WO2011128006A1 - Verankerungselement für eine wasserbauliche anlage - Google Patents

Verankerungselement für eine wasserbauliche anlage Download PDF

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WO2011128006A1
WO2011128006A1 PCT/EP2011/000482 EP2011000482W WO2011128006A1 WO 2011128006 A1 WO2011128006 A1 WO 2011128006A1 EP 2011000482 W EP2011000482 W EP 2011000482W WO 2011128006 A1 WO2011128006 A1 WO 2011128006A1
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WO
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anchoring element
securing elements
thrust securing
thrust
water
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PCT/EP2011/000482
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Wolfgang Maier
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Voith Patent Gmbh
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Publication date
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Priority to CA2796547A priority patent/CA2796547A1/en
Priority to US13/641,541 priority patent/US20130101359A1/en
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Priority to JP2013504139A priority patent/JP5630929B2/ja
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    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an anchoring element for a hydraulic system, in particular a mooring block or a gravity foundation for a
  • a weight is typically sunk, from which a connecting chain is guided to an anchor buoy.
  • an anchor buoy Reference is made by way of example to US 2008/0112759 AI. From this document go down to the bottom of the water lattice baskets that are filled with rocks. As an alternative, there is the
  • a mooring block must have a high weight in order to serve as a safe anchor point. For the formation of anchoring elements for offshore installations, this leads to the need to use special installation vessels with a sufficient crane capacity to heavyweight
  • JP 61046791 A use the bottom side, in the bottom of the
  • anchoring elements serve to center the hole to be made for the pile foundation and to secure the immediate footing of the foundation - for this reference is made to EP 1 988 219 AI. Also for this
  • the invention has for its object to provide an anchoring element for a hydraulic system that by its own gravity on the
  • 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.
  • Thrust securing elements move only because of their
  • the side guides transmit lateral forces, but leave each individual one of the thrust securing elements a translational degree of 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 positively closed too
  • 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 protection, for example in the form of a flange-shaped widened cross-section in the head area,
  • 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 high-strength polymer, such as Orkot®, while the mating surface of a hard material, such as
  • Shock securing elements are made of a concrete material. Fiber concrete is particularly suitable for reasons of strength. By the above-mentioned measure a direct, mutual sliding of the concrete components is avoided.
  • 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.
  • Thrust securing elements in the form of spaced plates, such as steel, created with through holes, are guided by the thrust securing elements.
  • 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 direction of free movement provided translational direction.
  • Shock securing elements are available.
  • 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 it is possible to support the anchoring element on another separate component. In the simplest case, this is the load-receiving frame of the anchoring element itself. For further development, the vertical loads are intercepted at support points on which lifting devices for leveling the anchoring element are provided.
  • 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.
  • Figures la and lb show a cross-sectional view of an inventive
  • Anchoring element before and after settling on the bottom of the river Anchoring element before and after settling on the bottom of the river.
  • FIGS 2a and 2b show an embodiment variant of an inventive
  • Anchoring element in a representation corresponding to the figures la and lb.
  • FIGs 3a and 3b show another, alternatively designed
  • Anchoring element in cross-section before and after weaning.
  • FIG. 4 shows a gravity foundation for an offshore
  • FIG. 5 shows a centering and guiding aid for a monopile
  • Anchoring element in cross-sectional view.
  • FIG. 1 a shows a cross-sectional view of an anchoring element 1 according to the invention, which comprises a block-shaped concrete block 11 as ballast weight 2.
  • An anchoring element designed in this way is preferably used as a mooring block.
  • recesses are 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, in the form of a relative to the cross section of the recesses 4.1 - 4.11
  • side guides 5 for the Schubommeselemerite 3.1 - 3.11 are each 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. This is exemplified by the recesses 4.1 for the
  • Shove securing element 3.1 shown.
  • the plain bearing material 6 serves the frictional forces between the side guide 5 and the thrust securing element 3.1 - 3.11 to the extent that the weight of the
  • Thrust securing elements 3.1 - 3.11 sufficient to extend out of the recess 4.1 - 4.11.
  • Figure lb shows the situation after the placement of the anchoring element 1 on the bottom of the 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 additional thrust securing elements 3.1-3.5, 3.8-3.11 load with their own weight on the body of water 8 and take an individual position depending on the distance between the bottom portion 29 of the concrete block 11 and the
  • FIGS. 2a and 2b show a Ausinersternternative the anchoring element 1 in cross-sectional view before and after settling on the body of water 8.
  • the Schub Anlagens institute 3.1 - 3.7 shown schematically to form the side guide 5 in through holes in a first guide plate 13 and a second guide plate 15, the held parallel to each other, held.
  • the first guide plate 13 and the second guide plate 15 are laterally in the concrete blocks 11.1, 11.2
  • a cover plate 20 which corresponds to the first guide plate 13 and the second guide plate 15 from a
  • these components can be applied as steel plates or as components made of fiber concrete.
  • thrust securing element 3.1 is exemplarily a lower
  • 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 section 18 fits through the further applied upper through opening 16 and is sufficient for the fully extended rest position shown in FIG.
  • Thrust securing elements 3.1 - 3.11 beyond the second guide plate 15 addition Thrust securing elements 3.1 - 3.11 beyond the second guide plate 15 addition.
  • the projecting part forming a head 19 is rounded, so that when the thrust securing elements 3.1 - 3.11 are fully retracted, a gentle Sliding the head 19 is ensured on the inside of the overlying cover plate 20.
  • FIG. 2 b shows the situation of the one deposited on the bottom of the river 8
  • Receive anchoring element 1 Shown are the assigned ones
  • FIGS. 3a and 3b outline 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 precisely fitting
  • Slide securing elements 3.1 - 3.6 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 are 3.1 - 3.6 than
  • cuboid concrete blocks selected. These can be used for abrasion protection with a sliding bearing material, which is not shown in the figure sketch.
  • the individual initially held by means of a fall-out protection 36 on the cover plate 20 Schubert shear securing elements 3.1 - 3.6 drive at ground contact after discontinuation of the anchoring element 1 on the body of water 8 in
  • thrust securing elements 3.1 and 3.5 are guided directly to the cover plate 20 and as a result supporting the anchoring element 1 supporting.
  • the remaining thrust securing elements 3.2 - 3.4 and 3.6 are in one
  • the body of water 8 is loaded and the relative position required for this purpose relative to the respectively adjacent thrust securing elements 3.1 - 3.6 is effected by sliding along the contact surfaces 21.1 - 21.3. This is the on the
  • Anchoring element 1 can be safely trapped on the side guide 5.
  • FIG. 4 shows a further development of the invention in the form of a
  • the gravity foundation 22 comprises an anchoring element 1 with recesses 4.1 - 4.8 arranged vertically movable
  • Gravity Foundations 22 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.
  • Gravity foundations 22 are increased by the fact that a cement mixture to another via a feed channel 35 for filling cavities
  • FIG. 5 shows a centering and guiding aid 30 for a bore, for example for forming a monopile foundation. Shown is again a
  • thrust securing elements 3.1 - 3.11 in different groups, the by their extension direction and by their weight or their extension length or with respect to the design of the Needlesberei ' chs to
  • 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 in

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verankerungselement für eine wasserbauliche Anlage mit wenigstens einem Ballastgewicht zur Beschwerung und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verankerungselement mehrere Schubsicherungselemente umfasst, die an Seitenführungen im Verankerungselement beweglich angeordnet sind, sodass bei der Ablage des Verankerungselements auf einem Gewässergrund die Schubsicherungselemente bei Grundberührung aufgrund ihres Eigengewichts auf dem Gewässergrund lasteten und sich individuell entlang der jeweiligen Seitenführung bewegen, bis das Verankerungselement eine Gleichgewichtsstellung einnimmt.

Description

Verankerungselement für eine wasserbauliche Anlage
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 AI 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 AI 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 AI verwiesen. Auch für diese
Anwendung werden schwere Verankerungselemente auf dem Gewässergrund abgelegt.
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 ausgössen 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 la und lb 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 la und lb 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 la 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 Schubsicherungselemerite 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 lb 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 Kontaktberei'chs 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 Verankerungselement
Ballastgewicht
Schubsicherungselement
Ausnehmung
Seitenführung
Gleitlagermaterial
Anschlag
Gewässergrund
Befestigungselement
Kette
Betonblock
Wandung
erste Führungsplatte
untere Durchgangsöffnung zweite Führungsplatte
obere Durchgangsöffnung unterer Zylinderabschnitt oberer Zylinderabschnitt
Kopf
Deckplatte Anlagefläche
Schwerkraftfundament
Hebevorrichtung
Stützstruktur
Kopplungselement
Turmadapter
Maschinengondel Wasserturbine
Offshore-Energieerzeugungsanlage
Zentrier- und Führungshilfe
Führungsrohr
Bohrgestänge
Bohrkopf
Bohrloch
Zuführkanal
Herausfallsicherung
Auflagepunkt
Oberseite
Bodenbereich
Rahmen

Claims

Patentansprüche
Verankerungselement (1) für eine wasserbauliche Anlage mit
wenigstens einem Ballastgewicht (2) zur Beschwerung;
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verankerungselement (1) mehrere Schubsicherungselemente (3.1 - 3.11) umfasst, die an Seitenführungen (5) im Verankerungselement (1) beweglich angeordnet sind, sodass bei der Ablage des
Verankerungselements auf einem Gewässergrund (8) die
Schubsicherungselemente (3.1 - 3.11) bei Grundberührung aufgrund ihres Eigengewichts auf dem Gewässergrund (8) lasteten und sich individuell entlang der jeweiligen Seitenführung (5) bewegen, bis das
Verankerungselement (1) eine Gleichgewichtsstellung einnimmt.
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.
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.
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.
Verankerungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubsicherungselemente (3.1 - 3.11) gegen ein Herausfallen aus dem Verankerungselement (1) gesichert sind.
Verankerungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verankerungselement (1) wenigstens teilweise aus Faserbeton gefertigt ist.
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.
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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