DE102019110311A1

DE102019110311A1 - Verankerungselement

Info

Publication number: DE102019110311A1
Application number: DE102019110311.8A
Authority: DE
Inventors: Daniel Bartminn; Claus Linnemann
Original assignee: Innogy SE
Current assignee: Rwe Offshore Wind De GmbH
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2020-10-22
Also published as: KR20210149842A; WO2020211993A1; EP3956520A1; US20220195686A1

Abstract

Es wird insbesondere eine Gründung für ein Offshore-Bauwerk offenbart, die Gründung umfassend: einen Turm mit einem im Meeresboden verankerbaren Verankerungsabschnitt und einen am gegenüberliegenden Ende angeordneten Verbindungsabschnitt, wobei eine oberhalb der Wasseroberfläche anordenbare Stromerzeugungsanlage mit dem Verbindungsabschnitt des Turms verbindbar ist; wobei eine Eigenfrequenz des Offshore-Bauwerks unterhalb einer Anregung aus einer einfachen Umdrehungszahl 1P von zumindest einem anregenden Bauelement liegt. Ferner wird ein Offshore-Bauwerk offenbart.

Description

Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Gründung für ein Offshore-Bauwerk, insbesondere ein Verankerungselement umfasst von einer Gründung.
Hintergrund
Gründungen bzw. Gründungsstrukturen (im Nachfolgenden synonym verwendet) für Offshore-Bauwerke, insbesondere Offshore-Windenergieanlagen werden generell bzgl. ihrer Eigenfrequenz derzeit so ausgelegt, dass sie sich weitestgehend nicht mit anderen Frequenzanregungsbändern, z. B. dem des Rotors einer Turbine als Stromerzeugungsanlage überlappen. In der Regel wird bei einem sogenannten Monopile (auch als Pfahl bezeichnet) als Turm einer derartigen Windenergieanlage eine Eigenfrequenz f gewählt, die zwischen einem 1P- und einem 3P-Frequenzband liegt, wobei das 1P-Frequenzband einer Anregung aus der einfachen Rotorumdrehungszahl, und das 3P-Frequenzband einer Anregung aus der dreifachen Umdrehungszahl des Rotors der Turbine entspricht. Insbesondere um Resonanzschwingungen zu vermeiden, wird versucht, die Eigenfrequenz des Offshore-Bauwerks, z. B. mindestens 10% oberhalb des 1P- und unterhalb des 3P-Frequenzbandes anzuordnen. Die Auslegung solcher „steifen“ Türme bzw. Pfähle eines Offshore-Bauwerks wird auch als „soft-stiff“-Konstruktion bezeichnet.
Insbesondere wurden bisher für einen Einsatz als Offshore-Windenergieanlagen beispielsweise Bodengründungen (z. B. im Meeresboden) verwendet, mit denen eine Eigenfrequenz oberhalb des 1P-Frequenzbandes erzielt werden kann. Andere Frequenzbänder der Eigenfrequenz einer Offshore-Windenergieanlage wurden aus den folgenden Gründen bisher vermieden:

i) Mögliche dynamische Wellenanregung und daraus resultierende Ermüdungsbeanspruchung bzw. Resonanzen der Turmstruktur des Offshore-Bauwerks;
ii) Insbesondere Turbinen einer Offshore-Windenergieanlage erlauben regelmäßig nur geringe Toleranzen hinsichtlich langfristiger Schiefstellungen (z. B. verursacht durch einen Tidenhub des im Offshore-Bereich herrschenden Seegangs); und
iii) Weiche Strukturgründungen widersprechen häufig normierten Nachweiskriterien der Geotechnik.

Ferner sind schwimmende Gründungen zur Aufnahme einer Turmstruktur von einer Offshore-Windenergieanlage bekannt, wobei diese Gründungen in der Regel Wassertiefen von mehr als 20 m, bzw. bevorzugt sogar mehr als 40 m erfordern. Derartige schwimmende Fundamente für den Einsatz im Offshore-Bereich bei Windenergieanlagen erfordern zudem aufwendige Verankerungssysteme und flexible schwimmende Kabelführungen.
Mitunter können in küstennahen Gewässern, in denen häufig eine Wassertiefe von etwa 40 m nicht überschritten wird, und die zudem beispielsweise aufgrund von weichem Boden eine Bodengründung eines Turms für eine Offshore-Windenergieanlage, und aufgrund einer mangelnden Wassertiefe eine schwimmende Gründung für einen Turm von einer Offshore-Windenergieanlage nicht erlauben, entsprechend nur durch sehr kostenintensive Lösungen ermöglicht werden oder es wurde aufgrund dessen auf diese verzichtet.
Die Fundamente und Türme großer Windenergieanlagen (WEA) sind heute typischerweise als soft-stiff Konstruktionen ausgelegt. Für sehr große Offshore WEA könnten jedoch zukünftig auch weiche Konstruktionen (sogenannte „soft-soft“-Konstruktionen) interessant sein, bei denen die Eigenfrequenz unterhalb der Erregerfrequenz (also der Rotor- und Blattdurchgangsfrequenzen) liegt.
Eine Möglichkeit von derartigen soft-soft-Konstruktionen besteht insbesondere darin, einen Verankerungsabschnitt, der auch nach der Installation im Meeresboden bewegbar ist, zu verwenden.
Durch die Beweglichkeit eines derartigen Verankerungsabschnitts im Meeresboden ist jedoch auch das Torsions-Einspannmoment von solchen soft-soft-Konstruktionen von derartigen Gründungen gegenüber konventionellen Gründungen, die fester im Meeresboden verankert sind, reduziert. Daraus ergibt sich das Risiko, dass sich die Struktur bzw. das Offshore-Bauwerk im Betrieb verdrehen könnte. Dies ist unerwünscht, z. B. im Hinblick auf den elektrischen Anschluss mittels Kabel, um nur ein nicht-limitierendes Beispiel zu nennen. Maßnahmen, um das Bauwerk gegenüber Verdrehungen zu sichern, erschweren ferner die Installation.
Allgemeine Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen
Es wäre wünschenswert, eine Lösung bereitstellen zu können, um die vorgenannten Probleme minimieren bzw. vermeiden zu können, und insbesondere ein Torsions-Einspannmoment von derartigen Gründungen im Meeresboden zu erhöhen, ohne die Installation nachhaltig zu beeinflussen.
Vor dem Hintergrund des dargestellten Standes der Technik ist es somit die gegenständliche Aufgabe, die beschriebenen Probleme zumindest teilweise zu verringern oder zu vermeiden, das heißt insbesondere eine kostengünstige Möglichkeit bereitzustellen, um ein Offshore-Bauwerk gründen zu können, das ein erhöhtes Torsions-Einspannmoment aufweist, ohne die Installation nachhaltig zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird gegenständlich durch eine Gründung nach einem ersten Aspekt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die gegenständliche Aufgabe wird ferner durch ein Offshore-Bauwerk nach einem zweiten Aspekt gelöst, umfassend eine gegenständliche Gründung nach dem ersten Aspekt.
Im Folgenden werden einige beispielhafte Ausführungsformen nach allen Aspekten detaillierter beschrieben:

Ein Offshore-Bauwerk ist beispielsweise eine Offshore installierte Windenergieanlage.
Ferner kann ein Offshore-Bauwerk beispielsweise eine Umspannanlage, oder eine Bohr- oder Förderplattform sein. Ein anregendes Bauelement einer Windenergieanlage ist typischerweise ein von dieser umfasstes Rotorblatt, bzw. mehrere von dieser umfasste Rotorblätter.

Bestimmte Offshore-Bauwerke, insbesondere Windenergieanlagen, werden regelmäßig mit einer Gründung im Meeresboden befestigt. Ein gängiger Fundamenttyp beispielsweise bei Windenergieanlagen ist ein sogenannter Monopile, wobei der Turm der Windenergieanlage sich bis auf den Meeresboden erstreckt, und ein Verankerungsabschnitt des Turms im Meeresboden verankert ist. Der Turm wird dann vollständig durch seine Verankerung bzw. den Verankerungsabschnitt im Meeresboden gehalten.
Unter einem anregenden Bauelement wird im Sinne des vorliegenden Gegenstands insbesondere ein Element verstanden, dass eine Schwingung des Bauwerks bzw. des Turms bei dessen Bewegung verursacht. Eine oder mehrere von derartigen Schwingungen können dazu führen, dass das gesamte Bauwerk, oder zumindest ein Teil von diesem, in für das Bauwerk und/oder den Turm beschädigende Schwingungen versetzt wird. Dies kann dazu führen, dass über eine gewisse Zeit beispielsweise ein zumindest teilweises Verringern der Festigkeit der Verankerung von dem Bauwerk im Meeresboden geschieht. Ferner kann dies beispielsweise dazu führen, dass über die Anregung durch das Bauelement (z. B. immer wieder) eine Torsionskraft auf das Bauwerk ausgeübt wird, die in der Folge zu einer Drehung bzw. Verdrehung des Bauwerks um eine Achse in Längserstreckungsrichtung des Bauwerks bzw. eines Turm des Bauwerks liegend führen kann.
Um gegenüber starken Auslenkungen tolerant zu sein, und sich ferner durch eine große Verformbarkeit extremen Lasten entziehen zu können, muss die Gründung eine Bewegung des Offshore-Bauwerks ermöglichen. Offshore-Bauwerke, deren Eigenfrequenz oberhalb des 1P-Frequenzbandes angeordnet ist, erlauben dies nicht.
Im Gegensatz hierzu erstreckt sich der gegenständliche Verankerungsabschnitt des Turms weniger tief in den Meeresboden, wobei um eine Kippstabilität zu gewährleisten optional beispielsweise zumindest ein Rückstellelement umfasst ist. Dieses bewirkt beispielsweise bei einer Schiefstellung des Turms, in der die Längserstreckungsrichtung des Turms außerhalb einer vertikal verlaufenden Achse verläuft, dass durch das zumindest eine Rückstellelement Zug- und/oder Druckkräfte auf den Turm übertragen werden, so dass der Turm (wieder) aufrichtbar ist.
Die gegenständliche Gründung erlaubt eine starke Auslenkung des Turms, wobei ein entsprechendes Offshore-Bauwerk eine Eigenfrequenz aufweist, die unterhalb des 1P-Frequenzbandes liegt.
Der Turm hat beispielsweise eine derartige Länge, dass zumindest ein unteres Ende (z. B. ein Teil des Verankerungsabschnitts) des Turms in den Meeresboden eingreift. Beispielsweise greift das untere Ende weniger tief in den Meeresboden ein, als dies bei einer steifen Bodengründung (z. B. bei einer herkömmlichen Bodengründung bei einem Monopile) erforderlich ist.
Es liegt dem Gegenstand die Erkenntnis zugrunde, dass um die Aufnahme von größeren Torsionsmomenten zu ermöglichen, ohne dass der Installationsprozess negativ beeinflusst wird, der beispielsweise zylindrisch ausgebildete Verankerungsabschnitt des Turms konstruktiv gegenüber einer üblichen Geometrie verändert werden muss. Konstruktive Möglichkeiten zur Erhöhung einer Drehfestigkeit von derartigen Offshore-Bauwerken wird gegenständlich durch eine oder mehrere Verankerungselemente realisiert, die derart in den Meeresboden eingreifen, dass ein Verdrehen des Offshore-Bauwerks bzw. dessen Turm relativ zu dem Meeresboden erschwert ist.
Der Turm besteht beispielsweise aus einem Stahlbeton und/oder umfasst ein Stahlfundament. Ferner kann der Turm beispielsweise aus einem GlasfaserverbundWerkstoff, oder einem Carbonverbund-Werkstoff, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen, bestehen oder diese zumindest teilweise umfassen.
Ferner weist die gegenständliche Gründung an dem in den Meeresboden eingreifenden Verankerungsabschnitt ein Verankerungselement oder mehrere Verankerungselemente auf, die einer Torsionskraft um eine Achse in Längserstreckungsrichtung des Turms entgegenwirken. Dies verringert bzw. vermeidet ein Verdrehen des Offshore-Bauwerks relativ zu dem Meeresboden, bzw. zu einem Fundament, mit dem das Offshore-Bauwerk im Meeresboden befestigt ist.
Das eine oder die mehreren Verankerungselemente setzen folglich einer Drehbewegung des Turms und/oder seines Fundaments, in das der Verankerungsabschnitt eingreift, einen zusätzlichen Widerstand entgegen.
Eine resultierende tangential übertragbare Mantelreibungsspannung des Turms bzw. des Verankerungsabschnitts mal der Außenoberfläche des Turms bzw. des Verankerungsabschnitts ist beispielsweise kleiner als 1,5-mal (idealerweise kleiner als 3-mal) der maximal zu erwartenden und zu übertragenden torsionsbedingten Mantelreibungsspannungen mal der Außenoberfläche des Turms bzw. des Verankerungsabschnitts.
Unter dem Begriff „zu erwartenden Mantelreibungsspannung“ wird insbesondere ein Schwellwert verstanden, der von einer Reibung zwischen der äußeren und in den Meeresboden eingreifenden Oberfläche des Turms bzw. dessen Verankerungsabschnitt und eben diesem Meeresboden erzielt wird. Hierzu kann beispielsweise eine mittlere Mantelreibungsspannung angenommen, denn bei nicht zylinderförmigen Verankerungsabschnitten verändert sich die entsprechende Außenoberfläche des Turms. Der beispielhafte Faktor 1,5 bzw. 3 gewährleistet einen Sicherheitsfaktor gegenüber Verdrehungen, die maximal erwartet werden. Derart kann sichergestellt werden, dass sich ein Offshore-Bauwerk nach dessen Installation nicht verdreht.
Derartige Torsionsmomente, die auftreten können, hängen insbesondere von der Größe der verwendeten Stromerzeugungsanlage (z. B. Turbinengröße) ab, und können beispielsweise im Bereich des Intervalls von 50 MNm bis 200 MNm liegen bei Turbine mit mehr als 10MW ggf. entsprechend höhere Intervalle.
Gegenständlich kann die Gründung beispielsweise derart dimensioniert sein, dass bestimmt wird, welches Torsionsmoment maximal auftritt bzw. auftreten kann, und welches Torsionsmoment die Gründung dann als Gegenmoment maximal aufbringt bzw. aufbringen kann. Die Gründung sollte beispielsweise dann derart dimensioniert sein, dass diese eine Toleranz von mindestens 50% (entspricht dem Sicherheitsfaktor 1,5), d.h. mindestens 50 % größer ausgelegt ist. Idealerweise sollte die Gründung beispielsweise mindestens 3-mal (entspricht dem Sicherheitsfaktor 3) größer ausgelegt sein.
Als Richtgröße kann beispielsweise eine äquivalente Außenoberfläche des Turms (z. B. Pfahlaußenoberfläche) eines glatten Zylinders angenommen werden, bei dem die natürliche Torsionsspannung nach dem Einbringen von diesem in den Meeresboden beispielsweise nicht ausreicht, um ein Verdrehen des Bauwerks zu verhindern. Gegenüber einem derartigen Referenzwert kann die vorstehend erläuterte Dimensionierung von 50 % bis zu 3-mal größere Auslegung der Gründung bestimmt werden.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten umfasst der Verankerungsabschnitt, der in den Meeresboden eingreift, einen inneren Verankerungsabschnitt und ein diesen zumindest teilweise einhüllendes äußeres Verankerungselement, wobei der innere Verankerungsabschnitt in das äußere Verankerungselement einsetzbar ist, und wobei eine oder mehrere Torsionskräfte vom inneren Verankerungsabschnitt auf das äußere Verankerungselement übertragbar sind.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ragt das eine oder es ragen die mehreren Verankerungselemente in radialer Richtung nach innen und/oder außen von einer inneren und/oder äußeren Oberfläche des Verankerungsabschnitts hervor.
Für den Fall, dass der Verankerungsabschnitt zumindest teilweise hohl ausgebildet ist, ist beispielsweise Meeresboden nach dem Einbringen des Verankerungsabschnitts in den Meeresboden auch innerhalb des Verankerungsabschnitts vorliegend. Entsprechend kann das eine oder die mehreren Verankerungselemente zur Gewährleistung eines erschwerten Verdrehens des Offshore-Bauwerks auch innenliegend angeordnet werden. Insbesondere ragt in diesem Fall das eine oder die mehreren Verankerungselemente beispielsweise auch nach unten aus dem Turm (z. B. Pfahl) heraus. Es versteht sich, dass das eine oder die mehreren Verankerungselemente auch außenliegend angeordnet sein können.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten erstrecken sich das eine oder die mehreren Verankerungselemente im Wesentlichen in Richtung der Längserstreckungsrichtung des Turms über das in den Meeresboden eingreifende Ende des Verankerungsabschnitts hinaus in den Meeresboden.
Das eine oder die mehreren Verankerungselemente sind dabei im Wesentlichen in Richtung der Längserstreckungsrichtung des Turms im Sinne des vorliegenden Gegenstands, insbesondere wenn diese sich auch in einem Winkel, der außerhalb einer Parallelen zu der Längserstreckungsrichtung des Turm liegt, erstrecken, jedoch diese sich in vertikaler Richtung gesehen immer noch tiefer in den Meeresboden hinein erstrecken, als das am tiefsten liegende Ende des Verankerungsabschnitts.
Eine innenliegende Versteifung mittels des einen oder der mehreren Verankerungselemente von dem Verankerungsabschnitt können beispielsweise mittels radial angeordneter Bleche (z. B. mindestens drei Stück, also im Winkel von 120° bei drei Verankerungselementen, 90° bei vier Verankerungselementen, 72° bei fünf Verankerungselementen, usw. zueinander), die optional zur Erhöhung der Wirksamkeit einige Meter aus dem Verankerungsabschnitt nach unten (d.h. in den Meeresboden) hinein hervorragen, realisiert sein. Zur Verbesserung des Eindringverhaltens der Gründung bei deren Installation im Meeresboden können das eine oder die mehreren Verankerungselemente beispielsweise angespitzt oder abgerundet sein und derart von dem Verankerungsabschnitt umfasst oder an diesem angebracht sein, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen.
Die Verankerungselemente können in beispielhaften Ausgestaltungen, die von der vorstehend angeführten Ausgestaltung beispielsweise eingesetzt werden können, z. B. als dünnere Pfähle oder vergleichbare Profile ausgebildet sein, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen.
Alternativ oder zusätzlich kann das eine oder es können die mehreren Verankerungselemente derart fortgeführt bzw. verlängert sein, dass diese eine Verlängerung des Verankerungsabschnitts der Gründung ausbilden. Wie bereits ausgeführt, eignen sich hiervor beispielsweise mehrere dünnere Pfähle oder vergleichbare Profile bzw. Körper, die außen oder innen am Verankerungsabschnitt angebracht sein können. Im Bereich einer Überlappung mit dem Hauptfundament können die dünneren Pfähle im Querschnitt derart ausgeführt sein, dass diese eine stabile Verbindung zu dem Verankerungsabschnitt aufweisen, beispielsweise über zwei Schweißnähte oder dergleichen. Werden diese dünneren Pfähle beispielsweise innenliegend an dem Verankerungsabschnitt angeordnet, so können sie auch untereinander verbunden sein.
Je nach Beschaffenheit und Befestigungsart können das eine oder die mehreren Verankerungselemente beispielsweise nur im unteren Bereich des Verankerungsabschnitts angeordnet sein, und/oder ferner nach unten in Richtung des Meeresboden (also in den Meeresboden hinein) über die Unterkante des Verankerungsabschnitts hinausragen.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten umfassen das eine oder die mehreren Verankerungselemente ein reaktives Material oder sind mit einem reaktiven Material verfüllt.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten härtet das reaktive Material im Rahmen der Installation der Gründung nach Wassersättigung aus und/oder expandiert.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten expandiert das reaktive Material (z. B. nach Wassersättigung) radial und/oder nach unten aus dem Verankerungsabschnitt heraus.
Um dies zu ermöglichen, kann das eine oder es können die mehreren Verankerungselemente beispielsweise jeweils als Seil, Schlauch, Verpressschlauch, Rohr oder dergleichen ausgebildet sein. Derart können das eine oder die mehreren Verankerungselemente beispielsweise um den Turm herum weitestgehend in Umfangsrichtung ggf. spiralförmig angeordnet sein. Insbesondere für diesen Fall können das eine oder es können die mehreren Verankerungselemente ggf. mit einem Füllmaterial (z. B. einer Masse) ausgefüllt sein. Ein derartiges Füllmaterial ist beispielsweise ein Zementgrout, eine Zementsuspension, Bentonit, oder eine Kombination hiervon. Durch in dem einen oder den mehreren Verankerungselementen angeordnete Öffnungen (z. B. Löcher im Schlauch) kann nach Wassersättigung das Füllmaterial aus den Öffnungen austreten und in den umliegenden (Meeres-) Boden eindringen und dort expandieren und/oder aushärten. Dies verstärkt beispielsweise ein Fundament der Gründung.
Derartiges Füllmaterial ist beispielsweise mit reaktiven Zuschlägen versehen, welche z. B. ein Ettringit, Sulfat oder Alkali-Silika-Treiben, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen, propagieren. Ferner eignet sich beispielsweise Füllmaterial mit Anteilen von CSA (Kalcium Sulfoaluminat)-Zementen.
Eine beispielhafte Ausgestaltung nach allen Aspekten der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Füllmaterial mit derartigen reaktiven Zuschlägen versehen ist, die das Aushärten und/oder Expandieren der Beschichtung verzögern.
Derartige reaktive Zuschläge propagieren beispielsweise ein Treiben, z. B. von Wasser, so dass ein Aushärten (bzw. Erstarren) und/oder Expandieren des Füllmaterials nach dem Kontakt mit einer Flüssigkeit (z. B. Wasser) merklich verzögert. So kann zunächst die Gründung vollständig in den Meeresboden eindringen, und nachdem die Gründung ihre Endtiefe bzw. Endteufe erreicht, vollzieht sich das Aushärten und/oder Expandieren. In der Folge erhöht dieses Aushärten und/oder Expandieren die Festigkeit und/oder Torsionsfestigkeit, mit der die Gründung in dem Meeresboden halt findet.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten sind das eine oder die mehreren Verankerungselemente jeweils als Blech, Hohlprofil, Vollprofil, Schlauch, oder einer Kombination hiervon ausgebildet.
Beispielsweise ist ein Verankerungselement (von beispielhaften mehreren Verankerungselementen) als Schubblech; Flosse; Schlauch, der beispielsweise spiralförmig um den Verankerungsabschnitt herum gewickelt ist; Hohlprofil; Vollprofil; oder sonstiger geometrischer Körper ausgebildet.
Das eine oder die mehreren Verankerungselemente sind beispielsweise mit ihrer jeweiligen Längsachse radial zum Verankerungsabschnitt angeordnet (z. B. auf der Manteloberfläche (innen und/oder außen) des Verankerungsabschnitts aufgeschweißt oder anderweitig befestigt), so dass diese einer Drehbewegung des Offshore-Bauwerks bzw. Turms relativ zu dem Fundaments und/oder Meeresboden einen zusätzlichen Widerstand entgegensetzen.
Das eine oder die mehreren Verankerungselemente sind beispielsweise als radiale Dornen ausgebildet, die beispielsweise ausfahrbar sind, um nur ein weiteres nicht-limitierendes Beispiel anzuführen.
Es eignen sich grundsätzlich insbesondere derartige Geometrien als Verankerungselemente, die bereits vor dem Einbringen der Gründung in den Meeresboden mit dem Verankerungsabschnitt des Bauwerks verbindbar sind, und dann beim Einbringen (z. B. Einrammen bzw. Einvibrieren) der Gründung das Einbringen nicht stört.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten sind mindestens drei Verankerungselemente von der Gründung umfasst.
Ferner umfasst die gegenständliche Gründung beispielsweise mindestens vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf, oder mehr Verankerungselemente.
Im Wesentlichen sind das eine oder die mehreren Verankerungselemente mit gleichem Abstand zu einander (d.h. gleichverteilt) angeordnet, bzw. untereinander und/oder voneinander mit gleichem Abstand beabstandet.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten sind das eine oder die mehreren Verankerungselemente fest mit dem Verankerungsabschnitt des Turms verbunden.
Der Begriff „fest“ im Sinne des Gegenstands wird insbesondere als unlösbare oder lösbare Verbindung zwischen dem einen oder den mehreren Verankerungselementen und dem Verankerungsabschnitt verstanden. Beispiele für eine derartige unlösbare Verbindung sind beispielsweise ein Verschweißen, Vergrouten, Nieten, oder Verkleben. Beispiele für eine derartige lösbare Verbindung sind beispielsweise ein Verschrauben, oder Verklemmen, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten umfasst die Gründung ferner ein plattenartiges Element, das im angeordneten Zustand der Gründung auf dem Meeresboden aufliegt und insbesondere kraftschlüssig mit dem Turm verbunden ist.
Das plattenartige Element ist beispielsweise eine Ringplatte. Eine derartige Ringplatte ist weitestgehend in (Meeres-) Bodennähe angeordnet bzw. aufgebracht. Eine derartige Ringplatte steht beispielsweise im Kontakt mit dem (Meeres-) Boden. Eine derartige Ringplatte wirkt beispielsweise kolkmindernd. Eine derartige Ringplatte ist beispielsweise mit dem Turm (z. B. ein Pfahl) verbunden. Eine derartige Ringplatte enthält beispielsweise mindestens eine exzentrische Torsions-Verankerung mit dem (Meeres-) Boden, z. B. in Form von einem oder mehreren kleinen Pfählen. Eine derartige Ringplatte ist beispielsweise fest mit dem Turm verbunden, z. B. verschweißt, verschraubt, oder dergleichen, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ist bei einer Schiefstellung des Turms der in den Meeresboden eingreifende Verankerungsabschnitt des Turms im Meeresboden bewegbar.
Schiefstellungen sind beispielsweise verursacht durch einen Tidenhub des im Offshore-Bereich herrschenden Seegangs, um nur ein nicht-limitierendes Beispiel zu nennen.
Schiefstellungen des Turms werden insbesondere dann als solche im Sinne des Gegenstands aufgefasst, wenn sich die Längserstreckungsrichtung des Turms außerhalb einer Achse, die (z. B. exakt) vertikal verläuft, befindet.
Damit bei der gegenständlichen Gründung kurz- und langfristig extreme Schiefstellungen vermeidbar sind bzw. ausgeglichen werden können, kann die gegenständliche Gründung beispielsweise zumindest ein Rückstellelement, wie z. B. Feder- und/oder Dämpfelemente, flexible Verankerungen (z. B. Seilverankerungen), oder eine Kombination hiervon, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen, umfassen. Das zumindest eine Rückstellelement kann eine einer Schiefstellung des Turms entgegenwirkende Kraft bewirken, so dass der Turm nach einer Schiefstellung zumindest teilweise basierend auf dieser Kraft (wieder) aufgerichtet wird.
Eine derartige Schiefstellung kann eine Bewegung des Verankerungsabschnitts innerhalb des Meeresbodens bewirken. Entsprechend kann sich der Verankerungsabschnitt beispielsweise in Richtung von zwei Freiheitsgraden innerhalb des Meeresbodens bewegen. Die Bewegung in Richtung der zwei Freiheitsgrade erfolgt beispielsweise innerhalb einer im Wesentlichen horizontalen Ebene. Bei einer Schiefstellung des Turms z. B. verursacht durch ein Kippen des Turms kann beispielsweise eine derartige Bewegung des Verankerungsabschnitts des Turms in zumindest eine Richtung innerhalb dieser zwei Freiheitsgrade erfolgen. Ferner kann der Verankerungsabschnitt des Turms beispielsweise ein Loch oder mehrere Löcher aufweisen, durch welche bei Bewegung des Verankerungsabschnitts im Meeresboden zumindest Teile des Meeresbodens durchfließen bzw. durchtreten können. Es versteht sich, dass der Meeresboden in diesem Fall eine weiche Struktur aufweist (z. B. durch eine Wassersättigung), so dass entsprechend zumindest Teile des Meeresbodens durch das ausgebildete Loch oder die ausgebildeten Löcher im Verankerungsabschnitt durchtreten können.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ist ein oberer Abschnitt des Turms relativ zu dem Verankerungsabschnitt des Turms bewegbar, wobei bei einer Schiefstellung des Turms der Verankerungsabschnitt im Meeresboden im Wesentlichen in seiner Position verharrt.
Zwischen dem oberen Abschnitt und dem Verankerungsabschnitt des Turms ist beispielsweise ein Fundamentgelenk ausgebildet. Dieses Fundamentgelenk kann beispielsweise gefedert und/oder gedämpft sein, beispielsweise mittels entsprechend angeordneter bzw. von dem Fundamentgelenk umfasste Feder- und/oder Dämpfungselemente, die die Kippstabilität des Turms versteifen. Derartige Feder- und/oder Dämpfungselemente können zumindest ein Rückstellelement im Sinne des Gegenstands ausbilden.
Der obere Abschnitt des Turms ist gegenüber dem Verankerungsabschnitt des Turms beispielsweise in Richtung von zumindest zwei Freiheitsgraden beweglich, z. B. zum Kippen des Turms in Richtung einer horizontalen Ebene des im Wesentlichen senkrecht angeordneten Turms.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ist der obere Abschnitt des Turms im Wesentlichen torsionssteif und/oder torsionskraftübertragend in dem Verankerungsabschnitt des Turms gelagert.
Sofern der Verankerungsabschnitt derart ausgebildet ist, dass er einen weiteren zylindrischen Hohlkörper aufnimmt, welcher innerhalb des äußeren Zylinders derart gelagert ist, dass der Drehpunkt mindestens unterhalb einer Höhe liegt (die beispielsweise wiederrum etwa 5 m über dem Meeresboden liegt), so ist es gegenständlich beispielsweise vorgesehen, dass seine Lagerung weitestgehend torsionssteif und/oder torsionskraftübertragend im Sinne des Gegenstands ausgebildet ist. Diese Eigenschaft kann dann von dem Verankerungsabschnitt beispielsweise auf den inneren Hohlkörper übertragen werden.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ist der obere Abschnitt des Turms zumindest teilweise innerhalb und in einem Aufnahmebereich des Verankerungsabschnitts des Turms beweglich gelagert, wobei ein ausgebildeter Zwischenraum zwischen dem Aufnahmebereich des Verankerungsabschnitts und dem oberen Abschnitt des Turms mit einem Füllmaterial verfüllt ist.
Die bewegliche Lagerung des oberen Abschnitts des Turms in dem Aufnahmebereich des Verankerungsabschnitts von dem Turm, in dem der obere Abschnitt des Turms aufnehmbar ist, wird beispielsweise durch ein ausgebildetes Fundamentgelenk realisiert. Wie bereits vorstehend beschrieben, kann dieses Fundamentgelenk beispielsweise gefedert und/oder gedämpft sein, beispielsweise mittels entsprechend angeordneter bzw. von dem Fundamentgelenk umfasste ein oder mehrere Feder- und/oder Dämpfungselemente.
Alternativ oder zusätzlich ist beispielsweise auf Höhe des Drehpunkts unterhalb der umgebenden Meeresoberfläche innerhalb des umgebenden Turm (z. B. Pfahls) ein Gelenk angeordnet (z. B. installiert), das Torsionskräfte in den äußeren Verankerungsabschnitt (z. B. äußerer Pfahl) beispielsweise entweder direkt oder in den im Pfahl oder unter dem Pfahl befindlichen (Meeres-) Boden oder über diesen (Meeres-) Boden in den Pfahl überträgt.
Dabei wird dieses Gelenk beispielsweise entweder fest und kraftschlüssig z. B. verschweißt oder vergroutet, oder hydrostatisch mit dem äußeren Verankerungsabschnitt des Turms (z. B. äußerer Pfahl) verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann das Drehlager beispielsweise flächig oder durch (z. B. kleinere) Pfähle, Barrets, oder dergleichen mit dem Meeresboden verbunden sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der in den Verankerungsabschnitt eingreifende Abschnitt (oberer Abschnitt des Turms) darüber hinaus beispielsweise durch Ketten, Ankerseile oder dergleichen, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen, fixiert werden.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ist oder umfasst das Füllmaterial ein Elastomer.
Dies wird z. B. dadurch erreicht, dass im Annulus (beispielsweise der Raum zwischen einem Bohrstrang oder einem Casing und einer umgebenden Formation), vorliegend zwischen inneren, d.h. oberer Abschnitt des Turms, und äußerem, d.h. Verankerungsabschnitt des Turms (z. B. innerer und äußerer Zylinder im Falle eines Pfahls) ein den Zwischenraum ausfüllender Zylinder und/oder ein Füllmaterial, z. B. umfassend oder bestehend aus einem Elastomer, angeordnet ist.
In einer beispielhaften Ausgestaltung des Gegenstandes nach allen Aspekten ist der Verankerungsabschnitt des Turms zumindest an seinem in den Meeresboden eingreifenden Ende im Wesentlichen mit einer von einer kreisförmigen Grundfläche abweichenden Grundfläche ausgebildet, insbesondere mit einer ovalförmigen, rechteckförmigen, quadratischen, vieleck-förmigen oder halbkreisförmigen Grundfläche ausgebildet ist.
Das in den Meeresboden eingreifende bzw. eindringende Ende des Verankerungsabschnitts ist beispielsweise - z. B. im Gegensatz zu dem oberen Abschnitt des Turms - ovalförmig ausgebildet, bzw. der Turm geht von dem oberen Abschnitt in den Verankerungsabschnitt in eine ovale Form über.
Alternativ oder zusätzlich ist ein zylindrischer Querschnitt des Verankerungsabschnitts im unteren Bereich von diesem beispielsweise nicht mehr als vollsymmetrischer Rotationskörper ausgebildet, d.h. im unteren Abschnitt ist die letzte Verlängerung zum Beispiel nur durch einen Halbzylinder fortgeführt.
Die zuvor in dieser Beschreibung beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sollen auch in allen Kombinationen miteinander offenbart verstanden werden. Insbesondere sollen beispielhafte Ausgestaltungen in Bezug auf die unterschiedlichen Aspekten offenbart verstanden werden.
Insbesondere sollen durch die vorherige oder folgende Beschreibung von Verfahrensschritten gemäß bevorzugter Ausführungsformen eines Verfahrens auch entsprechende Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte durch bevorzugte Ausführungsformen einer Vorrichtung offenbart sein. Ebenfalls soll durch die Offenbarung von Mitteln einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrensschrittes auch der entsprechende Verfahrensschritt offenbart sein.
Weitere vorteilhafte beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden detaillierten Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, insbesondere in Verbindung mit den Figuren, zu entnehmen. Die Figuren sollen jedoch nur dem Zwecke der Verdeutlichung, nicht aber zur Bestimmung des Schutzbereiches der Erfindung dienen. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu und sollen lediglich das allgemeine Konzept der vorliegenden Erfindung beispielhaft widerspiegeln. Insbesondere sollen Merkmale, die in den Figuren enthalten sind, keineswegs als notwendiger Bestandteil der vorliegenden Erfindung erachtet werden.
Figurenliste
In der Zeichnung zeigt

1 eine schematische Darstellung eines Offshore-Bauwerks umfassend eine gegenständliche Gründung;
2 eine weitere schematische ausschnittsweise Darstellung eines Offshore-Bauwerks umfassend eine gegenständliche Gründung;
3a-d jeweils eine schematische ausschnittsweise Darstellung von beispielhaften Ausgestaltungen von gegenständlichen Verankerungselementen; und
4 ein Frequenzspektrum-Diagramm.

Detaillierte Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Offshore-Bauwerks 1, das mittels einer gegenständlichen Gründung zumindest teilweise auf dem bzw. in dem Meeresboden M gegründet ist.
Das Offshore-Bauwerk 1 ist vorliegend eine Windenergieanlage, umfassend einen Turm 2, der an seinem oberen Ende eine Stromerzeugungsanlage 8 (z. B. eine Turbine, in der schematischen Zeichnung nach 1 nicht dargestellt) mit drei anregenden Bauelementen, vorliegend drei Rotorblätter 9 aufweist. An dem oberen Ende des Turms 2 ist beispielsweise ein Verbindungsabschnitt 5 (z. B. ein Flanschverbindung) ausgebildet, um z. B. die schematisch illustrierte Stromerzeugungsanlage 8 an dem Turm 2 anzuordnen.
Der Turm 2 ist in einen Verankerungsabschnitt 3 und einen darüber liegenden oberen Abschnitt 4 unterteilt. Der Verankerungsabschnitt 3 ist vorliegend im Meeresboden M verankert bzw. greift zumindest teilweise in diesen ein. Ferner umfasst der Turm 2 bzw. der Verankerungsabschnitt 3 Verankerungselemente 7, die vorliegend als Bleche ausgebildet sind und radial bzw. seitlich von der äußeren Wandung des Verankerungsabschnitt 3 in den Meeresboden im Wesentlichen in horizontaler Richtung hineinragen. Diese können alternativ oder zusätzlich zu nach den in den 3a-d gezeigten Ausgestaltungen ausgebildet sein.
Optional umfasst der Verankerungsabschnitt 3, der in den Meeresboden M eingreift, ein diesen zumindest teilweise einhüllendes äußeres Verankerungselement 16. Der Verankerungsabschnitt 3 ist beispielsweise teilweise in dieses äußere Verankerungselement 16 einsetzbar bzw. vorliegend eingesetzt. Torsionskräfte T können dann beispielsweise vom inneren Teil auf das äußere Verankerungselement 16 übertragbar sein bzw. vorliegend übertagen werden.
Das Offshore-Bauwerk 1, das mit einer gegenständlichen Gründung 1 gegründet ist, weist eine Eigenfrequenz unterhalb einer Anregung aus einer einfachen Umdrehungszahl 1P von den drei Rotorblättern 9 der Stromerzeugungsanlage auf.
Die Auslegung der geringen Eigenfrequenz des Offshore-Bauwerks 1 wird dadurch ermöglicht, dass das Offshore-Bauwerk 1 mit einer geringeren Einbindungstiefe in dem Meeresboden M verankert ist.
Die Verankerungselemente 7 wirken einer Torsionskraft, die radial um die schematisch in 1 eingezeichnete Längserstreckungsrichtung L des Turms 2 herum verläuft bzw. wirkt, entgegen.
2 zeigt eine weitere schematische ausschnittsweise Darstellung eines Offshore-Bauwerks 1, wobei ein oberer Abschnitt 4 des Turms 2 des Offshore-Bauwerks 1 in Richtung von zumindest zwei Freiheitsgraden innerhalb des Verankerungsabschnitts 3 des Turms 2 bewegbar ist. An dem oberen Ende des Turms 2 ist beispielsweise ein Verbindungsabschnitt 5 (z. B. ein Flanschverbindung) ausgebildet, um z. B. eine Stromerzeugungsanlage 8 (in 2 nicht dargestellt) an dem Turm 2 anzuordnen.
Der obere Abschnitt 4 des Turms 2 greift mit einem von diesem umfassten konisch zulaufenden (inneren) Verbindungsabschnitt 15 in einen Aufnahmebereich 6 des Verankerungsabschnitts 3 ein. Hierzu umfasst der Verankerungsabschnitt 3 vorliegend ein äußeres Verankerungselement 16. Der zwischen dem inneren Verbindungsabschnitt 15 und dem äußeren Verankerungselement 16 ausgebildete Zwischenraum kann beispielsweise verfüllt sein (schematisch mittels der gepunkteten Fläche illustiert), z. B. mit einem elastischen Füllmaterial 13, wie etwa einem Elastomer, Polymer, Sand-Ton, Sand-Ton-Gemisch, um nur einige nicht limitierende Beispiele zu nennen.
Ferner umfasst der Verankerungsabschnitt 3 des Turms 2 optionale Dämpfer- und Federelemente 14, die als Rückstellelemente fungieren. Die Dämpfer- und Federelemente 14 bewirken beispielsweise, dass eine Schiefstellung des Turms 2, wobei der obere Abschnitt 4 gegenüber dem Verankerungsabschnitt 3 z. B. gekippt wird, gedämpft bzw. gefedert wird. Zudem kann mittels der optionalen Dämpfer- und Federelemente 14 bei einer Schiefstellung des oberen Abschnitts 4 des Turms 2 eine rückstellende Zug- und/oder Druckkraft bewirkt werden, die zu einem Aufrichten des oberen Abschnitts 4 des Turms 2 nach einer erfolgten Schiefstellung des oberen Abschnitts 4 des Turms führen kann.
Der Verankerungsabschnitt 3 des Turms 2 kann - wie vorliegend ausgebildet - nach unten hin offen sein, so dass eine Verankerung des Verankerungsabschnitts 3 im Meeresboden M sicher bewirkbar ist.
Analog zu dem Offshore-Bauwerk 1 der 1 weist auch die in 2 illustrierte beispielhafte gegenständliche Ausgestaltung einer Gründung an dem Verankerungsabschnitt Verankerungselemente 7 auf. Diese können analog zu den gezeigten Verankerungselementen 7 der 1 ausgebildet sein.
Es versteht sich, dass sowohl die Verankerungselemente 7 der 1, als auch die Verankerungselemente 7 der 2 ebenfalls nach einer oder mehreren der in den 3a-d gezeigten Ausgestaltungen ausgebildet sein können.
Der Verankerungsabschnitt 3 des Turms 2 kann beispielsweise einen sogenannten Kofferdamm ausbilden, in dem dann ein Pfahl (der obere Abschnitt 4 des Turms 2) zumindest teilweise angeordnet ist. Eine Verdrehung des oberen Abschnitts 4 des Turms 2 kann dann beispielsweise derart abgefangen werden, dass sich der obere Abschnitt 4 des Turms 2 nicht innerhalb des ausgeschachteten Kofferdamms bzw. des Verankerungsabschnitt 3 des Turms 2 drehen kann. Alternativ kann ein derartiger Verankerungsabschnitt ein dynamisches Gelenk umfassen, das die vorstehend beschriebenen Funktionen ebenfalls realisiert. Es werden dann beispielsweise auftretende Torsionskräfte T von dem z. B. von dem als inneren Pfahl ausgebildeten oberen Abschnitt 4 des Turms 2 über ein derartiges Gelenk auf den als äußeren Pfahl ausgebildeten Verankerungsabschnitt 3 des Turms 2 übertragen.
Die Gründung der 2 umfasst ferner ein plattenartiges Element 11, das im angeordneten Zustand der Gründung (d.h. beispielsweise nach deren Installation im Meeresboden M) auf dem Meeresboden M im Wesentlichen (insbesondere unmittelbar) aufliegt und insbesondere kraftschlüssig mit dem Turm 2 verbunden ist. Diese Verbindung ist vorliegend über eine Verschraubung des plattenartigen Elements 11 mit dem Turm 2 realisiert.
Das plattenartige Element 11 ist vorliegend eine Ringplatte, die den Turm 2 vollständig umschließt. Das plattenartige Element 11 wirkt vorliegend beispielsweise kolkmindernd. Das plattenartige Element 11 kann eine oder mehrere zusätzliche Elemente (z. B. Pfähle) aufweisen, die sich ausgehend von dem plattenartigen Element 11 in vertikaler Richtung in den Meeresboden M hinein erstrecken (in 2 nicht dargestellt). Dies kann die Torsionsfestigkeit und/oder Torsionssteifigkeit weiter steigern.
3a-d zeigen jeweils eine schematische ausschnittsweise Darstellung von beispielhaften Ausgestaltungen von gegenständlichen Verankerungselementen, die beispielsweise als Verankerungselemente an einer der Gründungen, die in den 1 und 2 gezeigt sind, anstelle oder zusätzlich zu den als Blechen ausgebildeten Verankerungselementen 7 verwendet werden können.
Derartige Verankerungselemente werden im Sinne des Gegenstands auch als Torsionsanker, oder Torsions-Fundamentanker bezeichnet.
Die Verankerungselemente 7 der 3a-d können beispielsweise entweder schon ab Werk, d.h. bei der Herstellung zumindest eines Abschnitts des Turms einer gegenständlichen Gründung an dem entsprechenden Verankerungsabschnitt angeordnet (z. B. aufgeschweißt oder aufgeschraubt, um nur einige nicht-limitierende Beispiele zu nennen) werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein oder es können mehrere dieser Verankerungselemente erst bei der Installation einer gegenständlichen Gründung Offshore (oder an einer Kaikante) angeordnet werden. Bei dem letztgenannten Fall kann dies beispielsweise inkl. entsprechender Trägerbleche erfolgen.
3a zeigt Verankerungselemente 7, die vorliegend an einem Verankerungsabschnitt 3 mit einer kreisförmigen Grundfläche 12 angeordnet sind. Dabei ist jedes der Verankerungselemente 7 an der äußeren Oberfläche des Verankerungsabschnitts 3 angeordnet. Die Verankerungselemente 7 weisen jeweils einen identischen Abstand zueinander auf.
3b zeigt Verankerungselemente 7, die vorliegend an einer inneren Oberfläche des Verankerungsabschnitts 3 angeordnet sind. Die Verankerungselemente ragen dabei über das nach der Installation am tiefsten liegende Ende des Verankerungsabschnitts 3 hervor. Die Verankerungselemente 7 bilden eine kreuzförmige Struktur aus, und zudem eine spitze Struktur, die beispielsweise das Einbringen der Gründung bzw. des Verankerungsabschnitts 3 in den Meeresboden hinein erleichtern kann. Der in 3b gezeigte Verankerungsabschnitt 3 weist ebenfalls eine kreisförmige Grundfläche 12 auf.
3c zeigt Verankerungselemente 7, die vorliegend an einer äußeren Oberfläche des Verankerungsabschnitts 3 angeordnet sind. Die Verankerungselemente 7 sind vorliegend jeweils rohrförmig, z. B. in Form von kleinen Pfählen. Die Verankerungselemente 7 weisen jeweils Öffnungen, z. B. Löcher auf. Die Verankerungselemente 7 sind innen hohl, so dass diese mit einem reaktiven Material 10 verfüllt sein können. Nach Wasserkontakt bzw. Wassersättigung, z. B. nach dem Einbringen des Verankerungsabschnitts 3 in den Meeresboden, kann dieses reaktive Material 10 aus den Öffnungen hinaus treten, z. B. expandieren und anschließend aushärten. Dies erhöht beispielsweise die Festigkeit der Gründung im Meeresboden.
3d zeigt ein Verankerungselement 7, das von dem Verankerungsabschnitts 3 umfasst ist, und diesen halbkreisförmig verlängert.
4 zeigt ein Frequenzspektrum-Diagramm, in dem Erregerfrequenzen bei einem Betrieb einer Windenergieanlage dargestellt sind.
Wie bereits beschrieben, können für das Bestimmen einer Eigenfrequenz eines Gesamtsystems (Offshore-Bauwerk, insbesondere Windenergieanlage) aus einer Gründung bestehend aus Turm und einer Stromerzeugungsanlage (z. B. mit einem oder mehreren Rotorblättern) vorab Bereiche innerhalb eines Frequenzspektrums definiert werden, in dem die Eigenfrequenz liegen soll.
Beispielsweise erfährt eine Windenergieanlage im Betrieb eine (dynamische) Anregung insbesondere aus Windlasten, aus einer periodischen Anregung mit der einfachen Umdrehungszahl (Rotorfrequenz, 1P-Anregung; beispielsweise verursacht aus Unwuchten, die bei der Rotation der Rotorblättern auftreten), sowie aus einer weiteren periodischen Anregung aus dem Rotorblattdurchgang mit der dreifachen Umdrehungszahl (3P-Anregung; beispielsweise durch eine Anströmung des Rotorblatts mit Wind, wobei sich das Rotorblatt direkt vor dem Turm befindet).
Ferner ist in 4 das sogenannte JONSWAP-Spektrum dargestellt, das das Wellenenergiespektrum durch den Seegang bei Offshore-Bauwerk darstellt und ebenfalls eine Anregung des Offshore-Bauwerks bewirken kann.
Je näher die Eigenfrequenz der Windenergieanlage im Bereich dieser anregenden Frequenzen liegt, desto höher kann die Beanspruchung der mechanischen Komponenten und des Turms sein.
Wenn die erste Eigenfrequenz des Offshore-Bauwerks unterhalb der Frequenz aus der dreifachen Rotordrehzahl 3P liegt, wird die Auslegung des Offshore-Bauwerks als „soft-stiff“ bezeichnet. Ist die Auslegung des Offshore-Bauwerks zudem oberhalb der Frequenz aus der dreifachen Rotordrehzahl 3P, wird die Auslegung auch als „stiffstiff“ bezeichnet. Liegt hingegen die erste Eigenfrequenz des Offshore-Bauwerks unterhalb der Frequenz aus der einfachen Rotordrehzahl 1P, wird die Auslegung als „soft-soft“ bezeichnet.
Es versteht sich, dass bei der Auslegung der Eigenfrequenz eines Offshore-Bauwerks auf eine Auslegung der Eigenfrequenz, die innerhalb des 1P- und/oder 3P-Frequenzbandes liegt, zur Vermeidung von vorzeitiger Materialermüdung und Verschleiß verzichtet werden sollte.
Die in dieser Spezifikation beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und die diesbezüglich jeweils angeführten optionalen Merkmale und Eigenschaften sollen auch in allen Kombinationen miteinander offenbart verstanden werden. Insbesondere soll auch die Beschreibung eines von einem Ausführungsbeispiel umfassten Merkmals - sofern nicht explizit gegenteilig erklärt - vorliegend nicht so verstanden werden, dass das Merkmal für die Funktion des Ausführungsbeispiels unerlässlich oder wesentlich ist. Die Abfolge der in dieser Spezifikation geschilderten Verfahrensschritte in den einzelnen Ablaufdiagrammen ist nicht zwingend, alternative Abfolgen der Verfahrensschritte sind denkbar. Die Verfahrensschritte können auf verschiedene Art und Weise implementiert werden, so ist eine Implementierung in Software (durch Programmanweisungen), Hardware oder eine Kombination von beidem zur Implementierung der Verfahrensschritte denkbar.
In den Patentansprüchen verwendete Begriffe wie „umfassen“, „aufweisen“, „beinhalten“, „enthalten“ und dergleichen schließen weitere Elemente oder Schritte nicht aus. Unter die Formulierung „zumindest teilweise“ fallen sowohl der Fall „teilweise“ als auch der Fall „vollständig“. Die Formulierung „und/oder“ soll dahingehend verstanden werden, dass sowohl die Alternative als auch die Kombination offenbart sein soll, also „A und/oder B“ bedeutet „(A) oder (B) oder (A und B)“. Die Verwendung des unbestimmten Artikels schließt eine Mehrzahl nicht aus. Eine einzelne Vorrichtung kann die Funktionen mehrerer in den Patentansprüchen genannten Einheiten bzw. Vorrichtungen ausführen. In den Patentansprüchen angegebene Bezugszeichen sind nicht als Beschränkungen der eingesetzten Mittel und Schritte anzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Offshore-Bauwerk
2: Turm
3: Verankerungsabschnitt
4: oberer Abschnitt
5: Verbindungsabschnitt
6: Aufnahmebereich des Verankerungsabschnitts
7: Verankerungselement
8: Stromerzeugungsanlage
9: Rotorblatt
10: reaktives Material
11: plattenartiges Element
12: Grundfläche
13: Füllmaterial
14: Rückstellelement
15: innerer Verankerungsabschnitt
16: äußeres Verankerungselement
M: Meeresboden
S: Wasseroberfläche
L: Längserstreckungsrichtung des Turms
T: Torsionskraft

Claims

Gründung für ein Offshore-Bauwerk (1), umfassend: - einen Turm (2) mit einem im Meeresboden (M) verankerbaren Verankerungsabschnitt (3) und einen am gegenüberliegenden Ende angeordneten Verbindungsabschnitt (5), wobei eine oberhalb der Wasseroberfläche (S) anordenbare Stromerzeugungsanlage (8) mit dem Verbindungsabschnitt (5) des Turms (2) verbindbar ist, wobei eine Eigenfrequenz des Offshore-Bauwerks (1) unterhalb einer Anregung aus einer einfachen Umdrehungszahl 1P von zumindest einem anregenden Bauelement (9) liegt; dadurch gekennzeichnet, dass der in den Meeresboden (M) eingreifende Verankerungsabschnitt (3) ein oder mehrere Verankerungselemente (7) aufweist, die einer Torsionskraft (T) um eine Achse in Längserstreckungsrichtung (L) des Turm (2) entgegenwirken.
Gründung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verankerungsabschnitt (3), der in den Meeresboden (M) eingreift, einen inneren Verankerungsabschnitt (15) und ein diesen zumindest teilweise einhüllendes äußeres Verankerungselement (16) umfasst, wobei der innere Verankerungsabschnitt (15) in das äußere Verankerungselement (16) einsetzbar ist, und wobei eine oder mehrere Torsionskräfte (T) vom inneren Verankerungsabschnitt (15) auf das äußere Verankerungselement (16) übertragbar sind.
Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Verankerungselemente (7) in radialer Richtung nach innen und/oder außen von einer inneren und/oder äußeren Oberfläche des Verankerungsabschnitts (3) hervorragen.
Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Verankerungselemente (7) sich im Wesentlichen in Richtung der Längserstreckungsrichtung (L) des Turms (2) über das in den Meeresboden (M) eingreifende Ende des Verankerungsabschnitts (3) hinaus in den Meeresboden (M) erstrecken.
Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Verankerungselemente (7) ein reaktives Material (10) umfassen oder mit einem reaktives Material (10) verfüllt sind.
Gründung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Installation der Gründung nach Wassersättigung aushärtet und/oder expandiert, und/oder im Rahmen der Installation der Gründung radial und/oder nach unten aus dem Verankerungsabschnitt (3) heraus expandiert.
Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Verankerungselemente (7) jeweils als Blech, Hohlprofil, Vollprofil, Schlauch, oder einer Kombination hiervon ausgebildet sind.
Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Verankerungselemente (7) von der Gründung umfasst sind.
Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Verankerungselemente (7) fest mit dem Verankerungsabschnitt (3) des Turms (2) verbunden sind.
Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gründung ferner ein plattenartiges Element (11) umfasst, das im angeordneten Zustand der Gründung auf dem Meeresboden (M) aufliegt und insbesondere kraftschlüssig mit dem Turm (2) verbunden ist.
Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schiefstellung des Turms (2) der in den Meeresboden (M) eingreifende Verankerungsabschnitt (3) des Turms (2) im Meeresboden (M) bewegbar ist.
Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Abschnitt (4) des Turms (2) relativ zu dem Verankerungsabschnitt (3) des Turms (2) bewegbar ist, wobei bei einer Schiefstellung des Turms (2) der Verankerungsabschnitt (3) im Meeresboden (M) im Wesentlichen in seiner Position verharrt.
Gründung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Abschnitt (4) des Turms (2) im Wesentlichen torsionssteif und/oder torsionskraftübertragend in dem Verankerungsabschnitt (3) des Turms (2) gelagert ist.
Gründung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Abschnitt (4) des Turms (2) zumindest teilweise innerhalb und in einem Aufnahmebereich (6) des Verankerungsabschnitts (3) des Turms (2) beweglich gelagert ist, wobei ein ausgebildeter Zwischenraum zwischen dem Aufnahmebereich (6) des Verankerungsabschnitts (3) und dem oberen Abschnitt (4) des Turms (2) mit einem Füllmaterial verfüllt ist.
Gründung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial ein Elastomer ist oder ein Elastomer umfasst.
Gründung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verankerungsabschnitt (3) des Turms (2) zumindest an seinem in den Meeresboden (M) eingreifenden Ende im Wesentlichen mit einer von einer kreisförmigen Grundfläche abweichenden Grundfläche (12) ausgebildet ist, insbesondere mit einer ovalförmigen, rechteckförmigen, quadratischen, vieleck-förmigen oder halbkreisförmigen Grundfläche (12) ausgebildet ist.
Offshore-Bauwerk (1), umfassend eine Gründung nach einem der Ansprüche 1 bis 16.