DE10302219A1

DE10302219A1 - Schalldämmpolster für Wasserbaustellen

Info

Publication number: DE10302219A1
Application number: DE10302219A
Authority: DE
Inventors: Joachim Falkenhagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2023-01-21
Also published as: DE10302219B4

Abstract

Eine Geräuschquelle 1 im Wasser 2, etwa ein Pfahl während der Rammarbeiten, wird von Luftkissen 3 umgeben, die den Schalleintrag in die Umgebung mindern und dazu vorzugsweise eine noppenförmige Außenseite 4 aufweisen.

Description

Stand der Technik
Die zunehmende Nutzung der Meere, insbesondere die Erwartung von umfangreichen Rammarbeiten für Offshore-Windkraftanlagen, führen zu Überlegungen, den bislang vom Schiffsverkehr dominierten Schalleintrag in die Meere zu begrenzen.
Zur Schalldämmung in Gebäuden werden regelmäßig Luftspalte zwischen den Mauern zu trennender Gebäudeteile eingesetzt, etwa zwischen Reihenhäusern.
Schalltote Räume sind häufig mit spitz geformten Oberflächen umgeben; diese dienen allerdings mehr dem Auslaufen des aus dem Raum kommenden Schalls durch mehrfache Reflektion zwischen denselben, so daß der Schall dort absorbiert wird und nicht in den Raum zurück reflektiert wird. Die Vermeidung der Schallübertragung auf der Luft in das "schwerere Medium" steht dabei im allgemeinen nicht im Vordergrund.
Mit der in Anspruch 11 skizzierten Entkopplung von Wellenbewegungen durch luftgefüllte Bereiche beschäftigt sich auch die Patentanmeldung DE 101 17 109.9 des gleichen Erfinders, allerdings war dabei vorzugsweise an einen nicht unter Druck gesetzten Zwischenraum gedacht, und es sind nunmehr die weiteren Merkmale des Schallschutzes und die Kopplungsöglichkeit mit den übrigen Schläuchen bzw. Luftpolstern dazugekommen.
Es wurde versucht, den von Rammungen ausgehenden Schall durch Luftblasenvorhänge, auch in Verbidung mit textilen Oberflächen, zu begrenzen.
Beschreibung
Die Erfindung macht sich vorzugsweise die Tatsachen zu Nutze,
– daß bei der Schallübertragung von Luft zu Wasser regelmäßig ein Großteil der Schallenergie reflektiert wird, weil das Wasser bei gleichem Schalldruck weniger Schallleistung überträgt, und
– daß die Schallgeschwindigkeit in Wasser deutlich höher ist, wodurch Beugungseffekte entstehen und bei einem Winkel von weniger als ca. 77° zwischen Schallausbreitungsrichtung und Wasseroberfläche kein Schalleintrag in das Wasser mehr erfolgt.
Zur Schalldämmung der Geräusche bzw. Vibrationen eines in Rammung befindlichen Pfahls wird daher eine Luftschicht zwischen den Pfahl und den umgebenden Wasserkörper angeordnet, die diesen vorzugsweise zylinderförmig umschließt, und somit eine Schallübertragung von der Innen- zur Außenseite der Luftschicht beschränkt (Anspruch 2).
Infolge des Wasserdrucks wäre dabei ein durchgehender Luftraum unzweckmäßig, stattdessen erfolgt die Herstellung eines Luftspalts vorzugsweise mit mehreren ungefähr koaxial mit dem Pfahl angeordneten, in Pfahlrichtung übereinander folgenden Schläuchen (Anspruch 3).
Der Schall bewegt sich in diesem Fall von innen nach außen. Wenn der Luftspalt auf der Innenseite eine "ebene", d.h. wenig von der Zylinderform abweichende Oberfläche aufweist, wird er beim Übergang vom Wasser zu dem Luftkörper in Richtung der Senkrechten zu dieser Grenzschicht gebeugt, breitet sieh also nach der Beugung ungefähr horizontal und axial zum Pfahl aus. Damit kann eine Reflektion erreicht werden, indem die nächste Grenzschicht im Winkel zu der inneren Grenzschicht bzw. der Schallausbreitungsrichtung liegt (Anspruch 4).
Eine zick-zack-förmige bzw. gefaltete Oberfläche ist allerdings bei einem schlauchartigen Körper, dessen Form durch die Wirkung des Luftdrucks im Inneren und den äußeren Wasserdruck bestimmt wird, schwer herstellbar. Daher wird vorzugsweise eine Noppenform (Anspruch 5) gewählt, um auf der Außenseite ds Luftkörpers "schräge" Oberflächen zu erreichen, durch die der Schall möglichst reflektiert wird. Die einzelnen Noppen werden vorzugsweise auf der Innenseite mit fünf- oder sechseckiger Abgrenzung voneinander um die ungefähr zylinderförmige gekrümmte Mantelfläche der aufeinanderfolgenden Schläuche angeordnet. An ihrer Basis haben dann die Noppen ebenfalls eine fünf- bzw. sechseckige, gewölbte Grundform, während sich zur Spitze der Noppen durch den Gasdruck eine mehr kegelartige Form ergibt. Durch einen mäßigen Überdruck gegenüber dem umgebenden Wasser, nach Tiefanlage des jeweiligen Schlauchs gestaffelt, wird erreicht, das die Noppen trotz des wirkenden Auftriebs ihre Form weitgehend behalten. Bei Steg- oder dachartigen Oberflächen bestünde dagegen im Wasser die größere Gefahr, daß diese durch den Auftrieb bzw. den Gasdruck in den Luftkissen verformt werden, während dies durch die stärkere Festlegung der Hüllflächen in den Noppen verhindert wird.
Bei Ausführung mit je einem Schlauch je Lage besteht allerdings selbst bei Begrenzung einer Schallübertragung durch den Luftspalt die Möglichkeit, daß Schallkräfte von der Hüllfläche des Schlauchs aufgenommen werden, und dann teilweise über die Stege des Schlauchs zur anderen Seite übertragen werden. Durch eine Umhüllung der Innenseite mit unter Zug stehendem Material, das dadurch nicht nur den innen anstehenden Wasserdruck abhält, sonder auch die durch den Schalldruck entstehenden Kräfte aufnehmen, kann erreicht werden, daß sich diese Schalldrücke nicht nach außen übertragen. Zum Ausgleich muß dann auch der Wasserdruck von außen in der äußeren Umhüllung abgefangen werden, was z.B. durch Ringe aus steifem Material oder durch in ähnlicher Weise aussteifend wirkende Schläche erreicht werden kann.
Gemäß Anspruch 6 liegen dann weitgehend schlaffe Hüllflächen zwischen steiferen Bereichen auf der Außen und evtl. der Innenseite vor, und damit eine weitgehend voneinander unabhängige Bewegung der Innen- und Außenseite und somit eine minimale Übertragung von Schall und anderen Kräften, insbesondere auch Wellenkräften.
Entsprechende durch Hohlkörper gebildete Luftschichten sind auch oberhalb des Meeresbodens möglich, um einen Schalleintrag aus dem Boden (in dem der Pfahl bewegt wird) in den Wasserkörper zu begrenzen. Hierbei kann wieder die Noppenform gewählt werden (Anspruch 7), wobei sich die Noppen bei dieser Anordnung durch den Auftrieb gut ausformen. Die Formgebung der Luftschicht kann an der Oberseite auch durch aufliegende feste Körper erreicht werden (Anspruch 8). Weiterer Vorteil derartiger massiver Platten, etwa Betonplatten, ist es, daß sie die Luftkammer auf der Oberseite beschweren und somit deren Auftrieb entgegenwirken.
Bei Befestigung an den Beinen einer Hubplattform (Anspruch 9) könnte ein tricherförmiger, fließender Übergang zwischen den vorzugsweise den Boden bedeckenden unteren Teilen der Membran, und den mehr zylinderförmig den Pfahl umschließenden oberen Bereichen der Membran erreicht werden.
Möglich ist auch eine Befestigung der Membranen an dem Pfahl (Anspruch 10). Der durch den Auftrieb ausgeübte Zug nach oben könnte den zusätzlichen Vorteil haben, daß in Verbindung mit dem von oben wirkenden Rammstoß Wechsellasten auf den Pfahl ausgeübt werden, die möglicherweise die Rammung erleichtern.
Entsprechende Reibungskräfte gegen den Pfahl könnten dadurch erreicht werden, daß am unteren Ende des Pfahls ein etwas größerer Ring bzw. Zugbänder diesen umschließen. Zwischen Pfahl und Ring bzw. Zugbändern befindet sich z.B. ein Schlauch, der durch Erzeugung von Überdruck außen gegen den Ring und innen gegen den Pfahl gedrückt wird, und dadurch Auftriebskräfte aufnimmt. Auch könnten direkt am Pfahl "Bremsbacken" angeordnet werden, die wiederum durch das Zusammenwirken eines Schlauchs und eines Rings nach innen gegen den Pfahl gedrückt werden. Ein zunehmendes Eindrücken der Vorrichtung mit den gasgefülten Kammern in den Meeresboden in Folge der Rammung des Pfahls kann durch eine ausreichende Auflagerungsfläche der Vorrichtung auf dem Meeresboden vermieden werden.
Möglich Ist gemäß Anspruch 11 eine Differenzierung zwischen unteren Bereichen, in denen vorrangig je eine Luftkammer zwischen innerem und äußerem Bereich vorhanden ist, und Bereichen nahe der Wasseroberfläche, wo in Anlehnung an Anspruch 6 eine größere Beweglichkeit durch ausgesteifte Bereiche erreicht wird, die hier jedoch zusätzlich der Entkopplung der Wellenkräfte dienen. Dabei ist eine Beschwerung sinnvoll, die mit dem äußeren Ring verbunden wird, bzw. diesen in einem Bauteil bildet. Dieses Bauteil hat dann zusätzlich die Funktionen, dem Auftrieb der gesamten Schläuche entgegenzuwirken, und gleichzeitig gegenüber den Wellen die träge Masse des nicht mit der Welle bewegten Ringinneren zu ersetzen. Die dafür benötigte träge Masse ist zwangsläufig größer als der Auftrieb des Luftvolumens in dem zugehörigen Höhenbereich, da ja das innere Wasservolumen nicht zum Auftrieb beiträgt, aber als träge Masse gegenüber den Welleneinwirkungen ersetzt werden muß. Daher bietet sich eine unterschiedliche Gestaltung je nach Höhe an, bei der insgesamt möglichst ein Ausgleich der Gewichts- und Auftriebskräfte und die Bereitstellung von genügend träger Masse im oberen Bereich erreicht wird.
Flächig wirksame Luftkammern können in ähnlicher Weise auch nahe der Wasseroberfläche eingesetzt werden. Dabei würde die Ausbildung von Noppen an der Unterseite wieder Winkelverhältnisse schaffen, die einer Schallübertragung entgegenstehen. Da derartige Luftkammern ähnlich einer Luftmatratze durch den Auftrieb aufschwimmen würden, muß durch gesonderte Maßnahmen dafür gesorgt werden, daß oberhalb ein weiteres Wasservolumen o oder eine andere den Schall brechende Beschwerung – verbleibt. Dies könnte z.B. mittels Bedeckung durch mit Wasser gefüllte Kammern geschehen. Die einfachste Lösung wäre jedoch die Ausbildung von Stegen, zwischen denen Wasser oberhalb der von den Luftkammern gebildeten Oberfläche ruht. Die Stege könnten durch mit Wasser gefüllte Luftkammern gebildet werden, so daß die gesamte Vorrichtung flexibel und damit vom Wellenangriff weitgehend unbehelligt bleibt, und zugleich das Gewicht des Wassers in den Stegen das ganze Gebilde nach unten drückt. Eventuell würde das Wasser durch den Wellengang in die Bereiche auf dem Luftpolster zwischen den Stegen schwappen, und müßte daher nicht extra dorthin gepumpt werden.
Neben dem Schallschutz dienen die Luftkammern auch dem Volumensausgleich beim Rammen eines Pfahls, das ja zunächst zu einem Mehrvolumen an fester Substanz unterhalb des Meeres führt. Dieses Mehrvolumen wird dann teilweise durch ein Komprimieren des Luftvolumens ausgeglichen. Da der wassergesättigte Boden etwa bei auf dem Meeresboden aufliegenden Luftkammern dem Rammstoß besser nach oben ausweichen kann, als wenn zusätzlich die dynamische Gegenkraft der gesamten Wassersäule überwunden werden müßte, könnte dies die Rammung erleichtern.
Dasselbe Prinzip kann gemäß Anspruch 13 auch innerhalb des Bodenvolumens verfolgt werden, indem Luft in den Boden in Nähe des Pfahlfußes eingepreßt wird. Bei sandigem Boden könnte die Luft dort das Wasser zwischen den Sandkörnern verdrängen, so daß bei einem Rammstoß der Pfahl den Boden leichter in diese Richtung verschieben bzw. Komprimieren kann. Da man im allgemeinen bestrebt sein wird, den Boden um den Pfahl möglichst ungestört zu lassen, bietet sich dieses Verfahren vor allem in Inneren eines großen Hohlpfahls an, in dem dann eine gesonderte Lanze eingepreßt wird, die die Luftzufuhr übernimmt. Eventuell fallen dadurch Effekte, die dem Effekt des Porenwasserdrucks bei bindigem Boden ähneln, weg.
Weitere Merkmale ergeben sich aus den aufgeführten Ansprüchen.
In allen Fällen ist es möglich, die gasgefüllten Höhlkörper zusätzlich mit Mineralwolle oder einem anderen schalldämmenden bzw. schallschluckenden Material auszukleiden.
Ausführungsbeispiel und Zeichnungen
In 1 der Zusammenfassung ist ein Pfahl 1 in einem Wasserkörper 2 dargestellt, der von schlauchförmigen, übereinander geschichteten Luftkissen 3 umgeben ist. Die Luftkissen besitzen an der Außenseite noppenartige Erweiterungen 4, um den Schallübergang an das umgebende Wasser zu erschweren.
2 stellt den Weg des Schalls 5 durch ein noppenformiges Luftkissen dar. Der Schalt wird von dem umschlossenen Wasserbereich links der Grenzschicht 6 zwischen Wasser und Luftkissen zunächst in Richtung der Senkrechten zu dieser Grenzschicht 6 gebeugt. Die Oberfläche der nächsten Grenzschicht 7 weist nun im Bereich der Noppe einen genügend kleinen Winkel zu der Ausbreitungsrichtung der Schallwelle auf, so daß es – jedenfalls bei genügend kurzer Wellenlänge – zu einer Reflektion des Schalls kommt, und der Schall 5 damit nicht den Wasserkörper rechts der Grenzschicht 7 erreicht.
Die Querschnittsdarstellung in 3 zeigt außer dem zu rammenden Pfahl 1 zwei Seine 8 einer Arbeitsplattform 9, an deren unteren Ende eine trichterförmige Luftpolster-Vorrichtung 3 befestigt ist, die somit mit ihrem unteren Teil den Bereich des Meeresbodens zwischen den Füßen der Arbeitsplattform abdeckt, und mit ihrem oberen Teil den Pfahl umfasst.
4 zeigt zwei weitere Schalldämmvorrichtungen. Oben dargestellt ist eine an der Wasseroberfläche 13 schwimmende Vorrichtung mit zwei wassergefüllten Schläuchen 10, zwischen denen eine Fläche aus Luftkissen 12 mit noppenartiger Unterseite angeordnet ist, und auf deren Oberseite eine dünne Wasserschicht 11 aufliegt.
Am Meeresboden 14 befindet sich eine Vorrichtung mit festen Platten 15, deren Unterseite Zick-zack-förmig eingekerbt ist, und dadurch dem Luftkiesen 16 zwischen Meeresboden und Platten die gleiche Form gibt.
In 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei der im oberen Teil eine Aufweitung des luftgefüllten Bereichs stattfindet, wobei zwischen einer inneren Lage von Schläuchen 15 und einer äußeren Lage von Schläuchen 16 ein Spalt gelassen wird, in dem das Luftvolumen nicht mehr entsprechend dem außen anstehenden Wasser unter Druck steht. Dazu sind die inneren Schläche von zusätzlichen Seilen 17 umgeben, die den dort von innen nach außen drückenden Wasserdruck mit aufnehmen, während die äußeren Schläuche mit steifen Ringen 18 verbunden sind, die den von außen angreifenden Wasserdruck 19 aufnehmen, der auch von der Wellendynamik beeinflußt wird. Die Ringe 19 weisen eine beträchtliche Masse auf, und können dadurch Trägheitskräfte mit den von verschiedenen Seiten auf die Ringe einwirkenden Wellen austauschen. Die äußeren Schläuche 16 sind in der Lage, die Auftriebskräfte der gesamten Vorrichtung aufzunehmen und damit die Last der Ringe 19 zu tragen; gegebenenfalls sind sie dazu mit aufrecht angeordneten Stäben verstärkt.

Claims

Verfahren zur Reduzierung der Übertragung von Schall und Wellenbewegungen bei einem im Wasser befindlichen Objekt, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt von mehreren gasgefüllten, wenigstens teilweise das Objekt umschließenden Hohlkörpern mit membranartiger Oberfläche umgeben ist, die eine Entkopplung der Übertragung von Schall- bzw. Wellenbewegungen zwischen den Wasserkörpern auf beiden Seiten des gasgefüllten Körpers bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Objekt ein Pfahl ist, und die gasgefüllten Körper der Schalldampfung bei der Rammung dieser Pfahls dienen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Körper schlauchähnlich geformt sind und wie übereinander angeordnete Ringe das vertikal orientierte Objekt umschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem durch geeignete Formgebung der Membran bzw. Hüllfläche der schlauchartigen Körper erreicht wird, daß die zu dem umschlossenen Objekt orientierte Innenseite eine weniger gekrümmte bzw. geknickte Oberfläche aufweist als die Außenseite.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem an der Außenseite des schlauchförmigen Körpers eine noppenartige Form erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, – bei dem von innen nach außen mehrere gasgefüllte Bereiche aufeinander folgen, – wobei einer davon ein Bereich ist, in dem sich Hüllflächen zwischen den übereinander abfolgenden Gasvolumen befinden, die deutlich geringer auf Zug belastet sind, was dadurch erreicht wird, – daß die innere Hüllfläche den innen anstehenden Wasserdruck durch ringförmige Zugspannung aufnimmt, bzw. die Aufnahme der Zugspannung durch Schläuche erreicht wird, die sich zwischen dem Objekt und dem Bereich mit den weniger belasteten Hüllflächen befinden und – die äußeren Bereiche eine genügende Steifigkeit erreichen, durch die der außen anstehende Wasserdruck auf ähnliche Weise abgehalten wird, so daß – dazwischen ein Bereich angeordnet werden kann, der nicht den Wasserdruck zwischen außen und innen übertragen muß, und in dem die Teil-Gasvolumina somit nicht mit von oben nach unten zunehmendem Druck befüllt werden müssen, so daß geringe Druckdifferenzen zwischen den übereinander folgenden Teil-Volumina und damit weniger belastete Hüllflächen zwischen diesen möglich sind.
Verfahren zur Schalldämmung bzw. zur Unterstützung von Rammarbeiten, bei dem oberhalb des Meeresbodens luftgefüllte Kammern, vorzugsweise mit noppenförmigen Erweiterungen an der Oberseite, angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem sich oberhalb der Luftkammern – wenigstens teilweise – massive Bauteile befinden, deren Unterseite durch eine zweckmäßig geknickte oder anderweitig schräge Gestaltung die Form der Luftkammern prägen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis ß, bei dem die Körper mit luftgefüllten Kammern bzw. Schläuchen membranartig zwischen den Füßen einer Hubplattform gespannt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Körper mit den luftgefüllten Kammern bzw. Schläuchen an einem zu rammenden Pfahl bzw. Turm befestigt werden, um den herum sie angeordnet werden, gegebenenfalls unter Mitwirkung eines Rahmens, wobei sie durch Reibung an dem Pfahl gegen den Auftrieb nach unten gehalten werden, jedoch während eines Rammstoßes ein Gleiten zwischen Pfahl und der Befestigung der luftgefüllten Körper eintreten kann, so daß der Pfahl innerhalb des von den Kammern umschlossenen Bereichs nach unten gleiten kann.
Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche bei dem zur Wasseroberfläche hin die Abmessungen des gasgefüllten Bereichs größer werden, und bei dem zumindestens dort eine steife, ringähnliche Umfassung des Objekts so angeordnet wird, daß eine Bewegung der äußeren Hüllfläche mit dem Wellengang möglich ist, und dabei die auf einer Seite des Objekts einwirkenden Wellenkräfte vorrangig an die andere Seite des umschließenden Rings weitergeleitet werden, wobei wieder durch den luftgefüllten Zwischenraum zwischen Pfahl und der äußeren Hüllfläche eine Entkopplung der Bewegungen erreicht wird.
Verfahren zur Minderung des Schalleintrags in Wasserflächen, bei dem auf die Wasseroberfläche mit Gas aufgefüllte, flächige Hohlkörper aufgelegt werden, und dafür gesorgt wird, daß sich oberhalb derselben ein schwereres Material befindet, vorzugsweise durch Bedeckung derselben mit Wasser.
Verfahren zur Rammung von Pfählen im Wasser, bei dem mit einer innerhalb des eigentlich zu rammenden Pfahls bzw. in dessen unmittelbarer Nähe Luft bzw. Gas in den Boden und damit in die Nähe der Pfahlunterseite eingepresst wird, wodurch bei einer Bewegung des Pfahls nach einem Rammstoß die Kraftübertragung an den Boden durch die Komprimierbarkeit der Luft reduziert wird.