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Dokumentenidentifikation DE202005003425U1 24.08.2006
Titel Gründung, insbesondere für eine Offshore-Windenergieanlage
Anmelder Oevermann GmbH & Co. KG, 48153 Münster, DE
Vertreter Dr. Hoffmeister & Tarvenkorn, 48147 Münster
DE-Aktenzeichen 202005003425
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 24.08.2006
Registration date 20.07.2006
Application date from patent application 03.03.2005
IPC-Hauptklasse F03D 11/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse E02B 17/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   E04H 12/22(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Gründung, insbesondere für eine Offshore-Windenergieanlage, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Windenergieanlagen werden zunehmend im Meer vor der Küste errichtet, da wegen der dortigen besseren Windverhältnisse eine größere Energieausbeute möglich ist, und auch, weil die Aufstellung an Land wegen Geräuschentwicklung, Schattenwirkung etc. zunehmend weniger akzeptiert wird.

Bei solchen Offshore-Windenergieanlagen ergeben sich Probleme insbesondere bei der Schaffung eines festen Fundaments für das Turmbauwerk auf See, sowie der Transport der Turmsäule mit der darauf befindlichen Gondel, in der der Rotor mit den Flügeln gelagert ist und in der der Generator zur Erzeugung elektrischer Energie untergebracht ist. Gleichartige Probleme ergeben sich auch bei anderen auf dem Meeresgrund zu errichtenden Bauwerken, beispielsweise Brückenpfeilern.

Aus der DE 100 61 916 ist eine Gründung für eine Offshore-Windenergieanlage bekannt, die Speichen- und Felgenrohre aufweist, die an Fundamentknotenelementen und an einem zentralen Schaft-Fußknotenelement angebracht sind. Außerdem laufen Kopfstreben von den Fundamentknotenelementen zu einem Kopfknotenelement an der Turmbasis. Das Fachwerk ermöglicht eine große Abstützweite bei geringem Bauvolumen der Turmbasis. Eine solche Gründung bietet durch ihre punktuellen Gründungen durch einzelne Fundamente einen sicheren Stand auch bei unebenem Untergrund, ohne dass eine äußerst schwierige vorbereitende Glättung des Meeresbodens am vorgesehenen Standort erforderlich ist. Die Fundamente besitzen jeweils nur eine kleines Volumen, spannen aber gemeinsam eine große Stützfläche auf, die eine hohe Stabilität des Turmbauwerks garantiert. Wegen des geringen Volumens ist das Gewicht der Fundamente so gering, dass ein Transport mit schwimmenden Plattformen möglich ist. Die Abstützweite variiert jedoch zwischen zwei um 45° zueinander versetzten Kraftvektoren, bedingt durch die quadratische Grundform, um den Faktor 1,41. An den Koppelpunkten der als Stahlbaukonstruktion ausgeführten Gründung sind Gelenke vorgesehen, die zwar Verwindungen des Fachwerks erlauben, aber stark beansprucht werden und zudem der Meerwasserkorrosion ausgesetzt sind. Die großen Stützweiten der Stahlrohre führen zu hohen Werkstoffkosten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Gründung für ein Turmbauwerk kostengünstiger herstellen und leichter installieren zu können.

Diese Aufgabe wird durch eine Gründung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Insgesamt besteht die erfindungsgemäße Gründung aus mehreren Einzelteilen, von denen jedes für sich kostengünstig herstellbar ist, nämlich:

  • – Fundamente und Fundamentknotenelemente, ein Kopfknotenelement und ein Schaft-Fußknotenelement als Koppelelemente und
  • – Felgen- und Speichenrohre sowie Kopfstreben als Zug- und Druckstäbe.

Durch die Einzelteile wird ein räumliches Tragwerk errichtet.

Zwischen dem Kopfknotenelement und dem Schaft-Fußknotenelement ist vorzugsweise ein Schleuderbetonrohr als Schaftrohr über Spannglieder eingespannt.

Die vorgenannten Elemente können durch Verspannung gegeneinander leicht montiert werden, wobei die an den Knotenelementen vorgesehenen Anschlagsflächen jeweils ein bündiges Anlegen der Stirnseiten der Felgen- und Speichenrohre sowie der Kopfstreben erlauben.

Eine hohle Ausbildung der vorgefertigten Elemente führt dazu, dass die Masse des durch die Gründung verdrängten Wasservolumens größer ist als die Masse der eingetauchten Bereiche der Gründung, so dass die Gründung insgesamt schwimmfähig ist. Damit ist ein Bau der Gründung an Land und ein späteres Verbringen an einen vorgesehenen Standort vor der Küste möglich.

Vorteilhafte Fortbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und werden nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 die Gründung mit einem Turmschaft im Schnitt und

2 den oberen Bereich der Gründung gemäß 1 im Detail;

3 den Fundamentbereich einer erfindungsgemäßen Gründung in Ansicht von oben und

4 der Fundamentbereich von unten;

5 ein Turmbauwerk mit Gründung in seitlicher, teilweise geschnittener Ansicht.

3 zeigt in einem Schnitt die räumliche Erstreckung einer erfindungsgemäßen Gründung 100 mit einem Blick von oben auf eine Aufstandsfläche.

Die Gründung 100 setzt sich in der dargestellten Ausführungsform aus sechs Fundamentknotenelementen 10 zusammen, die an den Eckpunkten eines Polygons positioniert sind. An den Außenkanten des Polygons sind die Fundamentknotenelemente 10 über Felgenrohre 11 miteinander verbunden.

Wie 1 zeigt, erstrecken sich Speichenrohre 12 zum Zentrum des mit den Fundamentknotenelementen 10 und den Felgenrohren 11 aufgespannten Rings hin. Diese sind an ein zentrales Schaftfußelement 22 als Koppelelement angeschlagen.

Zwischen dem Schaftfußelement 22, in Richtung eines Kopfknotenelements 20 weisend, das sich oberhalb der durch die Fundamentknotenelemente 10 gebildeten Fundamentebene befindet, erstreckt sich ein Schaftrohr 21. Vom Kopfknotenelement 20 wiederum laufen Kopfstreben 14 zu den Fundamentknotenelementen 10.

Auf diese Weise bilden jeweils zwei benachbarte Speichenrohre 12 und je ein Felgenrohr 11 ein Dreieck, im Blick auf die Aufstandsebene gesehen. Ein weiteres Dreieck bildet sich durch benachbarte Kopfstreben 14 und ein Felgenrohr 11. Dieses Dreieck ist gegenüber der Fundamentebene um einen Winkel von vorzugsweise größer als 45° angestellt.

Die Hauptlasten bei der erfindungsgemäßen Gründung werden über das Kopfknotenelement 20 und über die Kopfstreben 14 auf die Fundamentknotenelemente 10 abgeleitet.

Die Fundamentknotenelemente 10 sind aus Beton ausgebildet. Zwischen ihnen sind die Kopfstreben 14 und/oder die Felgenrohre 11 sowie ggf. die Speichenrohre 12 eingespannt, welche als Schleuderbetonrohre vorfertigbar sind.

Zur Einspannung sind Anschlagflächen vorgesehen, an welchen die jeweiligen Stirnseiten der Kopfstreben 14, Felgenrohre 11 und Speichenrohre 12 anliegen:

Am Kopfknotenelement 20 ist ein Kopfstrebenauflagerbereich 20.3 mit Kopfstrebenanschlagflächen 20.4 vorgesehen, welche jeweils senkrecht zur Mittelachse der Kopfstreben 14 ausgerichtet sind.

Auf der Oberseite der Fundamentknotenelemente 10 ist in der dargestellten Ausführungsform ein Kopfstrebenauflagerbuckel 10.1 ausgebildet, um eine zum Kopfknotenelement 20 hin ausgerichtete Kopfstrebenanschlagfläche 10.2 ausbilden zu können. Zwischen der Kopfstrebenanschlagfläche 10.2 am Fundamentknotenelement 10 und der Kopfstrebenanschlagfläche 20.4 am Kopfknotenelement 20 ist jeweils eine Kopfstrebe 14 angeordnet und über ein Spannglied 23 eingespannt.

Seitlich an den Fundamentknotenelementen 10 sind Felgenrohranschlagflächen 10.3 vorgesehen. Zwischen den Felgenrohranschlagflächen 10.3 benachbarter Fundamentknotenelementen 10 sind Felgenrohre 11 angeordnet und über Spannglieder 26 (vgl. 3) eingespannt.

An einer zum zentralen Schaftfußelement 22 ausgerichteten Speichenrohranschlagfläche 10.2 und einer Speichenrohranschlagfläche 22.1 am Schaftfußelement 22 ist jeweils ein Speichenrohr 12 angeordnet und über ein Spannglied eingespannt.

Auch die zentrale Säule der Gründung 100 ist vorzugsweise aus Einzelteilen gebildet, die in 1 dargestellt sind, nämlich dem Kopfknotenelement 20, dem Schaftfußelement 22 und einem zwischen diesen über Spannglieder 24 eingespannten Schaftrohr 21. Dazu ist am Kopfknotenelement 20 unten ein Schaftrohrauflagerbereich 20.1 mit einer Schaftrohranschlagfläche 20.2 ausgebildet, die senkrecht zur Mittelachse der Gründung ausgerichtet ist.

Das Schaftrohr 21 erstreckt sich von dem Kopfknotenelement 20 ausgehend bis zur Ebene der Fundamentknotenelemente 10. Es kann aber darüber enden, damit bei einer entsprechenden Unebenheit des Meeresgrundes am Aufstellort gewährleistet ist, dass nur die Fundamente 15 am Meeresgrund 2 aufliegen, nicht jedoch der untere Bereich des Schaftrohrs 21.

Wie bereits erwähnt, ist das Schaftrohr 21 vorzugsweise hohl ausgebildet. So werden einerseits Auftriebskräfte erzeugt; andererseits wird die Montage dadurch erleichtert, dass die Spannlitzen der vorzugsweise als Schleuderbetonrohre ausgebildeten Stäbe 12, 14 im Inneren des Schaftrohrs 21 verspannt werden können. Das Schaftrohr 21 läuft nach unten vorzugsweise konisch aus.

2 zeigt im Detail das Kopfknotenelement 20 mit dem sich unten anschließenden Schaftrohr 21. Auf das Kopfknotenelement 20 ist ein Turmschaft 29 aufgesetzt, der über Spannglieder 25 mit dem Kopfknotenelement 20 verbunden ist. Hierzu ist an der Oberseite des Kopfknotenelements 20 ein Turmsäulenauflagerbereich 20.5 ausgebildet, der durch eine oben liegende, senkrecht zur Mittelachse des Turmbauwerks ausgerichtete Flanschfläche 20.6 abgeschlossen ist.

Die gesamte Gründung 100 kann aus Beton hergestellt werden. Anschließend kann zum Bau eines Turmbauwerks mit der Gründung 100 eine Turmsäule 30 auf den Turmschaft 29 aufgesetzt und dort verschraubt werden. Durch die Höhe des Turmschafts 29 kann das untere Ende der stählernen Turmsäule 30 weit oberhalb des Meeresspiegels und damit außerhalb der besonders korrosionsanfälligen Wasserwechselzone positioniert werden.

Die eigentlichen Fundamente 15, die sich unten an die Fundamentknotenelemente 10 anschließen, können in verschiedener Weise ausgebildet sein, worauf noch weiter unten eingegangen werden wird. 4 zeigt einen Blick von unten auf die Gründung und damit auf die Fundamente. Dargestellt sind Pfahlfundamente 15.3, durch die außen liegenden Fundamentknotenelemente 10 und das zentrale Schaft-Fußknotenelement 22 auf dem Meeresboden verankert werden können.

Neben der dargestellten direkten Verbindung zwischen den Fundamentknotenelementen 10 und den Fundamenten 15 kann jeweils auch ein zusätzliches, sich in vertikaler Richtung erstreckendes Stützrohr zwischen Fundamentknotenelement 10 und Fundament 15 vorgesehen sein.

Das Turmbauwerk umfasst bei einer Verwendung des Turmbauwerks für eine Windenergieanlage neben dem zuvor bereits detailliert dargestellten Bereich der Gründung 100 und der Turmsäule 30 gegebenenfalls eine Gondel 60 mit Nabe 64.

Die Höhen am Turmbauwerk sind so bemessen, dass der Meeresspiegel 1 nach dem Aufstellen etwa im Bereich des Konus 20.3 am Kopfknotenelement 20 liegt. Die Abschrägung nach unten wirkt dann eisbrechend. Auf dem Kopfknotenelement 20 kann eine Zugangsplattform 35 im Bereich einer Zugangstür 34 angeordnet sein.

Die Turmsäule 30, die sich vom Kopfknotenelement 20 über etwa 70 Meter bis zur Gondel 60 erstreckt, kann aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein.

5 zeigt das fertig aufgestellte Turmbauwerk. Exemplarisch sind dort verschiedene Varianten von Fundamenten 15.1 ... 15.4 abgebildet. Vorzugsweise ist aber die Art der Fundamente nach den geologischen Beschaffenheiten des Meeresbodens 2 ausgewählt, und die Fundamente sind an allen Eckpunkten des aufgespannten Polygons gleichartig ausgebildet.

Das Fundament 15.2 ist als Flachfundament ausgebildet. Es liegt direkt auf dem Meeresboden 2 auf. Rundherum ist als Auskolkungsschutz ein Ring 16 aus Schotter gelegt.

Bei dem Fundament 15.3 ist die Fundamentplatte durch mehrere kleine Pfähle im Meeresboden 2 verankert.

Bei dem Fundament 15.4 handelt es sich ebenfalls um ein Pfahlfundament, das jedoch mit einem einzigen großen, entsprechend tiefer reichenden Pfahl verankert ist.

Das Fundament 15.1 ist als Saugkammerfundament ausgebildet und entspricht der bevorzugten Ausführungsform. Es handelt sich im Prinzip um einen nach unten offenen Becher, dessen Wandstärke dünn genug ist, um sich in den Meeresboden 2 einzuschneiden. Die Saugkammer kann aus Stahl gebildet sein oder aus Beton, wobei in diesem Fall eine Ringschneide aus Stahl aufgesetzt sein sollte. Vorteilhaft ist hierbei, dass die in der Saugkammer eingeschlossene Luft während des Seetransports Auftrieb erzeugt.

Beim Aufstellen wird dann Luft abgelassen, so dass Sand oder Schlick in die Kammer eindringt und das Fundament durch den Druck der darauf lastenden Wassersäule zunehmend in den Meeresboden 2 einsinkt. Bei den auf den Meeresboden 2 aufgesetzten Saugkammerfundamenten 15.1 kann außerdem durch gezielte Beeinflussung des Innendrucks in den Kammern bei allen Fundamenten zugleich die Lage des Turmbauwerks exakt ausgerichtet werden. Durch Füllen der Kammer mit Beton kann dann die einmal eingestellte Lage fixiert werden. Sollte eines der Saugkammerfundamente 15.1 wegen Bodenunebenheiten mit seiner Unterkante nicht auf dem Meeresboden 2 aufliegen, so kann dennoch leicht ein tragfähiger Fundamentpunkt dadurch geschaffen werden, dass durch die Saugkammer hindurch solange Beton eingefüllt wird, bis sich unterhalb des Fundaments 15.1 ein Betonkegel auf dem Meeresboden gebildet hat.

Das Einfüllen von Luft oder Beton kann durch die vorzugsweise hohl ausgebildeten Stäbe 14 von dem ebenfalls hohlen Schaftrohr 21 aus erfolgen.

Das Saugkammerfundament 15.1 ist an seinem Außenumfang wenigstens in einem oberen Bereich seiner Höhe mit Leitblechen 18.1, 18.2 versehen, wobei in 7 exemplarisch ein geradliniges, schräg gestelltes Leitblech 18.2 und ein gewelltes Leitblech 18.1 nebeneinander dargestellt sind. Diese dienen als Auskolkungsschutz, das heißt, sie sollen verhindern, dass die Strömungen entlang des Saugkammerfundaments 15.1 den Meeresboden in der Umgebung abtragen, so dass die Gefahr besteht, dass das Fundament frei gespült wird. Die Leitbleche 18.1, 18.2 sind Strömungshindernisse, um aus laminaren Strömungen turbulente zu erzeugen. Die Leitbleche sollten wenigstens in dem aus dem Boden heraus stehenden Bereich des Saugkammerfundaments angebracht sein.

Eine Schrägstellung der Leitbleche bewirkt eine vertikale Umleitung der Strömung. Um aber nicht die Strömung auf den Boden zu leiten und dadurch die Auskolkungsgefahr eher zu erhöhen, sollte die Schrägstellung der Leitbleche 18.1, 18.2 gegenüber der vertikalen Mittelachse des Fundaments kleiner als 45° sein und vorzugsweise zwischen 10 und 30° betragen.


Anspruch[de]
  1. Gründung (100), insbesondere für eine Offshore-Windenergieanlage, mit wenigstens

    – drei Fundamenten (15) mit jeweils wenigstens einem Fundamentknotenelement (10)

    • die auf eine Aufstandsebene aufzusetzen sind und die paarweise durch Felgenrohre (11) miteinander verbunden sind und

    • die jeweils über ein Sternverbindungselement (12) mit einem Schaft-Fußknotenelement (22) verbunden sind, das im Zentrum des durch die Fundamente (15) aufgespannten Polygons und unterhalb eines Kopfknotenelements (20) angeordnet ist, und mit

    – Kopfstreben (14), die sich jeweils von einem Fundamentknotenelement (10) bis zu einem oberhalb der Aufstandsebene angeordneten Kopfknotenelement (20) erstrecken,

    dadurch gekennzeichnet, dass die Knotenelemente (10, 20, 22) aus Beton gebildet sind, und dass die Speichenrohre (12), die Felgenrohre (11) und die Kopfstreben (14) als Schleuderbetonrohre ausgebildet sind, die jeweils zwischen Anschlagflächen (10.1, 10.3, 20.4, 22.1) an den Fundamentknotenelementen (10), an dem Kopfknotenelement (20) und/oder an dem Schaft-Fußknotenelement (22) eingespannt sind, wobei wenigstens die Kopfstreben (14) jeweils über wenigstens ein Spannglied zwischen den Fundamentknotenelementen (10) und dem Kopfknotenelement (20) eingespannt sind.
  2. Gründung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kopfknotenelement (20) und dem Schaft-Fußknoten (22) ein Schleuderbetonrohr als Schaftrohr (21) über Spannglieder (24) eingespannt ist.
  3. Gründung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Schaftrohr (21) vom Kopfknotenelement (20) zum Schaft-Fußknoten (22) konisch verjüngt.
  4. Gründung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfknotenelement (20) aufweist:

    – einen Schaftrohrauflagerbereich (20.1) mit einer Schaftrohranschlagfläche (20.2), die senkrecht zur Mittelachse der Gründung ausgerichtet ist,

    – einen Kopfstrebenauflagerbereich (20.3) mit Kopfstrebenanschlagflächen (20.4), welche senkrecht zur Mittelachse der Kopfstreben (14) ausgerichtet sind.

    – einen Turmsäulenauflagerbereich (20.5), der durch eine oben liegende, senkrecht zur Mittelachse der Gründung ausgerichtete Flanschfläche (20.6) abgeschlossen ist.
  5. Gründung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fundamentknotenelemente (10) jeweils einen erhabenen Kopfstrebenauflagerbuckel (10.1) aufweisen, an dem die zum Kopfknotenelement (20) hin ausgerichtete Kopfstrebenanschlagfläche (10.2) angeordnet ist.
  6. Gründung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Fundamente (15) ein Saugkammerfundament (15.1) ist.
  7. Gründung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugkammerfundament (15.1) an seinem Außenumfang wenigstens in einem oberen Bereich seiner Höhe mit Leitblechen (18.1, 18.2) versehen ist.
  8. Gründung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche (18.1, 18.2) gebogen, gewellt und/oder schräg gestellt sind, wobei der Winkel zwischen der Mittelachse des Saugfundaments und dem schräg gestellten Leitblech bzw. einer Tangente an einem gebogenen oder gewellten Leitblech kleiner als 45° ist.
  9. Gründung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Fundamente ein Flachfundament (15.2) ist.
  10. Gründung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Fundamente (15.3) eine Fundamentplatte umfasst, die durch mehrere Pfähle im Meeresboden (2) verankerbar ist.
  11. Gründung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Fundamente ein Pfahlfundament (15.4) ist.
  12. Gründung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannglieder (23, 24, 25) wenigstens im Schaftrohr (21) und/oder im Turmsäulenauflagerbereich (20.5) frei liegend innerhalb der Wandung geführt sind.
  13. Gründung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens

    – das Schaftrohr (21) und

    – die Speichenrohre (12), die Felgenrohre (11) und/oder die Kopfstreben (14)

    hohl ausgeführt sind und die Gründung schwimmfähig ist.
  14. Gründung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch wenigstens einen Turmschaft (29), der auf das Kopfknotenelement (20) aufgesetzt und mit diesem über Spannglieder (25) verspannt ist.
  15. Turmbauwerk, wenigstens umfassend eine Gründung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und eine Turmsäule (30), die auf das Kopfknotenelement (20) oder auf den Turmschaft (29) aufgesetzt ist.
  16. Turmbauwerk (100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Turmsäule (30) wenigstens teilweise aus Stahl gebildet ist und an der Flanschfläche (20.6) des Kopfknotenelements (22) verschraubt ist.
  17. Turmbauwerk (100) nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch wenigstens eine Halterung an der Turmsäule (30) für einen Rotorflügel (61, 62) einer Windenergieanlage.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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