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Die Erfindung betrifft einen geotextilen Sandcontainer zum Unterwasserschutz an Bauwerken, insbesondere als Kolkschutz, mit einer geotextilen Hülle, einer darin aufgenommenen Sandfüllung und einer in Einbaulage unten liegenden Unterseite des Sandcontainers. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Lagesicherung derartiger Sandcontainer.
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Derartige geotextile Sandcontainer sind im Küstenschutz in vielfältiger Anordnung und Anwendung und unterschiedlichen Größen bekannt. Beispielhaft wird auf eine Veröffentlichung bei HCU Symposium Geoinformationen für die Küstenzone vom 07. Oktober 2010 „Geotextile Sandcontainer im Küstenschutz“ von Matthias Bleck, Uwe Momsen und Michael Schöner der KED Ingenieure Knabe Enders Dührkop Ingenieure GmbH verwiesen. Daraus ist auch der Einsatz geotextiler Sandcontainer als Kolkschutz um Gründungsstrukturen, wie beispielsweise Monopiles bekannt.
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Grundsätzlich gilt, dass jede Gründungsstruktur unter Wasser bei einer Umströmung das dynamische Gleichgewicht zwischen dem Wasserkörper und dem mobilen Meeresboden stört. Durch Wechselwirkungen zwischen der Gründungsstruktur, den hydrodynamischen Belastungen und dem beispielsweise aus mehr oder weniger dicht gelagerten Sanden bestehenden Meeresboden entstehen Erosions- und Sedimentationsvorgänge im Nahbereich des Bauwerkes sowie Auflockerungen des Meeresbodens in größerer Umgebung. Dabei gefährden insbesondere Sohlveränderungen im Nahbereich, die sog. Kolkbildung die Standsicherheit der Gründungsstruktur bzw. des Bauwerkes. Es gilt daher geeignete Kolkschutzmaßnahmen vorzusehen. Hierzu gibt es Untersuchungen und Veröffentlichungen, die sich insbesondere mit dem Kolkschutz für die Gründung von Offshore-Windenergieanlagen beschäftigen, wie in der Zeitschrift Geotechnik 34 (2011), Seite 51 bis 58 „Kolkschutz für Offshore-Windenergieanlagen in der Nordsee“, von Georg Heerten und Karsten Peters sowie „Kolkschutz an Monopile-Tragkonstruktionen von OWEA“ von Grüne et al. FZK, Hannover. Darin wird insbesondere auch der Einsatz von geotextilen Sandcontainern für den Kolkschutz im Umkreis von Monopile-Tragkonstruktionen berichtet.
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Die
US 2009/0 208 288 A1 beschreibt einen flexiblen, wasserdurchlässigen Schlauch aus einem Geotextil zur Aufnahme eines Füllmaterials, wobei der Schlauch an seinen beiden gegenüberliegenden Enden nach Aufnahme des Füllmaterials planebene Stirnseiten aufspannt, sodass in Längsrichtung aneinandergefügte derartige Sandschläuche einen lückenlosen Übergang ergeben. Es wird somit vermieden, dass Meeresströmungen an aneinandergrenzenden Enden der Sandschläuche angreifen können.
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Besonderes Augenmerk in diesen Schriften wird auch auf die Lagestabilität der abgelegten Sandcontainer auf dem Meeresgrund gerichtet. Insbesondere welleninduzierte Strömungen am Meeresgrund, die in den Tiefen bis einige 10 Meter reichen, bewirken laterale Verschiebungen der abgelegten Sandcontainer.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen geotextilen Sandcontainer so auszubilden, dass er auf dem Meeresgrund eine verbesserte Lagestabilität erhält.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem geotextilen Sandcontainer mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie mit einem Verfahren gemäß Anspruch 8.
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Dadurch, dass auf der Unterseite ein nach unten vorstehendes Strukturelement ausgebildet ist, bewirkt das Strukturelement eine „Verkrallung“ des auf dem Meeresgrund abgelegten Sandcontainers mit dem Untergrund. Dabei sinkt das Strukturelement in die oberste Sedimentschicht des Meeresgrundes ein und erhöht folglich den Widerstand gegen laterales Verschieben des Sandcontainers auf dem Meeresgrund.
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Um die Verkrallung des Sandcontainers auf dem Meeresgrund mittels des Strukturelementes zu verbessern, hat das Strukturelement stegartige Vorsprünge mit rechteckigem, trapezförmigem oder dreieckigem Querschnitt, die auf der Unterseite der geotextilen Hülle angeordnet sind. Bei einer seitlich wirkenden Kraft auf den Sandcontainer (beispielsweise vom Seegang induziert) kann diese über das stegartige Strukturelement, das zu dieser Kraft im Wesentlichen senkrecht steht, auf die oberste Sandlage des Meeresgrundes abgetragen werden. Bei einem dreieckigen bzw. trapezförmigen Querschnitt erlauben nun die schrägen Flanken quasi ein Hinaufklettern des Sandcontainers, womit eine „quasi elastische“ Reaktion auf vom Seegang induzierte wiederkehrende Kräfte ermöglicht wird. Bei Verringerung der seitlichen Kräfte rutscht der Sandcontainer wieder in seine ursprüngliche Lage zurück.
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Wenn die Vorsprünge aus dem Geotextil der Hülle gefertigt sind, werden neben dem Geotextil für die Hülle keine weiteren Materialien am Sandcontainer verwendet, sodass Beschädigungen der geotextilen Hülle des Sandcontainers aufgrund von Reibungen und Lateralbewegungen unterschiedlicher Materialien aneinander vermieden werden.
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Dadurch, dass der Sandcontainer eine zentrale Längsachse hat und das Strukturelement sternförmig mit drei bis sechs Vorsprüngen, bevorzugt gleichwinklig verteilt um die zentrale Längsachse auf der Unterseite angeordnet ist, wirkt bei jeder im Wesentlichen meeresbodenparallelen Kraftbeanspruchung mindestens eine Flanke des Strukturelementes senkrecht zur Kraftbeanspruchung, sodass eine optimale Ableitung etwaig auftretender Kräfte in den Meeresboden sichergestellt ist. Ferner bewirkt eine sternförmige Struktur ein Zentrieren des Sandcontainers auf dem Meeresgrund an seiner Position.
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Dadurch, dass im in Einbaulage unteren Bereich des Sandcontainers ein chemisch abbindender Stoff, insbesondere trockener Zement oder eine Zementsuspension und ein Auslösemittel vorgesehen sind, wobei beim Aufprall des Sandcontainers auf dem Meeresgrund der chemisch abbindende Stoff durch das Auslösemittel aktiviert wird, wird der Sandcontainer am Meeresboden quasi „festgeklebt“. Bewirkt wird damit eine Erhöhung der mit dem Sandcontainer zusammenhängenden Masse, womit die Mobilität des Sandcontainers stark eingeschränkt ist und laterale Verschiebungen verhindert werden.
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Wenn der chemisch abbindende Stoff in einer Innenhülle im Sandcontainer untergebracht ist und das Auslösemittel ein Dorn ist, der beim Aufprall des Sandcontainers auf dem Meeresgrund die Innenhülle öffnet und der chemisch abbindende Stoff ausfließt, wird nach Absinkenlassen des Sandcontainers automatisch die Ausgabe des chemisch abbindenden Stoffes und somit das Verkleben des Sandcontainers mit dem Meeresgrund (Anbinden von Sandpartikeln aus der oberen Schicht des Meeresgrundes) erreicht. Denkbar als geeignete Zusatzstoffe sind hydraulisch abbindende Stoffe, wie beispielsweise Zement, Zementemulsionen und/oder Zement-/Sandmischungen.
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Dadurch, dass die Unterseite eine nach unten gerichtete Form eines Kegels, eines Ellipsoids, einer Pyramide oder eines dreiseitigen Prismas hat, wird durch geeignete Ausbildung der Unterseite der geotextilen Hülle des Sandcontainers das Zentrieren verstärkt beziehungsweise unterstützt.
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Das Verfahren zur Lagesicherung von Sandcontainern auf dem Meeresgrund zeichnet sich dadurch aus, dass die Sandcontainer mit ihrer mit Strukturelement versehenen Unterseite auf den Meeresboden auftreffen. Durch das Auftreffen der Unterseite mit Strukturelement auf dem Meeresboden verkrallt sich der Sandcontainer dort. Dabei sollte bevorzugt eine Aufprallgeschwindigkeit von mindestens 1 m/s erreicht werden. Durch eine Aufprallgeschwindigkeit von 1 m/s oder mehr dringt das Strukturelement in die oberste Sedimentschicht des Meeresgrundes ein und bewirkt sofort die gewünschte Verkrallung des Sandcontainers mit dem Meeresgrund.
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Wenn auf dem Meeresgrund die Sandcontainer dicht nebeneinander abgelegt werden, bewirken die nebeneinanderliegenden Sandcontainer eine zusätzliche seitliche Abstützung und Lagesicherung.
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Dadurch, dass ein im Sandcontainer bevorrateter chemisch abbindender Stoff beim Aufprall des Sandcontainers auf dem Meeresgrund ausgegeben wird, wird der Sandcontainer mit einem Teilbereich des Meeresbodens verbunden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Prinzipskizzen detailliert beschrieben.
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Darin zeigt:
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1 einen Sandcontainer mit nach unten vorstehendem Strukturelement in einer ersten,
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2 einen Sandcontainer mit Strukturelement in einer zweiten Ausführungsform,
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3 einen Sandcontainer mit Strukturelement in einer dritten Ausführungsform und
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4 einen Sandcontainer gemäß 3 mit einem zusätzlichen chemisch abbindenden Material.
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In 1 ist ein zylinderförmiger Sandcontainer 1 in räumlicher Darstellung in einer Ansicht von schräg unten dargestellt. Der Sandcontainer 1 weist eine geotextile Hülle 10 auf, die in der entsprechenden Zylinderform zugeschnitten und verarbeitet ist. Der Sandcontainer 1 steht in Einbaulage auf der in 1 von unten sichtbaren Zylinderkreisfläche (Unterseite 16) auf. An der Unterseite 16 ist ein Strukturelement 17 ausgebildet, das in diesem Ausführungsbeispiel aus vier in einer Kreuzanordnung ausgebildete stegartige Vorsprünge 18 mit quadratischem Querschnitt besteht. Die Vorsprünge 18 sind aus dem Geotextil der Hülle 10 gefertigt und werden beim Befüllen des Sandcontainers 1 mit Sand (Sandfüllung 2) befüllt.
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In 2 ist ein Sandcontainer 1 in einer anderen Formgebung dargestellt, bei dem der in Einbaulage unten liegende Abschnitt eine nach unten gerichtete spitze dreiseitige Prismaform (ähnlich eines umgekehrten Satteldaches) aufweist. Der obere Abschnitt weist halbe Tonnenform auf.
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Entsprechend ist in der entsprechenden Begriffsdefinition die Außenseite des dreiseitigen Prismas die Unterseite 16 des Sandcontainers 1. Auf der Unterseite 16 ist wiederum ein Strukturelement 17 in Form von stegartigen Vorsprüngen 18 mit im Wesentlichen quadratischen Querschnitt in Kreuzform ausgebildet. Die Vorsprünge 18 sind aus dem Geotextil der Hülle 10 gebildet und werden beim Befüllen des Sandcontainers 1 ebenfalls mit Sand befüllt.
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In 3 ist in einer weiteren Variante ein Sandcontainer 1 in Zylinderform dargestellt, der auf seinem in Einbaulage unten liegenden Abschnitt eine nach unten gerichtete Kegelform seiner Unterseite 16 aufweist. Auf dieser kegelförmigen Unterseite 16 ist wiederum ein Strukturelement 17 in Form von vier kreuzförmig angeordneten stegartigen Vorsprüngen 18 ausgebildet.
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Die in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele zeichnen sich somit dadurch aus, dass auf der in Einbaulage unten liegenden Unterseite 16 des Sandcontainers 1 ein nach unten vorstehendes Strukturelement 17 vorgesehen ist. Das Strukturelement 17 besteht dabei aus stegartigen Vorsprüngen 18 mit quadratischem Querschnitt, die aus dem Geotextil der Hülle 10 gefertigt und mit Sand gefüllt sind. Entsprechend widerstandsfähig sind diese Vorsprünge 18.
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In 4 ist ein Sandcontainer 1 ähnlich zur Ausbildung gemäß 3 mit einer spitz nach unten gerichteten kegelförmigen Unterseite 16 dargestellt, bei dem in Einbaulage unteren Abschnitt ein chemisch abbindendes Material 23 mit einem Auslösemittel 24 in dem Sandcontainer 1 aufgenommen ist. Als Auslösemittel ist beispielsweise in der Spitze der kegelförmigen Unterseite 16 ein Dorn 24 im Sandcontainer 1 vorgesehen, der beim Aufprall des Sandcontainers 1 mit seiner Unterseite 16 auf dem Meeresboden in das chemisch abbindende Material 23 eingedrückt wird und dieses aktiviert. Danach fließt das chemisch abbindende Material 23 aus dem Sandcontainer 1 aus und verbindet sich mit der Umgebung, also den Partikeln der oberen Schicht des Meeresbodens im Bereich der Aufschlagstelle des Sandcontainers 1.
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Beim Setzen des Sandcontainers 1 auf den Meeresgrund durch Absinkenlassen werden dabei Absinkgeschwindigkeiten von mindestens 1 m/s erreicht. Mit dieser Geschwindigkeit trifft also der Sandcontainer auf den Meeresboden mit seiner mit Strukturelementen 17 versehenen Unterseite 16 auf, so dass das aus den stegartigen Vorsprüngen 18 bestehende Strukturelement in den Sedimenten des Meeresbodens einsackt. Folglich erhöht sich der Widerstand des Sandcontainers gegen laterales Verschieben auf dem Meeresgrund, da die stegartigen Vorsprünge 18 sich mit den obersten Sedimenten des Meeresbodens „verkrallen“.
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Mit einer höheren Absenk- und Aufprallgeschwindigkeit wird die Eindringtiefe des Sandcontainers in den Meeresboden erhöht und somit auch die Lagesicherung des Sandcontainers auf dem Meeresboden gegen lateral wirkende Strömungen verbessert. Eine höhere Absinkgeschwindigkeit verbessert dabei auch die Genauigkeit der Positionierung des Sandcontainers auf dem Meeresboden, da ablenkende Faktoren, wie laterale Meeresströmungen eine geringere Angriffszeit haben. Ferner können geeignete Maßnahmen für eine gradlinige, ungestörte Absinkbewegung getroffen werden, wie beispielsweise eine Ballastierung des in Einbaulage unten liegenden Abschnitts des Sandcontainers durch eine wassergesättigte Füllung und/oder durch Zugabe von im Vergleich zur restlichen Sandfüllung 2 des Sandcontainers 1 schwererem Material, womit die Absinkbewegung stabilisiert wird.
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Selbstverständlich ist eine zu hoche Absinkgeschwindigkeit und damit Aufprallgeschwindigkeit auf den Meeresboden zur Verhinderung von Beschädigungen am Sandcontainer zu vermeiden. Gleichwohl liegt bei einem Sandcontainer eine erhebliche Festigkeit mittels der geotextilen Hülle 10 vor, so dass eine starke einmalige Belastung beim Aufprall auf den Meeresboden hinnehmbar ist und die Langlebigkeit des Sandcontainers nicht oder kaum beeinflusst.
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Eine weitere Lagesicherung des auf dem Meeresboden abgelegten Sandcontainers 1 kann durch eine dicht nebeneinander positionierte Ablage von Sandcontainern erreicht werden, so dass deren Seitenflanken einander bei strömungsinduzierten Beanspruchungen stützen. Durch die nebeneinander liegende Ablage von Sandcontainern sollen strömungsindizierte Verdriftungen von Meeresbodenmaterial (Kolkbildung) um Unterwasserbauwerke verhindert werden. Beispielsweise kann auf dem Meeresboden an der gewünschten Position für eine Gründung einer Offshore-Windkraftanlage ein ausreichend großes Feld am Meeresboden mit Sandsäcken dicht an dicht und teils in zwei bis drei Lagen abgedeckt und anschließend das Gründungsrohr zentral durch dieses Packet hindurchgetrieben werden. Damit ist eine Lagesicherung, nämlich untereinander abgestützte Sicherung des Meeresbodens durch Sandcontainer rund um die Monopile-Gründung gewährleistet.
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Zusätzlich kann im Sandcontainer ein chemisch abbindender Stoff bevorratet sein, der beim bewusst kräftigen Aufprall des Sandcontainers auf den Meeresgrund freigegeben wird und den Sandcontainer mit Partikeln des Meeresgrundes verbindet. Dies erhöht weiter die Lagesicherung des auf dem Meeresgrund abgelegten Sandcontainers.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sandcontainer
- 10
- Hülle
- 16
- Unterseite
- 17
- Strukturelement
- 18
- stegartiger Vorsprung
- 2
- Sandfüllung
- 22
- Sand
- 23
- chemisch abbindendes Material
- 24
- Auslösemittel, Dorn
