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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein neuartiges oder verbessertes Werkzeug zum Einbringen
von Pfählen
in Unterwasser-Bodenformationen (d. h. Erdreich oder Fels).
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Offshore-Anlagen, Schiffe und Bohrinseln benötigen Ankerpunkte,
damit diese sicher vor Ort festgemacht oder positioniert werden
können,
oder um einer Bewegung oder Verlagerung der Insel Widerstand entgegenzusetzen.
Bekannte Ankersysteme verwenden Flunken-artige, oder auf Schwerkraft- oder
Saugwirkurng beruhende Anker oder eingetriebene Fundamentpfähle, um
Widerstand gegen seitliche Belastung oder Zugbelastungen zu leisten.
Flunken-, Schwerkraft- oder Sauganker stellen begrenzten und nicht
quantifizierbaren Widerstand gegen das Ausreißen bereit und sind auf verschiedene
Arten eingebracht worden, z. B. durch Einziehen von Flunken in den
Meeresboden oder Ansaugen von Strukturen in den Meeresboden. Ein
merklicher Nachteil dieser Anker liegt in der Tatsache, dass sie nur
horizontale Kräfte
wirksam aufnehmen können, so
dass die horizontalen Abstände
zwischen den Ankerpunkten und der zu verankernden Struktur sehr groß sein muss.
Die vorliegende Erfindung überwindet
diesen Nachteil, so dass eine deutliche Einsparung bei den Kosten
für Ankerseile
oder -kabel erzielt werden kann.
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Es sind Bemühungen unternommen worden, Sprengmittel,
pneumatisch oder hydraulisch angetriebene Systeme zu verwenden,
um Anker in den Meeresboden zu schießen. Beispiele dafür sind in der
US-A-3.170.433 von Gardiner, der US-A-4.619.218 von Kenny und der US-A-4.682.559 von
Schnitzer et al. angeführt.
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In seichten Gewässern können Systeme mit in den Meeresboden
eingetriebenen und/oder gebohrten Pfählen verwendet werden, um effektiven Widerstand
gegen Druck, Spannung oder seitliche Belastungen zu leisten. In
der Tiefsee und in extrem tiefen Umgebungen jedoch beschränken die
erhöhten
Installationskosten die Verwendung von Unterwasser-Pfahlrammhämmern für gepfählte Fundamente.
Wie weithin bekannt ist, wird ein Pfahlrammsystem durch wiederholtes
Einschlagen auf ein Fundamentelement mit starken Stößen oder
Kräften
betrieben, wodurch das Fundamentelement zunehmend in den Boden hineingetrieben
wird. Die kinetische Energieausgabe einer Pfahlrammvorrichtung ist eine
Funktion ihrer Rammmasse und der Geschwindigkeit der Ramme beim
Aufschlag. Das Eintreiben eines Pfahls wird durch die Übertragung
der kinetischen Energie der Pfahlramme auf den Pfahl erzielt, wodurch
Widerstand und Verlustkräfte überwunden werden
und der Pfahl verlagert wird.
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Herkömmliche Binnenland-Pfahlrammen funktionieren
unter Wasser nicht effektiv, und für derartige Verwendungszwecke
sind spezielle Untenniasser-Pfahlrammen entwickelt worden, wie beispielsweise
in der US-A-4.238.166 von Gendron und der US-A-4.362.439 von Vaynkof
ersichtlich. ist.
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Es ist das Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine neuartige Vorrichtung zum Einbringen von Pfählen und
anderen Typen von Fundamentelementen in den Meeresboden bereitzustellen.
Das System ist vorzugsweise tragbar, so dass es zum Installieren von
Fundamenten problemlos zwischen unterschiedlichen Orten hin- und
hertransportiert werden kann. Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung
können auch
Eintreibsysteme entwickelt werden, die in leicht entzündlichen
Umgebungen verwendbar sind.
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Die Erfindung sieht ein Werkzeug
zur Verwendung in untergetauchtem Zustand vor, mit dem Pfähle und
andere Typen von Fundamentelementen in eine Bodenformation eingetrieben
werden können, die
in einer Wassermasse untergetaucht ist, das Folgendes umfasst: einen
Hammerkörper,
der dazu ausgebildet ist, feststehend in Bezug auf und in axialer Ausrichtung
mit dem Kopf eines Fundamentelements gehalten zu werden, das einzutreiben
ist; einen Reaktionskörper,
der vom Hammerkörper
getragen und zur Bewegung auf diesem in eine Richtung geführt wird,
die axial zum Fundamentelement verläuft, das einzutreiben ist;
wobei der Hammerkörper
und der Reaktionskörper
jeweils einander gegenüberliegende
erste und zweite Enden einer Expansionskammer definieren, die zwischen
diesen ausgebildet ist; gekennzeichnet durch: Beschickungsmittel,
um ein sich rasch ausdehnendes Volumen an Hoch-druckgas innerhalb
der Expansionskammer zu erzeugen, um einen Abwärts-druckkraftimpuls auf das
erste Ende der Expansionskammer zu erzeugen, um das Fundamentelement
vorwärts
zu treiben, wobei ein gleicher und entgegengesetzt aufwärts gerichteter
Druckkraftimpuls durch das zweite Ende der Expansionskammer auf
den Reaktionskörper
ausgeübt
wird; und eine Dämpfungsstruktur,
die dem Reaktionskörper wirksam
zugeordnet ist und eine solche Konfiguration aufweist, dass sie
mit dem Wasser in Wechselwirkung steht, in das das Werkzeug eingetaucht
ist, um einer Aufwärtsbewegung
des Reaktionskörpers
als Reaktion auf den Aufwärtsdruckkraftimpuls
Widerstand entgegenzusetzen.
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Das Beschickungsmittel umfasst vorzugsweise
eine Abfolge von brennbaren Treibmittelladungen, die innerhalb einer
Brennkammer angeordnet sind, die mit der Expansionskammer durch
einen Verbindungsdurchgang kommuniziert, um Hochdruckgas bei Zündung der
Ladung an die Expansionskammer abzugeben. Die Ladungskammern können in
einem Gehäuse
angeordnet sein, das den Reaktionskörper umgibt, wobei jede Brennkammer über ein Einwegventil
mit der Expansionskammer kommuniziert. Ein Brennstoffzünder, der
in jeder Brennkammer angeordnet ist, ist mit einer Zündersteuerung
auf dem Werkzeug verbunden, und die Zündersteuerung ist zur Betätigung von
einem entfernten Ort aus angeordnet, z. B. durch ein Kabel, das
an die Oberfläche oder
zu einem WROV (working remote operated vehicle, Fernsteuer-Arbeitsfahrzeug)
führt,
oder durch drahtlose Anordnungen, die mit Hochfrequenzwellen arbeiten.
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Die Dämpfungsstruktur ist vorzugsweise
ein großvolumiger
Behälter,
der oben offen ist und auf dem Reaktionskörper angeordnet ist. Der Behälter selbst
kann trotz seiner Größe dünnwandig
und relativ leicht sein, wird aber eine sehr große Wassermasse einschließen, deren
Trägheit
dafür genutzt
wird, der Verlagerung des Reaktionskörpers nach oben Widerstand
entgegenzusetzen. Der Boden des Behälters weist vorzugsweise eine
Reihe von Ventilöffnungen
auf, die sich durch diesen nach oben erstrecken, wobei jede Ventilöffnung einen
Ventilverschluss aufweist, der montiert ist, um das Strömen von
Wasser nach oben in den Behälter
zuzulassen, und gleichzeitig das Strömen von Wasser nach unten aus
dem Behälter
zu verhindern. Die Ventilanordnung ermöglicht somit, dass der Behälter nach
einer Aufwärtsbewegung
als Reaktion auf das Verbrennen einer Treibmittelladung rasch wieder
absinkt.
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Es ist zu verstehen, dass die Druckimpulse einen
wiederholbaren Abwärtsschub
oder -druck auf den Pfahl ausüben,
der durch einen Mechanismus bewirkt wird, der kein Rammelement oder
bewegliches Schlag- oder Oszillationselement bzw. einen anderen
Mechanismus erforderlich macht, um kinetische Energie auf das Fundamentelement
zu übertragen.
Der Schub entsteht viel mehr durch das auf den Pfahl in Abwärtsrichtung
einwirkende Druckgas, welches im Werkzeugmechanismus eingeschlossen
ist, der eine vom einzubringenden Fundamentelement oder Pfahl getrennte
Einheit bildet.
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Der Hammerkörper und der Reaktionskörper stellen
zusammen ein gepaartes und geführtes
Kolben- und Zylinder-Druckgefäß bereit,
dessen Bestandteile während
der Inbetriebnahme miteinander verbunden bleiben und sich jedoch
relativ zueinander in axialer Richtung frei bewegen können.
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Die Richtung der auf des Fundamentelement aufgebrachten
Last kann leicht bestimmt und durch die Positionierung und Ausrichtung
des Werkzeugs gesteuert werden. Aus Gründen der Einfachheit werden
in der Beschreibung zwar die Begriffe „aufwärts" und „abwärts" und dergleichen verwendet, es ist aber zu
verstehen, dass das offenbarte Verfahren und Vorrichtung nicht auf
das vertikale Eintreiben von Fundamentelementen beschränkt ist,
sondern auch beim winkligen oder horizontalen Einbringen von Fundamentelementen
eingesetzt werden kann.
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Die Zusammensetzung und Größe jeder Treibmittelladung
kann wie gewünscht
angepasst werden, um die erwünschte
Impulsform (in Bezug auf Dauer und Größenordnung) bereitzustellen,
die für die
gegebenen geotechnischen Bedingungen am besten geeignet ist.
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Widerstand gegen die Aufwärtsreaktionskraft
wird von der Wassermasse geleistet, die im Behälter enthalten ist und einen
kombinierten Trägheits- und
Strömungswiderstand
gegen die Beschleunigung und Bewegung der enthaltenen Masse durch das
Wasser bereitstellt. Die Bewegung dieses Widerstandssystems ist
so gestaltet und erwünscht,
dass sie als Reaktion auf die große Reaktionsschublast auftritt.
Die Größenordnung
der Bewegung soll hoch sein, so dass das Widerstandssystem während der Schubausübung durch
das Wasser beschleunigt wird, wobei der Behälter bei vertikalen Installationen durch
die Schwerkraft wieder in seine Ausgangsposition gebracht wird.
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Die winklige Einbringung von Fundamentelementen
wie Pfähle
kann durch Einbettung und eine ähnliche
gesteuerte anfängliche
Penetration des Fundamentelements erzielt werden. Der gewünschte Trägheits-
und Strömungswiderstand
des Behälters wird
selbst bei winkligen Anordnungen erreicht, es kann bei derartigen
Anwendungen jedoch notwendig sein, einen Kraftmechanismus wie ein
Federelement anzubringen, um den Behälter in seine Ausgangsposition
zurückzubringen.
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Das Werkzeug kann problemlos adaptiert werden,
um elektronische Meßwandler-Systeme für das Messen
der Belastung und Position (Verlagerung) des Fundamentelements über die
Zeit, d. h. vor, während
und nach jedem aufeinanderfolgenden Schub, zu beinhalten. Die kontinuierliche Überwachung,
Aufnahme und Analyse der aufgebrachten Schublasten und des Vortriebs
des Fundamentelements ist außerhalb
der Bedienungsstation vorgesehen. Dadurch kann eine umfassende Fundamentpenetrationsaufzeichnung
zur Verfügung
gestellt werden, die eine hohe Qualitätssicherung und eine Bescheinigung
der letztendlichen Fundamentkapazität und -steifheit ermöglicht.
Durch eine solche Bescheinigung können Pfähle auch an Orten eingebracht werden,
wo nur beschränkte
Bodeninformation vorhanden ist. Anders gesägt wird weniger Bodeninformation
benötigt,
um einen sicheren und annehmbaren Verankerungspunkt oder Fundamentpfahl
zu schaffen.
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Die Erfindung wird nun nur anhand
von Beispielen mit Verweis auf die begleitenden Abbildungen detaillierter
beschrieben, worin:
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1 eine
Längsquerschnittsansicht
einer bevorzugten Ausführungsform
des Werkzeugs zum Einbringen von Fundamentelementen unter Wasser ist;
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2 einen
vergrößerten Abschnitt
aus 1 zeigt;
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3 eine
Schnittansicht ist, die entlang der Linie III-III in 2 geführt ist;
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4 eine
Ansicht ist, die die auf den Reaktionskörper wirkenden Reaktionskräfte veranschaulicht,
die während
des Betriebs des Werkzeugs auftreten; und
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5A bis 5E schematische Ansichten
sind, die das Werkzeug in unterschiedlichen Bedienungsstufen darstellen.
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Bezugnehmend auf 1 ist das Werkzeug 10 in einer
Position dargestellt, um einen Pfahl 12 in einer Unterwasser-Bodenformation
einzubringen, wobei das Werkzeug durch eine Pfahlkappe 14 auf der
Spitze des Pfahls gehalten wird. Die Pfahlkappe 14 passt
knapp in das oben offene Ende des Pfahls und stellt Ausrichtungsmittel
zur Lastübertragung
mit dem Pfahl bereit.
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Das Werkzeug 10 umfasst
einen relativ schlanken zylindrischen Körper 16, an dessen
unterem Ende ein Ring 18 angebracht ist, der eine im Allgemeinen
scheibenförmige
Strömungsreaktionsplatte 20 mit
großem
Durchmesser hält,
die den Zylinder umgibt und eine Oberseite, die im Allgemeinen rechtwinklig
zur gemeinsamen Achse 22 des Werkzeugs und des Pfahls angeordnet
ist, sowie eine Unterseite aufweist, die etwas abgewinkelt ist,
so dass sich die Dicke der Strömungsreaktionsplatte
radial nach außen
verjüngt.
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Innerhalb der Werkzeugzylinders 16 ist
koaxial ein Kolben 24 angeordnet, der sich durch einen Arretierring 26 hindurch,
der sich am unteren Ende des Zylinders befindet, nach unten erstreckt
und auf einem Beschleunigungsmesser und einer Kraft-Messdoseninstrumentenscheibe 28 aufliegt, die
an der Oberseite der Pfahlkappe 14 gehalten ist.
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Das obere Ende des Zylinders 16 ist
von einer Anordnung von Ladungszylindern 30 umgeben, durch
die das Werkzeug angetrieben wird, und über welchen sich eine nach
oben ragende zentrale Sammelkammer 32 befindet, die wiederum
von einem oben offenen Reaktionsmassebehälter 34 mit großem Durchmesser
umgeben ist. Das obere Ende der Sammelkammer 32 ist durch
einen Deckel 36 verschlossen, der eine nach oben stehende
Platte 38 umfasst, die mit einem Auge 40 versehen
ist, das ein Mittel bereitstellt, durch das das Werkzeug 10 angehoben
oder abgesenkt werden kann, z. B. mit einem Kabel oder dergleichen
(nicht dargestellt).
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Details des Werkzeugs sind in 2 besser ersichtlich, in
der hervorgeht, dass der Zylinder 16 eine interne Bohrung 42 aufweist,
die eine Kammer definiert, von der ein Ende durch das obere Ende
des Kolbens 24 verschlossen ist und das andere Ende im Zylinder
oder auf mit diesem verbundenen Elementen ausgebildet ist. Es ist
zu verstehen, dass die durch die Bohrung 42 umschlossene
Kammer durch eine Bewegung des Kolbens 24 axial in Bezug
auf den Zylinder 16 vergrößert werden kann, wobei 2 die Kammer in ihrer minimalen
Größe darstellt, wenn
der Kolben vollständig
im Zylinder 16 eingezogen ist. In diesem Zustand wird ein
axiales Lüftungsrohr 44,
das am Zylinder 16 befestigt ist, in einem axialen Bohrloch 46 im
Kolben 24 aufgenommen und durch eine Dichtung 48 mit
diesem verschlossen. Ein Druckentlastungsdurchgang 43 erstreckt
sich von der Kammer 42 durch die Wand des Zylinders 16 nach
außen,
wobei der Durchgang 43 durch ein Kontrollventil (nicht
dargestellt) gesteuert wird, das ein Strömen nach außen durch den Durchgang 43, zulässt, aber
ein Strömen
nach innen verhindert. Eine weitere ringförmige Dichtung 50,
die vom Kolben getragen wird, wirkt mit der Kammerwand 42 zusammen,
und eine ringförmige
Dichtung 52, die auf dem Zylinder gehalten wird, wirkt
mit der zylindrischen Außenfläche des
Kolbens 24 zusammen.
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Wie in 3 ebenso
gezeigt wird, sind die Ladungszylinder 30 radial in Bezug
auf den Zylinder 16 angeordnet, und zwar, wie in 2 ersichtlich ist, in zwei
Lagen mit jeweils sechs Ladungszylindern. Jeder Zylinder 30 hat
ein radial inneres Ende, das in einer Buchse 54 im Werkzeugzylinder 16 aufgenommen
ist, sowie ein Bohrloch 56, um die Treibmittelladung 57 aufzunehmen,
wobei das Bohrloch über
ein Einwegventil 58 mit einem zugehörigen einer Reihe von sich
axial erstreckenden Durchgängen 60 kommuniziert,
die sich in die Kammer 42 öffnen. Das obere Ende dieser
Durchgänge 60 erstreckt
sich in die Abgassammelkammer 74, wobei die Kommunikation mit
der Abgassammelkammer 74 durch eine Anzahl von Berstscheiben 60.1 verhindert
wird, von denen jeweils eine in jedem Durchgang 60 angeordnet
ist. Diese Berstscheiben 60.1 dienen als Sicherheitsdruckablassventile,
die normalerweise jegliches Strömen
von den Durchgängen 60 zur
Abgassammelkammer 74 blockieren, jedoch im Falle eines
vorbestimmten Überdrucks
im Durchgang 60 bersten, um ein Ablassen von Druck zu ermöglichen.
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Am radial äußersten Ende jedes Ladungszylinders 30 ist
ein Brennstoffzünder 62 eingebettet,
der jeweils über
ein entsprechendes Zündungskabel 64 mit
einer Zündungssteuerbox 66 verbunden
ist, die über
ein Hauptzündungskabel 68 mit
einer entfernten Stelle (z. B. auf der Oberfläche der Wassermasse) verbunden
ist.
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Die Bohrung des dünnwandigen Lüftungsrohrs 44 erstreckt
sich durch das obere Ende des Zylinders nach oben, wo sie im Laufe
einer Übergangszone 72 breiter
wird und sich in das untere Ende eines Rohrs 74 öffnet, das
sich innerhalb der Sammelkammer 32 axial nach oben erstreckt,
wobei das obere Ende 76 des Rohrs mit einem Abstand vor
dem Deckel 36 endet. Das untere Ende des Sammelkammerrohrs 32 ist
in einer kurzen zylindrischen Hülle 78 aufgenommen, und
an seinem unteren Ende sind eine Reihe von L-förmigen Durchgängen 80 ausgebildet,
die sich zuerst axial und dann radial durch die Kammer 36 und
die Hülle 78 hindurch
nach außen
erstrecken, wo um das untere Ende der Hülle 78 in Übereinstimmung
mit den Durchgängen 80 eine
Reihe von abgewinkelten Ablenkplatten 82 angeordnet ist.
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Die abgewinkelten Ablenkplatten sind
an einem zentralen Kranz 84 befestigt, der das untere Ende
des Behälters 34 bildet
und auf einem ringförmigen
Absatz 86 sitzt, der im oberen Ende des Zylinders ausgebildet
ist. Das untere Ende des Behälters 34 schließt eine
nach oben und nach außen
abgewinkelte Wand 88 ein, die eine Vielzahl an großen Öffnungen 90 aufweist,
wobei jede Öffnung
durch eine entsprechend große
Lukenplatte 92, die ein Drehelement 94 auf dem
Kranz 84 aufweist, verschlossen werden kann.
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Um einen Abwärtsschub zu erzeugen, durch den
der Pfahl 12 in die Unterwasserbodenformation eingetrieben
wird, wird eine Brennstoffladung 57, die in einem Ladungszylinder 30 angeordnet
ist, durch ein Steuerungssignal gezündet, das vom Hauptzündungskabel 68 der
Zündungssteuerungsbox 60 und dem
entsprechenden Zündungskabel 64 an
den Brennstoffzünder 62 gesendet
wird. Wenn die Ladung 57 gezündet wurde, erzeugt sie rasch
ein großes
Volumen an expandierendem Gas, das über das verbundene Einwegventil 58 und
den axialen Durchgang 60 entweicht. Zum Zeitpunkt der Zündung nehmen
die Bestandteile die in 2 gezeigten
Positionen ein, so dass das expandierende Gas, das durch die Zündung der
Brennstoffladung erzeugt wird, aufgrund des in der Bohrung 46 des
Kolbens abgedichteten Lüftungsrohrs 44 einen
raschen Druckanstieg innerhalb der Zylinderkammer 42 bewirkt,
wodurch ein entsprechender Abwärtsschub
auf den Kolben 24 und somit auf den Pfahl 12 ausgeübt wird,
der den Pfahl um eine Zuwachsdistanz, die umgekehrt proportional
zum Bodenwiderstand ist, in die Bodenformation eintreiben wird.
Die Zusammensetzung der Brennstoffladungen 57 kann je nach
gewünschten Schubeigenschaften
weit variieren. Typischerweise umfasst die Brennstoffladung 57 einen
Cellulosenitrat-Doppelbasistreibstoff, der im Handel von zahlreichen
Herstellern angeboten wird.
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Ein gleicher, entgegengesetzter Aufwärtsschub
wird auf die Zylinderanordnung 16 ausgeübt, um eine Aufwärtsverschiebung
derselben zu erzielen, wobei die Trägheit der Zylinderanordnung 16 und der
mit ihr verbundenen Teile gegen diese Aufwärtsverlagerung Widerstand leistet.
Wenn das Werkzeug nicht in Wasser eingetaucht wäre, würde es zu einer sehr großen Aufwärtsbewegung
kommen. Das oben beschriebene Werkzeug ist aber so gestaltet, dass
es die Trägheits-
und Strömungskräfte, die
durch die Interaktion mit dem Wasser, in welchem das Werkzeug eingetaucht
ist, erzeugt werden können,
ausnützt,
so dass die Aufwärtsverlagerung
auf ein bewältigbares Ausmaß begrenzt
wird.
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Bezugnehmend auf 4 wird ersichtlich, dass dem auf den
Zylinder 16 ausgeübten
Aufwärtsschub
durch die Trägheit
des Wassers das sich über der
Strömungsreaktionsplatte 20 befindet,
Widerstand entgegengesetzt wird, wie durch die dicken schwarzen
Pfeile 96 angezeigt ist, da das an dieser Stelle vorhandene
Wasser bewegt werden muss bevor sich die Platte 20 (und
somit der Zylinder 16) nach oben bewegen können. Außerdem wird,
wenn sich die Platte 20 als Reaktion auf den Schub nach oben
zu bewegen beginnt, durch die Interaktion der Platte mit dem umgebenden
Wasser ein Strömungswiderstand
erzeugt, wie durch die Pfeile 98 angezeigt ist.
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Auf ähnliche Weise wird der Behälter 34 innerhalb
seiner Seiten und seines Bodens ein sehr großes Volumen an im Wesentlichen
stationärem Wasser
einschließen,
und die Trägheit
dieses Wasservolumens muss überwunden
werden, bevor sich der Behälter
und die Zylinderanordnung 16 nach oben bewegen können. Obwohl
der Behälter
dünnwandig
ist, muss er ausreichend fest konstruiert sein, um gegen die Trägheitskräfte des
enthaltenen Wassers Widerstand leisten zu können, wenn der Behälter 34 durch
den Zylinder 16 nach oben getrieben wird. Darüber hinaus
ist es zu verstehen, dass aufgrund des Eingriffs des Wassers auf
der Außenseite des
Behälters 34 Strömungskräfte auftreten
werden.
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Wie erläutert wurde, steigt der Druck
innerhalb der Kammer 42 nach der Zündung einer der Ladungen 57 rasch
an, wobei die Geschwindigkeit und Dauer dieses Druckanstiegs durch
die Zusammensetzung und Größe der Ladung 57 sowie
die Dimensionen der Durchgänge 60,
der Kammer 42 etc. bestimmt wird. Bei relativer Verlagerung
zwischen dem Zylinder 16 und dem Kolben 24 nimmt
das Volumen der Kammer 42 zu, und der Druck innerhalb der
Kammer steigt kontinuierlich an, wenn die Brennstoffladung brennt,
da die Kammer im Wesentlichen geschlossen ist. Wenn die Verlagerung
aber so weit fortgeschritten ist, dass sich das untere Ende des Lüftungsrohrs 44 über der
Oberfläche
des Kolbens 24 befindet, können die Hochdruckgase innerhalb der
Kammer 42 über
die Bohrung 70 des Lüftungsrohrs
entweichen, und somit den Druckanstieg innerhalb des Zylinders 42 beenden.
Von der Bohrung 70 dehnen sich die Gase durch den Durchgang 70 in das
Innere des Sammelkammerrohrs 74 und dann in den ringförmigen Bereich
zwischen Letzterem und dem Außenrohr 32 aus,
um durch die L-förmigen Durchgänge 80 in
das umgebende Wasser abgelassen zu werden. Das Ablassen von Druck
setzt sich solange fort, bis der Druck innerhalb der Zylinderkammer 42 an
den Umgebungswasserdruck angeglichen ist. Nachdem der Entlüftungsvorgang
abgeschlossen ist, zeigt die nach oben verlagerte Zylinderanordnung
(mit einem insgesamt negativen Strömungsauftrieb) eine Tendenz,
unter ihrem eigenen Gewicht zurück
auf die Ausgangsposition aus 2 zu
sinken. Während
dem Absinken können
die Lukenplatten 92 aus der in 2 dargestellten geschlossenen Position
geschwenkt werden, um das Wasser frei durch die untere Wand des
Behälters 34 strömen zu lassen,
wodurch der Widerstand gegen die Bewegung der Anordnung nach unten
verringert wird. Die Zylinderkammer 42 wird über das
Lüftungsrohr 44 frei
belüftet,
wenn sich der Zylinder auf den Kolben absenkt. Wenn das Rohr 44 jedoch
wieder in das Bohrloch 46 im Kolben eintritt, wird dieses
Strömen
unterbrochen, und um ein weiteres Absinken der Zylinderanordnung 16 zu
ermöglichen,
wird Gas durch den Druckentlastungsdurchgang 42 ausgestoßen. Es wird ersichtlich werden, dass während dem Betreiben
der Vorrichtung eine gewisse Menge an Hochdruckgas durch den Durchgang 43 ausströmen wird,
dieser Ausströmverlust
jedoch unbedeutend ist, da der Durchmesser des Durchgangs 43 relativ
klein ist. Das Steuerventil im Durchgang 43 verhindert
das Eindringen von Wasser in die Zylinderkammer 42. Wenn
die Zylinderanordnung 16 die Position aus 2 wieder erreicht hat, werden die geöffneten
Lukenplatten 92 durch die Schwerkraft in die geschlossene
Position zurückschwenken,
woraufhin das Werkzeugfür
den Beginn eines weiteren Ladungskreislaufs bereit ist.
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Das Gesamtsystem und seine Funktionsweise
sind in 5 veranschaulicht,
worin 5A zeigt, wie
das Werkzeug an einem Drahtseil 100 abgesenkt wird, um
die Pfahlkappe 14 in die Oberseite des Pfahls 12 einzuführen, der
in die Unterwasseroberflächenformation 11 eingetrieben
werden soll. In diesem Zustand erstreckt sich der Kolben 24 vollständig vom
Zylinder 16, und die Lukenplatten 92 können sich
frei öffnen,
um den Widerstand des Wassers gegen die Abwärtsbewegung des Werkzeugs zu
verringern.
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5B stellt
die Position dar, die eingenommen wird, wenn die Pfahlkappe 14 in
der Oberseite des Pfahls 12 angebracht ist und der Kolben 24 unter dem
Gewicht des absinkenden Werkzeugs 10 in den Zylinder 16 eingefahren
worden ist, wobei sich die Bestandteile dann in der in Bezug auf 2 beschriebenen Position
befinden und das Werkzeug zur Inbetriebnahme bereit ist.
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5C veranschaulicht
die Position, die sich nach der Zündung einer der Ladungen 57 ergibt, wenn
der Abwärtsschub
auf den Pfahl 12 ausgeübt worden
ist und die Aufwärtsreaktionskraft
die Zylinderanordnung 16 und die mit ihr verbundenen Teile nach
oben gedrückt
hat.
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5D zeigt
die Situation, die nach dem Abschluss des Expansionsschlags des
Kolbens eintritt, worin ein ringförmiger Absatz auf dem Kolben
mit dem Arretierring 26 am unteren Ende des Zylinders in Berührung kommt,
um ein Lösen
des Kolbens aus dem Zylinder zu verhindern. Geeignete Polsterungsmittel
(nicht dargestellt) können
vorgesehen sein, um die Stärke
des Aufpralls zwischen dem absinkenden Kolben und dem Arretierring 26 abzufedern.
Der Eingriff mit dem Arretierring beendet die Aufwärtsbewegung
der Zylinderanordnung 16. Das Wasservolumen im Behälter und
der Behälter
selbst haben jedoch durch den Aufwärtsschubvorgang eine beträchtliche
kinetische Energie aufgebaut, so dass der Behälter 34 selbst nach
dem Anhalten der Zylinderanordnung 1–6 seine Aufwärtsbewegung
fortsetzt, bis die kinetische Energie vollständig abgegeben worden ist.
Diese Aufwärtsbewegung
wird durch ein Trennen des Kranzes 84 aus seinem Sitz auf
dem ringförmigen
Absatz 86 an der Oberseite des Zylinders aufgenommen, so
dass sich der Behälter
weiter nach oben bewegen kann und die Bewegung durch ein Gleiten
der Hülle 78 auf
der röhrenförmigen Sammelkammer 32 geführt wird.
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5E zeigt,
wie die Zylinderanordnung und der Behälter 34 nach dem Abschluss
eines ersten Zyklus wieder in ihre Ausgangsposition zurück sinken. In
diesem Zustand ist die kinetische Energie des Behälters 34 und
der darin enthaltenen Wassermasse abgegeben worden, und der Behälter hat
aufgrund der Schwerkraft mit dem Absinken begonnen, wobei sich die
Lukenplatten 92 während
dieser Abwärtsbewegung öffnen, um
den Wasserwiderstand zu verringern.
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Wieviele Ladungszylinder 30 in
einer bestimmten Anordnung verwendet werden, hängt von den jeweiligen Gegebenheiten
und insbesondere vom Bodenwiderstand, der Eintreibtiefe des Pfahls, dem
Pfahldurchmesser, etc. ab. Im dargestellten Beispiel sind aus Gründen der
Einfachheit zwei Gruppen mit jeweils sechs Ladungszylindern veranschaulicht, diese
Anzahl könnte
jedoch klarerweise bedeutend erhöht
werden, sollten die Gegebenheiten dies erfordern.
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Es ist verständlich, dass die kinetische
Energie der Bewegungsmasse, durch das Absinken der Zylinderanordnung 16 und
der mit ihr verbundenen Teile, wie in 5E der
Abbildungen veranschaulicht, durch den Arretierring 26,
die Messdose 28 und die Pfahlkappe 14 einen zweiten
Schlag auf den Pfahl 12 ausüben wird. Dieser zweite Schlag
ist normalerweise von der Größenordnung
her geringer, jedoch stärker
beschleunigt als der Schlag, der durch die von der Ladung 57 erzeugten
Expansionsgase ausgeübt
wird, und könnte
daher eine nützliche
Ergänzung
zum ersten Abwärtsschub
darstellen. Tatsächlich
könnte
bei geeigneter Auswahl und Gestaltung der pyrotechnischen Ladung 57 erzielt
werden, dass der innerhalb des Zylinders 16 erzeugte Druck nicht
ausreicht, um einen festen Abwärtsschlag
auf den Pfahl 12 auszuüben,
und der Druck statt dessen primär
dazu dient, den Zylinder 16 und die zugehörigen Teile
anzuheben, wobei der erste Schlag in dieser Situation von der kinetischen
Energie des absinkenden Zylinders 16 abgegeben wird.
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Obwohl das Werkzeug, wie im Vorhergehenden
beschrieben, zum Einbringen von Pfählen in Unterwasser liegenden
Bereichen verwendet wird, ist es offensichtlich, dass das Werkzeug
einfach abgeändert
und adaptiert werden kann, um wiederholt Schläge auszuüben, um ein unterirdisches
Fundamentelement zu entfernen oder eine Drehbelastung auf dieses
auszuüben.
Die Vorrichtung kann an die gewünschten
Verwendungszwecke angepasst werden.
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Das System umfasst Instrumente (nicht
dargestellt), um die mit jedem Ladungskreislauf erzeugte Kraft und
die Verlagerung der Pfahls zu messen, wobei die Instrumente mit
geeigneter Software verbunden sind, um den Bodenwiderstand zu bestimmen.
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Das Werkzeug weist zudem Ballasttanks (nicht
dargestellt) auf, um seinen relativen Strömungsauftrieb wie erwünscht von
positiv zu neutral oder zu negativ zu ändern. Wenn das Werkzeug in
einer anderen Ausrichtung als der dargestellten Vertikalen verwendet
wird, werden Federn (nicht dargestellt) oder dergleichen bereitgestellt,
um die Zylinder/Kolbenanordnung wieder in ihre Ausgangsposition
zu bringen, so dass in diesem Fall keine beweglichen Teile mit negativem
Strömungsauftrieb
vorgesehen werden müssen.
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Es sind zahlreiche andere Konfigurationen von
Elementen, die mit dem Wasser zusammenwirken, um die gewünschten
Trägheits-
und Strömungswiderstandskräfte zu erzeugen,
vorstellbar, die innerhalb des in den nachfolgenden Ansprüchen erläuterten
Schutzumfangs der Erfindung liegen.