DE19955572A1

DE19955572A1 - Verankerungsstabilisierte Trägerboje

Info

Publication number: DE19955572A1
Application number: DE19955572A
Authority: DE
Inventors: Jan They
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2000-06-15

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 Die 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 Anwendungsgebiet DOLLAR A Meerestechnik, Lagerung von Vorrichtungen in flüssigen Medien.

Description

Problem

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 Strömungsverhältnisse 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 Balast. 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 den Zusammenhang von Drehmoment und Auslenkung aus der sta bilen 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.

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.

Abschätzung der Größe des zur Stabilisierung erforderlichen zusätz lichen Auftriebskörpervolumens Formstabilität

Man möchte durch Verdrängen von Wasser einen zusätzlichen Auftrieb erzeugen. Der Betrag des aufrichtenden Moments ergibt sich aus

D_aufrichtend = 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.

Gewichtsstabilität

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.

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.

Abstrakte Verallgemeinerung des Problems

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.

Lösung

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 Kompo nente 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. Es kommen hier viele ver schiedene Materialien in Betracht. Die durch störende Kräfte hervorgerufene Bewegung kann 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 aus gehen. Durch eine Minimalkonstruktion mit drei Haltepunkten, drei Veranke rungspunkten und sechs Verbindungen werden genau alle Bewegungsfreiheits grade blockiert. Durch die Lage 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 verschwinden, da der Schwerpunkt nicht mehr verlagert werden kann.

Das zusätzlich zur Kompensation eines kippenden Drehmomentes erforderli che Auftriebskörpervolumen ist abhängig vom Abstand der Haltepunkte am Schwimmkörper. Als Beispiel betrachtet man eine Konstruktion, bei der die Auf triebskraft 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 Drehmoment und d der Abstand zwischen den Verankerungspunkten. Die Kraft darf nicht dazu führen, dass die Verbindungen vollständig entlastet wer den. 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.

Claims

1. Die Ansprüche gelten für Vorrichtungen zur Installation von

1. Anlagen im allgemeinen
2. Leuchtfeuern
3. schwimmenden Tanks
4. und Windkraftanlagen im speziellen
5. oder Kombinationen aus den vorangehenden vier Punkten
6. auf See,
7. unter der Meeresoberfläche
8. oder in anderen flüssigen Medien
9. oder gasförmigen Medien
10. oder deren Oberfläche

stabil gegen

1. horizontale
2. transversale Bewegungen
3. Rotation um eine
4. zwei
5. oder drei Achsen.

2. Die Vorrichtung ist durch mindestens eine der folgenden Merkmalgruppen ge kennzeichnet:

1. Sie besteht aus einem Schwimmkörper sowie einem oder mehreren Veran kerungspunkten im Untergrund, der sich unter dem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium befindet, sowie einer oder mehreren Verbindungen zwischen den Verankerungspunkten und Haltepunkten am Schwimmkörper.
2. Die Verbindungen zwischen dem Schwimmkörper und Verankerungspunkt werden durch die Auftriebskraft des Schwimmkörpers vorgespannt und müssen vornehmlich Zugbelastungen aufnehmen.
3. Vorrichtungen wie in 1 (vorletzter Punkt) beschrieben, die durch sechs Verbindungen zwischen jeweils drei Punkten am Schwimmkörper und drei Verankerungspunkten im Untergrund gehalten werden.