WO2013167101A2 - Standstruktur - Google Patents

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WO2013167101A2
WO2013167101A2 PCT/DE2013/000045 DE2013000045W WO2013167101A2 WO 2013167101 A2 WO2013167101 A2 WO 2013167101A2 DE 2013000045 W DE2013000045 W DE 2013000045W WO 2013167101 A2 WO2013167101 A2 WO 2013167101A2
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Piotr JURKOJC
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Stiftung Alfred-Wegener-Institut Für Polar- Und Meeresforschung
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/727—Offshore wind turbines

Definitions

  • the invention relates to a stand structure with at least three, about a vertical central axis evenly arranged legs connected at their upper ends with a support member for supporting a structure, such as a wind turbine, and at its lower ends with foot elements for connection to a substrate and with lower radial struts connected at their outer ends in lower connections to the legs and at their inner ends in a common connection on the vertical central axis with the other lower radial struts, the lower connections of the lower radial struts to the lower radial struts Legs with respect to the vertical central axis below the common connection of the lower radial struts lie together, as well as with further radial struts.
  • Stand structures also referred to as lattice towers, spatial framework or jacket structure in truss design, can carry large or small constructions depending on their dimensions.
  • Stand structures for large constructions for example technical constructions, in the embodiment of foundation structures, structures or elevations are required in various applications, for example for carrying of power plants, such as offshore wind turbines, substations, for example in the form of elevated transformer stations and cable junctions in wind farms, storage tanks, work platforms, signaling devices, cranes, towers or masts.
  • Truss frame structures are usually made of steel profiles, for example, from isosceles L-angles, or steel tubes that are connected by welding or riveting or by special fasteners.
  • Advantageous in truss stand structures their low weight and low manufacturing and assembly costs are also the already mentioned effective optimizability.
  • a main application for the presently claimed stand structure in a large dimensioning is the use as a foundation structure for an offshore wind energy plant (OWEA).
  • the stand structure with its upper support element carries the tower of the OWEA.
  • the main share of renewables for power generation is currently more than 40% from wind energy.
  • the development of wind turbines is progressing rapidly.
  • the tower heights increased from 30 m to 120 m, the rotor diameter increased from 15 m to 127 m.
  • systems can currently deliver up to 6 MW of generator power.
  • the larger facilities are mainly operated as offshore wind turbines, as off the coast sufficient parking spaces in uninhabited environment and the wind speeds are even higher.
  • US Pat. No. 4,818,145 A discloses a stand structure for an offshore platform with three legs, two of which run from the platform to the ground at an opening angle to a vertical central axis. Between each two legs four main struts are arranged. Two main struts are horizontal, two oblique, but without having a common connection with each other. All main struts run in the plane spanned by the two legs. By special fasteners, the main struts are vertically adjustable connected to the vertical leg. The connection with the other leg is firm. From DE 103 16 405 A1 a stand structure with a central straight leg is known, which is stabilized by a plurality of radial rings. The radial rings are tensioned by pure tension cables, which run between the radial rings and the central pillar. Between
  • a standing structure with waist region is known from WO 00/04251 A1.
  • To support a wind turbine three curved legs are used, which have a common connection with each other in a waist region via a coupling element and from there upwards and downwards at an opening angle to the vertical center axis. Aspirations are not planned, compare Figure 13 ibid.
  • WO 2010/000006 A1 shows a similar stand structure, wherein in the upper area in each case two curved legs have a common connection with each other, compare Figure 2 ibid. Striving is also not planned.
  • the lower connections are below the common connection with respect to the vertical central axis.
  • further radial struts are provided in the known stand structure.
  • these are designed as pure tension elements, compare Figure 1 ibid, and serve to prevent buckling of the legs under load. Compressive forces can not be transmitted by these tension elements.
  • attacking forces are introduced in the main via the respectively attacked pillar and the associated lower radial strut in the underground. It thus does not always result in a uniform stress distribution in the stand structure. This can lead to instabilities, especially with heavy loads.
  • the object of the present invention is therefore to be seen in structural means as even as possible load by attacking forces to achieve and thus further improve the stability of the stand structure.
  • existing advantages of the stand structure in particular the low weight, the moderate manufacturing and assembly costs and the favorable optimization properties should be maintained and even improved.
  • the solution according to the invention for this task can be found in the main claim.
  • Advantageous developments of the invention are set forth in the subclaims and explained in more detail below in connection with the invention.
  • the legs are straight.
  • the further radial struts are connected with their outer ends in upper connections with the legs and with their inner ends in the common connection on the vertical central axis with the other further radial struts and with the lower radial struts, wherein the upper connections of the further radial struts with respect the vertical center axis above the common connection of the further radial struts and the lower radial struts lie together. Due to the straight training of the legs tension elements against buckling are not required. Rather, in the stand structure according to the invention, further radial struts, which in particular can absorb and convey pressure forces, are provided and arranged in the manner of the lower radial struts.
  • the entire stand structure has exactly one common connection, in which further radial struts and lower radial struts meet.
  • the stand structure according to the invention results in a direct, diagonal connection of opposing legs.
  • the attacking forces are absorbed not only by the primarily loaded, usually the attacking force, such as wind power, opposing legs, but also and especially by the legs on the side of the attacking force.
  • This results in the stand structure according to the invention a particularly uniform distribution of the attacking forces and stresses on all legs.
  • the joint connection of the further and lower radial struts on a vertical location determined by the load on the standing structure may be preferred and advantageous between the upper connections of the further radial struts with the legs and the lower ones Connections of the lower radial struts may be arranged with the legs.
  • This location may be located above or below the central region of the vertical center axis of the stand structure, advantageously and preferably, the common connection of the further and lower radial struts may also be arranged exactly in the middle region of the vertical center axis. This results in a particularly uniform load distribution.
  • the upper connections of the further radial struts with the legs and the lower connections of the lower radial struts with the legs can preferably and advantageously be used as a function of
  • the foot elements can preferably be designed as foot struts, which are arranged with an opening angle which is predetermined relative to the stand structure as a function of occurring loads relative to the vertical center axis.
  • the footprint of the stand structure can be increased according to the invention, which leads to a further improvement in stability.
  • a vertical position of the legs is possible, but usually rather uncommon.
  • Preferred and advantageous is rather an arrangement of the legs with an opening angle to the vertical center axis between the support element and the foot elements.
  • the foot elements designed as foot struts can preferably and advantageously be dimensioned as a function of occurring loads on the standing structure with a predetermined length.
  • the length measurement causes a vertical displacement of the lower connections between the lower radial struts and the legs.
  • additional auxiliary struts between the legs and / or the radial struts and / or the legs and the radial struts may be preferably and advantageously arranged. Further details of the variable design options in the stand structure according to the invention can be found in the specific description part.
  • a particular advantage of the stand structure according to the invention is its simple construction, combined with a small number of conventional construction elements.
  • This may preferably and advantageously be weldable or rivetable steel tubes or steel profiles from which at least the legs and radial struts exist. Accordingly, the common connection of the further and lower radial struts and the upper connections of the further radial struts with the legs and lower connections of the lower radial struts with the legs can then preferably and advantageously be formed by welded or riveted joints. In addition to these insoluble compounds but also releasable connections can be provided in the stand structure according to the invention.
  • the common connection of the further and lower radial struts and the upper connections of the further radial struts with the legs and lower connections of the lower radial struts with the legs can be formed by releasable connections with screw or connectors.
  • screw or connectors When screwed it may be simple screws for direct connection of the construction elements or plates or the like. Act connected with screws. But it can also be a shoe-like connector with according to the number of elements to be connected existing adapter ends that accommodate in particular steel pipes and thus connect to each other by simply plugging and then secure screwing, welding or gluing.
  • an adaptation of the stand structure according to the invention to occurring load cases is also possible with respect to the arrangement of the legs.
  • an arrangement of the legs in individual axial planes to the vertical center axis is possible.
  • the legs thus run straight and in different axial planes between support and foot elements.
  • each two adjacent legs are arranged crossing each other between the support element and the foot elements in an intersection, each two adjacent legs attack on the support element and on each foot element.
  • the crossing region can preferably and advantageously be arranged on a location predetermined along the vertical center axis and / or along radial axes perpendicular to the vertical center axis, depending on loads occurring on the stand structure.
  • An advantage of such an X-shaped design of the legs is their increased resistance to torsional forces occurring.
  • a further increase in stability results also when preferred and advantageous the legs are arranged with an opening angle to the vertical center axis between the support element and the foot elements.
  • the legs then extend in the manner of a tent with an opening to the outside, wherein the cross-sectional area between the legs in the region of the support element (bearing surface) is then smaller than in the area of the foot elements (floor space). Otherwise, the legs can also be perpendicular and thus parallel to each other, in which case an oblique transition element is then provided in the region of the support element.
  • FIG. 1 shows a perspective view of the stand structure
  • FIG. 2 shows a plan view of the stand structure
  • FIG. 3 shows a first side view of the stand structure
  • FIG. 4 shows a second side view of the stand structure
  • FIG. 5A..F different variations of the connection positioning
  • FIG. 6 shows the stand structure with auxiliary struts
  • FIG. 7A..E different connection variations for the stand structure
  • FIG. 8A B assumptions for load cases
  • Figure 10A, B two views of another pillar arrangement.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a stand structure 01 with three legs 02, which are arranged uniformly about a vertical center axis 03 around.
  • the legs 02 are straight and therefore can be easily made of a straight steel profile or steel tube. Forces are transmitted directly through the straight legs in the action of bars. A Ausknickgefahr does not exist.
  • the legs 02 are connected to a support element 05. This serves to carry a technical construction, such as a wind turbine.
  • the legs 02 are connected to foot elements 07.
  • These are used to establish the stand structure 01 with or in a substrate 08 and the embodiment shown are formed as elongated foot struts 20.
  • each leg 02 is also assigned a further radial strut 14. This is connected with its outer end 15 in an upper connection 16 with the leg 02 and at its inner end 17 in the common connection 13 on the vertical center axis 03 with the other further radial struts 14 and the lower radial struts 09.
  • Leg 02 exactly two radial struts 09, 14), which start from the upper ends 04 and the lower ends 06 of the legs 02 and all meet in the common connection 13 on the vertical center axis 03.
  • FIG. 1 also shows a load case (thick arrows). If, for example, a wind load 18 is applied to the mast 19 (dashed line) of a wind energy plant, then the force is conducted primarily through the further radial strut 14 to the common connection 13 and from there to two lower radial struts 09. These then direct the forces over the rear
  • FIG. 2 shows the stationary structure 01 according to FIG. 1 in plan view.
  • the support element 05 and the lower ends 06 of the legs 02 with the foot elements 07 and foot struts 20 can be seen.
  • the uniform arrangement of the three legs 02 in axial planes 38 can be seen around the vertical center axis 03.
  • an angle 32 at three legs 02 corresponding to 120 ° included.
  • the further radial struts 14 are still shown in sections. It can be seen that they also include the angle 32 (here 120 °) between each other by the direct assignment to the legs 02.
  • FIG. 3 shows the view A according to FIG. 2 as a side view of the stand structure 01.
  • the support element 05 and the foot elements 07 and foot struts 20 are shown.
  • Shown are also the lower connections 11 of the lower radial struts 09 and the upper connections 16 of the further radial struts 14 with the legs 02.
  • All lower and further radial struts 09, 14 meet in the common connection 13 on the vertical center axis 03.
  • the common connection thirteenth can be done for example by welding steel tubes as radial struts.
  • the hatching of the further radial strut 14 and the lower radial strut 09 shows the primary
  • FIG. 4 shows the view B according to FIG. 3 as a further side view of the stand structure 01.
  • two legs 02 which extend at an opening angle 22 to the vertical center axis 03, so are inclined.
  • the stability of the stand structure 01 is improved.
  • all three lower radial struts 09 and all three further radial struts 14 are shown. All radial struts 09, 14 are connected to each other in the common connection 13.
  • the hatching again indicates the primary load transfer according to FIG. It can be clearly seen that the force introduced via the middle further radial strut 14 is distributed uniformly over the common connection 13 to the two outer lower radial struts 09.
  • the stand structure 01 according to the invention is particularly easy to adapt to all load cases, ie all loads occurring on the stand structure 01 due to their simplicity.
  • this adjustment can be made in addition to an absolute measurement of the
  • Lengths and diameters (wall thickness) of the involved construction elements also be done by positioning the joints between the individual construction elements in relation to the vertical center axis 03 (relative sizing of the lengths), see Figures 5A to 5F.
  • FIG 5A is schematically (all figures 5A to F show the elements only as dashed lines schematically) indicated that the upper connection 16 between the further radial strut 14 and the leg 02 along the outer end 15 of the radial strut 14 can be positioned.
  • the leg 02 then ends on the radial strut 14.
  • the figure 5B shows that the upper connection 16 between the other radial strut 14 and leg 02 along the upper end 04 of the supporting leg 02 can be positioned.
  • the further radial strut 14 then ends on the support leg 02.
  • the common connection 16 of further radial strut 14 and leg 02 also act directly on the support element 05, so that the further radial strut 14 and the leg 02 are connected together with the support element 05, which in the other figures is shown.
  • FIG. 5C shows the positionability of the lower connection 11 between the support leg 02 and the lower radial strut 09 along the outer end 10 of the lower radial strut 09.
  • the support leg 02 then ends on the lower radial strut 09.
  • FIG. 5D shows the positionability of the lower connection 11 between Leg 02 and lower radial strut 09 along The lower radial strut 09 then terminates on the support leg 02.
  • the positioning of the lower connection 11 on the end of the foot strut 20 is also possible.
  • Leg 02 and lower radial strut 09 then terminate in a common lower connection 11 on the foot brace 20, shown in the other figures except 5C.
  • FIG. 5E shows the variable angular positioning of the foot brace 20 about the angle 33 to the vertical center axis 03 on the ground 08.
  • FIG. 5F shows the height-adjustable positionability of a location 35 of the common connection 13 of the further radial brace 14 with the lower radial brace 09 along the vertical center axis 03 at the height 34. A positioning of the location 35 of the common connection 13 in a central region 23 of the vertical center axis 03 is possible.
  • FIG. 6 shows the stand structure 01 according to the invention with additional auxiliary struts 24 which serve to further improve the stability.
  • all possible auxiliary struts 24 are shown, which need not necessarily all come together in a concrete execution.
  • the number of auxiliary struts - like the number of legs - depends on the load case calculations.
  • the auxiliary struts 24 are between the legs 02, between the other radial struts 14, between the lower radial struts 09, between the other radial struts 14 and the lower radial struts 09 and between the other radial struts 14 and the legs 02 and between the lower radial struts 09 and Legs 02 drawn.
  • the auxiliary struts 24 may be designed as tension-compression rods but also as pure tension rods or pure pressure rods.
  • the leg 02 and the lower radial strut 09 are shown as steel profiles 25.
  • the lower connection 11 between pillar 02 and lower radial strut 09 is shown as a welded joint 26.
  • FIG. 7B shows the connection 11 as a rivet connection 27.
  • FIG. 7C shows the connection through tabs 28.
  • the support leg 02 and the lower radial strut 09 are designed as steel tubes 29. Shown is a welded joint 30.
  • a connection with a connector 31 is shown, this has various adapter ends 41, in which the legs 02 and other and lower radial struts 09, 14 are inserted and secured. All these types of connection are applicable to steel profiles and steel pipes and to all connections in the stand structure 01.
  • FIGS. 8A, 8B Three load cases LF1, LF2, LF3 for the load application of a force F or a moment M from different directions x, y, z to the support element 05 and the mast 19 are shown, compare FIGS. 8A, 8B.
  • the underlying numerical values for the attacking forces are assumed values.
  • the force is applied to a clamped Auflagerelement about 48m above the seabed.
  • the foot elements have a distance of about 24 m to each other. These dimensions result, for example, in an offshore foundation structure for an approximately 3.5 MW wind energy plant.
  • the voltage distributions calculated according to the finite element method are shown in FIGS. 9A, 9B, 9C for the various load cases LF1, LF2, LF3 with a load attack of the force F.
  • FIG. 4 shows an uncrossed arrangement of the legs 02 in axial planes 38 relative to the vertical center axis 03, which extend at an opening angle 22.
  • FIGS. 10A, B alternatively show an arrangement with crossed legs 02 in two views for improved torsional strength.
  • FIG. 10A in the perspective plan view, three pairs of two legs 02 each are shown, which intersect in an intersection area 39.
  • At the support elements 05 and the foot members 07 each include two legs 02.
  • the crossing regions 39 are both along the vertical center axis 03 axially and along radial axes 40 which are perpendicular to the vertical center axis 03, in
  • FIG. 10B shows the standing structure according to FIG. 10A in a plan view. The elements according to FIG. 10A can be seen. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Bei der gattungsgemäßen Standstruktur, beispielsweise zur Offshore-Gründung von Windenergieanlagen, sind gleichmäßig um eine vertikale Mittelachse herum angeordnete Standbeine und untere Radialstreben vorgesehen, die zwischen den unteren Enden der Standbeine und der vertikalen Mittelachse verlaufen und sich dort in einer gemeinsamen Verbindung treffen. Zur weiteren Verbesserung der Stabilität der Standstruktur (01) sind erfindungsgemäß noch weitere Radialstreben (14) vorgesehen, die sich ebenfalls in der gemeinsamen Verbindung (13) treffen und zwischen dieser und den oberen Enden (04) der Standbeine (02) verlaufen. Somit sind weitere und untere Radialstreben (14, 09) in der gemeinsamen Verbindung (13) auf der vertikalen Mittelachse (03) miteinander verbunden. Dadurch werden angreifende Kräfte (18) optimal auf alle Standbeine (02) verteilt, insbesondere werden auch die Standbeine (02) auf der Seite der angreifenden Kraft (18) belastet und die gegenüberliegenden Standbeine (02) nicht mehr überbelastet. Standbeine (02) und Radialstreben (14, 09) können bevorzugt aus einfachen Stahlrohren (29) oder - profilen (25) bestehen, die unlösbar (26, 30) oder lösbar (28, 31 ) miteinander verbunden sind. Eine Anpassung an unterschiedliche Lastfälle durch Ortsvariationen (36, 37) der Anbindungen (11, 16) zwischen Standbeinen (02) und Radialstreben (14, 09) sowie der gemeinsamen Anbindung (13) kann vorgenommen werden.

Description

Bezeichnung
Standstruktur
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Standstruktur mit zumindest drei, um eine vertikale Mittelachse herum gleichmäßig angeordneten Standbeinen, die an ihren oberen Enden mit einem Auflagerelement zum Tragen einer Konstruktion, beispielsweise einer Windenergieanlage, und an ihren unteren Enden mit Fußelementen zur Verbindung mit einem Untergrund verbunden sind, und mit unteren Radialstreben, die mit ihren äußeren Enden in unteren Verbindungen mit den Standbeinen und mit ihren inneren Enden in einer gemeinsamen Ver- bindung auf der vertikalen Mittelachse mit den anderen unteren Radialstreben verbunden sind, wobei die unteren Verbindungen der unteren Radialstreben mit den Standbeinen bezüglich der vertikalen Mittelachse unterhalb der gemeinsamen Verbindung der unteren Radialstreben miteinander liegen, sowie mit weiteren Radialstreben.
Standstrukturen, in Fachwerk-Ausführung auch als Gittermasten, räumliches Fachwerk oder Jackett-Struktur bezeichnet, können in Abhängigkeit von ihren Abmaßen große als auch kleine Konstruktionen tragen. Standstrukturen für große Konstruktionen, beispielsweise technische Bauten, in der Ausfüh- rungsform von Gründungsstrukturen, Tragwerken oder Aufständerungen werden in verschiedenen Anwendungen benötigt, beispielsweise zum Tragen von Energieanlagen, beispielsweise Offshore-Windenergieanlagen, Umspannwerken, beispielsweise in Form von aufgeständerten Trafostationen und Kabelknotenpunkten in Windenergieparks, Vorratsbehältern, Arbeitsplattformen, Signaleinrichtungen, Kränen, Türmen oder Masten. Je nach Anwen- dungsfall können die großen Standstrukturen auf dem Festland oder im
Wasser auf dem Gewässerboden als Untergrund angeordnet sein. Bei einer Anordnung im Wasser können sie sich vollständig unter Wasser befinden oder auch teilweise (dauerhaft oder zeitweise) aus dem Wasser herausragen. Je nach Anwendungsfall können sie auch aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise Metall, Kunststoff oder Beton, mit ausschließlichem Einsatz oder auch aus einem Verbundmaterial, beispielsweise einem Faserverbund, oder einem Hybridmaterial, beispielsweise einer Kombination von Stahl mit Beton oder Kunststoff, bestehen und stark unterschiedliche Abmessungen aufweisen, wobei das Material und die Abmessungen an die herrschenden Druck- und Zugkräfte in der Standstruktur angepasst sind. Bei der Berechnung von Gittermasten kann die Ermittlung der Stabkräfte und Spannungen nach den klassischen Methoden der Fachwerksberechnung (Knotenpunktsverfahren oder Rittersches Schnittverfahren) oder durch eine Finite-Element-Berechnung erfolgen. Durch die überschaubaren Berechnungen ist insbesondere eine effektive Optimierung an auftretende Belastungen möglich. Fachwerk- Standstrukturen bestehen in der Regel aus Stahlprofilen, beispielsweise aus gleichschenkeligen L-Winkeln, oder aus Stahlrohren, die durch Schweißen oder Nieten oder auch durch spezielle Verbindungselemente miteinander verbunden werden. Vorteilhaft bei Fachwerk-Standstrukturen sind ihr geringes Gewicht und ihre geringe Herstellungs- und Montagekosten außerdem die bereits erwähnte effektive Optimierbarkeit.
Eine Hauptanwendung für die vorliegend beanspruchte Standstruktur in einer großen Dimensionierung besteht in der Verwendung als Gründungsstruktur für eine Offshore-Windenergieanlage (OWEA). Dabei trägt die Standstruktur mit ihrem oberen Auflagerelement den Turm der OWEA. Der Hauptanteil bei den erneuerbaren Energien für eine Stromerzeugung besteht derzeit zu mehr als 40% aus Windenergie. Die Entwicklung von Windkraftanlagen schreitet schnell voran. Die Turmhöhen stiegen von 30 m auf 120 m, die Rotordurchmesser von 15 m auf 127 m. In den neu erschlossenen Höhen mit angestiegenen Windgeschwindigkeiten und vergrößerten Rotoren können Anlagen derzeit bis zu 6 MW Generatorleistung liefern. Die größeren Anlagen werden hauptsächlich als Offshore-Windenergieanlagen betrieben, da vor den Küsten genügend Stellplätze in unbewohnter Umgebung vorhanden und die Windgeschwindigkeiten noch höher sind. In Offshore-Gebieten herrschen aber gegenüber einer Landaufstellung grundsätzlich andere Verhältnisse, neben starken Windkräften treten vor allem auch starke Wellenkräfte auf. Es müssen für OWEA daher Anpassungen auch für die Standstrukturen gefunden werden, um den enormen Lasten standhalten zu können. Weiterhin ist bei Offshore-Gründungen aus Umweltschutzgründen bereits bei der Wahl der Gründungsart auf den kompletten Rückbau der Anlage nach deren Außerbetriebnahme zu achten. Es müssen dabei alle Teile der Anlage bis auf eine Tiefe von ca. 2-4 m unterhalb des Meeresbodens entfernt werden. Die Art der Gründungen von OWEAs ist sehr stark von der Wassertiefe, der Beschaffenheit des Meeresbodens und den Umweltbedingungen wie Strömungen, Tidenhub, Wellen, Eisgang etc. abhängig.
Stand der Technik
Aus der US 4 818 145 A ist eine Standstruktur für eine Offshore-Plattform mit drei Standbeinen bekannt, von denen zwei von der Plattform zum Untergrund mit einem Öffnungswinkel zu einer vertikalen Mittelachse verlaufen. Zwischen jeweils zwei Standbeinen sind vier Hauptstreben angeordnet. Zwei Hauptstreben verlaufen horizontal, zwei schräg, ohne sich dabei jedoch eine gemeinsame Verbindung miteinander zu haben. Alle Hauptstreben verlaufen in der von den zwei Standbeinen aufgespannten Ebene. Über spezielle Verbindungselemente sind die Hauptstreben mit dem vertikalen Standbein höhenveränderlich verbunden. Die Verbindung mit dem anderen Standbein ist fest. Aus der DE 103 16 405 A1 ist eine Standstruktur mit einem zentralen geraden Standbein bekannt, das durch mehrere Radialringe stabilisiert wird. Dabei werden die Radialringe durch reine Zugseile abgespannt, die zwischen den Radialringen und dem zentralen Standbein verlaufen. Zwischen den
Radialringen ergeben sich Taillenbereich, in denen sich die Zugseile aber nicht kreuzen. Druckkräfte können von den Zugseilen nicht aufgenommen werden.
Eine Standstruktur mit Taillenbereich ist aus der WO 00/04251 A1 bekannt. Zur Unterstützung einer Windenergieanlage werden drei gekrümmte Standbeine eingesetzt, die in einem Taillenbereich über ein Koppelelement eine gemeinsame Verbindung miteinander haben und von dort nach oben und nach unten unter einem Öffnungswinkel zur vertikalen Mittelachse verlaufen. Streben sind nicht vorgesehen, vergleiche Figur 13 ebenda. Die WO 2010/000006 A1 zeigt eine ähnliche Standstruktur, wobei im oberen Bereich jeweils zwei gekrümmte Standbeine eine gemeinsame Verbindung miteinander haben, vergleiche Figur 2 ebenda. Streben sind ebenfalls nicht vorgesehen. Aus der US 2009/0249707 A1 ist eine komplexere Standstruktur bekannt, bei der der Taillenbereich aus zwei Y-förmigen, geknickten Grundelementen mit insgesamt drei geraden Standbeinen gebildet wird, die mit einer 180°-Verdrehung im Knickbereich und darüber und darunter mittels Streben gemeinsam miteinander verbunden sind. Alle Streben verlaufen horizontal in den von den Standbeinen gebildeten Ebenen. Zusätzlich verlaufen gekreuzte Zugseile in den Ebenen, der Mittenbereich bleibt frei, vergleiche Figur 2 ebenda.
In der DE 196 36 240 A1 wird eine Standstruktur in Form eines Gittermasts für eine Hochspannungsfreileitung und ein Windrad mit vier geraden Standbeinen gezeigt, vergleiche Figur 1 ebenda. Zwischen jeweils zwei benachbarten Standbeinen verlaufen jeweils zwei Hauptstreben, die eine gemeinsame Verbindung miteinander aufweisen. Zwischen den Standbeinen und den Hauptstreben verlaufen zusätzlich horizontale und schräge Hilfsstreben. Alle Streben verlaufen aber wiederum in den durch die Standbeine gebildeten Ebe- nen, der Mittenbereich bleibt frei, vergleiche Figur 3, Schnitt B ebenda.
Den der Erfindung nächstliegenden Stand der Technik zeigt die DE 10 2010 015 761 A1 auf. Hieraus ist eine Standstruktur mit drei, um eine vertikale Mittelachse herum gleichmäßig angeordneten oberen Radialstreben bekannt, die im Lichte der vorliegenden Erfindung als Standbeine anzusehen sind. Dabei sind die Standbeine charakteristisch konvex gebogen. An ihren oberen Enden sind die Standbeine mit einem Auflagerelement zum Tragen einer Konstruktion, insbesondere einer Windenergieanlage, und an ihren unteren Enden mit Fußelementen zur Verbindung mit einem Untergrund verbunden. Zu jedem Standbein gehört eine untere Radialstrebe, die mit ihrem äußeren Ende in einer unteren Verbindung mit dem Standbein und mit ihrem inneren Ende in einer gemeinsamen Verbindung auf der vertikalen Mittelachse mit den anderen unteren Radialstreben verbunden ist. Dabei liegen die unteren Verbindungen bezüglich der vertikalen Mittelachse unterhalb der gemeinsamen Verbindung. Weiterhin sind bei der bekannten Standstruktur weitere Radialstreben vorgesehen. Diese sind aber als reine Zugelemente ausgebildet, vergleiche Figur 1 ebenda, und dienen der Verhinderung des Ausknickens der Standbeine unter Last. Druckkräfte können von diesen Zugelementen nicht übertragen werden. Somit werden angreifende Kräfte in der Hauptsache über das jeweils angegriffene Standbein und die zugehörige untere Radialstrebe in den Untergrund eingeleitet. Es ergibt sich somit nicht immer eine gleichmäßige Spannungsverteilung in der Standstruktur. Dies kann insbesondere bei starken Lasten zu Instabilitäten führen.
Aufgabenstellung
Ausgehend von der oben beschriebenen, gattungsgemäßen Standstruktur ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung daher darin zu sehen, mit konstruktiven Mitteln eine möglichst gleichmäßige Belastung durch angreifende Kräfte zu erreichen und damit die Stabilität der Standstruktur noch weiter zu verbessern. Dabei sollen bestehende Vorteile der Standstruktur, insbesondere das geringe Gewicht, die moderaten Herstellungs- und Montagekosten und die günstigen Optimierungseigenschaften, erhalten bleiben und sogar verbessert werden. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert. Bei der erfindungsgemäßen Standstruktur sind die Standbeine gerade ausgebildet. Weiterhin sind erfindungsgemäß die weiteren Radialstreben mit ihren äußeren Enden in oberen Verbindungen mit den Standbeinen und mit ihren inneren Enden in der gemeinsamen Verbindung auf der vertikalen Mittelachse mit den anderen weiteren Radialstreben und mit den unteren Radialstreben verbunden sind, wobei die oberen Verbindungen der weiteren Radialstreben bezüglich der vertikalen Mittelachse oberhalb der gemeinsamen Verbindung der weiteren Radialstreben und der unteren Radialstreben miteinander liegen. Durch die gerade Ausbildung der Standbeine sind Zugelemente gegen Ausknicken nicht erforderlich. Vielmehr sind bei der erfindungsgemäßen Stand- struktur weitere Radialstreben, die vor allem Druckkräfte aufnehmen und weiterleiten können, vorgesehen und nach Art der unteren Radialstreben angeordnet sind. Die gesamte Standstruktur weist genau eine gemeinsame Verbindung auf, in der sich weitere Radialstreben und untere Radialstreben treffen. Durch die gemeinsame Verbindung aller weiteren und unteren Radial- streben ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Standstruktur eine direkte, diagonale Verbindung gegenüberliegender Standbeine. Die angreifenden Kräfte werden nicht nur durch die primär belasteten, in der Regel der angreifenden Kraft, zum Beispiel Windkraft, gegenüberliegende Standbeine, sondern auch und vor allem durch die Standbeine auf der Seite der angreifenden Kraft aufgenommen. Dazu werden die Kräfte von der der angreifenden Kraft gegenüberliegenden Seite über die nächstliegenden weiteren Radialstreben in die gemeinsame Verbindung und von dort über mehrere untere Radialstreben in die Standbeine auf der Seite der angreifenden Kraft geleitet. Dadurch ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Standstruktur eine besonders gleichmäßige Verteilung der angreifenden Kräfte und Spannungen auf alle Standbeine. Bei herkömmlichen Standstrukturen kann es dazu kommen, dass das am meisten belastete Standbein auf der gegenüberliegenden Seite der angreifenden Kraft versagt, während die anderen Standbeine auf der Seite der angreifenden Kraft unterbelastet sind und abheben. Bei der erfindungsgemäßen Standstruktur sind ein sicherer Stand und eine Überbelastung durch die gleichmäßige Lastverteilung über die gemeinsame Verbindung sicher vermieden. Gleichzeitig weist die erfindungsgemäße Standstruktur ein besonders geringes Gewicht mit einer überschaubaren Stückliste der benötigten Einzelteile, die alle ohne Weiteres einfach im Handel erhältlich sind, und weiterhin eine besonders effektive Optimierbarkeit der Dimensionierung auf. Diese ergibt sich insbesondere durch die optimierte Lagebestimmung der einzelnen Verbindungen in Abhängigkeit von den auftretenden Belastungen.
Daher kann bei der Standstruktur nach der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft die gemeinsame Verbindung der weiteren und unteren Radialstreben an einem in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen auf die Standstruktur vorbe- stimmten Ort auf der vertikalen Mittelachse zwischen den oberen Verbindungen der weiteren Radialstreben mit den Standbeinen und den unteren Verbindungen der unteren Radialstreben mit den Standbeinen angeordnet sein. Dieser Ort kann sich oberhalb oder unterhalb des Mittenbereichs der vertikalen Mittelachse der Standstruktur befinden, vorteilhaft und bevorzugt kann die gemeinsame Verbindung der weiteren und unteren Radialstreben auch genau im Mittenbereich der vertikalen Mittelachse angeordnet sein. Dadurch ergibt sich eine besonders gleichmäßige Lastverteilung. Weiterhin können bevorzugt und vorteilhaft die oberen Verbindungen der weiteren Radialstreben mit den Standbeinen und die unteren Verbindungen der unteren Radialstreben mit den Standbeinen an in Abhängigkeit von auftretenden
Belastungen auf die Standstruktur vorbestimmten Orten auf den Standbeinen oder auf den Radialstreben angeordnet sein. Dabei liegen die Verbindungen aber immer oberhalb bzw. unterhalb der gemeinsamen Verbindung aller weiteren und unteren Radialstreben. Je nach auftretender Belastung sind entweder die weiteren und/oder unteren Radialstreben an die Standbeine oder die Standbeine an die weiteren und/oder unteren Radialstreben angebunden. Desweiteren können die weiteren und/oder oberen Radialstreben auch in weiteren gemeinsamen Verbindungen mit den Standbeinen verbunden sein. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn vorteilhaft und bevorzugt die oberen Verbindungen der weiteren Radialstreben mit den Standbeinen direkt unterhalb des Auflagerelements und die unteren Verbindungen der unteren Radialstreben mit den Standbeinen direkt oberhalb der Fußelemente angeordnet sind.
Weiterhin können bei der Standstruktur nach der Erfindung bevorzugt und vorteilhaft die Fußelemente als Fußstreben ausgebildet sein, die mit einem in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen auf die Standstruktur vorbestimmten Öffnungswinkel zur vertikalen Mittelachse angeordnet sind. Durch diese Maßnahme kann die Standfläche der Standstruktur nach der Erfindung vergrößert werden, was zu einer weiteren Verbesserung der Standfestigkeit führt. Gleiches gilt für die Anordnung der Standbeine. Eine vertikale Auf- Stellung der Standbeine ist möglich, aber in der Regel eher unüblich. Bevorzugt und vorteilhaft ist eher eine Anordnung der Standbeine mit einem Öffnungswinkel zur vertikalen Mittelachse zwischen dem Auflagerelement und den Fußelementen. Weiterhin können die als Fußstreben ausgebildeten Fußelemente bevorzugt und vorteilhaft in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen auf die Standstruktur mit einer vorbestimmten Länge bemessen sein. Auch durch diese Maßnahme ergibt sich eine Veränderung, insbesondere eine Verbesserung der Standfläche. Weiterhin wird durch die Längenbemessung eine vertikale Verschiebung der unteren Verbindungen zwischen den unteren Radialstreben und den Standbeinen bewirkt. Zur weiteren Verbesserung der Stabilität der Standstruktur nach der Erfindung können bevorzugt und vorteilhaft zusätzliche Hilfstreben zwischen den Standbeinen und/oder den Radialstreben und/oder den Standbeinen und den Radialstreben angeordnet sein. Weitere Einzelheiten zu den variablen konstruktiven Möglichkeiten bei der Standstruktur nach der Erfindung sind dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen. Ein besonderer Vorteil der Standstruktur nach der Erfindung besteht in ihrer einfachen Konstruktion, verbunden mit einer geringen Anzahl von herkömmlichen Konstruktionselementen. Hierbei kann es sich bevorzugt und vorteilhaft um schweiß- oder nietbare Stahlrohre oder Stahlprofile handeln, aus denen zumindest die Standbeine und Radialstreben bestehen. Entsprechend können dann bevorzugt und vorteilhaft die gemeinsame Verbindung der weiteren und unteren Radialstreben und die oberen Verbindungen der weiteren Radialstreben mit den Standbeinen und unteren Verbindungen der unteren Radialstreben mit den Standbeinen durch Schweiß- oder Nietverbindungen gebildet sein. Neben diesen unlösbaren Verbindungen können aber auch lösbare Ver- bindungen bei der Standstruktur nach der Erfindung vorgesehen sein. Vorteilhaft und bevorzugt können daher die gemeinsame Verbindung der weiteren und unteren Radialstreben und die oberen Verbindungen der weiteren Radialstreben mit den Standbeinen und unteren Verbindungen der unteren Radialstreben mit den Standbeinen durch lösbare Verbindungen mit Schraub- oder Steckverbindern gebildet sein. Bei Schraubverbindungen kann es sich um einfache Schrauben zur Direktverbindung der Konstruktionselemente oder aber um Platten o.ä. handeln, die mit Schrauben verbunden werden. Es kann sich aber auch um schuhartige Verbinder mit entsprechend der Anzahl der zu verbindenden Elemente vorhandenen Adapterenden handeln, die insbeson- dere Stahlrohre aufnehmen und so miteinander durch einfaches Stecken und anschließend sicherndes Schrauben, Schweißen oder Kleben verbinden.
Eine Anpassung der Standstruktur nach der Erfindung an auftretende Lastfälle ist auch bezüglich der Anordnung der Standbeine möglich. Bevorzugt und vorteilhaft ist eine Anordnung der Standbeine in einzelnen Axialebenen zur vertikalen Mittelachse möglich. Die Standbeine verlaufen somit gerade und in verschiedenen Axialebenen zwischen Auflager- und Fußelementen. Alternativ kann auch bevorzugt und vorteilhaft vorgesehen sein, dass jeweils zwei benachbarte Standbeine einander zwischen dem Auflagerelement und den Fußelementen in einem Kreuzungsbereich kreuzend angeordnet sind, wobei jeweils zwei benachbarte Standbeine an dem Auflagerelement und an jedem Fußelement angreifen. Dabei kann bevorzugt und vorteilhaft der Kreuzungsbereich an einem in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen auf die Standstruktur vorbestimmten Ort entlang der vertikalen Mittelachse und/oder entlang von Radialachsen senkrecht zur vertikalen Mittelachse angeordnet sein. Die Standbeine verlaufen bei dieser Ausführungsform gekreuzt zueinander und bilden an den Seiten der Standstruktur X-förmige Strukturen, deren Schenkellängen von den auftretenden Lastfällen abhängen. Vorteilhaft bei einer derartigen X-förmigen Ausbildung der Standbeine ist deren erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen auftretende Torsionskräfte. Eine weitere Erhöhung der Standfestigkeit ergibt sich auch, wenn bevorzugt und vorteilhaft die Standbeine mit einem Öffnungswinkel zur vertikalen Mittelachse zwischen dem Auflagerelement und den Fußelementen angeordnet sind. Die Standbeine verlaufen dann nach Art eines Zelts mit einer Öffnung nach außen, wobei die Querschnittsfläche zwischen den Standbeinen im Bereich des Auflagerelements (Auflagerfläche) dann kleiner ist als im Bereich der Fußelemente (Standfläche). Ansonsten können die Standbeine auch senkrecht und damit parallel zueinander verlaufen, wobei dann im Bereich des Auflagerelements ein schräges Übergangselement vorgesehen ist.
Weitere spezielle Details zu der Standstruktur nach der Erfindung sind dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen. Dabei ist die beanspruchte Standstruktur jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, in denen Ausführungsformen mit drei Standbeinen gezeigt werden. Andere Ausführungsformen, beispielsweise mit vier, fünf, sechs oder mehr Standbeinen sind aber ebenfalls analog ausführbar. Ausführungsbeispiele
Die Standstruktur nach der Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen, nicht maßstäblichen Figuren zum weiterführenden Verständnis noch weitergehend erläutert. Im Einzelnen zeigt die
Figur 1 eine perspektivische Ansicht der Standstruktur,
Figur 2 eine Draufsicht auf die Standstruktur,
Figur 3 eine erste Seitenansicht auf die Standstruktur,
Figur 4 eine zweite Seitenansicht auf die Standstruktur,
Figur 5A..F verschiedene Variationen der Verbindungspositionierungen,
Figur 6 die Standstruktur mit Hilfsstreben,
Figur 7A..E verschiedene Verbindungsvariationen für die Standstruktur,
Figur 8A, B Annahmen für Lastfälle,
Figur 9A..C Spannungsverteilungen für drei verschiedene Lastfälle und
Figur 10A, B zwei Ansichten einer weiteren Standbeinanordnung.
Die Figur 1 zeigt in der perspektivischen Darstellung eine Standstruktur 01 mit drei Standbeinen 02, die gleichmäßig um eine vertikale Mittelachse 03 herum angeordnet sind. Die Standbeine 02 sind gerade ausgebildet und können daher einfach aus einem geraden Stahlprofil oder Stahlrohr hergestellt werden. Kräfte werden direkt durch die geraden Standbeine in der Wirkung von Stäben hindurchgeleitet. Eine Ausknickgefahr besteht nicht. An ihren oberen Enden 04 sind die Standbeine 02 mit einem Auflagerelement 05 verbunden. Diese dient dem Tragen einer technischen Konstruktion, beispielsweise einer Windenergieanlage. An ihren unteren Enden 06 sind die Standbeine 02 mit Fußelementen 07 verbunden. Diese dienen der Gründung der Standstruktur 01 mit oder in einem Untergrund 08 und sind der gezeigten Ausführungsform als längliche Fußstreben 20 ausgebildet. Weiterhin weist die Standstruktur 01 je Standbein 02 eine untere Radialstrebe 09 auf. Diese ist mit ihrem äußeren Ende 10 in einer unteren Verbindung 11 mit dem Standbein 02 und mit ihrem inneren Ende 12 in einer gemeinsamen Verbindung 13, die auf der vertikalen Mittelachse 03 liegt, mit den anderen unteren Radialstreben 09 verbunden. Dabei liegen die unteren Verbindungen 11 der unteren Radialstreben 09 bezüglich der vertikalen Mittelachse 03 unterhalb der gemeinsamen Verbindung 13 aller unterer Radialstreben 09 (dünne Pfeile).
Weiterhin ist jedem Standbein 02 auch eine weitere Radialstrebe 14 zugeordnet. Diese ist mit ihrem äußeren Ende 15 in einer oberen Verbindung 16 mit dem Standbein 02 und an ihrem inneren Ende 17 in der gemeinsamen Verbindung 13 auf der vertikalen Mittelachse 03 mit den anderen weiteren Radialstreben 14 und den unteren Radialstreben 09 verbunden. Dabei liegen die oberen Verbindungen 16 der weiteren Radialstreben 14 mit den Standbeinen 02 bezüglich der vertikalen Mittelachse 03 oberhalb der gemeinsamen Verbindung 13 der weiteren Radialstreben 14 mit den unteren Radialstreben 09 (dünne Pfeile). Es ergibt sich im Erscheinungsbild bei der Erfindung eine harmonische Standstruktur 01 mit drei Standbeinen 02 und sechs Radialstreben (drei untere Radialstreben 09, drei weitere Radialstreben 14, je
Standbein 02 genau zwei Radialstreben 09, 14), die von den oberen Enden 04 und den unteren Enden 06 der Standbeine 02 loslaufen und sich alle in der gemeinsamen Verbindung 13 auf der vertikalen Mittelachse 03 treffen.
In der Figur 1 ist weiterhin ein Lastfall eingezeichnet (dicke Pfeile). Greift beispielsweise eine Windlast 18 an den Mast 19 (gestrichelt) einer Windener- gieanlage an, so wird die Kraft primär durch die weitere Radialstrebe 14 bis zur gemeinsamen Verbindung 13 geleitet und von dort auf zwei untere Radialstreben 09 weitergeleitet. Diese leiten die Kräfte dann über die hinteren
Standbeine 02 (in der Figur 1 rechts) und die Fußelemente 07 ebenfalls in den Untergrund 08. Ein kleinerer Anteil der wirkenden Kraft (kleine Pfeile) wird auch durch das vordere Standbein 02 (in der Figur 1 links) in den Untergrund 08 eingeleitet. Im herkömmlichen Fall (ohne die gemeinsame Verbindung 13 auf der vertikalen Mittelachse 03 aller weiteren Radialstreben 14 und unteren Radialstreben 09) würde die gesamte Last auf das vordere (in der Figur 1 links) Standbein 02 geleitet werden. Die anderen beiden Standbeine 02 (in der Figur 1 rechts) blieben weitgehend unbelastet und würden ggfs. sogar abheben, wohingegen das vordere Standbein 02 instabil werden und ausknicken könnte. Damit wäre die gesamte Stabilität der Standstruktur 01 gefährdet. Bei der Standstruktur 01 nach der Erfindung (mit der gemeinsamen Verbindung 13 auf der vertikalen Mittelachse 03 aller weiteren Radialstreben 14 und unteren Radialstreben 09) wird nun die angreifende Kraft relativ gleich- mäßig auf alle Standbeine 02 verteilt. Insbesondere werden auch die Standbeine 02 belastet, die auf der Seite des Kraftangriffs liegen (in der Figur 1 rechts), wodurch das vordere Standbein 02 (in der Figur 1 links) entlastet wird. Dadurch wird die Stabilität der Standstruktur 02 nach der Erfindung wesentlich verbessert, ein Abheben oder Ausknicken einzelner Standbeine 02 ist sicher vermieden.
In der Figur 2 ist die Standstruktur 01 gemäß Figur 1 in der Draufsicht dargestellt. Zu erkennen sind das Auflagerelement 05 und die unteren Enden 06 der Standbeine 02 mit den Fußelementen 07 bzw. Fußstreben 20. In der Drauf- sieht ist die gleichmäßige Anordnung der drei Standbeine 02 in Axialebenen 38 um die vertikale Mittelachse 03 zu erkennen. Zwischen zwei Standbeinen 02 ist jeweils ein Winkel 32, bei drei Standbeinen 02 entsprechend 120°, eingeschlossen. Durch eine Öffnung 21 im Auflagerelement 05, in die beispielsweise der Mast 19 einer Windenergieanlage eingesteckt und fixiert wird, sind weiterhin die weiteren Radialstreben 14 abschnittsweise dargestellt. Zu erkennen ist, dass sie durch die direkte Zuordnung zu den Standbeinen 02 ebenfalls den Winkel 32 (hier 120°) zwischeneinander einschließen. Die weiteren Radialstreben 14 (und auch unteren Radialstreben 09) liegen somit jeweils in der von jedem Standbein 02 zur vertikalen Mittelachse 03 aufge- spannten Ebene. In der Figur 3 ist die Ansicht A gemäß Figur 2 als Seitenansicht der Standstruktur 01 dargestellt. Zu erkennen sind zwei Standbeine 02 mit jeweils einer unteren Radialstrebe 09 und einer weiteren Radialstrebe 14. Weiterhin sind das Auflagerelement 05 und die Fußelemente 07 bzw. Fußstreben 20 dargestellt. Dargestellt sind ebenfalls die unteren Verbindungen 11 der unteren Radialstreben 09 und die oberen Verbindungen 16 der weiteren Radialstreben 14 mit den Standbeinen 02. Alle unteren und weiteren Radialstreben 09, 14 treffen sich in der gemeinsamen Verbindung 13 auf der vertikalen Mittelachse 03. Die gemeinsamen Verbindung 13 kann beispielsweise durch Schweißen von Stahlrohren als Radialstreben erfolgen. Die Schraffur der weiteren Radialstrebe 14 und der unteren Radialstrebe 09 zeigt die primäre
Lastverteilung gemäß Figur 1 in den Streben. In der Figur 4 ist die Ansicht B gemäß Figur 3 als weitere Seitenansicht der Standstruktur 01 dargestellt. Zu erkennen sind zwei Standbeine 02, wobei diese unter einem Öffnungswinkel 22 zur vertikalen Mittelachse 03 verlaufen, also schräg stehen. Dadurch wird die Standfestigkeit der Standstruktur 01 verbessert. Weiterhin sind alle drei unteren Radialstreben 09 und alle drei weiteren Radialstreben 14 dargestellt. Alle Radialstreben 09, 14 sind in der gemeinsamen Verbindung 13 miteinander verbunden. Die Schraffur zeigt wiederum die primäre Lastübertragung gemäß Figur 1 an. Gut zu erkennen ist, dass sich die über die mittlere weitere Radialstrebe 14 eingeleitete Kraft gleichmäßig über die gemeinsame Verbindung 13 auf die beiden äußeren unteren Radialstreben 09 verteilt.
Bereits weiter oben wurde ausgeführt, dass die Standstruktur 01 nach der Erfindung aufgrund ihrer Einfachheit besonders einfach an alle Lastfälle, also alle auftretenden Belastungen auf die Standstruktur 01 anpassbar ist. Insbe- sondere kann diese Anpassung - neben einer absoluten Bemessung der
Längen und Durchmesser (Wanddicke) der beteiligten Konstruktionselemente auch durch die Positionierung der Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Konstruktionselementen in Relation zur vertikalen Mittelachse 03 erfolgen (relative Bemessung der Längen), siehe hierzu die Figuren 5A bis 5F.
Diese zeigen schematisch die vertikale Mittelachse 03, ein Standbein 02 mit Fußstrebe 20, eine untere Radialstrebe 09, eine weitere Radialstrebe 14, das obere Auflagerelement 06 und den unteren Untergrund 08. Die gezeigten Positionierungen der Verbindungen für ein Standbein 02 mit zugehöriger weiterer Radialstrebe 14 und unterer Radialstrebe 09 sind analog auf alle anderen Standbeine 02 der Standstruktur 01 zu übertragen. Eine
unterschiedliche Positionierung gleicher Verbindungen an unterschiedlichen Standbeinen 02 ist zwar prinzipiell möglich, wäre aber nur für sehr spezielle, konstant einseitige Lastfälle sinnvoll und damit in der Regel nicht praktikabel.
In der Figur 5A ist schematisch (alle Figuren 5A bis F zeigen die Elemente nur als Strichlinien schematisch) angedeutet, dass die obere Verbindung 16 zwischen der weitern Radialstrebe 14 und dem Standbein 02 entlang des äußeren Endes 15 der Radialstrebe 14 positionierbar ist. Das Standbein 02 endet dann auf der Radialstrebe 14. Analog dazu zeigt die Figur 5B, dass die obere Verbindung 16 zwischen weiterer Radialstrebe 14 und Standbein 02 auch entlang des oberen Endes 04 des Standbeins 02 positionierbar ist. Die weitere Radialstrebe 14 endet dann auf dem Standbein 02. Grundsätzlich kann die gemeinsame Verbindung 16 von weiterer Radialstrebe 14 und Standbein 02 auch direkt am Auflagerelement 05 angreifen, sodass die weitere Radialstrebe 14 und das Standbein 02 gemeinsam mit dem Auflagerelement 05 verbunden sind, was in den anderen Figuren dargestellt ist.
Die Figur 5C zeigt die Positionierbarkeit der unteren Verbindung 11 zwischen Standbein 02 und unterer Radialstrebe 09 entlang des äußeren Endes 10 der unteren Radialstrebe 09. Das Standbein 02 endet dann auf der unteren Radialstrebe 09. Analog zeigt die Figur 5D die Positionierbarkeit der unteren Verbindung 11 zwischen Standbein 02 und unterer Radialstrebe 09 entlang des unteren Endes 06 des Standbeins 02. Die untere Radialstrebe 09 endet dann auf dem Standbein 02. Das Positionieren der unteren Verbindung 11 auf das Ende der Fußstrebe 20 ist ebenfalls möglich. Standbein 02 und untere Radialstrebe 09 enden dann in einer gemeinsamen unteren Verbindung 11 an der Fußstrebe 20, gezeigt in den anderen Figuren außer 5C.
Die Figur 5E zeigt die veränderliche Winkelpositionierbarkeit der Fußstrebe 20 um den Winkel 33 zur vertikalen Mittelachse 03 auf dem Untergrund 08. Die Figur 5F zeigt die höhenveränderliche Positionierbarkeit eines Ortes 35 der gemeinsamen Verbindung 13 der weiteren Radialstrebe 14 mit der unteren Radialstrebe 09 entlang der vertikalen Mittelachse 03 auf der Höhe 34. Eine Positionierung des Ortes 35 der gemeinsamen Verbindung 13 in einem Mittenbereich 23 der vertikalen Mittelachse 03 ist möglich. Außerdem ist eine veränderliche Höhenpositionierbarkeit der unteren Verbindung 11 zwischen der unteren Strebe 09 und dem Standbein 02 durch eine Variation der Länge 35 der Fußstrebe 20.
Die Figur 6 zeigt die Standstruktur 01 nach der Erfindung mit zusätzlichen Hilfsstreben 24, die der weiteren Verbesserung der Stabilität dienen. Dabei sind alle möglichen Hilfsstreben 24 eingezeichnet, die in einer konkreten Ausführung nicht unbedingt alle gemeinsam zur Ausführung kommen müssen. Die Anzahl der Hilfsstreben ist - wie die Anzahl der Standbeine - von den Lastfallberechnungen abhängig. Die Hilfsstreben 24 sind zwischen den Standbeinen 02, zwischen den weiteren Radialstreben 14, zwischen den unteren Radialstreben 09, zwischen den weiteren Radialstreben 14 und den unteren Radialstreben 09 und zwischen den weiteren Radialstreben 14 und den Standbeinen 02 bzw. zwischen den unteren Radialstreben 09 und den Standbeinen 02 eingezeichnet. Je nach Belastung können die Hilfsstreben 24 als Zug- Druck-Stäbe aber auch als reine Zugstäbe oder reine Druckstäbe ausgebildet sein. In der Figur 7A sind das Standbein 02 und die untere Radialstrebe 09 als Stahlprofile 25 dargestellt. Die untere Verbindung 11 zwischen Standbein 02 und unterer Radialstrebe 09 ist als Schweißverbindung 26 dargestellt. Die
Figur 7B zeigt die Verbindung 11 als Nietverbindung 27. Die Figur 7C zeigt die Verbindung durch Laschen 28. In der Figur 7D sind das Standbein 02 und die untere Radialstrebe 09 als Stahlrohre 29 ausgeführt. Gezeigt ist eine Schweißverbindung 30. In der Figur 7E ist hingegen eine Verbindung mit einem Steckverbinder 31 aufgezeigt, diese weist verschiedene Adapterenden 41 auf, in die die Standbeine 02 und weiteren und unteren Radialstreben 09, 14 eingeschoben und befestigt werden. Alle genannten Verbindungsarten sind entsprechend auf Stahlprofile und Stahlrohre und auf alle Verbindungen in der Standstruktur 01 anwendbar. In der nachfolgend aufgezeigten Tabelle sind drei Lastfälle LF1, LF2, LF3 für den Lastangriff einer Kraft F bzw. eines Moments M aus unterschiedlichen Richtungen x,y,z auf das Auflagerelement 05 bzw. den Mast 19 aufgezeigt, vergleiche Figuren 8A, 8B. Dabei sind die zugrunde gelegten Zahlenwerte für die angreifenden Kräfte angenommene Werte. Die Krafteinleitung erfolgt an einem eingespannten Auflagerelement ca.48m über dem Meeresboden. Die Fußelemente haben einen Abstand von ca. 24 m zueinander. Diese Abmaße ergeben sich beispielsweise bei einer Offshore-Gründungsstruktur für eine ca. 3,5 MW Windenergieanlage. Die nach der Finiten-Element-Methode berechneten Spannungsverteilungen sind in den Figuren 9A, 9B, 9C für die verschie- denen Lastfälle LF1 , LF2, LF3 mit einem Lastangriff der Kraft F dargestellt. Die aufgezeigte Skala (N/mm2) zeigt eine Spannungsverteilung von gering (weiß) und Grautöne bis stark (schwarz). Deutlich ist die bei der Erfindung spezielle Lastverteilung über die unteren Radialstreben 09 in die Fußelemente 07 zu erkennen. Lastfall Lastfall LF1 Lastfall LF2 Lastfall LF3
Last Max. Moment 0° Max. Moment 90° Max. Moment 180°
Fx [kN] 600 0 - 600
Fy [kN] 0 600 0
Fz [kN] - 4.000 - 4.000 - 4.000
Mx [kNm] 0 - 100.000 0
My [kNm] 100.000 0 - 100.000
Mz [kNm] 2.000 2.000 2.000
In der Figur 4 ist eine ungekreuzte Anordnung der Standbeine 02 in Axialebenen 38 zur vertikalen Mittelachse 03 dargestellt, die unter einem Öffnungswinkel 22 verlaufen. Die Figuren 10A,B zeigen alternativ eine Anordnung mit gekreuzten Standbeinen 02 in zwei Ansichten für verbesserte Torsionsfestigkeit. In der Figur 10A sind in der perspektivischen Draufsicht drei Paare von jeweils zwei Standbeinen 02 aufgezeigt, die sich in einem Kreuzungsbereich 39 kreuzen. An den Auflagerelementen 05 und den Fußelementen 07 schließen jeweils zwei Standbeine 02 an. Die Kreuzungsbereiche 39 sind sowohl entlang der vertikalen Mittelachse 03 axial als auch entlang von Radialachsen 40, die senkrecht zu der vertikalen Mittelachse 03 verlaufen, in
Abhängigkeit von den auftretenden Lastfällen anordenbar. Gezeigt sind schräg verlaufende Standbeine 02 (gemäß Figur 4). Bei einer Verschiebung der
Kreuzungsbereiche 39 entlang der Radialachsen 40 kommt es zu entspre- chenden Veränderungen der Auflagerfläche zwischen den Auflagerelementen 05 oder der Standfläche zwischen den Fußelementen 07 der Standstruktur 01. Weiterhin sind die unteren Radialstreben 09, die weiteren Radialstreben 14 und die gemeinsame Verbindung 13 aller unteren und weiteren Radialstreben 09, 14 zu erkennen. Die Figur 10B zeigt die Standstruktur gemäß Figur 10A in einer Draufsicht. Zu erkennen sind die Elemente gemäß Figur 10A. Bezugszeichenliste
01 Standstruktur
02 Standbein
03 vertikale Mittelachse
04 oberes Ende von 02
05 Auflagerelement
06 unteres Ende von 02
07 Fußelement
08 Untergrund
09 untere Radialstrebe
10 äußeres Ende von 09
11 untere Verbindung von 09 mit 02
12 inneres Ende von 09
13 gemeinsame Verbindung
14 weitere Radialstrebe
15 äußeres Ende von 14
16 obere Verbindung von 14 mit 02
17 inneres Ende 14
18 Windlast
19 Mast
20 Fußstrebe
21 Öffnung in 05
22 Öffnungswinkel von 02 zu 03
23 Mittenbereich von 03
24 Hilfsstrebe
25 Stahlprofil
26 Schweißverbindung
27 Nietverbindung
28 Lasche
29 Stahlrohr Schweißverbindung
Steckverbinder
Winkel zwischen zwei 02 bzw. zwei 09 bzw. zwei 14
Winkel zwischen 20 und 03
Höhe von 13 über 08
Länge von 20
Ort von 13 auf 03
Ort von 16, 1 1
Axialebene zu 03
Kreuzungsbereich von 02
Radialachse senkrecht zu 03
Adapterende

Claims

Patentansprüche
1. Standstruktur (01) mit zumindest drei, um eine vertikale Mittelachse (03) herum gleichmäßig angeordneten Standbeinen (02), die an ihren oberen En- den (04) mit einem Auflagerelement (05) zum Tragen einer Konstruktion, beispielsweise einer Windenergieanlage, und an ihren unteren Enden (06) mit Fußelementen (07) zur Verbindung mit einem Untergrund (08) verbunden sind, und mit unteren Radialstreben (09), die mit ihren äußeren Enden (10) in unteren Verbindungen (11) mit den Standbeinen (02) und mit ihren inneren Enden (12) in einer gemeinsamen Verbindung (13) auf der vertikalen Mittelachse (03) mit den anderen unteren Radialstreben (09) verbunden sind, wobei die unteren Verbindungen (11 ) der unteren Radialstreben (09) mit den Standbeinen (02) bezüglich der vertikalen Mittelachse (03) unterhalb der gemeinsamen Verbindung (13) der unteren Radialstreben (09) miteinander liegen, sowie mit weiteren Radialstreben (14),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Standbeine (02) gerade ausgebildet sind und die weiteren Radialstreben (14) mit ihren äußeren Enden (15) in oberen Verbindungen (16) mit den Standbeinen (02) und mit ihren inneren Enden (17) in der gemeinsamen Ver- bindung (13) auf der vertikalen Mittelachse (03) mit den anderen weiteren Radialstreben (14) und mit den unteren Radialstreben (09) verbunden sind, wobei die oberen Verbindungen (16) der weiteren Radialstreben (14) bezüglich der vertikalen Mittelachse (03) oberhalb der gemeinsamen Verbindung (13) der weiteren Radialstreben (14) und der unteren Radialstreben (09) miteinander liegen.
2. Standstruktur (01 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die gemeinsame Verbindung (13) der weiteren und unteren Radialstreben (14, 09) an einem in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen (18) auf die Standstruktur (01 ) vorbestimmten Ort (36) auf der vertikalen Mittelachse (03) zwischen den oberen Verbindungen (16) der weiteren Radialstreben (14) mit den Standbeinen (02) und den unteren Verbindungen (1 1 ) der unteren
Radialstreben (09) mit den Standbeinen (02) angeordnet ist.
3. Standstruktur (1 ) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die gemeinsame Verbindung (13) der weiteren und unteren Radialstreben (14, 09) im Mittenbereich (23) der vertikalen Mittelachse (03) angeordnet ist.
4. Standstruktur (01 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die oberen Verbindungen (16) der weiteren Radialstreben (14) mit den
Standbeinen (02) und die unteren Verbindungen (1 1 ) der unteren Radialstreben (09) mit den Standbeinen (02) an in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen (18) auf die Standstruktur vorbestimmten Orten (37) auf den Standbeinen (02) oder auf den weiteren oder unteren Radialstreben (14, 09) angeordnet sind.
5. Standstruktur (01 ) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die oberen Verbindungen (16) der weiteren Radialstreben (14) mit den Standbeinen (02) direkt unterhalb des Auflagerelements (05) und die unteren Verbindungen (1 1 ) der unteren Radialstreben (09) mit den Standbeinen (02) direkt oberhalb der Fußelemente (07) angeordnet sind.
6. Standstruktur (01 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fußelemente (07) als Fußstreben (20) ausgebildet sind, die mit einem in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen (18) auf die Standstruktur (02) vorbestimmten Öffnungswinkel (33) zur vertikalen Mittelachse (03) angeordnet sind.
7. Standstruktur (01 ) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fußstreben (20) in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen (18) auf die Standstruktur (02) mit einer vorbestimmten Länge (35) bemessen sind.
8. Standstruktur (01 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzliche Hilfstreben (24) zwischen den Standbeinen(02) und/oder den weiteren und/oder unteren Radialstreben (14, 09) und/oder den Standbeinen (02) und den weiteren und/oder unteren Radialstreben (14, 09) angeordnet sind.
9. Standstruktur (01 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest die Standbeine (02) und/oder die weiteren und/oder unteren Radialstreben (14, 09) aus schweiß- oder nietbaren Stahlrohren (29) oder Stahlprofilen (25) bestehen.
10. Standstruktur (01 ) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die gemeinsame Verbindung (13) der weiteren und unteren Radialstreben (14, 09) und die oberen Verbindungen (16) der weiteren Radialstreben (14) mit den Standbeinen (02) und unteren Verbindungen (1 1 ) der unteren Radialstreben (09) mit den Standbeinen (02) durch Schweiß- oder Nietverbindungen (26, 27, 30) gebildet sind.
11. Standstruktur (01 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die gemeinsame Verbindung (13) der weiteren und unteren Radialstreben (14, 09) und die oberen Verbindungen (16) der weiteren Radialstreben (14) mit den Standbeinen (02) und unteren Verbindungen (1 1 ) der unteren Radialstreben (09) mit den Standbeinen (02) durch lösbare Verbindungen mit Schraub- oder Steckverbindern (28, 31 ) gebildet sind.
12. Standstruktur (01 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Standbeine (02) in einzelnen Axialebenen (38) zur vertikalen Mittelachse (03) angeordnet sind
13. Standstruktur (01 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils zwei benachbarte Standbeine (02) einander zwischen dem Auflagerelement (05) und den Fußelementen (07) in einem Kreuzungsbereich (39) kreuzend angeordnet sind, wobei jeweils zwei benachbarte Standbeine (02) an dem Auflagerelement (05) und an jedem Fußelement (07) angreifen.
14. Standstruktur (01 ) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kreuzungsbereich (39) an einem in Abhängigkeit von auftretenden Belastungen (18) auf die Standstruktur (01 ) vorbestimmten Ort (36) entlang der vertikalen Mittelachse (03) und/oder entlang von Radialachsen (40) senkrecht zur vertikalen Mittelachse (03) angeordnet ist.
15. Standstruktur (01 ) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Standbeine (02) mit einem Öffnungswinkel (22) zur vertikalen Mittelachse (03) zwischen dem Auflagerelement (05) und den Fußelementen (07) angeordnet sind.
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