DE10129811A1

DE10129811A1 - Dämpfungskörper für Wasserbauwerke

Info

Publication number: DE10129811A1
Application number: DE10129811A
Authority: DE
Inventors: Joachim Falkenhagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-24
Filing date: 2001-06-24
Publication date: 2003-05-22

Abstract

Eine gezielte Vergrößerung des Strömungswiderstands der Bauwerksanteile im Wasser führt bei Bauwerken im Wasser zu einer stärkeren Dämpfung von Schwingungen. DOLLAR A Dieser Effekt kann durch geeignete Führung von Seilen vorteilhaft genutzt werden, wenn die ausgelösten Seilbewegungen schneller sind als die Bewegungen der zu dämpfenden Tragstruktur.

Description

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß die von Wind und Wellengang auf meerestechnische Bauwerke ausgeübten Lasten auf ein Bauwerk in ihrem Zusammenwirken geringer sind, als wenn jeweils nur eine der Einflußgrößen betrachtet und die Lasten addiert werden.
Bevorzugte Bauweise von Offshore-Windkraftanlagen sind Rohrtürme, die durch ihre Flexibilität mit den außen einwirkenden Kräften mitschwingen. Damit bewirken sie in begrenztem Maße eine Dämpfung von welleninduzierten Bewegungen durch die Bewegung des oberen Teils in der Luft und von windinduzierten Kräften durch Bewegung im Wasser.
Bekannt und z. B. zur Federung von Pedersen-Fahrrädern genutzt ist die Tatsache, daß sich bei einem mit leichtem Knick gespannten Seil geringe Längenänderungen dieses Seils in große Längenanderungen in Querrichtung übertragen.
Seilgestützte Konstruktionen sind bekannt, nicht aber die dadurch ermöglichten vorteilhaften Dämpfungseinflüsse.

Probleme der bekannten Lösungen

Die denkbare stärkere Dämpfung von Windkräften durch Vergrößerung der Oberfläche in Form eines größeren Rohrdurchmesser ist dadurch nachteilig, daß mit dem Turmquerschitt im Wasser auch unerwünschte Lasten durch Wellengang zunehmen. Dieser Zusammenhang relativiert sich bezüglich der Trägheitskräfte (drag) bei verzweigten Tragkonstruktionen mit schmaleren Querschnitten der einzelnen Streben, die andererseits grundsätzlich nur wenig Windkräfte an das Wasser übertragen. Einschränkend wirkt auch die begrenzte Bewegungsgeschwindigkeit von festen Tragstrukturen unter Windeinwirkung im Vergleich zur Geschwindigkeit von lasterzeugenden Wellen.

Neue Lösung

Durch zusätzliche Anbringung von Körpern an der Tragstruktur wird erreicht, daß sich Schwingungen des Turms stärker auf das Wasser übertragen. Dabei kann die Tatsache genutzt werden, daß die vom Wind oder von den bewegten Rotoren ausgelöste Lasten meist eine höhere Frequenz aufweisen als die für die Bemessung der Wellenlasten maßgeblichen, langen Dünungswellen. Günstig erscheinen insbesondere flächige, kleinvolumige Körper, die im Verhältnis zu ihrem Volumen einen großen Strömungswiderstand aufweisen.
Durch geeignete Verbindung des Körpers mit einer Stelle der Tragstruktur, die starken Bewegungen durch die zu dämpfenden Schwingungen ausgesetzt ist, kann erreicht werden, daß dieser möglichst starke Bewegungen im Wasser ausführt (Ansprüche 2 und 3).
Starke Bewegungen von dämpfend wirkenden Körpern im Wasser gemäß Anspruch 2 können unter anderem dadurch erreicht werden, daß die Tragstruktur von (Spann-)Seilen seitlich gehalten wird, die jeweils von einem in größerem Winkel daran befestigten weiteren Seil zu einem geringen Knick veranlaßt werden. Bei Vernachlässigung der Elastizität der (Spann-)Seile in Längsrichtung führt dies zu einer gegenüber der Bewegung der Tragstruktur in Längsrichtung der Spannseile größeren Bewegung der (Spann-)Seile in deren Querrichtung und damit in Längsrichtung des weiteren Seils. Dieser Effekt kann durch ein erneut quer zu diesem Seil gespanntes Seil noch verstärkt werden. Bei den in Längsrichtung bewegten Seilen kann u. a. die Anbringung von Rippen den Strömungswiderstand gezielt vergrößern.
Vorteilhaft kann eine drehbare Lagerung eines Gründungskörpers sein, die dazu führt, daß der Dämpfungskörper sich bei langen und starken Wellen in die Bewegungsrichtung des umgebenden Wassers dreht (Anspruch 4). Ein solcher Körper könnte sich unter anderem um Seile gemäß Anspruch 2 drehen.
Der erwünschte Effekt kann auch dadurch erreicht werden, daß die tragenden Bestandteile im mittleren Bereich der Wassersäule größere Abmessungen oder Querschnitte einnehmen als in Nähe der Meeresoberfläche (Anspruch 5), insbesondere bei verzweigten Konstruktionen, bei denen vergrößerte Tragelemente nicht zu starken Steifigkeitszunahmen führen.
Die Vorrichtungen könen zugleich als Knautschzonen wirken, die bei einem Anprall eines Schiffes Bewegungsenergie aufnehmen oder Impulse an geeignete Stellen weiterleiten können (Anspruch 6).

Vorteile

Geringere Lasten in der Tragstruktur, insbesondere weniger Anfälligkeit gegenüber Resonanzerscheinungen und weniger Wechsellasten im Fundamentbereich.
Zweckmäßig erscheint eine Anbringung von Dämpfungskörpern vorrangig in der mittleren Hälfte der Wassersäule zwischen Meeresboden und Waseroberfläche, damit einerseits die Wellen von der Wasseroberfläche weniger stark angreifen, andererseits eine größere Bewegungsamplitude zur Verfügung steht als an tieferen Stellen.
Soweit die Dämpfungskörper hauptsächlich in vertikaler Richtung bewegt werden, kann evtl. eine günstige Phasenverschiebung der dort entstehenden Kräfte gegenüber von Wellenkräften ausgelösten horizontalen Bewegungen der Tragstruktur erreicht werden.

Ausführungsbeispiel

Ein Rohrturm (1), der auf dem Meeresboden verankert ist, wird durch horizontale Kräfte (2) im oberen Teil auf Biegung belastet.
Auf der rechten Bildseite dargestellt, ist die dadurch verursachte seitliche Auslenkung ist im Beispiel in Höhe des Dämpfungskörpers (3) etwa 1/4 so groß wie in doppelter Höhe (4). Durch Aufhängung in Bodennähe und in doppelter Höhe wird ungefähr eine Verdoppelung der seitlichen Auslenkung (5) gegenüber der Auslenkung des Turms in gleicher Höhe (3) erreicht, wenn die Aufhängungen (6) und (7) bzw. deren Befestigungen am Turm die Bewegungen in deren Längsrichtung gut übertragen. Die Höhentage des Körpers (8) ist so tief gewählt, daß die kleinen, oberflächennahen Wellen nur wenig einwirken.
Der Körper (8) hat eine flache Form und ist um eine horizontale Achse (9) drehbar gelagert. Auf einer Seite befindet sich eine Beschwerung (10), die diese Seite nach unten zieht. Die Drehträgheit ist insgesamt groß genug, um bei schnellen Bewegungen der Tragstruktur eine Flachstellung des Körpers zu vermeiden. Damit behält der Körper bei schnellen Schwingungen eine ungefähr senkrechte Stellung im Wasser bei.
Die obere Teilfläche ist größer und hat zusätzlich eine andere Kantenform (11) mit größerem Strömungswiderstand, damit sich bei äußerer Welleneinwirkung eine Drehbewegung (12) um die Achse (9) ergibt, die auch durch die größere Teilchengeschwindigkeit näher an der Oberfläche unterstützt wird. Dadurch dreht sich der Körper durch Einwirkung der Teilchengeschwindigkeit der Wellen mit der Schmalseite zur Teilchengeschwindigkeit und wird somit nur wenig von langen Wellen belastet.
Auf der linken Bildseite ist eine Verspannung des Turms mit einem links im Meeresboden verankerten Spannseil (13) dargestellt, das durch das Seil (14) zu einem Knick nach unten veranlaßt wird. Seil (14) wird von einem weiteren Seil (15) seitlich gezogen, das mit weiteren Seilen auf der anderen Turmseite (nicht dargestellt) verbunden ist. Biegt sich nun der Turm nach rechts, zieht er an dem Spannseil (13), dieses wiederum an Seil (14), welches seinerseits Seil (15) nach links bewegt. Dabei nimmt bei den dargestellten Winkeln zwischen den Seilen jeweils die Bewegungsgeschwindigkeit zu. Damit bewegen sich die an Seil (15) befestigten Strömungswiderstände, aber auch Seil (14) in Querrichtung, schneller als die zentrale Tragstruktur und können dadurch Bewegungen verstärkt im Wasser dämpfen.

Claims

1. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen an meerestechnischen Einrichtungen und Wasserbauwerken, dadurch gekennzeichnet, daß

1. 1.1 ein oder mehrere mit der Tragstruktur verbundene Körper als Strömungshindernis im Wasser plaziert werden,

2. 1.2 was auch durch entsprechende Gestaltung der notwendigen Tragstruktur erfolgen kann,

3. 1.3 so daß bei Bewegungen der Tragstruktur

4. 1.4 die auf Kräfte zurückgehen, die oberhalb des Körpers entstehen bzw. dort in die Tragstruktur übertragen werden,

5. 1.5 Kräfte in das Wasser übertragen werden,

6. 1.6 die die Schwingungen der Tragstruktur dämpfen.

7. 1.7 Zu den meerestechnischen Installationen im vorstehenden Sinne gehören alle Arten von Bauwerken und Installationen im Wasser, auch in Binnenseen.

2. Ergänzung einer Tragstruktur gemäß 1 oder Tragstruktur gemäß 1.2 bei der

1. 2.1 Seile oder beweglich verbundene Stäbe

2. 2.2 so angeordnet werden, daß sie sich schneller im Wasser bewegen

3. 2.3 als die steifen Bestandteile der Tragstruktur in gleicher Höhe,

4. 2.4 sich dadurch ein Strömungswiderstand an den Seilen, Stäben oder damit verbundenen Körpern aufbaut,

5. 2.5 und die sich ergebende Dämpfung für Standsicherheitsnachweise genutzt wird.

3. Vorrichtung gemäß 1

1. 3.1 mit mindestens einem Körper gemäß 1.1

2. 3.2 der oberhalb und/oder unterhalb seiner eigenen Höhenlage

3. 3.4 an der Tragstruktur oder im Boden verankert wird,

4. 3.5 wodurch die horizontalen Bewegungen des Körpers größer sind als die Bewegungen der hauptsächlichen Tragstruktur in gleicher Höhenlage.

4. Körper gemäß 1.1 oder 3.1, auch bei Strukturen gemäß 2

1. 4.1 die beweglich gelagert ist

2. 4.2 wobei unter Mitwirkung

3. 4.3 der Drehträgheit des Körpers,

4. 4.4 eines Massen-Schwerpunkts des Körpers außerhalb der Drehachse,

5. 4.5 eines Schwerpunkts des Strömungswiderstands außerhalb der Drehachse

6. 4.6 einer Formgebung mit unterschiedlichem Strömungswiderstand je nach Anströmrichtung

7. 4.6 oder der unterschiedlichen Teilchengeschwindigkeit in Wellen je nach Wassertiefe

8. 4.7 oder einer Kombination vorstehender Eigenschaften

9. 4.8 erreicht wird, daß der Körper eine Lage einnimmt bzw. Bewegungen ausführt

10. 4.9 bei der er Kräfte gemäß 1.5 in günstiger Weise an das Wasser übertragen kann,

11. 4.10 sich dagegen unter Einwirkung von Wellenbewegungen so bewegt oder ausrichtet, daß er nur in geringerem Maße Lasten aufnimmt als bei fester Stellung.

5. Gestaltung von Konstruktionen meerestechnischen Installationen,

1. 5.1 mit der die unter Anspruch 1, 2, 3 oder 4 beschriebenen Effekte erreicht werden,

2. 5.2 ohne daß es hierzu neben der Tragstruktur gesonderer Körper bedarf.

6. Körper an meerestechnischen Einrichtungen gemäß 1 bis 5,

1. 6.1 die außerdem das Aufprallverhalten von Schiffen günstig beeinflussen.

7. Bautechnische Berechnungs- oder Nachweisverfahren

1. 7.1 die die gezielte Veränderung von Bauwerkseigenschaften,

2. 7.2 die zur verbesserten Dämpfung entsprechend den in den Ansprüchen 1 bis 6 beschriebenen Eigenschaften führen,

3. 7.3 berücksichtigen bzw. nutzen.