DE2900404A1 - Selbststabilisierender schwimmender turm - Google Patents

Description

Iceberg Transport International (ITI) 43, avenue de Friedland

P-75008 PARIS

Selbststabilisierender schwimmender Turm

Die Erfindung bezieht sich auf einen schwimmenden Turm zum Einsatz auf hoher See, dessen vertikale Auf- und Niederbewegungen eine kleinere Amplitude aufweisen, als die entsprechenden vertikalen Bewegungen der Meeresoberfläche und dessen seitliche Wankbewegungen und Neigungen um seine Kippachse begrenzt sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen sich hin-und herbewegenden, schwimmenden Turm, welcher sich selbst stabilisiert.

Die Ausbeute der Reichtümer der Meere erfordert es Anlagen aller möglichen Art auf hoher See zu betreiben und diese an bestimmten Stellen des Meeres oberhalb oder in einer bestimmten Tiefe unterhalb der Meeresoberfläche in Bezug auf diese relativ unbeweglich festzulegen. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Ausbeutung der im Pestlandsockel vor den Küsten der Kontinente vorkommenden Erdöllager. Die industrielle Nutzung, insbesondere tafelförmiger Eisberge, erfordert gleichfalls Schwimmkörper der gleichen Art, um den Eisberg zu verzurren, zu schleppen, zu schützen und ausbeuten zu können. Nach dem die Vorräte an Eisbergen bedeutend sind und tafelförmige Eisberge eine Dicke bis zu 2oo m erreichen können und da ferner die Ausrüstungen zur Bergung und Nutzung von Eisbergen auf See schleppbar sein müssen, erscheint die Verwendung von Schwimmkörpern hierfür angezeigt. Ein zu diesem Zweck eingesetzter Schwimmkörper sollte gegenüber dem Angriff des Wellenganges oder der Dünung relativ unbeweglich sein, wobei man davon

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ausgehen kann, daß eine ideale Dünung ausser durch eine bestimmte Richtung und Geschwindigkeit des Wellenganges durch eine bestimmte Periode und eine bestimmte Höhe und Länge der Wellen gekennzeichnet ist, in der Weise, daß die Dünungshöhe, also die vertikale Höhe zwischen Wellental und Wellenkajnm 1o m überschreiten kann. Mit anderen Worten, für einen im Meer stabilisierten Schwimmkörper ist die Höhe der Dünung der Unterschied zwischen dem vorübergehend höchsten und dem vorübergehend geringsten Niveau der Meeresoberfläche. Die auf hoher See anzutreffende Dünung besteht jedoch aus zwei einander überlagernden Dünungen mit unterschiedliche r Wellenlänge, die sich auch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortpflanzen und durch das Überschlagen von Wellen entstehen, was man üblicherweise als "Dünung zweiter Ordnung ⁿ bezeichnet, und welche besondere Vorkehrungen bei der Konstruktion von Schwimmkörpern erfordert. Wenn auch Dünungen von mehr als 12 bis 15m Höhe selten sind und die größte bisher bekanntgewordene Welle eine Höhe von etwa 3o m erreicht hat, so müssen doch nichtsdestoweniger, insbesondere aus Sicherheitsgründen bei der Konstruktion von Schwimmkörpern auch sehr hohe Dünungen in Betracht gezogen werden.

Ein auf hoher See schwimmender Schwimmkörper ist durch den Angriff der durch die Bewegungen der Meeresoberfläche hervorgerufenen Bewegungen unterworfen, welche ihm sowohl vertikal gerichtete als auch Neigungsbewegungen aufzwingen. Die Amplitude der vertikalen Bewegungen schwimmender Körper stimmt in ihrer Größenordnung mit der Höhe der Dünung überein und ändert sich dieser entsprechend. Das Anwachsen des Auftriebes des Schwimmkörpers ist eine direkte Folge des in Bezug auf seine Eintauchtiefe im Wellenbereich vorübergehend sehr stark ansteigenden Meeresspiegels, während die Verringerung des Auftriebes des Schwimmkörpers eine Folge dfce im Bereich des Wellentales vorübergehend sehr starken Absinken des Meeresspiegels und damit auch einer Verringerung seiner Eintauchtiefe ist. Um die Amplitude der durch den Angriff der Meeresoberfläche erzeugten

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Bewegungen des Schwimmkörpers zu verringern, ist es notwendig, daß die den mit seiner Masse übereinstimmenden normalen Auftrieb des Schwimmkörpers verändernden, vorübergehenden Erhöhungen bzw. Vertiefungen des Meeresspiegels von der Erzeugung einer Auftriebswirkung ausgeschlossen werden. Daraus folgt im wesentlichen, daß das untergetauchte Volumen des Schwimmkörpers auf der einen Seite soweit als möglich von der Meeresoberfläche entfernt sein "muß und auf der anderen Seite die horizontale Oberfläche des Schwimmkörpers an seiner jeweiligen Wasserlinie möglichst klein sein muß. Es ist bekannt, daß ein im Wasser schwimmender, vertikaler Stab, der sog. Eroudsche Stab, dessen Durchmesser und damit dessen horizontaleEintauchtiefe in Bezug auf seine Länge gering ist, diesem Prinzip am ehesten entspricht, da sein eingetauchtes Volumen von der Wasseroberfläche zum überwiegenden Teil entfernt ist. Desgleichen entsprechen Schwimmgerüste oder schwimmende Plattform, wie sie für Unterwasserbohrungen verwendet werden, dieeem Prinzip. Bei diesen Konstruktionen ist nämlich der Hauptteil ihres Auftriebsvolumens unterhalb der Meeresoberfläche konzentriert und über im wesentlichen vertikale Zylinder von in Bezug auf die Gesamtkonstiuktion geringen Volumen getragen. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß in diesem Fall der Durchmesser der schwimmenden Konstruktionen im Bereich der Wasserlinie gering ist, um eine geringe Oberfläche zu gewährleisten.

Von der Anmelderin ist bereits eine geeignete Technik zum Umgürten von tafelförmigen Eisbergen mit einer Schutzhülle gegen Erosion sowie für die Befestigung von Zurr- und Schleppleinen sowie die Aufhängung von wärmeisolierenden Schutzschilden mittels der Verwendung von in regelmäßigen Abständen angeordneten zylindrischen Schwimmkörpern, insbesondere Schwimmtürmen vorgeschlagen worden, welche es gestattet, die mittels Leinen aus metallischem, synthetischem oder textilem Material an den Schwimmtürmen verzurrten Schutzhüllen lose um den Eisberg herumzuhalten. Da jedoch die Dünung ein wechselweises Annähern oder Anschlagen und Entfernen der Schutzhülle gegen die vertikalen Seitenwände des tafelförmigen Eisberges hervorruft, besteht die Gefahr eines Anschlagens der schwimmenden Türme an den Eisberg,

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wodurch die große Sefahr einer Beschädigung oder Zerstörung der schwimmenden Türme gegeben ist.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik betrifft die vorliegende Erfindung einen auf hoher See einsetzbaren schwimmenden Turm, der in Bezug auf die maximale Amplitude der Dünung bzw. der Veränderungen der Höhe der Meeresoberfläche nachfolgend dargelegten technischen Bedingungen entspricht:

Die Amplitude der vertikalen Bewegungen des schwimmenden Turmes ist unterhalb von 2o i»;

die Eintauchtiefe des schwimmenden Turmes unterschreitet 15o?6 nicht;

die die Wasseroberfläche überragende Höhe des schwimmenden Turmes ist auf 33 # begrenzt;

die Gesamthöhe des schwimmenden Turmes ist geringer als 2oo#* Weiterhin erreicht die Länge einer Dünung 3oo bis 4oo m in einer Periode von etwa 14 bis 16 see, und ist die Periode der Neigungsbewegung des schwimmenden Turmes tatsächlich größer.

Zur Lösung der vorstehend aufgezeigten Problematik und der Nachteile bekannter Sehwimmkörper dieser Art, schlägt die vorliegende Erfindung eine Konstruktion eines selbststabilisierenden, auf- und niederschwingenden, schwimmenden Turmes vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie an ihrem oberen Ende einen über wenigstens eine Säule mit einem einen größeren Durchmesser aufweisenden Schwimmkörper verbundenen hutförmigen Körper besitzt. Dieser Schwimmkörper besitzt die Form einer Glocke und ist teilweise mit Luft gefüllt, während er andererseits an seinem unteren Teil einen Ballast aufweist, so daß er insbesondere hinsichtlich der vertikalen Bewegungen des Schwimmturmes als pneumatischer Stoßdämpfer wirkt. Ein schwimmender Turm gemäß der Erfindung besitzt eine vertikale Symmetrieachse, welche nahezu vollständig die Erscheinung des Schiagens des Turmes in Folge einer Wankbewegung um eine gedachte horizontale und zur vertikalen Seitenwand des Eisberges parallel verlaufende, unterhalb desjenigen Bereiches der Meeresoberfläche, welche dem Angriff

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der horizontal wirkenden Dünung ausgesetzt ist, liegenden Schwingachse des Schwimmtürmes und damit auch ein Schlagen der Schutzhülle gegen die Dünung ausschließt. Im Gegensatz zu dem nach dem Prinzip eines Froudschen Stabes konstruierten Bojen, welche eine unterhalb ihres, dem Angriff der Dünung ausgesetzten, verringerten Durchmessers angeordnete Arbeitszone besitzen, weist der Turm nach der vorliegenden Erfindung eine durch die den hutförmigen Körper mit dem Auftriebskörper verbindende Arbeitszone auf, in welcher er dem Angriff der Bewegungen der Meeresoberfläche ausgesetzt ist.

Es ist weiterhin bekannt, oberhalb der Meeresoberfläche getragene Plattformen herzustellen, welche von einer auf dem Meeresgrund aufliegenden Grundmauer getragen sind und die daher aus einer etwa rechteckigen Grundmauer und einer über eine zentrale Abstützung gegen diese abgestützte Arbeitsplattform sowie einer Reihe die Kräfte der Arbeitsplattform gegen die Grundmauer abstützenden Säulen bestehen. Gegenüber dem insgesamt in Betracht zu ziehenden Stand der Technik benötigt der erfindungsgemäße Schwimmturm keinerlei Belastung seiner hutförmigen Arbeitsplattform und kann seine hutförmige Arbeitsplattform nicht an die vertikalen Seitenwände eines Eisberges anschlagen. Weiterhin sind gemäß der Erfindung die mechanischen Installationen des schwimmenden Turmes, beispielsweise ein Elektrogenerator, Motoren, Winden oder dergl. im Inneren der Säule und nicht auf der hutförmigen Plattform angeordnet. Weiterhin kann unterhalb der Säule eine untergetauchte Vortriebseinheit angeordnet sein, wobei die Vortriebseinheit unterhalb des Auftriebskörpers angeordnet ist. In diesem Pail gestattet die Säule den Zugang zur Vortriebseinheit. Der Auftriebskörper ist von der zur Bildung eines glockenförmigen Auftriebskörpers, welcher in seinem oberen Teil mit Luft und in seinem unteren Teil mit Wasser gefüllt ist, von der unterendig verschlossenen Säule überbaut. Der Auftriebskörper weist an seinem Aussenumfang die Form eines Kugelabschnittes mit zwei parallelen, beiderseits

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des Kugeläquators verlaufenden Schnittflächen auf und kann an der Seitenwand des Eisbergs anliegen, da er aufgrund seiner Eintauchtiefe dem horizontalen und vertikalen Angriff der Dünung nicht ausgesetzt ist. Dadurch wird dem Schwimmturm eine sehr große Stabilität verliehen. Der Mittelpunkt des kugelförmigen Auftriebskörpers bildet gleichzeitig das Schwingungszentrum des Schwimmturmes. Weiterhin ist die hutförmige Plattform durch einen Kugelabschnitt gebildet, dessen beide parallele Schnittflächen auf der einen Seite des Äquators einer Kugel liegen. Die hutförmige Plattform kann aber auch durch einen Abschnitt eines Kegels mit leicht bombierter Umfangsfläche gebildet sein. Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung schneidet eine im Bereich seiner Oberfläche an den Umfang des Auftriebskörpers angelegte Tangente die vertikale Achse des schwimmenden Turmes und bildet gleichzeitig eine Tangente des Aussenumfanges der hutförmigen Plattform.

An einer geeigneten Stelle ihrer Höhe ist in der Säule eine horizontale Abschlußwand angeordnet, die es ermöglicht, den Innenraum der Säule zur Modifizierung der Schwimmfähigkeit des Turmes entsprechend den Veränderungen des momentanen Niveaus der Meeresoberfläche zu verändern. Die im Auftriebskörper des Schwimmturmes eingeschlossene luft befindet sich naturgemäß unter einem seiner Eintauchtiefe entsprechenden Druck, sozusagen, demjenigen Druck, welcher dem Gewicht derjenigen Wassersäule entspricht, welche sich zwischen der Ebene des momentanen Wasserstandes und der Ebene der Trennlinie zwischen Wasser und Luft im Inneren des glockenförmigen Auftriebsraumes befindet.

Da jede Welle ein Ansteigen des momentanen Wasserspiegels, in dem der Turm schwimmt, gegenüber dem Spiegel des ruhigen Wassers bewirkt, wächst auch diese Wassersäule und damit der Druck, welcher wiederum eine Verringerung des im glockenförmigen Auftriebsraumes eingeschlossenen Luftvolumens bewirkt. Diese Volumensverminderung und damit die Auftriebsverminderung gleicht die durch die vorübergehende Erhöhung des Wasserspiegels verursachte Vermehrung des eingetauchten Volumens bewirkte vergrößerte Auftriebswirkung des Turmes aus.

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Aus diesem Grunde erfährt der schwimmende Turm gemäß der Erfindung mit einer Vergrößerung seines eingetauchten Volumens keinen größeren Auftrieb, sondern bleibt der Auftrieb unabhängig von seiner Eintauchtiefe im wesentlichen gleich, so daß der Turm auch keine Tendenz zum Aufsteigen zeigt. Umgekehrt vermindert sich die Höhe der Wassersäule, welche den auf das Luftvolumen des Auftriebskörpers wirkenden Druck repräsentiert, wenn in Folge der Dünung das momentane Meeresspiegelniveau unter das mittlere Meeresspiegelniveau absinkt. Durch diese Druckverringerung wird dem im glockenförmigen Auftriebskörper eingeschlossenen luftvolumens eine Ausdehnung ermöglicht, welche ihrerseits eine Erhöhung der Auftriebswirkung und damit einen Ausgleich für die Verringerung des eingetauchten Volumens des Turmes bildet. Obgleich weniger tief eingetaucht, wirkt auf den Schwimmturm auch hierbei ein im wesentlichen gleicher Auftrieb, so daß der Schwimmturm keine Tendenz zum Absenken zeigt.

Damit sie einerseits die Veränderung des Volumens der im glockenförmigen Auftriebskörper enthaltenen Luft und andererseits die durch die Veränderungen des eingetauchten Volumens des schwimmenden Turmes bewirkten unterschiedlichen Auftriebskräfte ausgleichen können, müssen beide Volumina etwa die gleiche Größenordnung aufweisen. Um dies zu erreichen, ist die Höhe der im glockenförmigen Auftriebsraum eingeschlossenen Luft in der Weise bestimmt, als ihre durch die sie bewirkenden, entsprechenden Änderungen der momentanen Wasserspiegelhöhe ausgedrückten Volumensänderungen annähernd demjenigen Abstand der im Bereich der Wasserlinie eingetauchten horizontalen Fläche des Schwimmturmes von der Trennlinie zwischen Luft und Wasser im Inneren des glockenförmigen Auftriebsraumes entsprechen soll. Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der erfindungsgemäße schwimmende Turm kann entsprechend seiner Verwendung mit zusätzlichen Aufbauten versehen werden. Derartige Aufbauten sind an sich bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beispielsbeschreibung an Hand zweier, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben.

In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen schwimmenden Turmes.

Der im Ausführungsbeispiel gezeigte schwimmende Turm besteht aus einer Stahlkonstruktion, jedoch ist ohne weiteres ersichtlich, daß er auch aus anderem Material, beispielsweise armiertem Beton hergestellt werden kann. Der schwimmende Turm ist teilweise in das Meer 1 eingetaucht und weist eine vertikale Symmetrieachse x-x auf, Mit seinem Auftriebskörper 4 liegt der schwimmende Turm an der vertikalen Seitenwand 2 eines tafelförmigen Eisberges 3 an. An seiner Unterseite ist der Auftriebskörper 4 offen, so daß der von ihm umschlossene Hohlraum mit dem Meer in freier Verbindung steht und daher einen großen Ballast einschließt. Um die Größenordnung eines etffindungsgemäßen schwimmenden Turmes abzustecken, wird dargelegt, daß er eine Höhe von mehr als 4o m und im Bereich seines Auftriebskörpers 4 einen Durchmesser von etwa 25 m aufweist. Der Aussenumfang des Auftriebskörpers 4 besitzt die Form einee Kugelabschnittes, dessen beide Schnittflächen zum Kugeläquator parallel verlaufen und zu dessen einer und anderer Seite angeordnet sind. Der Kugelmittelpunkt entspricht dabei dem Schwingungszentrum des schwimmenden Turmes. Bei ruhigem Meer liegt der Auftriebskörper 4 an der vertikalen Seitenwand 2 des tafelförmigen Eisberges 3 mit einem oberhalb des Kugeläquators 5 oder in Folge der Unregelmäßigkeit der vertikalen Seitenwand 2 des tafelförmigen Eisberges 3 mit einem in der Nähe des Kugeläquators 5 liegenden Punkt an. Der Auftriebskörper 4 besteht aus diametral angeordneten Verstärkungen 6, auf welchen beispielsweise durch I-Träger gebildete Anlageverstärkungen 7 aufliegen. Die Auflageverstärkungen 7 tragen die aus dickem Stahlblech gebildete Aussenhaut 8 des Auftriebskörpers 4. Auf den Auftriebskörper ist eine Säule 9 aufgesetzt, die in Folge ihrer _unterseitigen öffnung eine Glockenform besitzt. Die Säule 9 trägt an ihrem Oberen Ende einen Hut 1o, dessen geometrische Form annähernd einem Kugelsegment mit parallelen Schnittflächen oder einem Kegelabschnitt mit leicht bombierten Seitenwänden entspricht. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß die in der

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Symmetrieebene des Turmes aufscheinende Tangente 11, welche in unmittelbarer Nähe des oberen Endes des Auftriebskörpers 4 an dessen Aussenumfang anliegt, gleichzeitig eine Tangente des Aussenumfanges 12 der hutförmigen Plattform 1o bildet. Wenn daher der schwimmende Turm in eine Schwingbewegung um seine gedachte horizontale und zur Seitenwand 2 des tafelförmigen Eisberges 3 parallel verlaufende Achse in Schwingung gerät, kommt die hutförmige Plattform 1o mit der vertikalen Seitenwand 2 des tafelförmigen Eisberges 3 über ihre äussere Oberfläche 12 in Anlage, so daß die vorerwähnte Tangente 11 eine vertikal gerichtete Lage einnimmt. Sofern sich daher eine ausserordentliche Lage des schwimmenden Turmes in Folge des mechanischen Angriffes des Meeres 1 ergibt, welche eine horizontal gerichtete Druckwelle auf de Erosionsschutzhüllen, welche zwischen zwei erfindungsgemäßen Schwimmttirmen gehalten sind, ergibt, kann trotzdem keine Schlagwirkung auftreten. Am schwimmenden Turm angreifende, vertikale Bewegungen werden durch das Vorhandensein der Luft 13, welche im Auftriebskörper 4 eingeschlossen ist, gedämpft oder unterbunden. Diese Luft 13 gewährleistet auf der einen Seite die Schwimmfähigkeit des schwimmenden Turmes und auf der anderen Seite die Dämpfung bzw. Beseitigung der Vertikalbewegungen des schwimmenden Turmes. Eine Trennwand 14 schließt die Luft 13 in der Säule 9 ein, deren Durchmesser zur hutförmigen Plattform hin abnimmt, um die durch das Meer auf die Wellensehutzhülle ausgeübten Drücke zu vermindern. Das im Auftriebskörper 4 eingeschlossene Meerwasser 1 bildet einen großen Ballast, welcher seinerseits ein Schwingen des Schwimmturmes zu verhindern sucht.

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Claims (1)

1. P ΑΙΕΙίΐ ANSPRÜO HE :

   1.) Selbststabilisierender schwimmender Turm zum Einsatz auf hoher See, dadurch gekennzeichnet, daß eine an seinem oberen Ende angeordnete hutförmige Plattform über wenigstens eine Säule (9 ) mit einem teilweise mit Luft gefüllten Auftriebskörper (4), welcher als pneumatischer Stoßdämpfer teilweise die Vertikalbewegungen des Turmes dämpft bzw. beseitigt und in seinem unteren Teil einen Ballast enthält, angeschlossen ist.

   2.) Schwimmender Turm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungssäule (9) zwischen der hutförmigen Plattform (1o) und dem Auftriebskörper (4) einen zunehmenden Durchmesser aufweist, um den Angriff der vom Meer auf die Wellenschutzhülle ausgeübten Druckkräfte geringzuhalten.

   5.) Schwimmender Turm nach Anspruch 1 und 2» dadurch gekennzeichnet, daß an geeigneter Stelle ihrer Höhe in der Säule (9) eine horizontale Trennwand (14) angeordnet ist, welche es gestattet, den Innenraum der Säule (9) zur Modifizierung der Schwimmfähigkeit des schwimmenden Turmes entsprechend den momentanen Änderungen des Meeresspiegels vorzunehmen.

   4.) Schwimmender Turm nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aussenumfang des Auftriebskörpers (4) die geometrische Form eines Kugelsegmentee mit zwei parallel und beiderseits des Kugeläquators (5) liegenden Schnittflächen aufweist.

   5.) Schwimmender Turm nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftriebskörper (4) derart tief eingetaucht ist, daß er die horizontal und vertikal gerichteten, aus der Dünung resultierenden und an der Säule (9) angseifaaden, Kräfte aufheben kann.

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   6.) Schwimmender Turm nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die hutförmige Plattform (1o) die geometrische Form eines Kugelsegmentes aufweist,
   dessen beiden parallele Schnittflächen auf einer Seite des Kugeläquators angeordnet sind.

   7.) Schwimmender Turm nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die hutförmige Plattform (1o) die geometrische Form eines Kegelabschnittes mit leicht bombierter Umfangswand aufweist.

   8.) Schwimmender Turm nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelzentrum des Auftriebskorpers (4) das
   Schwingungsζentrum des schwimmenden Turmes bildet.

   9.) Schwimmender Turm nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Bereich seiner oberen Oberfläche an der Umfangsflache des Auftriebskorpers (4) anliegende
   Tangente (11) die vertikale Achse χ - χ des schwimmenden Turmes schneidet und eine Tangente zur Umfangsoberflache der hutförmigen Plattform (io) bildet.

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