Auftriebskörper

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Verankerte Auftriebskörper als Fundament für Bauten im Meer

Baukörper im küstennahen Bereich besitzen meist ein Fundament, welches bis auf und in den Meeresboden geführt ist. Bei Bohrinseln sind auch Halbtaucher-Inseln bekannt, die oft als TLP bezeichnet werden ('Tension Leg Platform'). Dabei wird die Plattform durch sogenannte "Tendon Pipes" (Spannrohre) mit dem Meeresboden verbunden. Dies sorgt für eine hohe Stabilität der Konstruktion gegenüber Wellen und Strömung. Bei größeren Wassertiefen werden auch Schwimmkörper (Pontons) eingesetzt. Nachteilig sind dabei die Eigenbewegungen bei Wellengang und Wind.

Diese Idee beschreibt einen unter der Wasseroberfläche schwimmenden Körper, der durch am Meeresboden verankerten Trossen oder Ketten (3) am Auftauchen gehindert wird, das heißt, das wirksame Gewicht des gesamten Ballastes (2) muss immer größer als die Auftriebskraft des Auftriebskörpers sein. Die Auftriebskraft hält diesen Körper, der hier Auftriebskörper (1) genannt werden soll,  in senkrechter Position. Auf den Auftriebskörper wird das Bauwerk aufgesetzt. Ist die Auftriebskraft größer als das Gewicht einschließlich der Schwankungen, die durch Wellengang oder Windbelastung hervorgerufen werden, so bleibt die Lage des Auftriebskörpers im Wasser nahezu stabil. Die Auslenkungen nach der Seite sind gering, insbesondere dann, wenn die Verankerungen seitlich des Auftriebsköpers platziert werden. In der Vertikalen sind sie noch geringer. Der Auftriebskörper besitzt an der Unterseite Öffnungen (4), durch die das Wasser einströmen kann und die im Auftriebskörper enthaltene Luft zusammendrückt. Der Auftrieb vermindert sich dadurch, wenn der Auftriebskörper in die Tiefe gezogen wird. Da der Innendruck der Luft gleich dem Druck des umgebenden Wassers ist, sind die mechanischen Belastungen des Auftriebskörpers gering und er wird durch den größeren Wasserdruck nicht zerstört. Befindet sich der Auftriebskörper in ca. 10 m Wassertiefe, so ist der ursprünglich mit Luft gefüllte Auftriebskörper nur noch zur Hälfte mit Wasser gefüllt und seine Auftriebskraft hat sich halbiert. Will man die Auftriebskraft wieder erhöhen, so muss Luft in den Auftriebskörper gedrückt werden.

Diese relative Stabilität macht solch einen Auftriebskörper zu einem geeigneten „Fundament“ für „Bauwerke“ auf dem Meer, z.B. für Windkraftanlagen, für Förderplattformen oder auch für Brückenbauten über tiefe Meerengen hinweg.

Als Fundament für eine Windkraftanlage im off-shore Bereich eignet sich z.B. ein Torus als Auftriebskörper, auf den über Streben ein Fundamentring aufgesetzt ist, der dann soweit über die Wasseroberfläche hinausragt, dass die Wellen ihn nicht erreichen. Damit sind auch die Schwankungen der Auftriebskraft minimal. Auf den Fundamentring kann dann z.B. eine Windkraftanlage drehbar aufgesetzt werden. Hierbei rotiert nicht die Gondel auf einem schlanken Schaft, sondern unter die Gondel sind schlanke Stützen gesetzt, die auf dem Stützring stehen. Der Stützring rotiert nun auf dem Tragring, vergleichbar mit Bahnwaggons, die auf einem ringförmigen Gleis fahren. Hier ist eine Windkraftanlage gezeichnet, bei der die Rotorblätter durch einen Ring verbunden sind. Dadurch werden die Rotorblätter mechanisch entlastet. Eine im Inneren der Rotorblätter liegende „Speiche“ kann die Zugkräfte aufnehmen und das Rotorblatt selbst kann nun sehr leicht und verwindbar sein. Eine optimales, an die Windgeschwindigkeit und Belastung angepasstes Profil der Rotorblätter sorgt für eine hohe Effizienz. Der Ring trägt einen Zahnriemen und bildet somit ein großes Getrieberad nach, welches dann direkt den Generator antreibt, der weit unten platziert werden kann und somit für eine hohe Stabilität sorgt. Das Tragwerk kann entsprechend leichter ausgeführt sein. Bei dieser Bauart sind die Kosten und der Materialbedarf viel geringer als bei einer herkömmlichen Windkraftanlage.

 

Ist eine Förderplattform in tieferem Wasser zu errichten, so eignet sich dieses Prinzip ebenfalls ausgezeichnet.

Der Auftriebskörper nimmt hierbei die Förderplattform auf. Durch Ketten wird die Plattform am Auftauchen gehindert, so dass nur die aufgesetzte Hubschrauber-Landefläche aus dem Wasser herausragt. Über eine Personenschleuse sind die Arbeits- und Aufenthaltsräume des Personals mit dem Landeplatz verbunden und es herrscht der normale Luftdruck. Neben der Kammer, die die Bohrvorrichtung aufnimmt existiert noch eine weitere Kammer, in die Wasser einströmen kann. Mittels der Füllmenge kann die Auftriebskraft reguliert werden. Die geringen seitlichen Schwankungen des Auftriebskörpers werden vom Bohrgestänge ausgeglichen und beeinträchtigen nicht die Bohrarbeit. Solch eine Konstruktion sollte auch bei größeren Wassertiefen einsetzbar sein. Die Verankerung im Meeresboden kann natürlich auch mittels herkömmlicher Verankerungen erfolgen. Durch die zu flutenden Kammern im Auftriebskörper können die Auftriebskräfte so eingestellt werden, dass nur geringe Kräfte von den Ballast-Kästen bzw. von der Verankerung aufzunehmen sind. Die geringere Umweltbelastung bei der Errichtung von Bohrplattformen ist ein weiterer Vorteil dieser Konzeption. Da eine geringe Absenkung unter die Meeresoberfläche ausreicht, um eine stabile Lage der Plattform zu erreichen, ist es möglich, den Aufenthalts- und Arbeitsbereich der Mitarbeiter mit Normaldruck zu betreiben, d.h. man kann ohne Druckausgleich die Schleuse zur Landeplattform benutzen. Der darunter liegende Bereich der Bohranlage sollte dann aber unter dem Umgebungsdruck (Wasserdruck in diesem Bereich) stehen, damit das Aus- und Einbringen des Bohrgestänges einfach möglich ist. Hierbei ist es notwendig, dass zwischen dem Aufenthaltsbereich und dem Bohrbereich eine Schleuse eingefügt wird, im Bohrbereich dann eine dem Druck entsprechende Atemluft vorhanden ist und gegebenenfalls Dekompressionsaufenthalte ermöglicht werden.Da aber der Bohrbereich üblicherweise nicht tiefer als 20-30 m liegt, ist ein begrenzter Aufenthalt von Mitarbeitern ohne Schutzbekleidung möglich.

Auch als Fundament eines Brückenbauwerkes eignen sich solche Auftriebskörper sehr gut. Damit lassen sich schnell und mit weit geringeren Kosten als bei einem herkömmlichen Brückenbauwerk, weite und tiefe Meeresengen überqueren. Für solch einen Brückenbau entfallen auch die zeitaufwendigen geologischen Untersuchungen.

Die folgende Skizze zeigt einen kleinen Ausschnitt aus solch einem Brückenbauwerk.  Die Auftriebskörper tragen hier die Brückenpfeiler. Schiffswracks, die kieloben gestellt werden, eignen sich gut für diesen Zweck. Die Brückenträger sind hier seitlich angesetzt und tragen die Tragseile, an denen die Fahrbahn aufgehängt ist. Die Auftriebskörper werden so weit abgesenkt, dass auch große Schiffe gefahrlos darüber hinweg fahren können. In der Bauphase kann man die Auftriebskörper auch stärker absenken und erleichtert damit die Montage von Tragseilen und Fahrbahn.

 

Die Antriebe für die Winden sollten so ausgeführt sein, dass sie in unterschiedlichen Wassertiefen einsetzbar sind. Dies wird möglich, wenn diese Elektromaschinen im luftgefüllten Bereich des Auftriebskörpers angeordnet werden oder aber mit einer niedrig viskosen, elektrisch isolierenden Flüssigkeit von geringer Viskosität (z.B. Leichtbenzin) gefüllt sind.

Weitere Einsatzmöglichkeiten solcher Auftriebskörper könnten bei dem Bau von Verarbeitungsplattformen und bei Kraftwerken, die die Energie der Meeresströmung nutzen, gegeben sein.

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