DE202017005091U1

DE202017005091U1 - Einrichtung zum Schutz von Bauteilen im Wasser vor Auskolkungsgefahren

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Publication number: DE202017005091U1
Application number: DE202017005091.9U
Authority: DE
Original assignee: Mineralguss Verwaltungsgesellschaft Laage Mbh
Current assignee: Mineralguss Verwaltungsgesellschaft Laage Mbh
Priority date: 2017-09-30
Filing date: 2017-09-30
Publication date: 2018-01-02
Anticipated expiration: 2027-10-01

Abstract

Biomechanische Einrichtung zum Schutz von Bauwerken im Wasserbau, wie Monopile im Offshor-Bereich, Ständerwerken von Bohrinseln, Brückenpfeilern oder Hafenanlagen vor Auskolkungsgefahren in Form einer flächendeckenden, das Bauteil umschließenden bzw. abschirmenden Abdeckung, die aus einzelnen Flächenelementen zusammengesetzt ist, gekennzeichnet dadurch, dass in der Oberfläche der Flächenelemente seegrasähnliche flexible Halme mit oder ohne bandartige Blattspreiten eingesetzt sind, die unter Einfluss des strömenden Mediums einen das Bauteil umschließenden bzw. abschirmenden flächendeckenden Teppich bilden.

Description

Gegenstand der Neuerung ist eine biomechanische Einrichtung zum Schutz von Bauteilen vor Auskolkungsgefahren im Wasserbau, wie beispielsweise Monopile im Offshor-Bereich, Ständerwerken von Bohrinseln, Brückenpfeilern oder Hafenanlagen.
Allgemein bilden sich bei Wasserbauten, insbesondere bei umströmten Baukörpern zeitunabhängige Strudellöcher (auch als Fluvialerosion bekannt). Diese können letztendlich zur Beschädigung bis hin zum Funktionsausfall der betreffenden Anlage/Bauwerkes führen.
Fakt ist, das jedes einem strömenden Medium ausgesetztes Bauobjekt, wie beispielsweise ein Monopile, im Abströmbereich Hufeisenwirbel aufweisen. Dieser Wirbel hat unmittelbaren Einfluss auf die Größe der Bodenschubspannung und damit auf den Sedimenttransport, der letztendlich eine Auskolkung verursacht. Das Problem der Auskolkungen tritt unabhängig von der Wassertiefe in Folge von Strömungen, Gezeiten, Wellenschlag oder Wetterunbilden auf. Besonders stark sind diese Auskolkungen bei Pfahlbauten, insbesondere bei freistehenden Anlagen, u. a. bei Monopile für Windkraftanlagen zu beobachten. Lt. Germanischen Lloyd rechnet man mit einer möglichen Kolktiefe von 2,5D des Durchmessers eines Monopile /1/. Bei einem Durchmesser von 6 Metern kann es demzufolge zur Auskolkung bis zu 15 Meter Tiefe kommen. Das kann sowohl zu Problemen bei der Standfestigkeit als auch des Schwingungsverhaltens von beispielsweise Monopilen führen.
Bisher ist man bemüht durch Aufschüttung von schweren Kies und/oder den Einbau großer Gesteinsbrocken in Form von Steindämmen die Gefahr von Auskolkungen zu unterbinden, was sich aber als unzureichend, langfristig unwirksam oder biologisch und geophysikalisch als bedenklich herausgestellt hat /ebd./.
Auch wurden schon als Kolkschutz Geotextile-Sandcontainer in geordneter strakender und ungeordneter Ablage eingesetzt. So baut beispielsweise E.on als Betreiber von Offshore-Windanlagen vor der Aufstellung eines Monopiles zwei Schichten Sandsäcke aus Geotextilen im Umkreis von 25 m Meter ein /ebd./. Ob diese ihre Lage beibehalten und eine Auskolkung verhindern ist nicht sichergestellt, ebenso ungeklärt sind die diesbezüglichen Eingriffe in die Meeresbiologie durch beispielweise den Eintrag von Mikro-Plastikmüll. Ähnliches trifft auf die Amrumbank West – hier wurden Ausspülungen von 4 bis 6 Meter festgestellt – zu. Dort wurden nach obigem Muster ca. 45.000 Säcke aus Propylen-Vlies eingebaut. Es wird berichtet, dass so inzwischen 180 Tonnen Kunststoff in der Nordsee verbaut wurden. Noch völlig offen ist es, wie ihre spätere Entsorgung erfolgen soll /2/.
Mit EP 2 386 691 A1 wird eine Schutzeinrichtung vorgeschlagen, die aus einer den Monopile bündig umschließenden elastischen Gummiplatten besteht. Zur Sicherung wird sie in den Boden eingespült und an den Rändern durch in den Boden eingelassene Gewichte verankert. Über eine praktische Anwendung liegen bisher keine Erkenntnisse vor. Es ist anzunehmen, dass das Auslegen einer solchen Abdeckung und das Verschweißen einzelner Bahnsegmente technologisch aufwendig ist.
Wie groß das Problem des Kolkschutzes ist und welche Lösungen bisher dazu vorgeschlagen wurden, belegen nachfolgend angeführten Druckschriften.
Mit DE 1 634 462 A wird zum Schutz vor Auskolkung bei Stützen bzw. Stützgruppen in Bereichen geringer Wassertiefen vorgeschlagen, diese mit einer auf dem Meeresboden aufliegenden, großflächige Matte und einer auf dieser aufliegenden massiven Scheibe gesichert wird.
DE 2 543 322 A sieht vor, dass zur Gründung eines Bauwerkes auf dem Meeresboden am Baukörper Druckkörper angebracht sind und dass auf diesen grobes und darüber feines Schüttgut aufgebracht wird. Ein Freispülen kann dabei nicht ausgeschlossen werden.
DE 2 819 299 A sieht vor, dass ein in einer Strömung befindlicher profilierter Körper, insbesondere Brücken- und Trennpfeilern mit einer breiten, dem Pfeilerquerschnitt angepassten monolithischen Fundamentplatte umgeben wird, die im Flußbettboden bündig eingelassen ist und sich bis über den möglichen Kolkbereich erstreckt. Zur Strömungsdämpfung sind auf dieser Fundamentplatte pfeilernah vertikal strömungsbeeinflussende Elemente aufgestellt. Für Monopile ist eine solche Konstruktion ungeeignet.
DE 2 927 804 C2 betrifft eine auf oder im Gewässerboden angeordnete Säule, die zum Schutz des Bodens am untere Ende der Säule eine umgebende längsverschiebbare starre Platte aufweist, und dass die Platte mit einer kragenförmigen Umkleidung verbunden ist, an der sich (schirmartig) flexible Streifen aus einer dichten Folie befinden.
DE 20 2005 004 739 U1 betrifft die Konstruktion eines Gründungspfahles der Art, dass im Einbauzustand des Pfahles auf Höhe der oberen Schicht des Untergrundes parallel und im Wesentlichen radial zur Pfahlachse auswärts gerichtete Flügel am Pfahlkörper fest angebracht sind.
DE 10 2012 108 166 A1 nimmt Bezug auf ein Offshore-Fundament eines Monopiles einer Offshore-Energieanlage, insbesondere Wind- oder Wasserkraftenergieanlage, in dem das Fundament aus ungebundenen gebrochenen Steinen besteht, die kegelförmig oder kegelstumpfförmig aufgebracht und durch ihr Eigengewicht verdichtet sind.
DE 20 2013 012 108 U1 betrifft eine Tragstruktur für ein flächiges flexibles Material zum Kalkschutz eines Fundamentes eines Offshore-Bauwerkes, in dem die Tragstruktur aus einem am Fundament angeordneten Haltering mit radial sich erstreckenden Speichen besteht und diese an ihren Enden durch Ketten miteinander verbunden sind.
DE 10 2014 202 049 B3 betrifft eine Abdeckung für Offshore-Bauwerke mit wenigstens einem Entgasungselement unterhalb der Abdeckung.
Wie aus den vorliegenden Druckschriften zu entnehmen ist, wurde bisher kein Auskolkschutz vorgeschlagen, der den natürlichen Bedingungen im Strömungsumfeld eines Bauteiles im Wasser, insbesondere eines Monopiles nahe kommt. Alle diese Einrichtung sind ausschließlich statische Konstruktionen, die mehr oder weniger stark in das natürliche geologische und biologische Umfeld eingreifen.
Mit der Neuerung soll eine Einrichtung für einen effektiven kosteneffizienten Kolkschutz vorgeschlagen werden, bei dem durch einen biomechanischen Effekt die Gefahr einer Auskolkung wirksam ausgeschlossen wird. Insbesondere soll erreicht werden, dass sich die vorgesehenen Schutzelemente dynamisch den Strömungsverhältnissen in Größe und Richtung anpassen und mit ihre Wirkung unter allen erdenklichen Bedingungen die Gefahr einer Kolkung größtmöglichst verhindert. Die angestrebte Einrichtung soll einen einfachen Aufbau haben und sich relativ leicht bei neuen und/oder vorhandenen Bauobjekten, insbesondere von Monopile im Offshor-Bereich und bei ähnlichen Wasserbauten, wie eingangs genannt, einbauen lassen. Auch soll die Einrichtung jederzeit reparaturfähig und rückbaufähig sein.
Eine neuerungsgemäße Einrichtung für einen biomechanischen dynamischen Auskolkschutz ist durch die Merkmale nach Anspruch 1 gekennzeichnet.
Danach wird vorgeschlagen, dass als Auskolkschutz eine Bodenabdeckung in Form einer künstlichen Seegraswiese geschaffen wird, die den Monopile bzw. ähnlicher Wasserbauwerke, wie eingangs genannt, bodendeckend umschließt. Diese Abdeckung besteht aus einzelnen untereinander verklammerter Flächenelementen, in deren Oberfläche seegrasähnliche flexible Halme mit oder ohne bandartigen Blattspreiten (Blattspreite ist der flächige Blattteil, das vom Halm getragen wird.) aus Kunststoff oder einem anderen korrosionsbeständigen Material, wie plastifizierte Zelluose oder plastummanteltes Gewebe oder einer Metallfolie oder einem anderen geeigneten biologisch unbedenklichen Material einzeln und/oder gebündelt eingesetzt sind, die in Summe aller Flächenelemente einen den Monopile oder die eingangs genannten Wasserbauwerke umschließenden bzw. einen abschirmenden Teppich bilden. Als Flächenelemente sind dünne, armierte Platten vorzugsweise aus Polymerbeton, oder einem wasserfesten Beton oder einem anderen biologisch noch günstigeren bzw. geeigneten Materialien vorgesehen, die eine geschlossene Abdeckung in beliebiger bzw. erforderlicher Größe ermöglicht. Die Grundform der Flächenelemente kann quatratisch, rechteckig, routenartig, trapetz- oder wabenförmig oder mit ineinandergreifenden Formtaschen in der Art eines Puzzels ausgebildet sein, die formschlüssig einen Verbund bilden. Einbauseitig ist der Rand der Abdeckung zur Sicherstellung eines stoßfreien Überganges vom Meeresboden in die künstliche Seegraswiese fließend, d. h. das äußere Flächenelement ist stoßfrei in den Grund eingelassen. Zur Unterbindung von Wirbelströmen im Kantenbereich der Abdeckung soll der Neigungswinkel weniger als 10° betragen. Zugleich kann das am Rand der Abdeckung eingebaute Flächenelement schürzenartig abgewinkelt oder in einen Bogen nach unten abgebogen sein. Durch diesen glockenartigen Rand der Abdeckung wird eine sichere Verankerung im Meeresboden erreicht und zugleich eine Unterspülung verhindert.
Ein weiteres Merkmal der Neuerung besteht darin, dass bei größeren Seegras-Flächenelementen zum Druckausgleich und Ableitung von Lufteinschlüssen oder aufsteigender Bodengase zusätzlich einzelne Bohrungen vorgesehen sind. Ihre Größe ist so gewählt, dass keine Ejekterwirkung eintritt.
Das so geschaffene Areal bildet einen naturähnlichen Kolkschutz, der unabhängig der Strömungsrichtung und -kraft wirkt, indem er sich ihr fortlaufend dynamisch anpasst und wie ein Vliesteppich über den kolkgefährtete Bereich legt.
Alternativ zu den vorgeschlagenen Flächenelementen aus Polymer- oder wasserfesten Beton sind auch flexible gasdurchlässige vliesähnliche Matten aus Kunststoff oder anderen Verbundstoffen vorstellbar. Neben der geometrischen Anpassung ihrer Form können die einzelen Mattenglieder verschnürt oder durch einen Haftverschluß zu einer geschlossenen Abdeckung verbunden werden.
Unabhängig von den genannten Einsatzbereich kann die erfindungsgemäße Abdeckung jede künstliche Nachbildung der natürlich vorkommenden Bodenbedeckung, wie kurzhalmiges Seegras, Algen, Moose und dgl. am jeweiligen Standort von Wasserbauwerken umfassen.
Die seegrasähnliche Gebilde auf den Flächenelementen oder einer alternativen vliesartigen Matte hat, wie bei natürlichen Seegraswiesen, Blattspreiten mit einer flexible Länge von 0,3 bis 1,0 Meter bei einer Blattbreit von 0,8 bis 3 cm. Der frei stehende Halm soll in sich elastisch und bis 0,3 Meter lang sein. Sein Durchmesser soll in einem natürlichen Verhältnissen zur Blattspreite und Blattlänge stehen. Vorgesehen ist, dass am Außenrand der Abdeckung die Flächenelemente mit kürzeren Seegrasgebilden und in Richtung des Bauwerkes mit zunehmend größer Seegrasgebilden ausgestattet sind. Damit wird sichergestellt, dass sich diese seegrasähnlichen Gebilde richtungsunabhängig mit der Strömung frei bewegen und den Boden der Abdeckung wie ein Vliesteppich überdecken. Auf diese Weise wird die Geschwindigkeit der bodennahe Strömung reduziert. Zugleich wird anströmende Medium dynamisch weitgehend laminar ausgerichtet und damit die Ausbildung schädlicher Wirbeln verhindert. Insgesamt ergibt sich dadurch der positve Effekt, daß ein Sedimenttransport in Bodennähe, insbesondere im Nachstrombereich des betreffenden Bauwerkes (Monopile bzw. den o. angeführten Wasserbauwerken) unterbunden bzw. deutlich eingeschränkt und so generell die Gefahr einer Kolkbildung wirksam verhindert wird. Die Anordnung der seegrasähnlichen Elemente auf den Flächenelementen erfolgt unabhängig von der Länge der Halme und Blattspreiten in gemischter Weise.
Das Verfahren zur Herstellung der Flächenelemente aus Polymerbeton oder wasserfestem Beton mit seegrasähnlicher Abdeckung besteht darin, dass die Flächenelemente in ihrer vorbestimmten Formgebung mit einer eingebetteten Armierung abgegossen werden und dass in die noch nicht abgebundene Gussmasse die Halme mit oder ohne Blattspreiten einzeln und/oder gebündelt eingesetzt werden, wobei ihr Abstand zueinander symmetrisch geordnet und/oder ungeordnet erfolgen kann. Ebenso können die Halme verschiedene Durchmesser haben um dem natürlichen Erscheinungsbild nahe zu kommen. Sowohl bei fertig und vorhandenen Flächenelementen aus Polymerbeton oder Beton können im Fall einer Nachbesserung oder Reparatur in die Oberfläche der Flächenelemente Sackbohrungen eingebracht werden, in die dann die seegrasähnlichen Halme einzeln oder gebündelt mit einem Reaktionsharzen, wie ungesättigte Polyesterharze, Epoxidharze oder Polyurethane (PUR) eingeklebt werden.
Ein weiteres mögliches Merkmal der Neuerung sieht vor, dass in das Flächenelement während oder nach dem Gießprozess Durchgangslöcher verschiedener Durchmesser und Anordnung eingebracht werden, durch die dann in einem zweiten Schritt die flexiblen Halmel oder Halmbündel eingefädelt und gesichert/verklebt/verklemmt werden.
Ein Merkmal besteht auch darin, dass das Flächenelemente der Abdeckung ausgehend von ihrer Formgebung durch Klammern oder Zapfen oder geeignete Geometrien zum Zusammenstecken in der Art eines eines Puzzels formschlüssig verbunden sind, die im Bedarfsfall eine Demontage zum Rückbau oder für Reparaturzwecke ermöglichen.
Die Neuerung sieht auch vor, dass die Flächenelemente aus Polymerbeton oder anderen Betonarten mit Zuschlagstoffen bestückt sind, die biologisch abbaubare Bestandteile enthalten, die während der Einsatzzeit eine natürliche Bewuchsbildung auf der Abdeckung und am Boden des Gewässers fördern und somit eine Flächenrenaturierung in Bewegung bringen.
Literatur:

/1/ Projekt-Abschlussbericht „Beurteilung der Wirksamkeit technischer Maßnahmen zur Verhinderung von Kolkbildung an zylindrischen Grundstrukturen von Offshore-Bauwerken..." Kurztitel „Kolkschutz" Universität Rostock Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik, Lehrstuhl Meerestechnik Projektpartner und Förderer: mineralit GmbH, Laage Rostock 29.02.2016 – unveröffentlicht
/2/ Mattias Brendel Energie; Plastik im Meer Der Spiegel 43/2014, S. 47 www.soiegel.de/spiegel/print/index-2014-43 html

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2386691 A1 [0006]
DE 1634462 A [0008]
DE 2543322 A [0009]
DE 2819299 A [0010]
DE 2927804 C2 [0011]
DE 202005004739 U1 [0012]
DE 102012108166 A1 [0013]
DE 202013012108 U1 [0014]
DE 102014202049 B3 [0015]

Claims

Biomechanische Einrichtung zum Schutz von Bauwerken im Wasserbau, wie Monopile im Offshor-Bereich, Ständerwerken von Bohrinseln, Brückenpfeilern oder Hafenanlagen vor Auskolkungsgefahren in Form einer flächendeckenden, das Bauteil umschließenden bzw. abschirmenden Abdeckung, die aus einzelnen Flächenelementen zusammengesetzt ist, gekennzeichnet dadurch, dass in der Oberfläche der Flächenelemente seegrasähnliche flexible Halme mit oder ohne bandartige Blattspreiten eingesetzt sind, die unter Einfluss des strömenden Mediums einen das Bauteil umschließenden bzw. abschirmenden flächendeckenden Teppich bilden.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Flächenelemente Platten aus Polymer- oder wasserfestem Beton vorgesehen sind, die formschlüssig eine Abdeckung in technisch erforderlicher oder beliebiger Größe bilden.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die seegrasähnlichen Halme, ähnlich einer natürlichen Seegraswiese, auf dem Flächenelement einzeln und/oder in gemischter Weise als Bündeln symmetrisch geordnet und/oder ungeordnet eingesetzt sind.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Halme und Blattspreizen aus Kunststoff, einem korrosionsbeständigen Material, wie plastifizierte Zelluose oder plastummanteltes Gewebe oder einem elastischen Metall oder aus einem anderen geeigneten, insbesondere biologisch unbedenklichen Werkstoff bestehen.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1, 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, dass der seegrasähnliche Halme für sich selbst oder als Bündel einen zur Blattspreite, Blattlänge und Halmmenge im natürlichen Verhältnis stehenden Durchmesser aufweist, elastisch und weniger als 0,3 Meter lang ist und wahlweise eine oder mehr als eine flexible Blattspreite von 0,3 bis 1,0 Meter Länge bei einer Blattbreit von 0,8 bis 3 cm trägt.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Grundform der Flächenelemente quatratisch, rechteckig, rautenartig, trapetz- oder wabenförmig oder mit ineinandergreifenden Formtaschen in der Art eines Puzzels ist und dass die einzelnen Flächenelemente formschlüssig miteinander einen Verbund bilden.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Rand der Abdeckung unter einen Neigungswinkel von weniger als 10° fließend in den Grund eingelassen ist.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass das am Rand der Abdeckung befindliche Flächenelement schürzenartig abgewinkelt oder bogenartig nach unten abgebogen ist.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass zum Druckausgleich und Entlüftung in den Flächenelementen Durchtrittsbohrungen eingebracht sind, deren Durchmesser so gewählt ist, dass keine Ejektorwirkung eintritt.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass das Flächenelement aus Polymerbeton eine Stärke von 3 bis 10 cm, vorzugsweise von 4 bis 6 cm besitzt und mit einer Armierung bestückt ist.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Flächenelement als eine flexible gasdurchlässige Matte Kunststoff (ähnlich eines Webteppichs) ausgebildet ist, in die die seegrasähnlichen Halme einzeln oder in Bündeln eingeflochten, eingeklebt und/oder verschweißt sind.
Biomechanische Hinrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass im abgebundene Zustand der Flächenelemente zur Nachbesserung oder Reparatur Sackbohrungen eingebracht sind, in die die seegrasähnlichen Halme einzeln und/oder als Bündel mit einem Reaktionsharz eingeklebt sind.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass im Flächenelemente Durchgangslöcher verschiedener Durchmesser und Anordnung vorgesehen sind, in denen die flexiblen Halme oder Halmbündel eingefädelt und gesichert/verklebt/verklemmt sind.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Flächenelemente entsprechend ihrer Formgebung durch Klammern oder Zapfen oder durch eine formschlüssige Kontur ähnlich eines Puzzels zu einer geschlossenen Abdeckung verbunden sind.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass das oder die Flächenelement/e aus Polymerbeton oder anderen Betonarten mit Zuschlagstoffen, die biologisch abbaubare Bestandteile enthalten, die während der Einsatzzeit eine natürliche Bewuchsbildung am Boden des Gewässers fördern und somit eine Flächenrenaturierung in Bewegung bringen, ausgestattet sind.
Biomechanische Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 6 gekennzeichnet dadurch, dass die Abdeckung mit einem künstlichen Seegrasbelag aus einer Kombination und gemischten Anordnung von festen und webteppichartig flexiblen Flächenelementen besteht.