DE2617823A1

DE2617823A1 - Stabilisierte schwimmplattform

Info

Publication number: DE2617823A1
Application number: DE19762617823
Authority: DE
Inventors: David Glen Thomas
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1975-04-25
Filing date: 1976-04-23
Publication date: 1976-11-04
Also published as: US3978805A; GB1501821A; JPS5214046A; NL7604328A

Description

UNITED STATES ENERGY RESEARCH AND DEVELOPMENT ADMINISTRATION, Washington, D.C, 20545, U.S.A.

Stabilisierte Schwimmplattform

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwimmplattforin zum Tragen verschiedener Systeme an von der Küste gelegenen Plätzen, und zwar insbesondere auf eine stabilisierte Schwimmplattform, bei welcher die verschiedenen Auswirkungen der Wellenbewegung auf die Plattform wesentlich reduziert sind.

Auf vielen Gebieten der Technologie werden vor der Küste angeordnete Anlagen verwendet, wobei dies am häufigsten auf dem Gebiet der Ölindustrie der Fall ist. Derartige Anlagen verwenden verschiedene Bauarten von Plattformen oder Traggebilden, um diese Anlagen oberhalb der Wasseroberfläche zu halten; es werden dabei durch starre Stelzen am Ozeanboden befestigte Plattformen oder Plattformen der Schwimmbauart verwendet, und zwar einschließlich selbst angetriebener oder abschleppbarer Plattformen, die ein ausgeklügeltes Verankerungssystem erforderlich machen, um die Plattform in einer geeigneten Stellung zu halten. Zur Minimierung der Wellenwirkung an derartigen vor

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ING

der Küste angeordneten Anlagen werden Wellenbrecher in verhältnismäßig flachen Gebieten verwendet, wie beispielsweise dem Kontinental-Shelf vor der Ostküste der Vereinigten Staaten. In tieferen Gewässern, wie beispielsweise dem Pazifischen Ozean, können derartige Wellenbrecher jedoch nicht in zufriedenstellender Weise verwendet werden.

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine stabilisierte Schwimmplattform oder ein Gebilde zur Verwendung vor der Küste vorzusehen, wobei verhältnismäßig schwere Gebilde, wie beispielsweise Kernreaktoren u.dgl., in geeigneter Weise getragen werden können. Die zum Tragen einer Last auf einem Wasserkörper dienende Plattform ist schwimmfähig und besitzt in Kombination damit Stabilisierungsmittel, um die Auswirkungen der Welleneinwirkung auf die Plattform im wesentlichen zu reduzieren. Die zum Tragen der Last dienende Plattform besitzt ein Längen-zu-Breiten-Verhältnis im Bereich zwischen 1 bis 2, und die Stabilisierungsmittel umfassen diskrete Schwimmmittel, die benachbart zu und getrennt voneinander durch die Plattform angeordnet sind. Langgestreckte Mittel oder Träger erstrecken sich zwischen jedem der Schwimm-Mittel und den Plattformen, um die Schwimm-Mittel starr an der Plattform zu befestigen. Die langgestreckten Mittel besitzen eine effektive Länge, die kleiner ist als ungefähr ein Drittel der Plattformlänge.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 schematisch in perspektivischer Ansicht die erfindungsgemäß stabilisierte Plattform mit einem darauf angeordneten Kernreaktor;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße stabilisierte Plattform, wobei Einzelheiten der Platt-

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form-Stabilisierungsschwiitimer dargestellt sind; Fig. 3 eine Seitenansicht der Fig. 2;

Fig. 4 eine grafische Darstellung des Effekts der Stabilisatoren auf die Plattformbeschleunigung, wobei die Masse der Plattform gleichförmig über die Plattform verteilt ist;

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Auswirkung der Stabilisatoren auf die Plattform-Beschleunigung, wobei die Masse der Plattform in der Mitte derselben konzentriert ist;

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Auswirkungen der Stabilisatoren auf das Verhältnis aus Plattformsteighöhe zu Wellenhöhe;

Fig. 7 eine grafische Darstellung der Auswirkung, der Abstandsänderung oder des Spalts zwischen den Stabilisatoren und der Plattform bei Beschleunigung;

Fig. 8 eine grafische Darstellung, welche die Ergebnisse zwischen einer Plattform mit einem Längen-zu-Breiten-Verhältnis von 3 mit einer stabilisierten Plattform mit einem Längen-zu-Breiten-Verhältnis von 2 der gleichen Gesamtlänge vergleicht;

Fig. 9A, 9B und 9C grafische Darstellungen der Wirkungen des Verhältnisses-von Länge des Schwimmkörpers zu Länge der Plattform auf die Wellenperiode und Beschleunigung einer Plattform mit einem Längen-zu-Breitenverhältnis von 2;

Fig. 10 eine grafische Darstellung der Wellenlänge und Höhe

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für vollständig angestiegene See über eine Zeitperiode hinweg* wobei die Kurven den Durchschnitt, den dritthöchsten Durchschnitt und den zehnthöchsten Durchschnitt der Wellenlänge und -höhe über diese Zeitperiode hinweg darstellen.

Die gemäß der Erfindung ausgebildete Schwimmplattform dient zum Tragen von vor der Küste anzuordnenden Vorrichtungen, wie beispielsweise von Kernreaktoren, Hafenanlagen, sich auf die Ölindustrie beziehenden Einrichtungen usw. Die Plattform ist durch Verwendung eines Stabilisxerungssystems stabilisiert, welches in signifikanter Weise die Wirkung der Welleneinwirkung auf die Lasttragplattform reduziert. Allgemein wird diese Stabilisierung dadurch erreicht, daß man Schwimmkörper an entgegengesetzten Seiten der Plattform anordnet und diese Schwimmkörper in einer Abstandsanordnung bezüglich der Plattform hält, und zwar durch Verwendung von starren Kupplungsträgern. Die Verwendung des erfindungsgemäßen mit Abstand gegenüber der Plattform angeordneten Schwimmsystems vermindert die Welleneinwirkung auf die Plattform beträchtlich. Beispielsweise kann die Plattformbeschleunigung auf 60 % oder weniger derjenigen Beschleunigung reduziert werden, die eine Plattform ohne Stabilisiervorrichtungen erleiden würde. Die maximale Plattformsteighöhe kann auf ein Fünftel oder weniger vermindert werden, und zwar verglichen mit derjenigen einer einfachen, d.h. nicht stabilisierten Plattform. Ferner kann die Resonanzperiode der Plattform, d.h. die Periode, bei welcher sich maximale Wechselwirkung der Plattform mit den Wellen dieser gleichen Periode ergibt, auf -weniger als 75 % der Resonanzperiode einer einfachen Plattform vermindert werden.

Es wurde durch Untersuchungen festgestellt, daß Schwimmplattformen geeignet sind, um Kernreaktoren u.dgl. zu tragen, wobei

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diese Plattformen vorzugsweise von rechteckiger Gestalt sind, wobei die längere Abmessung im allgemeinen nicht grosser ist als das Doppelte der kürzeren Abmessung. Demgemäß wurde für die Zwecke der vorliegenden Erfindung entschieden, daß jedes Studium einer Stabilisiervorrichtung für eine derartige Plattform mit einer Plattform durchgeführt werden sollte, welche ein Längen-zu-Breiten-Verhältnis im Bereich von 1 bis 2:1 besitzt.

Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, weist die erfindungsgemäße stabilisierte schwebende Plattform eine Schwimmplattform 10 von rechteckiger Gestalt auf, und zwar mit Abmessungen, die zum Tragen des ins Auge gefaßten Systems geeignet sind. Beispielsweise kann in Fig. 1 ein Kernreaktorgebäude 12 auf einer Plattform 10 mit einer Länge L von ungefähr 400 bis 800 Fuß und einer Breite B von ungefähr 400 bis 800 Fuß getragen werden. Die Schwimmplattform 10 kann in irgendeiner geeigneten Weise aufgebaut sein und sieht die notwendige Flotation vor, um ein darauf anzuordnendes System zu tragen. Beispielsweise würde ein Stahlgebilde mit einer Reihe von wasserdichten Abteilungen, ähnlich den in Marinefahrzeugen verwendeten, eine geeignete Schwimmfähigkeit vorsehen.

Die Stabilisierungsschwimmkörper 14 und 16 für die Plattform sind an der Plattform 10 an entgegengesetzten Enden derselben durch starre parallele langgestreckte Mittel oder Träger 18 und 20 bzw. 22 und 24 befestigt. Die Schwimmkörper 14 und 16 besitzen - wie gezeigt - rechteckige Form und sind parallel zueinander und zu den Enden der Plattform 10 durch die Träger angeordnet, die ihrerseits - wie gezeigt - parallel zueinander verlaufen. In den Fig. 2 und 3 ist die Länge, die Breite und die Dicke der Plattform durch die Buchstaben L bzw. B bzw. D bezeichnet. Die Abmessungen der Schwimmkörper 14 und 16 sind durch die Buchstaben 1, B und d für Länge bzw. Breite bzw. Dicke bezeichnet. Die Breite der Plattform und die Breite der

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Schwimmkörper ist - wie gezeigt - in etwa gleich. Ferner verläuft bei dieser Anordnung jeder der Träger parallel zu einer Seite der Plattform und bildet einen Vorsprung damit. Der Abstand zwischen der Plattform 10 und den Schwimmkörpern 14 und 16, definiert durch die Länge des Trägers, ist durch den Buchstaben G bezeichnet. Fig. 3 verwendet auch den Buchstaben h zur Bezeichnung der Wellenhöhe und den Buchstaben Azur Bezeichnung der Wellenlänge.

Es wurde festgestellt, daß sich eine zufriedenstellende Stabilisierung der erfindungsgemäßen Plattform mit einer Plattform 10 ergibt, die ein Längen-zu-Breiten-Verhältnis im Bereich von 1 bis 2:1 besitzt, wenn die Schwimmkörper 14 und 16 mit einem Abstand G gegenüber der Plattform im Bereich entsprechend ungefähr einem Achtel bis ungefähr 1/2 der Plattformlänge angeordnet sind. Es wurde festgestellt, daß eine zufriedenstellende Schwxnmikörperlänge im Bereich von weniger als ungefähr 0,31 der Länge.L der Plattform bis hinunter zu einer effektiven Länge nahe 0,04 der Länge der Plattform liegt. Ferner steht die Dicke d des Schwimmkörpers und die Länge L der Plattform in einem Verhältnis von d/L im Bereich von 0,007 bis ungefähro,O7. Es wird angenommen, daß der Dickenbereich des Schwimmkörpers zur Bewirkung der notwendigen Stabilisierung zufriedenstellend ist.

Zur Bestimmung desjenigen Bereichs von Abmessungen, für den die Plattform und der Schwimmkörper wirkungsvoll arbeiten, wurden Maßstabsmodelle der Plattform für Versuche in einem Wassertank gebaut, der 40 Fuß lange und 4 Fuß breit ist, wobei die Wassertiefe 21 Zoll betrug. Dieser Maßstab liefert einen Maßstabsfaktor von 1 : 2OO. Wellen wurden durch wiederholtes Einsetzen eines Keils an einem Ende des Tanks erzeugt, wobei eine geeignete Prallplatte am anderen Ende -vorgesehen war, um Wellenreflexionen zu vermindern. Die Änderung der Wellenhöhe wurde

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durch Veränderung der Hublänge des Wellenbildungskeils erzeugt.

Die Ergebnisse der Untersuchung unter Verwendung des oben beschriebenen Maßstabsmodells sind in den Fig. 4 bis 9 dargestellt, wobei die stabilisierte Plattform mit verschiedenen Abmessungen mit nicht stabilisierten Plattformen verglichen wurde, d.h. mit Plattformen ohne die daran befestigten Schwimmkörper 14 und 16 und in dem oben erwähnten Längenzu-Breiten-Verhältnis im Bereich von 1 bis 2:1. In diesen Figuren veranschaulichen die Kurven verschiedene Wellenwirkungseffekte, wie beispielsweise Beschleunigung, Steighöhe und Wellenperiode. In den verwendeten Gleichungen zur Erzeugung dieser Kurven wurden dimensionslose Größen verwendet, wobei g der Wert für die Schwerkraft, a die Beschleunigung, h die Wellenhöhe und T die Periode der Wellenbewegung ist. Die anderen in den Gleichungen verwendeten Buchstaben - mit Ausnahme von Fig. 9A, was unten erläutert werden wird - sind Dimensionen der stabilisierten Schwimmkörper und Plattformen, wie oben erwähnt.

Fig. 4 zeigt Beschleunigungswerte, gemessen am vorderen Ende von verschiedenen Schwimmplattformen als Funktion der Wellenperiode. Die in Fig. 4 verwendeten Plattformen besaßen ein Längen-zu-Breiten-Verhälfcnis von 2:1 und eine gleichförmig verteilte Masse. In dieser.Figur bezieht sich Linie 26 auf eine Plattform ohne die Stabilisierungsschwimmkörper, Linie 28 bezieht sich auf eine Plattform mit nur einem Stabilisier rungsschwimmkörper und Linie 30 bezieht sich auf eine Plattform mit den beiden daran befestigten Stabilisierungsschwimmkörpern 14 und 16. Die Stabilisierungskörper oder Stabilisatoren 14 und 16 vermindern den Bes chleunigungs faktor um die Hälfte und verkleinern die Resonanzperiode auf ungefähr 75 % derjenigen von nicht stabilisierten Plattformwerten.

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Fig. 5 zeigt die Kurven für Plattformen mit einem Längen-zu-Breitenverhältnis von 1 : 1, aber mit 33 % des Gesamtplattformgewichts , konzentriert in der Mitte derselben, um einen Kernreaktor und eine Druckgefäßanordnung zu simulieren. Die Kurve 32 zeigt eine stabilis rte Plattform, welche die Beschleunigung auf 57 % derjenigen einer nicht stabilisierten Plattform, durch Kurve 34 gezeigt, reduziert, wobei die Resonanzperiode auf 70 % der des nicht stabilisierten Plattformwerts vermindert wird. Die in dieser Figur gezeigten Ergebnisse haben sich als richtig für Maßstabswellenhöhen im Bereich von 2 bis 30 Fuß erwiesen.

Fig. 6 zeigt das Verhältnis der Plattformanstiegshöhenamplitude zur Wellenhöhe als Funktion der Wellenperiode. In dieser Figur ist der Abstand oder der Spalt G zwischen den Schwimmkörpern und der Plattform ein Viertel der Länge der Plattform, wobei sich die Kurven 36 und 38 auf eine nicht stabilisierte Plattform bzw. eine stabilisierte Plattform beziehen, und zwar mit einem Längen-zu-Breiten-Verhältnis von 2:1. Die Kurven 40 bzw. 42 beziehen sich auf eine nicht stabilisierte Plattform, wobei ein Längen-zu-Breiten Verhältnis von 1 : 1 vorliegt. Für lange Wellenperioden war die Bewegung größtenteils auf die Wellenhebung (Wellenhub) zurückzuführen und das Verhältnis der Plattformsteighöhe zur Wellenhöhe betrug ungefähr 1. Bei der Resonanzbedingung für die nicht stabilisierte Plattform war die Plattformsteighöhe ungefähr das 2,5-fache der Wellenhöhe. Selbst bei Resonanzbedingung war aber die Steighöhe der stabilisierten Plattform nur 0,5 bis 0,7 der Wellenhöhe.

In Fig. 7 sind Beschleunigungswerte als Funktion der Wellenperiode für 3 unterschiedliche Spaltabstände zwischen den stabilisierten Schwimmkörpern und der Plattform dargestellt. Die Kurven.-44, 46 und 48 sind für Spalte G entsprechend 1/2> 1/4 und 1/8 der Plattformlänge repräsentativ. Die Längen der

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_ Q —

Schwimmkörper in dieser Figur waren 0,15 der Plattformlänge. Die Dicke des Stabilisators hatte wenig oder keinen Einfluß auf die Ergebnisse, zumindest im Bereich von 0,007 bis ungefähr 0,07 der Länge der Plattform. Es erschien, daß die maximale Beschleunigung bei einem Spalt-zu-Längen-Verhältnis von ungefähr 1/4 auftrat, wobei kleinere Werte bei 1/8 und 1/2 auftraten.

Obwohl der spezielle für die Wirkung der erfindungsgemäßen Steighöhenstabilisatoren verantwortliche Mechanismus nicht vollständig geklärt ist, so wird doch angenommen, daß der Passivierungseffekt der Stabilisatoren nicht einfach durch die Erhöhung des Längen- und Breitenverhältnisses der Plattform erzeugt wird. Diese Annahme wird durch Fig. 8 erhärtet, wo Kurven dargestellt sind, die mit einer nicht stabilisierten Plattform mit einem Längen-zu-Breiten-Verhältnis von 3 : 1 und einer Plattform erhalten wurden, welche eine effektive Länge von 3 : 1 besitzt, d.h. die Länge der Stabilisatoren plus der Spalte war in der Gesamtplattformlängs eingeschlossen. In dieser Figur beziehen sich die Kurven 50 und 52 auf nicht stabilisierte Plattformen, wohingegen sich die Kurven 54 und 56 auf stabilisierte Plattformen beziehen. Aus diesen Kurven ersieht man ohne weiteres, daß die Scabilisierungsschwimmkörper die Beschleunigung und das Steighöhen-zu-Wellenhöhen-Verhältnis und auch die Resonanzperiode beträchtlich vermindern.

Untersuchungen unter Verwendung von Steighöhenstabilisatoren oder Schwimmkörpern mit einem Verhältnis aus Schwimmlänge zu Plattformlänge im Bereich von 0,04 bis 0,31 und einem Verhältnis aus Stabilisatorschwimmkörperdicke zu Plattformlänge (d/L) von ungefähr 0,007 wurden verwendet, um die in den Fig. 9A, 9B und 9C gezeigten Kurven zu erzeugen. Bei diesen Untersuchungen wurde die Außenkante des Stabilisators auf einer festen Stellung entsprechend O_f375 der Länge von vorne nach hinten gehalten. Obwohl die Stabilisatorlänge von Versuch zu Versuch ge-

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ändert wurde, wurde festgestellt, daß der Spalt zwischen
der Plattform, und dem Schwimmkörper die Ergebnisse änderte, aber nicht die Gesamtlänge plus Stabilisator. Wie in Fig. 8 oben gezeigt, zeigten die mit den Schwimmstabilisatoren erhaltenen Ergebnisse eine scharfe Maximalbeschleunigung, die zu einer kleineren Periode als die Plattformeigenperiode
hin verschoben wurde. Dieser scharfe Anstieg wird als die
Primärspitze bezeichnet. Auf die Primärspitze folgt ein wesentlich abgerundeteres Maximum, welches zu einer Periode
hin verschoben ist, die größer ist als die Piattformeigenperiode, wobei diese Spitze als sekundäre Spitze bezeichnet wird. Die Ergebnisse der Maximalbeschleunigung, repräsentiert durch die Primärspitze und die Sekundärspitze sind in den
Fig. 9A, 9B und 9C dargestellt, wobei die ausgezogene Linie in diesen Figuren die Primärspitze repräsentiert und die gestrichelte Linie die Sekundärspitze repräsentiert. In den
Fig. 9 (A bis C) sind sowohl die primären als auch die sekundären Spitzen als eine Funktion des Verhältnisses l/L dargestellt; die Untersuchung dieser Kurven ergibt, daß ein 1/L-Wert von 0,16 nahe dem Optimum ist, um die Wirkung des Stabilisators zu erhalten. In Fig. 9A stellt der Ausdruck

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a /(2"ίΓ Η/Τ ) die Beschleunigung der Plattform ohne Bimen-

P ^c
sionen dar, und zwar geteilt durch die Beschleunigung einer Welle der Höhe H, und deren Periode die gleiche war wie die Resonanzperiode der Plattform.

Es sei bemerkt, daß die oben beschriebene Konstruktion eine Plattform nur dann stabilisiert, wenn die Wellenbewegung aus einer Richtung kommt, wo sie anfangs mit einem der Stabilisierungsschwimmkörper in Berührung kommt. Damit dieser Zustand stets vorhanden ist, sollte ein Verankertmgssystem verwendet werden, wo die Plattform so verdreht würde, daß einer der Stabilisierungsschwimmkorper zur Wellenfront hinweist. Dies ist

ein übliches wohlbekanntes Verfahren bei der Verankerung von schwimmenden Einheiten.

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In Fig. 10 sind typische Werte für Höhe, Periode und Wellenlänge für vollständig angestiegene Meere angegeben, wie man sie in der Literatur findet. In dieser Figur bezeichnet die Linie 58 die durchschnittliche Wellenhöhe, die Linie 60 stellt die ein Drittel-höchsten Wellen dar, die während dieser Periode auftreten, während die Linie 62 für die höchsten 10 % während dieser Periode auftretenden Wellen repräsentativ ist.

Wie bereits oben erwähnt, vermindert die erfindungsgemäß stabilisierte Plattform die Beschleunigung auf 60 % oder weniger gegenüber derjenigen Beschleunigung, die· durch Verwendung einer einfachen Plattform erreichbar ist. Die maximale Steighöhe einer derartigen stabilisierten Plattform wird auf ,ein Viertel bis ungefähr ein Fünftel derjenigen einer nicht stabilisierten Plattform reduziert. Auch die Resonanzperiode wird auf weniger als 75 % der Resonanz per iode für eine nicht stabilisierte Plattform reduziert. Die Reduktion der Resonanzperiode hat wichtige Folgen bezüglich der Reduktion und Beschleunigung und Steighöhe insofern als für eine typische Resonanzperiode für eine Schwimmplattform in der Größenordnung von ungefähr 10 Sekunden die Hinzufügung von Stabilisierungsschwimmkörpern die Resonanzperiode auf ungefähr 7,5 Sekunden reduzieren würde. Diese kürzere Periode bewirkt ihrerseits eine Verminderung der Wellenhöhe, bei welcher die stabilisierte Plattform am empfindlichsten ist, auf ungefähr nur 31 % der Wellenhöhe, auf welcher eine nicht stabilisierte Plattform unter Resonanzbedingung am empfindlichsten reagiert. Da sowohl die Beschleunigung als auch die Steighöhe bzw. Neigung maßstabsmäßig durch die Wellenhöhe umfaßt sind, ist die Gesamtreduktion der Beschleunigung durch Verwendung der erfindungsgemäßen Stabilisierungsschwimmkörper ungefähr 0,19 des Wertes der nicht stabilisierten Plattform_r während die Reduktion der Plattformstexghöhe bzw. -neigung ungefähr 0,08 des Werts der nicht stabilisierten Plattform ist.

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Man erkennt, daß die erfindungsgemäße stabilisierte Plattform die Verwendung von Anlagen an Plätzen vor der Küste beträchtlich erleichtert, insbesondere dort, wo die Anlagen über Wasser einer derartigen Tiefe angeordnet sind, daß übliche Schwimmgebilde nicht verwendbar sind, im Hinblick auf deren Stabilität.

In der vorliegenden Anmeldung ist mit Steihöhe die Bewegung um die Querachse bezeichnet.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche :

(\y Schwimmplattform zum Tragen einer Last auf einem Wasserkörper, wobei die Plattform ein Längen-zu-Breiten-Verhältnis im Bereich von 1 bis 2:1 besitzt, gekennzeichnet durch die Kombination mit Stabilisierungsmitteln zur substantiellen Verminderung des Effekts der Welleneinwirkung auf die Plattform, wobei die Stabilisierungsmittel durch ein Paar von rechteckigen Schwimmkörpern gebildet sind, die voneinander durch die Plattform getrennt sind, und wobei jeder Schwimmkörper eine Länge im Bereich von ungefähr 0,04 bis 0,31 der Länge der Plattform und eine Dicke im Bereich von 0,007 bis 0,07 der Länge der Plattform aufweist, und wobei ferner ein Paar von starren Trägern jeden Schwimmkörper an der Plattform befestigt, wobei die Träger parallel zueinander verlaufen und Vorsprünge mit den Seiten der Plattform bilden, und wobei die Träger die Schwimmkörper von der'Plattform um einen Abstand im Bereich entsprechend ungefähr 1/8 bis 1/2 der Länge der Plattform trennen.

2c Plattform nach Anspruch I₀ dadurch gekennzeichnete daß die Breite der Plattform und die Breite der Schwimmkörpermittel gleich sind.

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