DE3321670A1

DE3321670A1 - Verfahren zum schuetzen ortsfester konstruktionen in wasser gegen eisfelder und schutzeinrichtung

Info

Publication number: DE3321670A1
Application number: DE3321670A
Authority: DE
Inventors: Kimmo 01620 Vantaa Juurmaa; Gustav 02170 Espoo Lindqvist
Original assignee: Wartsila Oy AB
Current assignee: Wartsila Oy AB
Priority date: 1982-06-15
Filing date: 1983-06-15
Publication date: 1983-12-15
Also published as: NO832155L; JPS594717A; SE8303347L; FI82112B; FR2528466A1; SE453308B; FI822157A0; US4578000A; FI822157L; FR2528466B1; SE8303347D0; CA1204603A; FI82112C

Description

Verfahren zum Schützen ortsfester Konstruktionen in Wasser gegen Eisfelder und Schutzeinrichtung

I NACHGERElOHT J

Konstruktionen in Wasser gegen i/V— AA *

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen ortsfester Konstruktionen, die in Wasser angeordnet und von Wasser umgeben sind, gegen Belastungen durch ein sich auf der Wasseroberfläche bewegendes Eisfeld. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Schutzeinrichtung zur Anwendung eines solchen Verfahrens. In dieser Beschreibung und in den Ansprüchen bedeutet "ortsfeste Konstruktion" jede Konstruktion, die in Wasser im wesentlichen ortsfest gehalten ist, z.B.

eine verankerte schwimmende Konstruktion oder dergleichen.

Eine in Wasser und von Wasser umgebene ortsfeste Konstruktion kann z.B. ein Brückertstützpfeiler, ein Standbein einer Bohrplattform, ein leichter Stützpfeiler für ein auf einem Unterwasserfundament errichtetes Haus, der Mast einer Windkraftstation, usw. sein. Konstruktionen dieser Art werden heutzutage häufig in Regionen benutzt, wo das Wasser friert und sich bewegende Eisfelder vorkommen können. Die von der Eisbelastung verursachten Probleme können natürlich am besten gelöst werden, wenn die gesamte Konstruktion von Anfang* daß sie dem Eisdruck widersteht. Dies ist jedoch nicht möglich, wenn eine für offenes Wasser ausgelegte Konstruktion in eine andere Region gebracht wird, in der Eisfelder auftreten können. Das erneute Auslegen einer großen und komplizierten Konstruktion, um sie gegen Eisdruck widerstandsfähig zu machen, ist eine aufwendige und teuere Maßnahme.

Es wurden Versuche angestellt, zur Minimierung der Eisbelastung der zu schützenden ortsfesten Kon- * so angelegt wird.

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struktion eine möglichst günstige Form zu geben. Dies ist kompliziert und beeinflußt gewöhnlich in ungünstiger Weise die Konstruktionseinheit, von der die zu schützende ortsfeste Konstruktion ein Teil ist* Es ist auch möglich, das zu schützende Konstruktionsteil so zu bemessen, daß es der Eisbelastung standhält? aber dann vergrößert sich sein Durchmesser beträchtlich, was seinerseits eine vergrößerte Eisbelastung nach sich zieht, usw. Ein dritter möglicher Weg besteht darin, die Eisbildung in der Umgebung des ortsfesten Konstruktionsteils zu verhindern, was jedoch große Mengen an Energie erfordert. Überdies sind die bekannten Verfahren 2\ar Verhinderung von Eisbildung gewöhnlich nicht sehr effektiv in einem sich bewegenden Eisfeld.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mittels dem existierende Konstruktionen leicht gegen Eisbelastungen geschützt werden können»

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, wie es durch den Anspruch 1 gekennzeichnet ist ο Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschriebene Eine Schutzeinrichtung zur Anwendung des Verfahrens ist in Anspruch 8 und den.darauf bezogenen Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung basiert auf der überraschenden Beobachtung, daß, obwohl sich die von einem bewegenden Eisfeld verursachte Belastung, wie bekannt, proportional sur Eisbrech-Querschnittsflache einer ortsfesten Konstruktion in diesem Eisfeld vergrößert, es dennoch möglich ist, eine Hilfseinrichtung vorzusehen, welche die von dem Eis verursachte Horizontalkraft trotz der Tatsache verringert, daß sich die Durchschnittsfläche der gesamten ortsfesten Konstruktion oder mit anderen Worten die Breite des zu brechenden Eisfeldes vergrößert.

Eine überraschend starke Verringerung der Eisbelastung ist möglich ohne irgendeine Änderung an der ortsfesten Konstruktion selbst, indem die ortsfeste Konstruktion mit einer Schutzeinrichtung nach der Erfindung versehen wird.

Durch Berechnungen wurde ermittelt und Versuche haben dies bestätigt, daß, wenn eine ortsfeste Konstruktion breiter als die Dicke des Eises ist, das erfindungsgemäße Verfahren die horizontalen Eiskräfte bis zu einem Zehntel derjenigen Kraft herabsetzen kann, die auftreten würde, wenn Maßnahmen nach der Erfindung nicht getroffen werden würden.

Die unkomplizierteste Art der Verwirklichung der Erfindung besteht darin, die Schutzeinrichtung als einen nach unten konvergierenden Konus auszubilden. Der Konus sollte vorzugsweise so bemessen und angeordnet werden, daß sein Durchmesser an der Wasseroberfläche 0,8 bis 1,15 mal dem Durchmesser der geschützten ortsfesten Konstruktion geteilt durch (1 minus cos a) ist, wobei a der Neigungswinkel der Mantelfläche des Konus in Bezug zu einer Horizontalebene ist. Der optimale Wert dieses Neigungswinkels liegt im allgemeinen im Bereich von 35° bis 65° und insbesondere im Bereich von 40° bis 60°.

Da die von einem sich bewegenden Eisfeld verursachte Belastung auf eine ortsfeste Konstruktion im wesentlichen von der Reibung zwischen dem Eis und der ortsfesten Konstruktion abhängt, ist es von Vorteil, bei Anwendung der Erfindung die Außenfläche der Schutzeinrichtung auf der Höhe der Wasseroberfläche und unterhalb dieser glatt auszubilden. Vorzugsweise sollte ein Material verwendet werden, das über lange Zeit in· Seewasser glatt bleibt. Ein geeignetes Material ist rostfreier Stahl, der trotz seines hohen Preises

,V.) die wirtschaftlichste Lösung ermöglicht. Die Schutzmaß-

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nahmen nach der Erfindung ermöglichen Einsparungen, welche die durch die Anwendung der Erfingung verursachten Material- und Arbeitskosten um ein Vielfaches übersteigenEine normale Stahloberfläche kann ebenfalls glatt gemacht werden, indem sie mit einer Spezialfarbe wie ZoB. mit einer Epoxi^farbe bedeckt wird, die eine harte, glatte und eisbeständige Oberfläche ergibt»

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann verbessert werden, indem Druckgas durch Unterwasser-Gasaustrittsöffnungen, die nahe dem unteren Ende der Schutzeinrichtung oder auf einer niedrigeren Höhe in der ortsfesten Konstruktion angeordnet sind, ausgeblasen wird» Wenn genügende Gasmengen, z.B. Luft, ausgeblasen werden, bewirken die aufsteigenden Gasblasen starke Wasserströme längs der Oberfläche der Schutzeinrichtung nach oben, welche Wasserströme als ein die Reibung zwischen der Schutzeinrichtung und dem umgebenden Eis verminderndes Mittel wirken. Diese reibungsvermindernde Methode in Anwendung auf Schiffe ist in äem US Patent 3580204 beschrieben, auf das hiermit vollinhaltlich Bezug genommen sei. Diese Methode ist verschieden von der ähnlichen bekannten Methode, die benutzt wird, um warmes Bodenwasser mittels der aufsteigenden Luftblasen zur Oberfläche zu bringen, um das Eis an der Wasseroberfläche zu schmelzen oder um Eisbildung zu verhindern. Bei Einsatz der Gasblasmethode im Rahmen vorliegender Erfindung muß die in das Wasser ausgeblasene Gasmenge so groß sein, daß der erzeugte Wasserstrom deutlich in Form eines Wasserkamms an der Wasseroberfläche in der unmittelbaren Nachbarschaft der Schutzeinrichtung beobachtet werden kann. Dieser Kamm kann am besten beobachtet werden, wenn die Einrichtung in offenem, nicht von Wellen oder dergleichen gestörtem Wasser betrieben wird.

Es hat sich als günstig erwiesen, die Schutz-

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einrichtung so zu dimensionieren und anzuordnen, daß die vertikale Ausdehnung ihres nach unten geneigten Abschnitts von der Höhe der Wasseroberfläche nach unten zumindest zweimal, vorteilhaft viermal so groß ist wie die Dicke der dicksten, in dem fraglichen Gebiet vorkommenden Eisschicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schutz

einer ortsfesten vertikalen Säule, und Fig. 2 eine Draufsicht der Anordnung von Fig. 1.

In den Zeichnungen ist mit 1 eine ortsfeste vertikale Rohrsäule bezeichnet, deren unterer Abschnitt in Waser 2 angeordnet ist, das durch ein sich in Richtung des Pfeils 3 bewegendes Eisfeld 4 bedeckt ist. Ein Eisfeld dieser Art, das sich aufgrund von Windoder Strömungseinflüssen bewegt, verursacht auf die ortsfeste Säule 1 eine Horizontalkraft, die sehr stark werden und ein Knicken, Brechen oder eine Verlagerung der Säule bewirken kann.

Die Säule 1 kann z.B. eine hohle Stahlsäule mit einem Kreisquerschnitt sein. Gemäß der Erfindung ist eine Schutzeinrichtung 5 um die Säule 1 herum ange*- ordnet. Dadurch ist der durch Eiseinwirkung beeinflußte Querschnitt beträchtlich vergrößert, was trotzdem zu einer beträchtlichen Verminderung der horizontalen Eisbelastung führt. Die einfachste Form der Schutzeinrichtung 5 ist ein nach unten konvergierender glatter Konus. Dieser Konus ist so bemessen, daß die Eisstücke 4¹ nicht direkt mit der Säule 1 kollidieren. Da die größte Länge eines durch den Konus 5 gebrochenen Eisstückes halb so lang ist wie der Durchmesser des Konus auf der Wasseroberflächenhöhe, wird die Konus-Mantellinienlänge L von der Wasseroberflächenhöhe zum unteren

Rand 6 des Konus so gewählt, daß sie halb so groß ist wie der Durchmesser S des Konus 5 auf der Wasseroberflächenhöhe.

Im folgenden werden folgende Bezeichnungen verwendet:

S= Durchmesser des Konus 5 auf der Wasseroberflächenhöhe

P .= Durchmesser der Säule 1 a = Neigungswinkel der Außenfläche des Konus in Bezug zu einer horizontalen Ebene

t = Biegefestigkeit des Eises, etwa 500 kN/m²

h = Eisdicke in Metern

H = . Horizontalkraft, die vom Eis verursacht wird, wenn es durch Biegen gebrochen wird M= Horizontalkraft, die von Eis verursacht

wird, wenn es durch Zermalmen gebrochen wird

c= Zermalmfestigkeit des Eises, 3000 bis

7000 kN/m²

f = Formkoeffizient
η = Eisauftrieb, etwa 9 kN/m³

Die Aufgabe der Schutzeinrichtung ist es, das Eis durch Abbiegen nach unten zu Zerbrechen. Die durch das Eis auf den Konus 5 einwirkende Horizontalkraft kann etwa nach der bekannten Widerstandsgleichung von Kashteljan berechnet werden:

U) H= 0,004°S°t°h°f + 3,6°n°S^<>h²°f

Der Formkoeffizient für einen Konus ist

f = 1 + 0,5 tan a

Wenn keine Schutzeinrichtung gemäß der Erfindüng benutzt wird, kollidiert das Eis 4 direkt mit der Säule 1, was zum Eisbrechen durch Zermalmen führt. Die durch das Eis bewirkte Belastung kann dann gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden:

(2) M = 0,5"c°h°P
Die Kashteljan Widerstandsgleichung (1) gibt

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leicht irreführende Ergebnisse. Sie gibt z.B. einen Optimalwert von 67° für den Winkel a. Genauere und weit kompliziertere Berechnungen haben jedoch gezeigt, daß das tatsächliche Optimum für den Winkel a bei etwa 50° liegt, und daß in der Praxis der Winkel a im Bereich von 35° bis 65°, vorzugsweise von 40° bis 60°, liegen sollte.

In einem Fall, wo die Eisdicke 1 m ist und der Durchmesser der Säule 18m beträgt, liegt die Eiskraft bei etwa 110 Tonnen, wenn ein günstiger Wert für den Winkel a gewählt wiri. Ohne die Schutzeinrichtung 5 würde in einer ähnlichen Situation die durch das Eis verursachte und auf die Säule 1 einwirkende Horizontalkraft auf einen Wert von 2.800 Tonnen ansteigen. Durch die Erfindung kann also der Widerstand so weit verringert werden, daß er nur noch etwa 4 % der Belastung ist, der sonst auf die Säule einwirken würde. Selbst in Fällen, in denen die Schutzeinrichtung nicht in der günstigsten Weise bemessen und ausgebildet ist, kann davon ausgegangen werden, daß die tatsächliche Eisbelastung in der Größe von etwa 10 % der Belastung liegt, die auf die ortsfeste Konstruktion einwirken würde, wenn keine Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung benutzt werden würde.

In der Zeichnung ist weiterhin gezeigt, wie die durch das Eis bewirkte Reibung durch Einsatz der oben beschriebenen Gasblasmethode verringert werden kann. In ziemlicher Tiefe werden große Mengen an Luft aus öffnungen 16 ausgeblasen. Die Lust selbst hat keinen wesentlichen Effekt auf die Eisreibung, jedoch die aufsteigenden Gasblasen 7 erzeugen starke, nach oben gerichtete Wasserströme 8, die einen Wasserkamm 9 an der Wasseroberfläche in der unmittelbaren Umgebung dos Konuü 5 erzeugen. Die Höhe des Kammes 9 kann in ruhigem offenem Wasser etwa 20 cm oder beträchtlich

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höher sein. Eine geeignete Tiefe der Luftaustrittsöffnüngen liegt bei etwa 5 m und der Gasaustrittsdruck übersteigt nur gering den in der Tiefe der öffnungen 16 herrschenden hydrostatischen Druck.

Für sehr schwere Eisbedingungen kann eine vertikal bewegliche Schutzeinrichtung benutzt werden. Ihre Beweglichkeit kann mit Hilfe von Arbeitszylindern 10 erhalten werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, können vier solcher Zylinder benutzt werden. Geeignete Führungs- und Gleitflächen 12 sollten für die vertikal bewegliche Schutzeinrichtung vorgesehen werden«, Das Brechen des Eises kann bewirkt werden, indem die Einrichtung 5 nach unten bewegt wird. Auf diese Weise können selbst Eiskämme gesprengt werden, um die auf die Säule 1 einwirkende Belastung zu verringern.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt und Abwandlungen sind im Rahmen beigefügter Ansprüche möglich.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Schützen ortsfester Konstruktionen (1), die in Wasser angeordnet und von Wasser umgeben sind, gegen Belastungen durch ein sich in diesem Wasser bewegendes Eisfeld (4), dadurch g e k e η η zeichnet, daß eine Schutzeinrichtung (5) um diese ortsfeste Konstruktion (1) angeordnet ist, welche Schutzeinrichtung (5) einen wesentlich größeren Querschnitt als der Querschnitt der ortsfesten Konstruktion (1) aufweist und auf der Höhe der Wasseroberfläche und unter dieser Höhe eine Außenfläche besitzt, die nach unten in eine Richtung zur ortsfesten Konstruktion (1) geneigt ist, um eine Eisbrechoberfläche zu schaffen, die gegen diese Schutzeinrichtung (5) sich bewegendes Eis (4) nach unten biegt.

- 2 ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schutzeinrichtung grundsätzlich als ein nach unten konvergierender Konus (5) ausgebildet ist»

3 ο Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die Schutzeinrichtung (5) so bemessen und angeordnet ist, daß ihr Durchmesser S auf der Höhe der Wasseroberfläche 0,8 bis 1,5 mal dem Durchmesser P der ortsfesten Konstruktion (1) geteilt durch (1 minus cos a) ist, wobei a der Neigungswinkel der Konusfläche relativ zu einer Horizontalebene ist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Schutzeinrichtung (5) so geformt ist, daß die Neigung a ihrer Außenfläche relativ zu einer Horizontalebene 35° bis 65°, vorzugsweise 40° bis 60°, beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Außenfläche der Schutzeinrichtung (5) auf der Höhe der Wasseroberfläche und unter dieser Höhe glatt ausgebildet ist und vorzugsweise aus einem Material besteht, das in Seewasser glatt bleibt.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß nahe dem unteren Rand (6) der Schutzeinrichtung (5) oder an einem unteren Abschnitt der ortsfesten Konstruktion (1) Gasaustrittsöffnungen (16) vorgesehen sind, die mit einer Druckgasquelle, insbesondere einer Druckluftquelle, verbunden sind, um durch austretendes Gas aufwärtsströmende Wasserströme (8) zu erzeugen, welche Wasserströme (8) die Reibung zwischen der Schutzeinrichtung (5) und dem umgebenden Eis (4, 4') verringern.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Schutzeinrichtung (5) so bemessen und angeordnet ist, daß die vertikale Ausdehnung ihres nach unten geneigten Abschnitts von der Höhe der Wasseroberfläche nach unten zumindest zweimal, vorzugsweise viermal, so groß ist wie die Dicke der dicksten, in dem Bereich der Aufstellung der ortsfesten Konstruktion (1) vorkommenden Eisschicht (4).

8. Schutzeinrichtung zur Anwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß sie um die zu schützende ortsfeste Konstruktion (1) angeordnet ist und

Ab einen wesentlichen größeren Querschnitt als der Quer-

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schnitt der ortsfesten Konstruktion (1) aufweist und auf der Höhe der Wasseroberfläche und unter dieser Höhe eine Außenfläche besitzt, die nach unten in einer Richtung zur ortsfesten Konstruktion (1) geneigt ist, um eine Eisbrechoberfläche zu schaffen, die gegen diese Schutzeinrichtung (5) sich bewegendes Eis (4) nach unten biegt.

9. Schutzeinrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Einrichtungen (10), um die Schutzeinrichtung vertikal auf- und abzubewegen.

10. Schutzeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen (10) zum Auf- und Abbewegen der Schutzeinrichtung so bemessen und angeordnet sind, daß eine extrem starke Bewegung nach unten zum Aufsprengen einer Eisschicht (4) möglich ist.