DE10056857A1

DE10056857A1 - Verankerungsstabilisierte Trägerboje

Info

Publication number: DE10056857A1
Application number: DE10056857A
Authority: DE
Inventors: Jan They
Original assignee: Jan They
Current assignee: VENTOTEC OFFSHORE CONSTRUCTIONS PLANUNGS-UND VERMA
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2001-07-26
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: DE10056857B4

Abstract

Technisches Problem der Erfindung DOLLAR A Eine Vorrichtung zur ortsfesten, gegen Rotationsbewegungen stabilen Lagerung von Anlagen auf Schwimmkörpern ist Inhalt dieser Patentschrift. DOLLAR A Lösung der technischen Aufgabe DOLLAR A Diese Vorrichtung besteht aus einem Schwimmkörper und daran befestigten Verbindungsgliedern zwischen Haltepunkten am Schwimmkörper und Verankerungen im Untergrund. Der Auftriebskörper wird so bemessen, dass er mehr Auftrieb erbringt, als zum Tragen der Last erforderlich ist. Die zusätzliche Auftriebskraft wird benutzt, um eine Vorspannung der Verbindungen zu erreichen. Durch die Vorspannung kann erreicht werden, dass die Verbindungen nur Zugbelastungen aufnehmen müssen, um die stabile Lagerung zu gewährleisten. DOLLAR A Diese Bedingungen können auch bei schwerem Seegang aufrecht erhalten werden, so dass eine dauerhafte Installation möglich wird. DOLLAR A Anwendungsgebiet DOLLAR A Meerestechnik, Lagerung von Vorrichtungen in flüssigen Medien, Windenergie.

Description

Die stabile Lagerung von Schwimmkörpern und darauf befestigten Anlagen stellt gegenwärtig ein technisches Problem dar, dessen Lösung von großem wirtschaft lichen und gesellschaftlichen Nutzen sein kann. Will man Plattformen für tech nische Anlagen auf See oder auf anderen Gewässern schaffen, so hat man übli cherweise die Wahl zwischen zwei Verfahren:

- Man errichtet auf dem Meeresgrund ein feststehendes Bauwerk, das ggf. aus dem Wasser ragt und die Anlage trägt
- Die zweite Möglichkeit besteht darin, einen Schwimmkörper zu konstruie ren, dessen Auftriebskraft ihn an der Wasseroberfläche hält.

Bei der ersten Methode erreicht man eine hohe Orts- und Neigungsstabilität, hat aber hohe Anforderungen an den Untergrund und die Strömungsverhältnis se: Der Untergrund muss belastbar genug sein, um die Konstruktion mit der da rauf befindlichen Anlage zu tragen. Zudem muss er stabil gegen Auswaschungen sein die von der Konstruktion selbst durch eine Veränderung der herrschenden Strömungsverhältnise ausgelöst werden können.

Bei Schwimmkörpern existieren die hohen Anforderungen an den Untergrund nicht. Die üblichen Methoden zur Stabilisierung des Schwimmkörpers ermögli chen jedoch keine so hohe Stabilität gegen Schwankungen. Ferner stellt die Er zielung der Ortsfestigkeit des Schwimmkörpers ein weiteres Problem dar.

Zur Stabilisierung der Schwimmkörper werden üblicherweise zwei Techniken angewandt: das ist zum einen die Form und zum anderen die Gewichtsstabi lität (vergl. "Physik". Gerdsen, Kneser. Vogel. 1983 Springer Heidelberg oder "Segelführerschein BR + Sportbootführerschein See", Axel Brak. 1995 Delius Klasing Bielefeld) Diese Prinzipien sind hinlänglich bekannt. Sie nutzen die un terschiedlichen Angriffspunkte von Auftriebskraft und Gewichtskraft aus, um ein stets aufrichtendes Drehmoment zu erzeugen. Das aufrichtende Moment ent steht dadurch, dass bei Auslenkung aus der stabilen Lage der Angriffspunkt der Auftriebskraft nicht mehr über dem Angriffspunkt der Schwerkraft (Schwer punkt) liegt. Die Kräfte kompensieren sich jetzt nicht mehr direkt gegenseitig. Es entsteht ein Drehmoment, das sich aus dem Abstand der beiden Angriffs punkte und der zur Verbindungslinien der beiden Angriffspunkte, senkrechten Komponenten der Kräfte ergibt. Bei der Gewichtsstabilität wird ein schnelles Ansteigen des aufrichtenden Moments dadurch erreicht, dass ein tief liegender Schwerpunkt gewählt wird. Bei der Formstabilität wird ein großes stabilisieren des Moment erreicht, indem die Form des Schwimmkörpers so gestaltet wird, dass der Angriffspunkt der Auftriebskraft schnell in die Richtung auswandert, zu der der Körper geneigt wird.

Beide Methoden stellen besondere Anforderungen an die Beschaffenheit des Schwimmkörpers. Die Gewichtsstabilität verlangt einen tiefliegenden Schwer punkt und ggf. die zusätzliche Anbringung von Ballast. Das wiederum führt zu einer Vergrößerung des Auftriebskörpers.

Die Formstabilität verlangt, dass der Schwimmkörper bei geringer Krängung eine große zusätzliche Menge Flüssigkeit auf der Seite verdrängt, zu der er hin geneigt wird.

Ferner ist bei beiden Methoden eine Auslenkung erforderlich, damit die Kräfte auftreten, die die störende Kraft kompensieren. Daraus entstehen im wesentlichen zwei Nachteile.

- Sind hoch aufragende Anlagen auf dem Schwimmkörper befestigt, so ver stärken diese bei Schräglage das neigende Drehmoment.
- Durch einen nachteiligen Zusammenhang von Drehmoment und Auslen kung aus der stabilen Lage erhält man einen Oszillator: Ist die Anlage, die sich auf dem Schwimmkörper befindet ihrerseits so beschaffen, dass sie selbst auf die Krängung mit veränderlichem Verhalten bezüglich der ausgeübten Kraft reagiert, so kann man einen angetriebenen Oszillator erhalten, der sich beliebig aufschaukelt (bis zur Zerstörung der Anlage).

Ein Beispiel für eine solche Maschine stellen Windkraftanlagen dar. An einer Windkraftanlage wirkt in großer Höhe eine sehr große Kraft, welche ihre Ursache in der Impulsänderung der Luft hat. Würde die Unterlage der Windkraftanlage schwanken, so würden sich die Verhältnisse der Anströmung und so wiederum die Kraft ändern. Die Kraftänderung hängt wiederum von der individuellen Beschaffenheit und den Betriebszuständen der Anlage ab. Nimmt die Kraft z. B. bei schrägstehendem Rotor ab und bleibt sie zunächst durch Verringerung etwa der Drehgeschwindigkeit niedrig, um im Laufe des Zurückschwingens wieder stärker zu werden, so schaukelt sich das System auf.

Ein weiteres Problem ist zu verhindern, dass sich die Anlage aus dem Wind dreht. Um dies sicherstellen zu können, ist es erforderlich, dass die Unterlage richtungsstabil ist.

Eine weitere Besonderheit von Windkraftanlagen besteht darin, dass die Kraft besonders groß wird, wenn der Wind gerade die Stärke hat, bei der die An lage ihre volle Leistung gerade eben erbringen kann. Der Grund hierfür liegt in der Energie-Impulsbeziehung bei der anströmenden Luft. Die Geschwindigkeit der durch die Rotorfläche hindurchtretenden Luft muss bei höherer Geschwin digkeit weniger reduziert werden, weil zum einen der Zusammenhang Geschwin digkeit - Energie quadratisch ist.

Außerdem tritt mehr Luft durch die Rotorfläche, was einerseits bedeutet, dass mehr Masse durch die Rotorfläche tritt, aber andererseits wiederum eine geringere Reduzierung der Luftgeschwindigkeit bei gleicher Leistung erlaubt. Das hat, wie man nachrechnen kann, in der Summe wiederum eine Verminderung der Kraft zur Folge.

Größte Belastung durch Wind und Welle treten hier also nicht gleichzeitig auf.

Ferner gibt es Anlagen, bei denen die Stabilität gegen kleine Schwankun gen eine Rolle spielt. Leuchtfeuer großer Tragweite, die Schiffen die Navigation ermöglichen sollen, müssen feststehende Leuchtsektoren haben, da sonst die Leuchtsektoren wandern und Navigation nicht präzise möglich ist.

Abschätzung der Größe des zur Stabilisierung erforderlichen zusätz lichen Auftriebskörpervolumens Formstabilität

Man möchte durch Verdrängen von Wasser einen zusätzlichen Auftrieb erzeugen Der Betrag des aufrichtenden Moments ergibt sich aus

D_aufrichtend = ρ × g × h × r

Dabei ist r die Projektion der horizontalen Entfernung zwischen dem Schwer punkt und dem durch die Schräglage eingetauchten Volumen. ρ ist die Dichte der Flüssigkeit und g die Gravitationskonstante. Entsprechendes gilt für das Herausheben eines auf der anderen Seite liegenden Auftriebskörpervolumens aus der Flüssigkeit. Wird das Drehmoment von einer Kraft hervorgerufen, die in einer Entfernung vom Schwerpunkt wirkt, die der Entfernung des zusätz lich eingetauchten Auftriebsvolumens gleich ist so muss das einzutauchende bzw herauszunehmende Volumen eine Auftriebskraft aufbringen, die der von außen wirkenden Kraft gleichkommt. Der Schwimmkörper muss dieses Volumen zusätzlich zu dem zur Schwimmfähigkeit erforderlichen Volumen bereithalten.

Gewichtsstabilität

Hier muss zur Stabilisierung eine Masse mitgeführt werden, die in der Ruhelage dafür sorgt, dass der Masseschwerpunkt unter dem Schwerpunkt der verdrängten Flüssigkeit liegt. Um das zusätzliche Gewicht tragen zu können, muss zusätzli ches Auftriebskörpervolumen vorhanden sein. Das aufrichtende Moment ergibt sich hier aus der Distanz zwischen Masseschwerpunkt und Schwerpunkt der verdrängten Flüssigkeit. Nahe der Ruhelage ergibt sich kaum ein aufrichtendes Drehmoment. Erst bei starker Krängung fängt der Effekt an zu wirken.

Die zusätzlich mitgeführte Masse vergrößert das erforderliche Auftriebsvo lumen und so die Angriffsmöglichkeiten für Wellenbewegung.

Beim Zusammenbau und beim Transport in die endgültige Position gewichts stabiler Konstruktionen können Kräfte auftreten, die beim Betrieb der Anlage nicht mehr vorhanden sind, etwa wenn die Anlage auf der Seite liegend zusam mengebaut wird.

Weitere bekannte stabilisierende Prinzipien

Zur Stabilisierung von Bohrinseln sind einige Verfahren bekannt, die zur Aus richtung über dem Bohrloch verschiedene Ankerketten verwenden, um ihre Vor richtung stabil zu halten. Die Stabilität gegenüber dem Seegang ist jedoch stets im Zusammenhang mit der Größe dieser Objekte zu sehen. Die Kräfte, die an den Seilen wirken, machen lediglich einige Prozent der Auftriebskraft des Ob jektes aus und lassen ihr einen nicht unerheblichen Bewegungsspielraum, was sie von der weiter unten beschriebenen Konstruktion unterscheidet.

Ferner gibt es einige Systeme, bei denen das Rollen verhindert wird, indem sie mit Hilfe von parallel vom Boden zum Objekt verlaufenden Seilen nur eine planparallele Bewegung ermöglichen.

All diesen Systemen ist gemeinsam, dass sie eine Ausweichbewegung des Systems gegenüber den Wellenbewegungen des Seegangs zulassen.

Auf solche Objekte wird weiter unten noch einmal vergleichend mit der hier beschriebenen Konstruktion eingegangen.

Abstrakte Verallgemeinerung des Problems

Allgemein besteht das Problem darin, einen Körper in einem flüssigen oder gasförmigen Medium oder an dessen Oberfläche über einem festen Untergrund stabil zu lagern. Störende Kräfte, die durch die Flüssigkeit bzw das Gas oder andere Einflüsse ausgeübt werden sollen an den Untergrund weitergegeben wer den. Die Verbindungen zum Untergrund sollen die Strömungsverhältnisse nicht beeinflussen. Ferner soll eine Stabilität der Konstruktion gegen Verschiebungen des Untergrundes erreicht werden.

Lösung

Ein Auftriebskörper, dessen Volumen es erlaubt, mehr Auftriebskraft zu erzeu gen, als zum Tragen der Last erforderlich ist, wird durch Verankerungsleinen oder ähnliche Verbindungen, die im wesentlichen nur Zugkräfte aufzunehmen brauchen, mit im Meeresgrund fest verankerten Halterungen verbunden und so unter Wasser gehalten. Die zusätzlich vorhandene Auftriebskraft wirkt auf diese Verbindungen, die so vorgespannt werden.

Verwendet man mehr als eine Verbindung, können die einzelnen Verbindun gen auch diagonal vom Untergrund zum Schwimmkörper verlaufen, solange sich die von den Verbindungen senkrecht zur Auftriebskraft wirkenden, ausgeübten Kräfte gegenseitig kompensieren.

Wirkt nun eine störende Kraft auf den Auftriebskörper oder eine Seite des Auftriebskörpers und ist diese Kraft oder ihre Komponente zu einer der Verbin dungen zwischen Verankerungspunkt im Untergrund und Befestigungspunkten am Auftriebskörper parallel, so wird die Verbindung je nach Richtung der Kraft entweder belastet oder entlastet. Im letzteren Fall übernimmt die Auftriebskraft die Kompensation der senkrechten Komponente der Kraft oder deren Komponente und eine andere Verbindung zusätzlich die nicht zu der Auftriebskraft parallele, waagerechte Komponente.

Um die Verbindungen zu entspannen, ist es erforderlich, dass sich die Verbin dungen etwas verkürzen. Wie groß diese Verkürzung ist, hängt jedoch lediglich von der Beschaffenheit der Verbindungen selbst ab.

1. Zum einen kann das Material der Verbindungseinrichtung selbst elastisch sein.
2. Zum anderen kann die Verbindungseinrichtung durch ihr Eigengewicht durchhängen. Eine zunehmende Kraft führt dazu, dass die Verbindungs einrichtung weniger durchhängt und sich die Punkte, zwischen denen sie gespannt ist, voneinander wegbewegen.

Insbesondere letztere Eigenschaft wird bei Verankerungseinrichtungen ausge nutzt, welche den Seegang dadurch überstehen, dass sie sich mit dem Wasser mitbewegen. Da sie die periodischen Bewegungen der Wellen mitmachen, üben die Wassermassen nur noch geringe Kräfte auf sie aus. Bei der hier beschriebenen Konstruktion jedoch sollen die Verbindungseinrichtungen so gewählt werden, dass sie derart große Bewegungen nicht zulassen.

Durch die Wahl geeigneter Verbindungseinrichtungen kann die hervorgeru fene Bewegung auf die Größenordnung der Bewegung von festen Bauwerken reduziert werden.

Will man erreichen, dass die Anlage keine Bewegung gegenüber dem Grund ausführt, so ist es erforderlich, dass man am Schwimmkörper drei Haltepunkte und auf dem Untergrund ebenfalls drei Verankerungspunkte vorsieht. Die Punk te dürfen nicht auf einer Linie liegen. Es muss mindestens sechs Verbindungen zwischen den Verankerungspunkten und den Haltepunkten am Schwimmkörper geben, die jeweils unterschiedliche Punkte miteinander verbinden. Von jedem der Verankerungs- und der Haltepunkte muss mindestens eine Verbindung ausge hen. Durch eine Minimalkonstruktion mit drei Haltepunkten, drei Verankerungs punkten und sechs Verbindungen werden genau alle Bewegungsfreiheitsgrade blockiert. Durch die Position der Verankerungspunkte ist die Lage der Anlage bei konstanter Länge der Verbindungen bestimmt Sollte es durch Veränderun gen im Untergrund zu Verschiebungen der Verankerungspunkte kommen, ergibt sich wiederum eine neue, definierte Lage. Bei kleinen Änderungen kann keine der Verbindungen vollständig entlastet werden, so dass eine große Veränderung der Kräfteverhältnisse auftritt. Durch Veränderung der Länge der Verbindun gen kann die Lage wieder korrigiert werden. Die Minimalkonstruktion mit drei Verankerungspunkten und drei Haltepunkten ist also von Vorteil, weil eine be sondere Unanfälligkeit gegenüber Instabilität des Untergrundes besteht.

Die beschriebene Konstruktion bietet nun verschiedene Vorteile bzw. hat die oben angeführten Nachteile nicht:

- Im Gegensatz zur gewichts- oder formstabilen Konstruktion ist die Kon struktion minimalen Schwankungen unterworfen.
- Durch die geringe Anfälligkeit für Schwankungen lassen sich Vorrichtungen installieren, die sonst zur Instabilität und zur Stimulation von Schwingun gen neigen würden, wie z. B. Windkraftanlagen.
- Da die Auslenkungen der Vorrichtung gering sind, lassen sich Geräte in stallieren, die für Schwankungen empfindlich sind oder deren Funktion durch Schwankungen beeinträchtigt würde, wie z. B. Leuchtfeuer mit großer Tragweite, deren Sektoren bei Schwankungen wandern könnten.
- Im Gegensatz zum festen, auf dem Meeresgrund stehenden Gebäude kön nen die Verbindungen mit den Verankerungspunkten im Meeresgrund sehr dünn sein, da nur Zugkräfte aufgenommen werden und keine weiteren Anforderungen an die Verbindung gestellt werden. Auswaschungen durch Störung der Strömungsverhältnisse können daher vermieden werden.
- Der Transport der Konstruktion an den Einsatzort kann im zusammenge bauten Zustand schwimmend erfolgen.
- Die Anforderungen an die Lage des Schwerpunktes in der Höhe verschwin den, da der Schwerpunkt nicht mehr verlagert werden kann.

Das zusätzlich zur Kompensation eines kippenden Drehmoments erforderliche Auftriebskörpervolumen ist abhängig vom Abstand der Haltepunkte am Schwimmkörper. Als Beispiel betrachtet man eine Konstruktion, bei der die Auftriebskraft in der Mitte zwischen zwei Haltepunkten angreift. Ein störendes Drehmoment ruft an den Haltepunkten die Kraft F F = 2D/d hervor. Dabei ist D das Drehmo ment und d der Abstand zwischen den Verankerungspunkten. Die Kraft darf nicht dazu führen, dass die Verbindungen vollständig entlastet werden. Der Auftriebskörper muss nun gerade soviel Auftrieb erbringen, dass er die nach unten wirkende Kraft noch kompensieren kann. In der Mitte muss also eine zusätzliche Auftriebskraft mit dem Betrag von F aufgebracht werden. Vergleicht man das erforderliche Auftriebskörpervolumen mit gewichts- und formstabilen Auftriebskörpern gleicher Ausdehnung, ergibt sich folgendes: Wenn der form stabile Auftriebskörper sein Auftriebskörpervolumen ganz an seinem äußeren Rand hat, so kann er das gleiche Drehmoment kompensieren wie die veranke rungsstabilisierte Trägerboje. Es ist jedoch eine gewisse Krängung erforderlich. Bei gewichtsstabilen Auftriebskörpern hängt das erforderliche zusätzliche Ge wicht von der Lage des Schwerpunktes ab. Sind der Angriffspunkt von Auf triebskraft und Schwerkraft genauso weit entfernt wie Haltepunkt und Angriffs punkt der Auftriebskraft einer verankerungsstabilisierten Trägerboje, so wird das Drehmoment bei 90°-Schräglage kompensiert werden, falls die Gewichts kraft genauso groß ist wie die bei der verankerungsstabilisierten Trägerboje er forderliche zusätzliche Auftriebskraft. Bei vergleichbaren Abmessungen ist die verankerungsstabilisierte Trägerboje also wesentlich stabiler als form- und ge wichtsstabile Schwimmkörper.

Leider stellt die Wellenbewegung an die Belastbarkeit der Vorrichtung hohe Anforderungen. Um mit diesem Problem fertig zu werden, gibt es verschiedene Möglichkeiten:

- Die Anlage wird so ausgelegt, dass sie den Belastungen standhält.
- Teile des Auftriebskörpers werden beweglich mit dem übrigen Teil ver bunden, so dass sie in einigen Richtungen schwojen können und in diesen Richtungen weniger Kräfte übertragen. (Diese Methode wird weiter unten erläutert.)
- Oder die ganze Anlage wird so ausgelegt, dass bei Bedarf weitere Bewe gungsfreiheitsgrade freigegeben werden können.

Im folgenden Ausführungsbeispiel wird eine Konstruktion beschrieben, die eine Jahrhundertwelle (28 m), wie sie in der Nordsee südlich des 59. Breiten grades auftritt, übersteht (Wassertiefe < 143 m). Die Wellenperiode beträgt √6.5 . Wellenhöhe, was der steilsten, in der Nordsee auftretenden Welle ent spricht. Diese Vorrichtung wurde numerisch simuliert.

Ausführungsbeispiel

Als Schwimmkörper dient hier eine aus Rohren bestehende Konstruktion, wobei die Rohre die Kanten eines Tetraeders bilden. Eine Fläche des Tetraeders liegt horizontal und hat die Form eines gleichseitigen Dreiecks. Die drei Eckpunkte bilden die Haltepunkte für die Verankerungsverbindungen.

Der vierte Eckpunkt des Tetraeders befindet sich über der Mitte des Drei ecks. An ihm setzt der Mast der Windkraftanlage an. Die Rohre zwischen diesem Punkt und den Haltepunkten bilden einen Winkel von 60° zur Senkrechten. Sie haben eine Länge von 45 m und einen Durchmesser von 1.65 m. Die Höhe des Mastes wurde mit 60 m angenommen. Der Ansatzpunkt des Mastes befindet sich 10 m unter der Wasserlinie (bei ruhigem Wasser) Es wurde eine Wandstärke von 1 cm bei Rohren und Mastangenommen (Material: Stahl). Zusätzlich wur de eine Beladung von 70 Tonnen angenommen. Der Auftriebskörper verdrängt 1000 m³ (bei ruhigem Wasser). Die Vorrichtung wird so verankert dass die An kerseile jeweils in einem Winkel von 60°. Zur Senkrechten verlaufen. Es wurde angenommen, dass ein Winddruck von 400 kN in Nabenhöhe auf die Anlage wirkt. Die Konstruktion ist in Abb. 2 dargestellt. Der Kräfteverlauf für die Jahrhundertwelle ist in Abb. 3 dargestellt.

Die zur Simulation verwendeten Formeln wurden sämtlich dem Buch "Mee restechnik" von Peter Wagner entnommen. Dort finden sich Angaben zur Berech nung der Wasserbeschleunigung und Wassergeschwindigkeit in Abhängigkeit von Ort, Zeit. Wellenhöhe, Länge, Periode und Wassertiefe.

Es gibt dort ebenfalls Formeln, welche die von Wasserbeschleunigung und Wassergeschwindigkeit an zylindrischen Rohren hervorgerufenen Kräften be schreiben.

Die Formeln mussten bezüglich der Beschleunigungskomponente etwas an die Gegebenheiten angepasst werden, da im Buch nur Formeln für unendlich lange senkrechte Rohre aufgeführt sind und deshalb nur die Beschleunigung senkrecht zur Stange berücksichtigt wird. Die Beschleunigungskraft entsteht durch den Druckunterschied, der durch die Beschleunigung und die Masse des Wassers hervorgerufen wird. Der Druckunterschied summiert sich also zwischen Anfang und Ende einer endlichen Stange.

Bezüglich der Geschwindigkeitskomponente wurde darauf verzichtet, die En den zu berücksichtigen, da hier im wesentlichen die Querschnittsfläche eine Rolle spielt.

Um die Funktionsfähigkeit des in dieser Patentschrift dargestellten Prinzips zu zeigen, wurde eine Konstruktion mit relativ dünnen zylindrischen Rohren simuliert, da hier das Verhältnis von Auftrieb zu den durch die Wellen verur sachten Kräften besonders ungünstig ist: Die von dem vorbeiströmenden Wasser verursachte Kraft ist abhängig von der Querschnittsfläche, und der Auftrieb ist abhängig vom Volumen. Ferner ist die Konstruktion sehr ausgedehnt, so dass die Wellen ein hohes Drehmoment an ihnen hervorrufen können. Günstiger für das Verhalten wäre eine Konstruktion, bei der ein Großteil der Wasserverdrängung von einem Verdrängungsvolumen in der Mitte der Konstruktion erbracht wird.

Des weiteren ist für dünne Rohre die Annahme, die den verwendeten Formeln zugrunde liegt, - nämlich, dass die Gestalt der Welle durch die Konstruktion nur unwesentlich beeinflusst wird - besonders gut erfüllt.

Zum Ergebnis der Simulation Abb. 3 ist folgendes anzumerken: Die Linien mit gleicher Markierung geben stets die Kräfte auf Verbindungen wieder, die an dem selben Haltepunkt am Schwimmkörper angreifen. Die Tatsache, dass die Kräfte durch die Wellenbewegung nicht um eine gemeinsame Ruhelage os zilliaren, resultiert daher, dass durch den Wind eine Kraft von 400 kN am Mast wirkt. Diese Kraft entspricht in etwa der fünffachen Kraft, die entstehen würde, wenn eine Windkraftanlage mit 1.5 MW Leistung bei 13 m/s und einer Rotorfläche von 3400 qm auf der Vorrichtung installiert ist.

Im flacheren Nordseewasser werden die Beanspruchungen durch die Wel len größer. Deshalb wurde eine weitere Simulation für 50 m Wassertiefe durch geführt. Die Konstruktion wurde für diese Situation etwas verändert: Es wurde ein zusätzliches Auftriebsvolumen im Mittelpunkt zwischen den Haltepunkten angebracht. Wieder zeigt sich (Abb. 4), dass die Verbindungen zu keinem Zeit punkt vollständig entlastet werden.

Die Kräfte auf den Rotor lassen sich wie oben beschrieben durch Abschalten erheblich reduzieren. Ferner können Maßnahmen eingeleitet werden, wie das Aus-dem-Wind-Drehen des Rotors oder das Verstellen der Rotorblätter, so dass diese Belastung stark abnimmt.

Weitere Möglichkeiten zum Überstehen grosser Wel len

Neben der oben gezeigten Möglichkeit, die Vorrichtung so auszulegen, dass sie allen im Seegebiet möglichen Kräften widersteht, bestehen weitere Möglichkei ten:

Schwojen wird der Vorrichtung ermöglicht, indem die Verbindungen nicht einzeln realisiert werden, sondern als fortlaufendes Seil durch alle Punkte geführt werden. Durch eine Klemmvorrichtung können die Seile im Normalbetrieb fest gehalten werden. Bei Überlastung oder Gefahr der Entlastung einzelner Seile wird die Klemmvorrichtung gelöst, und die Boje kann sich auf einer konvexen Fläche frei bewegen. Ferner gewinnt sie Rotationsbewegungsfreiheitsgrade, die mit einem Abtauchen verbunden sind. Die energetisch günstigste Lage für die Vorrichtung ist die, in der sie möglichst weit oben ist. Ist der Schwammkörper symmetrisch konstruiert und sind die Verankerungspunkte ebenfalls Symme trisch angeordnet, so ist die Ruhelage bei unbewegter See und Windstille wie derum die Betriebsposition, so dass die Klemmen hier nach einem Unwetter wieder arretiert werden können.

Bewegliche Auftriebskörper werden mit dem Auftriebskörper, an dem sich die Haltepunkte befinden, über gelenkte Seile oder andere Verbindungseinrich tungen verbunden. Die Gelenke oder Seile übertragen die Auftriebskraft dieses Auftriebskörpers auf den Körper mit den Haltepunkten und der Anlage, ermögli chen jedoch ein Schwojen in verschiedenen Richtungen, so dass von den Wellen in diesen Richtungen keine Kraft auf den Auftriebskörper übertragen werden kann.

Es ist zweckmäßig, den oder die beweglichen Auftriebskörper möglichst aus gedehnt zu gestalten: Erstreckt sich der Auftriebskörper über einen großen Teil der Welle, kompensieren sich die durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Wassers in der Welle gegenüber dem Auftriebskörper verursachten Kräfte gegenseitig. Diese Kräfte werden dann nicht mehr auf Körper mit den Halte punkten übertragen.

Um die Bewegung des Auftriebskörpers zu begrenzen, kann man an ihm An kerleinen anbringen, die direkt zum Meeresgrund verlaufen. Wird eine kurze, schwere Ankerkette entsprechend bemessen, so kann man erreichen, dass der bewegliche Auftriebskörper bereits bei einer kleinen Auslenkung eine rücktrei bende Kraft erfährt, die seinen Bewegungsspielraum ausreichend begrenzt, um ein Anschlagen an Teilen der unbeweglichen Anlage zu verhindern.

In Abb. 5 ist die oben beschriebene Vorrichtung mit einem solchen zusätz lichen Auftriebskörper dargestellt. Der zusätzliche Auftriebskörper hat dort die Form eines Ringes und umgibt die gesamte Anlage. Er ist über drei Seile mit der Anlage verbunden. Es sind Ankerleinen mit daran befestigten Ankerket ten dargestellt, die den Bewegungsspielraum des zusätzlichen Schwimmkörpers einschränken.

Ausführung der einzelnen Komponenten

Um die Konstruktion auszuführen, braucht man einen Schwimmkörper mit den Haltepunkten, Verankerungspunkte im Untergrund und die Verbindung zwischen den Verankerungspunkten im Untergrund und den Haltepunkten am Schwimmkörper.

Verankerung

Da die Verbindungen keinen Raum zum Schwojen lassen sol len, müssen die Verbindungen zwischen Haltepunkten und Verankerungen gerade verlaufen. Sie übertragen die Kräfte in der Richtung, in der sie gespannt sind. Aus dieser Tatsache ergeben sich besondere Anforderungen an die Veran kerungen bezüglich der Richtung, in der sie diese Kräfte aufnehmen. (Im oben berechneten Beispiel in einem Winkel von 60° zur Senkrechten.)

Insbesondere kommen folgende Verankerungsmethoden in Betracht:

- Dragen Anker stoßen bei den erforderlichen Kräften noch fast auf die Grenzen ihrer Belastbarkeit. Es wäre ein zusätzliches Gewicht erforderlich, das der von den Verbindungen ausgeübten Kraft ihre senkrechte Kompo nente nimmt. Mit einem solchen Gewicht ist die Halterung der beschrie benen Konstruktion mittels eines Dragens möglich.
- Rammpfahlanker Ein Haltegestell, das den Ansatz der Verbindung auf nimmt, wird mit Hilfe von gerammten Pfählen am Boden des Gewässers befestigt. Bei diesem Vorgehen hat man die Möglichkeit, mehrere Pfähle zusammenzufassen und so eine fast beliebige Haltekraft zu erreichen. Nach teil bei diesem Vorgehen ist, dass die senkrechte Komponente der Kraft die Größe und Zahl der zu verwendenden Pfähle bestimmt, weil die maxima le horizontale Belastung eines Rammpfahlankers wesentlich höher werden darf als die Vertikale
- Gewichtsanker sind ebenfalls geeignet. Es ist jedoch erforderlich, ih re Gewichtskraft so zu bemessen, dass nach Kompensation der vertika len Kraftkomponente noch ein ausreichender Anpressdruck an den Unter grund übrig bleibt. Der Einsatz einer Schürze ist zweckmäßig.
- Die Kombination von Gewichts- und Rammpfahlanker bietet die optimale Ausnutzung der Eigenschaften von beidem: Wird das Gewicht so groß wie die vertikale Komponente der Kraft bemessen, müssen die Pfähle lediglich die übrigen horizontalen Kräfte aufnehmen.

Verbindungen

Als Ankerverbindungen kommen verschiedene Verfahren in Betracht. Für Hängebrücken werden Seile von sehr hoher Belastbarkeit und geringer Elastizität gebraucht. Die dort verwendeten Methoden können auf die ses entsprechend auch hier Anwendung finden. Es gibt für die Anwendung bei Schrägseilbrücken bereits Drahtseile, die einer Belastung von über 20 MN Zug kraft standhalten. Bei diesen Drahtseilen handelt es sich meistens um Paral leldrahtbündel. Eine Beschreibung solcher Drahtseile findet sich z. B. in Roik "Schrägseilbrücken". Ernst und Sohn.

Um die Elastizität der Paralleldrahtbündel herabzusetzen, gibt es die Möglich keit, sie vor dem Einbau vorzustrecken.

Außerdem gibt es Verfahren, bei denen die Elastizität z. B. durch unterschied liche Wärmebehandlung und Walzen des Paralleldrahtbündels angepasst wird. Es ist zweckmäßig, von diesen Möglichkeiten Gebrauch zu machen.

Neben den Stahlseilen, die bisher für Schrägseilbrücken Anwendung fin den, gibt es Versuche mit Kunststoffasern, die jedoch bisher keine Anwendung im Schrägseilbrückenbau finden, weil dort wegen der auf der Brücke befindli chen Menschen keine hohen Risiken eingegangen werden dürfen. Da sich z. B. auf Windkraftanlagen selten Menschen befinden, würden diese ein gutes An wendungsgebiet für solche Seile bieten. Reicht die Belastbarkeit eines Parallel drahtbündels nicht mehr aus, so können mehrere parallel gespannte Parallel drahtbündel verwendet werden.

Eine weitere Möglichkeit bietet der Einsatz von Stahlrohren.

Will man das Durchhängen der Verbindung durch ihr Eigengewicht ver meiden, gibt es die Möglichkeit, die tragenden Elemente mit schwimmfähigem Material zu umgeben, so dass die Dichte der Verbindung der des Wassers ent spricht.

Schwimmkörper

Der Schwimmkörper muss den Auftrieb erbringen, um die Vorspannung der Seile zu erzeugen. Ferner muss er aber auch die Kräfte vertei len, die durch Wind und Wellen auf ihn wirken. Zu diesem Zweck ist es erforder lich, eine ausreichende Stabilität zu erzeugen. Es ist daher zweckmäßig, Stahl oder Ferrozement für die Teile zu verwenden, welche diese Kräfte übertragen. Außerdem lässt sich Stahl relativ dünn verarbeiten, so dass auch kleinere Exem plare damit realisiert werden können. Für ausgedehnte Auftriebskörper kommt auch Ferrozement in Betracht, da hier vornehmlich eine Druckbelastung zu ver kraften ist, die durch die Wassertiefe, in der sich die Boje zeitweilig befindet, verursacht wird.

Falls die Materialien dem Druck in größerer Tiefe standhalten, können auch andere, im Schiffbau übliche Materialien Verwendung finden (z. B. GFK).

Zusammenbau der Vorrichtung

Der Zusammenbau der Vorrichtung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Das besondere Problem beim Zusammenbau besteht darin, den Schwimmkörper unter Wasser mit den Seilen zu verbinden, so dass die Vorspannung entsteht. Es kommen hier verschiedene Verfahren in Betracht:

1. Die Seile, die an einem Verankerungspunkt zusammenlaufen sollen, wer den zusammengefasst. Die Einrichtungen, an denen die Vorrichtungen be festigt sind, werden anschließend an die Haltepunkte herangezogen und dort befestigt. Bei diesem Vorgehen muss die Kraft der Vorspannung an den Verbindungen mindestens beim Dichtholen der Verbindungen an dem letzten Haltepunkt aufgebracht werden. Zum Dichtholen muss dann eine Winde verwendet werden, die große Kräfte aufbringen kann. Für diese Winde muss ein Wiederlager auf dem Schwimmkörper existieren.
2. Die Kräfte lassen sich reduzieren, indem die Schwimmkörper so ausgelegt werden, dass sie sich mit Wasser füllen und anschließend wieder lenzen lassen. Die Anforderungen an die Winde können so reduziert werden.
3. Alternativ kann ein Kran verwendet werden, an dessen Zugseilen nicht nur die Vorrichtung, sondern auch ein Gewicht befestigt ist, das die Auf triebskörper unter Wasser drückt. Sind die Verbindungen erst befestigt, so können Gewicht und Kran von der Vorrichtung getrennt werden. Ein solches Verfahren ist günstig, wenn man auf einen bereits vorhandenen Kran zurückgreifen kann.

Bei all diesen Verfahren ist es erforderlich, eine Kupplung zu schaffen, die es ermöglicht, die Verbindungseinrichtungen an der Vorrichtung zumeist unter Wasser zu befestigen. Diese Befestigungen sollen die Haltepunkte bilden. Sie sollen keine Dreh- oder Torsionsmomente zwischen Schwimmkörper und Ver bindungen übertragen, sondern nur Zugkräfte.

Um dieses zu erreichen, können Kugelkupplungen verwendet werden. Ihr Prinzip ist von der Anhängerkupplung für PKWs bekannt: Sie bestehen aus einer Kugel auf der einen Seite, an der der eine zu verkuppelnde Teil befestigt ist. Auf der anderen Seite bilden mehrere Teile eine unvollständige Kugelschale, welche die Kugel umgibt. Zum Entkuppeln lassen sich bestimmte Teile - zu meist der sogenannte Sperrbolzen -, von denen die Kugelschale gebildet wird, zurückziehen, so dass der Rest der Kugelschale nicht mehr als eine Halbkugel bildet. Die Kugel kann nun entfernt oder hinein getan werden.

Um dieses Prinzip auf die hier beschriebene Vorrichtung anzuwenden, gibt es die Möglichkeit, die Verbindungseinrichtungen an der Kugel zusammenlaufen zu lassen. Die Leine zum Dichtholen wird durch die Kugelkupplung hindurch an die Kugel geführt. Das Verbinden kann über Wasser erfolgen. Anschließend wird die Kugel dicht geholt. Die Kupplung wird mit einem hydraulisch, mechanisch oder elektrisch angetriebenen Sperrbolzen verschlossen werden, so dass keine Unterwasserarbeiten erforderlich sind.

Allgemeine Bedingungen der Anwendbarkeit des Prinzips

Bedingung für das Funktionieren des Arbeistprinzips ist, dass die Auftriebskraft, welche die Vorspannung der Seile verursacht, nicht von den übrigen angreifenden Kräften kompensiert werden. Für das Kompensieren kommen nur Kräfte in Frage, die in der gleichen Richtung wirken wie die Auftriebskraft.

Bezüglich der Wellenbewegung müssen hier die von der Wasserbeschleuni gung und von der Wassergeschwindigkeit verursachten Kräfte unterschieden wer den.

Die Wasserbeschleunigung verursacht durch die Masseträgheit des Was sers eine Druckdifferenz in der Welle. Die Schwerkraft, die auf das Wasser wirkt, verursacht andererseits eine Druckdifferenz, die zur Erzeugung des Auftriebs führt. Befindet sich das Wasser im freien Fall, so kompensieren sich die Be schleunigungskraft und Schwerkraft gerade. Befindet sich das Wasser nicht im freien Fall, so überwiegt die von der Schwerkraft verursachte Auftriebskraft. Im freien Fall befinden sich die Wassermassen jedoch nur in der Brandungszone.

Durch Geschwindigkeit des Wassers ausgeübte Kräfte sind von der Gestalt des Schwimmkörpers abhängig. Sie hängen über einen Widerstandsbei wert mit der Querschnittsfläche des Körpers und mit der Geschwindigkeit des Wassers zusammen. Die Grenze ist hier gegeben durch die Möglichkeit, geeignete Auftriebskörper zu finden.

Es ist zweckmäßig, aus der Literatur Formen von Auftriebskörpern aus zuwählen, deren Widerstände bei den entsprechenden Strömungsgeschwindig keiten niedrig sind. Insbesondere ist auch die Wahl von Körpern mit kleinen Querschnittsflächen ratsam. Gibt es bestimmte Vorzugsrichtungen für die Wel lenbewegung, können die Auftriebskörper dahingehend optimiert werden, be sonders günstige Querschnittsflächen für die Richtungen, in denen die größten Geschwindigkeiten auftreten, zu haben. Um solche speziellen Auftriebskörper formen zu erhalten, kann man numerische Simulationen der Wellenbewegung zu Hilfe nehmen. Dabei kann man Verfahren anwenden, die den tatsächlichen Wasserfluss unter Berücksichtigung des Auftriebskörpers berechnen. Finite Ele mente Algorithmen bieten hier eine Möglichkeit.

Für Konstruktionen, in denen nicht alle Bewegungsfreiheitsgrade eingeschränkt sind, sind die Belastungen stets geringer. Die Funktionsfähigkeit solcher Kon struktionen ist deshalb mit dem Ausführungsbeispiel und den allgemeinen Über legungen auch gezeigt.

Zusammenfassung und Vergleich mit anderen Veran kerungssystemen

Es wurde zuvor eine Methode dargestellt, um eine Vorrichtung auf See oder an deren flüssigen Medien stabil gegen Bewegungen zu lagern. Die Funktionsfähig keit wurde anhand von Beispielrechnungen und prinzipiellen Überlegungen ge zeigt.

Es sind bereits andere Vorrichtungen bekannt, die mittels Verankerungen versuchen, eine Stabilität gegen bestimmte Bewegungen zu erreichen. Es gibt einige Bohrinseln, die vorgespannte, parallel und senkrecht zum Boden verlau fende Verankerungen verwenden, um ein Rollen des Schwimmkörpers zu ver hindern. Der Schwimmkörper hat jedoch die Möglichkeit, sich in jede beliebige Raumrichtung zu bewegen. Ferner kann der Schwimmkörper um die senkrechte Achse rotieren. Entsprechend wird bei diesen Schwimmkörpern auch nur ein re lativ kleiner Teil der Auftriebskraft darauf verwendet, die Vorspannung an den Verankerungsvorrichtungen zu erzeugen.

Des weiteren gibt es Vorrichtungen, die mit Hilfe von Systemen von An kerketten und Ankerleinen in einer Position gehalten werden, in dem diese in verschiedenen Richtungen ausgebracht werden. Ferner wird auch ein Schwanken der Vorrichtung gedämpft, indem die Befestigungspunkte und die Zugkräfte der Ankerleinen entsprechend günstig gewählt werden handelt sich jedoch immer um Vorrichtungen, die eine Bewegung zulassen. Diese Vorrichtungen müssen über einen tief liegenden Schwerpunkt verfügen, um aufrecht zu bleiben. Das Neue an der oben dargestellten Vorrichtung hingegen ist, dass sie der Wellenbewegung und dem Winddruck standhält, ohne sich zu bewegen.

Claims

1. Vorrichtung zur stabilen Lagerung von Anlagen auf See, bestehend aus mindestens einem Schwimmkörper (1), Haltepunkten (2), die fest mit der Anlage verbunden sind, Verankerungspunkten (3) im Untergrund sowie Verbindungseinrichtungen (4) zwischen den Haltepunkten (2) und den Verankerungspunkten (3), welche durch die Auftriebskraft des Schwimmkörpers (1) vorgespannt sind und nur Zugbelastungen aufnehmen gekennzeichnet dadurch, dass die Verbindungseinrichtungen den auf sie wirkenden Kräften nicht derart nachgeben, dass die Kräfte durch die resultierende Bewegung nicht wesentlich gegenüber den Kräften herabgesetzt werden, die auftreten würden, wenn die Verbindung überhaupt nicht nachgeben würde.

2. Vorrichtung wie in 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Verbindungsein richtungen (3) in mindestens zwei Richtungen verlaufen, so dass mehrere Bewegungsfreiheitsgrade blockiert sind.

3. Vorrichtung wie in 2, mit drei Haltepunkten (2), drei Verankerungspunk ten (3) sowie sechs Verbindungseinrichtungen (4), gekennzeichnet dadurch, dass nicht alle Haltepunkte (2) und nicht alle Verankerungspunkte (3) auf, einer Linie liegen. Des weiteren verbinden die Verbindungseinrichtungen (4) jeweils unterschiedliche Punkte.

4. Vorrichtung wie in 3, die zusätzlich mindestens einen weiteren Haltepunkt (2) oder Verankerungspunkt (3) oder eine weitere Verbindungseinrichtung (4) aufweist.

5. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, ge kennzeichnet dadurch, dass das gesamte Auftriebskörpervolumen fest mit der Anlage verbunden ist.

6. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, ge kennzeichnet dadurch, dass das Auftriebskörpervolumen (1) beweglich mit der Anlage verbunden ist, so dass es mindestens einen Freiheitsgrad zum Schwojen hat.

7. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, ge kennzeichnet dadurch, dass mehrere Auftriebskörper (1) beweglich mit der Anlage verbunden sind.

8. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 6 und 7, ge kennzeichnet dadurch, dass mindestens einer der beweglichen Auftriebskörper zusätzlich durch eine Kombination von Ankerketten und -leinen (5) gehal ten wird.

9. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, ge kennzeichnet dadurch, dass an mindestens einem beweglichen Auftriebskörper weitere Anlagenteile befestigt sind.

10. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, ge kennzeichnet dadurch, dass die Vorspannung ausreicht, um die Verbin dungseinrichtungen gespannt zu halten, wenn die maximalen Belastungen auf die Vorrichtung wirken, für die sie ausgelegt ist.

11. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, ge kennzeichnet dadurch, dass die Verbindungseinrichtungen durch ein fort laufendes Seil hergestellt sind, das abwechselnd von Haltepunkt (2) zu Verankerungspunkt (3) läuft. Das Seil kann im Normalzustand in den Haltepunkten festgeklemmt werden. Bei zu großer Belastung können die Klemmen gelöst werden, so dass ein Schwojen in mehreren Freiheitsgraden möglich wird.

12. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, ge kennzeichnet dadurch, dass mindestens eine der Verbindungseinrichtungen aus einem Paralleldrahtbündel besteht.

13. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 12, gekenn zeichnet dadurch, dass mindestens eins der Paralleldrahtbündel vorge streckt ist.

14. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, ge kennzeichnet dadurch, dass mindestens eine der Verbindungseinrichtungen aus Stahlrohren besteht.

15 Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, ge kennzeichnet dadurch, dass mindestens eine der Verbindungseinrichtungen aus Kohlefasern besteht.

16. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, 12, 13 oder 15, gekennzeichnet dadurch, dass die Verbindungseinrichtungen mit Hilfe von Kugelkupplungen an den Haltepunkten befestigt werden.

17. Vorrichtung entsprechend Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, dass zwei Verbindungseinrichtungen auf die Kugel geführt werden, wobei eine der Verbindungen über ein Gelenk mit der Kugel verbunden ist, dessen Dreh achse in der Mitte der Kugel liegt. Die andere Verbindung verläuft in einem stumpfen Winkel oder senkrecht zur Drehachse, so dass es möglich ist, den Winkel zwischen den beiden Verbindungseinrichtungen zu verändern.

18. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem mindestens einer der Verankerungspunkte im Untergrund durch Rammpfahl anker hergestellt wird.

19. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, bei mindestens einer der Verankerungspunkte im Untergrund durch eine Kom bination aus Rammpfahl und Gewichtsanker hergestellt werden.

20. Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der auf der Vorrichtung eine Windkraftanlage installiert ist 21 Vorrichtung entsprechend mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, auf dem ein Leuchtfeuer befestigt ist.