DE3007442A1

DE3007442A1 - Vorrichtung zum verankern freitragender hoher strukturen

Info

Publication number: DE3007442A1
Application number: DE19803007442
Authority: DE
Inventors: Leonhard Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Christoph; Joachim Ing.(Grad.) Hempel; Wolfram Ing.(grad.) 2150 Buxtehude Schöne
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-02-28
Filing date: 1980-02-28
Publication date: 1981-09-03
Also published as: SE442310B; NL8100231A; US4406094A; DE3007442C2; FR2477198A1; SE8100608L; FR2477198B1

Description

Ottobrunn, den BTO1 Cz/ch 8691

Vorrichtung zum Verankern freitragender hoher Strukturen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verankern von freitragenden hohen Strukturen, wie Masten, Türmäi oder dgl. in einem Fundament.

Derartige hohe Strukturen können auf verschiedene Weise in einem Fundament verankert werden.

Es ist möglich, diese hohen Strukturen etwa in dem Fundament fest einzuspannen. Hier zeigten sich jedoch, z.B..bei hohen Masten, wie sie für Windkraftanlagen benutzt werden, bereits nach kurzer Betriebsdauer durch die dynamischen Belastungen Fundamentschäden. Die dynamischen Belastungen resultieren in diesem Falle etwa aus Windkräften oder aus vom Propeller auf die Windkraftanlage übertragenen Schwingungen.

Ferner ist auch eine Seilverspannung derartiger Strukturen möglich; hieraus ergeben sich jedoch wiederum Probleme mit den Seilen, Seilköpfen, Seilanlenkungen und den Fundamenten für die Seilverankerung. Außerdem ist die Seilverspannung sehr platzraubend, so daß hier etwa bei der erwähnten Windkraftanlage Probleme mit der Freigängigkeit und der Interferenz mit dem Rotor auftreten können. Die hohe Spannung der Seile muß zudem auch durch das Fundament der hohen Struktur aufgenommen werden, so daß hieraus extrem hohe Zusatz-Normalkräfte, verursacht durch die Vertikalkomponente der Seilzugkräfte, resultieren.

Aus der DE-OS 24 50 064 ist es bekannt, z.B. Parkuhren, Wegoder Straßenschilder, Straßenbeleuchungsmasten, Flaggenstangen oder Zaunpfosten freitragend in einem Fundament elastisch einzuspannen. Im Gegensatz zu einer festen Einspannung bietet eine

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derartige elastische Einspannung den Vorteil, daß die Struktur nicht so leicht abbrechen kann. Gemäß der bekannten Lösung ist der Pfosten bzw. der Mast in eine rohrförmige Bohrung des Fundaments eingefügt, wobei an der Oberkante dieser Bohrung .eine im Fundament verankerte Buchse aus elastischem Material angeordnet ist, in die eine den Pfosten bzw. Mast umgreifende Hülse zwischen Buchse und Mast einpreßbar ist. Die Buchse wird dabei etwa um 30 % ihres Volumens zusammengepreßt, die Anordnung aus Buchse und Hülse verbleibt jedoch noch in gewissen Grenzen elastisch. In dieser Druckschrift ist nichts ausgesagt über die sonstige Lagerung des Pfostens bzw."Mastes.

Bei den hier angesprochenen freitragenden hohen Strukturen sind z.B. Masten für Windkraftanlagen gemeint. Diese Masten erreichen bei gegenwärtigen Projekten zum Teil Höhen von mehr als 100 Metern und tragen an der Mastspitze einen Rotor, der vom Wind angetrieben wird und mit einem Generator gekoppelt ist. Die auf derartige Strukturen wirkenden Kräfte rühren einesteils von dem Wind her, der auf Mast und Rotor wirkt, was zu Knick- und Biegebelastungen des Mastes führt; außerdem treten noch dynamische Kräfte auf, die ebenfalls vom Wind, aber auch von der Übertragung der Schwingungen des Rotors auf den Mast herrühren. Diese Kräfte können wiederum zu Schwingungen des Mastes führen, die entweder den Eigenschwingungen des Mastes oder einer Interferenz dieser Schwingungen mit anderen Systemschwingungen entsprechen. Wenn man bedenkt, daß die Mastspitze einer derartigen Windkraftanlage bei entsprechenden Angriffskräften Pendelbewegungen von mehreren Metern ausführt, so ist deutlich erkennbar, daß der Lagerung des Mastes eine erhebliche Bedeutung zukommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache Lagerung für die freitragende Struktur ohne Seilverspannungen zu schaffen, mit der die auf die Struktur wirkenden Kräfte in Hoch- und Querrichtung beherrscht werden können.

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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Struktur in dem Fundament mit ihrem unteren Ende in einer gelenkigen Lagerung abgestützt und oberhalb von dieser elastisch eingespannt ist.

Diese erfindungsgemäße Kombination eines stützenden Schwenklagers und einer elastischen Einspannung bietet mehrere Vorteile:

Im Gegensatz zu einer Seilverspannung der Struktur braucht das untere Schwenklager als Vertikalkomponente nur das Eigengewicht der Anlage aufzunehmen. Die gelenkige Lagerung ermöglicht zudem in Verbindung mit der elastischen Einspannung ein Schwenken der Struktur insgesamt um das Fußlager. Wäre das untere Ende der Struktur fest eingespannt, so ergäben sich bei Biegungen der zwischen der elastischen Einspannung und der festen unteren Einspannung starke Belastungen, die häufig zu Schäden an Struktur und/oder Fundament führen.

Die elastische Einspannung der Struktur in dem Fundament oberhalb des Schwenklagers ist so wählbar , daß schädliche Schwingungen der Struktur vermieden bzw. auf zulässige Werte gedämpft werden. Durch Wahl der elastischen Feder-/Dämpfereigenschaften der Einspannungen und durch die Wahl der Anordnung der Einspannung an dem Mast, d.h. durch den Abstand zwischen Schwenklager und elastischer Einspannung, können die Schwingungseigenschaften der Struktur beeinflußt werden. So können durch entsprechende Wahl der genannten Parameter etwa die Eigenschwingungen der Struktur so beeinflußt werden, daß sie unter den sonst im System auftretenden Schwingungen liegen, z.B. bei der erwähnten Windkraftanlage unterhalb der Frequenz des Rotors. Mit anderen Konstruktionen, so z.B. fest eingespannten Strukturen, aber auch mit seilverspannten Strukturen ist dieses sogenannte überkritische Systemverhalten kaum mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand erreichbar. Mit der

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Lagerung gemäß der Erfindung bei Ausnutzung der Biegeweichheit der unverspannten Struktur können die Eigenfrequenzen mit einfachen Mitteln abgesenkt werden.

Die Konstruktion des Schwenklagers kann herkömmlicher Art sein; es muß allerdings sichergestellt sein, daß das Gewicht der Anlage so abgestützt wird, daß die zulässige Schwenkbewegung über die geplante Lebensdauer innerhalb definierter Toleranzgrenzen des Schwenkwiderstands gewährleistet ist.

Als elastische Einspannung können z.B. Elastomereinspannungen, aber auch hydraulische, pneumatische und mechanische Vorrichtungen bzw. Kombinationen dieser verwendet werden. Neben den genannten Forderungen bezüglich Abstützung, Elastizitäts- und Dämpfungseigenschaften müssen Lager und Struktur gegen unzulässige Radial- und Axialbewegungen gesichert sein.

Die Erfindung ist in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser stellen dar:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen gemäß der Erfindung gelagerten Mast für eine Windkraftanlage mit einem Schwenklager am Fuß des Mastes und einer elastischen Einspannung;

Fig. 2 einen Längsschnitt einer elastischen Einspannung des Mastes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Schwenklager nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Windkraftanlage 1 dargestellt, die einen Mast 2 sowie einen an dessen Spitze gelagerten Rotor 3 aufweist. Der Mast 2 ist im Erdreich 4 in einem Fundament 5 gehalten. Das Fundament hat einen ringförmigen Querschnitt und ist

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aus armiertem Beton gefertigt. Der Mast 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel an seinem unteren Ende eine Lagerkugel 6 auf, die in eine Lagerpfanne 7 einer am Boden des Fundaments 5 eingelassenen Lagerplatteieingreift. Lagerkugel und Lagerpfanne bzw. Lagerplatte bilden gemeinsam ein Schwenklager 10 für den Mast Auf die Lagerplatte 8 kann noch eine Arretierungsplatte 9 aufgesetzt sein, mit der verhindert wird, daß die Lagerkugel aus der Lagerplatte gehoben werden kann.

Am oberen Rand des Fundaments ist zwischen dessen Innenwand und dem Mast eine elastische Einspannung 11 eingesetzt und im Fundament 5 arretiert. Eine solche elastische Einspannung besteht z.B., wie in Fig. 1 angedeutet, aus mehreren übereinander gelegten Feder/-Dämpfer-Elementen 12. In einfachsten Fällen können diese Elemente übereinandergelegte und im Fundament verankerte Gummiringe sein; dies ist allerdings nur für relativ leichte Strukturen geeignet; bei schweren Strukturen würden in solchen elastischen Einspannungen im Lagerwerkstoff durch die hohe innere Reibung große Wärmemengen und Wärmestaus erzeugt. Hier sind andere Konstruktionen notwendig, wie sie etwa in Fig.2 gezeigt sind.

Fig. 2 stellt einen Längsschnitt durch ein Elastomerlager 11' dar. An der Fundamentwand ist ein ringförmiger Lagerhalter 13 aus einem U-Profil befestigt, wobei zwischen die obere und untere Rippe des U-Profils abwechselnd Elastomerringe 14 und Stütz- bzw. Kühllamellen 15 gestapelt sind; in diesem Fall sind acht Elastomerringe 14 und sechs Kühl- bzw. Stützlamellen 14 vorgesehen. Der Mast wird seinerseits im Bereich der Elastomerringe von einer Hülse 16 umgeben, von der sich radial ein Stützring 17 erstreckt. Dieser greift zwischen den vierten und fünften Elastomerring 14 ein und ist dort entsprechend befestigt. Dieses Elastomer-Schublager nimmt die auftretenden Schwenk- und Schubkräfte gut auf, wobei Wärmestaus

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über die Kühllamellen 15 abgebaut werden- Die Kühllamellen können z.B. von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden oder sind entsprechend mit einem nicht gezeigten Wärmeableitkörper verbunden.

Außer solchen Elastomerlagern sind für die elastische Einspannungdes Mastes auch andere Konstruktionen denkbar, z.B. aus mechanischen oder hydropneumatischen Konstruktionselementen bzw. Kombinationen aus diesen bzw. Elastomeren.

Unabhängig von der Konstruktion der elastischen Einspannung 11' ist diese derart ausgebildet, daß der Mast sich zwar radial nach allen Seiten bewegen kann, daß dieser Bewegung jedoch von der elastischen Einspannung entgegengewirkt und die dabei auftretenden Schwingungen gedämpft werden.

In Fig.3 ist ein Elastomer-Schwenklager 10' dargestellt, das mehrere abwechselnd übereinander gestapelte Elastomerstützringe 18 und Metallringe 19 aufweist, die ihrerseits in einem Lagersitz 20 aufliegen. Die Metallringe dienen wiederum wie bei der beschriebenen elastischen Einspannung 11' als Stützringe oder auch als Kühlringe. Auf dem Lagerpaket aus Elastomerstützringen 18 und Metallringen 19 ruht der Mastfuß. Zur Einstellung der Maststellung dienen Einstell- und Montagekeile 21, die zwischen dem Lagerpaket und dem Lagersitz angeordnet sind. Mit dieser Lagerung können ebenfalls zusätzlich zu der elastischen Einspannung die Eigenfrequenzen der Struktur positiv beeinflußt werden.

In dem dargestellten Fall gemäß Fig. 1 schließt das Fundament mit der Oberfläche des Erdreichs 4 ab, und der Mast 2 ist an der Oberseite des Fundaments elastisch eingespannt'. Diese Einspannung ist jedoch nur beispielhaft; es ist durchaus möglich, die Einspannung auch oberhalb der Erdoberfläche

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vorzunehmen. Der Ort der Einspannung des Mastes und damit die Entfernung zwischen dem unteren Schwenklager und der Einspannung und die Lagercharakteristik werden so abgestimmt, daß die Frequenzen der Eigenschwingungen des Mastes möglichst gesenkt und die entsprechenden Amplituden möglichst gedämpft werden. Bei überkritisch zu betreibenden Anlagen wird die Einspannung des Mastes dabei so gewählt, daß die Eigenschwingungen des Mastes unter der Hauptanregungsfrequenz liegen,

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum Verankern von freitragenden hohen Strukturen, wie Masten, Türmen oder dgl., in einem Fundament, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (2) in dem Fundament (5) mit ihrem unteren Ende in einer gelenkigen Lagerung (10) abgestützt und oberhalb von dieser elastisch (bei 11) eingespannt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Einspannung zumindest ein zwischen Fundament (5) und Mast (2) eingesetztes Element mit Feder/DämpferCharakteristik (12, 14) aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder/Dämpfer-Charakteristik der elastischen Einspannung und der Abstand zwischen Schwenklager (10) und elastischer Einspannung (11) zur Beeinflussung, insbesondere zur Erniedrigung der Eigenfrequenz der Struktur (2) aufeinander abgestimmt sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die elastische Einspannung als Elastomer-Schublager (II¹) aus mit dem Fundament (5) verbundenen, übereinander gestapelten Elastomerringen (14) sowie einem mit dem Mast verbundenen, zwischen die Elastomerringe eingreifenden Stützring (17) ausgebildet ist.

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5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Einspannung (II¹) Kühlmittel (15) zum Abbau von bei der Bewegung der Struktur (2) auftretenden Wärmebelastungen aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwenklager am unteren Ende der Struktur (2) als Elastomer-Lager (10') aus mehreren übereinander gestapelten Elastomer-Stützringen (18) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer-Schwenklager (10') Kühlmittel (19) zum Abbau von bei der Bewegung der Struktur (2) auftretenden Wärmebelastungen aufweist.

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