DE10222646A1

DE10222646A1 - Gittermast-Monopfahl exzentrisch

Info

Publication number: DE10222646A1
Application number: DE2002122646
Authority: DE
Inventors: Joachim Falkenhagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2002-05-19
Publication date: 2004-01-22

Abstract

Tragstruktur für Windkraftanlagen, die im unteren Teil als Einzelpfahl im Boden verankert wird und im oberen Teil eine verzweigte Struktur aufweist, bei der das Rohr des Einzelpfahls in einer der Stützen des verzweigten Bereichs fortsetzt.

Description

Stand der Technik
Soweit rohrförmige Konstruktionen nach oben in aufgelöste übergeführt werden, ist vor allem eine Aufteilung des Rohrquerschnitts in Segmente und gegebenenfalls deren weitere Umformung bzw. Ergänzung naheliegend, wie etwa im Patent GB 1422 662 . Bei umgekehrter Abfolge mit Montage eines Rohrmasten oberhalb einer Fachwerkkonstruktion werden seitlich gehaltene „Jacket"-Konstruktionen mit mittigem Turm beschrieben (z.B. von Martin Kühn in: Dynamics and Design Optimisation of Offshore Wind Energy Conversion Systems, Delft 2001, S. 48). Dies erfordert aufwendige Anschlüsse, insbesondere um Drehmomente um die Turmachse zwischen den Abschnitten zu übertragen.
Neue Lösung
Zweckmäßige Ausführungen ergeben sich mit den in den Ansprüchen beschriebenen Ausführungsweisen.
Vorteile
Die Ausprägung gemäß Anspruch 1 nutzt die Tatsache, dass es zur Kraftübertragung, insbesondere von hauptsächlich nicht aus Gewichtskräften herrührenden Lasten, nicht erforderlich ist, dass sich der Turm axial oberhalb des Pfahls befindet. Eine günstige Verbindung zwischen Fachwerk (oben) und Pfahl (unten) kann anspruchsgemäß dadurch erreicht werden, dass die obere Verlängerung eines Pfahls eine Stütze (16) des Fachwerks bildet bzw. axial an eine Stütze anschließt. Die anderen Stützen (17 und 18) münden in zweckmäßiger Ausprägung in Nähe der Bodenoberfläche (2) seitlich in den Hauptpfahl (16) ein, und sind durch zusätzliche Verstrebungen (3) mit ihm und untereinander verbunden. Damit entsteht bei Rammungen (19) ein linearer Kraftfluss von einer Rammstelle durch die Fachwerkkonstruktion hindurch zu dem Pfahlanteil im Boden.
Diese Lösung bietet sich unter anderem an, wenn die Steifigkeit der Struktur bzw. der Materialbedarf durch zusätzliche Stützen in genügendem Abstand verbessert werden soll, während der unter bodenmechanischen Gesichtspunkten dimensionierte Pfahldurchmesser und der zur Übertragung von Drehmomenten um eine vertikale Achse gewünschte bzw. hinsichtlich des Wellengangs akzeptable Durchmesser des Turms geringer sind und weniger voneinander abweichen. Außerdem kann sich dadurch eine erwünschte Sollbruchstelle in der Nähe des Meeresbodens ergeben.
Vorteilhaft erscheinen Ausführungen mit zwei oder drei zusätzlichen Stützen in einem Quadranten neben der durchlaufenden Stütze. Dagegen wäre es für die statische Wirksamkeit (Hebelarm) nicht sinnvoll, die durchlaufende Stütze (16) zum Mittelpunkt mehrerer im Umkreis angeordneter Zusatzstützen zu machen.
Die aus dem Pfahl fortgesetzte Stütze kann abschnittsweise konisch ausgebildet sein. Dadurch kann gegebenenfalls im Fachwerkteil eine weitgehend symmetrische Tragstruktur mit drei identischen Stützen erreicht werden, deren Mittelpunkt jedoch gegenüber der Achse des Pfahls versetzt wäre. Vorteilhaft könnte auch ein durchwegs größerer Durchmesser der aus dem Pfahl fortgesetzten Stütze sein, der damit vorteilhaft Drehmomente um die Turmachse aufnehmen und in das Fundament leiten könnte. Für die anderen Stützen (17, 18) wäre dann gegebenenfalls zum Ausgleich des geringeren Durchmessers ein größerer Stahlquerschnitt zu wählen.
Eine konische Form der durchgehenden Hauptstütze im Bereich des Einbindens der anderen Stützen (21, 22) kann evtl. dort die Krafteinbindung begünstigen und den Übergang zwischen einem größeren Durchmesser, wo nur ein Rohr vorliegt, zu einem kleineren Durchmesser, im Bereich des Fachwerks, schaffen. Möglich ist auch eine exzentrisch konische Gestaltung. Die Einbindungsstelle kann u.a. durch Muffen, Gießteile, verstärkten Stahlquerschnitt oder ähnliches verstärkt werden. Ein günstigeres Einbindeverhältnis am Ende des Fachwerkbereichs lässt sich evtl. dadurch erreichen, dass diese Stützen nicht axial, sondern tangential, also stärker aufgewinkelt, in dem fortgeführtem Rohr einmünden. Für die übrigen Verstrebungen zwischen den Stützen könnte dagegen eine normale, mittige Einbindung gewählt werden.
Ein entsprechendes Vorgehen ist auch an der Oberseite eines Fachwerkabschnitts möglich, an die sich dann oben ein Rohrturm anschließt (Anspruch 3).
Der Übergang Fachwerk-Rohrturm könnte vorteilhaft knapp unterhalb des Bewegungsraums der Flügelspitzen vorgenommen werden, um Verbiegungen der Flügel in Richtung Turm nicht durch eine breitere Fachwerkkonstruktion einzuschränken. Wenn die Fachwerkkonstruktion jedoch in die Höhe des Drehkreises der Flügel hineinragt, kann es sinnvoll sein, den (oberen) Rohrturm, der sich unten aus einer der Fachwerkstützen entwickelt, etwas geneigt anzuordnen, so dass das obere Ende des Rohrturms mittig zu dem Fachwerkabschnitt liegt, und somit auch die Drehbewegung der Gondel um die gemeinsame Achse von Rohrturm und Fachwerkabschnitt erfolgt. Der Drehkranz der Gondel wäre wieder horizontal. Dann würden die Drehkreise der Flügel je nach Windrichtung denselben Abstand zu den Ecken der Fachwerkkonstruktion aufweisen, während bei axial zu einer Stütze angeordnetem Rohrturm bei den übrigen Fachwerkstützen der Abstand geringer wäre als zu der durchlaufenden Stütze.
Gegebenenfalls kann eine Überleitung einer kreisförmigen Rohrform des durchgehenden Pfahls in eine andere Profilform, etwa ein Vierkantrohr, vorgenommen werden, etwa wenn eine Kreisform zwar im Bereich des Einzelrohrturms aus Tragfähigkeitsgründen erforderlich ist und Fachwerks aus Fertigungsgründen eine andere Profilform bevorzugt wird.
Um nicht durch Rammstöße eine Befestigungsstelle zu beschädigen, bzw. dort das Material zu ermüden, könnte an dem einzurammenden Pfahl ein Flansch in hinreichendem Abstand zu der Aufschlagfläche des Rammgeräts angeordnet werden (Anspruch 4). Bei außen angeordetem Flansch unterhalb der Rammfläche hätte das anschließende Turmsegment dann einen größeren Durchmesser, und würde das durch Rammstöße deformierte obere Ende des Pfahls umschließen.
Falls der Rammvorgang durch die Masse der seitlich befestigten Fachwerkkonstruktion beeinträchtigt wird, könnte vorübergehend eine Ausgleichsmasse an der anderen Seite des Turms befestigt werden.
Gegebenenfalls könnte die Abzweigung zum Fachwerk bis unter das normale Niveau des Meeresbodens eingebracht werden, so dass nach Wiederverfüllung nur noch die Fachwerkstreben aus dem Meeresboden ragen, die evtl. geringere Kolkung verursachen als der größere Rohrpfahl. Dies könnte z. B. durch Freispülen des Verzweigungsbereiches während des Rammvorgangs ermöglicht werden.
Ausführungsbeispiel und Zeichnungen
In der 1 ist links die Ansicht eines Monopfahl-Fundaments und einer daraus aufragenden Hauptstütze (16) dargestellt, der mit seitlich befestigten weiteren Stützen (17, 18) ein Fachwerk bildet. Abgebildet ist in der Seitenansicht eine vertikale Stütze (17) und Verstrebungen (3) in der Ebene zwischen den Stützen (16) und (17); mindestens eine weitere Stütze (18) ist in dieser Ansicht verdeckt. Rechts ist ein horizontaler Querschnitt mit drei vertikalen Stützen (davon Stütze 17 hier mit größerem Durchmesser) und den Verstrebungen (3) dargestellt.
An der Oberseite des als Pfahl fortgesetzten Fachwerkrohrs können Rammstöße (19) aufgenommen werden, deren Kräfte sich auf gerader Linie in den Pfahlbereich im Boden ausbreiten können. Mit einem unterhalb der Rammstelle angeschweißten Flansch (20) kann ein oberer Turmteil befestigt werden.
In 2 ist ein Turm mit Gittermastabschnitt zwischen zwei Rohrturm- bzw. Monopfahlabschnitten dargestellt, mit einer Verjüngung im Bereich des Gittermasts und des Wellenangriffs (konische Bereiche nahe des Meeresbodens – 21 – und am oberen Ende des Fachwerks – 22), und einer weiteren Verjüngung im oberen Teil des Rohrturms (23), in dem verringerte Momente vorliegen.
In der Draufsicht (2, unten) sind hier die Verstrebungen (3) axial in die Stützen einmündend dargestellt, während die unteren Fortsetzungen (24) der beiden Stützen (17 und 18) mehr am Rand in die durchlaufende Stütze einmünden.
Die 3 illustriert das vorteilhafte Zusammenwirken einer seitlichen Seilabspannung (25) mit einer Fachwerkkonstruktion auf einem Einzelpfahl, der innerhalb des Fachwerks fortgeführt wird: Die Seilabspannung reduziert die Momentbelastung im unteren Teil der Tragkonstruktion, wodurch die größten Momente im mittleren Teil des Bauwerks verbleiben. Dort bewirkt die seitlich angeordnete Fachwerkkonstruktion eine zusätzliche Aussteifung. Der grundsätzlich problematische Übergang zwischen Einzelrohr und Fachwerk ist dadurch nicht mehr im Bereich der größten Belastung, wie es bei einem unverspannten Gittermast-Monopfahl der Fall wäre. Zudem bieten die Hauptstützen eines Fachwerks günstigere Anknüpfungspunkte für Spannseile als ein Rohrfahl, der vergleichsweise einen größeren Durchmesser benötigt und daher geringere Wandstärken aufweist.
Denkbar wäre u.a. eine Hauptstütze als durchgehendes Stahlrohr mit unverändertem Durchmesser, der durch die beiden Merkmale der Seilabspannung und der Gitterverstärkung über die gesamte Höhe einer günstigen Ausnutzung der Festigkeit unterliegt. In der 3 ist demgegenüber eine Unterteilung des Turms oberhalb der Wasserlinie in zwei Abschnitte angedeutet, um eine Rammung unterhalb der Wasseroberfläche zu ermöglichen.

Claims

Tragkonstruktion für Windkraftanlagen mit einem im Boden eingebautem Einzelpfahl unterhalb einer aus Stützen und Verstrebungen gebildeten Fachwerkkonstruktion, dadurch gekennzeichnet, dass sich das statische Prinzip des im Boden eingebauten Pfahls nach oben in einer Stütze des Fachwerks durchgehend fortsetzt, und dass darüber in Verbindung mit weiteren Tragelementen und Verstrebungen eine fachwerkartige Struktur gebildet wird.
Tragkonstruktion gemäß Anspruch 1 bei der der im Boden eingebaute Pfahl ein Rohrpfahl ist, bzw. ringförmig eingebaute Bewehrungen aufweist, und sich nach oben – gegebenenfalls mit verändertem Durchmesser – fortsetzt.
Tragkonstruktion gemäß Anspruch 1, bei der sich oberhalb einer Fachwerkkonstruktion ein Bereich mit einem Rohrturm anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine rohrförmige Hauptstütze des Fachwerks nach oben fortsetzt, während die anderen Stützen enden bzw. in den anderen einmünden.
Tragkonstruktion gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Boden einzurammende Pfahl eine Rammfläche aufweist, und der Pfahl vor dem Rammen und von der Rammfläche abgesetzt mit einem Flansch bzw. einer Befestigungsmöglichkeit für oben zu befestigende Turmteile verbunden wird.
Tragkonstruktion gemäß einem der vorstehenden Ansprüche mit seitlicher Abspannung.