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Die Erfindung betrifft eine verankerungsstabilisierte
Trägerboje
zur stabilen Lagerung von Auftriebskörpern und darauf befestigten
Anlagen.
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Will man Plattformen für technische
Anlagen auf See oder auf anderen Gewässern schaffen, so hat man üblicherweise
die Wahl zwischen zwei Verfahren:
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- – Man
errichtet auf dem Meeresgrund ein fest stehendes Bauwerk, das ggf.
aus dem Wasser ragt und die Anlage trägt.
- – Die
zweite Möglichkeit
besteht darin, einen Auftriebskörper
zu konstruieren, dessen Auftriebskraft ihn an der Wasseroberfläche hält.
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Bei der ersten Methode erreicht man
eine hohe Orts- und Neigungsstabilität, hat aber hohe Anforderungen
an den Untergrund und die Strömungsverhältnisse:
Der Untergrund muss belastbar genug sein, um die Konstruktion mit
der darauf befindlichen Anlage zu tragen. Zudem muss er stabil gegen
Auswaschungen sein, die von der Konstruktion selbst durch eine Veränderung
der herrschenden Strömungsverhältnisse
ausgelöst
werden können.
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Bei Auftriebskörpern existieren die hohen Anforderungen
an den Untergrund nicht. Die üblichen
Methoden zur Stabilisierung des Auftriebskörpers ermöglichen jedoch keine so hohe
Stabilität
gegen Schwankungen. Ferner stellt die Erzielung der Ortsfestigkeit
des Auftriebskörpers
ein weiteres Problem dar.
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Zur Stabilisierung der Auftriebskörper werden üblicherweise
zwei Techniken angewandt: Das ist zum einen die Form und zum anderen
die Gewichtsstabilität.
Diese Prinzipien sind hinlänglich
bekannt. Sie nutzen die unterschiedlichen Angriffspunkte von Auftriebskraft
und Gewichtskraft aus, um ein stets aufrichtendes Drehmoment zu
erzeugen. Das aufrichtende Moment entsteht dadurch, dass bei Auslenkung
aus der stabilen Lage der Angriffspunkt der Auftriebskraft nicht
mehr über
dem Angriffspunkt der Schwerkraft (
US 3 082 608 A ) liegt. Die Kräfte kompensieren
sich jetzt nicht mehr direkt gegenseitig. Es entsteht ein Drehmoment,
das sich aus dem Abstand der beiden Angriffspunkte und der zur Verbindungslinie
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
stabilisierendes Moment erreicht, indem die Form des Auftriebskörpers so
gestaltet wird, dass der Angriffspunkt der Auftriebskraft schnell
in die Richtung auswandert, zu der der Körper geneigt wird.
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Beide Methoden stellen besondere
Anforderungen an die Beschaffenheit des Auftriebskörpers. Die
Gewichtsstabilität
verlangt einen tief liegenden Schwerpunkt und ggf. die zusätzliche
Anbringung von Ballast. Das wiederum führt zu einer Vergrößerung des
Auftriebskörpers.
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Die Formstabilität verlangt, dass der Auftriebskörper bei
geringer Krängung
eine große
zusätzliche
Menge Flüssigkeit
auf der Seite verdrängt, zu
der er hin geneigt wird.
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Ferner ist bei beiden Methoden eine
Auslenkung erforderlich, damit die Kräfte auftreten, die die störende Kraft
kompensieren. Daraus entstehen im wesentlichen zwei Nachteile:
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- – Sind
hoch aufragende Anlagen auf dem Auftriebskörper befestigt, so verstärken diese
bei Schräglage
das neigende Drehmoment.
- – Durch
einen nachteiligen Zusammenhang von Drehmoment und Auslenkung aus
der stabilen Lage erhält
man einen Oszillator: Ist die Anlage, die sich auf dein Auftriebskörper 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).
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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 schräg stehendem 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.
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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.
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Eine weitere Besonderheit von Windkraftanlagen
besteht darin, dass die Kraft besonders groß wird, wenn der Wind gerade
die Stärke
hat, bei der die Anlage 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
Geschwindigkeit weniger reduziert werden, weil zum einen der Zusammenhang Geschwindigkeit – Energie
quadratisch ist.
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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 (
US 2 837 753 A ).
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Größte Belastung durch Wind und
Welle treten hier also nicht gleichzeitig auf.
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Ferner gibt es Anlagen, bei denen
die Stabilität
gegen kleine Schwankungen eine Rolle spielt. Leuchtfeuer großer Tragweite,
die Schiffen die Navigation ermöglichen
sollen, müssen
fest stehende Leuchtsektoren haben, da sonst die Leuchtsektoren wandern
und Navigation nicht präzise
möglich
ist.
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Zur Stabilisierung von Bohrinseln
sind einige Verfahren bekannt, die zur Ausrichtung über dem Bohrloch
verschiedene Ankerketten verwenden, um ihre Vorrichtung stabil zu
halten. Die Stabilität
gegenüber
dein 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 Objektes aus und lassen ihr einen nicht unerheblichen Bewegungsspielraum.
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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
(WO 9614 473 A1;
US
4 702 321 A ).
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All diesen Systemen ist gemeinsam,
dass sie eine Ausweichbewegung des Systems gegenüber den Wellenbewegungen des
Seegangs zulassen.
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Die Aufgabe besteht darin, einen
Körper
im Wasser über
einem festen Untergrund stabil zu lagern. Störende Kräfte, die durch das Wasser oder
andere Einflüsse
ausgeübt
werden, sollen an den Untergrund weitergegeben werden, wobei die
Verbindungen zum Untergrund die Strömungsverhältnisse nicht beeinflussen
sollen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit
den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind
in den Unteransprüchen
enthalten. 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.
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Verwendet man mehr als eine Verbindung, können die
einzelnen Verbindungen auch diagonal vorn Untergrund zum Auftriebskörper verlaufen,
solange sich die von den Verbindungen senkrecht zur Auftriebskraft
wirkenden, ausgeübten
Kräfte
gegenseitig kompensieren.
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Wirkt nun eine störende Kraft auf den Auftriebskörper oder
eine Seite des Auftriebskörpers und
ist diese Kraft oder ihre Komponente zu einer der Verbindungen zwischen
Verankerungspunkt im Untergrund und Befestigungsunkten 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.
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Um die Verbindungen zu entspannen,
ist es erforderlich, dass sich die Verbindungen etwas verkürzen. Wie
groß diese
Verkürzung
ist, hängt
jedoch lediglich von der Beschaffenheit der Verbindungen selbst
ab:
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- 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 Verbindungseinrichtung weniger durchhängt und
sich die Punkte, zwischen denen sie gespannt ist, voneinander wegbewegen.
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Insbesondere letztere Eigenschaft
wird bei Verankerungseinrichtungen ausgenutzt, welche den Seegang
dadurch überstehen,
dass sie sich mit dein 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.
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Durch die Wahl geeigneter Verbindungseinrichtungen
kann die hervorgerufene Bewegung auf die Größenordnung der Bewegung von
festen Bauwerken reduziert werden.
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Will man erreichen, dass die Anlage
keine Bewegung gegenüber
dem Grund ausführt,
so ist es erforderlich, dass man am Auftriebskörper drei Haltepunkte und auf
dem Untergrund ebenfalls drei Verankerungspunkte vorsieht. Die Punkte
dürfen
nicht auf einer Linie liegen. Es muss mindestens sechs Verbindungen
zwischen den Verankerungspunkten und den Haltepunkten am Auftriebskörper geben,
die jeweils unterschiedliche Punkte miteinander verbinden. Von jedem
der Verankerungs- und Haltepunkte muss mindestens eine Verbindung
ausgehen. Durch eine Minimalkonstruktion mit drei Haltepunkten,
drei Verankerungspunkten 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 Veränderungen
im Untergrund zu Verschiebungen der Verankerungspunkte kommen, ergibt
sich wiederum eine neue, definierte Lage. Bei kleinen Anderungen
kann keine der Verbindungen vollständig entlastet werden, so dass
eine große
Veränderung
der Kräfteverhältnisse
auftritt. Durch Veränderung
der Länge
der Verbindungen kann die Lage wieder korrigiert werden. Die Minimalkonstruktion
mit drei Verankerungspunkten und drei Haltepunkten ist also von
Vorteil, weil eine besondere Unanfälligkeit gegenüber Instabilität des Untergrundes
besteht.
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Die beschriebene Konstruktion bietet
nun verschiedene Vorteile bzw. hat die oben angeführten Nachteile
nicht:
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- – Im
Gegensatz zur gewichts- oder formstabilen Konstruktion ist die Konstruktion
minimalen Schwankungen unterworfen.
- – Durch
die geringe Anfälligkeit
für Schwankungen
lassen sich Vorrichtungen installieren, die sonst zur Instabilität und zur
Stimulation von Schwingungen neigen würden, wie z.B. Windkraftanlagen.
- – Da
die Auslenkungen der Vorrichtung gering sind, lassen sich Geräte installieren,
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 können 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 zusammengebauten
Zustand schwimmend erfolgen.
- – Die
Anforderungen an die Lage des Schwerpunktes in der Höhe verschwinden,
da der Schwerpunkt nicht mehr verlagert werden kann.
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Das zusätzlich zur Kompensation eines
kippenden Drehmoments erforderliche Auftriebskörpervolumen ist abhängig vom
Abstand der Haltepunkte am Auftriebskörper. 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
hervor.
Dabei ist D das Drehmament und d der Abstand zwischen den Verankerungspunkten.
Die Kraft darf nicht dazu führen,
dass die Verbindungen vollständig
entlastet werden. Der Auftriebskörper
muss nun gerade so viel Auftrieb erbringen, dass er die nach unten
wirkende Kraft noch komperisieren 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 formstabile Auftriebskörper sein
Auftriebskörpervolumen ganz
an seinem äußeren Rand
Rand, so kann er das gleiche Drehmoment kompensieren wie die verankerungsstabilisierte
Trägerboje.
Es ist jedoch eine gewisse Krängung
erforderlich. Bei gewichtsstabilen Auftriebskörpern hängt das erforderliche zusätzliche Gewicht
von der Lage des Schwerpunktes ab. Sind der Angriffspunkt von Auftriebskraft
und Schwerkraft genauso weit entfernt wie Haltepunkt und Angriffspunkt
der Auftriebskraft einer verankerungsstabilisierten Trägerboje,
so wird das Drehmoment bei 90°-Schräglage kompensiert,
falls die Gewichtskraft genauso groß ist wie die bei der verankerungsstabilisierten
Trägerboje
erforderliche zusätzliche
Auftriebskraft. Bei vergleichbaren Abmessungen ist die verankerungsstabilisierte
Trägerboje
also wesentlich stabiler als form- und gewichtsstabile Auftriebskörper.
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Die Wellenbewegung stellt an die
Belastbarkeit der Vorrichtung hohe Anforderungen. Um mit diesen
fertig zu werden, gibt es verschiedene Möglichkeiten:
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- – Die
Anlage wird so ausgelegt, dass sie den Belastungen standhält.
- – Teile
des Auftriebskörpers
werden beweglich mit dem übrigen
Teil verbunden, 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 Bewegungsfreiheitsgrade
freigegeben werden können
(1).
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Im folgenden Ausführungsbeispiel wird eine Konstruktion
mittels Zeichnungen näher
beschrieben. Diese zeigen:
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1:
Verankerungsstabilisierte Trägerboje mit
ihren Komponenten.
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2:
Verankerungsstabilisierte Trägerboje mit
einem Tetraeder als Auftriebskörper.
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3a:
Verankerungsstabilisierte Trägerboje
für eine
Windkraftanlage mit zusätzlichem
Auftriebskörper.
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3b:
Verankerungsstabilisierte Trägerboje
für eine
Windkraftanlage mit einem ringförmigen zusätzliclien
Auftriebskörper
und daran befestigten Ankerleinen mit Ankerketten am Meeresboden.
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4:
Kräftediagramm
der Verbindungseinrichtungen im Seegang.
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Als Auftriebskörper 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 2 für die Verankerungsverbindungen 4 (2).
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Der vierte Eckpunkt des Tetraeders
befindet sich über
der Mitte des Dreiecks. An ihm setzt der Mast der Windkraftanlage
an. Die Rohre zwischen diesem Punkt und den Haltepunkten 2 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 Mast angenommen (Material: Stahl). Zusätzlich wurde
eine Beladung von 70 Tonnen angenommen. Der Auftriebskörper 1 verdrängt 1000
m3 (bei ruhigem Wasser). Die Vorrichtung
wird so verankert, dass die Ankerseile 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 2 dargestellt.
Der Kräfteverlauf
für die
Jahrhundertwelle ist in 4 dargestellt.
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Die zur Simulation verwendeten Formeln wurden
sämtlich
dem Buch „Meerestechnik" von Peter Wagner
entnommen. Dort finden sich Angaben zur Berechnung der Wasserbeschleunigung
und Wassergeschwindigkeit in Abhängigkeit
von Ort, Zeit, Wellenhöhe,
Länge,
Periode und Wassertiefe.
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Es gibt dort ebenfalls Formeln, welche
die von Wasserbeschleunigung und Wassergeschwindigkeit an zylindrischen
Rohren hervorgerufenen Kräfte
beschreiben.
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Die Formeln mussten bezüglich der
Beschleunigungskorriponente 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.
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Bezüglich der Geschwindigkeitskomponente wurde
darauf verzichtet, die Enden zu berücksichtigen, da hier im Wesentlichen
die Querschnittsfläche eine
Rolle spielt.
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Um die Funktionsfähigkeit des dargestellten Prinzips
zu zeigen, wurde eine Konstruktion mit relativ dünnen, zylindrischen Rohren
simuliert, da hier das Verhältnis
von Auftrieb zu den durch die Wellen verursachten 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 Wasserver drängung von einem
Verdrängungsvolumen
in der Mitte der Konstruktion erbracht wird.
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Des weiteren ist für dünne Rohre
die den verwendeten Formeln zugrunde liegende Annahme – nämlich, dass
die Gestalt der Welle durch die Konstruktion nur unwesentlich beeinflusst
wird – besonders
gut erfüllt.
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Zum Ergebnis der Simulation 4 ist Folgendes anzumerken:
Die Linien mit gleicher Markierung geben stets die Kräfte auf
Verbindungseinrichtungen 4 wieder, die an demselben Haltepunkt 2 am Auftriebskörper 1 angreifen.
Die Tatsache, dass die Kräfte
durch die Wellenbewegung nicht um eine gemeinsame Ruhelage oszillieren,
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.
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Im flacheren Nordseewasser werden
die Beanspruchungen durch die Wellen größer. Deshalb wurde eine weitere
Simulation für
50 m Wassertiefe durchgeführt.
Die Konstruktion wurde für
diese Situation etwas verändert:
Es wurde ein zusätzliches
Auftriebsvolumen im Mittelpunkt zwischen den Haltepunkten angebracht.
Wieder zeigt sich (4),
dass die Verbindungseinrichtungen 4 zu keinem Zeitpunkt vollständig entlastet
werden.
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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.
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Bewegliche Auftriebskörper werden
mit dem Auftriebskörper 1,
an dem sich die Haltepunkte 2 befinden, über gelenkte
Seile oder andere Verbinduugseinrichtungen 4 verbunden.
Die Gelenke oder Seile übertragen
die Auftriebskraft dieses Auftriebskörpers auf den Körper mit
den Haltepunkten 2 und der Anlage, ermöglichen jedoch ein Schwojen
in verschiedenen Richtungen, so dass von den Wellen in diesen Richtungen
keine Kraft auf den Auftriebskörper 1 übertragen
werden kann.
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Es ist zweckmäßig, den oder die beweglichen
zusätzlichen
Auftriebskörper
möglichst
ausgedehnt 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 1 verursachten
Kräfte
gegenseitig. Diese Kräfte
werden dann nicht mehr auf Auftriebskörper 1 mit den Haltepunkten 2 übertragen.
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Um die Bewegung des zusätzlichen
Auftriebskörpers
zu begrenzen, kann man an ihm Ankerleinen 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 rücktreibende Kraft erfährt, die
seinen Bewegungsspielraum ausreichend begrenzt, um ein Anschlagen
an Teilen der unbeweglichen Anlage zu verhindern (3a).
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In 3b ist
die oben beschriebene Vorrichtung mit einem solchen zusätzlichen
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 Ankerketten dargestellt, die den Bewegungsspielraum
des zusätzlichen
Auftriebskörpers
einschränken.
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Um die Konstruktion auszuführen, braucht man
einen Auftriebskörper 1 mit
den Haltepunkten 2, Verankerungspunkte 3 im Untergrund
und die Verbindungseinrichtungen 4 zwischen den Verankerungspunkten
im Untergrund und den Haltepunkten 2 am Auftriebskörper 1.
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Da die Verbindungseinrichtungen 4 der
Verankerung keinen Raum zum Schwojen lassen sollen, müssen die
Verbindungseinrichtungen 4 zwischen Haltepunkten 2 und
Verankerungen 3 gerade verlaufen. Sie übertragen die Kräfte in der
Richtung, in der sie gespannt sind. Aus dieser Tatsache ergeben
sich besondere Anforderungen an die Verankerungen 3 bezüglich der
Richtung, in der sie diese Kräfte
aufnehmen (im oben berechneten Beispiel in einem Winkel von 60° zur Senkrechten).
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Insbesondere kommen folgende Verankerungsmethoden
in Betracht:
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- – Dragen
Anker stoßen
bei den erforderlichen Kräften
noch fast auf die Grenzen ihrer Belastbarkeit. Es wäre ein zusätzliches
Gewicht erforderlich, das der von den Verbindungseinrichtungen 4 ausgeübten Kraft
ihre senkrechte Komponente nimmt. Mit einem solchen Gewicht ist
die Halterung der beschriebenen Konstruktion mittels eines Dragens
möglich.
- – Rammpfahlanker
mit einem Haltegestell, das den Ansatz der Verbindungseinrichtungen 4 aufnimmt,
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. Nachteil bei
diesem Vorgehen ist, dass die senkrechte Komponente der Kraft die
Größe und Zahl
der zu verwendenden Pfähle
bestimmt, weil die maximale horizontale Belastung eines Rammpfahlankers
wesentlich höher
werden darf als die Vertikale.
- – Gewichtsanker
sind ebenfalls geeignet. Es ist jedoch erforderlich, ihre Gewichtskraft
so zu bemessen, dass nach Kompensation der vertikalen Kraftkomponente
noch ein ausreichender Anpressdruck an den Untergrund 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.
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Als Ankerverbindungen kommen verschiedene
Verfahren in Betracht. Für
Hängebrücken werden
Seile von sehr hoher Belastbarkeit und geringer Ela stizität gebraucht.
Die dort verwendeten Methoden können
auf dieses entsprechend auch hier Anwendung finden. Es gibt für die Anwendung
bei Schrägseilbrücken bereits
Drahtseile, die einer Belastung von über 20 MN Zugkraft standhalten.
Bei diesen Drahtseilen handelt es sich meistens um Paralleldrahtbündel.
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Um die Elastizität der Paralleldrahtbündel herabzusetzen,
gibt es die Möglichkeit,
sie vor dein Einbau vorzustrecken.
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Außerdem gibt es Verfahren, bei
denen die Elastizität
z.B. durch unterschiedliche Wärmebehandlung
und Walzen des Paralleldrahtbündels
angepasst wird. Es ist zweckmäßig, von
diesen Möglichkeiten
Gebrauch zu machen.
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Neben den Stahlseilen, die bisher
für Schrägseilbrücken Anwendung
finden, gibt es Versuche mit Kunststofffasern, die jedoch bisher
keine Anwendung im Schrägseilbrückenbau
finden, weil dort wegen der auf der Brücke befindlichen Menschen keine
hohen Risiken eingegangen werden dürfen. Da sich z.B. auf Windkraftanlagen
selten Menschen befinden, würden
diese ein gutes Anwendungsgebiet für solche Seile bieten. Reicht
die Belastbarkeit eines Paralleldrahtbündels nicht mehr aus, so können mehrere
parallel gespannte Paralleldrahtbündel verwendet werden. Eine
weitere Möglichkeit
bietet der Einsatz von Stahlrohren.
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Will man das Durchhängen der
Verbindung durch ihr Eigengewicht vermeiden, gibt es die Möglichkeit,
die tragenden Elemente mit schwimmfähigem Material zu umgeben,
so dass die Dichte der Verbindung der des Wassers entspricht.
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Der Auftriebskörper 1 muss den Auftrieb
erbringen, um die Vorspannung der Seile zu erzeugen. Ferner muss
er aber auch die Kräfte
verteilen, die durch Wind und Wellen auf ihn wirken. Zu diesem Zweck
ist es erforderlich, eine ausreichende Stabilität zu erzeugen. Es ist daher
zweckmäßig, Stahl
oder Ferrozement für
die Teile zu verwenden, welche diese Kräfte übertragen. Außer dem lässt sich
Stahl relativ dünn
verarbeiten, so dass auch kleinere Exemplare damit realisiert werden
können.
Für ausgedehnte Auftriebskörper kommt
auch Ferrozement in Betracht, da hier vornehmlich eine Druckbelastung
zu verkraften 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).
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Der Zusammenbau der Vorrichtung kann
auf verschiedene Weise erfolgen. Das besondere Problem beim Zusammenbau
besteht darin, den Auftriebskörper
1 unter Wasser mit den Seilen zu verbinden, so dass die Vorspannung
entsteht.
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Bei diesem Verfahren ist es erforderlich,
eine Kupplung zu schaffen, die es ermöglicht, die Verbindungseinrichtungen 4 an
der Vorrichtung zumeist unter Wasser zu befestigen. Diese Befestigungen
sollen die Haltepunkte 2 bilden. Sie sollen keine Dreh- oder
Torsionsmomente zwischen Auftriebskörper 1 und Verbindungseinrichtungen 4 übertragen,
sondern nur Zugkräfte.
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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 – zumeist
der sog. Sperrbolzen -, von denen die Kugelschale gebildet wird, zurück ziehen,
so dass der Rest der Kugelschale nicht mehr als eine Halbkugel bildet.
Die Kugel kann nun entfernt oder hinein getan werden.
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Um dieses Prinzip auf die hier beschriebene Vorrichtung
anzuwenden, gibt es die Möglichkeit,
die Verbindungseinrichtungen 4 an der Kugel zusammenlaufen
zu lassen. Die Leine zum Dicht-Holen 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 hy draulisch,
mechanisch oder elektrisch angetriebenen Sperrbolzen verschlossen,
so dass keine Unterwasserarbeiten erforderlich sind.
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Die durch die Geschwindigkeit des
Wassers ausgeübten
Kräfte
sind von der Gestalt des Auftriebskörpers 1 abhängig. Sie
hängen über einen
Widerstandsbeiwert mit der Querschnittsfläche des Auftriebskörpers 1 und
mit der Geschwindigkeit des Wassers zusammen. Die Grenze ist hier
gegeben durch die Möglichkeit,
geeignete Auftriebskörper 1 zu finden.
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Es ist zweckmäßig, aus der Literatur Formen von
Auftriebskörpern 1 auszuwählen, deren
Widerstände
bei den entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten
niedrig sind. Insbesondere ist auch die Wahl von Körpern mit
kleinen Querschnittsflächen
ratsam. Gibt es bestimmte Vorzugsrichtungen für die Wellenbewegung, können die
Auftriebskörper 1 dahingehend
optimiert werden, besonders günstige Querschnittsflächen für die Richtungen,
in denen die größten Geschwindigkeiten
auftreten, zu haben. Um solche speziellen Auftriebskörperformen
zu erhalten, kann man numerische Simulationen der Wellenbewegung
zu Hilfe nehmen. Dabei kann man Verfahren anwenden, die den tatsächlichen
Wasserfluss unter Berücksichtigung
des Auftriebskörpers 1 berechnen. Finite
Elemente Algorithmen bieten hier eine Möglichkeit.