DE1634027A1 - Wellenbrechender,turmfoermiger,eine von Waenden umschlossene Kammer bildender Pier - Google Patents

Description

Wellenbrechender, turmförmiger, eine von Wänden
umschlossene Kammer bildender Pier.

Die Erfindung befaßt sich mit einem wellenbrechenden, turmförraigen, eine von Wänden umschlossene Kammer bildenden Pier, der sich ins tiefe Wasser erstreckt und über die Wasseroberfläche hinausragt, und dessen Wände auf der der Wellenrichtung zugewandten Seite mit einer Vielzahl von quer zur Pierhochaelise verlaufenden Kanälen versehen sind, durch die das Wasser in die Kammer einströmen kann. -;'..

Die Aufgabe solcher Piers besteht dasin*? die anrolieiiclen V/e]le;i zii brechen, d.h. ihre kinetische -ahä potenfcy^Lle Einer.5ie in Arbeit umzusetzen, um dadurch die Küstenlandstriehe'ofler ilafenbefesMgungen vor Beschädiscungen zu schützen. Bei einem .„.-bekannten Pier dieser. " rt wird zu/diesem j^Hpeck ein Teil der gegen den Pier laufenden Wellen durch die den ankommenden Wellen zugewandten Öffnungen in das Innere des" Piers hineingedriickt. Sobald diese von den Außenwänden des Piers umschlossene Kammer bis zu dem herrschenden mittleren Wasserstand gefüllt

ist, wird durch die üffnungskanäle kein Wasser mehr aufgenommen. Neue Unterlagen

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Dann wirkt die der Wellenfront zugewandte Außenseite des Piers wie eine geschlossene Wand, d.h. die energieaufbra de Wirkung der Öffnungskanäle ist nicht mehr vorhanden. 3er bekannte Pier ist deshalb nur dort geeignet, wo die Vasserhöhe im raschen Wechsel aufgrund voa Lbbe und Flut ständigen Schwankungen ausgesetzt ist.

Die Erfindung hat sieh ami zur Aufgabe gemacht, eiaci Pier au schaffen, bei de:;i stä.idig, d.-i. unabhängig von Wasserstand und Fiillungsgrad der Pierkaiiaaer, die energie :<&iwan— delnde Wirkung der durch die liivseitige Wand des Fiers führenden Kanäle erhalten bleibt. Dies wird dadurch erreicht, daß den das Wasser in die Kammer hineinführenden Kanälen auf der der Wellenrichtung zugewandten Seite des Piers eine Vielzahl von aus der Kanaer wasserabführenden Kanälen auf der der Wellenrichtung abgewandten Seite des Piers gegenüberliegt.

Bei dem erfindungsgeraäßen Pier wird also das durch die Kanäle einströmende Wasser nicht mehr im Inneren des Piers gestaut, bis sich auf der der u^reilenriehtung zugewandten ieJte der Wasserstand wieder senkt und das Wasser durch die Liustrüuöffnungen wieder austreten kann, sondern der Pier wird ständig von Luv nach Lee von den Wassermassen durchströmt, die vor allem in den luvseitigen Kanälen, jedoch auch durch Verwirbelung in der Kammer selbst und beim Austreten aus den lee— seitigen Kanälen einen großen Teil ihrer kinetischen Lnergie in Reibungsarbeit umsetzen. Da erfindungsgemäß die Anordnung der Kanäle in der Pierwandung sowohl auf der der Wellenrieh tting zugewandten als auch auf der der Tiellenrichtnng angewandte;/» oeite erfolgen soll, ist die Konstruktion bei zyliidrise.er Formgebung des Piers so geartet, daß die ganze Unfaagsil.'o ⁱ des FIa¹S mit derartigen Kanälen versehen ist. Dies bringt den Vorteil, daß an den Öffnungen der etwa senkrec'-t zur i/ellen— bewegungsrichtung verlaufenden Kanäle von äen \ha den Pier herum und an der Außenwand vorbeiströmenden Wasserhiengen ein Unterdruck erzeugt wird, der dazu beitrügt, daß die ins kammerinnere eingeströmten Wassermengen rasch wieder abfließen.

Die Kanäle lassen sich nun gemäß eineiTvorteilhaften Wei Ierbildung des Lrfiadungsgegenstandes waagerechte und radial gerichtet anordnen und gleichmäßig über den ganzen i.-mfang des Piers verteilen.

,!.us"führ :.*iirsbeispieIe des Lrf i:idK:irrsg8.?e;istandes sind in. flor ,.cio..;rni"· sehe: a ι ifich dargestellt.

Fiii. 1 ist ein üoliaubild und stellt die maßgeblichen Parameter der Wellenbewegung von Wellenzügen dar, wie sie beim Aufprall auf Konstruktionen im Tiefwasser vor der Küste vorkommen.

Fiir. 2, 3 und h sind ..ufrisse eines typischen vollwandigen Piers bisheriger ,ort im senkrechten Axial— schiiitt und veranschaulichen Wellenkraftkomponen— ten, die auf den Pier beim Aufprall eines W_ellenkaimns mit großer Amplitude wirken.

Fig. 5, 6 und 7 sind Aufrisse eines entsprechenden perforierten, mit dicker Mantelwand versehenen, zylindrischen, erfindungsgemäßen Piers und veranschaulichen die WeI lenkraf bicomponent en, die an diesem Pier unter denselben Bedingungen wie bei den Fig. 2, 3 und h wirken.

Fig. ö ist ein G'rundrißdiagraram und zeigt die Verteilung der waagerechten Kraft!componenten in beliebigem Pegel der Fig. 2-7.

Fig. 9 ist ein zum Teil geschnittener aufriß und zeigt ein verstrebtes Seebauwerk, das innen durch Septa unterteilt ist; die Konstruktion entspricht der Erfindung und dient zum Tragen einer Plattform bei Produktionsbohrungen vor der Küste.

Fig.10 ist ein Grundriß im waagerechten Querschnitt der Fig. 9.

Fig. 11 ist ein Aufriß im senkrechten Axialsehnitt von einem zylindrischen, mit Mantelwand versehenen Pier von erfindungsgemäß ausgedehnter Höhe, der eine Plattformlast trägt; die an dieseia Pier wir-

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kenden Schwerkraft- und Umkippmomente sind schematisch dargestellt.

Fig. 12a, 12b und 12c zeigen im Aufriß verschiedene Lochabstandsmuster.

Fig.13 ist ein Aufriß in senkrechtem Querschnitt und zeigt einen abgewandelten Pier von größerem Durchmesser ^ua Tragen eines tiebäudekomplexes unter Verwendung von konzentrischen, perforierten Säulen, die durch Septa miteinander verbunden sind.

Fig.l*t ist ein herausgeschnittener Aufriß und zeigt einen mit Führungen versehenen Mantel, der aus Ltahlplatten und Bohrstutzen hergestellt ist.

In der folgenden' Beschreibung soll der Ausdruck "Tiefwasser", wenn er zur Bezeichnung eines Bereichs von Seetiefen benutzt wird, Wasser von so hinreichender Tiefe bedeuten, daß eine Brechung infolge von Meeresgrundwirkungen nicht die Schnelligkeit einer gegebenen Welle verzögert, deren Periode fünf oder mehr Sekunden beträgt. Das Intervall von fünf Sekunden ist willkürlich als die Tiefwasserwelle mit kürzester Periode angenommen, der Konstruktionen vor der Küste ausgesetzt werden; da diese Welle bei etwa 15 Meter Tiefe "Meeresgrund fühlt", wird diese Tiefe als Grenze zwischen "tiefen" und "flachen" Gewässern festgesetzt. Es versteht sich, daß tiefes Wasser für sämtliche Wellenlängerer Periode tiefer als 15 Meter ist und für eine vollentwickelte Welle mit einer Amplitude von 9 Metern zu einer Tiefe von mehr als 115 Metern wird, obwohl eine so große Welle nur dann brechen würde, wenn sie sich in eine Tiefe unter 30 Ketern ausbreitet.

Es sei angenommen, daß ein Zug von langperiodischen Wellen mit voll entwickelter, konstanter Amplitude an eine aufrechte, zylindrische Konstruktion prallt} die dabei wichtigste Erscheinung erweist sich hierbei als eine hydrostatische DruokhÖhe, die einen normalgerichteten, hydrostatischen Druck gegen die vordere senkrechte Fläche der Konstruktion ausübt.

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Die aus diesem Druck sich ergebende seitliche Schubkraft hat ihren Höchstwert, wenn die waagerechte, in Wellenlaufrichtung gemessene Ausdehnung der Konstruktion eine halbe Wellenlänge beträgt, so daß, wenn die Vorderseite vom V-ellenkamm beaufschlagt wird, die Rückseite im Wellental liegt. Der Druck je FTUc-ieneiiilieit errechne fc sich aus der folgenden Beziehung:

_a U)

<-j et

worin:

P_r, ss Druck je Flächeneinheit in der jeweiligen Tiefe unter mittlerem Meeresspiegel;

h s Wellenaniplitude an der Konstruktionsvorderseite

einschließlich der Reflexionsamplitude} . * = Dichte (Masse je Raumeinheit) des Wassers; g = Beschleunigung durch die Schwerkraft und L β Hochseewellenlnnge.

Der nornialgerichtete (P^ Figur β), waagerechte Druck ist am höchsten in einer Tiefe gleich Gipfelwellenhöhe unter dem ilochwasserpegel und nimmt unter diesem Pegel exponentiell ab, wobei er in einer Tiefe unterhalb von 0,*t Wellenlängen kleiner als etwa 0,1 mal seinem Gipfelwert wird. Ist die Konstruktion ein Zylinder, so nimmt jene (P^) Druckkomponente, die mit der Richtung des Wellenlaufes fluchtet, nach beiden Ceiten einer senkrechten Linie im vordersten Teil des Kör pers ab; auch die Höhe der Welle nimmt an deren Schnitt mit der Zylinderfläche entlang ab, so daß an jedem Pegel der waagerecht angelegte ocaub als etwa gleich dem Gipfelwert des Frontaldrucks, jedocn nur wirksam über einer Fläche von etwa ^O ^l/o der ^uerdurchmesserstrecke, angenommen werden kann.

Die zweite Erscheinung mit einem wichtigen Beitrag zum Seitenschub hängt mit der gegen die Konstruktion ausgeübten Anstau- oder Stoßwirkung infolge des Impulses der bewegten Wassermasse zusammen; sein Gijkfelwert läßt sich aus folgender

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Beziehung errechnen:

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(2)

worms

P, = Stoßdruck je Flächeneinheit in der jeweiligen Tiefe (Z);
Wellenarapl:
amplitude.

h = Wellenaiaplitiide einschließlich der Reflexions—

Der Stoßdruck übersteigt im allgemeinen nicht ein Viertel des Drucks P,, je Flächeneinheit und wird über die auf eine senkrechte, diametrale Querebene projizierte Körperfläche gerechnet.

Eine dritte mit der dynamischen Wirkung der Wellenbewegung zusammenhängende Erscheinung erweist sich in dem seitlichen Schub infolge der Iieibungsscherkraft, die von der Kreisbewegung der Ifasserteilchen henührt. Die Wellenbewegung enthält zeitlich variablen Strömungsfluß sehr großer Proportionen, der einen Widerstand an dem eingetauchten Konstruktionsteil hervorruft. Der Gipfelwert errechnet sich aus folgender Beziehung:

worin:

P, a Widerstandsschub in der jeweiligen Tiefe (ζ); Cj, α Widerstandsziffer für den Körper.

Die Größe dieses Schubs ist etwa ein Zwölftel des Wertes von P₂ und hängt von der Geometrie und der Oberflächenbeschaffenheit des Körpers ab. Dieser Schub nimmt exponentiell mit der Tiefe ab und ist unterhalb einer Tiefe von etwa einer Viertelwellenlänge klein; am jeweiligen Pegel wird er über die

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auf eine senkrechte, diametrale Querebene projizierte Körperflache gerechnet.

La der Ausdruck für die Wellenamplitude (h ) in jeder der Gleichungen (2) und (3) als quadratischer Ausdruck er— schein!- und je/rliche Reflexionsamplitude einschließt, sind Kons 1 r.iiz{.ionen, die bedeutende Heflexion hervoi'bringen, entsprechend gz'öiJoren Kraftkorapononten ausgesetzt als jene ;nit niedrigen ileflexionskoeffizienten.

Die Konstruktionen vor der Küste müssen aber auch zusätzlich zu den seitlichen Gipfelkräften infolge der Wellen noch Ginfeikräfte eines Orkans aushalten, die sehr groß werden können und sehr plötzliche Lastspitzen mit sich bringen.

Aus Fig. i ist nun ersichtlich, daß voll entwickelte Tiefwaseei'wellen langer Schwingungsdauern eine Höhe 2h_ von etwa 24 Metern haben können. Derartige Wellen sind fähig, sehr große Schübe auf die Körper massiver Türme oder Piere auszuüben, was nach Durchsicht der vorstehenden, die Wellenkräfte ausdrückenden Gleichungen (l) bis (3) und der Fig. 2-k verständlich ist. Beim Berechnen der Größe dieser Kräfte hat man im llöhenwert der Welle die über die Wellenamplitude überlagerte lief lexionsamiJlitude einzusehließen. Ls wird auch ersichtlich, daß, wenn ein Pier nicht in einer etwa 5h_a übertreffenden Tiefe steht, die massiven Bauwerke bisheriger Art durch Erosion am Meeresgrund fcohaden erleiden können.

Von einem Seebauwerk wird verlangt, daß es absolut standfest und dauerhaft und insbesondere fähig ist, Wellen der größten Amplitude zu widerstehen, die sich möglicherweise über die gegebene Stelle ausbreiten. Die Tiefe des Wassers für ungestörte Ausbreitung einer Welle mit 9 Meter Amplitude (Wellenhohe Ib Meter) beträgt mehr als 90 Meter; nichtsdestoweniger kann ein Pier mit hO Meter Gesanithöhe über Meeresgrund durch Ιβ-Meter-Wellen beaufschlagt werden, da noch tiefer als deren Brechertiefe eine Tiefe von 30 Metern unter lieeresmittelpegel ist.

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Wird die Mantelwand eines säulenförmigen Piers etwa 0,9 bis 1,2 Meter dick gemacht, und haben die strahlführenden Löcher Kreisquerschnitt mit Durchmessern von ebenfalls etwa 0,9 bis 1,2 Metern, so ist die Konstruktion sehr wirkungsvoll, um die potentielle Energie der Welle, die auf die "iiand prallt, in kinetische Energie des :. trahlflusses durch die Löcher hindurch umzuwandeln; die Ltrahlen treten in einer zur Wand normalen Richtung aus den Löchern unabhängig von der Wollenbewegimg am Locheingang heraus. Die hydraulische Druckhöhe, die sich im Hervorbringen des Stralilflusses auswirkt, kann in der Größenordnung von Dezimetern für recht gut entworfene Kanäle herabgehen, und die Flußgeschwindigkeiten für einen Abfall in der Größenordnung von Metern können 9 Meter je Sekunde überschreiten, da die waagerechte Komponente der Kreisgeschwindigkeit sich auf die Geschwindigkeitshöhe addiert. Wird die Kanallänge merklich kurzer als etwa 0,8 mal Durchmesser gemacht, so werden die Strahl führ ungswirkurig und der Höhenverlust durch Reibung weniger ergiebig; wird die Kanallänge kleiner als etwa 0,6 mal Durchmesser, so hört sie auf, den Fluß als einen Strahl zu steuern und erlaubt einem merklichen Anteil schwingender Wellenenergie den Durchgang durch die 1,and. Steigt die Kanallänge über ein mal Durchmesser an, z.B. etwa auf anderthalb Meter für 0,9 Meter Durchmesser, so wächst der Reibungsverlust erheblich und beeinflußt die Strahlgeschwindigkeit ungünstig; dabei wird der Wassermassentraiisport weniger wirksam, so daß die Wellenstreuung von der Wand zurück ansteigt. Außerdem wird die Widerstandskraft gesteigert.

Die Wirksamkeit der neuen Pierform für den Widerstand gegen Wellenanprall ist der ihr eigentümlichen Fähigkeit zu verdanken, die Energie der aufschlagenden Wellen zu absorbieren und in eine Form zu verwandeln, durch die möglichst wenig Kräfte auf die Konstruktion übertragen werden, ohne daß wesentliche Wellenenergiereflexion entsteht. Die durchlöcherte Wand .wirkt als eine Art Schranke, die die Welle leicht behindert und hierdurch eine hydraulische Druckhöhe zwischen

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den Enden der beispielsweise dem Wellenkaniin ausgesetzten Löcher entwickelt. Diese hydraulische Druckhöhe erzeugt Strahlfluß durch die Wand längs der sehr großen Menge von gleichmäßig abstehenden Querlöchern, die radiale Strahlen nach innen leiiice ι und damit einen großen Gesar.rtfluß mit einer beträchtlichen GesoLwi'idiirkeJ. c durch den vorderen Wandsektor hindurch befördern; die transportierte iiasse hat eine kinetische Energie, die dem größten Teil der ursprünglichen Wellenenergie gleich ist. Die Strahlen ändern bei beliebigen Änderungen der Kreisricht ingen an der Außenseite der Wand nicht ihre eigene Richtung, sondern folgen den Lochachsen. Die Strahlen behalten bis zu einer bestimmten Entfernung von etwa zwanzig oder mehr Durchmessern iaren Zusammenhalt, haben jedoch, da sie gegenseitig aneinanderstoßen und außerdem in wirbelndes, schäumendes Wasser innerhalb des Piers eingespritzt werden, einen rapiden h^rirbelflußverlust zur Folge. Zwecks gründlicher Energievernichtung durch schließliche Umwandlung des Strahlflusses in Wärme sollte ein ungehinderter itadialflußweg von mindestens zwölf Durchmessern, das heißt von etwa 12 bis 15 Meter, vorgesehen werden; diese Wegstrecke kann auf dreißig Durchmesser gesteigert werden, wenn verlangt wird, daß der Stoß auftreffender Strahlen an allen vollwandigen Flächen unbedeutend bleibt. Der Fluß quer durch den Pier beim Einfall des Wellenkamms ist so beträchtlich, daß der Wasserpegel während des Abklingens der I. trahlen noch ansteigt, und diese Druckhöhe ist der Entstehungsgrund für Ströme, die as'.s den Seiten und aus dem rückwärtigen Sektor des Piers heraus π,κΐ in das Wellental hineintreten, wenn die verhältnismäßig schneller ütürmende Welle schon hinter dem Pier wei Verläuft, ,.ucli durch den vorderen Sektor tritt ein verhältnismäßig kleinerer Fluß nach vorn auf, wenn die Wellenhöhe vorn unter den Wasserpegel innerhalb des Piers an der '.vandinnonseite beii:i Passieren des Wellentals durch diesen ..e.;Lor abf-illt. Eine senkrechte Komponente der Wellenbewegung wird jedoch weder in den Pier hinein, noch aus ihm heraus noch durch ihn hindurch übertragen. Der aus dem Pier hina-iHgelaugende Fluß ist unfähig, eine neue Welle

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wieder rait der Einfallsperiode zn erzeugen; allenfalls enthält die Störung des keeresrings um den Piur Wellen kleiner Amplitude und kurzer Periode.

Wegen der beschriebenen Wirkung wird die Große jeder der drei Komponenten der : ehubkräfte (P^, Pj,, P,) auf einen Bruchteil der entsprechenden Schübe herabgesetzt, die auf einen vollwandigen Pier desselben Durchmessers ausgeübt werden, und es wird ein kleinerer Schub entwickelt als jener, der an einem offenen Fachwerk oder an einer dünnen perforierten Wand derselben Abmessungen und derselben licnten Fläche im Verhältnis ausgeübt wird. Die Verminderung des gesamten Wellenschubs ist nicht nur dem verhältnismäßig freien Durchgang zu verdanken, der dem Seewasser durch die strahlfiihrenden Löcher gewährt wird, sondern auch der herabgesetzten !^ellenhohe, die durch Vermeiden merklicher Heflexionswirkungen an der vorderen Außenfläche und an der inneren Fläche des rückwärtigen Wandsektors und durch Fehlen einer Wellenbewegung innerhalb des Piers erreicht wird. Demgemäß kaanteine Wellenreflexion von irgendeiner Fläche innerhalb des Piers her auftreten, und unter dieser Voraussetzung kann jede vollwandige, senkrechte, ausgedehnte Körperinnenseite keinerlei Wellexiscäub empfangen, oder Anlaß zu weiterer Reflexion geben. Ls lUßt sich leicht verstehen, daß, da die Wellenenergie eine Funktion des Quadrats der Wellenaiaplitude ist, jede Oberfläche, die nur vernachlässigbare Reflexion auslöst, theoretisch nur ein Viertel der Kraft erleidet, die an einer total reflektierenden Wand ausgeübt wird.

Zur experimentellen Nachprüfung dei- vorgenannten Leobachtungen wurden I-iodellproben mit perforierteu, dünnen, rohrförmigen Wänden ausgeführt, die aus einfachen, mit lirnisförmigen Löchern versehenen JJlechsieben geforut waren, die Löcher waren so l:urz (0,15 Durchmesser), daß sie als straalführende Kanäle njbht zur /irkung kamen; es zeigte sich,

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daß solche Bleche lediglich als eine widerstehende Sperre wirken, die die Wellenbewegung nicht in größerem Ausmaß verändert, sondern die einfallende Welle niifc einer mir leicht verminderten .Jiiplitude hindurchläßt. Line solche dünne Siebwand zeigte außerdem als Ergebnis eine bedeutende V/ellenreflexion von den Vorderflächen der vorderen und rückwärtigen Lektoren im Verhältnis zu ihrer ungelochten Fläche. Jede vollwandig sich erstreckende Konstruktion innerhalb des so dünnwandigen Piers war nahezu der vollen Wellenkraft ausgesetzt und erfuhr auch noch den zusätzlicaen Schub infolge der von den Pierflächen zurückgestreuten Welle.

Entsprechende Modellproben wurden unter Benutzung perforierter Modelle mit dicken Mantelwänden ausgeführt; die Lochuiig ließ mehr als die Hälfte der äußeren Fläche unzerstört und hatte kreisförmige Löcher, die als Querkanäle von den Durchmessern gleichen,etwa υ,9 Meter großen Längen ausgebildet waren; es stellte sich heraus, daß die aufprallenden Wellen einen geringeren Schub als jenen an dem voi'erwähnten Pier identischer Abmessungen in der lichten und vollen Wand ausübten. DieSchubbeiträge infolge der hydrostatischen Druckhöhe und des ctoßdrueks, die auf einen rieh Hg entworfenen Pier mit perforierter dicker Wand ausgeübt wurden, ließen sich auf nur wenig größer bei gegebener Höhe der aufprallenden Welle sehätzen als der rechnerisch durch die Flüssigkeitsreibung des Strahlflusses längs der Kanäle zu erwartende Schub. Obwohl eine unvermeidliche, jedoch kleine Wellenreflexion vom Pier zurück besteht, steigert jede reflektierte Wellenamplitude von selbst die Fluß- und Strahlgeschwindigkeiten und trägt entsprechend zur Milderung der aufprallenden Welle bei. Während der Modellversuche wurde die Wirkung von Meereswasserstrahlen beobachtet, die radial durch die Mantelwand nach innen und außen strömten, wobei die letzteren bis zu Strecken von zehn oder mehr Kanaldurchmesserii zusammen-

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hielten} dabei zeigte sich der Einfluß auf das den Pier umgebende Wasservolumen, in welchem die innere Wirbelung der ankommenden Welle gesteigert wurde. In dieser Wirbelzone nahm die potentielle Wellenenergie bei der Wellenausbreitung etwas ab. Die Wirbelung in dieser Zone und das Bestehen eines gut durchgebildeten, waagerechten Wasserausgangs als htrahlen in sie hinein kann als der Grund für die sehr niedrig beobachtete Keibwiderstandskraft an der Konstruktion betrachtet werden: diese Hypothese steht im Einklang mit dem beobachteten /ibfall im üeibwiderstand an zylindrischen Körpern beim Fluß rund um sie herum und bei sehr großen Ileynolds-Zahlen..

Maßstabgetreue Modellversuche an massiven zylindrischen Pierformen IO mit einem Äquivalenzdurchmesser von 6o Metern, der etwa einer Viertel- oder halben Wellenlänge der längeren Ozeanwellen entspricht, wurden so ausgefüllt, daß die Piere im Meereswasser 15 auf dem Meeresgrund 16 standen, wie es in den Figuren 2, 3 und k zu sehen ist. Dann wurden Modellwellen erzeugt und zum Beaufschlagen der Konstruktionen benutzt. Die Größen von P₇,- K. und P_T1, wie sie durch die gestrichelten UmhUllung'skurven 11, 12 und 13 der Vektorgruppen aufgezeichnet sind, erwiesen sich mit einem zusammengesetzten, resultierenden Gipfelschub größer als 30 Tonnen je Quadratmeter der projizierten Vorderflache,

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wenn die Modellwellen 17 eine Amplitude von 9 Metern hatten. Die hydrostatischen und Stoßdruckkomponenten konzentrieren sich am Axialmittelschnitt des Piers, während die Reibungskraftkomponente sich über die Breite verhältnismäßig gleichförmig verteilt, wie man aus Pig. 8 erkennen kann.

Ähnliche Proben wurden unter Verwendung eines maßstabgetreuen Piers 14 vorgenommen, der "bei gleichen Abmessungen wie der massive Pier Mantelwände von etwa 1 Meter Dicke hatte j diese ganze zylindrische Wandflache war ausgiebig durch strahlführende Querlöcher 18 von derin den Figuren 5,6 und 7 gezeigten Form perforiert; die hierbei gemessenen G-ipfelwerte der Gesamtschübe für eine entsprechende Welle liegen bei etwa ein Fünftel oder weniger jener Schubkomponenten, die auf die untersuchten Siebzylinderformen ausgeübt wurden. Die Größe der Verbesserung kann man einer Vergleichsdurchsicht der mit P_Zperf, ?_Rp_erf ^^{d P}dperf

entnehmen, die durch die gestrichelten Kurven 11', 12' und 13' umgrenzt sind und Größen von etwa 20 tfo bis herab zu etwa 12 <f₀ der entsprechenden Vektoren des massiven Modells aufweisen. Außerdem wurde die Wellenreflexion an der Vorderseite der Piere 10 mit einem Höhenanstieg der Welle 17 am Kamm um etwa 40 $ unter Entstehung eines Brecherkamms wie bei 17' beobachtet, während die durch die perforierte 7/and 14 hervorgebrachte Reflexion unter 10 i» liegt, wenn die lichte Fläche im Verhältnis 40 $ groß ist.

Die speziell in den Figuren 9 und 10 dargestellte, mit der Sammelnummer 14 bezeichnete Form eines neuartigen Seebauwerks enthält in einem Stück eine bewehrte Ortbetonkonstruktion mit einer aufrechten, zylindrischen,dicken Mantelwand 19, drei in gleichen Winkeln verteilten, aufrechten, im folgenden als "Septa" bezeichneten Trennwänden 20 und mit einer dünnen Hohlsäule 21 in der Mitte. Die Konstruktion steht auf dem Meeresgrund 16} wo die Ma-

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terialstruktur des Meeresbodens unzureichend ist, sieht man eine Pfeileranordnung 22 unter Wasser vor und verbreitert die unteren Ränder 23 der Wand 19 und der Septa 20 entsprechend, z.B. auf eine Breite von 3 LIeter und mehr.

Vorzugsweise zugleich mit den oberen linden der Mantelwand 19 und den oberen Rändern der Septa 20 ist ein Deck 24 geschaffen und versteift alle diese Teile zu einer starren iiinheit. Jin von diesem Deck getragener Oberbau kann beispielsweise Werkstatt- und Pers onalunterkiinf te, einen Bohrmast 26 zusammen mit dem notwendigen Vorratsraum für Lagermaterial, Verspannung, Bohrgestänge, Futterrohr, Antriebs- und Hebewerke für ein Bohrunternehmen enthalten. Obwohl der hier gezeigte Oberbau eine Bohranlage zum niederbringen eines Bohrlochs und zur ülproduktion vor der Küste enthält, kann der Pier selbstverständlich auch für jeden anderen verlangten Zweck Verwendung finden und ain weit ausgedehntes (nicht gezeigtes) Deck oder hohe Gebäude tragen.

Jedes Septum und die Ivlantelwand werden vorzugsweise etwa 1 Meter dick erstellt und bis auf etwa 1,2 Meter Dicke insbesondere nach ihren Unterenden hin verstärkt. Diese aufrechten [Teile sind regelmäßig mit strahlführenden, zylindrischen Querlöchern 18 durchbrochen, die über der gesamten senkrechten Oberfläche mit derartigem Muster verteilt sind, daß sie undurchbrochene, senkrechte, pfeilerartige V/andteile 27 bilden, die als lasttragende Teile dienen. Wenn die Durchmesser der strahlführenden Löcher etwa 1 Meter und ihr Abstand etwas weniger als 1,5 Meter von Mitte zu Mitte in jeder Richtung betragen, erhält man eine lichte Fläche im Verhältnis von etwa 50 %. Zum Verkleinern des lichten Verhältnisses kann der Abstand entsprechend vergrößert werden. Glatt bearbeitete Innenflächen der Löcher lassen sich durch Verwendung von Ausfütterbuchsen 28 ver-

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wirklichen, die durch Einzementieren an Ort in die Kreislöcher der Wand eingefügt werden. Obwohl dabei Löcher 18 von etwas kleinerem oder größerem Durchmesser als 1 Meter Verwendung finden können, hat sich ein deutlichster Wandel zürn. Besseren in der Druckhöhe mittels Strahlflusses des Seewassers in Kanälen herausgestellt, die ziemlich genau einen Meter Durchmesser und etwa dieselbe länge haben.

Jine brauchbare Schubverminderung läßt sich noch erreichen, wenn die lichte Fläche im Verhältnis bis auf 20 $ heruntergeht, obwohl dann die Wellenreflexion schon erheblich höher wird und der Pier beträchtlich mehr Material für seinen Bau erfordert. Die Wandfläche kann andererseits so gelocht werden, daß eine lichte Fläche bis herauf zu etwa 60 fo im Verhältnis entsteht, bevor der wirksame Wanciol der hydraulischen Druckhöhe in kinetische Energie des Strahlflusses nicht mehr zufriedenstellt, jiine sehr stark durchbrochene Wand ist außerdem verhältnismäßig schwächer und erfordert erheblich mehr Bewehrung. Der 7/andel im Gipfelwert des V/ellenschubs läßt sich mit einer breiten Streuung von längerperiodischen Wellen am besten erreichen, wenn die lichte Fläche im Verhältnis ziemlieh genau bei 40 <fo liegt.

3er Durchmesser der Mittelsäule 21 kann nach Y/unsch ziemlich klein, nämlich etwa 2 1/2 bis 3 Meter gehalten werden, um Platz zur Produktion auch mehr als einer Bohrung und/oder für Bohrarbeiten zu gewähren. Wenn beispielsweise eine frühere Bohrung 29 fertiggestellt war und im Winkel wie dargestellt etwas verläuft, kann eine Bohrarbeit zum Niederbringen eines nachfolgenden Bohrlochs 30 so vordringen, daß eine Produktionsschicht 31 an einem Punkt erreicht wird, der einigen Abstand vom Boden der Bohrung 29 hat. 3in massiver Betonklotz 32 sorgt für eine Gründung und einen Bodenverschluß der Säule 21 j der Klotz ist durchbohrt und in der Üblichen Weise mit einzementiertem Futter-

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rohr so versehen, daß die im Inneren der Säule "befindliche Kammer 33 trocken gehalten bleibt.

Bei Pieren mit kleineren Durchmessern als etwa 24 Meter können die Septa 20 fortgelassen werden, bei größeren Pieren jedoch dienen diese Konstruktionen zwei nützlichen Zwecken. Bei Pieren mit Durchmessern von 30 bis 90 Matern und mehr werden die verhältnismäßig dünnen, schwach gekrümmten Wände 19 abgesteift und gestützt, indem man die Septa in entsprechender Anzahl vorsieht, um dem Pier bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber Wellenschüben zu verleihen; dabei verstreben und stützen die oberen Ränder 34 (Figur 10) der Septa das Deck 24 und helfen mit beim Tragen konzentrierter Lasten, wie z.B. der mächtigen Spülschlammbehälter und der abgestellten .Bohrgestängebündel, die zur Bohrarbeit gehören. Außerdem unterteilen die Septa 20 den Ringraum 35 so, daß der mehrfache Strahlfluß quer durch die Kammer abgelenkt wird, nachdem die Strahlen eine Entfernung von mindestens 9 bis 12 IÄetern von der Hantelwand 19 durchquert und dabei zum Löschen ihrer Wirbel beigetragen haben. Die strahlführenden Kanäle 18 leiten die Strahlen radial nach innen, wenn der Wellenkarnm gegen die Wand 19 anprallt, wie es in Figur 10 schoiaatisch dargestellt ist; diese Strahlen sind fähig, noch auf Entfernungen bis über das Dreißigfache der Durchmesser ihrer Führungskanäle zusammenzuhalten. Die freie Verschiebung von Wasser quer durch die Kammer durch den kombinierten Fluß dieser Strahlen wird mittels der perforierton Trennwände abgewandelt, die die waagerechte Strömungsenergie als fein gemusterte Wirbelung zerstreuen und dabei im wesentlichen keine Woge in den rückwärtigen Sektor 36 gelangen lassen. Jede tlntsrkammer von Septum zu Septum dient als eine Art Wogenkammer, die dabei mithilft, zwischen dem Kammerpegel und den Wasserpegel außerhalb der j'antelwariü

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eine Phasenverschiebung herzustellen etwa in der Weise, wie sie in dem U.S.A.-Patent Nr. 3 118 282 des gleichen Anmelde; rs für "Breakwater Structures" "beschrieben worden ist. Das Seobauwerk der vorliegenden Erfindung verfolgt jedoch nicht die Absicht, die "beträchtliche Phasendifferenz zwischen verschiedenen senkrechten Pegeln an gegenüberliegenden Seiten einer perforierten Vorderwand zu entfalten, wie das die vorgenannte Erfindung zum Ziele hatte, da. mangels jeder festen Hinterwand hier nicht die eigentümliche Fähigkeit besteht, zeitlich ein "beachtlich großes Wasservolumen in einer Wogenkammer zu speichern. Insofern ein beträchtlich höherer hydrostatischer !Druck in einem durch massive Septa versteiften Pier entwickelt werden würde, ist es wesentlich, entweder die die ümfaiigswariu versteifende Konstruktion oder die aufrechte, radiale Wandkonstruktion in solchem Ausmaß zu perforieren, daß bei der Ablenkung und Zerstreuung der Strahlen mitgeholfen wird} dies führt zu der besten Schubverminderung, die die erfindungsmäßigen Piere zu erreichen versuchen.

Bei tatsächlichen Messungen an maßstabgetreuen Piermodellen, hat das Vorhandensein von reichlich perforierten Sapta kiilne Anhaltspunkte zur Entstehung eines Anstiegs im Gesaratschub für irgendeine V/elle im Schwingungsdauerbereich zwischen 5 und 15 Sekunden ergeben; darüber hinaus hat sich unter ;insclüiiß solcher Septa herausgestellt, daß der gesamte G-ipf als chub gesenkt wird, dor durch die wichtigeren längeren, mit größeren Amplituden sich ausbreitenden Wellen ausgeübt wird. In dem Falle einer Probe mit einer I^Todellwiillonamplitude von 6 lectern zeigte sich ein Schub von 7 f° unter junom, der für einen perforierten Zylindermantel ohne Septa rvJMessen wurdo.

Divj Pierkonstruktion läßt sich bis zu beliebiger Höhe hochführen, vorausgesetzt, daß, wie weiter unten ersichtlich wird, richtige Beziehungen zwischen "Durchmesser und Platt-

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formbelastung bestehen. Wenn der Pier im Durchmesser etwa 50 Meter und aus bewehrtem Beton konstruiert ist, wenn dabei mindestens der obere Wandteil nicht dicker als 1 I eter und zu einer lichten Fläche im Verhältnis von 40 fo perforiert ist, genügt das Konstruktionsgewicht, dem größten Kippmoment auch unter Portiassung dos Decks, der Septa und der Plattformlasten zu widerstehen. Demgemäß können Piere mit größerem Durchmesser in voller Sicherheit als Schwimmkörper an die Baustelle transportiert werden, wo sie durch Versenken in ihre endgültige Lage gestellt werden, ohne daß ein Kentern durch Beaufschlagen mit großen Wellen vor dem Errichten jeglicher Oborbaubelastung zu bofürchteii wäre.

In Figur 11 ist nun ein Pier gezeigt, dosson I-Iöhu II '3in Vielfaches suinjs l/urchmt3&d«rs D iat. ...ir i«x -in·;:·:¹ Schubkraft T ausgesetzt, \±^ \ie.s,g.;r-i-.jhrc ^.rijla· -~; <.·.!■:; o.-Resultierende der über der oberen Strecke von 0.4 Wellunlängon angreifenden Kräfte selbst ihren Angriffspunkt in einer Tiefe von etwa 9 Lletern oder weniger unter dem mittleren Meeresspiegel hat. Für Wellen mit 9 Toter Amplitude gemäß den maßstabgetreuen Kodellversuchen kann der Schub als 35,7Tonnen je Meter Pierdurchmesser für Piere über 30 Meter Durchmesser angenommen werden. Das umkippende Moment K läßt sich daher durch die Gleichung ausdrücken:

IvI = 35.7000 ("D) (H-9) Meterkilopond (4)

Das an dem Körper wirkende Schwerkraftmomeiit ist das Produkt aus dem Konstruktionsgewieht (minus Auftriebskraft) und enthält sämtliche Plattform- und Oberbaulastsn; na f-vjif am Schwerpunlct G mit dem Hübelarm j/2 an, der den waagerechten Abstand zwischen G und der Querachse 37 είτα Mueresgrunu darstellt, um dlü der Pier beim Umfallori kippen v/iircU;;

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dieses Schwerkraftmoment fö„ läßt sich darstellen:

L_& = W.I)/2 I.Ieterkilopond (5)

Pur die geschilderte Konstruktion ist das Gewicht W = 1.600(H)(D) Kilopond,

sodaß die Beziehung (5) geschrieben werden kann: K_G = 800(H)(D²) !,!eterkilopond.

Dividiert man (4) und (5)durch D_f so können die gegeneinander wirkenden Drehmomente sinnvoller wie folgt verglichen v/erden:

35-700 (H) -321.000 kp gegen 800(H)(D) kp

Kimmt man für D einen Wert von etwa 44 I.^Tetern an, speziell;

35.700 kp/m
800 kp/m²

so fällt auf, daß die Konstruktion unabhängig von ihrer Höhe H ein Schwerkraftmoment reichlich oberhalb des umkippenden Foments hat. .:i^Ts wird auch deutlich, daß verhältnismäßig schlanke Piere sogar mit Durchmessern bis etwa 18 I.:eter herab in ziemlich tiefem V/asser errichtet wardjii können j gegebenenfalls ist dafür zu sorgen, daß die Belastung des- Piers durch den Oberbau, z.B. durch Gebäude,durch Wege, durch Bohrplattformen, durch Landeplätze und durch Beobachtungstürme das Piergewicht W genügend vergrb'ßert. Durch Hereinnahme von lediglich drei Sapta gemäß Beschreibung in Pieren über 3C Keter Durchmesser sind stabile Konstruktionen gewährleistet.

Um sich einem gegebenen Perforationsverhältnis anzupassen uncl um gleichzeitig die wünschenswert große be-Irstungsfähige V/andfsstigkeit zu erreichen, kann man speriella Loehanoränungan gemäß Figuren 12c, 12b und 12c

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auswählen, us wird ersichtlich, daß dia regulär drejLzählige Raumverteilung gemäß Figur 12a die größten lichten Flächen im Verhältnis gewährt. Wird uas Luster go ausgerieiltet, daß das beim Verbinden der Achsen dreier benachbarter Löcher gebildete Dreieck mit seiner einen Seite senkrecht verläuft, so entstehen pfeilerartige ^meile ;ine kleinere lichte Fläche ira Verhältnis erreicht man bei einer solchen Dreiecksverzerrimg, daß dij !Or ίieekspitze 39 in einem größeren Abstand von den ;ndon der senkrechten Dreiecksbasis gemäß Figur 12b entfernt ist, als die Basislänge selbst beträgt. Auch eine quadratische Anordnung gemäß Figur 12c kann vorwendet und dabei eine lichte Fläche im Verhältnis von 40 # mit ziemlich gut belastungsfähiger Wandfestigkeit erreicht werden.

Nach Figur 13 kann man Seebauwerke großer, z.B. über 30 IvIuter spannender Durchmesser so anordnen, daß sie ganz erhebliche Oberbaulasten wie Hotels, Apartmentblocks, Geschäftshäuser oder Fabriken über der offenen See tragen können, indem man zusätzlich zu lmt perforierten Iv". ante Iwan d 19 eine konzentrische, inn ^r ο I.IantolwE.i:d 4u anordnet, die von der äußeren Wand nach innen einen Abstand von über 18 I.leteni hat. "Die konzentrischen Wände werden miteinander durch querverlaufundj, aufrechte Septa 20 in geeigneten Zwischenräumen von "beispielsweise 45 Lletern am Umfang der Außenwand gemessen verbunden. Die Zentralkammer 41 innerhalb der Säule 40 kann durch weitere Septa unterteilt v/erden, wenn ihr Durchri3ss-.ir so groß is⁴;, daß das Deck 24 noch abgestützt werden muß.

IJine abgewandelte Bauweise genäß Figur 14 erübrigt die I.'aiitelY/and als solche dadurch, daß man einen aufrechten, zylindrischen Stahlkörper i-iusnutst, üjr aus Plattentibschnitten nach Art oinas Schiffsrumpfs gefertigt ist und als aufrechte Säule 42 auf einer Grunala^e oder Baeis 43 im Meeresgrund aufsteht. 73ia Säula irrt durch

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senkrechte, um dan ganzen Säulenumfang herum verteilte Profilträger 44 und außerdem durch senkrecht voneinander abstehoncio Umfangs gurt teile 45 versteift. Die Säule ist, v/ie ob.3η erwähnt, durch ein Küster von löchern 46 perforiert; in jοdem Loch stockt ein Stirncnde 47 eines •Stahlrohrs 4ö, dessen "Durchmesser mit dem Lochdurchmesser zusammenpaßt Lind das eine Länge von 0,9 bis 1,2 Metern hat; es ist beispielsweise durch Schweißen unlösbar mit dem Lochrand verbunden, um strahlführende, in das Innere der Säule verlaufende Kanäle zu bilden. Jin geeigneter korrosionsbeständiger Überzug 49» eier auch eine Schiffsbodenfarbmischung sein kann, wir α auf sämtliche Llotallteile gestrichen.

Obwohl sich die vorstehende Beschreibung hauptsächlich auf kreisförmige Löcher und zylindrische Strahlfühningskanäle bezogen hat, beschränkt sich selbstverständlich die vorliegende jrfindung nicht hierauf. Die Perforationen können elliptisch oder oval, quadratisch oder rechteckig sein, ohne von ihrer im wesentlichen strahlführenden Eanalfunktion abzuweichen; vom Standpunkt der !,iaterialersparnis und der höchsten 7/irksamkeit ist jedoch die zylindrische ICanalform die ideale.

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Claims (2)

1. (zur üffcnlegung)

   i. .vellonbrechender, turr.if ö rmiger, eine von vänden sene Kammer bildender Pier, der sich ias Liefe ivasser erstreckt und über die iy'asseroberflf ehe hinausragt, und dessea i/ände auf der der I/ellenrichtung ziigewaad ten Leite mil. ei-ior Vielzahl von quer 2ur rierhochachse verlaufeadea Kanalexi versehen sind, durch die das „asser ia die Kammer eixis trö-.iea kann, dadurch gekennzeichnet, daß dea das Wasser in die Kammer hineiufordernden Kanälen auf der der „'ellenricli tuaiv zugeviandten beite des Piers eiae Vielzahl von aus der L-Lauum ;■■ V/asser abführenden Kanälen a-if der der ^eIIe lri::-Λ-nur abgewandten Seite des Piers gegenüberliegt.

   V. lior nach Ansprucl: i, dadnreh goke.i.i:ei o.iae t, i*a^:: >' i r- ^aniio waagerccLif und radial gerichtet uiad dnd [Hier -.!or ganzen Umfangswaid deü l'iers gleichmäßig verteilt sind.

   3· Pier nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeicluie i:, dal' die üffnuagsflache der Kanüle etwa 20 bis 6ü ',O der gGisaüit.in Jmfangswandflache des Piers beträgt.

   Neue Unterlagen (Art. 7 δ I Abe.
2. 2 Nr. I Sett 3 de· Änderung^-»· ν. i. 9. W.

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