NO320948B1 - Anordning ved boymomentfattig stagforbindelse - Google Patents

Description

ANORDNING VED BØYMOMENTFATTIG STAGFORBINDELSE

Denne oppfinnelse vedrører en bøymomentfattig stagforbindelse. Nærmere bestemt dreier det seg om en stagforbindelse som utgjør en del av en forbindelse mellom en bærende konstruksjon og en tilstøtende konstruksjon hvor den tilstøtende konstruksjon for eksempel kan være en fagverkskonstruksjon.

Anordningen illustreres i det følgende ved hjelp av en bærende tårnkonstruksjon for en vindmølle, idet en konstruksjon av denne art på en fyldestgjørende måte viser de utfordringer oppfinnelsen retter seg mot. Oppfinnelsen begrenser seg ikke til tårn for vindmøller, men kan anvendes i en rekke konstruksjoner hvor lignende kraftmønstre råder.

Et vindmølletårns øvre parti må, for å unngå sammenstøt med vindmøllens vinger, være utformet som en slank konstruksjon. Fra landbaserte vindmøller er det kjent at denne slanke konstruksjon, som gjerne utgjøres av et rør, er koplet til et fundament i bakken.

Når vindmøller anbringes til havs og oftere på relativt dypt vann, er det ikke hensiktsmessig å anvende ett rør som rager fra vindmøllens fundament og opp til vindmøllens maskinhus. Den bærende tårnkonstruksjon til kjente vindmøller som er anbrakt til havs, omfatter derfor ofte et rørformet øvre parti og et nedre parti, hvor det nedre parti kan utgjøres av for eksempel en fagverkskonstruksjon.

Overgangen mellom tårnets øvre slanke parti og den nedre konstruksjon utgjøres ofte av en relativt tung og komplisert konstruksjon. Årsaken til dette er blant annet at det anvendes

konstruksjonsprinsipper som er kjent fra havbasert oljeutvin-ningsutstyr. Slikt utstyr dimensjoneres for betydelige bølge-krefter og for å kunne håndtere tungt utstyr, samt for at personell skal kunne oppholde seg på konstruksjonen til en-hver tid.

Ved vindmølleinnstallasjoner er det også til havs vanligvis vindkreftene som bestemmer konstruksjonens utforming.

Overganger av denne kjente art er relativt myke. De må til-passes slik at tårnets egenperiode blir kort nok for den aktuelle vindmølle. Dette bidrar til en ytterligere økning av tårnets vekt.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller redusere i det minste en av ulempene ved kjent teknikk.

Formålet oppnås i henhold til oppfinnelsen ved de trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkrav.

Et sylindrisk eller konisk rør forbindes til en tilstøtende konstruksjon ved hjelp av rørformede skråstag. Skråstagene er koplet til røret ved hjelp av en fra røret utoverragende omkransende ringformet plate.

Skråstagene er slik anbrakt at hvert skråstags aksielle senterlinje forløper gjennom rørveggen nær den ringformede pla-tes innfestingssirkel til røret. Skråstaget er således til-delt en slik form at grovt sett en halvdel av skråstagets projiserte omkrets er tilkoplet røret, mens den øvrige andel av den projiserte røromkrets er tilkoplet ringplaten.

Skråstagene, røret og ringplaten er typisk forbundet ved hjelp av sveiseforbindelser, men disse kan også utgjøres av støpte forbindelser. Av praktiske årsaker kan sveisesømmen være kontinuerlig eller oppdelt.

Røret og ringplaten er fremstilt i et materiale med relativ liten tykkelse. Det forekommer således i hovedsak bare membranspenninger i sammenføyningen mellom skråstaget og de to nevnte detaljer.

Om det tas utgangspunkt i at røret står vertikalt og at ringplaten derved omkranser røret i horisontalplanet, overføres den vertikale kraft fra røret til skråstaget ved et første sett av skjærkrefter langs forbindelseslinjen mellom skråstaget og røret, mens den horisontale kraft overføres fra røret til ringplaten og videre til skråstaget via et andre sett av skjærkrefter mellom skråstaget og ringplaten. Ringplaten er tilstrekkelig stiv til at røret opprettholder sin sirkelform selv om skråstaget bare virker på en begrenset del av rørets omkrets.

Ved at skråstagets senterlinje forløper gjennom krysningspunktet mellom de nevnte skjærkrefters resultanter, tildeles skråstaget i hovedsak ikke bøyemoment i innfestingen med rø-ret. Dette forhold forenkler i betydelig grad forbindelsen mellom røret og den tilstøtende konstruksjon.

I en foretrukket utførelsesform hvor skråstaget korresponde-rer med en fagverkskonstruksjons hovedsøyler, er røret ført gjennom ringplaten og frem (ned) til en torsjonsplate. Tor-Torsjonsplaten er videre forbundet til fagverkskonstruksjonen i området hvor skråstagene er forbundet til konstruksjonen. Torsjonsplaten er utformet for å kunne oppta torsjonsmoment om rørets senterakse, men opptar i hovedsak ikke aksialkrefter fra røret.

En kraft som virker radialt på røret bevirker at det settes opp et bøyemoment i røret. Bøyemomentet bevirker at det settes opp et kraftpar som opptas av ringplaten og torsjonsplaten. Vertikale krefter i røret opptas som beskrevet overfor bare av skråstagene.

For å kunne oppta sidekrefter og aksialkrefter må røret være forsynt med to eller flere skråstag. I en konstruksjon som utsettes for krefter fra flere retninger må det være minst tre stag.

Dersom det nedre parti av tårnet omfatter en fagverkskonstruksjon er det fordelaktig at hovedsøylenes senterlinjer møtes i det punkt hvor en sideveis kraft på tårnet virker, for eksempel fra vindmøllens turbin. Derved deles den horisontale kraft opp i strekk og trykkrefter i hovedsøylene, hvorved fagverkets stag bare i mindre grad utsettes for krefter. Det kan således være fordelaktig at trykkrefter i fagverket opptas av trykkstag, mens strekkrefter opptas av strekkstag i form av forspente tau.

Slike trykkstag og tau kan forbindes til søylene ved hjelp av mekaniske forbindelseselement, for eksempel boltforbindelser. Dette overflødiggjør i betydelig grad sveising og tilrette-legger for en rasjonell produksjon av fagverket.

Fagverkets knutepunkt kan være for eksempel sveiste, støpte eller kaldformede.

Det kan være fordelaktig å anordne skråstagene slik at deres senterlinje forløper koaksialt med sin tilkoplede søyle fra søylen og til røret. For en vindmølles vedkommende betinger en slik konstruksjon at skråstagene kan komme i veien for turbinvingene. Vindmølleturbinens senterakse må i så fall peke noe oppover for at turbinens vinger skal kunne rotere fritt.

De overfornevnte konstruktive trekk bevirker at krefter kan overføres mellom et rør og en tilstøtende konstruksjon ved hjelp av en relativ lett forbindelse. Sammenlignet med kjente konstruksjoner, oppviser denne konstruksjon en vesentlig for-bedret stivhet.

Under montering av stativ på havbunnen er det vanlig å drive ned pæler gjennom føringer som er festet til fagverket. Slikt arbeid medfører vibrasjoner som er skadelige for en eventuelt allerede påmontert turbin.

Ifølge oppfinnelsen kan pæler drives ned i havbunnen før tårnet monteres, idet tårnet ved sitt nedre parti er forsynt med hylser som er åpne i sitt nedre parti og som komplementært passer over pælene. Hylsene er fortrinnsvis utformet med ringformete stoppere som støter mot pælens overkant. Pælene er drevet ned til samme elevasjon og tårnet blir dermed automatisk vertikalt. Hylsene festes til pælene ved for eksempel å injisere betong mellom hylsene og pælene.

I farvann hvor det forekommer is, vil isen som formes om et tårn med én søyle i sjøen, et såkalt monotårn, normalt brytes opp ved hjelp av et konisk element, slik at de horisontale krefter fra isen blir minimert. Tilsvarende koniske element kan monteres på hver hovedsøyle. Ved et fagverkstårn av den art som er beskrevet overfor, vil trykk- og strekkstagene eventuelt også bli utsatt for iskrefter. Det kan derfor være fordelaktig å utforme fagverket uten stag i en sone der isen vil virke. Den økte fleksibilitet som dette medfører i fagverkskonstruksjonen kan innen visse grenser bli kompensert på i og for seg kjent måte.

Videre er det av stor praktisk og kostnadsmessig betydning at flest mulig tårn kan bygges identiske i serieproduksjon. Dersom de respektive tårn skal anvendes på ulik vanndybde, vil dette kunne kompenseres ved at pæler som eventuelt er for-håndsinstallerte har en lengde som er tilpasset vanndybden, slik at likt bygde tårn ferdig installert vil få den samme høyde over vannflaten.

Kostbar erosjonsbeskyttelse i form av f.eks. pukk må ofte plasseres omkring konstruksjonen på havbunnen. Normalt er erosjonsdybden 1.5 ganger diameter av et konstruksjonsele-ment, for eksempel av en monopæles diameter, dersom det ikke er utlagt erosjonsbeskyttelse. Den aktuelle konstruksjon kan konstrueres for erosjon tilsvarende 1.5 ganger diameter av pæler eller hovedsøyler, siden disse har en vesentlig mindre diameter, eksempelvis 1 meter, enn et monotårns diameter, som eksempelvis kan være 4.5 m.

I det etterfølgende beskrives et ikke-begrensende eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på med-følgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser en vindmølle som er anbrakt i et område med relativt dypt vann og hvor vindmøllens tårn omfatter en øvre rørsøyle og en nedre fagverkskonstruksjon; Fig. 2 viser i større målestokk sett fra siden på skrå oppover et utsnitt av området ved overgangen mellom rørsøylen og fagverket; Fig. 3 viser en skisse sett fra rørets innside radialt utover og på skrå nedover, hvor skjærkreftene mellom skråstaget og rørsøylen, henholdsvis skråstaget og ringplaten, er indikert med piler idet detaljene på skissen er vist gjennomsiktig; Fig. 4 viser et snitt gjennom røret og to skråstag hvor den første og den andre resulterende skjærkraft krysser i skråstagets senterakse; og Fig. 5 viser vindmøllen i fig. 1 under installasjon på pæler som på forhånd er drevet ned i havbunnen.

På tegningene betegner henvisningstallet 1 en vindmølle som omfatter en turbin 2 og et tårn 4. Vindmøllens 1 tårn 4 er delvis dykket under havoverflaten 6. Tårnet 4 er forbundet til pæler 8 som er drevet ned i havbunnen 10.

Tårnet 4 omfatter et øvre vertikalt rør 12 og et nedre fag-verk 14.

Røret 12 er forbundet til fagverket ved hjelp av hule skråstag 16, en ringplate 18 og en torsjonsplate 20, se fig. 2. Både ringplaten 18 og torsjonsplaten 20 omkranser og rager radialt ut fra røret 12. Ringplaten 18 befinner seg på et nivå noe høyere oppe enn torsjonsplaten 20, idet torsjonsplaten 20 er forbundet til fagverkets 14 hovedsøyler 22.

Skråstagene 16 forløper fra hver sin hovedsøyle 22 og opp til røret 12 og ringplaten 18, idet skråstagenes 16 senterakse skjærer røret 12 nær ringplatens 18 tilkoplingslinje mot rø-ret 12 (se nedenfor).

Røret 12, skråstagene 16, ringplaten 18 og torsjonsplaten 20 er alle utført i et relativt tynt materiale slik at spen-ningene mellom dem i hovedsak utgjøres av membranspenninger.

Torsjonskrefter i røret 12 overføres til fagverket 14 via torsjonsplaten 20. Vertikalkrefter i røret 12 overføres til skråstagene 16 via første skjærkrefter V, se fig. 3, i innfestningen mellom røret 12 og skråstaget 16. Horisontale krefter som virker på røret 12 setter opp et bøyemoment i rø-ret 12. Dette bøyemoment opptas av et kraftpar mellom ringplaten 18 og torsjonsplaten 20. Fra ringplaten 18 overføres denne horisontale kraft til skråstagene 16 ved hjelp av andre skjærkrefter H, se fig. 3, mellom ringplaten 18 og skråstagene 16.

Resultanten av de første skjærspenninger V representeres i fig. 4 av kraften SV, mens resultanten av de andre skjærkrefter H representeres av kraften SH. Kraften SH er vanligvis ikke helt vertikal, idet den del av skråstaget 16 som er forbundet til røret 12 følger rørets 12 sylindriske flate. Den resulterende kraft av kreftene SV og SH virker på skråstaget 16. Skråstagets 16 senterlinje gjennomskjærer krysningspunktet mellom kreftene SV og SH. Skråstagene 16 tildeles derved bare i ubetydelig grad bøyemoment i innfestningen med røret 12.

Fagverket 14 som foruten hovedsøylene 22 omfatter stag 24, er ved sitt nedre parti forsynt med et antall hylser 26. Hylsene 26 som er forsynt med en ikke vist stoppere, er innrettet til å kunne forskyves ned på pæler 8 hvor pælene 8 på forhånd er drevet ned i havbunnen 10. Stopperne er innrettet til å bevirke at tårnet automatisk blir vertikalt nå pælene 8 er drevet til samme vertikale elevasjon. Hylsene 26 kan festes til pælene 8 ved hjelp av for eksempel betong.

Claims (11)

1. Anordning ved skråstagforbindelse mellom et rør (12) og en tilstøtende konstruksjon (14) omfattende minst to skråstag (16), karakterisert ved at horisontale og vertikale krefter i røret er overført til skråstaget (16) ved hjelp av et første sett skjærkrefter langs skråstagets (16) innfestning til røret (12) og via et andre sett skjærkrefter langs skråstagets (16) innfestning til en om røret (12) omkransende radialt utragende ringplate (18), idet skråstagets (16) senterakse forløper gjennom eller nær krysningspunktet mellom resultanten av det første og det andre sett av skjærkrefter.

2. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at ringplatens (18) stivhet bevirker at rørets (12) sirkulære form opprettholdes.

3. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at en torsjonsplate (20) er anordnet på en av-stand fra ringplaten (18), idet torsjonsplaten (20) er innrettet til å kunne oppta torsjonsmoment i røret (12).

4. Anordning i henhold til krav 3, karakterisert ved at ringplaten (18) og torsjonsplaten (20) sammen er innrettet til å kunne oppta et kraftpar i rørets (12) radielle retning.

5. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at den tilstøtende konstruksjon (14) utgjøres av en fagverkskonstruksjon som omfatter hovedsøyler (22) og stag (24).

6. Anordning i henhold til krav 5, karakterisert ved at hovedsøylenes (22) senterlinjer krysser hver-andre i eller nær et punkt på en turbins (2) senterakse.

7. Anordning i henhold til krav 5, karakterisert ved at fagverkskonstruksjonens (14) stag (24) omfatter trykkstag og strekkstag hvor minst ett av strekkstagene utgjøres av et taustag.

8. Anordning i henhold til krav 5, karakterisert ved at fagverkskonstruksjonen (14) ved sitt nedre parti er forsynt med hylser (26) som komplementært passer over respektive pæler (8).

9. Anordning i henhold til krav 8, karakterisert ved at hylsene (26) har påmonterte stoppere som er innrettet til å bevirke at tårnet (4) automatisk blir vertikalt nå pælene er drevet til samme vertikale elevasjon.

10. Anordning i henhold til krav 9, karakterisert ved at pælene (8) for ulike tårn (4) har ulik høyde over havbunnene og derved er innrettet til å kunne motta like tårn (4) hvor tårnene etter montering rager like høyt over havoverflaten.

11. Anordning i henhold til krav 9, karakterisert ved at fagverket (14) er utformet uten stag (24) i en sone der isen vil virke på stagene (24), idet koniske element som omkranser hovedsøylene (22) er innrettet til å bryte opp is som kan feste seg til hovedsøylene (22).