NO742626L - - Google Patents

Description

Anordninger ved undervannsfundament

Problemene forbundet med beregning, konstruksjon og oppføring av pel-baserte (piled) off-shore konstruksjoner øker i så stor grad med økende vanndybde og bølgehøyde , at på et visst stadium blir disse problemer for vanskelige eller for kostbare å løse i praksis.

Problemene forbundet med ikke-pel-baserte ("tyngdekraft-baserte") off-shorekonstruksjoner øker også med vanndybden og bølgehøyden, men ikke på langt nær så hurtig. Hovedproblemene . synes å være av en geoteknisk natur forårsaket av de dynamiske virkninger fra bølgepåvirkningen, og spørsmålet er ganske enkelt hvor vidt det er billigere og mer praktisk å løse disse problemer enn de som oppstår ved fremgangsmåten basert på neddriving av peler.

Foreliggende oppfinnelse søker å tilveiebringe en praktisk "tyngdekraft-basert" konstruksjon ved å utnytte bølgevirknin-gen til å skape øket stabilitet mot de uunngåelige veltekrefter.

Bølgene frembringer treghet- og trekk-krefter på alle elementene i konstruksjonen idet bølgene strømmer gjennom konstruksjonen og disse krefter er av stor betydning for konstruksjonen av de enkelte konstruksjonselementer. Horisontalkomponenten i disse krefter er den avgjørende faktor med hensyn til velting av konstruksjonen. Den vertikale komponent bidrar også, men denne overskygges fullstendig av det hydrostatiske trykk på selve fundamentplaten.

I tillegg til trekk- og treghetskreftene bevirker bølge-ne også variasjoner i det hydrostatiske trykk tilsvarende varia-sjonene i vanndybden mellom bølgetoppene og bølgedalene i sukses-sive bølger, og disse varierende trykk ved sjøbunn-nivået bevirker variasjoner i porevanntrykket i sjøbunn-materialet, slik at trykk-gradienter skapes og vannbevegelser kan finne sted. Denne situa-sjon kompliseres ytterligere ved innføringen av en tyngdekraftbasert konstruksjon i eller på sjøbunnen, som plutselig gjør en del av sjøbunnen ugjennomtrengelig. Det er lite som er kjent vedrøren-de poretrykkvariasjonene under en stiv ugjennomtrengelig fundamentplate når bølgene passerer over toppen av platen, men der kan ikke være tvil om at variasjoner vil finne sted og at amplityden til disse variasjoner vil avhenge av grunnforholdene og vil avta med dybden under sjøbunn-nivået.

Betydningen av porevanntrykket illustreres best ved et eksempel. Dersom vi antar at en 30 m høy konstruksjonsbølge pro-duserer en trykkvariasjon ved sjøbunn-nivå o på o +_ 15 T/m 2 trenger ikke trykkvariasjonene under fundamentplaten å være stort mindre eller stort faseforskjøvet for å skape trykkdifferenser på + 10 T/m 2. Dersom poretrykket er mindre enn det tilsvarende utvendxge hydrostatiske trykk tilsvarer det en øking i grunntrykket på 10 T/m . På den annen side, dersom trykket under fundamentplaten er 10 T/m høyere enn tilsvarende utvendig hydrpstatiske trykk reduseres grunntrykket med samme verdi.

Den plutselige øking i grunntrykk på 10 T/m 2 er ikke ho-vedproblemet, idet det er reduksjonen T "efféklivtTg arunntr ykk som er alvorlig. Konstruksjonen kan virke som en "hovercraft" på e'n 1 vannpute og miste meget av sin glidningsmotstand.

En konvensjonell tyngdekraftbasert- eller tyngdekonstruk sjon oppe på sjøbunnen kan bare motvirke dette tap av glidningsmotstand ved tilførsel av øket vekt, men en fundamentplate som er nedsenket i sjøbunnen eller avskåret fra utvendig trykk ved hjelp av et skjørt trenger ikke slik tilleggsvekt. Forskyvning hindrer ved hjelp av det passive trykk fra den omgivende grunn.

Det er ikke bare glidningsmotstanden mellom konstruksjonen og grunnen som påvirkes når porevanntrykket overstiger det utvendige hydrostatiske trykk, men også den indre friksjon i selve grunnen og følgelig dens bæreevne. Det er et velkjent faktum at grunnen kan anta væskeform under visse forhold. Den værste kombinasjon er en høy oppad rettet trykkgradient og et minimum overdekningstrykk og en slik kombinasjon oppstår mest sannsynlig ved "strekksiden" på fundamentplaten når konstruksjonen utsettes for en maksimal veltevirkning fra bølgene. i slike væskeformsoner eller flytesoner er konstruksjonene tilbøyelige til nedsynking (settlements). Ved en del bølgeprøver ble det funnet at en modell av en tyngdekonstruksjon helte mot bølgene.Pumpevirkningen på fundamentet hadde tydeligvis flytendegjort materialet ved konstruksjonens kant og gradvis pumpet det løse materiale bort fra fundamentets underside.

En tyngdekonstruksjon som hviler på sjøbunnen er ytterst avhengig av sjøbunnens geotekniske egenskaper. Det er vanskelig å utføre de nødvendige grunnundersøkelser i vanndybder på 150 m og det er også vanskelig å sikre at konstruksjonen virkelig hviler på det undersøkte areal. Det er derfor nødvendig med store sikkerhets-marginer ved beregning av en konstruksjon som skal hvile på en ube-handlet sjøbunn.

Problemene i forbindelse med variasjoner i porevanntrykket på grunn av bølgevirkningen med medfølgende risLko for at grunnen skal anta væskeform, kan reduseres ved å nedgrave fundamentplaten i sjøbunnen og tilføye stabiliseringsvirkningen av omgiven-

de overdekningstrykk. Risikoen kan ytterligere minskes ved en enkel ytterligere kontroll av porevanntrykket under fundamentplaten.

Av denne grunn kommuniserer en sjakt fritt med fundamentplatens underside, vann-nivået inne i sjakten kontrolleres av det utvendige vann-nivå idet en enveis-ventil tillater vannet i sjakten å unnslippe når det utvendige vann-nivå er lavere enn nivået på innsiden av sjakten. | "Ved"rolige sjøforhold vil der.ikke være forskjell mellom de to vann-nivåer, men ved bølgedannelser vil der være en tendens til at det indre vann-nivå blir lavere enn det ytre vam-nivå forutsatt at ventilsystemet vil slippe ut vann hurtigere enn sjøbunnen slipper vann inn. Basert på resultatene av pumpe-prøS^er i fullskala som utføres etter at fundamentplaten er nedgra-

vet, er det en enkel sak å konstruere sjakten og enveis-ventilen slik at det innvendige vann-nivå nærmer seg det utvendige bølgedal-nivå under bølgevirkning. Med et slikt arrangement er det mulig å holde porevanntrykket under fundamentplaten på et så lavt nivå at der ikke foreligger noen fare for at bunnen skal anta væskeform.

Konstruksjonen av sjakten og ventilsystemet er selvsagt avhengig av sjøbunnens gjennomtrengelighet, fundamentets dybde i sjøbunnen og graden av porevanntrykk-kontroll som må oppnås. Der-

som sjøbunnen er forholdsvis ugjanomtrengelig foreligger intet problem idet differensialtrykkene ikke vil overføres til fundamentplatens underside. Dersom sjøbunnen er fullstendig gjennomtrenge-

lig slik tilfellet vil være ved løst pakket grov grus, kan ingen trykkoppbygning finne sted. Det er i et mellomliggende gjennom-trengelighetsområde at foreliggende oppfinnelse kan anvendes, og den virkelige gjennomtrengningshastighet er følgelig av vesentlig betydning.

Det er umulig å forutsi gjennomtrengningshastigheten me-

get nøyaktig selv med meget gode grunninformasjoner. Etter at fundamentplaten er anordnet, er det mulig |å installere pumpekapasi-

tet i overkant av en rimelig gjennomtrengningshastighet og det er en enkel sak å utføre pumpetester og etablere den virkelige gjen-nomtrenge lighet i bunnen. Dersom grunnens gjennomtrengelighet av en eller annen grunn skulle overstige pumpekapasiteten foreligger antagelig ikke noe virkelig fundamentproblem. Grunnen er sannsyn-ligvis av en slik karakter at der ikke foreligger risiko for nedsynking eller vanskeligheter med bæretrykkene, og faren for ero-sjon eller glidning kan selvsagt elimineres ved tilstrekkelig dyp nedgraving.

Dersom det nå antas at pumpeprøver har vist at gjennomtrengningshastigheten er ti m\3x/sek for et trykkfall på 10 m, ligger problemet i å konstruere og oppføre et system av enveis-ventiler i den sentrale sjakt for å holde vann-nivået i sjakten på en fo-reskrevet høyde under det utvendige nivå.

Det er ikke nødvendig i denne beskrivelse å utføre en nøyaktig beregning og visse forenklende forutsetninger kan gjøres.

Med en konstruksjonsbølge av høyde 30 m og periode 16 sekunder forutsettes at det utvendige nivå er over det innvendige nivå i

14 sekunder "og at. den gjennomsnittlige forskjell i vann-nivå er

15 m.: Inntrengningen'i sjakten vil da være , 3

",-r -Q 1,5 x 15. = 21 m i løpet av 14 sekunder.

.. 2

Tverrsnittet i den midtre sjakt er f.eks. 7 m og vann-nivået vil derfor stige 3,0 m.

Forutsettes at den gjennomsnittlige vann-nivåforskjell

er 1,5 m under det tidsrom hvor vannet strømmer ut av sjakten, vil \vannets hastighet oppover i sjakten være

Betegnes ventilarealet A og forutsettes at ventilens kapasitet under de 2 sekunder den er åpen, er 2 x A x 5,5 = 21m ,

. 2

blir ventilarealet A = 2,0 m .

I betraktning av at ventilene kan .monteres hvor som helst under det laveste bølgedalnivå er selvsagt ikke vanskelig å oppnå den nødvendige kapasitet, og det er videre mulig å utset-te denne avgjørelse inntil pumpeprøvene er avsluttet uten å for-sinke den totale oppføringstid for konstruksjonen.

I mindre gjennomtrengelig grunn enn ren sand vil ventilene være forholdsvis beskjedne, men de vil vesentlig Øke fundamentets sikkerhet. Dersom den gjennomsnittlige trykkreduksjon beløper seg til 10 m under konstruksjonsbølgeperioden tilsvarer dette en effektiv øket vekt på 80 000 tonn konstruksjonsmateriale, og der er ingen grunn til at de ikke skal være like pålitelige. Deres konstruksjon er basert på pumpeprøver i full skala, deres korrekte funksjonering kan enkelt kontrolleres og de kan inspiseres, juste-res, prepareres eller utskiftes til enhver tid.

De har også den ytterligere fordel at den ytterligere effektive vekt bare virker under bølgepåvirkning. I rolig vær vil konstruksjonen være meget lettere enn andre tyngdekonstruksjoner, og dette kan være av vesentlig betydning under bløte grunnforhold hvor nedsynking kan bli et problem.

Oppfinnelsen tilveiebringer en maritim konstruksjon innbefattende en fundamentplate innrettet for støping eller støpt på sjøbunnen, og med ventileringsorganer som reagerer på bølgebevegel-ser, hvorved poretrykket i det minste ved et punkt under fundamentplaten reduseres i forhold til det hydrostatiske trykk tilsvarende den ytre vanndybde under middelvannstanden ved hvilken fundamentplaten er støpt eller skal støpes.

Oppfinnelsen tilveiebringer også en maritim konstruksjon

med:

(I) En fundamentplate

(II) En kanal som kommuniserer med fundamentplatens bunn og reagerer på poretrykket under fundamentplaten, og (III) En ventileringsventil som kommuniserer med kanalen, og som kan slippe ut vann fra denne når en bølgedal passerer over fundamentplaten hvorved poretrykket i det minste ved et punkt under fundamentplaten reduseres i forhold til det hydrostatiske trykk tilsvarende den utvendige vanndybde under middelvannstanden ved hvilken fundamentplaten er støpt eller skal støpes.

Ifølge en utføringsform av oppfinnelsen foretrekkes, at ventileringen utføres ved hjelp av en kanal som strekker seg fra fundamentplatens innside til over det høyeste bølgenivå som kan påregnes, med et system av enveis-ventiler hensiktsmessig anordnet rett under det laveste bølgedalnivå, idet tverrsnittsarealet i kanalen er stort ved bølgenivået for å danne et reservoar ved dette nivå. Vann,kan da unnslippe fra kanalen når bølgedalnivået er lavere enn* sjaktens innside , og på grunn av reservoaret som er dannet av en deT av kanalen over ventilen holdes dette nivå praktisk) ,talt konstant mens en bølgetopp passerer.

Selv om det er mulig å føre opp kanalen fra bunnen av fundamentplaten til en stilling under en nedsenket forankret bøye eller lignende, foretrekkes videre at kanalen er stivt festet til konstruksjonen.

Det foretrekkes videre at kanalen strekker seg gjennom ett av konstruksjonens ben og at ventilsystemet er slik konstruert at det indre vann-nivå i kanalen nærmer seg dét utvendige bølgedal-nivå under bølgevirkning.

I en alternativ utføringsform av oppfinnelsen foretrekkes at en kanal fører fra et reservoar under trykk til ventileringsorganer.

I Ldennei utføringsform foretrekkes at et dreneringslag

på og under overflaten til fundamentplaten kommuniserer gjennom rørledninger til det førnevnte reservoar.

Det foretrekkes videre at dreneringslaget ikke omfatter finpartikler (fines), betong eller lignende.

Ventileringsorganene er fortrinnsvis en fjærbelastet ventil som åpner når en bølgedal løper over fundamentplaten.

Mer bestemt tilveiebringer oppfinnelsen en maritim konstruksjon innbefattende en fundamentplate med et stort sett horisontalt dreneringslag (f.eks. uten f inbetong\~[ f ines concrete] ) som kommuniserer med sjøbunnen under fundamentplaten, et reservoar, en rørledning som forbinder dreneringslaget med reservoaret, og en kanal som fører ut av reservoaret, i hvilken er anordnet ventilorganer slik at vann kan strømme ut av reservoaret gjennom kanalen når trykket ved ventilen reduseres på grunn av at en bølgedal passerer.

En spesiell utføringsform av oppfinnelsen og enkelte va-rianter av denne skal i det følgende beskrives under henvisning til vedlagte tegninger, hvor:

Fig. 1 er et sentralt oppriss av en maritim konstruksjon med

ni ben,

Fig. 2 viser et detaljert tverrsnitt av et område merket med pilen "A" i fig. 1, som illustrerer en variant av konstruksjonen vist i fig. 1, og Fig. 3 viser et forstørret snitt langs linjen III-III i fig. 2.

Som vist i fig. 1 har en maritim konstruksjon 10 åtte utvendige ben 11, og et midtre ben 12. På toppen av benene er anordnet et dekk eller en overbygning 12a, og ved foten av benene er anordnet en fundamentplate 14.Stålkonstruksjonens ben er forbundet med den av betong støpte fundamentplate ved hjelp av forbindel-ser 15. Avstanden mellom sjøbunnen og middelvannstanden kan typisk være 150 m, og for at trykket under fundamentplaten skal kunne reagere på differensialtrykket som dannes når bølger passerer under dekket 12a er det midtre ben hult, og har en vannkanal som strekker seg gjennom benet.

Vannkanalen er åpen, mot de undersjøiske lag via en åpning 20 under fundamentplaten, og er forbundet med klaff- eller tilbake= slagsventiler 16 og 17 som er montert på den midtre søyle 12 rett under det laveste bølgedalnivå. Ventilene 16 og 17 er slik anordnet at vann kan unnslippe fra den midtre søyle hver gang en bølgedal passerer over klaffene. Klaffventilene 16 og 17 kan f.eks. være 15 m under sjøoverflaten. på denne måten reduseres eller unngås oppbygging av trykk under fundamentplaten i avhengighet av gjennom-trengeligheten til den underliggende sjøbunn.

Selvsagt kan benene 11 omfatte kanaler som fører oppover fra fundamentplatens bunn.

Som vist i fig. 1, er benene innbyrdes avstivet ved

hjelp av avstivningsdeler 18, og for å gi den marine konstruksjon generell stabilitet kan benene 11 være fylt med betong. I slike tilfeller vil størrelsen av kanalen som strekker seg oppover benet reduseres, eller det vil ikke være mulig å legge en kanal gjennom denne, ved alle utføringsformer ifølge oppfinnelsen skal benet 12 i midten av konstruksjonen ikke fylles med betong, og hele dets tverrsnittsareal må være tilgjengelig for kanalen for utligning av sjøvanntrykket. Åpningen 20 er hensiktsmessig den samme åpning som anvendes for å fjerne overskuddsmasse fra fundamentplatens underside under støping, dersom fundamentplaten er nedsenket under sjøbunnen som \vist i fig. 1 hvor sjøbunnen er angitt med 21.

Som et alternativ til nedsenking av fundamentplaten i sjøbunnen kan en fleksibel krage 22, eller et relativt stivt skjørt 2 3 anordnes for å forsegle fundamentplatens underside fra det utvendige vanntrykk og hindre uhemmet innstrømning av vann rundt nedre kant av fundamentplatens omkrets, og derved hindre utpumping av løst materiale fra fundamentplatens underside. Ved disse alterna-tive utføringsformer er sjøbunnen 21a, den fleksible krage 22 og det stive skjørt 23 vist med brutte linjer. Fig. 1 viser prinsippet ved poretrykkventilering, og viser bare én åpning 20 under fundamentplaten og forbundet med klaffeventilene 16 og 17. Fig. 2 og 3 viser et alternativt arrangement for å 'tilveiebringe ventileringen av poretrykkoppbygningen.Fundamentplaten 14 har øvre og nedre plateelementer 31 og 32 holdt i avstand fra hverandre ved hjelp av steg og vegger som ikke er vist. Under benet 12 er anordnet et reservoar 33 omgitt av vegger 34, og de øvre og nedre plateelementer. Den øvre del 35 av reservoaret inneholder en trykkluftpute (som gir lokalt trykk i reservoaret tilsvarende den laveste overløpende bølgedal) og den nedre del 36 anvendes som en manifold for vannkanalene. En hoved-vannkanal 37 fører oppover gjennom plateelementet 31 til en klaffventil 38 (som kan være iden-tisk med klaffventilene 16 og 17), eller som vist kan være rett under nivået, til den dypeste bølgedal som påregnet.

Dreneringsledninger 39 fører fra fundamentplatens underside 40 til den nedre del 36 i reservoaret.Ledningene 39 er opp-delt i et nettverk av mindre dreneringsledninger 41 som hviler på et lag av ^fto fines"-betong eller annet porøst materiale, her angitt med 42. Det er selvsagt mulig å anvende dreneringsledningene 39 og de mindre dreneringsledningene 41 ved utføringsformen ifølge fig. 1, hvor ingen trykkluftpute kreves, ettersom den øvre del av kanalen 12 (dvs. over ventilene 16 og 17) fyller samme funk-sjon som den øvre del av reservoaret 33.

Under bølgevirkningen vil trykket på luftputen i drene-ringskammeret (reservoaret 33) falle, og nærme seg et trykk som tilsvarer vannets trykkhøyde under bølgedalen. Vann vil strømme ut av reservoaret når trykket i dette overstiger det utvendige trykk.

Claims (10)

1. Maritim konstruksjon innbefattende en fundamentplate som er innrettet for støping eller som er støpt på en sjøbunn, karakterisert ved at den omfatter ventileringsorganer (16,17)(38) som reagerer på bølgebevegelsene, hvorved poretrykket i det minste ved ett punkt (20) under fundamentplaten reduseres i forhold til det hydrostatiske trykk som svarer til den utvendige vanndybde under middelvannstanden, ved hvilken fundamentplaten er støpt eller skal støpes.

2. Maritim konstruksjon med en fundamentplate, karakterisert ved at der er anordnet en kanal (12,27) som kommuniserer med bunnen (20,40) til fundamentplaten (14) for å reagere på porevanntrykket under fundamentplaten, samt en ventileringsventil (16,17 5 38) som kommuniserer med kanaler (12,37) og tillater vann og strømme ut fra kanalen når en bølgedal passerer over fundamentplaten, hvorved poretrykket ved i det minste ett punkt (20) under fundamentplaten reduseres i forhold til det hydrostatiske trykk som svarer til den utvendige vanndybde under middelvannstanden ved hvilken fundamentplaten er støpt eller skal støpe s.

3. Konstruksjon som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at ventileringen utføres ved hjelp en kanal (12) som strekker seg fra fundamentplatens (14) innside til over det høyest antatte bølgenivå (12a) med et system av enveis-ventiler (16,17) hensiktsmessig anordnet rett under det laveste bølge- dalnivå, idet kanalens (12) tverrsnittsareal er stort ved ventil-nivå for å danne et reservoar ved dette nivå.

4. Konstruksjon som angitt i krav 3, karakterisert ved at kanalen er stivt festet til konstruksjonen{10).

5. Konstruksjon som angitt i krav 4, karakterisert ved at kanalen strekker seg opp ett av benene (12) i konstruksjonen og at ventilsystemet (16,17) er slik konstruert at det indre vann-nivå i kanalen nærmer seg det utvendige bølgedalnivå\ nder bølgevirkning.

6. Konstruksjon som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at en kanal (37) fører fra et reservoar (33) under trykk til ventileringsorganene (38).

7. Konstruksjon som angitt i krav 6, karakterisert ved at et dreneringslag (42) på en underside (40) av fundamentplaten (14) kommuniserer gjennom ledninger (41,39) til det førnevnte reservoar (33).

8. Konstruksjon som 'angitt i krav 7, karakterisert ved at dreneringslaget (42) omfatter porøs (no-fines) betong eller lignende.

9. Konstruksjon som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at ventileringsorganene er en fjærbelastet ventil (16,17,38) som åpnes når en bølgedal passerer over fundamentplaten.

10. Maritim konstruksjon innbefattende en fundamentplate (14), karakterisert ved at den omfatter et vesentlig horisontalt dreneringslag (42) av porøs betong, som kommuniserer med sjøbunnen (21a) under fundamentplaten (14), et reservoar (33), en rørledning (41,39) som forbinder dreneringslaget (42) med reservoaret (33) samt en kanal (37) som fører ut av reservoaret, i hvilken er anordnet ventilorganer (32) som tillater vann å strømme ut av reservoaret under kanalen når trykket i ventilen reduseres på grunn av at en bølgedal passeres.