EP2558650B1 - Offshore gründung - Google Patents

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EP2558650B1
EP2558650B1 EP11702938.9A EP11702938A EP2558650B1 EP 2558650 B1 EP2558650 B1 EP 2558650B1 EP 11702938 A EP11702938 A EP 11702938A EP 2558650 B1 EP2558650 B1 EP 2558650B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
anchoring element
shear
protection elements
water
element according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP11702938.9A
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English (en)
French (fr)
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EP2558650A1 (de
Inventor
Wolfgang Maier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP2558650A1 publication Critical patent/EP2558650A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2558650B1 publication Critical patent/EP2558650B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D13/00—Accessories for placing or removing piles or bulkheads, e.g. noise attenuating chambers
    • E02D13/04—Guide devices; Guide frames
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D27/00—Foundations as substructures
    • E02D27/32—Foundations for special purposes
    • E02D27/42—Foundations for poles, masts or chimneys
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D27/00—Foundations as substructures
    • E02D27/32—Foundations for special purposes
    • E02D27/52—Submerged foundations, i.e. submerged in open water

Definitions

  • the invention relates to an anchoring element for a hydraulic system, in particular a mooring block or a gravity foundation for an offshore power generation plant or a centering and guiding aid for a monopile foundation and a hole in the body of water.
  • a weight is typically sunk, from which a connecting chain is guided to an anchor buoy.
  • This is exemplified in the US 2008/0112759 A1 directed. From this document go down to the bottom of the water lattice baskets that are filled with rocks.
  • a pile foundation (monopile) is used for plant foundation in a rocky body of water as an alternative to a gravity foundation
  • anchoring elements serve to center the hole to be made for the pile foundation and to secure the immediate footing of the foundation - this is on EP 1 988 219 A1 directed.
  • heavy anchoring elements are placed on the bottom of the water.
  • GB 1 492 562 A a pile foundation for an oil platform, for which a foundation element is first deposited on the bottom of the water and then by the pressing of piles, which extend from the foundation element, is secured. The piles are extended by means of a back pressure by pumping seawater into a sealed receiving space for the piles. After extension, the receiving space is filled with sand.
  • the invention has for its object to provide an anchoring element for a hydraulic system, which relies on its own gravity on the body of water, the ballast weight used is low in relation to the load limiting loads, so that an installation with a simplified ship's vehicle is possible.
  • the anchoring element should be particularly suitable for stony and rocky surfaces and are characterized by a long service life and by design and manufacturing simplicity.
  • the inventors have recognized that in side guides in Anchoring element movably arranged shear securing elements that wedge after weaning on the bottom of the water in the unevenness of the ground, significantly increase the capacity of the anchoring element against transverse forces.
  • the shear securing elements used for this move only because of their own weight. Accordingly, the side guides transmit lateral forces, but leave each individual one of the thrust securing elements a degree of translational freedom, so that the thrust securing elements can extend without contact to the body of water without additional Aktorik.
  • Each of the thrust securing elements will occupy a certain equilibrium position when depositing the anchoring element on the bottom of the water.
  • High loads on the anchoring element, in particular lateral forces, can lead to the movement of the entire anchoring element, without the individual contact points of the shear securing elements are significantly changed on the riverbed, i. the anchoring element clings as it were with the freely movable extendable Schubêts instituten in the relief of the substrate.
  • the thrust securing elements are applied in a form-fitting manner to recesses in the body of the anchoring element, so that the walls of the recesses constitute the lateral guides for the thrust securing elements.
  • the recesses are formed as passage openings in the anchoring element, so that the thrust securing elements can be inserted from above into the passage openings and a suitable fall-out, for example in the form of a flared expanded cross section in the head area include.
  • the side guides are formed in the contact area to the thrust securing elements in the form of seawater-resistant plain bearings.
  • the side guides themselves and / or passing with the side guides in contact parts of the thrust securing elements are covered with a suitable plain bearing material.
  • a particularly hard-soft pairing has proven to be particularly durable. That is, one of the contact surfaces is covered with a heavy duty polymer, such as Orkot®, while the mating surface is made of a hard material, such as stainless steel.
  • Orkot® a heavy duty polymer
  • the mating surface is made of a hard material, such as stainless steel.
  • the essential part of the anchoring element and the thrust securing elements can be made of a concrete material. Fiber concrete is particularly suitable for reasons of strength.
  • the wall of the receptacles in the anchoring element can be covered with said plain bearing material, while the thrust securing elements are in the form of steel tubes, which are poured to increase the dead weight with concrete.
  • the lateral guides for the thrust securing elements are provided in the form of spaced plates, for example of steel, with through openings through which thrust securing elements are guided.
  • the thrust securing elements are provided with different cross sections, which are adapted to the dimensioning of the passage openings, that the thrust securing elements are secured against falling out.
  • the thrust securing elements are immediately adjacent to each other and have positive contact surfaces, which serve to realize the side guides and allow mutual sliding respectively adjacent thrust securing elements in the intended direction of free movement translation direction.
  • the thrust securing elements it is particularly conceivable to form the thrust securing elements as a matching dimensioned cuboid, which are surrounded by a frame-shaped element, which leads the thrust securing elements laterally against each other. The arrangement is supplemented by a fall protection.
  • the anchoring element according to the invention can stand for at least three thrust securing elements when depositing on a body of water for a first embodiment.
  • the other elements are freely movable, that is they are not led to an end stop and thus do not take on the weight of the anchoring element.
  • due to their intrinsic gravity they press on an assigned contact point on the bottom of the river and, via the respective lateral guide, absorb the transverse forces acting on the anchoring element.
  • the anchoring element on another separate component.
  • this is the load-receiving frame of the anchoring element itself.
  • the vertical loads are intercepted at support points on which lifting devices for leveling the anchoring element are provided.
  • Such an embodiment can serve in particular for realizing a gravity foundation with an anchoring element according to the invention for establishing an offshore power generation plant. Accordingly, a centering and guiding aid for securing a hole in the riverbed or to create a monopile foundation can be realized by means of an anchoring element according to the invention.
  • FIG. 1a shows in cross-sectional view an anchoring element 1 according to the invention, which comprises a cuboid concrete block 11 as a ballast weight 2. Shown is the lowering of a chain 10, which at the side Fastening 9.1, 9.2 is supported. An anchoring element designed in this way is preferably used as a mooring block.
  • recesses 4.1 - 4.11 for receiving thrust securing elements 3.1 - 3.11 created.
  • the recesses 4.1-4.11 are preferably arranged in the form of a matrix and, for the present embodiment, in the form of passage openings which extend from the top side 38 of the concrete block to the bottom area 39.
  • the longitudinal axes of the recesses 4.1 - 4.11 are substantially vertical to the bottom surface 39 provided as a standing surface.
  • a certain angle of attack is conceivable, which however is chosen to be steep and preferably ⁇ 45 ° and particularly preferably ⁇ 20 °, so that the thrust securing elements 3.1 - 3.11 overcome the frictional forces in the side guides and extend out of the recesses 4.1 - 4.11 due to their own weight in the intended for lowering orientation.
  • the thrust securing elements 3.1 - 3.11 are present in a cylindrical shape and run to a point. Furthermore, they have in the head area on a stop 7, which is applied in the form of a relation to the cross section of the recesses 4.1 - 4.11 oversized collar and forms a fall-out.
  • side guides 5 for the thrust securing elements 3.1- 3.11 are respectively the walls of the recesses 4.1 - 4.11, which are positively applied to the lateral surface of the thrust securing elements 3.1 - 3.11.
  • the walls 12 are preferably covered with a plain bearing material 6.
  • a plain bearing material 6 serves the frictional forces between the side guide 5 and the thrust securing element 3.1 - 3.11 to reduce so far that the weight of the thrust securing elements 3.1 - 3.11 sufficient to extend out of the recess 4.1 - 4.11.
  • the abrasion on the thrust securing element 3.1 - 3.11 or on the walls 12 of the recesses 4.1 - 4.11 should be reduced in a constant movement of the anchoring element 1 under changing Aufömungs committee or due to wave movements.
  • FIG. 1b shows the situation after the placement of the anchoring element 1 on the body of water 8.
  • the concrete block 11 rests at the support points 37.1, 37.2 on the bottom of the water 8.
  • at least three support points are present, which is not shown in the schematically simplified cross-sectional view.
  • the anchoring element 1 is not supported directly on the thrust securing elements 3.1 - 3.11. However, these are either in contact with the body of water 8 or are in a final position and are held by the fall-out. The latter case applies to the thrust securing element 3.6.
  • the further thrust securing elements 3.1-3.5, 3.8-3.11 load with their own weight on the body of water 8 and assume an individual position as a function of the distance between the bottom area 29 of the concrete block 11 and the body of the water 8. So they follow the profile profile of the body of water 8 and engage in recesses so that the forces acting on the anchoring element 1 forces do not lead to a shift of the contact points.
  • FIGS. 2a and 2b show a design alternative of the anchoring element 1 in cross-sectional view before and after settling on the body of water 8.
  • the schematically illustrated thrust securing elements 3.1 - 3.7 are used to form the side guide 5 in through holes in a first guide plate 13 and a second guide plate 15, which are spaced parallel to each other, held.
  • the first guide plate 13 and the second guide plate 15 are laterally cast in the concrete blocks 11.1, 11.2, which form the essential part of the weight 2.
  • the arrangement is covered by a cover plate 20, which is formed in correspondence with the first guide plate 13 and the second guide plate 15 of a corrosion-resistant, sufficiently solid material.
  • these components can be applied as steel plates or as components made of fiber concrete.
  • a lower through-opening 14 in the first guide plate 13 and an upper through-opening 16 aligned therewith in the second guide plate 15 are applied for the thrust securing element 3.1.
  • the thrust securing element 3.1 is guided laterally at a steep angle, preferably ⁇ 20 ° and particularly preferably substantially perpendicular to the setting direction.
  • the narrower applied lower cylinder cross-section 17 of the thrust securing elements 3.1 - 3.11 engages through the lower passage opening 14.
  • this is too narrow for the widened upper cylinder portion 18, whereby a fall-out 36 is realized.
  • the upper cylinder portion 18 fits through the further applied, upper passage opening 16 and extends for the in FIG.
  • FIG. 2b shows the situation of the remote on the bottom of the river 8 anchoring element 1 FIG. 2a , It can be seen that the thrust securing elements 3.1 and 3.6 absorb the vertical loads of the anchoring element 1. Shown are the associated support points 37.1, 37.2. A necessary for the safe state third support point is not shown in the simplified cross-sectional view.
  • the load-receiving thrust securing elements 3.1 and 3.6 are then in each case in the region of its head 19 on the inside of the cover plate 20 at. Lateral forces are introduced at the lower passage opening 14 in the first guide plate 13 and the upper passage opening 16 in the second guide plate 15.
  • FIGS. 3a and 3b sketch a further embodiment of the invention.
  • the concrete blocks 11.1, 11.2 and the cover plate 20 form part of an upwardly closed frame 40 for the accurately fitting thrust securing elements 3.1 - 3.6.
  • These are designed so that each individual thrust securing element 3.1 - 3.6. a contact surface 21.1, 21.2, 21.3 to an adjacent element which allows a positive sliding in the direction provided for the extension direction, in this case the vertical.
  • the thrust securing elements 3.1 - 3.6 are selected as cuboid concrete blocks. These can be used for abrasion protection with a sliding bearing material, which is not shown in the figure sketch.
  • FIG. 4 shows a further development of the invention in the form of a gravity foundation 22 for an offshore power plant on which a wind turbine or, as shown here, a tidal turbine can be placed. Shown is a nacelle 27 with a water turbine rotating around it 28 and a subsequent tower adapter 26 which is placed on the coupling element 25 on the foundation-side support structure 24.
  • the gravity foundation 22 comprises an anchoring element 1 with slide securing elements 3.1-3.8 arranged vertically movably in recesses 4.1-4.8. These drive in the storage of the gravity foundation 22 on the body of water 8 while maintaining the ground contact and thus form the adapted bottom portion 39 of the gravity foundation 22nd
  • the gravity foundation is leveled by the lifting devices 23.1 and 23.3, which support the weight force of the gravity foundation 22. Accordingly, the vertically freely movable thrust securing elements 3.1 - 3.8 capture a substantial portion of the lateral forces acting on the gravity foundation 22 during operation of the system.
  • the stability of the gravity foundation 22 can be increased by supplying a cement mixture to a further production step via a feed channel 35 for filling cavities.
  • the thrust securing 3.1 - 3.8 serve the initial stability during installation until the cement paste is finally cured.
  • FIG. 5 shows a centering and guide aid 30 for a hole, such as to form a monopile foundation.
  • a foundation element Shown again is a foundation element, with a concrete block 11, which serves as a ballast weight 2 and at the same time as a support component.
  • thrust securing elements 3.1 - 3.8 are applied by means of their own weight in the recesses 4.1-4.8 vertically freely movable. These in turn serve to adapt to the course of the body of water 8.
  • the lifting devices 23.1, 23.2 can be lowered by the guide tube 31, a drill pipe 32 centered with the drill head 33 in a borehole 34.
  • the side guides 5 for the thrust securing elements 3.1 - 3.11 create so that they extend in an angular position to the setting direction. Furthermore, it is possible to divide the thrust securing elements 3.1 - 3.11 into different groups, the differ by their extension direction and by their weight or their extension length or with respect to the design of the contact area to the river bottom. Furthermore, the entire outer surface of the anchoring element 1 can be covered with thrust securing elements 3.1 - 3.11, wherein only a part of the thrust securing elements 3.1 - 3.11 comes into contact with the body of water 8 as a function of the depositing direction. As a result, the anchoring element 1 can be placed independently of the direction of the body of water 8, which simplifies the installation.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verankerungselement für eine wasserbauliche Anlage, insbesondere einen Mooring-Block oder ein Schwerkraftfundament für eine Offshore-Energieerzeugungsanlage oder eine Zentrier- und Führungshilfe für eine Monopile-Gründung und eine Bohrung am Gewässergrund.
  • Zur Ausbildung eines permanenten Ankerpunkts am Gewässergrund wird typischerweise ein Gewicht versenkt, von welchem eine Verbindungskette zu einer Ankerboje geführt wird. Hierzu wird beispielhaft auf die US 2008/0112759 A1 verwiesen. Aus dieser Schrift gehen auf den Gewässergrund abgelegte Gitterkörbe hervor, die mit Gesteinsbrocken gefüllt werden. Als Alternative besteht die Möglichkeit, Mooring-Blöcke in Form standardisierter Betonteile auszubilden. Dabei muss ein Mooring-Block ein hohes Gewicht aufweisen, um als sicherer Ankerpunkt dienen zu können. Zur Ausbildung von Verankerungselementen für Offshore-Anlagen führt dies zur Notwendigkeit, spezielle Installationsschiffe mit einer hinreichenden Krankapazität einsetzen zu müssen, um schwergewichtige Verankerungselemente sicher platzieren zu können.
  • Zur Verbesserung der Standfähigkeit von Mooring-Blöcken wurde durch die JP 61046791 A die Verwendung bodenseitiger, sich in den Boden des Gewässergrunds eingrabender Spitzen an einem Mooring-Block vorgeschlagen. Dieser Ansatz setzt ein relativ weiches Sediment am Gewässergrund voraus. Eine Ablage eines solchen Mooring-Blocks auf felsigem Untergrund kann zu einer reduzierten Ankerwirkung führen. Daher wird zur Bereitstellung hinreichender Sicherheitsreserven meist das Gewicht derartiger Verankerungselemente erhöht, was jedoch die Installationsarbeiten erschwert.
  • Eine entsprechende Problematik ergibt sich für Schwerkraftgründungen von Offshore-Energieerzeugungsanlagen. Für die Errichtung von Windkraftanlagen an einem Meeresstandort wird beispielhaft auf die DE 10 2005 006 988 A1 verwiesen. Des Weiteren sind entsprechende, durch die Eigenschwere gesicherte Fundamente für vollständig tauchende Anlagen zur Energiegewinnung aus Gezeiten bekannt. Auch in diesem Fall führt ein steiniger Untergrund zu besonders schweren Fundamentelementen, um ein Verschieben der Anlage durch Wellen- und Strömungskräfte sicher ausschließen zu können.
  • Wird zur Anlagengründung bei einem felsigen Gewässergrund als Alternative zu einer Schwerkraftfundamentierung eine Pfahlgründung (Monopile) verwendet, dienen Verankerungselemente zur Zentrierung der für die Pfahlgründung auszuführenden Bohrung sowie zur Sicherung des unmittelbaren Fußbereichs der Gründung - hierzu wird auf die EP 1 988 219 A1 verwiesen. Auch für diese Anwendung werden schwere Verankerungselemente auf dem Gewässergrund abgelegt. Ferner offenbart GB 1 492 562 A eine Pfahlgründung für eine Ölplattform, für die ein Fundamentelement zunächst auf den Gewässergrund abgesetzt und dann durch das Einpressen von Pfählen, die aus dem Fundamentelement ausfahren, gesichert wird. Das Ausfahren der Pfähle erfolgt mittels einer rückseitige Druckbeaufschlagung durch das Einpumpen von Meerwasser in einen abgedichteten Aufnahmeraum für die Pfähle. Nach dem Ausfahren wird der Aufnahmeraum mit Sand verfüllt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verankerungselement für eine wasserbauliche Anlage anzugeben, das durch seine Eigenschwere auf dem Gewässergrund lastet, wobei das verwendete Ballastgewicht im Verhältnis zu den Grenzlasten für die Schubsicherung gering ist, sodass eine Installation mit einem vereinfachten Schiffsfahrzeug möglich wird. Dabei soll das Verankerungselement insbesondere für steinige und felsige Untergründe geeignet sein und sich durch eine hohe Standzeit sowie durch konstruktive und fertigungstechnische Einfachheit auszeichnen.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Zur Verbesserung bekannter Verankerungselemente, die ein Belastgewicht zur Sicherung ausnutzen, haben die Erfinder erkannt, dass in Seitenführungen im Verankerungselement beweglich angeordnete Schubsicherungselemente, die sich nach dem Absetzen auf dem Gewässergrund in den Unebenheiten des Untergrunds verkeilen, die Belastbarkeit des Verankerungselements gegenüber Querkräften wesentlich erhöhen. Die hierfür verwendeten Schubsicherungselemente bewegen sich dabei lediglich aufgrund ihres Eigengewichts. Demnach übertragen die Seitenführungen Querkräfte, belassen jedem einzelnem der Schubsicherungselemente jedoch einen translatorischen Freiheitsgrad, sodass die Schubsicherungselemente ohne eine zusätzliche Aktorik bis zum Kontakt mit dem Gewässergrund ausfahren können.
  • Jedes der Schubsicherungselemente wird bei Ablage des Verankerungselements auf dem Gewässergrund eine bestimmte Gleichgewichtsstellung einnehmen. Hohe Lasten auf das Verankerungselement, insbesondere Querkräfte, können zur Bewegung des gesamten Verankerungselements führen, ohne dass die einzelnen Auflagepunkte der Schubsicherungselemente auf dem Gewässergrund wesentlich verändert werden, d.h. das Verankerungselement krallt sich gleichsam mit den frei beweglich ausfahrbaren Schubsicherungselementen im Relief des Untergrunds fest.
  • Im einfachsten Fall sind die Schubsicherungselemente formschlüssig zu Ausnehmungen im Körper des Verankerungselements angelegt, sodass die Wandungen der Ausnehmungen die Seitenführungen für die Schubsicherungselemente darstellen. Für eine bevorzugte Gestaltung sind die Ausnehmungen als Durchgangsöffnungen im Verankerungselement ausgebildet, sodass die Schubsicherungselemente von oben in die Durchgangsöffnungen eingeführt werden können und eine geeignete Herausfallsicherung, beispielsweise in Form eines flanschförmig aufgeweiteten Querschnitts im Kopfbereich, umfassen. Beim Absenken des Verankerungselements werden die Schubsicherungselemente dann durch die Herausfallsicherungen gehalten und stehen zugleich über dem Bodenbereich des Verankerungselements hinaus. Bei Grundberührung lasten die Schubsicherungselemente dann mit ihrem Eigengewicht auf dem Gewässergrund und fahren so weit ein bis das gesamte Verankerungselement seine jeweilige Gleichgewichtsposition erreicht.
  • Für eine vorteilhafte Gestaltung werden die Seitenführungen im Kontaktbereich zu den Schubsicherungselementen in Form seewasserfester Gleitlager ausgebildet. Hierzu werden die Seitenführungen selbst und/oder die mit den Seitenführungen in Kontakt tretenden Teile der Schubsicherungselemente mit einem geeigneten Gleitlagermaterial belegt. Hierfür kommen insbesondere die aus der Anwendung für Stevenrohre bekannten Materialkombinationen in Frage. Als besonders dauerhaft hat sich eine Hart-Weich-Paarung erwiesen. Das heißt, eine der Kontaktflächen wird mit einem hochbelastbaren Polymer, beispielsweise Orkot®, belegt, während die Gegenlauffläche aus einem harten Material, etwa aus Edelstahl, besteht. Durch solchermaßen ausgebildete Schubsicherungselemente kann der wesentliche Teil des Verankerungselements sowie der Schubsicherungselemente aus einem Betonwerkstoff hergestellt werden. Dabei kommt insbesondere aus Festigkeitsgründen Faserbeton in Frage. Durch die voranstehend genannte Maßnahme wird ein direktes, wechselseitiges Abgleiten der Betonkomponenten vermieden. So kann die Wandung der Aufnahmen im Verankerungselement mit dem genannten Gleitlagermaterial belegt werden, während die Schubsicherungselemente in Form von Stahlrohren ausgebildet sind, die zur Erhöhung des Eigengewichts mit Beton ausgossen werden.
  • Für eine alternative Gestaltung werden die Seitenführungen für die Schubsicherungselemente in Form beabstandeter Platten, beispielsweise aus Stahl, mit Durchgangsöffnungen angelegt, durch die Schubsicherungselemente geführt sind. Besonders vorteilhaft werden die Schubsicherungselemente mit unterschiedlichen Querschnitten versehen, die so an die Dimensionierung der Durchgangsöffnungen angepasst sind, dass die Schubsicherungselemente gegen ein Herausfallen gesichert werden.
  • Für eine weitere Ausgestaltungsalternative liegen die Schubsicherungselemente unmittelbar benachbart zueinander und weisen formschlüssige Kontaktflächen auf, die zur Realisierung der Seitenführungen dienen und ein wechselseitiges Abgleiten jeweils benachbarter Schubsicherungselemente in die zur freien Bewegung vorgesehene Translationsrichtung ermöglichen. Für eine solche Gestaltung ist es insbesondere denkbar, die Schubsicherungselemente als übereinstimmend dimensionierte Quader auszubilden, die von einem rahmenförmigen Element umrandet sind, das die Schubsicherungselemente seitlich gegeneinander führt. Ergänzt wird die Anordnung durch eine Herausfallsicherung.
  • Das erfindungsgemäße Verankerungselement kann für eine erste Ausgestaltung bei der Ablage auf einem Gewässergrund auf wenigstens drei Schubsicherungselementen stehen. Die übrigen Elemente sind frei beweglich, das heißt sie sind nicht bis zu einem Endanschlag geführt und nehmen somit nicht das Gewicht des Verankerungselements auf. Allerdings pressen sie aufgrund ihrer Eigenschwere auf einen zugeordneten Kontaktpunkt am Gewässergrund und nehmen über die jeweilige Seitenführung die auf das Verankerungselement wirkenden Querkräfte auf.
  • Alternativ besteht die Möglichkeit, das Verankerungselement an einem weiteren separaten Bauteil abzustützen. Im einfachsten Fall ist dies der Last aufnehmende Rahmen des Verankerungselements selbst. Für eine Weitergestaltung werden die Vertikallasten an Auflagepunkten abgefangen, an denen Hebevorrichtungen zur Nivellierung des Verankerungselements vorgesehen sind. Eine solche Ausgestaltung kann insbesondere zur Realisierung eines Schwerkraftfundaments mit einem erfindungsgemäßen Verankerungselement zur Gründung einer Offshore-Energieerzeugungsanlage dienen. Entsprechend kann eine Zentrier- und Führungshilfe zur Sicherung einer Bohrung am Gewässergrund oder zur Erstellung einer Monopile-Gründung mittels eines erfindungsgemäßen Verankerungselements realisiert werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit Figurendarstellungen genauer erläutert, in denen im Einzelnen Folgendes dargestellt ist:
    • Figuren 1a und 1b
    zeigen als Querschnittansicht ein erfindungsgemäßes Verankerungselement vor und nach dem Absetzen auf dem Gewässergrund.
    Figuren 2a und 2b
    zeigen eine Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Verankerungselements in einer den Figuren 1a und 1b entsprechenden Darstellung.
    Figuren 3a und 3b
    zeigen ein weiteres, alternativ gestaltetes Verankerungselement im Querschnitt vor und nach dem Absetzen.
    Figur 4
    zeigt ein Schwerkraftfundament für eine Offshore-Energieerzeugungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Verankerungselement in Teilschnittansicht.
    Figur 5
    zeigt eine Zentrier- und Führungshilfe für eine Monopile-Gründung mit einem erfindungsgemäßen Verankerungselement in Querschnittansicht.
  • Figur 1a zeigt in Querschnittansicht ein erfindungsgemäßes Verankerungselement 1, das als Ballastgewicht 2 einen quaderförmigen Betonblock 11 umfasst. Dargestellt ist das Absenken an einer Kette 10, die an den seitlichen Befestigungselementen 9.1, 9.2 gehaltert ist. Ein solchermaßen gestaltetes Verankerungselement dient bevorzugt als Mooring-Block.
  • Im Betonblock 11, der bevorzugt zur Aufnahme hoher Lasten aus Faserbeton ausgebildet ist, sind Ausnehmungen 4.1 - 4.11 zur Aufnahme von Schubsicherungselementen 3.1 - 3.11 angelegt. Die Ausnehmungen 4.1 - 4.11 sind bevorzugt matrixförmig angeordnet und für die vorliegende Ausgestaltung in Form von Durchgangsöffnungen, die von der Oberseite 38 des Betonblocks bis zum Bodenbereich 39 reichen, angelegt. Dabei verlaufen die Längsachsen der Ausnehmungen 4.1 - 4.11 im Wesentlichen vertikal zu dem als Standfläche vorgesehenen Bodenbereich 39. Alternativ ist ein gewisser Anstellwinkel denkbar, der jedoch so steil und bevorzugt < 45° und besonders bevorzugt < 20° gewählt wird, sodass die Schubsicherungselemente 3.1 - 3.11 die Reibungskräfte in den Seitenführungen überwinden und aufgrund ihres Eigengewichts bei der für die Absenkung vorgesehenen Orientierung aus den Ausnehmungen 4.1 - 4.11 ausfahren.
  • Die Schubsicherungselemente 3.1 - 3.11 sind vorliegend zylinderförmig angelegt und laufen spitz zu. Ferner weisen sie im Kopfbereich einen Anschlag 7 auf, der in Form eines gegenüber dem Querschnitt der Ausnehmungen 4.1 - 4.11 überdimensionierten Kragens angelegt ist und eine Herausfallsicherung bildet.
  • Als Seitenführungen 5 für die Schubsicherungselemente 3.1- 3.11 dienen jeweils die Wandungen der Ausnehmungen 4.1 - 4.11, die formschlüssig zur Mantelfläche der Schubsicherungselemente 3.1 - 3.11 angelegt sind.
  • Zusätzlich sind die Wandungen 12 bevorzugt mit einem Gleitlagermaterial 6 belegt. Dies ist exemplarisch anhand der Ausnehmungen 4.1 für das Schubsicherungselement 3.1 dargestellt. Das Gleitlagermaterial 6 dient dazu, die Reibungskräfte zwischen der Seitenführung 5 und dem Schubsicherungselement 3.1 - 3.11 so weit zu verringern, dass das Eigengewicht der Schubsicherungselemente 3.1 - 3.11 zum Ausfahren aus der Ausnehmung 4.1 - 4.11 ausreicht. Außerdem soll bei einer ständigen Bewegung des Verankerungselements 1 unter wechselnden Anströmungsbedingungen oder aufgrund von Wellenbewegungen der Abrieb am Schubsicherungselement 3.1 - 3.11 beziehungsweise an den Wandungen 12 der Ausnehmungen 4.1 - 4.11 verringert werden.
  • Figur 1b zeigt die Situation nach der Ablage des Verankerungselements 1 auf dem Gewässergrund 8. Dabei ruht der Betonblock 11 an den Auflagepunkten 37.1, 37.2 auf dem Gewässergrund 8. Im Allgemeinen werden wenigstens drei Auflagepunkte vorliegen, was in der schematisch vereinfachten Querschnittansicht nicht dargestellt ist.
  • Für das vorliegende Ausführungsbeispiel stützt sich das Verankerungselement 1 nicht unmittelbar an den Schubsicherungselementen 3.1 - 3.11 ab. Diese stehen jedoch entweder im Kontakt mit dem Gewässergrund 8 oder befinden sich in einer Endlagestellung und werden durch die Herausfallsicherung gehalten. Der letztgenannte Fall trifft für das Schubsicherungselement 3.6 zu. Die weiteren Schubsicherungselemente 3.1 - 3.5, 3.8 - 3.11 lasten mit ihrem Eigengewicht auf dem Gewässergrund 8 und nehmen eine individuelle Stellung in Abhängigkeit des Abstands zwischen dem Bodenbereich 29 des Betonblocks 11 und dem Gewässergrund 8 ein. Damit folgen sie dem Profilverlauf des Gewässergrunds 8 und greifen in Eintiefungen ein, sodass die auf das Verankerungselement 1 wirkenden Kräfte nicht zu einer Verschiebung der Kontaktpunkte führen. Es ist lediglich möglich, dass der Betonblock 11 bei großen Schubkräften eine Nickbewegung ausführt, die zu einer gewissen Bewegung der Schubsicherungselemente 3.1 - 3.11 entlang der zugeordneten Seitenführungen 5 führt, ohne dass der Anlagekontakt der Schubsicherungselemente 3.1 - 3.11 am Gewässergrund 8 selbst verloren geht.
  • Die Figuren 2a und 2b zeigen eine Ausgestaltungsalternative des Verankerungselements 1 in Querschnittansicht vor und nach dem Absetzen auf dem Gewässergrund 8. Die schematisch dargestellten Schubsicherungselemente 3.1 - 3.7 werden zur Ausbildung der Seitenführung 5 in Durchgangsöffnungen in einer ersten Führungsplatte 13 und einer zweiten Führungsplatte 15, die parallel zueinander beabstandet sind, gehalten. Die erste Führungsplatte 13 und die zweite Führungsplatte 15 sind seitlich in den Betonblöcken 11.1, 11.2 eingegossen, die den wesentlichen Teil des Belastgewichts 2 bilden. Abgedeckt wird die Anordnung durch eine Deckplatte 20, die in Entsprechung zur ersten Führungsplatte 13 und zur zweiten Führungsplatte 15 aus einem korrosionsbeständigen, hinreichend festen Werkstoff ausgebildet ist. Beispielsweise können diese Komponenten als Stahlplatten oder als Bauteile aus Faserbeton angelegt sein.
  • Für das Schubsicherungselement 3.1 ist exemplarisch eine untere Durchgangsöffnung 14 in der ersten Führungsplatte 13 und eine hierzu fluchtende obere Durchgangsöffnung 16 in der zweiten Führungsplatte 15 angelegt. Hierdurch wird das Schubsicherungselement 3.1 in einem steilen Winkel bevorzugt <20° und besonders bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zur Absetzrichtung seitlich geführt. Dabei greift der schmäler angelegte untere Zylinderquerschnitt 17 der Schubsicherungselemente 3.1 - 3.11 durch die untere Durchgangsöffnung 14. Diese ist jedoch zu schmal für den aufgeweiteten, oberen Zylinderabschnitt 18, wodurch eine Herausfallsicherung 36 realisiert wird. Der obere Zylinderabschnitt 18 passt durch die weiter angelegte, obere Durchgangsöffnung 16 und reicht für die in Figur 2a dargestellte voll ausgefahrene Ruhestellung der Schubsicherungselemente 3.1 - 3.11 über die zweite Führungsplatte 15 hinaus. Der einen Kopf 19 bildende überstehende Teil ist gerundet angelegt, sodass bei einem vollen Einfahren der Schubsicherungselemente 3.1 - 3.11 ein schonendes Abgleiten des Kopfs 19 an der Innenseite der darüber liegenden Deckplatte 20 gewährleistet ist.
  • Figur 2b zeigt die Situation des auf den Gewässergrund 8 abgesetzten Verankerungselements 1 aus Figur 2a. Ersichtlich ist, dass die Schubsicherungselemente 3.1 und 3.6 die Vertikallasten des Verankerungselements 1 aufnehmen. Gezeigt sind die zugeordneten Auflagepunkte 37.1, 37.2. Ein für den sicheren Stand notwendiger dritter Auflagepunkt ist in der vereinfachten Querschnittansicht nicht dargestellt. Die Last aufnehmenden Schubsicherungselemente 3.1 und 3.6 liegen dann jeweils im Bereich ihres Kopfes 19 innenseitig an der Deckplatte 20 an. Seitliche Kräfte werden an der unteren Durchgangsöffnung 14 in der ersten Führungsplatte 13 und der oberen Durchgangsöffnung 16 in der zweite Führungsplatte 15 eingeleitet. Im dargestellten Fall lasten die weiteren Schubsicherungselemente 3.2, 3.3, 3.5, 3.7 mit ihrem Eigengewicht auf dem Gewässergrund 8 und vermitteln über die jeweiligen Seitenführungen 5 im Falle einer Querbewegung des Verankerungselements 1 rückhaltende Kräfte.
  • Figuren 3a und 3b skizzieren ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei bilden die Betonblöcke 11.1, 11.2 und die Deckplatte 20 einen Teil eines nach oben hin geschlossenen Rahmens 40 für die passgenauen Schubsicherungselemente 3.1 - 3.6. Diese sind so angelegt, dass jedes einzelne Schubsicherungselement 3.1 - 3.6. eine Anlagefläche 21.1, 21.2, 21.3 zu einem benachbarten Element aufweist, die ein formschlüssiges Abgleiten in die für das Ausfahren vorgesehene Richtung, vorliegend die Vertikale, ermöglicht. Für die dargestellte Ausführung sind die Schubsicherungselemente 3.1 - 3.6 als quaderförmige Betonblöcke gewählt. Diese können zur Abriebsicherung mit einem Gleitlagermaterial belegt sein, was jedoch in der Figurenskizze nicht dargestellt ist.
  • Die einzelnen, zunächst mittels einer Herausfallsicherung 36 an der Deckplatte 20 gehalterten Schubsicherungselemente 3.1 - 3.6 fahren bei Bodenberührung nach dem Absetzen des Verankerungselements 1 auf dem Gewässergrund 8 in Abhängigkeit der an Ort und Stelle vorliegenden Unebenheiten ein. Ersichtlich ist, dass die Schubsicherungselemente 3.1 und 3.5 unmittelbar bis zur Deckplatte 20 geführt werden und als Folge das Verankerungselement 1 tragend abstützen. Die übrigen Schubsicherungselemente 3.2 - 3.4 und 3.6 befinden sich in einer Zwischenstellung, wobei jedes einzelne mit seinem Eigengewicht auf dem Gewässergrund 8 lastet und die hierfür notwendige Relativstellung zu den jeweils benachbarten Schubsicherungselementen 3.1 - 3.6 durch ein Abgleiten entlang der Anlagenflächen 21.1 - 21.3 bewirkt wird. Hierdurch steht die an den Gewässergrund 8 angepasste Topologie der Grundberührungspunkte der Schubsicherungselemente 3.1 - 3.6 mit der Schubkräften auf das Verankerungselement 1 über die Seitenführung 5 sicher abgefangen werden können.
  • Figur 4 zeigt eine Weiterentwicklung der Erfindung in Form eines Schwerkraftfundamentes 22 für eine Offshore-Energieerzeugungsanlage, auf die eine Windturbine oder, wie vorliegend dargestellt, eine Gezeitenturbine aufgesetzt werden kann. Dargestellt ist eine Maschinengondel 27 mit einer daran umlaufenden Wasserturbine 28 sowie einen sich daran anschließende Turmadapter 26, der auf das Kopplungselement 25 an der fundamentseitigen Stützstruktur 24 aufsetzbar ist.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Schwerkraftfundament 22 ein Verankerungselement 1 mit in Ausnehmungen 4.1 - 4.8 vertikal beweglich angeordneten Schubsicherungselementen 3.1 - 3.8. Diese fahren bei der Ablage des Schwerkraftfundaments 22 auf den Gewässergrund 8 unter Beibehaltung des Bodenkontakts ein und bilden so den angepassten Bodenbereich 39 des Schwerkraftfundaments 22.
  • Nivelliert wird das Schwerkraftfundament durch die Hebevorrichtungen 23.1 und 23.3, die die Gewichtskraft des Schwerkraftfundaments 22 abstützen. Demnach fangen die vertikal frei beweglichen Schubsicherungselemente 3.1 - 3.8 einen wesentlichen Teil der beim Betrieb der Anlage auf das Schwerkraftfundament 22 wirkenden Querkräfte ab.
  • Für eine weitere Ausgestaltungsalternative kann die Standsicherheit des Schwerkraftfundaments 22 dadurch erhöht werden, dass über einen Zuführkanal 35 zur Verfüllung von Hohlräumen eine Zementmischung einem weiteren Erstellungsschritt zugeführt wird. Für diese Ausgestaltung dienen die Schubsicherungselemente 3.1 - 3.8 der initialen Standsicherung bei der Installation, bis die Zementmasse endgültig ausgehärtet ist.
  • Figur 5 zeigt eine Zentrier- und Führungshilfe 30 für eine Bohrung, etwa zur Ausbildung einer Monopile-Gründung. Gezeigt ist wiederum ein Fundamentelement, mit einem Betonblock 11, der als Ballastgewicht 2 und zugleich als Tragkomponente dient. Erfindungsgemäß sind die am Betonblock 11 angeordneten Schubsicherungselemente 3.1 - 3.8 mittels ihres Eigengewichts in den Ausnehmungen 4.1-4.8 vertikal frei beweglich angelegt. Diese dienen wiederum der Anpassung an den Verlauf des Gewässergrunds 8. Nach dem Nivellieren durch die Hebevorrichtungen 23.1, 23.2 kann durch das Führungsrohr 31 ein Bohrgestänge 32 mit dem Bohrkopf 33 zentriert in ein Bohrloch 34 abgesenkt werden.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Schutzansprüchen. Dabei ist es insbesondere denkbar, die Seitenführungen 5 für die Schubsicherungselemente 3.1 - 3.11 so anzulegen, dass diese in einer Winkelstellung zur Absetzrichtung ausfahren. Ferner ist es möglich, die Schubsicherungselemente 3.1 - 3.11 in unterschiedliche Gruppen einzuteilen, die sich durch ihre Ausfahrrichtung sowie durch ihr Gewicht beziehungsweise ihre Ausfahrlänge oder bezüglich der Gestaltung des Kontaktbereichs zum Gewässergrund unterscheiden. Des Weiteren kann die gesamte Außenfläche des Verankerungselements 1 mit Schubsicherungselementen 3.1 - 3.11 belegt werden, wobei nur ein Teil der Schubsicherungselemente 3.1 - 3.11 in Abhängigkeit der Ablagerichtung in Kontakt zum Gewässergrund 8 tritt. Dadurch kann das Verankerungselement 1 richtungsunabhängig auf dem Gewässergrund 8 abgelegt werden, wodurch sich die Installation vereinfacht.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verankerungselement
    2
    Ballastgewicht
    3.1 - 3.11
    Schubsicherungselement
    4.1-4.11
    Ausnehmung
    5
    Seitenführung
    6
    Gleitlagermaterial
    7
    Anschlag
    8
    Gewässergrund
    9.1, 9.2
    Befestigungselement
    10
    Kette
    11, 11.1, 11.2
    Betonblock
    12
    Wandung
    13
    erste Führungsplatte
    14
    untere Durchgangsöffnung
    15
    zweite Führungsplatte
    16
    obere Durchgangsöffnung
    17
    unterer Zylinderabschnitt
    18
    oberer Zylinderabschnitt
    19
    Kopf
    20
    Deckplatte
    21.1, 21.2, 22.3
    Anlagefläche
    22
    Schwerkraftfundament
    23.1, 23.2
    Hebevorrichtung
    24
    Stützstruktur
    25
    Kopplungselement
    26
    Turmadapter
    27
    Maschinengondel
    28
    Wasserturbine
    29
    Offshore-Energieerzeugungsanlage
    30
    Zentrier- und Führungshilfe
    31
    Führungsrohr
    32
    Bohrgestänge
    33
    Bohrkopf
    34
    Bohrloch
    35
    Zuführkanal
    36.1 - 36.6
    Herausfallsicherung
    37.1, 37.2
    Auflagepunkt
    38
    Oberseite
    39
    Bodenbereich
    40
    Rahmen

Claims (8)

  1. Verankerungselement (1) für eine wasserbauliche Anlage mit wenigstens einem Ballastgewicht (2) zur Beschwerung, wobei das Ballastgewicht (2) einen Bodenbereich (39) umfasst;
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Verankerungselement (1) mehrere Schubsicherungselemente (3.1 - 3.11) umfasst, die an Seitenführungen (5) im Verankerungselement (1) frei beweglich einfahrbar angeordnet sind, sodass vor der Ablage des Verankerungselements auf einem Gewässergrund (8) die Schubsicherungselemente (3.1 - 3.11) über den Bodenbereich (39) hinausstehen und durch Herausfallsicherungen (36.1 - 36.6) gehalten werden, wobei die Schubsicherungselemente (3.1 - 3.11) bei Grundberührung lediglich mit ihrem Eigengewicht auf dem Gewässergrund (8) lasten und individuell entlang der jeweiligen Seitenführung (5) so weit einfahren, bis das Verankerungselement (1) eine Gleichgewichtsstellung einnimmt.
  2. Verankerungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Schubsicherungselemente (3.1 - 3.11) innerhalb einer Ausnehmung (4.1 - 4.11) im Verankerungselement (1) angeordnet ist und die Wandungen (12) der Ausnehmungen (4.1 - 4.11) die Seitenführungen (5) bilden.
  3. Verankerungselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenführungen (5) und/oder mit den Seitenführungen (5) in Kontakt tretende Teile der Schubsicherungselemente (3.1 - 3.11) mit einem Gleitlagermaterial (6) belegt sind.
  4. Verankerungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Schubsicherungselemente (3.1 - 3.11) in unmittelbar seitlicher Anlage zueinander stehen, wobei die einzelnen Schubsicherungselemente (3.1 - 3.11) aneinander abgleiten können und die Seitenführung (5) durch die wechselseitigen Anlageflächen benachbart aneinander angrenzender Schubsicherungselemente (3.1 - 3.11) bewirkt wird.
  5. Verankerungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubsicherungselemente (3.1 - 3.11) gegen ein Herausfallen aus dem Verankerungselement (1) gesichert sind.
  6. Verankerungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verankerungselement (1) wenigstens teilweise aus Faserbeton gefertigt ist.
  7. Verankerungselement nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verankerungselement (1) eine Hebevorrichtung (23.1, 23.2) zur Nivellierung nach dem Absetzen auf den Gewässergrund (8) umfasst.
  8. Wasserbauliche Anlage mit einem Verankerungselement nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wasserbauliche Anlage als Schwerkraftfundament (22) für eine Offshore-Energieerzeugungsanlage (29) oder als Mooring-Block oder als Zentrier- und Führungshilfe (30) zur Erstellung einer Monopile-Gründung oder für eine Bohrung an einem Gewässergrund (8) dient.
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