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Unterwassereintreibverfahren für Pfähle Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Unterwassereintreiben von Pfählen, wobei die Pfahlspitze in den Grund
einer Wassermasse eingebettet wird und eine evakuierbare Hülle mit Seitenwänden
und einer unteren Barriere wirksam mit der Pfahlspitze so gekoppelt wird, dass die
auf die Barriere ausge-Ubten Eintreibkrdfte zur Spitze übertragen' werden.
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Der, kinetische Energieausstoss einer Pfahlramme stellt das Produkt
aus deren Eintreibmasse mal deren Geschwindigkeit im Augenblick des Aufstossens
auf den Pfahl dar.
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Das Eintreiben von Pfählen in ein Erdreich erfolgt dadurch, dass die
kinetische Energie eines Hammers oder einer anderen Eintreibmasse auf einen Pfahl
in einem ausreichend grossen Umrang übertragen wird, dass einesteils die nicht wirksamen
energieverbrauchenden Faktoren, wie beispielsweise Stossbeanspruchungen, Abstrahlung,
Reflektion und Bodenerschütterung überdeckt werden und andererseits die Reibungselastizitätsund
Trägheitswiderstandskomponenten von Pfahl und Boden überwunden werden.
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Jahr für Jahr werden zunehmend grössere land- und seeseitige Bauwerke
errichtet. Grössere Bauwerke erfordern jedoch längere und massivere Pfähle zur Fundamentierung,
die tiefer in den Boden eingebettet werden müssen. Diese Anforderung ist insbesondere
bei grossen, von der Küste entfernten Anlagen, wie beispielsweise Schiffanlegestellen
und Ölbohrproduktions- und Lageranlagen zu beachten. Ohne entsprechende Fundamentierung
würden derartige, mehrere 10.000 t wiegende Bauwerke durch schwere Stürme, Kollisionen
mit grösseren Schiffen, Erderschütterungen, Eisschollen ohne weiteres versetzt oder
umgeworfen werden, was oftmals mit Verlust an Menschenleben,BeschSdigung der Umgebung
und des Verlustes an investiertem Kapital verbunden ist. Um daher eine ausreichende
Lastaufnahme zu gewährleisten und ein Herausziehen der Pfähle zu unterbinden, müssen
Pfähle von 50 und mehr Meter länge, 0,3 und mehr Meter Durchmesser, mit einem Gewicht
von einigen 100 t eingetrieben werden und der Eintriebvorgang bis zu solchen Eindringtieren
in den Boder; fortgesetzt werden, in denen ein erheblicher Eintreibwiderstand vorliegt.
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Die Auslegung eines Pfahleintreibmechanismus wird durch eine komplexe
Reihe von die Pfahls und Bodeneigenschaften betreffenden Grössen, durch die Eintreibumgebung,
durch wirtschaftliche Gesichtspunkte und durch die Materialien bestimmt. Allgemein
kann jedoch gesagt werden, dass für Pfähle mit grösserer Masse und bei erschwerten
Eintreibbedingungen, Eintreibmechanismen mit ansteigendem kinetischen Energieausstoss
erforderlich sind. Ohne eine entsprechende Eintreibenergie verbleibt wenig oder
gar keine Energie zum Eintreiben der Pfähle, da die verfügbare Energie weitestgehend
oder vollständig durch die zuvor genannten, nicht wirksamen energieverbrauchenden
Faktoren aufgesogen wird. Eine Verbesserung der Lage unter derartigen Umständen
kann durch Hilfsmittel, wie beispielsweise dem Einbohren von Fuhrungsbohrungen,
durch Wasserbestrahlen oder Untergiessen von Ubergross Bohrungen erzielt werden,
jedoch verringern diese Massnahmen im allgemeinen das Tragfähigkeitsverhalten. Wegen
der heute verwendeten ansteigenden Pfahlmassen und der schwieriger werdenden Eintreibbedingungen
mUssen demzufolge Rammen oder Eintreibmechanismen mit grösserem Energieausstoss
vorgesehen werden.
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Der kinetische Energieausstoss eines bekannten Hammers kann entweder
durch Erhöhung seiner Masse oder seiner Schlaggeschwindigkeit gesteigert werden.
Die letztgenannte Alternative ist aus einer Anzahl von Gründen uninBressant.
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Dazu gehört einmal das Problem des Wirkungsgrades mit dem der Hammer
die Energie auf den Pfahl überträgt. Bei einem vollständig unelastischen Zusammstoss
zwischen Hammer und Pfahl steht die nach dem Stoss verbleibende kinetische Energie
zur Uberwindung der nicht wirksamen Faktoren und zum Eintreiben des Pfahles in einem
proportionalen
Verhältnis zur Hammermasse dividiert durch die Gesamtmasse
aus Hammer plus Pfahl. Eine Erhöhung der Pfahlmasse ohne eine entsprechende Erhöhung
der Hammermasse führt daher zu einer Verringerung des Eintreibwirkungsgrades.
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Ferner erzeugen höhere Hammergeschwindigkeiten höhere lokale Schlagbeanspruchungen.
Wenn die letztere die Streckgrenze des Pfahlmaterials überschreitet, wird kinetische
Energie vernichtet und damit der Wirkungsgrad verringert.
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Aus diesen und anderen Gründen wird von der Verwendung von Pfahleintreibmechanismen
abgesehen, bei denen die Hammermasse weniger als ein Viertel derjenigen des Pfahls
ist, während ein Massenverhältnis von 1/2 im allgemeinen für langzeitigen Betrieb
empfohlen wird.
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Dies bereitet jedoch Schwierigkeiten beim seeseitigen Eintreiben von
Pfählen. Die grössten gegenwärtig für seeseitigen Betrieb verwendeten Dampfhammereintreibmechanismen
sind praktisch aus Sicherheitsüberlegungen aufgrund ihrer Handhabung bei stürmischem
Wetter auf Gewichte im Bereich von 60 t bei einer Hammermasse von etwa 30 t beschränkt.
Demzufolge sind sie gewöhnlich nicht dazu geeignet, aufgrund der Massenunstimmigkeit
grössere Pfähle einzutreiben.
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So ist beispielsweise bei einem 200 t Pfahl der Wirkungsgrad der Energieübertragung
eines 50 t Hammers 100 ffi x 50 / 50 + 200 oder etwa 15 %. Darüberhinaus ist dieser
relativ geringe wirksame Energieanteil zum Eintreiben des Pfahls aus später beschriebenen
anderen Gründen nicht insgesamt wirksam.
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Die beschriebene Lage wird weiter durch den Umstand kompliziert, das
die in einem Pfahl zum Durchdringen des Bodens
vorliegende Energie
nur dann wirksam ist, wenn ein geeigneter Widerstandszusammenhang zwischen den Kraft-Zeit-Verdrängungseigenschaften
des Eintreibmechanismus und den entsprechenden parametrischen Ansprechwerten des
Bodens vorliegt.
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Die Möglichkeiten zu Veränderungen der Kraft-Zeit-Verdrängungseigenschaften
eines Dampfhammers sind begrenzt und dies bereitet praktische Probleme, da die Spitze
und die Seiten eines Pfahls häufig durch Erdschichten mit in weiten Grenzen variierenden
Eigenschaften hindurchgelangen.
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Unter den schwierigsten Bedingungen stellt somit das Eintreiben von
Pfählen eine diffizi-le zeitaufwendige und kostspielige Arbeit dar, die manchmal
damit endet, dass die veranschlagten TragfShigkeiten oder Bodentiefen nicht erreicht
werden.
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Da das Eintreiben von grossen Pfählen bis zu einer ausreichenden Bodentiefe
bislang nicht möglich war, wird häufig das Eintreiben einer grossen Anzahl von kleineren
Pfählen erforderlich sein; so sind beispielsweise 8 oder 16 Pfähle zur Fundamentierung
eines einzigen Armes eines mehrarmigen seeseitigen Bauwerkes notwendig.
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Unter Berücksichtigung der zuvor genannten SicherheitsUberlegungen
bei stürmischem Wetter ist es von Interesse, darauf hinzuweisen, dass wenigstens
ein Hersteller von Pfahleintreibmechanismen für seeseitigen Betrieb einen Pfahleintreibsmechanismus
vorgeschlagen hat, der nominal auf Sst 67.500 kpm ausgelegt war und etwa 230 t wiegt,
was einem Gewicht von mehreren Lokomotiven entspricht.
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Das Anheben dieser gigantischen Masse und deren sichere Handhabung
während stürmischer Wetterbedingungen ist eine beträchtliche Herausforderung. Nichtsestoweniger
deutet der Umstand, dass wenigstens einige der auf diesem Gebiet arbeitenden Fachleute
bereit sind, derartige Schwierigkeiten
auf sich zu nehmen, auf
die Ernsthaftigkeit der Probleme und die Beschränkungen hin, die sich beim Eintreiben
von Pfählen gegenwärtig eingestellt haben.
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Unter Berücksichtigung der gegenwärtigen Situation liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Unterwassereintreiben von Pfählen der eingangs
erwähnten Gattung zu schaffen, mit dendie genannten Probleme vermieden werden können.
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Das erfindungsgemässe Verfahren wird an einem langen, massiven Pfahl
durchgeführt, der Teil der Fundamentierung eines grossen seeseitigen Bauwerks ist
oder als solche vorgesehen werden soll. Der Pfahl ist mit seiner Spitze im Grund
eines Gewässers eingebettet. Ferner wird eine evakuierbare Hülle mit Seitenwänden
und eine untere Barnere wirksam mit der Pfahlspitze gekoppelt, so dass sich die
auf die Barriere ausgeübten Eintreibkräfte zur Spitze bertragen lassen. Das erfindungsgemässe
Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass man wenigstens einen Bereich der Umhüllung
evakuiert und dadurch Wasser und wenigstens einen Teil irgendwelcher Gase oder flüchtiger
Stoffe in dem entleerten Bereich entfernt, längs der Achse des Pfahls eine Wassermasse
beschleunigt, die sich im wesentlichen unabhängig vom Pfahl bewegt, die Wassermasse
gegen die Barriere plötzlich abbremst und dadurch die hydraulische kinetische Energie
in einen Eintreibimpuls für einen Wasserhammer umwandelt, um den Pfahl in den Boden
einzutreiben und dass man das Entleeren oder Evakuieren,Beschleunigen, Abbremsen
und Eintreiben in der zuvor genannten Weise wiederholt.
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Auf diese Weise ist es nunmehr möglich, kräftige mechanische Impulse
zu erzeugen, deren Kraft-Zeit-Charakteristik
sich innerhalb eines
weiten Bereiches so zu-messen lassen, dass sie besser mit den Eintreiberfordernissen
für verschiedene Pfahl- und Bodenbedingungen übereinstimmen.
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Anhand der Zeichnung werden Ausführungsformen der Erfindung nachfolgend
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine verkürzte und teilweise weggebrochene Vertikalansicht
eines Wasserhammereintreibmechanismus, bei dem die evakuierbare Umhüllung ein vom
Pfahl getrenntes Rohr ist; Fig. 2 einen schematischen Aufriss eines Eintreibmechanismus
ähnlich dem nach Fig. 1, der jedoch mit einer Einrichtung zur Rohrverbindung und
Ausrichtung zur Befestigung des Eintreibmechanismus innerhalb eines Pfahls versehen
ist; Fig. 3 einen Schnitt durch eine Verbindungseinrichtung für den Eintreibmechanismus
nach Fig. 2; Fig. 4 einen schematischen Aufriss, bei dem die evakuierbare Umhüllung
wenigstens teilweise durch die Wände des Pfahls gebildet ist, während die Motor-Pumpen-Kombination,das
Wasserhammerventil und die Steuereinrichtung ähnlich derjenigen nach Fig. 1 sind;
Fig. 5 und 6 schematische Aufrisse von dampfbetriebenen Wasserhammereintreibmechanismen,
bei denen die evakuierbare Umhüllung wenigstens teilweise durch die Wände des Pfahls
gebildet ist;
Fig. 7 bis 9 schematische Aufrisse von durch kondensierbare
Dämpfe betätigte Eintreibmechanismen, bei denen die evakuierbare UmhULUng ein separates
jedoch mit dem Pfahl verbundenes Rohr ist und verschiedene Arten von kondensierbaren
Dämpfen verwendbar sind; Fig. 10 bis 12 schematische Aufrisse von in die evakuierbaren
Umhüllungen der Wasserhämmer einsetzbaren Einrichtungen zur Anderung des Wasserhammerimpulses;
Fig. 15 und 14 schematische Aufrisse von Freikolbenwasserhämmern mit evakuierbarer
Umhüllung, bei denen die Kolben mechanisch bzw. durch Mediumdruck betätigbar sind.
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Errindungsgemäss können die umhüllenden Wände wenigstens teilweise
oder insgesamt durch ein vom einzutreibenden Pfahl separates Rohr gebildet werden,
wie dies in den Fig.
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1 bis 11 dargestellt ist. Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Pfahls 1,
der unter Wasser in den Boden 100 durch einen oben aufgesetzten Hammer eingetrieben
wird. Der Pfahl 1 ist sicher mit dem Hammer 3 durch eine Kopplungseinrichtung 2
verbunden. Diese Kopplungseinrichtung 2 kann die Form einfach verschraubter Flansche
haben oder es kann sich dabei um eine kompliziertere mechanische Klemmanordnung,
ähnlich der bei Drehbänken verwendeten mechanisch oder pneumatisch betriebenen Spannfutter
handeln, wie sie allgemein bekannt sind und nicht näher beschrieben werden. Der
Pfahlhammer 5 enthält im vorliegenden Fall ein Hammerrohr 4, welches aus mit Flanschen
versehenen Abschnitten einer dickwandigen Röhre besteht, wobei die Abschnitte zusammengeschraubt
sind und im Rohr 4 nahe dessen
unterem Ende eine aus einem federnd
montierten Elektromotor 5 und einer Hydraulikpumpe 6 bestehende Kombination angeordnet
ist. (Die Motorpumpenlage kann untereinander ausgetauscht werden). Die Pumpe 6 dient
zum Ausführen des Wassers aus dem Hammerrohr über eine zentral angeordnete vertikale
Auslassleitung 7. Die Pumpe 6 trägt die Auslassleitung 7 in Axialrichtung oder bei
anderen Konflgurationen umgekehrt. Am obersten Abschnitt des Wasserhammerrohres
4 ist ein schnell öffnendes Wassersteuerventil 8 und dessen pneumatisch betriebenes
Betätigungsorgan 9 angeordnet. Im geöffneten Zustand ermöglicht das Ventil 8 einen
freien Wassereintritt vom umgebenden Wasservolumen durch den Ventilkörper und dessen
Einlass 12 in das Hammerrohr 4. Eine Drahtseilschlinge 10 trägt die gesamte Anordnung
von der Oberfläche aus und führt ebenfalls die notwendigen Energie- und Steuerkabelausrüstung
11 zum Rohr.
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Das Wassersteuerventil 8 kann so ausgelegt werden, dass seine rasche
Öffnung durch die Kraft unterstützt wird, die auf das Ventil durch den umgebenden
hydrostatischen Wasserdruck erzeugt wird. Um zu verhindern, dass das einströmende
Wasser irgendwelche Zugkräfte auf die Pumpe 6 und den Motor 5 ausübt, wird der Flüssigkeitspegel
gesteuert und damit das Herabziehen des Wassers zum Pumpenniveau vermieden. Die
Gehäuse von Pumpe, Motor und Auslassleitung sollten stark genug sein, dem sich ergebenden
Wasserhammerdruck standzuhalten. Wenn erforderlich, kann die Motorpumpenauslassleitungsanordnung
freischwebend und in Axialrichtung gegenüber dem Wasserhammerrohr durch eine untere
nicht dargestellte Druckfeder mechanisch stossisoliert sein, wobei die Druckfeder
das statische Luftgewicht der Motorpumpenleitungsanordnung trägt, während eine obere
nicht dargestellte Druckfeder die Zurückstellung der Schwerpunktlage
der
Pumpenanordnung zu deren normaler Mittelstellung unterstützt. Ein hydraulischer,
nicht dargestellter Stossdämpfer kann vorgesehen werden, um mittels viskoser Dämpfung
Schwingungen zu verringern. Darüber hinaus kann ein weiterer Stosswiderstand dadurch
geschaffen werden, dass man die kritischen Komponenten von Motor und Pumpe neutral
in entsprechenden Flüssigkeiten dadurch schweben lässt, indem sie aus Baumaterialien
geringer Dichte gefertigt werden und man Flüssigkeiten hoher Dichte in den betreffenden
Rahmenwerken anordnet. Von der Oberfläche gelangen die Kabel zur Energieversorgung
des Motors und zur Steuerung zum Motor 5 und Ventil 8 durch das wasserdichte Energie-und
Steuerkabelgeschirr 11.
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Weist der Pfahl eine ausreichende Länge und Durchmesser auf, so kann
das Hammerrohr 4 innerhalb des Pfahles, wie in Fig. 2 gezeigt, angeordnet werden,
indem man irgendwelche innere Kupplungsverbindungen, wie beispielsweise die in Fig.
3 verwendete Anordnung 40 verwendet. Dies erleichtert darüber hinaus die Handhabung
von langen Anordnungen.
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Dies ermöglicht eine zunehmende Aufwärtspositionierung des Hammers,
wenn der Pfahl 1 in den Boden 100 eingetrieben wird. Die Anordnung erlaubt ferner
die Verbindung des Eintreibmechanismus mit dem Pfahl an einer Stelle, die näher
am Boden 100 als am oberen Ende des Pfahles liegt, so dass eine verbesserte Eintreibwirkung
gegeben ist. An jede Flanschverbindung des Wasserhammerrohres können gemäss Fig.
2 die konzentrische Ausrüstung gewährleistende Ringe 42 angeordnet werden.
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Um den Hammer innerhalb des Rohres zu befestigen, wird ein Medium
unter hohem Druck in den unteren zylindrischen Hohlraum 53 des Kupplungsteils 40
über den Kanal 54 eingeleitet, vgl. Fig. 3. Dadurch bewegt sich der Zglinderrahmen
55
längs des Kolbens 56 nach unten. Der Kolbenschaft ist mit dem Basisteil 57 verbunden,
welches wiederum mit dem unteren Flansch 48 des Wasserhammerrohres 4 verschraubt
ist. Bei Abwärtsbewegung des Zylinderrahmens 55 entsteht eine Kniehebelwirkung in
der Vielzahl von Gelenkhebeln 58.
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Die resultierende mechanische Wirkkraft ändert sich entsprechend dem
Kotangens des Winkels zwischen dem Gelenkhebel und der radialen Normalen. Demzufolge
gleiten die mit gehärteten Zähnen versehenen Schuhe 59 in T-Nutführungen im Basisteil
57 nach aussen und schneiden sich in die Pfahlwände ein. Gleichzeitig wird das Medium
in dem oberen zylindrischen Hohlraum 60 durch den Kanal 61 ausgeführt. Ein nicht
dargestelltes, elektrisch gesteuertes 4-Wege-Ventil kann zur Steuerung der Mediumein-
und ausströmung verwendet werden, wobei es sich beim Druckmedium um eine Hydraulikflüssigkeit
oder Luft handeln kann. Zum Lösen des Pfahlkopplungsmechanismuss werden die Ein-
und Ausströmkanäle im Basisteil durch das Steuerventil untereinander ausgetauscht.
Die Druckfeder 62 im oberen Zylinder 60 zieht den gesamten Mechanismus bei Wegfall
des Luftdruckes zurück. Der beschriebene Pfahleintreibmechanismus kann ebenfalls
für die Endeintreibkonfiguration verwendet werden.
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Erfindungsgemäss können die einhüllenden Wände wenigstens teilweise
oder vollständig durch die Wände des einzutreibenden Pfahls gebildet sein, wie dies
aus den Fig. 4 bis 6 und 13 zu entnehmen ist. Nach Fig. 4 erfolgt das Eintreiben
des Pfahles 1 unter Wasser in den Boden 100 mittels einer Moduleinheit, die ähnliche
Teile enthält wie der Eintreibmechanismus nach Fig. 1, so dass diese durch gleiche
Bezugsziffern gekennzeichnet sind.
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Durch das Steuerventil 8 und das Betätigungsorgan erstreckt
sich
axial eine Auslassleitung 7, die mit einer Pumpe 6 in Verbindung steht und diese
über den Pumpenabgabeauslass trägt. Die Pumpe wiederum trägt einen elektrischen
Antriebsmotor 5. Das Ventil 8, das Betätigungsorgan 9, die Leitung 7, die Pumpe
6, der Motor 5 und die Kappe 120, an welcher sie befestigt sind, bilden eine einheitliche
Einheit, die sich vorübergehend während des Eintreibens mit jeder Serie von Pfählen
in Verbindung bringen lässt.
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Die Kappe 120 steht in wasserdichtem Eingriff mit der Mündung des
Pfahles 1 und kann, wenn erwünscht, mit Mitteln zur ferngesteuerten Lösung versehen
werden, z.B. mit einer nicht dargestellten Klinke und einem Auslösedraht, so dass
die Einheit von der Oberfläche aus vom Pfahl entfernt werden kann, sobald das Eintreiben
abgeschlossen ist. Eine Drahtseilschlinge 10 it zum Absenken und Anheben der Einheit
vorgesehen und führt ebenfalls das Energieversorgungs-und Steuerkabelgeschirr 11
zu dieser. Die Einheit wird durch einen Kahn 124 bedient, der mit einer Winde 125
und einem Kabel 126 zum Heben und Senken der Einheit, und mit einer Trommel 127
zum Abwickeln und Aufwickeln des Kabelgeschirrs 11 versehen ist.
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Sobald die Einheit mit einem Pfahl verbunden ist, übernimmt der Pfahl
die Funktion des in Fig. 1 dargestellten Hammerrohres 4 und arbeitet in der gleichen
Weise. In diesem Fall wird die evakuierbare Umhüllung durch die zylindrischen Wände
des Pfahles 1 und die innere Oberfläche 121 der Pfahlspitze 122 gebildet Die Umhüllung
ist mit der Spitze durch das Wandmaterial des Pfahles gekoppelt Während des Betriebs
der Vorrichtung wird aus demjenigen Teil der Umhüllung Wasser herausgezogen, der
auf oder über dem Höhenniveau des rumpeneinlasses 123 liegt und
das
Wasser wird durch die Abgabeleitung 7 ausgeführt. Nach oeffnung des schnell ansprechenden
Ventils 8 wird das Wasser durch den Ventileinlass 12 eingesogen und inwärtig längs
der Achse des Pfahles durch den umgebenden hydrostatischen Wasserdruck beschleunigt.
Da das Ventil mit einer weiten oeffnung versehen ist, füllt die sich längs der Achse
des Pfahles bewegende Wassermasse im wesentlichen den Querschnitt des evakuierten
Teils der Umhüllung aus. Da dem Wasser kein Widerstand entgegengesetzt wird, setzt
es seine Bewegung im wesentlichen unabhängig vom Pfahl so lange fort, bis es plötzlich
durch die durch die innere Oberfläche 21 der Pfahlspitze gebildete Barriere abgebremst
wird. Bei der Abbremsung befindet sich das Wasser im wesentlichen bei seinem theoretischen
Massen -modul. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Wassermasse
durch die Barriere entweder direkt oder "per se" abgebremst werden kann (falls eine
vollständige Entleerung des Pfahles vor Einleiten des Wassers vorgenommen wird)
oder es erfolgt eine indirekte Abbremsung, indem beispielsweise das im unteren Teil
des Pfahles befindliche Wasser durch das einströmende berührtw!rd.A1sErgebnis einer
derartigen Abbremsung unter dem theoretischen Masse modul des Wassers wird die hydraulische
kinetische Energie in einen kräftigen Eintreibimpuls zum Eintreiben des Pfahls in
den Boden umgesetzt.
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Der Pfahlhammer 5 kann Je nach Wunsch frei modifiziert werden. Beispielsweise
lässt sich der Motor 5 und/oder die Pumpe 6 ausserhalb des Hammerrohres 4 oder des
Pfahles 1 (vgl. Fig. 4) anbringen, vorausgesetzt, dass der Pumpeneinlass in Verbindung
mit dem Inneren des Rohres an einer Stelle steht, die längs der Rohrachse vom Steuerventil
8 einen Abstand einnimmt. Des weiteren können Hämmer verwendet werden, die an beiden
Enden Wassersteuerventile aufweisen und mit Steuereinrichtungen versehen
sind,
welche ein Eintreiben längs der Rohrachse in beiden Richtungen erlauben. Des weiteren
können Anordnungen zum horizontalen Eintreiben hergestellt werden.
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Auch lassen sich verschiedene Arten von Ventilen verwenden. Bei diesen
kann es sich beispielsweise um federbelaT stete, hydraulisch und elektromagnetisch
betätigte, lineare und drehende Schubbauweisen, Abklemmformen aus Metall, Plastik
und Elastomer, Freistrahl- und Unterwasserstrahl- und druckgeschaltete Gruppen und
andere zustandsändernde Ventiltechniken handeln. Spezielle Bauweisen werden als
Spulen-, Gleit- und Drehventile bezeichnet. Verwendet werden können konventionelle
Kugel/Sperrschieber/Kegel/Ball, ausgeglichene exzentrisch gelagerte Teller- und
FlUgel- und Klappenventile. Anwendbar sind ferner hydraulisch und mechanisch zusammengedrückte,
aus einer nachgiebigen Hülse bestehende Quetschventile sowie Strahlrohre und elektroviskose
und magnetoviskose Bauweisen.
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Jede andere Art von Wasserhammereintreibmechanismen kann für die vorliegende
Erfindung verwendet werden. Darunter fallen beispielsweise solche, bei denen die
Entfernung des Wassers durch kondensierbare Dämpfe oder durch Gas erfolgt, welche
in die Kammer eingeleitet oder innerhalb derselben erzeugt werden. In diesem Fall
ist ein Wassersteuerventil zum Aktivieren des Mediumstromes in das Hammerrohr nicht
wesentlich. Derartige Bauweisen sind in den Fig. 5 bis 9 dargestellt, bei denen
die umhüllenden Wände wenigstens teilweise durch die Wände des Pfahles gebildet
sein können.
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Nach Fig. 5 wird ein Kahn 124 über dem Pfahl 1 verankert, dessen Spitze
122 im Boden 100 eingebettet ist, währendas obere Ende 130 des Pfahles sich im Wasser
befindet
und mit dem umgebenden Seewasser in offener Verbindung
steht. Auf dem Kahn ist ein Dampfgenerator 105 angeordnet, wobei ein Steuerventil
127 den Dampfstrom durch ein isoliertes Dampfrohr 111 bestimmt. Desweiteren befinden
sich auf dem Kahn 124 eine Winde 125 und ein Kabel 126. Das Dampfrohr erstreckt
sich zusammen mit dem Kabel 126 nach unten zum Pfahl, wobei das Kabel mittels einer
geeigneten Schlinge 151 ein isoliertes starres Dampfrohr 152 trägt.
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Das starre Dampfrohr 132 ist zuvor innerhalb des Pfahles durch von
der Oberfläche auslösbare Klinkspeichen 155 angeordnet worden. Der nicht dargestellte
Klinkmechanismus und die Speichen müssen ausreichend fest sein um den schlagartig
eingreifenden Wasserkräften Widerstand leisten zu können. Sie sollen jedoch den
Wasserfluss nicht ungebührend hemmen. Das untere Ende des Dampfrohres 132 endet
in ein Sperrventil 154 , welches mit einer nach unten sich öffnenden Dampfdüse 155
verbunden ist. Offnet sich daher das Ventil 127 für eine bestimmte Zeitdauer, so
dass ein Stoss von unter hohem Druck stehendem Dampf (der Druck muss natürlich wesentlich
höher sein als der hydrostatische Wasserdruck) abgegeben wird, so entsteht eine
sich ausdehnende Dampfblase, durch die das im Rohr oberhalb der Lage der Düse 155
vorliegende Wasser nach oben verdrängt wird.
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Vorzugsweise wird das Volumen des Dampfstosses so eingestellt, dass
der Pfahl 1 gerade entleert wird. Der Dampf sollte vorzugsweise überhitzt sein und
in einer ausreichenden Menge abgegeben werden, um das Wasser im Pfahl 1 zu entfernen.
Die Aufwärtsströmung erzeugt einen entsprechenden Gegendruck nach unten. So bedingt
ferner eine plötzliche Dampfkondensation, sobald der Rohrdruck negativ wird.
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Die durch Änderung des physikalischen Zustands des Dampfs
bedingte
Evakuierung führt zu einer Umkehrung der Wasserströmung, so dass ein nach unten
gerichteter Eintreibimpuls auf den Pfahl 1 entsteht. Falls ein nicht kondensierbares
Gas, wie Luft, anstelle von Dampf verwendet wird, wird dem Wasser eine federartige
Nachgiebigkeit verliehen und damit die Kraft des Hammerschlages beträchtlich verringert.
Dabei entsteht eine gedämpfte Schwingung der Helmholzart, deren Frequenz vom Volumen
der eingekapselten Luft,dem hydrostatischen Druck der Wassersäule und von der Wassermasse
im Rohr abhängt.
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Fig. 6 zeigt eine ähnliche Anordnung, die in der gleichen Weise arbeitet.
In diesem Fall jedoch weist der Pfahl 1 eine offene Spitze 136 auf, und bei der
Barriere 140 handelt es sich um eine ferngesteuerte, zusätzT lich bewegte Greifanordnung
ähnlicher Bau- und Betriebsweise, wie die nach Fig. 5 bzw. 2. Diese Anordnung hält
das am Ende des Dampfrohres 152 angebrachte Sperrventil 154, wobei das Dampfrohr
152 zur Düse 135 Dampf führt, der nach oben abgestrahlt wird. Die Düse 155 weist
eine hornähnliche Bauweise auf. Beim Eintreiben des Pfahles tritt das in dem Hohlraum
145 zwischen der Barriere 140 und dem Boden 144 eingekapselte Wasser durch das Abflussrohr
142 nach aussen. Der gasgefüllte Federballon 141, der auf Umgebungsdruck vorgeladen
ist, absorbiert die vorübergehende volumentrische Zunahme von während des Eintreibens
verdrängtem Wasser. Die hydraulische Dichte der Wasserbarriere 140 ist in sofern
nicht kritisch, als der durch den Ballon 141 absorbierte Leckverlust nur eine unwesentliche
Menge vom gesamten dynamischen Druck abzieht.
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Fig. 7 zeigt einen mit kondensierb <em flüchtigem Stoff betätigten
Eintreibmechanismus, bei dem das evakuierbare
Rohr durch ein gegenüber
dem Pfahl 1 separates Rohr 4 gebildet wird. Das Rohr 4 ist mit dem Pfahl, beispielsweise
durch eine nicht dargestellt Kopplungseinrichtung, ähnlich der nach Fig. 5, verbunden.
Die Steuergeräte für die Kopplungseinrichtung, den Dampfgenerator 105 und das Steuerventil
104 können auf einem nicht dargestellten Kahn angeordnet werden, und auf irgendeine
beliebige Weise, wie beispielsweis entsprechend Fig.5 zum Pfahl geführt werden.
Beim Betrieb dieser Ausführungsform wird das Dampfsteuerventil 104 vorübergehend
zum Zumessen einer geeigneten Dampfmenge vom Generator 105 ins Innere des Pfahles
geöffnet. Die Betriebsweise ist die gleiche wie bei der Ausführungsform nach Fig.
5.
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Fig. 8 zeigt eine der Fig. 7 ähnliche Anordnung, bei der eine aus
zwei Phasen bestehende brennbare Mischung aus einem unter Druck gesetztem Brennstoff,
wie beispielsweise Wasserstoff oder ein Kohlenwasserstoff,wie Kerosin oder Alkohol
in einem Behälter 106 mit einem Brennstoffzumessventil 107 und ein unter Druck gesetztes
oxidierendes Mittel, wie beispielsweise Sauerstoff, in einem Behälter 108 mit einem
zugehörigen Zumessventil 109 verwendet wird. Die Brennstoffverbrennungskammer 110
ist innerhalb des Wasserhammerrohres 4 angeordnet. Das Bauteil 111 stellt entweder
die äussere Zündquelle, wie beispielsweise eine Zündkerze oder den Eigenkatalysator
für Raketenbrennstoffe der Einzeltreibstoffart, wie beispielsweise Wasserstoffperoxid
oder Hydrazin dar. Bei hypergolischen (spontan bei Mischung verbrennenden) Treibstoffen,
kann der Zünder 111 ausgelassen werden. Andererseits können aus Flüssigkeit (Wasser)gebildeb
Partikel von festen Treibstoffen oder explosive Substanzen über das Ventil 107 zugemessen,
in der abgeschirmten Verbrennungskammer
eingefangen und durch
den Zünder 111 abgefeuert werden. Die Verbrennungsprodukte werden zum Austreiben
des Wassers, wie zuvor beschrieben, verwendet. Die Verbrennungsprodukte sind aufgrund
ihres flüchtigen Wassergehaltes kondensier- oder wenigstens teilweise kondensierbar.
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In gleicher Weise zeigt Fig. 9 die Verwendung von sogenannten Raketentreibstoffen,
wobei hier die Verbrennungskammer 110 sich ausserhalb des Wasserhammerrohres 4befindet.
Das die Verbrennungsprodukte zu-messende Ventil 112 steuert den Wasserevakuierungszyklus
und wirkt ferner als Absperrventil gegen den Wasserhammerdruck. Die übrigen Teile
sind ähnlich denjenigen nach Fig. 8.
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Prinzipiell wird die Erzeugung grösserer Wasserhammerbeträge innerhalb
eines einzelnen Rohres durch die UmSangsspannung begrenzt. So erfordert das Aufbringen
eines Wasserhammers in 300 m Tiefe in einem Stahlrohr von 0,6 m Durchmesser eine
Wanddicke von etwa 6 cm. um die auRtretenden Spannungen auf einen Betrag von 4800
kp/cm2 (69.000 psi) zu halten. Obschon dieser Betrag keine extreme Arbeitsspannung
für moderne Stahllegierungen darstellt, über schreitet er dennoch normale Grössenordnungen
im Bauwesen.
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Da die Erfindung üblicherweise in begrenzt zugänglichen oder eingeschränkten
Umgebungen verwendet wird, kann ein niederer Sicherheitsfaktor vorgesehen werden.
Um die Verwendung von übermässig massiven Rohrwänden zu vermeiden, wird eine Verstärkung
in Form einer Fadenumwicklung oder einer axialen Reihe von äusseren oder inneren,
in Abstand zueinander liegenden Verstärkungsringen empfohlen. Letztere Möglichkeit
verringert darüber hinaus die Uberschallwellenausbreitung
längs
des Rohres. Zwei Vorteile, insbesondere die Verringerung der Umfangsspannung und
die Verlängerung der Impulsdauer, sind damit verbunden. Die Verwendung von Rohr'wandmaterialien
mit einem geringeren Elastizitätsmodul, wie Aluminium oder harzgetränkte Glasfasern
schafft eine Verringerung des Wasserhammerdruckes aufgrund der geringeren Überschallgeschwindigkeit.
Damit diese unter Wasser voll wirksam sein können, kann ein zusätzliches Schalldruck
auflösendes Material wie Kork an der umgebenden Wasserzwischenschicht angeordnet
werden, um Schallbeanspruchungen zu vermeiden.
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Ein anderes Verfahren zur Verringerung der Wandspannungen durch Herabsetzen
der axialen Geschwindigkeit ist die Verwendung einer Reihe von kegelstumpfartigen
Blechen 150 und 151, gemäss Fig. 10, oder ein spiralförmiges Bewegen des Wassers
im Rohr mittels unidirektional oder alternierend gewundener Bündel von Rohren geringeren
Durchmessers oder Blechen. So kann das Wasserhammerrohr 4 bei irgendeiner der zuvor
genannten Ausführungsformen mit einer Vielzahl von schraubenlinienförmig gewundenen
Rohren 152 versehen werden, die innerhalb des Rohres 4 liegen und sich in Axialrichtung
wenigstens über einen Teil des Rohres 4 erstrecken, welches die evakuierbare Umhüllung
bildet. Sofern das Rohr 4 eine Auslassleitung 7 oder längs seiner Achse verlaufende,
andere Ausrüstung 5-gegenstände enthält, können die Spiralrohre 152 um oder über
dieselben angeordnet werden. In gleicher Weise lassen sich Leitbleche 155 und 156
mit verschiedener Drehrichtung gemäss Fig. 12 verwenden. Der durch die verschiedenen
Mittel geschaffene längere Laufweg erzeugt proportional einen längeren Impuls.
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Sofern die Wasserhammereinrichtung mit einem Ventil zum Einleiten
des Wasserflusses versehen ist, kann die Wasserhammerintensität dadurch verringert
werden, dass man den Übergang von der vollgeschlossenen zur vollgeöffneten Stellung
des Ventiles entsprechend verzögert.
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Es ist daher für einen gegebenen Anwendungsfall (d.h., eine gegebene
Tiefe, Pfahlmasse und Bodenbedingung) möglich, die Kraft-Zeit-Eigenschaften der
Wasserhammerimpulse durch eine entsprechende Wahl von Länge und Durchmesser des
Wasserhammerrohres und der dafür verwendeten Verstärkungen und Baumaterialien zuzumessen.
Auch können das schalldruckauflösende Material, die Leitbleche und die Öffnungsgeschwindigkeit
des Ventiles, wie zuvor beschrieben, dazu verwendet werden. Demzufolge beinhaltet
das erfindungsgemässe Verfahren eine weit höhere Flexibilität als diese bei konventionellen
Dampfhammern möglich ist.
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Wird das Wasserhammerrohr mit einer inidirektionalen Spirale versehen,
kann durch das gebremste Winkelmoment der fallenden Wassermasse eine Komponente
mechanischer Torosion und Rotation erzeugt werden. Auf diese Weise lässt sich die
Durchdringungskraft des Pfahleintreibmechanismus in gewisse Böden erhöhen. Die "Schraub"-Wirkung
gegenüber der "Nagel"-Wirkung verbessert ebenfalls die Reibungslastaufnahmekapazität
des Pfahles insbesondere, wenn die "Gewindesteigung" oder der Spiralwinkel den jeweiligen
Bodenbedingungen optimal angepasst wird.
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Fig. 15 zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform von Wasserhammereintreibmechanismen,
welche einen oder mehrere "freie" Kolben enthalten. Im vorliegenden Fall handelt
es sich bei dem freien Kolben um einen solchen, der während
wenigstens
eines Teils seiner Bewegung zwischen seinen extremen Laufgrenzen nicht unmittelbar
mit dem Pfahl verbunden oder wnigstens im wesentlichen von diesem unabhängig ist.
Es sind auch Bauweisen möglich, bei denen der freie mit Mittel zum Anheben in die
evakuierbare Kammer versehene Kolben, die Pumpen-Motor-Kombination ersetzen kann.
Bei der bevorzugten Betriebsweise ersetzt der Kolben sowohl die Pumpen-Motor-Kombination
als auch das Wassersteuerventil.
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Nach Fig. 13 ist ein Kahn 124 über einem Pfahl 1 verankert, dessen
Spitze 122 im Boden 100 eingebettet ist.
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Das offene Mündungsende 130 des Pfahls befindet sich unter Wasser.
Von einer Winde 125 auf dem Kahn erstreckt sicein Kabel 126 durch das Mündungsende
130 zu einem Kolben 160. Letzterer sitzt eng genug innerhalb der Pfahlwände'um wenigstens
teilweise und vorzugsweise im wesentlichen vollständig den Wassereintritt in den
Raum unterhalb des Kolbens, wenn dieser angehoben ist, zu verhindern, wobei die
notwendige oder zweckmässige Anordnung von Dichtpackungen 161 zum Teil durch die
Geschwindigkeit bestimmt wird, mit der sich der Kolben anhebt oder absenkt.
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Die Betriebsweise dieser Ausführungsform besteht einfach durch wiederholtes
und alterniertes Anheben und Absenken des Kolbens 160 mit der Winde 125, wobei beim
Absenken des Kolbens 160 dieser auf einen Kissenblock 163, wenn erwünscht, zu liegen
kommt. Beim Anheben des Kolbens erfolgt eine Evakuierung der durch die Pfahl spitze
und Pfahlseitenwände gebildeten UfliUllung. Das schnelle Auslösen des Kolbens und
dosison rasches Absinken durch den Pfahl beschleunigt eine über dem Kolben
befindliche
Wassermasse. Diese Wassermasse wird plötzlich durch indirekte Berührung der durch
den Kissenblock 163 geschaffenen Barriere über dem starren Kolben abgebremst. Dies
wiederum erzeugt den den Pfahl eintreibenden Wasserhammerimpuls.
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Um die den Fall des Kolbens 160 verzögernden Widerstands-und Trägheitskrärte
auf einem Minimum zu halten, kann eine Kupplung verwendet werden, um das Windenrad
vom Antriebsmotor während des Falls des Kolbens zu lösen.
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Für grosse Kolbenlasten kann eine Mehrklobenrolle, die auf dem oberen
Ende des Hammerrohres angebracht wird, verwendet werden. Der in Form eines Triebräderwerkes(bullgear)
ausgebildete Haupthaken kann vom Kolben durch Verdrehung gelöst werden, indem ein
Schwenken um einen ausgefütterten Halte stift erfolgt. Die erforderliche mechanische
Kraft kann durch ein kleines elektrisch oder hydraulisch motorgetriebenes Ritzel
aufgebracht werden. Als Führung zum Wiedererfassen des Hebehakens lässt sich ein
dünnes Seil verwenden, welches dem Kolben bei dessen Abwärtsfall folgt. Andere schnelle
Kopplungs- und Unterbrechungsbauarten sind die handelsüblichen Drahtzugüberwurfklinkfallen
zum Entfernen der Kernrohre von Diamantmeisseln, die innerhalb von Erdölwandungen
belassen werden.
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Eine Einrichtung aus einer gerührten langen Zahnstange und einem motorgetriebenen
Ritzel kann ebenfalls zum Heben des Kolbens verwendet werden. Ein Stumpfzahngetriebe
mit hohem Eingriffswinkel erleichtert ebenfalls die leichtere Lösung des Ritzels
von der Zahnstange mittels einer sohnellwirkenden Nocken- oder hydraulischen Kolbeneinriohtung,
Die Zahnstange kann mit dem Kolben nach unten sich bewegen und die Ritzelanordnung
bleibt fest
am oberen Ende des Hammerrohres.
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In gleicher Weise kann bei anderen Kolbenhebeeinrichtung eine Schlitzmutter
verwendet werden, die mit hydraulisch-oder nockenbetätigten Einspannbacken verbunden
ist, um eine lange, am Kolben befestigte Gewindeschraube zu erfassen und schnell
loszulassen. Die Mutter wird durch ein motorgetriebenes Ritzel gedreht, welches
mit einem Triebräderwerk kämmt, das ein Bestandteil der Spannbacken darstellt, wobei
sämtliche Elemente am oberen Ende des Wasserhammerrohres angebracht sind.
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Bei einer anderen Vorgehensweise wird ein hydraulisch betätigter Zylinder
zum Heben des Kolbens verwendet. Ein hydraulisches Futter am Ende der Zylinderstange
ergreift und löst den Kolben.
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Bei kürzeren und schnelleren Kolbenhammerschlägen wird ein auf dem
Rohr angeordneter,elektrisch oder hydraulisch motorgetriebener Nocken verwendet,
so dass ein telatv langsames Anheben und freies Fallen des Kolbens erfolgen kann.
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Anstelle der Dichtpackung oder Kolbenringe lässt sich eine abrollende
Dichtung der Membranbauweise verwenden, um das, Wasser am Eintreten ins Innere des
Wasserhammerrohres zu hindern. Eine entsprechend geformte Fillet am unteren Ende
des Hubes stützt das Elastomer getränkte Gewebe gegen den Wasserhammerdruckimpuls
hoher Amplitude.
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Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen befindet sich das Wasserhammerrohr
vollständig unter Wasser, und dies stellt die bevorzugte Durchführungsweise der
Erfindung dar. Dabei wird der hydrostatische Druck der Wassersäule
ausgenutzt
als Energiequelle für die Aufbringung des Eintreibimpulses. Darüber hinaus ermöglicht
die Unterwasserbetriebsweise eine leichtere Handhabung während stürmischer Wetterbedingungen.
Bei anderen Anwendungsfällen jedoch, insbesondere in flachen Gewässern, kann das
Wasserhammerrohr wenigstens teilweise über die Wasseroberfläche hinausragen. Gleichgültig
ob die evakuierbare Umhüllung durch ein vom Pfahl getrenntes Rohr oder durch den
Pfahl selbst gebildet wird> kann das Wasser zur Erzeugung der Wasserhammerimpulse
durch eine Aufwärtsverlängerung des Pfahles oder des Rohres vorgesehen werden, wobei
diese Aufwärtsverlängerung dann mit Wasser oder durch ein oberhalb des Hammerrohres
gemäss Fig. 14 angeordnetes Reservoir gefüllt wird.
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In Fig. 14 ist ein teilweise im Boden 100 eingebetteter Pfahl 1 gezeigt,
dessen oberes Ende 130 aus der Wasseroberfläche herausragt. Im oberen Ende des Pfahles
ist lösbar ein Eintreibmechanismus 171 durch eine Kopplungseinrichtung 40, ähnlich
der nach Fig. 3, befestigt, wobei in der Zeichnung gleiche Teile der Kopplungseinrichtung
durch gleiche Bezugsziffern, wie in Fig. 3, bezeichnet sind. Mit dem Basisteil 57
der Kopplungseinrichtung ist das Basisteil 172 des Eintreibmechanismus verbunden.
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Vom Basisteil 172 erstreckt sich nach oben ein aufrechtes, verlängertes
Wasserhammerrohr 4. Durch das Rohr 4 wird ein Reservoir 188 getragen und ist mit
dem Rohr durch sich nach aussen erweiternde Wände 189 verbunden; auf diese Weise
wird ein glatter Fluss von Wasser 190 zwischen den Rohren und- dem Reservoir geschaffen.
Wenn erwünscht> kann das Reservoir unter Druck gesetzt werden, indem durch
den
Einlass 192 ein Gas oder ein flüchtiger Stoff eingedrückt wird. Mit dem Basisteil
172 ist auf zweckmässige Weise eine mittlere Säule 173 verbunden, die sich nach
oben und koaxial zum Wasserhammerrohr 4 erstreckt und wenigstens teilweise in das
Reservoir 188 hineinragt . Im Reservoir 188 kann die Säule durch ein dreiarmiges
Tragkreuz 171, welches an den Reservoi?>wänden befestigt ist, gehalten werden,
wobei in der Zeichnung nur ein Arm des Haltekreuzes gezeigt ist.
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Ein Kolben i74 ist vertikal oder axial hin- und herbeweglich an der
Säule 175 zwischen dem Basisteil 172 und einem Anschlag 180 angebracht, welch letzterer
im Bereich des oberen Endes der Säule befestigt ist. Sowohl der Kolben als auch
das Basisteil 172 sind verstärkt, so dass sie den mit den Wasserhammerdrücken verbundenen
mechanischen Stoss aushalten können. Der Kolben selbst kann selbstverständlich während
des Betriebs ein gewisses Eintreibmoment hinzufügen, jedoch normalerweise ist die
Masse des Kolbens gering und beträgt gewöhnlich im wesentlichen weniger als die
Hälfte.-der Wassermasse, die sich oberhalb des Kolbens befindet, oder die während
des Abwärtshubes in das Rohr 4 eintritt.
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Der Kolben weist eine zentrale oeffnung 177 mit einem'geringfügig
grösseren Durchmesser als der Aussendurchmesser der Säule 173 auf und weiter ist
der Aussendurchmesser des Kolbens geringfügig geringer als der Innendurchmesser
des Wasserhammerrohres 4. Falls erwünscht, können in den freien Räumen zwischen
dem Kolben auf der einen Seite und dem Pfahl und der Säule auf der anderen Seite
entsprechende Dichtungen vorgesehen werden. Bei Betrieb mit einem geringen Druckunterschied
über dem Kolben, z.B.
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von 1 Atmosphäre oder weniger, sind jedoch die Leckverluste von Wasser
und Dampf längs des Kolbens minimal. Dadurch ist es möglich, die Vorrichtung dergestalt
herzustellen, dass eine enge, jedoch im wesentlichen widerstandsfreie Zuordnung
von Kolben und den anderen Teilen vorliegt. Ferner lässt sich der Druckunterschied
und ein störender Leckverlust dadurch verringern, dass der Kolben in bezug auf das
Wasser neutral schwimmend ausgeführt wird.
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Mit einer entsprechenden, nicht dargestellten Dampfversorgungsquelle
ist eine Dampfleitung 178 mit einem Steuerventil 175 verbunden. Die Leitung 178
beaufschlagt Kanäle im Basisteil 173, welche in Dampfauslässen 179 münden. Bei Offnung
des Steuerventils 125 wird ein Dampfstoss aus den Auslässen 179 mit einem grösseren
Druck als dem umgebenden Wasserdruck auf den Kolben 174 abgegeben, so dass dieser
im Rohr 4 nach oben gedrückt wird.
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Speichert der Kolben nach Schliessen des Steuerventils 173 ein ausreichendes
aufwärtsgerichtetes Moment, kann die daraus resultierende weitere Ausdehnung des
Raums unterhalb des Kolbens den Dampf überkühlen und diesen kondensieren, so dass
der Raum unterhalb des Kolbens evakuiert wird. In Fällen, wo das Moment nicht ausreicht
oder wo andere Gründe vorliegen und wo daher eine nicht ausreichende Selbstabkühlung
des Dampfes eintritt, kann Kühlwasser in den Raum unterhalb des Kolbens durch Wasserleitungen
und nicht dargestellte Sprühdüsen eingespritzt werden, welche in der zentralen Säule
und/oder Basisteil oder in den Seitenwänden des Rohres 4 eingesetzt sind.
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Um die evakuierbare Umhüllung frei von Dampfkondensat
und
möglicherweise von verwendetem Kühlwasser zu halten, kann das Basisteil 172 mit
einem Abflussrohr 182 und einem Ventil 181 versehen werden. Das dem Dampfventil
125 ähnliche Ventil 181 wird normalerweise während des Anhebens des Kolbens 174
geöffnet und beim Abwärtshub geschlossen.
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Bei gewissen Vorrichtungen, z.B. solchen mit einem nockenbetätigten
freien Kolben,hat es sich als wünschenswert erwiesen, die Betätigung des Ventils
so einzustellen, dass die Wiederholungsrate der hydraulischen Impulse bei einer
Betriebsresonanz des Systems gehalten wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass am
Eintreibmechanismus und/oder am Pfahl und/oder am Grund FUhler angeordnet werden,
die automatisch das Ventil entsprechend der von den Fühlern abgegebenen Signalen
betätigen.
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Die Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium ist nur beispielhaft und
stellt keine notwendige Beschränkung dar.
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Bei einem geschlossenen System können jede beliebigen Flüssigkeiten
verwendet werden.
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Beispiel Wird mit Wasserhammerrohren von etwa 15 und mehr Meter Länge
gearbeitet, so können Eintreibimpulse erhalten werden, die annähernd um das zwei-
oder mehrfache länger sind als solche, dd--e mit einem grossen Dampfhammer erzeugt
werden können. Längere Impulse werden mit einem Hammerrohr von 30 m Länge erhalten.
Dies sei anhand eines Wasserhammerrohres von 61 cm Durchmesser der Baureihe 160
(6 cm-Wandstärke) aus Stahl mit einer Länge von 50 m und einem Gewicht von 24.600
kg erläutert. Die
Zusatzausrüstung umfasst eine Pumpe zum Evakuieren
des Rohres in einer zweckmässigen Rate, eine an einem Ende des Rohres angeordnete
wasserdichte Kappe und ein am anderen Ende angeordnetes schnellwirkendes Ventil.
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Nach Evakuierung des Rohres und plötzlichem Öffnen des Steuerventils
beträgt die Wassereindringgeschwindigkeit U300 bei einer Tiefe h von 300 ms
Die externe aufwärtsgerichtete Kraft am mit der Kappe versehenen Bodenende des Rohres
aufgrund des Unterschiedes zwischen dem Umgebungsdruck und dem inneren Vakuum beträgt:
Das Gewicht des entleerten Wassers und der sich ergebende Auftrieb
beträgt:
Die Uberschallgeschwindigkeit im Rohr beträgt:
Der Wasserhammerdruck beträgt:
| = p v U = 70,3 Schläge x 1426 m x 78,9 m = 1174 kp/cm2 |
| sek. sek. |
| sie = P v U slugs = 1.99 SlueS x 4679 ft. x sec. sec |
| ft. x 4679 sec x 259 ft. = 16,700 psi |
Die entsprechende einfache Zugumfangsspannung in der Rohrwand beträgt:
Die Impulskraft des Wasserhammers beträgt: FWH = PWH SI = 1174 kp/cm2 x 1890 cm2
= 2.224.600 kp
Die Dauer der Impulskraft auf das Kappenende beträgt:
Das hydraulische Bewegungsmoment des ankommenden Wassers beträgt unmittelbar vor
dem Stoss:
| (MU) = pSILU = 70,3 Schläge x 0,188 m2 x dz,48 m x 78,9 m |
| m sek. |
| = 31,852 Sohlag-m = 47445 kp-sek. |
| sek. |
| rU)H = PSILU - 1.99 slugs x 2.05 ft2 x 100 ft x 259 ft |
| ft5 sec |
| = = 104,500 slug-ft. = 104,500 lb-sec. |
| sec |
Die hydraulische kinetische Energie des ankommenden Wassers beträgt:
| KEH = 1 x 5902 kp x(78,92= 1,87 x 106 mkp = 18,3 Mega Jouks |
| 2 9,81m/sek sek |
| 7 |
| / S 2 x 13,000 lbs. x (259 ft )2 = 13.5 x 106 ft.lbs ,18.) |
| 2 2 |
| 52.2 ft/sec sec Mega Joules |
Die ankommende hydraulische Leistung beträgt:
| WH = + P D2 U2 = 1r x 70,3 Schläge x (0,49 m)2 x (78,9 m |
| tr m sek |
| = 4,84 x 106 mkp = 57.5 Mega Watt |
| sek |
| 7 |
| W WH = j~ P D2 U2 = F x 1.99 slus x (1.61 ft)2 x (259 ft |
| ft. sec. |
| = = 35 x 106 ft.lbs. = 47,5 Mega Watts |
| sea |
Zur Überprüfung: die zum Entleeren des Rohres gegen den hydraulischen Umgebungsdruck
erforderliche Arbeit oder die potentielle Energie seines Hohlraumes beträgt:
PEH
= Umgebungsdruck x Rohrvolumen = # g h SI L = 1026 y x 315 m x 5,76 m3 = 1,87 x
106 mkp m3
| = = ambient pressure x pipe volume =9 g h SI L |
| = = 64 lbs x 1034 ft x 203.5 ft3 = 15.5 x 106 ft.lbs. |
-
Die Wasserhammerleis tung beträgt:
| WWH = # p D2 U2 v = + (70,3 - ) (0,49 m)2 (78,9 m)2 |
| m |
| (1423 m ) = 87,3 x 106 gkp = 855 Megawatt |
| sek sek |
| = = grp D2 U2 v= W (1.99 e )(1.61 ft)2(259 ft 52(4670 U 7 |
| sec sec sec |
| | = 631 x 106 tp = 855 Mega Watts |
| L se . ~ |
Fig. 24, 25 bzw. 26 betreffen ähnliche Beziehungen für Wasserhämmer einschliesslich
der kinetischen Energie pro
"Einheit" (pro m Rohrlänge), des Impulses
pro Einheit und der Kraft über die Wassertiefe für Rohre mit einem Innendurchmesser
von 15,2 cm bis 152 cm: Zum Vergleich Zum Vergleich werden die Verhältnisse beim
gegenwärtigen Stand der Technik als Beispiel angegeben. Einer der grössten handelsüblichen
einfach wirkenden Dampf-LuRt-Hämmer zum land- oder seeseitigen Eintreiben von Pfählen,
ist einer der Grdsse 060 mit einer Bemessungsenergie von 24.912 mkp. Die praktische
Unterwasserbetriebsgrenze beträgt 61 m.
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Die durch ein aus einer Höhe von 0,91 m frei fallendes Gewicht von
27.240 kg erhaltene Schlagenergie beträgt ein Fünfundsiebzigstel des Wasserhammerwertes
aus dem Beispiel mit einem 0,6 m Rohr. Bei der theoretischen Endgeschwindigkeit
von
beträgt die Bewegungsenergie
oder 1/4 der durch den Wasserhammer erhaltenen. Das wesentliche
Merkmal des Wasserhammers ist jedoch die relativ lange Zeitdauer für die Impulskraft.
Um diese wünschenswerte Eigenschaft weiter zu verbessern, verwendet der Stahleintreibhammer
einen ausdehnbaren Kissenblock aus Wolle oder einem mit Harz getränkten Gewebe,
welcher zwischen der Ramme und dem Pfahl zur Verringerung des Aufprallstosses eingesetzt
wird. Die Wellenausdehnungstheorie unter Verwendung von durch Computer erhaltene
Lösungen endlicher Differentialgleichungen, wurde auf ein mathematisches Modell
übertragen, welches das Verhalten beschreibt, wenn der Hammer auf den Pfahl auftrifft,
siehe "Eng. New Record vom 5. September 1972 von Edw. A. Smith; vgl. auch E.A.L.
Smith "Pile-Driving-Analysis by the Wave Equation", J. Soil Mechanics and Foundations
Div. Proc. ASME, Aug. 1960. Eine weitere Untersucbung, in der die Pfahleintreibcharakteristika
zur Lasttragfähigkeitskapazität in Beziehung gebracht werden (Forehand and Reese,
"Pile-Driving Analyses Using the Wave-Equation Princeton Univ., M.S. Engineering
Thesis, 1963) zeigt, dass die Impulsdauer, def-iniert als die Zeit, in der die Geschwindigkeit
positiv bleibt, im Bereich von 10 Millisekunden für den Stahlhammerschlag oder bei
1/4 dieses Wertes beim Wasserhammerbeispiel liegt. Wenn dies so ist, beträgt die
50 t Stahlhammerimpulskraft: Fs = 11759 kp.sek. = 1.180.400 kp 0.01 sek.
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oder grob die Hälfte der Wasserhammerkraft. Die mechanische Leistungsübertragungsrate
des Stahlhammers beträgt grob 24112 mkp WS = = 24,4 Megawatt 0.01 sek.
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oder ein FUnfunddreitigstel der Wasserhammerleistung. Wenn die Impulsdauer
des Stahlhammerscblages kürzer ist, steigt die Kraft im umgekehrten Verhältnis an,
jedoch führt dies zu einer neuen Schwierigkeit hinsichtlich der gleichzeitigen Druck-
und Versetzungsaufnahme längs der gesamten Länge eines langen Pfahles. Bei einem
Stahlrohr von 61 m Länge werden selbst bei einer ungedämpften Schallgeschwindigkeit
von 5059 m/sek im Stahl 12 Millisekunden benötigt, dass der Impuls die Spitze erreicht.
Bei Betonpfählen wird dieser Misstand deshalb noch weiter verstärkt, da die Schallges
chwindigkeit in Beton um 1/5 langsamer ist. Bei einigen gegenwärtigen seeseitigen
Fundamentierungsauslegungen sind Lasten bis zu 2000 t von Pfählen mit einer Länge
von 61 m bis 183 m, einem Durchmesser von 0,9 bis 2,4 m und einem Gewicht von 100
bis 200 t in Wassertiefen bis zu 305 m aufzenehmen. Ohne ergänzende Techniken einschliesslich
des Vorbohrens oder Wasserstrahlens, sind derartige Pfähle praktisch durch Dampf-Lufthämmer
selbst dann nicht eintreibbar, wenn diese bis zur Oberfläche verlängert werden.
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Aus den vorausgehenden Ausführungen ist daher zu entnehmen, dass die
Erfindung zahlreiche Vorteile bringt. So beinhaltet
sie eine erhebliche
Erhöhung hinsichtlich der Eintreibleistungsfähigkeit. Diese kann bei einem geringeren
Massenverhältnis (Eintreibmasse gegenüber der Masse des Pfahls) erzielt werden,
als dies bislang bei Dampfhämmerbetrieben als möglich erachtet wurde. Mit anderen
Worten, es können grössere Impulse unter Verwendung einer Eintreibmass erzeugt werden,
die weniger als ein Viertel der Masse des Pfahles beträgt. Dadurch wiederum lassen
sich Pfähle ohne zu Hilfenahme von Hilfsmitteln, wie beispielsweise des Einbohrens
von Führungsbohrungen, Wasserstrahlen und des Untergiessens von Bohrungen mit Übergrösse
eintreiben, wobei die erwähnten Hilfsmittel die Lasttragskapazität der Pfähle verringern.
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Die Druck-Zeit.Charakteristika des Wasserhammerimpulses lassen sich
über einen weiten Bereich so zuschneiden, dass sie den entsprechenden Anforderungen
für den Pfahl und den Boden gerecht werden. Somit lässt sich die Eintreibimpedanz
besser dem Bodenverhältnis anpassen als dies beim Betrieb mit beispielsweise einem
Stahlhammer der Fall ist.
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Unter den durch eine Wasserramme oder einen Dorn mit einem Längen-zu-Durchmesserverhältnis
von 10 pder mehr erzeugbaren längeren Impulsen bewegen sich lange Pfähle z.B. mit
L/D15 nahezu als Einheit, d.h. ihr Eintreiben entspricht mehr dem eines Nagels als
einer Schnecke, bei der sich ein Teil nah vorne bewegt, während die anderen Teile
zurückgehalten werden. So wird ein grösserer Bruchteil der Eintreibenergie nutzvoll
zur Überwindung der Verdrängungsrandzonenreibung zum Vorrücken des Pfahles ausgenutzt
und nicht im gummiähnlichen Boden gebunden. Mit den durch den Wasserhammer, wenn
erwünscht, erzielten längeren Impulsen, können unerwünschte stehende Wellen im Pfahl
wirksamer vermieden
werden. Mit der Erfindung lässt sich die Verwendung
eines Kissenblocks, wie dieser häufig bei Stahlhämmern erforderlich ist, vermeiden,
so dass hierdurch der dadurch bedingte Energieverlust infolge des unelastischen
Zusammenstosses fortfällt.
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Ferner sind bei der konventionellen Anwendungsweise der Erfindung
unter Wasser mit dieser einige wichtige Vorteile verbunden. Da sich der Eintreibmechanismus
unter Wasser befindet, kann er mit grösser Sicherheit und Leichtigkeit während stürmischer
Wetterbedingungen gehandhabt werden. Das Ankuppeln des Eintreibmechanismus mit dem
Pfahl an einer Stelle unterhalb dessen oberen Endes verringert weiter die Energieverluste,
die infolge der mechanischen Nachgiebigkeit des Pfahles eintreten. Von Natur her
wohnt dem Unterwasserbetrieb eine mit zunehmender Wassertiefe ansteigende Kapazität
zur Erzeugung grösserer Impulse inne und insbesondere bei Wassertiefen von mehr
als 61 m ist dies der Fall, wo der hydrostatische Rückdruck das Entlüftungsproblem
von luftbetriebenen Hämmern erschwert, wo die Wärme leitungsverluste den Betrieb
mit Dampfhämmern ausschliessen und wo das konventionelle Vibrationseintreiben derart
grosse Gegenmassen zur Vorbelastung und niedrige Frequenzen erfordert, dass die
zum Eintreiben notwendigen Reaktionskräfte unwirksam werden, sofern man nicht unvertretbar
ausschweifende Umwege macht. Die Handhabung ist insofern vereinfacht, da sich die
Eintreibmasse aus der Vorrichtung entleeren lässt, sobald diese zur Oberfläche angehoben
oder oberhalb von dieser transportiert wird.
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Darüber hinaus ermöglicht der Wasserhammerbetrieb ein Verdrehen des
Pfahles, während dieser nach unten eingetrieben wird, indem hierzu spiral förmige
Leitbleche in Wasserhammerrohr
angeordnet werden, welche diesem
eine Drehbewegung verleihen. Insbesondere in solchen Falten, wo die "Gewindesteigung"
oder der Spiralwinkel den Bodenverhältnissen optimal angepasst ist, lässt sich die
Tragfähigkeitskapazität des Pfahls verbessern.
-
Aus obigem geht hervor, dass die vorliegende Erfindung in vielfacher
Weise abgewandelt werden kann und dass daher die beschriebenen Ausführungsformen
nur als bei spielhaft angesehen werden können. Der Schutzbereich der Erfindung ist
daher durch die nachfolgenden Patentansprüche bestimmt.