DE10056857A1 - Verankerungsstabilisierte Trägerboje - Google Patents
Verankerungsstabilisierte TrägerbojeInfo
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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.
Man möchte durch Verdrängen von Wasser einen zusätzlichen Auftrieb erzeugen
Der Betrag des aufrichtenden Moments ergibt sich aus
Daufrichtend = 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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 (20)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10056857A DE10056857B4 (de) | 1999-11-18 | 2000-11-16 | Verankerungsstabilisierte Trägerboje |
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---|---|---|---|
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DE10056857A DE10056857B4 (de) | 1999-11-18 | 2000-11-16 | Verankerungsstabilisierte Trägerboje |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10056857A1 true DE10056857A1 (de) | 2001-07-26 |
DE10056857B4 DE10056857B4 (de) | 2004-05-27 |
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10056857B4 (de) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1234978A2 (de) * | 2001-02-27 | 2002-08-28 | Remmer Dipl.-Ing. Briese | Off-Shore-Windkraftanlage |
WO2006121337A1 (en) * | 2005-05-06 | 2006-11-16 | Norsk Hydro Asa | Anchoring arrangement for floating wind turbine installations |
DE102006033215A1 (de) * | 2006-07-13 | 2008-01-31 | They, Jan, Dr. | Auftriebsgestützte Offshore-Gründung für Windenergieanlagen und andere Bauwerke |
DE102006056772A1 (de) * | 2006-12-01 | 2008-06-05 | Joachim Falkenhagen | Verfahren zur Schiffsstabilisierung durch Zugverbindungen zu auf den Grund abgesenkten Gewichten |
NO20092792A (no) * | 2009-07-31 | 2010-09-20 | Univ I Stavanger | Framgangsmåte for forankring av flytende vindturbin samt system for anvendelse ved utøvelse av framgangsmåten |
CN101566130B (zh) * | 2008-04-23 | 2010-12-22 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种防翻倾悬浮式风电机组 |
EP2311725A2 (de) | 2009-10-16 | 2011-04-20 | Jähnig, Jens | Schwimmfundament mit verbesserter Abspannung |
WO2013152757A1 (de) * | 2012-04-10 | 2013-10-17 | N.Prior Energy Gmbh | Verfahren zum herstellen einer gründung für offshore-windenergieanlagen |
US20140103664A1 (en) * | 2012-05-11 | 2014-04-17 | Zachry Construction Corporation | Offshore wind turbine |
EP3012183A1 (de) | 2014-10-24 | 2016-04-27 | HAB Hallen- und Anlagenbau GmbH | Sauganker |
CN110796932A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-02-14 | 中国交通建设股份有限公司 | 浮力模拟装置、悬浮隧道结构研究装置及研究方法 |
WO2024030032A1 (en) * | 2022-08-04 | 2024-02-08 | Aker Solutions As | Mooring system |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102009054608A1 (de) | 2009-12-14 | 2011-06-16 | GICON-Großmann Ingenieur Consult GmbH | Unterwassertragsystem für Anlagen |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2837753A (en) * | 1957-02-14 | 1958-06-10 | Amos L Lewis | Seadrome light support |
US3082608A (en) * | 1960-05-30 | 1963-03-26 | Intercontinental Marine Dev Lt | Marine platform |
US4702321A (en) * | 1985-09-20 | 1987-10-27 | Horton Edward E | Drilling, production and oil storage caisson for deep water |
US5558467A (en) * | 1994-11-08 | 1996-09-24 | Deep Oil Technology, Inc. | Deep water offshore apparatus |
-
2000
- 2000-11-16 DE DE10056857A patent/DE10056857B4/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1234978A2 (de) * | 2001-02-27 | 2002-08-28 | Remmer Dipl.-Ing. Briese | Off-Shore-Windkraftanlage |
EP1234978A3 (de) * | 2001-02-27 | 2005-11-02 | Remmer Dipl.-Ing. Briese | Off-Shore-Windkraftanlage |
WO2006121337A1 (en) * | 2005-05-06 | 2006-11-16 | Norsk Hydro Asa | Anchoring arrangement for floating wind turbine installations |
NO325261B1 (no) * | 2005-05-06 | 2008-03-17 | Norsk Hydro As | Forankringsarrangement for flytende vindturbininstallasjoner. |
JP2008540902A (ja) * | 2005-05-06 | 2008-11-20 | ノルスク・ヒドロ・アーエスアー | フロート式風力タービン設備用の固定装置 |
DE102006033215A1 (de) * | 2006-07-13 | 2008-01-31 | They, Jan, Dr. | Auftriebsgestützte Offshore-Gründung für Windenergieanlagen und andere Bauwerke |
EP1878652A3 (de) * | 2006-07-13 | 2008-08-27 | Jan They | Auftriebsgestützte Offshore-Gründung für Windenergieanlagen und andere Bauwerke |
DE102006033215B4 (de) * | 2006-07-13 | 2008-11-06 | They, Jan, Dr. | Vorrichtung zur stabilen Lagerung von Anlagen oder Bauwerken auf See |
DE102006056772A1 (de) * | 2006-12-01 | 2008-06-05 | Joachim Falkenhagen | Verfahren zur Schiffsstabilisierung durch Zugverbindungen zu auf den Grund abgesenkten Gewichten |
CN101566130B (zh) * | 2008-04-23 | 2010-12-22 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种防翻倾悬浮式风电机组 |
NO20092792A (no) * | 2009-07-31 | 2010-09-20 | Univ I Stavanger | Framgangsmåte for forankring av flytende vindturbin samt system for anvendelse ved utøvelse av framgangsmåten |
WO2011014075A1 (en) * | 2009-07-31 | 2011-02-03 | Universitetet I Stavanger | Method of anchoring a floating wind turbine and also a system for use during practice of the method |
EP2311725A2 (de) | 2009-10-16 | 2011-04-20 | Jähnig, Jens | Schwimmfundament mit verbesserter Abspannung |
DE102009044278A1 (de) | 2009-10-16 | 2011-04-21 | JÄHNIG, Jens | Schwimmfundament mit verbesserter Abspannung |
US8657534B2 (en) | 2009-10-16 | 2014-02-25 | Gicon Windpower Ip Gmbh | Floating platform with improved anchoring |
WO2013152757A1 (de) * | 2012-04-10 | 2013-10-17 | N.Prior Energy Gmbh | Verfahren zum herstellen einer gründung für offshore-windenergieanlagen |
US20140103664A1 (en) * | 2012-05-11 | 2014-04-17 | Zachry Construction Corporation | Offshore wind turbine |
US9476409B2 (en) * | 2012-05-11 | 2016-10-25 | Zachry Construction Corporation | Offshore wind turbine |
EP3012183A1 (de) | 2014-10-24 | 2016-04-27 | HAB Hallen- und Anlagenbau GmbH | Sauganker |
DE102014015801A1 (de) | 2014-10-24 | 2016-04-28 | Hab Hallen- Und Anlagenbau Gmbh | Sauganker |
CN110796932A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-02-14 | 中国交通建设股份有限公司 | 浮力模拟装置、悬浮隧道结构研究装置及研究方法 |
WO2024030032A1 (en) * | 2022-08-04 | 2024-02-08 | Aker Solutions As | Mooring system |
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