Bauteil gehalten werden, bis das Verbindungselemente ausreichend befestigt ist.

Für etwaige Abweichungen der Bauteile von einer vorgegebenen Form aufgrund von Fertigungstoleranzen oder aufgrund von beispielsweise Schweißnähten können der obere und/oder der unter Bauteil nach dessen/deren Herstellung vermessen werden, wodurch sich ein aufgrund etwaiger Abweichungen von einer Sollform ergebendes Abweichungsmaß ergibt, welches dann durch unterschiedliche Dicke und/oder flä- chige Erstreckung der Verbindungselemente berücksichtigt wird. Dies kann bereits während der Herstellung der Verbindungselemente berücksichtigt werden. Vorzugs-

„12 - BE2021/5506 weise wird das Abweichungsmaß jedoch durch Nachbearbeiten zumindest eines der Verbindungselemente berücksichtigt, was beispielsweise nachträglich noch durch Materialabnahme mittels Fräsen erfolgen kann.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird ebenfalls durch eine Windkraftanlage, insbe- sondere eine Offshore-Windkraftanlage gelöst, welche ein vor- oder nachbeschrie- benes Bauwerk aufweist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Figurenbe- schreibung zu entnehmen. Schematisch dargestellt zeigt: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Gegenstand, Fig. 2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Gegenstand, Fig. 3 Detailansichten des erfindungsgemäßen Gegenstands nach Fig. 2, Fig. 4 einen weiteren erfindungsgemäßen Gegenstand, Fig. 5 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Gegenstands nach Fig. 4, Fig. 6 einen (teilweise) Vertikalschnitt durch den Gegenstand nach Fig. 4, Fig. 7 bis

-13- BE2021/5506 Fig. 11 vertikale Längsschnitte durch weitere erfindungsgemäße Gegen- stände. Einzelne technische Merkmale der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispie- le können auch in Kombination mit den Merkmalen der Ansprüche, zumindest eines der unabhängigen Ansprüche, zu erfindungsgemäßen Weiterbildungen führen. So- fern sinnvoll sind funktional gleichwirkende Teile mit identischen Bezugsziffern ver- sehen.

Eine erfindungsgemäße Windkraftanlage ist vorzugsweise als Offshore-Windanlage ausgebildet mit einem unteren Bauteil 2, über das ein oberes Bauteil 4 übergestülpt wurde. Das untere Bauteil 2 ist vorliegend (Fig. 1) als Monopile ausgebildet. Das obere Bauteil 4 stellt als Transition Piece den Übergang zu einer mit Rotorblättern 6 versehenen Gondel 8 her.

Die Windkraftanlage umfasst somit ein ebenfalls erfindungsgemäßes Bauwerk um- fassend die unteren und oberen Bauteile 2, 4 sowie eine etwaig zwischen diesen angeordnete Verbindungsvorrichtung. Das untere Bauteil 4 ist senkrecht stehend auf einem Meeresboden bzw. Untergrund 10 angeordnet und ragt über die Wasserober- fläche 12 hinaus. Die auf die Verbindung von unterem und oberem Bauteil wirken- den Lasten ergeben sich einerseits durch die vertikal zum Untergrund 10 gerichtete Gewichtslast des Transition Piece und der auf dieser angeordneten Gondel 8. Durch Wind und Wellen treten zusätzliche, horizontal zum Untergrund verlaufende Lasten auf, die ebenfalls auf das Transition Piece wirken und somit über die Verbindung

„14 - BE2021/5506 vom Monopile abgetragen werden müssen. Etwaige Vibrationen oder Stöße, die auf das Monopile wirken, werden ggf. zusätzlich auch in Richtung des Transition Piece übertragen.

Eine erfindungsgemäße Ausbildung und Verbindung nach Art eines Slip Joints für das Bauwerk bzw. die Windkraftanlage nach Fig. 1 ist in der Fig. 2 offenbart. Ein Verbindungsbereich 14 reicht von einem unteren Ende 16 eines Verbindungsele- ments 18 bis hin zu einem oberen Ende 20 eines weiteren Verbindungselements 18. Insgesamt sind sowohl für das untere Bauteil 2 als auch für das obere Bauteil 4 je- weils drei Bauteilabschnitte vorhanden, mit denen die Slip Joint-Verbindung ausge- bildet wird. Ein erster Bauteilabschnitt 22 wird durch den unteren hohlzylindrischen und im Verbindungsbereich liegenden Teil des oberen Bauteils 2 definiert. Dieser befindet sich unterhalb eines konusförmigen Bauteilabschnitts 24, nachfolgend auch als mittlerer Bauteilabschnitt des Transition Piece bezeichnet. Oberhalb schließt sich ein Bauteilabschnitt 26 an, der ebenfalls wiederum hohlzylindrisch ausgebildet ist und der einen geringeren AuRendurchmesser aufweist als der untere Bauteilab- schnitt 22. Unten, mittig und oben verstehen sich als Relativpositionen bezüglich einer zentralen Längsachse 28, die senkrecht zum Untergrund 10 mittig durch das Bauwerk verläuft. Flächensenkrechten 29 zu den äußeren Oberflächen des unteren Bauteils 2 und zu den inneren Oberflächen des oberen Bauteils 4 schneiden die zentrale Längsachse, die von oben betrachtet in der Mitte des Bauwerks verläuft, je nach Zugehörigkeit zum Bauteilabschnitt in einem unterschiedlichen Winkel a, d.h. die oberen und unteren Bauteilabschnitte 22 und 32 bzw. 26 und 36, die sich allge- mein an die mittleren, konusförmigen Bauteilabschnitte 24 und 34 anschließen, ver-

-15- BE2021/5506 laufen zu diesen angewinkelt. In den konusförmigen Bauteilabschnitten 24 und 34 schneiden die Flächensenkrechten 29 die Längsachse 28 in einem Winkel von rund 85°, während in den sich oben und unten anschließenden Bauteilabschnitten die Flächensenkrechten senkrecht, d.h. in einem Winkel von 90° zur Längsachse ste- hen.

Auf Seiten des unteren Bauteils bzw. Monopiles lassen sich die Bauteilabschnitte analog zu den Bauteilabschnitten 22, 24 und 26 des Transition Piece definieren. Ein unterer, hohlzylindrischer Teil 32 des unteren Bauteils 2 stellt einen unteren Bauteil- abschnitt dar. Dieser geht nach oben hin über in einen mittleren, konusförmigen Bauteilabschnitt 34, der durch den konusförmigen Bereich des unteren Bauteils 2 ausgebildet wird und woran sich nach oben hin ein wiederum hohlzylinderfôrmiger Bauteilabschnitt 36 anschließt, dessen Durchmesser sowohl außen als auch innen geringer ist als der Durchmesser des ebenfalls hohlzylindrischen und weiter unten liegenden Bauteilabschnitts 32. Sämtliche Bauteilabschnitte 22, 24, 26, 32, 34, 36 sind um die zentrale Längsachse 28 umlaufend ausgebildet. In den Zeichnungen wird aus Gründen der Einfachheit teilweise mit Pfeilen statt mit geschweiften Klam- mern auf die Bauteilabschnitte 22, 24, 26, 32, 34, 36 hingewiesen.

Die Verbindungselemente 18 sind im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 lediglich zwi- schen den hohlzylindrischen Bauteilabschnitten 26 und 36 bzw. 22 und 32 angeord- net und dienen dem Übertragen der auftretenden Biegemomente. Da die Vertikallas- ten durch die Gewichtskraft im Wesentlichen konstant sind, und entsprechend wenig Dämpfung notwendig ist, liegen die konusförmigen Bauteilabschnitte 24 und 34 auf-

- 16 - BE2021/5506 einander auf, so dass dort ein direkter Lastübertrag zwischen den konusfôrmigen Elementen erfolgt. Die mit deutlich größeren Varianzen auftretenden Biegelasten werden im Wesentlichen in den Bauteilabschnitten 22, 32 und 26 und 36 übertragen, sowie teilweise durch die schrägen Flächen des konusförmigen Verbindungsab- schnitts. Dies ergibt sich insbesondere aufgrund der Längen der oberen und unteren Bauteilabschnitte und deren Abstand voneinander. In der Detailansicht nach Fig. 3 ist erkennbar, dass sich die Verbindungselemen- te 18 aus den jeweiligen oberen Bauteilabschnitten 26 und 36 nicht hin in den ko- nusförmigen Bereich hineinerstrecken, was die Ausbildung und Anordnung der Ver- bindungselemente erleichtert.

Die Bauteilabschnitte des unteren und oberen Bauteils bilden insgesamt drei Ver- bindungsabschnitte des Verbindungsbereichs 14 aus. Der erste Verbindungsab- schnitt umfasst die unteren Bauteilabschnitte 22 und 32. Der mittlere Verbindungs- abschnitt ist derjenige mit den konusförmigen Bauteilabschnitten des unteren und oberen Bauteils 2, 4. Der dritte Abschnitt umfasst den Bereich der oberen, hohlzy- lindrischen Bauteilabschnitte 26 und 36. Jeder dieser Verbindungsabschnitte kann einen oder mehrere Teile der Verbindungsvorrichtung aufweisen.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 sind pro Verbindungsabschnitt zwei Rei- hen von in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten und auf Abstand zuei- nander am Transition Piece vorab festgelegte Verbindungselementen 18 vorhanden. Während die im konusförmigen Verbindungsabschnitt befindlichen Verbindungsele-

„17 - BE2021/5506 mente 18 eine gleichbleibende Dicke aufweisen, sind die jeweils in der unteren Rei- he des hohlzylindrischen Bauteilabschnitts angeordneten Verbindungselemente 18 in Richtung der Längsachse 18 mit einer variierende Dicke versehen, was das Inei- nandergleiten der beiden Bauteile während der Montage deutlich vereinfacht (Fig. 5 und Fig. 6). Ebenfalls ist auch die zusätzliche Reihe, d. h. die zweite, obere Reihe der hohlzylindrischen Bauteilabschnitte mit Verbindungselemente versehen, die am unteren Ende eine geringere Dicke aufweisen als an ihrem oberen Ende, um die Montage des Bauwerks weiter zu verbessern.

Die Dicke der Verbindungselemente 18 variiert vorzugsweise zumindest über 30 % der Dicke, weiter vorzugsweise über zumindest 80 % der Dicke und bis hin zu 90 % der Dicke, wobei bei einer Befestigung der Verbindungselemente 18 am oberen Bauteil 4 das im Schnitt schmalere Ende der Verbindungselemente 18 unten ist. So- fern die Verbindungselemente 18 auf Seiten des Monopiles bzw. unteren Bauteils 2 befestigt werden, bevor die beiden Bauteile ineinandergesteckt werden, befindet sich das schmalere Ende der Verbindungselemente 18 oben.

Anstelle von zwei Reihen von Verbindungselementen 18 kann pro Verbindungsab- schnitt auch lediglich ein Verbindungssegment 18 vorhanden sein, wobei, wie auch In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6, diese Verbindungselemente 18, die zwi- schen den hohlzylindrischen Bauteilabschnitten angeordnet sind, ebenfalls wiede- rum eine variierende Dicke aufweisen (Fig. 7).

-18- BE2021/5506 Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist auf die variierende Dicke der Verbindungs- elemente 18 verzichtet worden. Flächennormalen 31 der übereinander angeordne- ten Verbindungselemente schneiden die zentrale Längs- und Längsmittelachse 28 in unterschiedlichen Winkeln B und sind entsprechend zueinander angewinkelt. Diese weisen nun in allen drei Verbindungsabschnitten des Verbindungsbereichs 14 eine gleichmäßige Dicke auf. Die Dicke wird allgemein quer zur flächigen Erstreckung der Verbindungselemente betrachtet. Für die Messung der Dicke der Verbindungsele- mente werden diese allerdings nicht als durch die Bauteile des Bauwerks mit Last beaufschlagt angesehen. Die Dicke beträgt insbesondere zwischen 2 und 10 cm und ist vorzugsweise zumindest um einen Faktor 5, noch bevorzugter um einen Faktor 10 geringer als die Breite und/oder die Länge der Verbindungselemente 18. Die Di- cke eines flach auf einem Boden liegenden Verbindungselements wird in Richtung einer Vertikalen zum Untergrund gemessen. Bei in hohlzylindrischen Teilen des Bauwerks angeordneten Verbindungselementen wird die Dicke senkrecht zur Längsachse bestimmt. Bei im konusförmigen Verbindungsabschnitt angeordneten Verbindungselementen wird die Dicke der Verbindungselemente 18 in Richtung ei- ner Senkrechten zur Oberfläche des unteren oder oberen Bauteils gemessen. Die flächige Erstreckung wird dann jeweils senkrecht zu der Richtung, in der die Dicke gemessen wird, betrachtet.

Alternativ zu den plattenförmigen Verbindungselementen kann die Verbindungsvor- richtung auch abgerundete Verbindungselemente aufweisen. Diese können voll um- fänglich um die Längsachse herumlaufen und somit eine Dichtung ausbilden. Sie können auch alternativ lediglich zu Abstützungszwecken vorgesehen sein und bei-

-19- BE2021/5506 spielsweise auf Abstand insbesondere auf dem Transition Piece festgelegt und dann über den Monopile geschoben werden.

Generell muss es sich bei dem unteren Bauteil nicht um einen Monopile handeln. Es ist ebenfalls denkbar, ein turmartiges Bauwerk mit einer Mehrzahl von Slip Joint- Verbindungen und beispielsweise als Dreibein (Tripod) auszubilden, so dass die drei Beine der Windkraftanlage jeweils mittels einer Slip Joint-Verbindung ausgebildet werden.

Vorzugsweise wird die Dimensionierung der Verbindungselemente 18 in Abhängig- keit der in den jeweiligen Bereichen auftretenden Lasten vorgenommen. Während in der Fig. 9 die zwischen den unteren Bauteilabschnitten 22 und 32 sowie den oberen Bauteilabschnitten 36 und 26 angeordneten Verbindungselemente 18 im dargestellten vertikalen Längsschnitt eine vergleichsweise kleine Fläche einnehmen, sind die im konusförmigen Verbindungsabschnitt angeordneten Verbindungselemen- te 18 deutlich größer ausgebildet. In den Figuren 10 und 11 sind weitere, vereinfachte Ausführungsvarianten eines turmartigen Bauwerks offenbart, bei dem sich an einen konusförmigen Bauteilab- schnitt 22 bzw. 24 lediglich ein hohlzylinderförmiger Bauteilabschnitt 26 bzw. 36 nach oben hin (Fig. 10) oder ein hohlzylinderförmiger Bauteilabschnitt 22 bzw. 32 nach unten hin erstrecken. Entsprechend der dann während der Montage sinnvollen Führung des entweder unteren Bauteilabschnitts 22 des oberen Bauteils 4 (Fig. 11)

-20- BE2021/5506 bzw. des Bauteilabschnitts 26 des oberen Bauteils 4 sind dann in den jeweiligen Ab- schnitten angeordnete Verbindungselemente angeschrägt ausgebildet.

Vorzugswei- se wird auf eine Anschrägung der Verbindungselemente 18 im konusfôrmigen Be- reich allgemein verzichtet.

Gleichwohl können in diesen Bereichen unabhängig da-

von die Dicken der Verbindungselemente an etwaige Abweichungen vom Sollmaß angepasst werden.

Claims (15)

-21- BE2021/5506 Patentansprüche

1. Turmartiges Bauwerk für eine insbesondere als Off-Shore-Bauwerk ausgebil- dete Windkraftanlage, umfassend wenigstens einen unteren, insbesondere als Mo- nopile ausgebildeten Bauteil (2) und einen oberen, insbesondere als Transition Piece ausgebildeten Bauteil (4), der zur Ausbildung eines Slip Joints teilweise über den unteren Bauteil (2) gestülpt ist, wobei das obere und das untere Bauteil jeweils einen konusförmigen Bauteilabschnitt (24, 34) aufweisen, dadurch gekennzeich- net, dass das obere und das untere Bauteil (2, 4) jeweils zumindest einen weiteren den Slip Joint mit ausbildenden Bauteilabschnitt (22, 32, 26, 36) aufweist, der quer zu einer zentralen Längsachse (28) des Bauwerks betrachtet oberhalb und/oder un- terhalb des konusförmigen Bauteilabschnitts (24, 34) angeordnet ist und dessen Flä- chensenkrechte (29) die Längsachse (28) in einem größeren Winkel (a) schneiden als die Flächensenkrechte (29) des konusförmigen Bauteilabschnitts.

2. Bauwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächensenk- rechte (29) der weiteren Bauteilabschnitte (22, 32, 26, 36) des oberen und unteren Bauteils (2, 4) die Längsachse (28) in einem gleichen Winkel (a) schneiden.

3. Bauwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das untere und das obere Bauteil (2, 4) jeweils drei den Slip Joint ausbildende Bauteilabschnitte (22, 32, 26, 36) ausbilden und jeweils einer der beiden weiteren Bauteilabschnitte

„22 - BE2021/5506 (26, 36) oberhalb der konusförmigen Bauteilabschnitt (24, 34) und jeweils der an- dere der beiden unterhalb der konusförmigen Bauteilabschnitt (24, 34) ausgebildet ist.

4. Bauwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine weitere Bauteilabschnitt (22, 32, 26, 36) des unteren und/o- der des oberen Bauteils (2, 4) hohlzylindrisch geformt ist.

5. Bauwerk nach Anspruch 4, wobei der untere und obere Bauteil (2, 4) jeweils zwei weitere Bauteilabschnitte (22, 32, 26, 36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Bauteilabschnitte (22, 32, 26, 36) hohlzylindrisch geformt sind.

6. Bauwerk nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem unteren und oberen Bauteil (2, 4) eine Verbindungsvorrichtung umfassend eine Mehrzahl von insbesondere ringförmigen, plattenförmigen und/oder schichtartigen sowie vorzugsweise elastischen und/oder kompressiblen Verbin- dungselementen (18) zum Zweck des Lastübertrags zwischen dem oberen und dem unteren Bauteil (2, 4) angeordnet sind.

7. Bauwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bezüglich der Längsachse (28) zwischen übereinander befindlichen Bauteilabschnitten (22, 24, 26, 32, 34, 36) des unteren und des oberen Bauteils (2, 4) angeordneten Verbindungs- elemente (18) zueinander angewinkelte Flächennormalen (31) aufweisen

„23 - BE2021/5506

8. Bauwerk nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von in Umfangsrichtung um die Längsachse nebeneinander angeordneten Verbin- dungselementen (18) eines eine größere Dicke aufweist als die daneben angeordne- ten Verbindungselemente (18).

9. Bauwerk nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest ein Teil der Verbindungselemente (18) zumindest teilweise elastisch verformbar ist.

10. Bauwerk nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest ein Teil der Verbindungselemente (18) zumindest teilweise kompressibel ist, wobei die Kompressibilität des jeweiligen Verbindungselements insbesondere durch eine Strukturierung der Oberfläche und/oder durch das Material zumindest einer Schicht des insbesondere mehrschichtigen Verbindungselements (18) ausgebildet wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines turmartigen Bauwerks nach einem der vorhe- rigen Ansprüche unter Einschluss von Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Verbindungselemente (18) auf das untere und/oder das obere Bauteil (2, 4) aufgespritzt oder gegossen wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines turmartigen Bauwerks nach einem der vorhe- rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Verbin- dungselemente (18) vorab hergestellt und anschließend auf dem unteren und/oder

„24 - BE2021/5506 oberen Bauteil (2, 4) befestigt wird, insbesondere wobei zum Festlegen der Verbin- dungselemente (18) zumindest eine Magnethalterung verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der obere und/o- der der untere Bauteil (2, 4) nach dessen/deren Herstellung vermessen werden und sich ein aufgrund einer Abweichung von einer Sollform ergebenes Abweichungsmaß durch unterschiedliche Dicke und/oder flächige Erstreckung der Verbindungsele- mente (18) berücksichtigt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwei- chungsmaß durch Nachbearbeiten zumindest eines der Verbindungselemente (18) berücksichtigt wird.

15. Windkraftanlage, insbesondere Offshore-Windkraftanlage, gekennzeichnet durch ein Bauwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10.