DE3007442C2 - Vorrichtung zum Verankern von freitragenden hohen, dynamisch beanspruchten Strukturen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verankern von freitragenden hohen, dynamisch beanspruchten Strukturen, wie Masten von Windkraftanla- gen, Türmen oder dergleichen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der Verankerung von derartigen hohen, dynamisch belasteten Strukturen treten bei der Konzipierung der Lager für die Struktur sowohl statische als auch dynamische Probleme auf. Die statischen Probleme sind durch das in der Regel hohe Gewicht derartiger Strukturen bedingt, während dynamische Probleme aufgrund von Windkräften oder — bei Windkraftanlagen — aufgrund der von dem Rotor auf die Struktur übertragenden Kräfte und Schwingungen auftreten.

Aus der Zeitschrift »Bauwell«, 1958, Heft 42, Seiten 1029—1031, insbesondere Figur 3, ist eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art bekannt, bei der ein hoher Mast an seinem Fuß allseitig schwenkbar auf einem Stützlager eines Fundaments abgestützt und oberhalb dieses Stützlager? zur Aufnahme von Horizontalkräften mit Hilfe von in dem Erdreich verankerten Zugbändern gehalten ist Eine solche Verankerung von hohen Masten könnte im Prinzip auch für hohe Masten von Windkraftanlagen verwendet werden. Ein Vorteil wäre, daß die sonst übliche Seilverspannung fortfallen würde, die zum einen die auf das Fundament wirkenden Vertikalkräfte vergrößert und zum anderen so ausgelegt sein muß, daß der Rotor der Windkraftanlage ungehindert drehen kann. Allerdings ist eine solche Verankerung mit Hilfe von im Erdreich verlegten elastischen Zugbändern nur in ebenep Gebieten möglich, wobei das Erdreich zudem noch die für die Aufnahme der Horizontalkräfte notwendige Zugfestigkeit aufweisen muß. Solche Bedingungen werden jedoch nur im Idealfall anzutreffen sein. So werden z.B. Windkraftanlagen in der Regel an Bergabhängen oder auf Bergspitzen eingerichtet wo derartige Zugbänder gar nicht verlegt werden können. In anderen Fällen, so z. B. bei der Verankerung von hohen Brückenpylonen, wird das umgebende Erdreich, hier demnach ein Flußbett nicht die notwendige Zugfestigkeit aufweisen können.

Daß der Berücksichtigung der dynamischen Belastungen hohe Bedeutung zukommt, kann z. B. anhand von Masten Für Windkraftanlagen erläutert werden. Diese Masten sollen z. T. Höhen von mehr als hundert Metern aufweisen und tragen an der Mastspitze einen Rotor, der vom Wind angetrieben wird und mit einem Generator gekoppelt ist Einerseits wirken auf den Mast und Rotor die Windkräfte, die zu Knick- und Biegebelastungen des Mastes führen; außerdem treten noch dynamische Kräfte auf, die ebenfalls vom Wind, aber auch von. der genannten Übertragung der Schwingungen des Rotors auf den Mast herrühren. Diese Kräfte können wiederum zu Schwingungen des Mastes führen, die entweder dessen Eigenschwingungen entsprechen oder einer Interferenz dieser Schwingungen mit anderen Systemschwingungen. Wenn man bedenkt daß die Mastspitze einer derartigen Windkraftanlage bei entsprechenden Angriffskräften Pendelbewegungen von mehrerer. Metern ausführt und andererseits die Spitzen des Rotisre annähernd Schallgeschwindigkeit erreichen, so ist deutlich erkennbar, daß der Verankerung des Mastes eine erhebliche Bedeutung zukommt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache, vielseitig verwendbare Vorrichtung zum Verankern von hohen freitragenden und dynamisch beanspruchten Strukturen ohne Seilverspannungen zu schaffen, mit der die auf die Struktur wirkenden statischen und dynamischen Kräfte beherrscht werden können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß diesen Merkmalen wird als Fundament ein Topffundament verwendet, das den Vorteil geringen Platzbedarfs aufweist und auch bei schwierigen Geländestrukturen eingesetzt werden kann. In diesem Topffundament wird die hohe Struktur am Fuße durch das Stützlager abgestützt, das hauptsächlich die vertikalen Kräfte, also insbesondere das Gewicht der Struktur, aufnimmt. Am oberen Rand des Fundamentes ist die hohe Struktur durch ein die Horizontalkräfte aufnehmendes, eine elastische Einspannung bewirkendes Ringlager mit Feder/Dämpfercharakteristik gehalten, wobei die Feder/Dämpfercharakteristik des Ringlagers und der Abstand zwischen Stützlager und Ringlager zur Erniedrigung der Eigenfrequenz der

Struktur aufeinander abgestimmt sind.

Die elastische Einspannung der dynamisch belasteten Struktur mit Hilfe des Ringlagers in dem Fundament ist so wählbar, daß schädliche Schwingungen der Struktur vermieden bzw, auf zulässige Werte gedämpft werden. Durch Wahl der elastischen Feder/Dämpfercharakteristik des Ringlagers und durch die Wahl der Anordnung des Ringlagers, d.h. durch den Abstand zwischen Stützlager und Ringlager, können die Schwingungseigenschaften der Struktur beeinflußt werden. Durch entsprechende Wahl der genannten Parameter werden die Eigenschwingungen der Struktur herabgesenkt, und zwar derart, daß sie unter den sonst im System auftretenden Schwingungen liegen, z. B. bei der erwähnten Windkraftanlage unterhalb der Frequenz des Rotors. Mit der Vorrichtung gemäß der- Erfindung können bei Ausnutzung der Biegeweichheit der unverspannten Struktur die Eigenfrequenzen mit einfachen Mitteln abgesenkt werden.

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

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

Die Erfindung ist in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung zum Verankern eines Mastes für eine Windkraftanlage mit einem Stützlager am Fuß des Mastes und einem eine elastische Einspannung bewirkenden Ringlager bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2 einen Vertikalschnitt durch ein eine elastische Einspannung bewirkendes Ringlager gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 3 einen Vertikalschnitt durch ein Stützlager nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In F i g. 1 ist eine Windkraftanlage 1 dargestellt, die als freitragende Struktur 2 einen Mast sowie einen an dessen Spitze gelagerten Rotor 3 aufweist. Der Mast ist im Erdreich 4 in einem Fundament 5 gehalten, das ihn unten in Art eines Topfes umgibt. Das Fundament hat einen ringförmigen Querschnitt und ist aus armiertem Beton gefertigt. Der Mast weist in diesem Ausführungsbeispiel an seinem unteren Ende eine Lagerkugel 6 auf, die in eine Lagerpfanne 7 einer am Boden des Fundaments 5 eingelassenen Lagerplatte 8 eingreift Lagerkugel und Lagerpfanne bzw. Lagerplatte bilden gemeinsam ein eine allseitige Schwenkbarkeit zulassendes Stützlager 10 für den Mast. Auf die Lagerplatte 8 kann noch eine Arretierungsplatte 9 aufgesetzt sein, mit der verhindert wird, daß die Lagerkugel aus der Lagerplatte gehoben werden kann.

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

Fig.2 stellt einen Vertikalschnitt durch ein als Elastomerlager ausgebildetes Ringlager II' dar. An der Fundamentinnenwand ist ein ringförmiger Lagerhalter 13 aus einem U-Profil befestigt, wobei zwischen die obere und untere Rippe des U-Profils abwechselnd Elastomerringe 14 und als Kühlmittel 15 herangezogene Stütz- bzw. Kühllamellen gestapelt sind; in diesem Fall sind acht Elastomerringe 14 und sechs Kühl- bzw. Stützlamellen vorgesehen. Der Mast wird seinerseits im Bereich der Elastomerringe von einer Hülse 16 umgeben, von der sich radial ein Stützring 17 erstreckt Dieser greift zwischen den vierten und fünften Elastomerring 14 ein und ist «L/tt entsprechend befestigt Dieses Elastomer-Schublager nimmt die auftretenden Schwenk- und Schubkräfte gut auf, wobei Wärmestaus über die Kühllamellen abgebaut werden. Die Kühllamellen können z. B. von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden oder sind entsprechend mit einem nicht gezeigten Wärmeableitkörper verbunden.

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

Unabhängig von der Konstruktion des eine elastische Einspannung bewirkenden Ringlagers 1Γ ist dieses derart ausgebildet, daß der Mast sich zwar radial nach allen Seiten bewegen kann, daß dieser Bewegung jedoch von der elastischen Einspannung entgegengewirkt und die dabei auftretenden Schwingungen gedämpft werden.

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

In dem dargestellten Fall gemäß F i g. 1 schließt das Fnndi.iH(int mit der Oberfläche des Erdreichs 4 ab, und der Mast ist an der Oberseite des Fundaments elastisch eingespannt. Diese Anspannung ist jedoch nxsj beispielhaft; es ist durchaus möglich, die Einspannung auch oberhalb der Erdoberfläche vorzunehmen. Der Ort der Einspannung del Mastes und damit die Entfernung zwischen dem unteren Schwenklager und der Einspannung und die Lagercharakteristik werden so abgestimmt, daß die Frequenzen der Eigenschwingungen des Mastes möglichst gesenkt und die entsprechenden Amplituden möglichst gedämpft werden. Bei überkritisch EU b?treibenden Anlagen wird die Einsparung des Mastes dabei so gewählt, daß die Eigenschwingungen des Mastes unter der Hauptanregungsfrequenz liegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Verankern von freitragenden hohen, dynamisch beanspnjcfeteii Strukturen, wie Masten von Windkraftanlagen, Türmen oder dergleichen, mit einem Fundament, in dem die Struktur an ihrem Fuße allseitig schwenkbar auf einem Stützlager abgestützt ist und oberhalb dieses Stützlagers zur Aufnahme von Horizontalkräften gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Fundament (5) die Struktur (2) unten in Art eines Topfes umgibt, auf dessen Boden das Stützlager (lö, W) angeordnet ist und an dessen oberem Rand zwischen Struktur und Fundamentwand ein die Horizontalkräfte aufnehmendes, eine elastische _t5 Einspannung bewirkendes Ringlager (11, 11') mit Feder/Dämpfercharakteristik vorgesehen ist, und daß die Feder/Dämpfercharakteristik des Ringlagers (11, II¹) und der Abstand zwischen Stützlager (10, ICQ und RingJager zur Erniedrigung der Eigenfrequenz der Struktur (2) aufeinander abgestimmt sutd.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringlager (II*) ab Elastomer-Schublager aus mit dem Fundament (5) verbünde- nen, übereinander gestapelten Elastomerringen (14) sowie einem mit der Struktur (2) verbundenen, zwischen die Hastomemnge eingreifenden Stützring (17) ausgebildet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringlager (If) Kühlmittel (15) zum Abbau von bei der Bewegung der Struktur (2) auftretenden Wärmebelastungen aufweist

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützlager (IC) am unteren Ende der Struktur (2) als Elastomerlager aus mehreren übereinander gestapelten Elastomerstützringen (18) ausgebildet ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß das Elastomer-Stützlager (10') Kühl- mittel (19) zum Abbau von bei der Bewegung der Struktur (2) auftretenden Wärmebelastungen aufweist