Meerestechnik - Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik

VorwortDie Vorlesung Meerestechnik hat bei den Bauingenieuren der Ruhr-Universität einelange Tradition. Angesiedelt am Lehrstuhl für Grundbau und Bodenmechanik hielt siezunächst Herr Prof. Späing. Nach seiner Pensionierung, also von 1989 bis zumheutigen Tage lese ich jeweils eine Semesterwochenstunde im Sommersemester.Hörer sind in erster Linie die Vertiefer in Grundbau und Bodenmechanik, aber auchInteressierte aus dem konstruktiven Ingenieurbau, dem Baubetrieb, dem Wasserbauund anderen Vertiefungsrichtungen.Wie kam die Meerestechnik an die Ruhr-Universität, wo doch renommierteküstennahe Lehrstühle für den Seewasserbau schon lange existierten? In den 70erJahren des vergangenen Jahrhunderts, als die Suche nach Erdöl und Erdgas dieeuropäischen Küsten erreichte, war die deutsche Bauindustrie sehr zuversichtlich,mit ihrer Fachkompetenz auch in diesem Sektor Fuß fassen zu können. Für die 1965mit einer starken Baufakultät eröffnete Ruhr-Universität lag es nahe, diesesGeschäftsfeld auch in der Lehre anzubieten.Die deutsche Bauindustrie hatte zahlreiche Hafenanlagen, aber auch Brücken überMeerengen und Seen gebaut. Mit Unterstützung des Bundesministers für Forschungund Technologie erwarb sie das noch neue Know-how für den Baumeerestechnischer Konstruktionen. In dieser Zeit war ich Projektleiter einesGroßversuches im Testfeld der Forschungsplattform „Nordsee“, anschließend Leitereines Forschungsprogramms zur Ermittlung der Kräfte aus den Einwirkungen vonMeereis auf Plattformen. Es folgten zahlreiche Untersuchungen und Studien für dieGründungen und den Bau von Plattformen, u.a. offshore Sachalin, Australien undNeufundland. 1983 verfasste ich die „operations manuals“ für die See-Installationender ersten deutschen Ölförderplattformen im Feld „Schwedeneck-See“ in der Ostseeund nahm an den Seemanövern teil. Bis 2002 war ich Mitglied der Arbeitsgruppe ISO19993: „Fixed Concrete Offshore Structures“.Für einen Industrieingenieur ist es eine angenehme Herausforderung, als Lehrenderan eine Hochschule zurückzukehren. Ohne die Unterstützung seines Arbeitgebers istdas nicht möglich. Der Bilfinger Berger AG ist zu danken, dass sie traditionell nichtnur in vielen Forschungskooperationen mit den Hochschulen zusammenarbeitet,sondern auch die Lehrtätigkeit ihrer Ingenieure ermöglicht.Dieses Skriptum entstand 1989 und sollte alle Bauwerke umfassen, die denEinwirkungen der Meeresumwelt ausgesetzt sind. Jahr für Jahr wurde es aktualisiert.Vorbild war das „Shore Protection Manual“ des U.S. Army Corps of Engineers, weiles mit seinen vielen durchgerechneten Beispielen dem Ingenieur zu schnellemVerständnis verhilft. Aus dem Skriptum wurde 1990 das Buch „Meerestechnik“.Möge die hier vorliegende Fassung der Vorlesung mit Stand vom Sommer 2004 denStudierenden einen anschaulichen Einblick in dieses interessante Arbeitsfeld derBauingenieure eröffnen.Weisenheim am Berg, im Juni 2004,Peter Wagnerinhaltlich unveränderte Neuausgabe Mai 2010

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und FelsmechanikIInhalt1. Einführung................................................................................................................................1-1Literatur zu 1.:..........................................................................................................................1-52. Die Einwirkungen auf Bauwerke im Meer ..............................................................................2-12.1 Wind...................................................................................................................................2-12.2 Strömung ............................................................................................................................2-22.2.1 Gezeitenströmung........................................................................................................2-32.2.2 Winderzeugte Strömung..............................................................................................2-32.3 Wasserstände......................................................................................................................2-42.4 Wellen ................................................................................................................................2-62.4.1 Wellen im Tiefwasser .................................................................................................2-62.4.2 Flachwasserwellen ......................................................................................................2-82.4.3 Wellentheorien ............................................................................................................2-92.5 Literatur zu 2.:..................................................................................................................2-123. Berechnung der äußeren Kräfte auf Küsten- und Offshore-Bauwerke....................................3-13.1 Strömungskräfte .................................................................................................................3-13.1.1 Windkräfte...................................................................................................................3-23.1.2 Kräfte infolge Meeresströmung ..................................................................................3-23.2 Wellenkräfte.......................................................................................................................3-33.2.1 Wellkräfte auf senkrechte Uferwände.........................................................................3-33.2.2 Konstruktion von Deichen ..........................................................................................3-43.2.3 Bemessung von geschütteten Wellenbrechen .............................................................3-43.2.4 Wellenkräfte auf zylindrische Bauteile.......................................................................3-73.3 Literatur zu 3.:..................................................................................................................3-114. Entwurfsmethodik in der Meerestechnik .................................................................................4-14.1 Beteiligte Instanzen............................................................................................................4-14.2 Vorschriften Empfehlungen und Normen ..........................................................................4-34.2.1 Regelwerke für Küstenbauwerke ................................................................................4-34.2.2 Regelwerke für Offshore-Bauwerke ...........................................................................4-44.3 Entwurfsmethodik ..............................................................................................................4-54.3.1 Entwurfsmethodik im deutschen Küstenwasserbau....................................................4-54.2.2 Entwurfsmethodik im Offshore - Bau.........................................................................4-54.4 Literatur zu 4.:..................................................................................................................4-105. Gründung von Meeresbauwerken ............................................................................................5-15.1 Allgemeines........................................................................................................................5-15.2 Küstenbauwerke.................................................................................................................5-15.3 Offshore-Bauwerke ............................................................................................................5-35.4 Entwurfsprizipien...............................................................................................................5-85.5 Literatur zu 5.:..................................................................................................................5-10

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und FelsmechanikII6. Offshore-Bauwerke ..................................................................................................................6-16.1Allgemeines.........................................................................................................................6-16.2. Lagerstätten, Reserven, Förderung und Verbrauch...........................................................6-16.3 Offshore-Konstruktionen zur Erschließung von Erdöl und Erdgas ...................................6-26.4 Herstellverfahren................................................................................................................6-36.5 Arbeiten auf See.................................................................................................................6-56.6 Literatur zu 6.:....................................................................................................................6-77. Bauwerke unter Eiseinwirkung ................................................................................................7-17.1 Eisbildung und Erscheinungsformen des Eises..................................................................7-27.2 Eigenschaften des Eises .....................................................................................................7-27.3 Berechnung von Eiskräften ................................................................................................7-37.4 Bauwerke in eisführenden Gewässern ...............................................................................7-67.5 Literatur zu 7.:....................................................................................................................7-7Anhang:• Glossarium der meerestechnischen Begriffe• Druckfehlerberichtigung zu Wagner, P.: Meerestechnik, Ernst & Sohn, Berlin,1990.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 1 - 2wicklung entweder an den Lehrstühlen Maschinenbau / Schiffbau oder Bauingenieurwesen /Wasserbau gelehrt:• Technische Universität Berlin, Institut für Schiffs- und Meerestechnik, LehrgebietMeerestechnik• Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Grundbau und Bodenmechanik, VorlesungMeerestechnik• Technische Universität Braunschweig, Lehrstuhl für Hydromechanik und Küstenwasserbau,Vorlesungen Hydromechanik und Küsteningenieurwesen• Technische Universität Hamburg-Harburg, Arbeitsgebiete Meerestechnik I und II• Universität Hannover, Franzius-Institut, Vertiefungsstudium Küsteningenieurwesen• Universität Rostock, Fachbereich Maschinenbau und Schiffstechnik, VertiefungsfachMeerestechnikMeerestechnische Forschungs- und Versuchseinrichtungen:• Forschungszentrum Küste (FZK), Hannover, mit dem Großen Wellenkanal. GemeinsameZentrale Einrichtung der Universität Hannover (Franzius-Institut) und der TechnischenUniversität Braunschweig (Leichtweiß-Institut).• Hamburgische Schiffbau-Versuchanstalt (HSVA) mit dem großen Eiskanal.• Bundesanstalt für Wasserbau, Außenstelle Küste, Hamburg.• Das GKSS-Forschungszentrum Geesthacht mit dem Unterwassersimulator GUSI.• Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhafen.Die Intensität, mit der in einem Land Meerestechnik als Offshore-Technik betrieben wird, hängtweniger vom Interesse einzelner Institutionen als vielmehr davon ab, welche Chancen sich derIndustrie auf diesem Markt bieten. Nach dem Bekanntwerden großer Lagerstätten in der Nordseekam es zu einer Aufteilung dieses Schelfmeeres unter die Anliegerstaaten (United Nations ContinentalShelf Convention), wobei die Bundesrepublik Deutschland mit einem Zipfel in derDeutschen Bucht ohne sehr ausbeutungswürdige Felder beschieden wurde (Bild 1-1). Als weiteresHandikap erwies sich, dass die deutsche Küste zu flach ist für Tiefwasser-Bauplätze, wiesie zum Bau großer Plattformen erforderlich sind.Dennoch haben sich Wirtschaft, Forschungseinrichtungen und Hochschulinstitute mit großemInteresse in Arbeitsgemeinschaften und Forschungskooperationen engagiert. Der Bundesministerfür Forschung und Technologie förderte diese Aktivitäten und stellte 1975 die (inzwischen abgebaute)Forschungsplattform "NORDSEE" (FPN) mit einem Erprobungsfeld für meerestechnischeVersuche in der Deutschen Bucht, 40 Seemeilen nordwestlich von Helgoland, zur Verfügung.Bauingenieure entwickelten Halbtaucher und Flüssiggastanker aus Beton, Plattformen zur Ölförderung,umsetzbare Plattformen für Kraftwerke, Öl- und Gasspeicher und Plattformen für Erdbeben-und Eisbelastung von Vorentwürfen über Durchführbarkeitsstudien bis zum Prototyp. ImErprobungsfeld der FPN wurden 1979/80 das Großmodell eines Gelenkturmes (CONAT) [4] und1981 gelenkig gekoppelte Betonpontons (SEADECK) unter realen Seeverhältnissen getestet.Ein Markterfolg war diesen Arbeiten nicht beschieden, weil die feldbesitzenden Länder ihreeigenen Entwicklungen bevorzugten. Niedrige Ölpreise bremsen zudem die Erschließung neuerFelder. Drei deutsche Felder konnten offshore erschlossen werden: Schwedeneck-See (KielerBucht) mit zwei Betonplattformen (Bilfinger + Berger, Dyckerhoff & Widmann, 1983),Mittelplate (Wattenmeer) mit einer künstlichen Insel (Dyckerhoff & Widmann, 1984) undA6/B4 (deutscher Nordseesektor) mit einer Stahlplattform (2000) [5].In jüngerer Zeit haben der Verband für Schiffbau und Meerestechnik (VSM) und dieGesellschaft für Maritime Technik (GMT) Studien für Marktpotentiale, Technologiekapazitätund Forschungsbedarf auch außerhalb der Erdöl- und Erdgasexploitation vorgelegt [6]. ImJanuar 2002 veröffentlichte die Bundesregierung ihr Papier „Strategie der Bundesregierung zurWindenergienutzung auf See“ [7], [8]. Dazu wurde eine Forschungsplattform offshore Borkumerrichtet und im August 2003 in Betrieb genommen [9]. Weitere Messplattformen sind geplant.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 1 - 3Der Bundestag beschloß am 27.06.2002 „weltweite Märkte für die Meerestechnik zuerschließen“.Für angehende Bauingenieure wird es also auch in der Zukunft Aufgaben in der Meerestechnikgeben:• Bau und Rückbau von Offshore-Plattformen,• Bauen offshore ohne Bezug zur Ölindustrie für Pfeiler von Brücken über Meeresengen, Kühlwasserbauwerkevon Kraftwerken an der Küste, Gründungsbauwerke für Offshore-Windkraftanlagen, Landgewinnung für Häfen, Flughäfen und Ansiedlungen,• Künstliche Inseln, schwimmende Städte, touristische Anlagen,• Küstenschutz und Seewasserbau,• Arbeiten in den international tätigen Firmen, Ingenieurbüros und in Versuchsanstalten.Die großen deutschen Baukonzerne mit ihren internationalen Töchtern sind auch auf Märktentätig, wo mit zunehmender Verknappung der Reserven in den klassischen Fördergebieten neueFelder entwickelt werden. Der Abbau bestehender Plattformen eröffnet ein neues, umfangreichesGeschäftsfeld. Das Bemessungsverfahren, das Sicherheitskonzept und die Planung der Bauabläufesind typische Bauingenieuraufgaben.Fazit: Die Meerestechnik bleibt also nicht nur ein interessantes, sondern auch ein zukunftsträchtigesSpezialgebiet für Bauingenieure.Ziel der Vorlesung:• Vermittlung von Kenntnis und Verständnis für den eigentümlichen Charakter der Belastungenim Meer, ihre Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit des Auftretens vonExtremereignissen und ihre richtige Auswahl und Kombination für den Entwurf.• Vermittlung von Kenntnissen über Beanspruchungen und Bemessungsverfahren,Konstruktionsformen und Bauablaufplanung unter dem Gesichtspunkt der Funktion, derSicherheit und der Wirtschaftlichkeit.Hinweise zum Studium und für die Praxis [10]:1. Zusammenhänge und Wirkungsweisen verstehen lernen (Warum hält ein Wellenbrecher,warum bricht er?).2. Herausfinden, welche Stellen, Autoritäten, Prüfinstanzen für welche Aufgaben zuständig sindund welche Rolle und Verantwortung man selbst innehaben wird.3. Wissen, wie man an den aktuellen Wissensstand kommt. Stand der Technik ist, wasveröffentlicht ist, weltweit (Informationsdatenbanken)! Normen sind verbindlich, aber nichtimmer auf dem Stand der Technik.4. Betrachten Sie Veröffentlichungen kritisch. Am Literaturverzeichnis erkennt man schnell, obder Autor den Stand der Technik recherchiert hat. Und verlassen Sie sich auf keine Aussageoder Formel in irgendeiner Veröffentlichung, deren Plausibilität und Aktualität Sie nichtüberprüft haben!5. Die Literaturangaben im Scriptum nennen zuerst die Richtlinien (Normen, Empfehlungen),dann die allgemeine, umfassende Literatur, dann die spezielle Literatur zum jeweiligenKapitel und schließlich Internetadressen wichtiger Quellen.6. Bestandteil des Scriptums ist ein Glossarium englischer Fachbegriffe der Meerestechnik.Das Vorlesungsskriptum habe ich zum ersten Mal 1989 geschrieben und danach laufendaktualisiert. Ein Jahr später entstand daraus mein Buch „Meerestechnik“ mit ausführlichererDarstellung des Stoffes, vielen Abbildungen, Diagrammen und Rechenbeispielen. Für diePrüfung und für ein Grundlagenwissen muß das nun vorliegende Scriptum in Verbindung mitVorlesung und Diavortrag ausreichen. Wenn Sie aber entwerfen oder bauen, brauchen SieLiteratur zum Stand der Technik (siehe oben).

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 2 - 2Einflußfaktoren:1. Zeitintervall für die Mittelbildung. Eine Beziehung zwischen den Mitteln verschiedenerZeitintervalle t 1 und t 2 wird durch empirische Formeln beschrieben, z.B. [6]:U t2 = U t1 (1 + 0,047 ln t 1 /t 2 ), mit t 2 < t 12. Höhe über See. Windgeschwindigkeit nimmt mit steigender Höhe zu, verursacht durchReibung an der Bodenfläche (See) und zwischen den horizontalen Luftschichten (Zähigkeit).Im internationalen Wetterdienst wurde deshalb eine einheitliche Referenzhöhe(Anemometerhöhe) von 10 m über Grund (Land, See) festgelegt. Das vertikaleGeschwindigkeitsprofil U(z) über der Höhe z läßt sich mit einem Potenzgesetz beschreiben:β⎛ z ⎞U z = U 10 ⎜ ⎟ , ß kann näherungsweise 1/7 gesetzt werden (nach ISO19901-1 Entwurf⎝10⎠auch 1/8,5).3. Häufigkeit. 50- oder 100-jähriges Ereignis.Für Offshore-Bauten werden üblicherweise zwei Lastfälle untersucht:• Wind mit einer Geschwindigkeit entsprechend dem 1-min-Mittel und maximale Wellenlast• Wind mit einer Geschwindigkeit entsprechend dem 3-s-Mittel allein.Wo winderregte Schwingungen zu maßgebenden Belastungen führen können, ist eineweitergehende Untersuchung unter Verwendung des Energiespektrums des Windes erforderlich.Beispiel: Wind auf ein Plattform-DeckGegeben: UGesucht: U1h,10m = 38,7 m/s1min in 40 m HöheLösung: U t2 = U t1 (1 + 0,047 ln t 1 /t 2 )= 38,7 (1 + 0,047 ln (60/1)) = 38,7 • 1,1924 = 46,1 m/sU z = U 10 (40/10) 1/7 = 46,1 • 4 1/7 = 56,3 m/s2.2 Strömung (current)Strömungen im Meer haben vielerlei Ursache. Bei Offshore-Bauwerken in der Nordsee werdenüblicherweise zwei Strömungsarten superponiert:1. Gezeitenströmung (Tidestrom)2. Winderzeugte StrömungFür die Belastungsberechnung sind maßgebend die Strömungsgeschwindigkeiten v c (bzw U Wiund U T ) und ihre vertikale Verteilung v c (z), vergl. Wind.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 2 - 3Bild 2-1: Geschwindigkeitsprofile derMeeresströmung [5], [6]U Wi = winderzeugte StrömungU T = Gezeitenströmung2.2.1 Gezeitenströmung (tidal current)Der Bemessung wird die größte Strömungsgeschwindigkeit v T innerhalb eines Zeitraumes (50oder 100 Jahre) an der Meeresoberfläche zugrunde gelegt. Sie schwankt in der Nordseezwischen 0,5 und 1,5 m/s und kann Karten oder Tabellen oder unter der Internetadresse desBundesamtes für Seeschiffahrt und Hydrographie [8], [9] entnommen werden.Die vertikale Verteilung folgt dem Potenzgesetzv T (z) = v⎛ d + z ⎞T ⎜ ⎟⎝ d ⎠αd = Wassertiefe, z = 0 (Stillwasserlinie), nach unten negativ.α = 1/7 (s. a. ISO 19901-1 DIS)2.2.2 Winderzeugte Strömung (wind generated current)Wenn keine statistischen Daten vorliegen, kann über freien Gewässern dieStrömungsgeschwindigkeit an der Meeresoberfläche durch die Näherungv W = 0,02 v Wind,1h,10mberechnet werden.Die winderzeugte Strömung nimmt linear mit der Tiefe ab und endet in einer festgelegten Tiefe,z. B. 50 m (DNV [4]).⎛ d+z⎞v W (z) = v W ⎜ ⎟⎝ d ⎠Beispiel: StrömungGegeben:WGesucht:Tideströmung v T = 1,0 m/sindgeschwindigkeit v Wind,1h,10m = 38 m/sWassertiefe d = 80 mStrömungsgeschwindigkeit v c in 40 m Wassertiefe

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 2 - 4Lösung: v T (z = -40) = v ⎛ d + z⎞T ⎜ ⎟⎝ d ⎠17 /= 1,0⎛ 80 − 40⎞⎜ ⎟⎝ 80 ⎠17 /= 0,91 m/sv W = 0,02 • v Wind = 0,02 •38 = 0,76 m/sv W (z = -40) = v W⎛ d⎜⎝+dz⎞⎟ = 0,76⎠⎛⎜⎝50 − 4050⎞⎟ = 0,15 m/s⎠v c = v T + v W = 0,91 + 0,15 = 1,06 m/sJe nach Örtlichkeit können weitere Strömungsarten (Driftströmung, Brandungsströmung) zuberücksichtigen sein.2.3 Wasserstände (water level variations)Die Wasserstände und ihre Schwankungen haben vielfältigen Einfluß auf Küsten- und Offshore-Bauwerke. Vor allem die Extremwerte sind entwurfsbestimmend.HöchstwasserstandEr bildet zusammen mit den höchsten Wellen und großen Windstärken einen Lastfall für dieBemessung:• größte Horizontalkraft, größtes Kippmoment aus Strömung und Wellen• größte Auftriebs- und Sohlwasserdruckkräfte (geringste Bodenpressung)• größte hydrostatische Drücke auf die Fundamentzellen• Höhe von Deichen, Wellenbrechern, Kajen gegen Überflutung• Höhe der Unterkante von Überbauten (Brücken auf Pfeilern, Decks von Plattformen)NiedrigstwasserstandMaßgebend für• Verschleppungsvorgänge im Gewässern mit begrenzter Tiefe. Mindestabstand zwischenSeegrund und Unterkante Bauwerk (Flottwasser, underkeel-clearance) bei Berücksichtigungder Tauch-, Stampf- und Rollbewegung des geschleppten Objektes.• Geringster Auftrieb auf ein fest gegründetes Bauwerk und somit höchstes Gewicht auf demUntergrund.WasserstandsänderungenIn diesem Bereich korrodieren die Baumaterialien am stärksten, weil durch den ständigenWechsel von Wasser und Luft immer neuer Nachschub an Feuchtigkeit und Sauerstoff, denKorrosionsbeschleunigern, vorhanden ist. Der marine Bewuchs ist hier besonders stark, ebensodie Gefahr äußerer Beschädigung durch Treibgut und Eis.Wichtigste Einflüsse:• Tide• Windstau (Sturmflut)

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 2 - 5Die Tide (astronomical tide) ist die Wasserspiegeländerung durch die Gezeiten, d.h. durch dieastronomischen Einflüsse von Mond und Sonne ("Astronomische Tide"). Die Periode derMondgezeit beträgt etwa 12½ Stunden, die der Sonnengezeit 28 Tage. Durch Überlagerungbeider entstehen die Extremtiden bei Vollmond und Neumond (Springtide) und bei Halbmond(Nipptide).Die Wasserspiegeldifferenz, der Tidenhub, ist vor allem abhängig von der Küstenmorphologie.Sie kann aus speziellen Landkarten oder Tidekalendern [8], [9] entnommen werden.Der Windstau (storm surge) entsteht, wenn Sturmwind mit hoher Geschwindigkeit über dieMeeresoberfläche streicht und nicht nur Wellen zunehmender Höhe, sondern auch einenMassentransport von Wasser hervorruft. Neben Windgeschwindigkeit, Streichlänge über Seeund Sturmdauer spielen die Küstenform und die Unterwassermorphologie (Wassertiefe, Neigungdes Untergrundes) eine bestimmende Rolle.BemessungswasserstandDer Bemessungswasserstand (Ruhewasserstand, still water level) ist der höchste Wasserstand(einschl. Tide und Windstau) für die maximale Beanspruchung des Bauwerks, ohne Ansatz derWellenamplitude.Bild 2-2: Definition derWasserspiegel nach DNV [4]Der Entwurf von Meeresbauwerken verlangt nun eine Festlegung von Höhenkoten wieOberkante Bauwerk oder Unterkante Plattformdeck in Bezug auf den Bemessungswasserstandunter Berücksichtigung des Seegangs. Diese Anhebung des Wasserstandes über demRuhewasserspiegel wird als Funktion der Wellenhöhe H angegeben und beträgt:0,5 H Theoretischer Ansatz bei einer Sinuswelle0,7 H B Brechende Welle, EAU, E 135 [1]ca. 0,7 H Offshore-Plattformen (bzw. aus Berechnung der freien Oberfläche)1,0 H Stehende Welle vor senkrechten Wänden, EAU, E135 [1]Die Wellenhöhe H wird hierbei als Höhe einer Bemessungswelle abhängig von einerRisikobetrachtung für das Bauwerk definiert.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundba, Boden- und Felsmechanik 2 - 62.4 WellenWellen stellen fast immer die Hauptbelastung für Küstenschutz- und Meeresbauwerke dar.2.4.1 Wellen im Tiefwasser (deep water waves)Eine Welle kann als ein periodisch wiederkehrender Vorgang aufgefaßt und daher durchWellenhöhe H und Wellenlänge L oder Wellenperiode T beschrieben werden. In der Natur tretennun aber unterschiedlich hohe und lange Wellen in Folge auf. Durch Messung der Höhe derbewegten Wasseroberfläche in kurzen Abständen, z.B. 0,1 s, und der Zeit erhält man eineWellendarstellung als Funktion der Zeit, eine Zeitreihe H(t) (Bild 2-3).Bild 2-3: Zeitreihe einerWellenmessung (schematisch) undDefinition von Wellenhöhe und -periode [1]Definitionen der Wellenhöhe: Nulldurchgangsverfahren (zero crossing) (Bild. 2-3). Damit istauch die zugehörige Wellenperiode definiert. Offenbar läßt sich eine solche Wellenfolge nichtmehr durch ein Zahlenpaar Höhe/Länge beschreiben.Statistische Auswertung: Arithmetisches Mittel, Spannweiten, Standardabweichungen,Häufigkeitsverteilung und Extrema (DIN 55 302: Statistische Auswerteverfahren).BemessungswelleDas Mittel aller Wellenhöhen ist die mittlere Wellenhöhe H m , sie hat für die Bemessung kaumBedeutung. Bedeutsamer sind dagegen die Mittelwerte H 1/10 der 10 % höchsten Wellen oderH 1/100 der 1 % höchsten Wellen (z.B. die höchsten zehn von tausend gemessenen Wellenhöhen)einer Messreihe. Eine Besonderheit ist die Größe H 1/3 , das Mittel der 33 % höchsten Wellen,weil sie etwa der Wellenhöhe entspricht, die erfahrungsgemäß ein geübter Beobachter einesSeegangs schätzen würde. Sie wird auch als signifikante (kennzeichnende) Wellenhöhe H sbezeichnet und ist Basisgröße für viele ingenieurtechnische Betrachtungen. Eine wichtigeBemessungsgröße ist schließlich der Extremwert, die maximale Wellenhöhe maxH einerZeitreihe.Die genannten Größen stehen untereinander in gleichbleibender Beziehung, die auf ihrerHäufigkeitsverteilung (Rayleighsche Verteilungsfunktion) beruht (EAU, E136 [1]).H m = 0,63 H 1/3H 1/10 = 1,27 H 1/3H 1/100 = 1,67 H 1/3maxH = 1,87 H 1/3 ≈ 2,0 H 1/3 (entspricht etwa H 1/1000 )

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 2 - 7Ähnlich lassen sich die Perioden T m , T 1/10 usw. definieren; die zur Wellenhöhe H 1/3 gehörendePeriode ist dann aber T H 1/3 , nicht T 1/3 !Alle bisher genannten Größen sind aus einer Messreihe abgeleitet worden, über derenAuftretenswahrscheinlichkeit noch nichts gesagt wurde.LangzeitstatistikFür die Bemessung werden Extremwerte benötigt, z. B. ein hundertjähriges Ereignis. Einehäufige benutzte Verteilungsfunktion für die Extremwertstatistik ist die Funktion von Weibull[2], [3]. Für Offshore-Plattformen in der Nordsee gibt Det Norske Veritas (DNV) hundertjährigeBemessungswellen an (Tab. 2-1). Die zugehörige Periode kann nach DNV in der Spannweite65 , H < T < 15H variiert werden.Tab. 2-1: 100-Jahreswellen nach DNV [4], [5]Area Latitude (°N) 100 year wave heightAll seasons SummerNorth Sea 52 16 m 12 m53 18 m 14 m54 20 m 15 m55 22 m 17 m57 26 m 20 m59 28 m 21 mNorwegian Sea 61 30 m 23 mSeegangsvorhersage (wave forecasting) [3]Aus folgenden Größen lassen sich Wellenhöhen überschlägig berechnen („vorhersagen“):• Windgeschwindigkeit• Winddauer (Sturmdauer)• Streichlänge (Fetch).Mit der Festsetzung einer Bemessungswelle für den Entwurf kann ein Bauwerk bemessenwerden (design wave approach).Wellenspektrum (wave spectrum)Beliebige periodische Schwingungen lassen sich mit Hilfe von FOURIER-Reihen durch eineendliche Anzahl harmonischer Schwingungen annähern. Seegang als nichtperiodischeSchwingung wird als Grenzfall einer periodischen Schwingung mit der Periode T = unendlichbetrachtet, der durch Überlagerung einer unendlichen Anzahl von harmonischen Schwingungenerfaßt werden kann. Die zum Quadrat der Wellenhöhe proportionale Energie einer jedenHarmonischen wird dann über ihrer Frequenz aufgetragen. Die so entstehende Kurve S(ω) stelltdas Leistungsspektrum (auch spektrale Dichte, spectral density) des Seegangs dar. Aus einemSpektrum können ebenfalls die statistischen Grundwerte gewonnen werden.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 2 - 8Die Verwendung von Spektren im Entwurfsverfahren (wave spectrum approach) ist erforderlich,wenn das Bauwerk seinerseits ein schwingungsfähiges System ist und durch den Seegang zuSchwingungen angeregt wird. Das trifft besonders bei hohen, schlanken Bauwerken und z.B. beiGelenktürmen und schwimmenden Konstruktionen zu. Durch die dabei entstehendenMassenkräfte kommt es zu einer Überhöhung der statischen Last. Bei der Berechnung derBauwerksantwort ist dann oft nicht die höchste Welle sondern eine Welle, deren Frequenz mitder Bauwerkseigenfrequenz zusammenfällt, maßgebend für die maximale Beanspruchung.Bekannte Spektren in der Meerestechnik sind das Pierson-Moskowitz-Spektrum oder das imRahmen des Joint North Sea Wave Projekt entwickelte JONSWAP-Spektrum.2.4.2 Flachwasserwellen (shallow water waves)Mit abnehmender Wassertiefe d wächst der Einfluß, den der Meeresboden auf den Seegangausübt. Eine Tiefwasserwelle ist durch das Wertepaar H, L oder H, T eindeutig gekennzeichnet.Im Übergangsbereich und im Flachwasser ist die Welle durch das Wertetripel H, L, d oder H, T,d definiert.• Tiefwasserbereich: d/L ≥ 0,5• Übergangsbereich: 0,5 > d/L > 0,04• Flachwasserbereich: d/L ≤ 0,04Umformungen der Wellenparameter treten bereits in einem Schelfmeer, wie es die Nordsee ist,auf. Für den Küstenwasserbau sind die folgenden Effekte von Bedeutung:ShoalingeffektDurch Grundberührung wird die Wellengeschwindigkeit reduziert, die Wellenlänge nimmt ab,die Wellenhöhe (nach anfänglicher Abnahme) zu (Shoaling-Faktor K s ).RefraktionWellen, die nicht in der Fallinie des ansteigenden Meeresboden einlaufen, haben die Tendenz,zur Küste hin solange umzuschwenken, bis ihre Wellenkämme parallel zu denUnterwasserhöhenlinien (Tiefenlinien) zu liegen kommen (analog zur Lichtbrechung nach demBrechungsgesetz von SNELL). Die Wellenhöhe wird mit dem Refraktionskoeffizienten K rmultipliziert und größer oder kleiner als die Ausgangswelle.DiffraktionWellen, die auf ein Hindernis (Landzunge, Wellenbrecher) treffen, schwenken um dieses herumund laufen in den Wellenschatten ein, analog dem HUYGENSschen Beugungsgesetz in der Optik.Die Wellenhöhe nimmt dabei im allgemeinen ab.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 2 - 9ReflektionVersperrt ein Hindernis den Weg fortschreitender Wellen, so werden diese reflektiert. DieErscheinung kann an senkrechten Ufereinfassungen stehende Wellen hervorrufen (s. Kap. 3).Die EAK [2] enthalten weitere Erläuterungen. Diagramme und Beispiele, mit denen sich dieTiefwasserwelle auf die Örtlichkeit an der Küste umformen läßt, befinden sich im SHOREPROTECTION MANUAL [3].Brechen der WellenDie Wellenhöhe H wird letztendlich von der Wassertiefe d bestimmt, d.h. die Wellen brechen beieinem bestimmten Verhältnis H B /d b und laufen als gebrochene Wellen mit geringererWellenhöhe weiter zur Küste.Das Verhältnis H B /d b , das sogenannte Brecherkriterium , ist keine Konstante, sondern abhängigvon der Wellensteilheit H/L und von der Standneigung und liegt nach Beobachtungen zwischen0,7 und 2,0. In erster Näherung kann gesetzt werden:H B /d b ≈ 1,0Weitere Angaben enthält E 136 der EAU [1].Im übrigen brechen die Wellen auch im Tiefwasser, wenn sie ihre Grenzsteilheit H/L erreichthaben, theoretisch bei H/L = 1/7, im natürlichen Seegang (aufkommender Sturm) eher beiH/L = 1/10.2.4.3 WellentheorienMit Hilfe der Wellentheorien ist eine mathematische Beschreibung des Wellenganges und eineBerechnung der Wellenkräfte möglichDie linearen Theorien beschreiben Wellen mit kleinen Amplituden und in großen Wassertiefenzutreffend. Die nichtlinearen Theorien (Theorien höherer Ordnung) sind für steile Wellen (H/Lgroß), die cnoidale Wellentheorie ist für Flachwasserwellen (d/L klein) geeignet. Die Gültigkeitaller Wellentheorien endet dort, wo Wellen bestimmter Höhe und Periode nicht mehr möglichsind, weil sie entweder vorher brechen (Flachwasser, Übergangsbereich) oder ihre Grenzsteilheitüberschreiten (Tiefwasser), s. Bild 2-4.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 2 - 10Bild 2-4:Anwendungsbereicheverschiedener Wellentheorien[1]Zunächst gelten bei einer periodisch wiederkehrenden Bewegung (Schwingung, Welle) folgendeBezeichnungen (Bild 2-5):Bild 2-5: Fortschreitende Welle,Bezeichnungen [1]Für die harmonische Elemtarwelle (lineareTheorie, Sinuswelle) gilt:ω = 2π/T = Wellenkreisfrequenzk = 2π/L = WellenzahlWeitere Beziehungen der linearen Wellentheorie enthält Tab. 2-2, solche höherer Ordnungenthält [2].

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden und Felsmechanik 2 - 11Tab. 2-2: Beziehungen der linearen Wellentheorie [1],[2], [3], [5]Beispiel: Bemessungswelle für eine Nordsee-Plattform und zutreffende WellentheorieGegeben: Geographi sche Breite der Lokation 59°Wassertiefe d= 120 mGesucht: Bemessungswelle (H, T, L)Lösung: H = 28 m (Tab 2-1)T = 65 , H ..... 15H = 13,5 ..... 20,5sMit verschiedenen Perioden in dieser Spannweite ist die Lastenermittlung durchzuführen, bis der ungünstigste Wertgefunden worden ist. Im Beispiel wird mit T = 17s weitergerechnet.H/gT 2 = 28/(9,81 • 17 2 ) = 0,010d/ gT 2 = 120/(9,81 • 17 2 ) = 0,042 < 0,0792 (Übergangsbereich)Die angemessene Theorie zur Berechnung der Wellenlasten ist die Stokes'sche Theorie 3. Ordnung.Wellenlänge näherungsweise nach Theorie 1. Ordnung:L = gT 2 /2π • tanh 2πd/L = L o tanh 2πd/L (mit L 0 = g/2π • T 2 = 1,56 T 2 )= 1,56 • 17 2 • tanh (2π • 120/L)= 451 • 0,944 (durch Probieren mit L < Lo)= 426 md/L = 120/426 = 0,28 (wie schon oben festgestellt: Übergangsbereich)Im Tiefwasser wäre die Wellenlänge L 0 = 1,56 • 17 2 = 451 m.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 2 - 122.5 Literatur zu 2.:[1] Empfehlungen des Arbeitsausschusses "Ufereinfassungen" - EAU 1996. 9. Aufl., VerlagErnst & Sohn, Berlin, 1997, sowie jährliche Ergänzungen in den "TechnischenJahresberichten", abgedruckt in den Heften 12 der "Bautechnik".[2] Empfehlungen für die Ausführung von Küstenschutzwerken - EAK 2002. Die Küste,Heft 65, Westholsteinische Verlagsanstalt Boyens & Co, Heide i. Holstein, 2003.[3] Shore Protection Manual. U.S. Army Coastal Engineering Research Center, GovernmentPrinting Office, Washington, D.C., 1984.[4] Rules for the Design and Inspection of Offshore Structures 1977, Appendix A: EnviromentalConditions. Det Norske Veritas, Høvik, 1982.[5] Wagner, P.: Meerestechnik. Ernst & Sohn, Berlin, 1990.[6] Kokkinowrachos, K.: Hydromechanik der Seebauwerke. Handbuch der Werften, Bd. XV,Hamburg, 1980.[7] Kohlhase, S.: Ozeanographisch-seebauliche Grundlagen der Hafenplanung. Mitt. desFranzius-Instituts für Wasserbau und Küsteningenieurwesen der Universität Hannover, Heft57, 1983.[8] Bundesamt für Seeschiffahrt und Hydrographie (BSH), Hamburg, www.bsh.de.[9] The North Sea Environmental Guide. Oilfield Publications Ltd., Ledbury, 1984.[10] Bascom, W.: Waves and Beaches. Anchor Books Doubley, New York, 1980.Neuere Literatur in Vorbereitung siehe Kap. 4, insbesondere:[11] ISO 19901-1 Petroleum and natural gas industries – Specific requirements for offshorestructures – Part 1: Metocean design and operating conditions.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 3 - 13. Berechnung der äußeren Kräfte auf Küsten- undOffshore-BauwerkeNachdem die Umweltbedingungen am Einsatzort (location) festgestellt sind, brauchen wirFormeln und Verfahren für die Berechnung der äußeren Kräfte (Lasten, Einwirkungen), um dasBauwerk bemessen zu können.3.1 StrömungskräfteStationär strömende Medien (v = konstant) erzeugen beim Auftreffen auf ein Hindernis einenDruck q, der nach BERNOULLI errechnet werden kann zuq = 1 2ρv = 1 γ2 2 gρ = Dichte des Mediums (mass density)γ = Wichte des Mediums (unit weight)g = Erdbeschleunigung (acceleration due to gravity) = 9,81 m/s 2v = Strömungsgeschwindigkeit (velocity)2v (γ = ρg) [t/m³ · m/s² = tm/s² · 1/m²] = [kN/m²]Die auf das Hindernis mit der Fläche A wirkende Kraft F beträgtF = C q A sinαC = Formbeiwertq = Staudruck, s.o.A = Fläche des Hindernisses [m 2 ]α = Winkel zwischen Strömungsrichtung und Fläche[°]Die Formbeiwerte wurden experimentell bestimmt. Sie enthalten die Komponenten Druck (inLuv) und Sog (in Lee). Sie sind abhängig von Form und Ausdehnung des Hindernisses, von derRauhigkeit und von der REYNOLDS-Zahl. Ausführliche Tabellen mit formabhängigen Beiwertenenthält z. B. [4], Diagramme für Zylinder als Funktion von REYNOLDS-Zahl, KEULEGAN-CARPENTER-Zahl oder relativer Rauhigkeit enthält [13].Zu beachten ist, dass bei unsymmetrischen Hindernissen eine Kraft quer zurAnströmungsrichtung auftritt. Bei in Gruppen hintereinander angeordneten Baugliedern kann einAbschirmfaktor bei den leeliegenden Hindernissen angesetzt werden.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 3 - 33.2 WellenkräfteEine Übersicht über die Bauwerke, die Wellenbelastungen ausgesetzt sind, gibt Tab. 3-1Bauwerke unter WellenbelastungGrundtypen Anwendung Wirkung Berechnungnicht brechende brechende WellenWellenVertikaleWandUferwände, MolenVertikale Wellenbrecher,kombinierte W.(“Caisson”- W.) fürgroße WassertiefenBöschung Deichglattgeschüttet Uferbefestigung,Wellenbrecher(d < 20 m)Zylinder Pfahlwerke, AnlegerBrückenpfeilerPlattformtürmeD < L/5Plattformfundament,“Caissons”, D > L/5Reflexion(stehende Welle)Druckschlag(brechende Welle)ANTONELLI (1935)SAINFLOU (1928)MICHE + RUNDGREN(1944, 1958)GODA (1974,1985)Wellenauflauf, FÜHRBÖTER (1966, 1991)DruckschlagDissipation HUDSON (1953, 1961)Umströmung(Widerstand +Trägheit)MORISON (1950)Diffraktion MACCAMY + FUCHS (1954)Tab. 3-1: Wirkung und Berechnung von Wellen auf BauwerkeMINIKIN (1963)erweitert GODA/TAKAHASHI (1994)PROVERB 2001MORISON(nur Widerstandmit v = gd )3.2.1 Wellenkräfte auf senkrechte UferwändeBelastungsfall Reflektierte WellenFür eine überschlägige Berechnung der Kraft genügt der Ansatz von ANTONELLI, Bild 3-1..Bild 3-1: Druckverteilung an einersenkrechten Wand bei totaler Reflexioneiner Welle nach ANTONELLIFür genauere Berechnungen haben sich die Ansätze von SAINFLOU [1], [2], [3] oder MICHE +RUNDGREN [3] durchgesetzt, in die auch die Wellenlänge eingeht. Vergleichsrechnung siehe [5].Neuere Veröffentlichungen empfehlen GODA [2], [6], [8] und [13].

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 3 - 5Wellenbrecher werden entweder aus gebrochenen Natursteinen oder Findlingen oder ausBetonformsteinen mit von der Außenschicht zum Kern abnehmender Größe aufgebaut (Bild 3-2).Durch diese dem Filtergesetz in der Bodenmechanik vergleichbare Abstufung enthalten dieeinzelnen Schichten etwa 35 bis 40 % (bei Naturstein) Porenvolumen. Dadurch und durch dieOberflächenrauhigkeit des Bauwerks wird die Energie der auftreffenden Welle verteilt, und eswerden Druckschläge, wie sie bei glatten Wänden auftreten können, vermieden. EntscheidendeBedeutung kommt daher der Auslegung der äußeren Schicht, der Deckschicht (cover layer) zu.Bild 3-2: Aufbau eines geschüttetenWellenbrechers[1] in Bautechnik 12/2000Die eigentliche Bemessungsaufgabe für den Entwurf von Wellenbrechern ist die Ermittlung deserforderlichen Gewichts der Blöcke der Deckschicht (armor units). Dazu dient die durchVersuche gefundene Formel von HUDSON:3ρ sHW =3⎛ ρ s ⎞K D ⎜ − 1⎟cotα⎝ ρ w ⎠W = Gewicht (Masse) des einzelnen Blocks [t]H = Höhe der Bemessungswelle (des mit dem Teilsicherheitsbeiwert multipliziertencharakteristischen Werts der Bemessungswelle, [1]) [m]ρ s = Dichte des Blockmaterials [t/m³]ρ w = Dichte des Wassers [t/m³]α = Böschungswinkel der Deckschicht= FormbeiwertK DDie Böschungsneigung sollte nicht steiler als 1:1,5 gewählt werden.Der Formbeiwert K D wurde für Natursteine und Betonformsteine für unterschiedlicheRandbedingungen in Versuchen ermittelt und in Tabellen zusammengestellt (Tab. 3-2).Brechende Wellen sind zu berücksichtigen bei d ≤ 1,3 H.Hinweis: Auch Strandbefestigungen (riprap-revetment) können mit Hilfe der HUDSON-Formelbemessen werden.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 3 - 6Tab. 3-2: EmpfohleneKD-Werte (Auszug) [1],[2], [3]Der vollständige Entwurf verlangt, nachdem das Blockgewicht errechnet wurde, weitereErmittlungen (in [3] vollständig enthalten):• Bestimmung der Kronenhöhe (Wellenüberschlag?, s. Bautechnik 12/2000)• Dicke der einzelnen Lagen• Anzahl der Blöcke je Fläche• Abmessung der Formsteine (für die Schalung)• Betonvolumen der FormsteineZahlreiche Schäden an Wellenbrechern und Vorschläge zu Sicherheitsanalysen werden in [9]berichtet. Es empfiehlt sich, die anzusetzenden Größen der Bemessungswellenhöhe (H 1/3 oderH 1/10 ) und des Teilsicherheitsbeiwerts für die Einwirkung, d. h. die anzusetzende Vorschrift, mitdem Ingenieur des Auftraggebers und dem Prüfer abzustimmen!Für größere Wassertiefen sind „Vertical Breakwaters“ wirtschaftlicher. Erfahrungen und neuereEntwicklungen enthalten [6], [7] und [8].Praktische Hinweise enthält das gemeinsam von The UK Construction Industry Research andInformation Association (CIRIA) und The Netherlands Centre for Civil Engineering Researchand Codes (CUR) erarbeitete Manual [10].Beispiel:Aufgabe:Gesucht:WellenbrecherFür einen Hafen ist ein Wellenbrecher zu entwerfen. Vor der Küste treten 6 m hohe Wellen auf. Essteht gebrochener Kalkstein (Dichte ρ S = 2,7 t/m 3 ) zur Verfügung. Die Böschungsneigung betrage1:1,5, die Dichte des Wassers ρ W = 1,025 t/m 3 .Gewicht der Blöcke der Deckschicht in einem Querschnitt in 3,0 m Wassertiefe.Lösung: Bemessungswelle gewählt H D = 3,0 m (wie Wassertiefe, siehe 2.4.2).W =3ρsH=3⎛ ρKs ⎞D⎜− 1⎟cotα⎝ ρw⎠327 , • 30 ,20 27 3⎛ ,,1025 ,1 ⎞⎜ − ⎟ 15 ,⎝ ⎠= 5,6 t

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 3 - 8Der Beiwert C M berücksichtigt die vom Baukörper verdrängte Wassermasse m 0 und die zubeschleunigende zusätzliche Masse m a (hydrodynamische Masse, added mass):C M = 1 + m am0= 1 + C aDer Wert C a (Koeffizient der hydrodynamischen Masse) wird für Kreiszylinder theoretisch 1,0 ,somit C M = 2,0.Die MORISON-Formel ist auf schlanke Körper beliebigen Querschnitts anwendbar, wenn C D undC M zutreffend bestimmt werden. Für weitergehende Studien zur Problematik der Beiwerte C D undC M siehe [11] und die dort gezeigten Untersuchungen vom T. SARPKAYA. Neuere Untersuchungenzur genaueren Bestimmung der hydrodynamischen Masse wurden im Rahmen eines BMFTgefördertenFuE-Vorhabens durchgeführt [12].Die Geschwindigkeits- und Beschleunigungskomponenten werden mit Hilfe der Beziehungen ausder für den vorliegenden Anwendungsbereich gültigen Wellentheorie errechnet. Dasphasenverschobene Auftreten der Kräfte ist in Bild 3-4 dargestellt. Die lineare Wellentheorieliefert in Bereichen, für die sie nicht mehr zutreffend ist, ungenaue Ergebnisse [11].Bei gleichzeitig auftretender Strömung ist für die Geschwindigkeit u die Vektorsumme derGeschwindigkeiten der Wasserteilchen infolge Strömung und Welle einzusetzen.Die Berechnung von Hand ist mühsam. Man sollte besser auf vorhandene Rechenprogrammezurückgreifen. Eine einfache Lösungsmöglichkeit bieten die Diagrammen für die Gesamtkraft unddas Moment über Seegrund (mud line) in [3], [5] und [13].Bild 3-4: Wellenprofil, Kraftkomponentenund Gesamtkraft in Abhängigkeit vomPhasenwinkel nach Theorie 1. Ordnung [1]Sonderfälle:Die Formel von MORISON wird (mangels besserer Rechenverfahren) auch benutzt, um die Kräfteauf Pfähle aus brechenden Wellen im Flachwasser zu berechnen. Dabei wird angenommen, dassein Wasserschwall der Dicke H = d mit der Wellengeschwindigkeit v = gd (siehe Kap. 2.4.3)auf den Pfahl trifft. Der C D -Wert wird aus Sicherheitsgründen um den Faktor 2,5 erhöht [1], [2],[3]: C D = 2,5 x 0,7 = 1,75. Das Beschleunigungsglied entfällt.Weitere Sonderfälle sind die Lasten auf Pfahlgruppen und auf geneigte Pfähle , siehe hierzu [1]und [2]. Beispiele und Rechenhilfen enthält [3].

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 3 - 9Verfahren zur Berechnung von Wellenkräften auf großvolumige KörperMit zunehmendem Durchmesser des Baukörpers nimmt die Wirkung zähigkeitsbedingter Effekte(Widerstandskraft) ab, diejenige trägheitsbedingter Effekte (Beschleunigungskraft) jedoch zu. FürD > L/5 treten außerdem Diffraktionseffekte (Deformation der anlaufenden Welle durch denKörper) auf. Eine sehr anschauliche Darstellung der Bereiche der verschiedenen Kräftearten inAbhängigkeit von der Wellenlänge, der Wellenhöhe und dem Bauteildurchmesser von HOBGEN istin [11] wiedergegeben (Bild 3-5). Annahme: H/L = 1/15 bzw. L = 15 H.Bild 3-5: Bereicheder relativenSignifikanz derverschiedenenKräftearten [5],[11]Ein erstes Verfahren zur Untersuchung des Diffraktionsproblems für einen auf dem Bodenstehenden und bis über die Wasseroberfläche reichenden Zylinder konstanten Durchmesserswurde 1954 von MACCAMY und FUCHS als Lösung des linearisierten Randwertproblemsangegeben. In der Offshore-Technik hat man es jedoch öfter mit Körpern, die nicht bis zurWasseroberfläche reichen (Fundamentkörper) oder mit schwimmenden Körpern (Pontons,Halbtaucher) zu tun. Bei solchen Strukturen treten außer den Horizontalkräften auch nochVertikalkräfte auf. Das Kippmoment muß dann aus den mit einer Phasenverschiebungauftretenden Druckverteilungen beider Komponenten zusammengesetzt werden.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 3 - 10Zur Lösung des Problems für beliebig geformte, schwimmende oder auf dem Meeresbodenstehende Körper kann die Potentialtheorie herangezogen werden, wenn zähigkeitsbedingteEffekte (Widerstandskräfte) vernachlässigbar sind und das Wasser als ideale, reibungsfreieFlüssigkeit behandelt wird.Bei der Standsicherheitsbetrachtung ist also zu beachten, dass die Vertikalkraft F Zo alsdynamische, mit der Phase veränderliche Kraft ihr Vorzeichen ändert, also auch nach obengerichtet sein kann. Beim Nachweis der Gleitsicherheit ist deshalb die wirksameVertikalspannung aus Eigengewicht abzüglich Auftrieb und abzüglich der dynamischenvertikalen Wellenkraft zu errechnen.Diagramme zur überschlägigen Berechnung von Kräften und Momenten enthält [5].Anstelle des Shore Protection Manuals (SPM) [3]wird zukünftig das Coastal EngineeringManual (CEM) [13] treten. Für Entwurf und Bau von Offshore-Bauwerken für die Erdöl- undErdgasindustrie wird ISO 1990x [14] maßgebendes Regelwerk werden (siehe Kap. 4).

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 3 - 113.3 Literatur zu 3.:[1] Empfehlungen des Arbeitsausschusses "Ufereinfassungen" - EAU 1996. 9. Aufl., Verlag Ernst& Sohn, Berlin, 1997, sowie jährliche Ergänzungen in den "Technischen Jahresberichten",abgedruckt in den Heften 12 der "Bautechnik".[2] Empfehlungen für die Ausführung von Küstenschutzwerken - EAK 2002. Die Küste, Heft 65,Westholsteinische Verlagsanstalt Boyens & Co, Heide i. Holstein, 2003.[3] Shore Protection Manual. US-Army, Corps of Engineers, Vol. II. Coastal EngineeringResearch Center. Vicksburg/Miss., 1984.[4] Rules for the Design an Inspection of Offshore Structures 1977, Appendix B: Loads. DetNorske Veritas, Høvik 1982.[5] Wagner, P.: Meerestechnik. Ernst & Sohn, Berlin, 1990.[6] Oumeraci, H. et al.: Probabilistic design tools for vertical breakwaters. Balkema Publishers,Rotterdam, 2001.[7] Vertical Breakwaters. Spezial Issue Coastal Engineering Vol. 22, Elsevier, Amsterdam 1994.[8] Takahashi, S.: Design of vertical breakwaters. Port and Harbour Research Institute, Ministryof Transport, Japan, 1996.[9] Analysis of Rubble Mound Breakwaters. Report of Working Group no. 12 of the PermanentTechnical Committee II. Permanent International Association of Navigation Congresses(PIANC), Supplement to Bulletin N° 78/79, Brussels, 1992.[10] CIRIA/CUR: Manual on the use of rock in coastal and shoreline engineering. Beel & Bain,Glasgow, 1991.[11] Kokkinowrachos, K.: Hydromechanik der Seebauwerke. Handbuch der Werften, Bd. XV,Hamburg, 1980.[12] Hedeler, D., Klingmüller, O. und Wagner, P.: Offshore-Plattformen aus Beton unterErdbebenbelastung. Bautechnik 71 (1994), Heft 12.Neuere Literatur in Vorbereitung:[13] Coastal Engineering Manual (CEM), http://chl.wes.army.mil.[14] ISO 1990x Petroleum and natural gas industries – Offshore Structures. http://sc7.tc67.net/

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 4 - 14. Entwurfsmethodik in der MeerestechnikDie Arbeit des Ingenieurs ist abhängig von äußeren Einflüssen:• Beteiligte an Planung und Bau (Instanzen)• Vorschriften und Gesetze• Stand der Technik für Planung und HerstellungBauen von Küstenschutzwerken oder Häfen und Bauen im offenen Meer (insbesondere für dieÖlindustrie) unterscheiden sich hierin.4.1 Beteiligte InstanzenIm Normalfall werden die folgenden Instanzen tätig:AuftraggeberPlanerKüste, HäfenWasserwirtschaftsämterHafenbauämterPrivate BetreiberBehördeIngenieurbürosBauunternehmenOffshore (Öl und Gas)Konzessionsinhaber (Licensee)Betreiber (Operator)Consulting EngineersBauunternehmen, WerftenPrüfung Behörde, Prüfingenieur Klassifikationsgesellschaft,Third party verificationLicensee´s internal controlGenehmigung Bauverwaltung nationale Behörde,in D für Bodenschätze Oberbergamt, fürWindparks BSHAusführung Bauunternehmen Bauunternehmen, WerftenVersicherung i.d.R. nur Bauwesen, Maschinenschaden all riskZwei dieser Instanzen üben einen starken Einfluß auf den Entwurf und die Herstellung offshoretechnischerBauwerke aus. Sie werden deshalb nachfolgend näher beschrieben [9].KlassifikationsgesellschaftenDie Gesellschaften entstanden im letzten Jahrhundert, als der weltweite Schiffsverkehr starkzunahm und mit ihm die den Gefahren auf See ausgesetzten hohen Werte an Menschen, Schiffenund Ladungen. Die Versicherungsgesellschaften hatten großes Interesse an der zutreffendenEinschätzung des Sicherheitszustandes der Schiffe. Diese wurden deshalb nach Klassen eingeteiltund in Registern geführt. Die schifffahrttreibenden Nationen haben für diese Aufgabe ihreeigenen Klassifikationsgesellschaften geschaffen.Mit dem Entstehen von Offshore-Bauwerken zur Förderung von Erdöl und Erdgas wurden dieKlassifikationsgesellschaften auch für diese Bauwerke zuständig oder beratend tätig.Einige bekannte Klassifikationsgesellschaften sind:

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 4 - 2• Büro Veritas, gegründet 1828, Sitz Paris• Lloyds Register of British and Foreign Shipping, gegründet 1834, Sitz London• American Bureau of Shipping, gegründet 1862, Sitz New York• Det Norske Veritas, gegründet 1864, Sitz Oslo• Germanischer Lloyd, gegründet 1867, Sitz HamburgDie Klassifikationsgesellschaften arbeiten in der International Association of ClassificationSocieties (IACS) zusammen und übernehmen im wesentlichen folgende Aufgaben:• Erarbeiten von Vorschriften,• Prüfen von Klassifikationsunterlagen (Konstruktionspläne, statische Berechnungen,hydromechanische Berechnungen, Ablaufpläne für Verschleppungs- undInstallationsvorgänge),• Abnahmen von Materialien, Erzeugnissen,• Bauaufsicht bei der Herstellung,• Begleitung bei Verschleppung und Installation,• Revisionsbesichtigungen im Betrieb,• Erteilung von Zertifikaten, Aufnahme in das Klassifikationsregister,• Gutachten und Beratung.Zum Nachweis, dass ein Offshore-Bauwerk nach den Regeln der Klassifikationsgesellschaft oderanderen, von ihr anerkannten Vorschriften (z.B. nationale Normen) geplant, gebaut, verschlepptund installiert wurde, stellt die Klassifikationsgesellschaft ein Zertifikat (Certificate of Approval)aus. Das Zertifikat enthält Angaben über Verwendungszweck des Bauwerks, geographischeBestimmung und Umweltbedingungen und wird befristet (z.B. auf maximal 5 Jahre) erteilt.VersicherungenBauwerke der Meerestechnik sind durch die Naturgewalten wie kein Bauwerk an Land bedroht.Hinzu kommen besondere Gefahren in den verschiedenen Lebensphasen einer Offshore-Anlagewie Herstellung, Transport, Betrieb. Spektakuläre Schadensfälle der Vergangenheit habenoffenbart, welche enormen Kosten bei Unfällen auf See anfallen können. Versicherungen alsInstitution und als Leistung sind daher unerläßlich [13].Besondere Risiken ergeben sich aus dem Betrieb von Produktionsplattformen. Die Risiken Feuerund Explosion stehen im Vordergrund, aber auch die Gefahr eines unkontrollierten Ausbruchsvon Öl oder Gas aus der Bohrung (blow out). Die Plattformen beherbergen außerdem zeitweiseeinige hundert Arbeitskräfte auf engstem Raum und unterhalten den Flugbetrieb mitHubschraubern.Hohe, nahezu unkalkulierbare Kosten entstehen durch Umweltverschmutzung im Gefolge vonBrand oder "blow out". Reparaturen müssen vor Ort unter den herrschenden Naturbedingungen,unter erschwerten Transportverhältnissen, teilweise in großer Wassertiefe ausgeführt werden. DieWiederherstellkosten sind erheblich höher als ein Bau an Land. Da ein Ereignis eine größereFläche treffen kann, treten sog. Kumulschäden ein. Der Sturm „Andrew“ (1992) hat in seinemWirkungsgebiet 200 Anlagen beschädigt und 20% Produktionsausfall verursacht.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 4 - 7Die Sicherheit des Bauwerks kann nun als die Wahrscheinlichkeit, dass das Bauwerk nichtversagt, d.h. dass eine seltene, extrem hohe Belastung nicht mit einer seltenen, niedrigenBauwerksfestigkeit zusammentrifft, definiert werden. Die Unsicherheit ist demgemäß dasÜberschreiten dieses Grenzereignisses, das Risiko die Wahrscheinlichkeit des Eintretens derUnsicherheit [10], (Bild 4-1).Es gelten folgende Beziehungen:Bild 4-1: Dichtefunktionen vonBeanspruchung undBeanspruchbarkeitDefinition der SicherheitszonenZ = R - SS k , R k = charakteristische Werte,s = StandardabweichungF d = γ f • F rf d = f k /γ mR d = R k /γ RS d = Σ(F ri • γ fi )Bemessungswert der EinwirkungenBemessungswert der MaterialfestigkeitenBemessungswert der BauteilwiderständeBemessungswert der Schnittgrößen (Spannung, Kraft) aus derWirkung der Kombination der Entwurfslastenγ f , γ m , γ R = Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen, Material, BauteilwiderständeF r = repräsentativer Wert der Einwirkung, siehe Tab.4.1.f k = charakteristischer Wert der Materialeigenschaften (hat eine festgelegteWahrscheinlichkeit, in einer Serie von Prüfungen nicht erreicht zu werden, entsprichteinem Quantil in der Verteilung der Materialeigenschaft (z.B. 5 %-Fraktile derDruckfestigkeit bei Beton oder die Mindeststreckgrenze bei Stahl).R k = charakteristischer Wert der BauteilwiderständeDie Entwurfsbedingung lautet nunS d ≤ R dDer Nachweis der Standsicherheit und Dauerhaftigkeit des Bauwerkes ist für die Grenzzustände(limit states) zu erbringen.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 4 - 8GrenzzuständeLastenTragfähigkeit(ULS)Ermüdung(FLS)Außergewöhnliche Lasten(ALS)intaktesBauwerkgeschädigtesBauwerkGebrauchstauglichkeit(SLS)Ständige Lasten Mittelwerte Mittelwerte Mittelwerte Mittelwerte MittelwerteNutzlastenmin. / max.Wertemin. / max.Wertemin. / max.Wertemin. / max.Wertemin. / max.WerteZwangmin. / max.Wertemin. / max.Wertemin. / max.Wertemin. / max.Wertemin. / max.WerteUmweltjährlicheÜberschreitung10 -2ErwarteteBelastungsgeschichteAußerplanmäßigeLasten ------- -------jährlicheÜberschreitung10 -4jährlicheÜberschreitung10 -4jährlicheÜberschreitung10 -1min. / max.Werte------- -------Tab 4-1: Repräsentative Werte F r der Einwirkungen [6]Die Teilsicherheitsbeiwerte berücksichtigen folgende Unsicherheiten:Teilsicherheitsbeiwert für Einwirkungen γ f :Ungünstige Abweichungen vom charakteristischen WertZusammentreffen ungünstiger LastenUngewißheit in der Einschätzung oder Bestimmung der Lasten und ihrer Wirkung auf dasBauwerk.Teilsicherheitsbeiwert für Material γ m :Ungünstige Abweichungen vom charakteristischen WertMindere Festigkeit im Bauwerk gegenüber den ProbekörpernUngewißheit in der Einschätzung der Widerstandsfähigkeit des Bauwerkes unterBelastung.Beispiele für Lastkoeffizienten:für die Zustände FLS, PLS und SLS γ f := 1für ULS γ f = 1,1 bis 1,3 (ständige Lasten)γ f = 1,3 bis 1,5 (Umweltlasten, Verkehrslasten)Beispiele für Materialkoeffizienten:für Beton γ m = 1,25 bis 1,5für Betonstahl γ m = 1,15.Die Werte müssen im aktuellen Fall den anzuwendenden Vorschriften entnommen werden.Achtung: Beton wird entspechend seiner charakteristischen Würfel- bzw. Zylinderdruckfestigkeitin Festigkeitsklassen eingeteilt. Dieser Wert wird in einigen Vorschriften noch mit einem

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 4 - 9Reduktionsfaktor k

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 4 - 10Trotz genauer Kenntnis der Entwurfsmethoden und trotz aller Erfahrungen passieren immerwieder unvorhergesehene Ereignisse und Unfälle durch menschliches Versagen bei der Planungund in der Ausführung. Dem soll eine entsprechende Organisation der Abläufe, Human FactorsEngineering (HFE), vorzubeugen [15]4.4 Literatur zu 4.:[1] Empfehlungen des Arbeitsausschusses "Ufereinfassungen" - EAU 1996. 9. Aufl., VerlagErnst & Sohn, Berlin, 1997, sowie jährliche Ergänzungen in den "TechnischenJahresberichten", abgedruckt in den Heften 12 der "Bautechnik".[2] Empfehlungen für die Ausführung von Küstenschutzwerken - EAK 2002. Die Küste, Heft 65,Westholsteinische Verlagsanstalt Boyens & Co, Heide i. Holstein, 2003.[3] Shore Protection Manual. U.S. Army Coastal Engineering Research Center, U.S. GovernmentPrinting Office, Washington, D.C., 1984.[4] Coastal Engineering Manual (CEM), http://chl.wes.army.mil.[5] ISO/TC67/SC7 – Offshore Structures. http://sc7.tc67.net/.[6] Rules for Classification of Fixed Offshore Installations , Det Norske Veritas, Høvik, 1990.[7] RP2A-LRFD, Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Load andResistance Factor Design, First Edition1993 (Supplement 1997). API RP 2A, AmericanPetroleum Institute, 1997.[8] Guide for the Design and Construction of Fixed Offshore Concrete Structures. ACI-Report357 R 84. American Concrete Institute, Detroit, 1985.[9] Wagner, P.: Meerestechnik. Ernst & Sohn, Berlin, 1990.[10] Schneider, J.: Sicherheit und Zuverlässigkeit im Bauwesen. B. G. Teubner, Stuttgart, 1993.[11] Snell, R.: ISO Offshore Structures Standard. Offshore Technology Conference OTC 8421,Houston, 1997.[12] Leivestad, S.: ISO Standard for Fixed Concrete Structures. Offshore Technology ConferenceOTC 8422, Houston, 1997.[13] Wirtschaftsraum Ozean. Münchener Rückversicherung, München, 1988.[14] Wasserthal. R.:Regelungen über die Entsorgung ausgedienter Offshore-Anlagen imGeltungsbereich des Übereinkommens zum Schutz der Meeresumwelt des Nordostatlantiks(OSPAR-Abkommen) – Ein Überblick. Deutsche Hydrographische Zeitschrift, Supplement 8,1998.[15] Miller, G.E.: Human Factors Engineering (HFE): What it is and how it can be used to reducehuman errors in the offshore industry. Offshore Technology Conference OTC 10876,Houston, 1999.Weitere Internetadressen:http://www.aci-int.org: American Concrete Institute.http://api-ec.api.org: American Petroleum Institute.http://www.glo-offshore.com: Germanischer Lloyd Offshore and Industrial Services, Hamburg.http://www.htg-online.de: Hafenbautechnische Gesellschaft (HTG), Hamburg.http://www.spe.org/otc2003: Society of Petroleum Engineers. Offshore Technology ConferenceInformation.http://www.ospar.org: OSPAR Convention.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 5 - 15. Gründung von Meeresbauwerken5.1 AllgemeinesDie Gründung von meerestechnischen Konstruktionen erfordert besondere Sorgfalt. Dynamischeund stoßartige Belastungen aus Wellen und Eiskräften, Strömungs- und Auftriebskräfte stellenbesondere Anforderungen an die Standsicherheit (das Gesamtgleichgewicht) des Bauwerks.Größere Setzungen beeinträchtigen die Gebrauchstauglichkeit. Typische Böden wie lockergelagerte Sande und die Gefahr der Bodenverflüssigung sind zu berücksichtigen [5].Der Boden wirkt auf das Bauwerk alsUntergrund > TragfähigkeitHinterfüllung > BelastungKorngerüst > Strömungskräfte, Kolke, VerflüssigungElastischer Stoff > SetzungenPlastischer Stoff > Konsolidierung, Anfangsfestigkeit, LangzeitsetzungenBaustoff> Rammen, Bohren, Spülen, AuffüllenFür den Ingenieur werden die Eigenschaften der Bodenarten durch Bodenkennwerte wieLagerungsdichte, Wichte, Reibungswinkel, Kohäsion, Durchlässigkeit und Steifemodulbeschrieben. Diese Werte werden aus Baugrunduntersuchungen gewonnen.Baugrunduntersuchungen können grundsätzlich unterteilt werden in• Geologische Untersuchungen (Geologische Geschichte)• Geophysikalische Aufschlüsse (Meeresbodentopographie, Schichtenverlauf)• Geotechnische Aufschlüsse (Bodenproben, Laboruntersuchungen)5.2 KüstenbauwerkeDie Bodenkennwerte können für Vorentwürfe als Erfahrungswerte aus der Literatur, z. B. E 9[1] oder aus Aufschlüssen benachbarter Baustellen entnommen werden. Für die Ausführungsplanungsind Bodenaufschlüsse und Baugrunduntersuchungen erforderlich.Typische Küstenbauwerke sind:• Geschüttete Wellenbrecher,• Uferböschungen,• Kaimauern in Spundwandbauweise,• Ufermauern und Molen in Senkkasten-, Schwimmkasten- oder Blockbauweise,• Anleger in Pfahlrostbauweise,• Dalben.Diese Bauwerke, ihre Planung und Ausführung sowie die Lastansätze sind ausführlich in [1]beschrieben. Zusätzliche Informationen über den Boden im Bereich der deutschen Küsten enthält[2]. Bild 5-1 zeigt Beispiele.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 5 - 2Bild 5-1: Typische Küstenbauwerke [1]a)Kaimauer und Vorbau als Pfahlwerkb) Ufermauer aus Schwimmkästenc) Ufermauer in BlockbauweiseMit neuen Ansätzen zur Gründung von m assiven Wellenbrechern befasste sich auch das FuE-Vorhaben PROVERB, Kap. Geotechnical aspects [6].

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 5 - 35.3 Offshore-BauwerkeDem Entwurf der Gründung geht die Bestimmung des Standorts voraus.Die wünschenswerte Lage ergibt sich z. B. bei einer Brücke über einer Meeresenge aus derTrasse und der Position der Pfeiler. Bei Förderplattformen ist das Zentrum und die Ausdehnungder Lagerstätte ein Kriterium für die grobe Standortwahl. Es werden also zunächst Explorationsbohrungenausgeführt.Die geeignete Lage des Standorts richtet sich nach den Baugrundverhältnissen, denUmweltbedingungen (Wassertiefe, Strömung, Eisgang) und der Topographie des Meeresbodens(Unebenheit, Neigung, Gefahr der Böschungsrutschung).Nach Abschluss dieser Untersuchungen kann der Standort (final location) festgelegt werden.Erschwernisse bei Bodenaufschlüssen und Gründungen offshore:• Bohren vom Schiff (Hubinsel im Flachwasser)• Wetter• Verluste beim Hochholen / an Bord nehmen• Ortung (Wiederauffinden der untersuchten Stelle: Transponder, GPS)• Absenkgenauigkeit des Bauwerkes (Wetter), erfordert Erkundung in größeremUmkreisDie Tiefe, bis in die die Bodenerkundung zu führen ist, hängt von der Art der Gründung ab. BeiPfahlgründungen reicht die Erkundungstiefe bis zur geplanten Pfahlspitze zuzüglich der Breiteder Pfahlgruppe. Bei Flachgründungen kann man annehmen, daß in einer Tiefe, die demFundamentdurchmesser entspricht, die Vertikalspannungen auf 1/4 ihres Ausgangswertesabgeklungen sind.Vor der Absenkung des Bauwerks ist die Gründungsebene vorzubereiten:• Grobe Steine entfernen• MarkierenTypische Offshore-Gründungen:PfahlgründungenDie ersten Offshore-Plattformen waren Stahlplattformen. Dieser Typ ist auch heute noch amhäufigsten anzutreffen. Sie sind als räumliches, aus Rohren zusammengeschweißtes Fachwerk(jacket) konstruiert. Die maßgebenden Horizontalkräfte aus Wellen, Strömung und Wind rufenein Kippmoment hervor, das über Pfähle (Druck und Zug) in den Untergrund eingeleitet wird.Die Pfähle sind Stahlrohre von 0,6 - 2,7 m Durchmesser und Längen bis 200 m. Sie werden nachdem Aufsetzen der Plattform durch an den Plattformbeinen angebrachte Manschettenrohregerammt, Bild 5-2. Der Ringspalt in der Manschette wird mit Zementmörtel verpresst. DieTragfähigkeit kann durch Teleskopieren, Injektionen unter der Pfahlspitze oder Anschneideneines Pfahlfußes gesteigert werden [3], [4], [7].Die Vertikalkräfte und Momente werden über Spitzendruck und Mantelreibung, dieHorizontalkräfte über die Biegesteifigkeit der Pfähle und die elastische Bettung abgetragen.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 5 - 4Bild 5-2: Techniken derUnterwasserrammung[7]FlachgründungenDiese Gründung ist typisch für Betonplattformen oder auch für Brückenpfeilerfundamente. DieVertikalkräfte und Momente werden über die Bodenpressung unter der Fundamentsohle, dieHorizontalkräfte über die Reibung in der Sohlfuge abgetragen. Das setzt eine genügend großeAufstandsfläche und ein ausreichendes Eigengewicht voraus. Diese Gründungsart wird daherauch als Schwergewichtsgründung (gravity foundation) bezeichnet.Da der Meeresboden i. a. nicht eben und nicht horizontal ist, werden unter der Fundamentsohleumlaufende, nach unten auskragende Scheiben, eine sog. Schürze (Spund- oder Betonwände)angeordnet (Bild 5-3), die beim Absenken in den Meeresboden eindringt (erstmals 1931 beiGründung der Brücke über den Kleinen Belt und inzwischen bei fast allen Betonplattformenangewandt). Der Raum zwischen Meeresboden und Fundamentsohle wird verpresst (grouting).Weitere Vorteile: Tieferlegung der Gleitebene zur besseren Lastabtragung und Kolkschutz [4],[5], [8], [9].Bei wenigen kleineren Plattformen (Ravenspurn, NAM F3, Malampaya) und sehr ebenemUntergrund wurden anstelle der Schürze nur kurze Betonrippen angeordnet (rip type slap), dieGründungsfläche präpariert und der Kolkschutz durch Matten hergestellt [10].

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 5 - 5Bild 5-3: Querschnitt durch die Plattform“Schwedeneck-See A” [8]Windenergieanlagen (WEA)Grundsätzliche Überlegungen zur Gründung von Windenergieanlagen offshore führten zu vierGründungstypen: Schwerkraftgründungen, Tripod-Konstruktionen und Jackets mit Fixierungdurch Pfähle sowie Einzelpfahlgründungen (Monopiles) [20] [21]. Die massivenGründungskörper der Schwerkraftgründungen sind sehr steif, ziehen jedoch hohe Wellenkräfteauf sich. Nachteilig ist dann die geringe Vertikallast der Windanlage (siehe Kap. 5.4). Mehrfachkamen Einzelpfahlgründungen zum Einsatz, z. B. 2003 im Feld North Hoyl, Irische See. Dortwurden Pfähle von 4 m Durchmesser und Längen bis 53 m bohrunterstützt gerammt (drive-drilldriveoperation). Der Boden muss für diese Art der Gründung eine ausreichende horizontaleBettung aufweisen, Kolke sind zu berücksichtigen. Ein EU-gefördertes Forschungsvorhabenzielt auf die Optimierung dieses Gründungstyps [22].Künstliche InselnDiese Bauwerke sind nur für flaches Wasser geeignet. Sie werden hergestellt durchSpundwandrammung und Hinterfüllung oder Absetzen von eingeschwommenen Baukörpern aufeine vorbereitete Berme. Häufig werden diese Bauweisen kombiniert.Besonderes Augenmerk ist auf den Kolkschutz und überlaufende Wellen zu legen.Im Wattenmeer der Deutschen Bucht wurde 1985 bis 1987 die Ölförderinsel “Mittelplate” erbaut[11], [12] nachdem der ursprüngliche Entwurf, eine Stahlplattform, im Modellversuch tiefeKolke hervorgerufen hatte und deshalb verworfen wurde (Bild 5-4).

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 5 - 6Bild 5-4: Bauzustandkünstliche Insel “Mittelplate”in der Deutschen Bucht [11]Verankerungen von schwimmenden BauwerkenWährend mit den klassischen Ankern der Seefahrt Schiffe in geschützten Gewässern oderoffshore arbeitende Bohrschiffe, Halbtaucher o.ä. für begrenzte Zeit am Ort gehalten werdenkönnen, sind die hier angesprochenen Ankersysteme Konstruktionselemente mit großen,kalkulierbaren Haltekräften zur dauerhaften Festhaltung von schwimmenden Konstruktionen. IhrEinsatzgebiet liegt vorzugsweise in Tiefen über 200 m, wo auf dem Meeresboden gegründeteBauwerke ihre wirtschaftliche Grenze haben.ISO 19904, Floating structures (systems), wird bei Erscheinen einige Angaben zu „Mooringsystems“ enthalten. Bis dahin siehe [13].Zwei Arten von Bauwerken sind zu unterscheiden (s. auch Kap. 6):Verankerte Konstruktionen (anchored structures) Eine schwimmende Konstruktion wirdschräg gegen Ankerpunkte verspannt und kann sich innerhalb der Nachgiebigkeit des Systemsmit allen Freiheitsgraden bewegen. Bei abgespannten biegeweichen Türmen sind keine Vertikalbewegungenmöglich.Vorgespannte Konstruktionen (tethered structures). Eine schwimmende Konstruktion wirdmit vertikalen Spanngliedern gegen ihren Auftrieb und gegen den Meeresboden vorgespannt. Siekann dann noch horizontale, aber keine vertikalen Schwingungen und keine Roll- undStampfbewegungen ausführen.Für die Bestimmung der Verankerungskräfte unter den Umweltbelastungen ist in einerdynamischen Berechung das Gesamtsystem Plattform - Ankertrosse - Meeresbodenverankerungzu untersuchen. Durch die relative Beweglichkeit des schwimmenden Bauwerks sind die in denMeeresboden übertragenen Kräfte im Vergleich zu festgegründeten Bauwerken kleiner.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 5 - 7Es gibt folgende Ankertypen:Flunkenanker (fluke anchors)Das sind klassische Anker, die ihre Schaufel in den Meeresboden graben und über denErdwiderstand tragen. Die Haltekraft reicht bis 1 MN, sie kann erhöht werden durch auf demSeeboden ruhende Kettengewichte (catenary mooring).Rammpfahlanker (pile anchors)Dieses System funktioniert analog den o. a. Pfahlgründungen. Tragkräfte von bis zu 10 MNvertikal (Zug) und 8 MN horizontal sind erreichbar.Unterdruckanker (suction piles)Entwickelt für große Wassertiefen (2000 m) und weichen Seeton für die Verankerung kleinererUnterwasseranlagen. Mit einer ferngesteuerten Pumpe wird in einem Stahlrohr ein Unterdruckerzeugt [14].Gewichtsanker (deadweight anchors)Sie bestehen aus massiven Fundamentkörpern (Stahl oder Beton), eventuell mit Schürzen, undtragen über Eigengewicht, Reibung und Erdwiderstand wie eine Flachgründung (Bild 5-5).Durch Erzeugen eines Unterdrucks in den Schürzenkammern kann die Eindringtiefe derSchürzen erheblich gesteigert werden (suction anchor). Gewichtsanker halten z.B. dieTension leg-Plattform „Heidrun” [15].Abb. 5-5: Gewichtsanker mit Schürzen. DerStahlkasten wird mit Eisenerz gefüllt .

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 5 - 85.4.EntwurfsprizipienDer Nachweis der Standsicherheit wird für die Grenzzustände geführt (s. Kap. 4).Für Pfahlgründungen werden Mantelreibung und Spitzendruck aus Erfahrungen in ähnlichenBöden angesetzt. Während der Ausführung geben Proberammungen und der RammverlaufRückschlüsse auf die Tragfähigkeit.Für Flachgründungen sind hauptsächlich Grundbruch und Gleiten nachzuweisenGrundbruch (bearing failure)Nachweis durch Analyse von Gleitflächen mit FEM, vereinfacht mittels Grundbruchformel:Q d = A (c d N c + qN q + γ´b´N b ) ≥ F v γ fA= Fläche (Ersatzfläche bei außermittiger Belastung)c D = Entwurfsfestigkeit der Kohäsionq= Auflast oberhalb der Gründungssohleγ´ = Wichte des Bodens unterhalb der Gründungssohleb'= Breite der rechnerischen AufstandsflächeN c , N q , N b = Tragfähigkeitsbeiwerte für Kohäsion, seitliche Auflastund GründungsbreiteDie Beiwerte für Tragfähigkeit und weitere Faktoren für Fundamentform, Last-, Gelände- undSohlneigung sowie die zugehörigen Teilsicherheitsbeiwerte sind den jeweils vorgeschriebenenRegelwerken zu entnehmen.Gleiten (sliding)c′τ d =γmctan ϕ ′+ σ ′γmfτ d= Bemessungswert der Scherspannung (Widerstand)c',ϕ' = charakteristische Werte der Kohäsion, Reibungγ mc γ mf = Teilsicherheitsbeiwerte für Kohäsion und Reibung (friction)σ´ = wirksame NormalspannungFür einen Sandboden lautet dann der Nachweis der Gleitsicherheit:τ mob =FHγf FVtan ϕ ′≤ τ d = ⋅AA γ mfτ mob = mittlere "mobilisierte" Scherspannung (Beanspruchung)F H = Summe der Horizontallasten für den Extremlastfall (z.B. 100-Jahressturm)F V = Summe der Vertikallasten (Minimalwert) unter Berücksichtigung des Auftriebsund nach oben gerichteter WellenkräfteDaraus läßt sich das erforderliche Mindestgewicht eines Schwerkraftgründungskörperserrechnen: γ mfFV ≥ FHγf ⋅ , (also wird ungefähr erforderlich F V ≥ 3 F H )tanϕ ′Aufgrund der großen Wasserverdrängung und des daraus resultierenden Auftriebs ist einBallastieren (Fluten, Festballast) unerläßlich.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 5 - 9Weitere Nachweise:Eindringen der Schürze (skirt penetration)Untersucht wird die wahrscheinliche und die minimale Eindringtiefe (mögl. Ballast).Unterstützung des Einpressens durch Unterdruck, z. B. Troll [9].Setzungen (settlements)Kurzzeitige (elastische) und zeitabhängige (Konsolidierung gesättigter Tone) Setzungen.Bodenverflüssigung (liquefaction)Unter zyklischer Belastung reagieren locker gelagerter Feinsande mit einem Ansteigen desPorenwasserdruckes, die Scherfestigkeit fällt ab. Maßgebend: zulässiges Scherspannungsverhältnisσ H /σ V (abhängig von Lagerungsdichte, Entwässerungsgeschwindigkeit,Belastungsgeschichte). Einzelheiten siehe [16], [17].Erdbeben (earthquake)Der Lastfall Erdbeben ist zu berücksichtigen in Abhängigkeit vom Schadenspotential desBauwerks (structural safety level) und der seismischen Aktivität am Ort (earthquake hazardzone) [19]. Für große Plattformen gilt insbesondere [5]:• Große Massen der Bauwerke in großer Höhe ergeben große Kräfte schon bei geringerBeschleunigung,• Erdbeben- und Eigenfrequenz des Bauwerks können nahe zusammenliegen, so daß Resonanzentsteht,• Die Erdbeben-Vertikalbeschleunigung beschleunigt die gesamte Bauwerksmasse, währenddas Gewicht um den Auftrieb vermindert ist,• Das die Plattform umgebende Wasser wirkt als hydrodynamische Masse (added mass)kräfteverstärkend.Üblicherweise werden zwei Bemessungsfälle nachgewiesen (vergl. Kap.4), das Bemessungserdbeben(design earthquake) im ULS-Grenzzustand und das Sicherheitserdbeben (maximumcredible earthquake) im ALS-Grenzzustand (wieder in Diskussion in ISO 19901).Die für die Durchführung der Erdbebenberechnung erforderlichen Angaben in Form vonAntwortspektren, Beschleunigungswerten und einer Zoneneinteilung z.B. des norwegischenSchelfgebietes liegen seit einigen Jahren vor. Zur Berechnung von Plattformen unterErdbebeneinwirkung siehe [18], [19].Kolkschutz (scour protection)Kolke gefährden Pfahlgründungen, weil die horizontale Bettung reduziert wird, undFlachgründungen, weil sich die Grundbruchgefahr erhöht. Der Transport von körnigem Materialmit dem Durchmesser d ist eine Funktion der Schleppspannung resp. Strömungsgeschwindigkeitd grenz = f (v 2 ). Zwar ist die Strömungsgeschwindigkeit am Meeresboden gering (Kap. 2.3),andererseits erhöht sie sich beim Umströmen von Hindernissen. Unter dem Einfluß der Wellenwirken auf die Bodenkörner auch nach oben gerichtete Kräfte, welche die Erosion schon beikleineren Strömungsgeschwindigkeiten beschleunigen. Bei Einzelpfählen ist nach Richtliniendes Germanischen Lloyds mit Kolktiefen von 2,5 mal Pfahldurchmesser zu rechnen.Als Maßnahme gegen Kolkbildung eignen sich Steinschüttungen, Stein- oder Betonmatten oderKunstgrasteppiche, die die Strömungsgeschwindigkeit reduzieren. Bei Betonplattformenverhindern die Schürzen, daß Kolke das Fundament unterhöhlen.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 5 - 105.5 Literatur zu 5.:[1] Empfehlungen des Arbeitsausschusses "Ufereinfassungen" - EAU 1996. 9. Aufl., VerlagErnst & Sohn, Berlin, 1997, sowie jährliche Ergänzungen in den "TechnischenJahresberichten", abgedruckt in den Heften 12 der "Bautechnik".[2] Empfehlungen für die Ausführung von Küstenschutzwerken - EAK 2002. Die Küste, Heft65, Westholsteinische Verlagsanstalt Boyens & Co, Heide i. Holstein, 2003.[3] RP2A-LRFD, Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Load andResistance Factor Design, First Edition1993 (Supplement 1997). API RP 2A, AmericanPetroleum Institute, 1997.[4] Classification Notes Nr. 30.4 Foundations. Det Norske Veritas, Høvik, 1992.[5] Wagner, P.: Meerestechnik. Ernst & Sohn, Berlin, 1990.[6] Oumeraci, H. et al.: Probabilistic design tools for vertical breakwaters. Balkema Publishers,Rotterdam, 2001.[7] Kühn, H.: Anwendung von Offshore-Unterwasser-Rammhammeranlagen. Baumaschine +Technik, 8/1988.[8] Quast, P.; Salewski, J. und Wagner, P.: Offshore-Gründungen der Plattformen"Schwedeneck-See". Deutsche Gesellschaft für Erd- und Grundbau e. V., Nürnberg,Baugrundtagung 1986.[9] Andenaes, A. e.a.: Installation of the Troll Phase I Gravity Base Platform. OTC 8122,Houston 1996.[10] McNulty, A. J. W. et al.: New developments in the Design of Concrete GravitySubstructures. OTC 14189, Houston 2002.[11] Ralf, H.-J.: Pilotprojekt Mittelplate. Offshore-Plattform im Wattenmeer. beton 3/86.[12] Quast, P.: Gründungen der künstlichen Insel Mittelplate. Deutsche Gesellschaft für Erd- undGrundbau e. V., Baugrundtagung Hamburg, 1988.[13] Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for FloatingStructures: API 2 nd Edition 1996/1997[14] Sparrevik, P.: Suction Pile Technology and Installation in Deep Waters. OTC 14241,Houston 2002.[15] Miller, D. M. et al.: The Heidrun Field – Marine Operations. OTC 8101, Houston 1996.[16] Schuppener, B.: Ein Verfahren zur Ermittlung des Porenwasserüberdrucks unter zyklischbeanspruchten Offshore-Flachgründungen auf Sand. Geotechnik, H. 3, 1981.[17] Taiebat, H. A. and Carter, J. P.:A semi-empirical method for the liquefaction analysis ofoffshore foundations. Int. J. Numer. Anal. Geomech., 2000; 24: S. 991-1011.[18] Hedeler, D., Klingmüller, O. und Wagner, P.: Offshore-Plattformen aus Beton unterErdbebenbelastung. Bautechnik 71, H. 12, 1994.[19] Bea, R. G.: Reliability Based Seismic Design Guidlines for Offshore Platforms. 16 th Int.Conf. on Offshore Mechanics and Acrtic Engg. OMAE ´97, Yokohama, Japan, 1997.[20] Mitzlaff, A. und Uecker, J.: Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen.HANSA 11/2002, Schiffahrts-Verlag Hansa C. Schroedter & Co, Hamburg, 2003.[21] Pfahlsymposium 2003. Institut für Grundbau und Bodenmechanik, TU Braunschweig, 2003.[22] Dahlhoff, Steck, Taferner: Chansen und Grenzen von Monopiles – Erste Erkenntnisse ausdem Forschungsprojekt Opti-Pile. 2. Tagung Offshore WindEnergie, Hamburg 2003.[23] Werksunterlagen der Fa. MENCK GmbH, Ellerau. http://www.menck.de

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 6 - 16. Offshore-Bauwerke6.1 AllgemeinesZur Geschichte der Offshore-Bauwerke siehe Kap. 1, [1] bis [3]. Einige neuere Rekorde:• Größte Wassertiefe feststehender Plattformen: „Bullwinkle" im Golf von Mexiko, 410 m,Stahlplattform, 1988 .• Größte Betonplattform: „Gullfaks C" mit einer Masse von 800.000 t (247.000m³ Beton) in derNordsee in 216 m Wassertiefe, 1989.• Größte Wassertiefe bei Betonplattformen „Troll”, d = 303 m, 1995.• Erste schwimmende Tension Leg Plattform aus hochfestem Leichtbeton: „Heidrun”, 1995.• Erste Plattform bemessen für Eisbergstoß: „Hibernia” offshore Neufundland, 1997.6.2 Lagerstätten, Reserven, Förderung und VerbrauchFolgende Begriffe kennzeichnen die weltweite Gewinnung von Erdöl und Erdgas (onshore undoffshore), Zahlen für 2002 aus [12]:• ReservenSicher bestätigte (Welt)davon ca. 20 % (?) offshore165 Mrd. t Öl (+ 156.000 Mrd. m³ Gas)• FörderungWeltrd. 3,55 Mrd. t Öl/a (+ 2534 Mrd. m 3 Gas)davon Nordsee 8 % ≅ 38 % des europäischen BedarfsDeutschland 3,7 Mio. t Öl/a• Verbrauch ≈ Förderung (Preis regelt Nachfrage)Nordam erika 28 % (3,1 t/Einwohner•a)Süd-/Ostasien 28 %Europa 21 %Südam erika 9 %GUS 5 %Deutschland3,6 % (1,6 t/Einwohner •a)• Reichweite: ca. 46 Jahre (?). Nicht berücksichtigt: Erdgas in der Arktis und in GUS,Vorkommen in größeren Wassertiefen, neue preiswertere Technik der Ausbeutung derVorkommen. Kanadas Ölsande sind seit der Veröffentlichung 2004 in den Reservenenthalten.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 6 - 2Die größten Erdölbesitzer [Mrd. t.]: Saudi-Arabien (35), Kanada (24), Irak (15).Die größten Erdölförderer [Mio. t]: Saudi-Arabien (407), Russ. Föderation (378), USA (350).Die größten Erdölverbraucher [Mio. t]: USA (888), Japan (249), China/Hongkong (248).6.3 Offshore-Konstruktionen zur Erschließung von Erdöl und ErdgasAbhängigkeiten durch Kartelle der erdölbesitzenden Länder und Erschöpfung von Lagerstättenan Land haben zur Erschließung von Offshore-Lagerstätten geführt. Dabei haben sichverschiedene Konstruktionstypen herausgebildet (Tab. 6-1). Zur Zeit existieren mehr als 8000Einheiten weltweit, davon etwa 50 % im Golf von Mexiko und mehr als 400 in der Nordsee.Etwa 40 Plattformen sind Betonplattformen.Die Wahl eines geeigneten Konstruktionstyps ist abhängig von• der Wassertiefe,• den Umweltbedingungen,• der Lagerstättengröße.Je größer die Lagerstätte, um so größer das mobilisierbare Kapital, um so größer die notwendigeFörderkapazität, um so größer die Aufbauten und die Plattform.StarrefixedStahlplattformen(0)NachgiebigecompliantGelenktürme(2)SchwimmendefloatingmobilHalbtaucher(6)Auf dem MeeresbodenruhendesubseaSatellitenstationen(0)Betonplattformen(0)Künstliche Inseln(0)SchrägverspannteTürme(2)Tension leg platforms(3)Schiffe(6)UnterwasserinstallationenSubsea CompletionSubsea Produktion(0)Tab. 6-1: Konstruktionstypen von Offshore-Anlagen.in ( ) Freiheitsgrade der Konstruktionen (x, y, z, Stampfen, Rollen, Gieren)Eine typische Offshore-Plattform besteht aus folgenden Bestandteilen (Bilder 6-1 und 6-2):• Deck (top sides) mit Bohr- und Fördereinrichtungen, Prozeßanlagen,Verladeeinrichtung, Wohnquartiere mit Heli-Deck, Seenotrettungs- und nautischenEinrichtungen,• Unterbau: Stahlfachwerk (Jacket) oder Betonkonstruktion mit Fundament (Caisson)und Türmen oder Halbtaucher mit Abspannung zur Verankerung,• Gründungselemente (Pfähle, Schürze, Verankerungen).Ein Sonderfall sind Forschungsplattformen (Messplattformen), wie sie z. B. zur Erkundunggeplanter Windparks errichtet werden[8].

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 6 - 3StahlplattformDeck BohrenFördernProduktionWohnquartiereHeli-DeckRettungs- undnautische EinrichtungenJacketRäumliches Fachwerkaus RundhohlprofilenMTFolStplattform1.ppt/Wg/hub/13.06.2000PfahlgründungRammpfähleBild 6-1: Schematische Darstellungeiner StahlplattformBetonplattformMTFolBplattform.ppt/Wg/hub/8.06.2000Deck BohrenFördernProduktionTürmeWohnquartiereHeli-DeckRettungs- undnautische EinrichtungenAnzahl entspr. Deck(drilling, utility, water)FundamentkörperFlachgründungWasserverdrängungSpeicherSchürzeAufstandsfläche (grouting)GleitebeneKolkeBild 6-2: SchematischeDarstellung einer Betonplattform6.4 HerstellverfahrenOffshore-Bauwerke werden an Land hergestellt, dann zu ihrem Standort (location)verschlepptund dort installiert (positioniert, abgesenkt, gegründet, in Betrieb genommen).Stahlplattformen werden aus der Werft, wo sie gebaut wurden, auf eine Barge gezogen, zurAbsenkstelle verschleppt und dort abgekippt. Dazu sind sie mit Schwimmkörpern versehen.Anschließend werden sie aufgerichtet (upending) und mit Schwimmkränen geführt abgesenkt(Bild 6-3).Betonplattformen (ihr unterer Teil) werden im Trockendock gebaut. Das Dock wird geflutet,der Unterbau schwimmt auf, wird ausgeschwommen und zu einem Tiefwasserbauplatz verholt.Dort wird der Bau bis zur vollen Höhe (Anschlußstelle für das Deck) fortgesetzt, wobei durchzunehmendes Gewicht auch der Tiefgang zunimmt. Vorzugsweise wird am Tiefwasserbauplatzauch das Deck aufgesetzt (deck mating), damit die Offshore-Arbeiten an der Lokation möglichstgering gehalten werden können. An der Absenkstelle wird die Plattform positioniert, orientiert,durch Fluten ballastiert und möglichst zielgenau abgesetzt (Installation) (Bild 6-4).

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 6 - 4Bild 6-3: Installation einer Stahlplattform [2]1 Bauen im Trockendock2 Bauen am Tiefwasserbauplatzdeck mating-Aufbau der Schürzen-Betonieren des Unterteilsdes Fundamentkörpers-Fluten des Docks, Aufschwimmendes Bauwerks, Ausschleppen3 Transport-Verschleppen zum Tiefwasserbauplatz-Fertigstellen des Fundamentkörpers-Herstellen der Türme4 Installation und Betrieb-Absenken der Betonkonstruktion-Antransport und Aufsetzendes Decks-Aufschwimmen der Plattform-Verschleppen der Plattformzur AbsenkstelleMTFolBauphasen1.ppt/Wg/hub/13.06.2000-Absenken an der Location-Ballastieren, Verpressen-Herstellen der Förderbohrungen-Betrieb, Produktion, Ölexport5 Demontage-Entfernung des Bauwerkesnach Erfordernis vonSchiffahrt und Fischfang( Demontage, Rückgewinnung)Bild 6-4: Bauphasen einer Betonplattform

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 6 - 5Schon bei der Planung und beim Bau sind die späteren Lebensphasen Transport, Betrieb (mitInspektion und Wartung) und Rückbau zu beachten. Die erforderlichen Einrichtungen sindeinzubauen, Maßnahmen zu treffen:• Gewichtskontrolle (entscheidend für Tiefgang und Schwimmstabilität),• Ausrüstung für Installation und Rückbau: Rohrsysteme für Ballastieren, Lenzen, Entlüften derFlutkammern, Unterpressen,• Rohrsysteme für Ölbohrung und -förderung: Steigleitungen (riser), Exportleitungen(J-tubes),...• Sicherheitseinrichtungen, Feuerbekämpfung, Fluchtwege,...• Schleppvorrichtung, Befeuerung, nautische Einrichtungen,...• Korrosionsschutz,• Markierung, Instrumentierung zur Überwachung der Konstruktion,...Zahlreiche Stahlplattformen wurden inzwischen zurückgebaut und teilweise wiederverwendet,die Schwergewichtsplattformen Maureen und Schwedeneck-See wurden aufgeschwommen undzur Entsorgung transportiert [10], [11].6.5 Arbeiten auf SeeZur Planung der Bauphasen Transport und Installation ( marine operations) einer Offshore-Plattform gehören Entwurf, Berechnungen und Methoden für die Ausführung dieser Arbeiten[1], [5], [6]. Das sind insbesondere:• Ausrüstung einschl. Ersatz (redundancy),• Kenntnis der Wetterstatistik, Festlegung der zulässigen Seegangsbedingungen,• Projektorganisation, risk management, Personaleinsatz, Kommandokette,• Dokumentation, operations manuals, Planung der Notprogramme (point of no return).Das Verhalten des Bauwerks als schwimmender Körper muß vorausberechnet und ggf. durchVersuche im Wellentank verifiziert werden. Dazu gehören:• Tiefgang (Abstand zum Meeresboden, zu Untiefen),• Schwimmstabilität (Krängung durch statische Lasten wie Wind, Trossenzug,Leckschlagen einer Zelle),• dynamisches Verhalten im Seegang (Beispiel in [6]).Der Tiefgang t einer schwimmenden Betonkonstruktion (Quader, Zylinder) kann überschlägigabgeschätzt werden:G = Bβ·A·h·ρ B·g = A·t·ρ W ·gt = β·h·ρ B /ρ WG = GewichtB = Buoyancy (Auftrieb)β = 0,16...0,20 m³ Beton (hochfester Beton) je m³ umbauter RaumA = Querschnittsfläche des eintauchenden Körpers (Caisson)h = Höhe des Körperst = Eintauchtiefe des Körpersρ B = Dichte Beton = 2,55...2,70 t/m³ (je nach Stahlgehalt)ρ W = Dichte Wasser = 1,025 t/m³ (Nordsee)

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 6 - 6Die Schwimmstabilität (Bild 6-5) kann als eine Krängung ϕ infolge Einwirkung eines äußerenKrängungsmoments M ST berechnet werden [1]:M= F ⋅ h; h = GM ⋅sin ϕSt G KGM = zB− zG+IV(1 +12tan2 ϕ)für kleine Winkel ϕ gilt näherungsweise (Krängungsmomentenkurve:dM= FG⋅GM⋅cosϕdϕπdM = FG⋅GM⋅180°11+ tan2 ϕ2) ≈ 1 und für den Anfangsast derM St = äußeres Krängungsmoment [kNm]GM = metazentrische HöheF G = Gewicht unter Auftrieb = verdrängte Wassermasse • g [tm/s² = kN]I = Flächenträgheitsmoment in der Wasserlinie [m 4 ]V = Verdrängungsvolumen [m³]z B , z G = Ordinaten des Auftriebs- und des Körperschwerpunktes [m]Bild 6-5: Schwimmstabilität eines Körpers [1]Beispiel:Gegeben:DichteGesucht:Schwimmstabilität (Anfangsstabilität) einer PlattformQuadratische Grundfläche mit 32 m x 32 m, Masse m = 12.000 tOrdinate des Gewichtsschwerpunktes z G = 7,0 mdes Wassers ρ W = 1.025 t/m3Anfangsstabilität(Wieviel MNm Moment sind erforderlich, um die Plattform um 1° zu krängen?)Lösung:m ⋅ g 12000Tiefgang t = =A⋅ρ W ⋅ g 32² ⋅1,025= 11,43 mz B =1/2 t = 11,43/2 = 5,72 m4I 132GM = z B − zG+ ( 1 + tan ² ϕ)= 5,72 - 7,0 +V 212 ⋅32² ⋅ 11,43= 6,19 mππdM ≈ FG⋅ GM = 12000 ⋅ 9,81⋅6,19 = 12718[ tm / s²⋅ m / ° ] ≈ 12,7[ MNm / ° ]180°180°d.h. beispielsweise ein Ballast von 100 t in 12,7 m Abstand von Zentrum bewirkt eine Krängung um 1°.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 6 - 76.6 Literatur zu 6.:[1] Wagner, P.: Meerestechnik. Ernst & Sohn, Berlin, 1990.[2] Clauss, G., Lehmann, E. und Östergaard, C.: Meerestechnische Konstruktionen.Springer-Verlag 1988.[3] Moksnes, Hoff e.a.: Concrete Platforms: History, Technological Breakthroughs, and Future.OTC 7630, Houston, 1994.[4] Fjeld e.a.: The North Sea Concrete Platforms: 20 Years of Experience. OTC 7462, Houston1994.[5] Reppe, T. and Helsø, E.: Towage and Installation of Concrete Gavity-based Structures. OTC7503, Houston 1994.[6] Bergmann, M., Salewski, J. und Wagner, P.: Stahlbetonplattformen für das Offshore-Ölfeld"Schwedeneck-See”. Bautechnik H. 8 und 9 1984, Ernst & Sohn, Berlin, 1984.[7] Wagner, P.: Der Untergang der Plattform Sleipner A. Bautechnik 69, Ernst & Sohn, Berlin,1992.[8] Kahle, H. und Müller, G.: Forschungsplattform „FINO 1“ nördlich Borkum Riff. HANSA11/2003, Schiffahrts-Verlag Hansa C. Schroedter & Co, Hamburg, 2003.[9] Thornton, W.: Current Trends and Future technologies for the decommissioning of OffshorePlattforms. OTC 12020, Houston, 2000.[10] Broughton, P.: Refloat of Maureen Alpha Platform. OTC 14226, Houston 2002.[11] Mitzlaff, A.: Rückbau und Entsorgung von Offshore-Anlagen. Deutsche HydrographischeZeitschrift, Supplement 12, 2000.[12] ESSO Oeldorado 2003, ESSO A.G. Presse- und Informationsabteilung, Hamburg, 2004.http://www.exxonmobil.deNeuere Literatur in Vorbereitung:[13] ISO 19901-1 Petroleum and natural gas industries – Specific requirements for offshorestructures – Part 5: Weight control during engineering and construction, - Part 6: Marineoperations. http://www.galbraithconsulting.co.uk/iso-files[14] ISO 19902 Petroleum and natural gas industries – Fixed steel offshore Structures.http://sc7.tc67.net/[15] ISO 19903 Petroleum and natural gas industries – Fixed concrete offshore Structures.http://sc7.tc67.net/

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 7 - 17. Bauwerke unter EiseinwirkungDie Suche nach Erdöl hat vor den „kalten Regionen" nicht halt gemacht und ist dort auch„offshore" fündig geworden. Schon Anfang des Jahrhunderts war bekannt, dass in AlaskaErdölvorkommen existieren. Seit 1964, als die ersten Plattformen in eisführendem Gewässerinstalliert wurden, sind weitere Felder erschlossen worden. Einige Plattformen und künstlicheInseln liefern Öl und Gas aus arktischen Offshore-Feldern (Bild 7-1).Bild 7-1: Karte der Offshore-Region Arktis [nach PennWell Map Polar Oil & Gas, 1985]Die russischen Erdgasfelder „Stochmanowskoje“ in der Barents-See und „Russanowskoje“ in der Kara-See sind noch nicht enthalten.Die deutschen Küsten erfahren häufiger Eisgang als die nördlicheren Küsten Norwegens, dievom Golfstrom profitieren. Die Ostsee weist wegen ihres geringeren Salzgehalts und unter demEinfluß des nach Osten zunehmend kontinentalen Klimas mehr Eistage als die Nordsee auf.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 7 - 27.1 Eisbildung und Erscheinungsformen des EisesReines Wasser (Süßwasser) gefriert bei 0 °C, Meerwasser jedoch bei einer tieferen Temperatur,die vom Salzgehalt abhängt. Der Gefrierpunkt sinkt linear und liegt bei einem Salzgehalt von35 ‰ (Nordsee) bei -1,8 °C. Mit anhaltendem Frost wird der Salzgehalt im Eis durchKonzentration in Lauge reduziert, und die Festigkeit nimmt zu. Einjähriges Meerwassereis hatnur noch einen Salzgehalt von 4 bis 6 ‰.Bei tiefen Temperaturen gefriert auch die Salzlauge, die Eisfestigkeit erhöht sich dadurchbeträchtlich. Die Festigkeit des Eises ist somit abhängig vom Salzgehalt des Wassers, derEistemperatur und der Geschwindigkeit des Vereisungsprozesses.Beim Gefrieren wächst das Volumen an, die Dichte des Eises ist daher geringer als die desAusgangsstoffes Wasser. Da sich Eis wie ein fester Körper bei Temperaturabfall zusammenzieht,erhöht sich die Dichte mit abnehmender Temperatur. Reines Eis (Süßwassereis) hat eine Dichtevon 0,917 t/m³ bei 0 °C. Meerwassereis kann 1,0 t/m³ erreichen, hat aber infolge von Poren(Lufteinschlüssen) eher eine Dichte von rund 0,9 t/m³.Bildet sich also bei der Entstehung von Eis auf einem Gewässer in der Regel zunächst einegeschlossene Eisdecke, so schafft die Natur im Laufe einer ein- oder mehrjährigen Frostperiodeauch andere Formen durch die Wirkung des Wetters, der Strömung und der Wellen sowie derörtlichen Bedingungen. Für die Auslegung von Offshore-Bauwerken wird unterschieden:• Geschlossene Eisdecke (sheet ice)• Eisschollen (ice floes)• Packeisfelder (rubble ice)• Presseisrücken (ridges)• Eisberge (ice bergs)Eisbildungen, die während der warmen Jahreszeit nicht abschmelzen, treten als mehrjähriges Eisauf (multiyear ice). Alle übrigen werden als einjähriges Eis (first year ice) bezeichnet.7.2 Eigenschaften des EisesDie beim Zusammentreffen eines Bauwerkes mit dem Eis auftretenden Lasten finden ihre obereGrenze dort, wo das Eis zerstört wird. Daher ist die Festigkeit des Eises in der Wechselwirkungmit dem Bauwerk der entscheidende Parameter.Eis versagt bei Überschreitung einer der folgenden Festigkeiten:• Druckfestigkeit (compressive strength)• Zugfestigkeit (tensile strength)• Biegefestigkeit (bending strength, flexural strength)• Scherfestigkeit (shear strength)• Haftfestigkeit (adfreeze strength)

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 7 - 3Die Druckfestigkeit ist immer eine maßgebende Größe. Sie ist abhängig von Salzgehalt,Temperatur, Entstehungsgeschichte und Verformungsgeschwindigkeit beim Druckversuch(Maximum bei ε = 0,003s -1 ). Sie kann Werte von 1 MN/m² bei 0 °C und hohem Salzgehalt bis10 MN/m² bei -20 °C und geringem Salzgehalt annehmen. Die EAU [1] nennt für Temperaturenum den Gefrierpunkt:• Nordsee (Wattenmeer) = 1,5 MN/m²• Ostsee= 1,8 MN/m²• Süßwasser= 2,5 MN/m²Der Anstieg der Festigkeit von Meerwassereis mit sinkender Temperatur wurde zu 250 kN/m² jeMinusgrad gefunden.Werte für Zug- Biege- und Scherfestigkeit sowie für den Elastizitätsmodul können [1], [2], [4]entnommen werden oder sind aus örtlichen Proben zu ermitteln.Bei der Einwirkung auf Bauwerke braucht nicht von homogenen Eisquerschnitten ausgegangenzu werden. Neben der beim Eiswachstum entstehenden Schichtung der Eisdecke mitunterschiedlichen Festigkeiten bestimmen weitere Erscheinungsbilder die Größe der Belastung:• Porosität: Verhältnis des Porenvolumens (Wasser, Schnee, Luft) zum Gesamtvolumen.• Konsolidierungsgrad: Temperatur- und altersabhängige Umwandlung der in Presseisrückenoder Packeis vorhandenen wassergefüllten Poren in Eis.• Driftgeschwindigkeit: vergl. Verformungsgeschwindigkeit beim Druckversuch [2].• Abmessungen des Bauwerks [2], [6].7.3 Berechnung von EiskräftenObwohl die Festigkeiten reinen Eises vielfach untersucht worden sind und viele Messungen anbestehenden Bauwerken durchgeführt wurden, gibt es noch keine als zuverlässig anerkannteBerechnungsmethoden. Vergleichende Berechnungen ergaben Unterschiede in den errechnetenKräften von 1:18 [7]! Ein europäisches Forschungsvorhaben (LOLEIF) mit Messungen vonEisdruckkräften an einem Leuchtturm in der Ostsee (Bottnischer Meerbusen) in den Wintern1998/99 und 1999/2000 kommt ebenfalls zu dem Schluß, dass die Ergebnisse nicht ausreichen,um verbindliche Ansätze zu empfehlen [8]. Das Forschungsvorhaben wird fortgesetzt.Die Lastansätze für die Schwedeneck-See-Plattform und für die Pfeiler der Brücke über denGroßen Belt wurden in den Eistanks der Hamburgischen Schiffbauversuchsanstalt (HSVA)ermittelt [4]. Modellversuche sind vor allem erforderlich, wenn die Wechselwirkung zwischenEis und Bauwerk, so beispielsweise der Effekt von Eiseinschlüssen zwischen den Stützenmehrsäuliger Plattformen ermittelt werden soll [5].Beim Entwurf eines Bauwerks für Eisangriff ist zu klären:• Welche Eisverhältnisse treten am Ort des Bauwerkes auf?• Wie beanspruchen diese Eisverhältnisse das Bauwerk?

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 7 - 4Die Beanspruchung des Bauwerks durch das örtlich auftretende Eis hängt weiterhin vonfolgenden Einflüssen ab:• Geometrische Konfiguration des Bauwerks• Art des Eisversagens.Unter diesen Einflüssen bestimmt vor allem die Art des Eisversagens (ice failure modus) dieBelastung. Da durch entsprechende Gestaltung des Bauwerks der Versagenstyp beeinflußtwerden kann, liegt hier eine wesentliche Aufgabe für den entwerfenden Ingenieur.Eis versagt (bricht) auf eine der folgenden Arten:• Druckbruch (crushing failure)• Schubbruch, Scherversagen (shear failure)• Biegung (in plane bending failure)• Beulen (buckling failure)DruckbruchDiese Bruchart tritt bei allen Eisformen, vorwiegend aber bei Eisdecken geringerer Festigkeitsowie bei vertikalen Bauwerksflächen auf. Eine allgemeine Gleichung (nach KHORZAVIN u.a.)lautet:F H = k k • k f • D • h • σ 0k kk fD =h =σ 0= Kontaktbeiwert (Kontakt Eis - Bauwerk)= Formbeiwert (Form Bauwerk)BauwerksbreiteEisdicke= einachsiale EisfestigkeitDaraus folgt z. B. für den Eisdruck auf Flächenbauwerke im norddeutschen Küstenraum gem.[1] mit k k = 0,33, k f = 1,0; h = 0,5 m und σ 0 = 1,5 MN/m²F H = 250 kN/mZur Berechnung von Eisdruck auf Pfähle siehe [1], auf Offshore-Bauwerke siehe [2], [4], [6]. Inder Beaufort-See wurden lokale Spitzendrücke von 10 MN/m² gemessen (maßgebend zurBemessung von Bauteildicken!), jedoch auf Grund des Größeneffekts nur globale Drücke von1,0 bis 1,5 MN/m² festgestellt. Bei Pfählen wächst die Eisdruckkraft mit der Wurzel desPfahldurchmessers.BiegungDie Biegefestigkeit ist mit 0,2 - 1 MN/m² klein gegenüber der Druckfestigkeit. Manche Entwürfehaben deshalb das Ziel, durch konische, aufwärts oder abwärts brechende Bauteilformen das Eisdurch Biegung (Moment um die in der Eisebene liegenden Achsen) zu brechen.Presseisrücken brechen auch an vertikalen Zylindern durch Biegung (Moment um die vertikaleAchse). Wenn sie an eine Eisdecke anschließen, können sie rechnerisch wie ein elastischgebetteter Balken behandelt werden.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 7 - 5ScherversagenDas Eis bricht nicht an der Kontaktstelle am Bauwerk, sondern schert an einer Linie zwischentreibenden und vor dem Bauwerk gestauten Eisschollen ab (vergl. MOHR-COULOMBE).BeulenDiese Bruchart tritt bei dünnen Eisdecken an vertikalen Flächen anstelle von Biege- oderDruckbruch auf.Neben diesen hauptsächlichen Versagensarten treten unter Umständen noch andere Belastungenauf:Angefrorenes EisAm Bauwerk angefrorenes Eis kann Kräfte hervorrufen, die bis zu 100 % höher sind, als siebewegtes Eis erzeugt. Der Fall kann eintreten, wenn das umgebende Eis längere Zeit amBauwerk ruht (z.B. in Ufernähe) und schließlich wieder in Bewegung gerät. Bei wechselndemWasserspiegel bricht das Eis jedoch durch Biegung, die Beanspruchung des Bauwerks in diesemFalle ist gering.Thermischer EisdruckEis übt bei Temperaturanstieg auf Bauteile, die seine thermische Verformung behindern, einenDruck aus, der durch die Bruchfestigkeit begrenzt ist. Die EAU [1] empfiehlt, im Bereichunserer Küsten einen Eisdruck von 400 kN/m² anzusetzen.StoßkräfteDie Stoßlasten von Treibeis auf Bauwerke brauchen nicht höher als die aus der Druckfestigkeitbei maximaler Verformungsgeschwindigkeit errechnete Last angesetzt zu werden. DynamischeBelastungen können aber auftreten, wenn geschlossene Eisdecken durch Druckbruch versagen[5]. In Versuchen und in der Natur wurden Stoßfrequenzen gemessen, die schlanke Bauwerkeerregen und zu Ermüdungsproblemen oder zu zyklischen Beanspruchungen in der Gründungssohleführen können.EisstauBei mehrsäuligen Bauwerken kann das Phänomen des Eisstaus vor der Plattform (ice jamming)oder der Eisverstopfung zwischen den Stützen (ice entrapping) auftreten. Damit würde diePlattform dem andriftenden Eis einen wesentlich größeren Widerstand entgegensetzen als dieeinzelnen Säulen zusammen. Andererseits ist bei genügend großem Abstand der Säulen dieGesamtkraft auf die Plattform kleiner als die Summe der Maximalkräfte auf die Einzelsäulen.Messungen im Eistank haben das bestätigt [5].Am häufigsten sind es geschlossene Eisdecken (Druckbruch) und Presseisrücken, die die größtenBelastungen ergeben. Bei der Auslegung des Entwurfs auf die Belastung durch Eis muß manjedoch beachten, dass die Konstruktion auch den anderen Umweltlasten widerstehen muß. Sokann beispielsweise die Anordnung von Konen die Kräfte aus dem Angriff von Eisdeckenreduzieren, die Belastung aus Wellen während der eisfreien Periode (vor allem dasKippmoment) aber erhöhen. Die Kunst des Entwerfens besteht darin, allen maßgebendenEinflüssen, auch denen der Herstellung und des Transports, mit einer wirtschaftlichen Lösunggerecht zu werden.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 7 - 67.4 Bauwerke in eisführenden GewässernTypische Bauwerksformen für Offshore-Anwendungen (s. Kap. 6) wurden bisher auch ineisführenden Gewässern errichtet. Beispiele [4]:StahlplattformenDie ersten Plattformen im eisführenden Gewässer wurden 1966/67 im Cook Inlet (Golf vonAlaska) in 20 bis 30 m tiefem Wasser mit Eisdecken von etwa 1 m Dicke installiert. DieBauwerke sind vierbeinige Stahlplattformen mit Stützen von ca. 5 m Durchmesser, die mit bis in60 m Tiefe reichenden Pfählen gegründet sind.BetonplattformenMonotower „Schwedeneck-See“ A und B in der Ostsee, 17 und 25 m Wassertiefe, Eisdeckenvon 50 cm und Presseisrücken von 4 m Dicke, 1983.„Hibernia“, offshore Neufundland in 80 m Wassertiefe, bemessen für Eisbergstoß [9].Künstliche InselnAufschüttungen mit Schwimmbaggern in den eisfreien Sommern in 10 bis 20 m Wassertiefe,z. B.:„Issungnak“ in der kanadischen Beaufort-See, 1980.Spundwandkasten „Mittelplate“, deutsches Wattenmeer, 1986.Kombinierte KonstruktionenAufspülung von Unterwasser-Bermen, Herstellen von mehreren Schwimmkörpern (Stahl oderBeton) im Trockendock, Seetransport, Absetzen auf der Berme und Hinterfüllen desInnenraumes. Beispiele:„Tarsiut“, gebaut in Vancouver, geschleppt durch die Beringstraße zur Lokation Beaufort-See,1982.„Molikpaq“, gebaut in Japan, Lokation Beaufort-See, 1984, nach Umbau offshore Sachalin1999.Schwimmende KonstruktionenKonische Stahlplattform „Kulluk“, verankert mit 12 radial zum Meeresgrund laufendenAnkertrossen. Japan/ Beaufort-See, 1983. Bei Eisstärken > 1,20 m wird die Plattform vonEisbrechern aus der Gefahrenzone geschleppt.

Prof. Dipl.-Ing. Peter Wagner: Vorlesung MEERESTECHNIKRUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM, Lehrstuhl für Grundbau, Boden- und Felsmechanik 7 - 77.5 Literatur zu 7.:[1] Empfehlungen des Arbeitsausschusses "Ufereinfassungen" - EAU 1996. 9. Aufl., VerlagErnst & Sohn, Berlin, 1997.[2] Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Fixed OffshoreStructures and Pipelines for Arctic Conditions. API RP 2N-95, American PetroleumInstitute, Washington 1995.[3] ACI State-of-the-Art Report on Offshore Concrete Structures for the Arctic. AmericanConcrete Institute ACI 357. 1R-91, Detroit, 1991.[4] Wagner, P.: Meerestechnik. Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 1990.[5] COSMAR-Concrete Structures for Marine Produktion, Storage and Transportation ofHydrocarbons. Teilprojekt 4: Concrete offshore structures subject to ice and arcticconditions. BMFT-Forschungsvorhaben 1981-1983.[6] Croasdale, K. R.: Ice Forces: Current Practices, 7.Intl. Conf. on Offshore Mechanics andArctic Engineering, Houston, 1988.[7] Croasdale, K. R. and Brown, T.: Ice Load Uncertainties – Progress in Their Resolution.Intl. Offshore and Polar Engg. Conf., Seattle, 2000.[8] Schwarz, J.: Validation of Low Level Ice Forces on Coastal Structures. 11 th Intl. Offshoreand Polar Engg. Conf., Stavanger, 2001.[9] Huynh, T. L. et al.: Structural Design of the Iceberg Resistant Hibernia ReinforcedConcrete GBS. OTC 8398, Houston 1997.Interessant zur Geschichte der Erschließung:[10] Fitzpatrick, J. and Stenning, D. G.: Design and Construction of Tarsiut Island in theCanadian Beaufort Sea. OTC 4517, Houston 1983.[11] Agerton, D. J.: Construction of an Arctic Offshore Gravel Island in 39 ft of Water DuringWinter and Summer. OTC 4548, Houston 1983.[12] Visser, R. C.: A Retrospective of Platform Development in Cook Inlet, Alaska. OTC5929, Houston 1989.[13] Campell, G. R.: Exploration Update: Mackenzie Delta/Beaufort Sea Region, ArcticCanada. OTC 6271, Houston 1990.In Bearbeitung: ISO 19906 Arctic structuresIm Internet:http://www.hsva.de: Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt, Hamburg.http://www.isope.org: International Society of Offshore and Polar Engineers (ISOPE).

Wagner: Meerestechnische Begriffe 1Glossarium meerestechnischer Begriffein Anlehnung an ISO 1990x: Petroleum and natural gas industries - Offshore stucturesund ISO 2394-1986 (E), General principles on reliability for structuresund ISO 8930: General principles on reliability for structures - List of equivalent termsaccidental damage limit states (ALS)ensures that local damage or flooding does notlead to complete loss of integrity or performance(maintain integrity for a sufficient period underspecified environmental conditions to enableevacuation)accidental events(vessel collision, dropped objects, explosion,fire, unintentional flooding)action effectsmotion, deformation, internal forces and state ofstress in a structure subject to a given set ofactions. In general response of the structure.actions• permanent (G)• variable (Q)• environmental (EA)• repetitive (RA)• accidental (A)• fixed or free• static or dynamicair cushionair pumped into underbase compartments of thestructure in order to reduce its draft and increaseits freeboardair gaparticulated towerassessment of existing structuresballast systema system used to monitor and control the draughtof the structure during all floating phasesbasic variables, correspond to measurablephysical quantities, characterizing• actions• properties of materials and soils• geometrical parametersbottom-founded (fixed)buoyancy, buoyantGrenzzustände der Unfallschädensichern, dass örtliche Schäden oder ö. Flutennicht zum vollständigen Verlust der Integritätoder Leistung führen (erhält Integrität unterfestgelegten Umweltbedingungen ausreichendlange, um Evakuierung zu ermöglichen)Außergewöhnliche Ereignisse(Schiffskollision, fallende Gegenstände,Explosion, Feuer, unbeabsichtigtes Fluten)Wirkung einer Last oder Lastkombination(Verformung, Schnittkräfte, Spannungszustand).Generell die Antwort (Reaktion) derKonstruktion.Einwirkungen, Lasten• ständige• veränderliche• umweltbedingte• sich wiederholende• außergewöhnliche• stationäre oder freie• statische oder dynamischeLuftkissenLuft wird in die nach unten offenen Schürzenzelleneingepumpt, um den Tiefgang zureduzierenFreiraum zwischen höchstem Wasserspiegelund Unterkante Überbaugelenkig gelagerter TurmBeurteilung (Einschätzung, Bewertung)bestehender BauwerkeBallastierungssystemein System zur Steuerung des Tiefgangs derKonstruktion während aller SchwimmphasenGrundvariable, entsprechen messbarenphysikalischen Größen, kennzeichnen• Einwirkungen• Material- und Bodeneigenschaften• geometrische Abmessungenauf dem Meeresboden gegründetAuftrieb, schwimmend

Wagner: Meerestechnische Begriffe 2caissonmajor portion of the GBS, providing buoyancyduring floating and the possibility of oil storage,may also be filled with water ballast or solidballastcalculationcatenary mooringcertifying authoritya governmental body or a company that isauthorized by such governmental body in aspecific country to perform certificationcharacteristic value• of material properties f k (has a specifiedprobability of not being attained in anunlimited test series and corresponds to afractile in the distribution of the materialproperty)• of geometrical parameters a k (usuallycorrespond to the nominal values in thedesign)• of component resistances R kclassification societyan independent foundation that has developedtechnical standards for ships and offshorestructures, and verify compliance with thesestandards during design, construction andoperation of the units throughout their lifeclearance (under-keel-)compartmentation, subdivided intocompartmentscompliant platformbottom-founded structure, flexible enough thatapplied forces are resisted by inertial resistancesto platform motion and by buoyancycondition monitoringconductorsconstructionconstruction afloatcompletion of construction with increasing draft,addition of structural materials or outfitting of afloating structureUnterbau, FundamentkörperHauptteil der GBS, dient als Schwimmkörper,als mögliches Zwischenlager für Öl und kannmit Wasser oder Festballast ballastiert werdenBerechnungKettenverankerungGenehmigungsbehördestaatliche Stelle oder von ihr autorisiertesUnternehmen zur Ausstellung vonGenehmigungencharakteristischer Wert• der Materialeigenschaften (hat einefestgelegte Wahrscheinlichkeit, in einer Serievon Prüfungen nicht erreicht zu werden,entspricht einem Quantil in der Verteilungder Materialeigenschaft)• der Abmessungen (entspricht üblicherweiseden in der Bemessung festgelegtenNennwerten)• der BauteilwiderständeKlassifikationsgesellschaftunabhängige Organisation, entwickeltVorschriften für Schiffe und Offshore-Bauwerke, prüft nach diesen VorschriftenEntwurf, Herstellung und Betrieb der Einheitenwährend ihrer LebenszeitFreiraum (Flottwasser)Unterteilung in Zellen, Räumenachgiebige Plattformortsfest gegründetes Bauwerk, dass denangreifenden Kräften durch Ausweichen(Massenkräfte) und Rückstellkräfte (Auftrieb)widerstehtÜberwachung des BetriebszustandesSchutzrohreHerstellungschwimmende HerstellungFortsetzung der Betonarbeiten bei zunehmendemTiefgang, Fertigstellung undAusrüstung der schwimmenden Konstruktion

Wagner: Meerestechnische Begriffe 3construction phases• fabrication• erection• construction• launching• transportation• upending• installation• operation• removalcontingency plana preconsidered response to a deviation from aplanned operational proceduredecksee topsidesdeck matingthe marine operation in which the platformtopside is initially connected to the substructuredeformationdegrees of freedom of motion• surge• sway• heave• roll• pitch• yawdesign• structural design• proportioningdesign assumptionsdesign basisdesign conditionS (stress) ≤ R (resistance)design criteriadesign lifetime period from installation (fixation of thestructure to the seabed) until decommissioningdesign phases (DNV 1978):• construction• transportation• installation• operation• retrievaldesign proceduredesign requirementHerstellphasen• Fertigung (Stahl)• Errichtung (Stahl)• Herstellung (Beton)• zu Wasser lassen• Transport• aufrichten (Stahl)• Installation• Betrieb• Abbau und EntfernenNotfallplaneine vorbereitete Reaktion auf eine Abweichungvon einer geplanten AusführungDeckAufbauten, Stahlkonstruktion mitProduktionsanlagen, Wohnquartieren usw.Deckübernahmedas Seemanöver, bei welchem das Deck mitdem Plattformunterbau verbunden wird.VerformungFreiheitsgrade der Bewegung/Schwingung• Längsschwingung (in x-Richtung)• Querschwingung (in y-Richtung)• Tauchschwingung (in z-Richtung)• rollen (um die x-Achse)• stampfen (um die y-Achse)• gieren (um die z-Achse)Entwurf, Bemessung• Entwurf• Bemessung, DimensionierungEntwurfsannahmenEntwurfsgrundlageEntwurfsbedingungBeanspruchung ≤ BauteilwiderstandEntwurfskriterienEntwurfslebensdauerZeitraum von der Gründung des Bauwerks biszur AußerbetriebnahmeEntwurfsphasen (DNV 1978):• Herstellung, Bau• Transport• Installation• Betrieb• RückbauBemessungsverfahrenEntwurfsanforderung

Wagner: Meerestechnische Begriffe 4design situations (correspond to differentstructural systems, reliability requirements,design values, environmental conditions etc.)• persistent s. (duration as the life of thestructure• transient s. (shorter duration, high probabilityof occurrence)• accidental s. (short duration, low probabilityof occurrence )design values (to be introduced into calculation)• for actions F d = γ f ∗F r• for materials f d = f k /γ m• for resistances of components R d = R k /γ R• for geometrical parameters a d = a k ±∆aEntwurfs-, Bemessungssituation (berücksichtigtverschiedene stat. Systeme, Zuverlässigkeitsanforderungen,Bemessungswerte, Umweltbedingungenusw.)• anhaltende S. (Dauer wie etwa Lebenszeitdes Bauwerks)• vorübergehende S. (kürzere Dauer, häufigesAuftreten• außergewöhnliche S. (kurze Dauer, seltenesAuftreten)Bemessungswerte (werden in die Berechnung(Gleichgewichtsbedingung) eingeführt)• für Einwirkungen• für Material• Bauteilwiderstände• für AbmessungenDFI-Résumé (Design Fabrication Installation R.) Dokumentation der HerstellungdisplacementVerschiebungVerdrängung (Schwimmkörper)draught, draftTiefgangdurabilityDauerhaftigkeitenvironmental conditionsUmweltbedingungen (Wetter, Seegang,...)equipmentAusrüstungerectionErrichtung (Stahlbau)fatigue limit states (FLS)cumulative damage due to repeated actionsfield developmentfitness for purpose, fit for purposemeeting the intent of an InternationalStandard….such that failure will not causeunacceptable risk to life-safety or theenvironmentfixed structurestructure that is bottom founded and transfers allactions on it to the sea floorflare-towerfloatingfloating stabilityfloating structurestructure where the full mass is supported bybuoyancyfloat-outthe movement of a floating structure out of aflooded dry-dockfloodingGrenzzustände der Ermüdungsfestigkeitkumulative Schäden durch sich wiederholendeEinwirkungenFelderschließungEignung für den Verwendungszweckerfüllt internationale Norm, Schadensfallverursacht kein unakzeptables Risiko für Lebenund UmweltFest gegründetes Bauwerküberträgt alle Lasten in den UntergrundAbfackelturmschwimmendSchwimmstabilitätSchwimmende KonstruktionK., deren Masse durch den Auftrieb getragenwirdAusschwimmenVerholen eines schwimmenden Bauwerks auseinem gefluteten Trockendockfluten

Wagner: Meerestechnische Begriffe 5foundationFPSOFloating Production, Storage and OffloadingGBSgravity based structureguyed towerstructure supported vertically by piles or shallowbearing foundation and laterally by a guylinesystemin-service inspectionin-service performanceinspectioninstallation (GBS)• positioning• ballasting• lowering down• touch down• skirt penetration• groutinginstrumentation (for data recording)jack upmobile unit that is bottom founded in itsoperating modejacketlift-offinitial point in time at which a structure becomesfully buoyantlimit statesstate beyond which the structure no longerfulfills the relevant design criteria• ultimate limit states(ULS)• serviceability limit states (SLS)• fatigue limit states (FLS)• accidental damage limit states (ALS)limiting conditionsloadslocation, field locationthe planned offshore geographical position of theinstalled platformmaintenancemanningmarine growthGründungFundamentSchwimmende Produktionsplattform mitSpeicher und EntladungSchwergewichtsplattform (Beton)abgespannter TurmBauwerk, das durch Pfähle oder flach gegründetist und seitlich durch abgespannte Trossengehalten wirdBetriebsinspektionBetriebsleistung, -verhaltenInspektion, ZustandsprüfungInstallation (Betonplattform)• Positionieren• Ballastieren• Absenken• Grundberührung• Eindringen der Schürze• UnterpressenAusrüstung mit Messwertgebern (zurDatenaufzeichnung)Hubplattform, -inselmobile Arbeitsplattform, steht fest auf demMeeresgrund bei ArbeitseinsatzStahlplattform, räumliches Fachwerk ausStahlrohrenaufschwimmenZeitpunkt, zu dem die Konstruktion erstmalsvollständig schwimmtGrenzzuständeZustände, bei deren Überschreiten das Bauwerkdie Entwurfskriterien nicht mehr erfüllt• Grenzzustände der Tragfähigkeit• Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit• Grenzzustände der Ermüdungsfestigkeit• Grenzzustände der UnfallschädenGrenzbedingungen (obere Grenzen...)LastenStandortdie geplante geographische Position derinstallierten PlattformInstandhaltungpersonelle Besetzungmariner Bewuchs

Wagner: Meerestechnische Begriffe 6marine operationThe planned and controlled vertical or horizontalmovement of a structure or component thereofover, in or on watermean sea level (MSL)arithmetic mean of all sea levels measured overa long period of timemean valuemethod statementan engineering document which summarizes theengineering principles on which to base thedevelopment of the operations manuals andproceduresmetoceanabbreviation of meteorological andoceanographicmobilemobile offshore unit (MOU)structure intended to be frequently relocated toperform a particular functionmodel testingmooringsThe means by which the plan position of thestructure is controlled during afloat phasemotionmovementnominal valuevalue fixed on non-statistical bases, for exampleon experience acquired or physical constraintsoperating (operational) requirementsoperating conditionoperationoperations manualthe document which describes the personnel,environmental criteria, equipment, activities andcontingency plans necessary for the safeexecution of a marine operationorientationpartial factor (partial coefficient)• partial action factors γ f• partial material factors γ m• partial resistance factors γ Rpersistent situationplanningplatformcomplete assembly including structure, topsidesand, where applicable, foundationsArbeiten auf See, SeemanöverGeplante und gesteuerte vertikale oderhorizontal Bewegung der Konstruktion über, imoder auf dem WasserMittlerer WasserstandMittel aller Seewasserstände aus einerLangzeitmessungMittelwertAblaufbeschreibungein Dokument, das die Entwurfsgrundsätzezusammenfasst, nach denen die Ablaufpläne fürdie Ausführung entwickelt werden müssenmeteorologische und ozeanographischeAngabenortsveränderlichMobile Offshore EinheitBauwerk, das öfter umgesetzt werden kannModellversucheVerankerungMittel, mit denen die schwimmendeKonstruktion in Position gehalten wirdSchwingung/BewegungBewegungNennwertaufgrund von Erfahrung oder physikalischerBedingungen festgelegter, nicht durchstatistische Analyse ermittelter WertBetriebsanforderungenBetriebsbedingungBetriebVorgangs-Handbuchdas Dokument, das Personaleinsatz,Umweltbedingungen, Aktivitäten undNotfallpläne beschreibt, wie sie für die sichereAusführung der Seemanöver erforderlich sindLage (Orientierung, Rotation zur Nordrichtung)Teilsicherheitsbeiwert• T. für die Einwirkungen• T. für Material• T. für Widerstände der Bauteileständige (anhaltende) SituationArbeitsvorbereitungPlattformkomplettes Bauwerk mit Unterbau, Aufbauten(Deck) und ggfls. Gründung

Wagner: Meerestechnische Begriffe 7probability of failure Pfthe likelihood (P) that the loading effect (S)equals or exceeds the ULS capacity (R)Pf = P[S ≥ R]Its complement (1-Pf) is the reliability (Ps)probability of occurrencequality controlreassessment (of existing structures)reliabilitythe probability that a structure will fulfill itsdesign purposeability of a structure to fulfill the specifiedrequirementsrelocatablerepairrepresentative values F r (characteristic, nominal,frequent, sustained [quasi permanent] value,expected repeated action history)resistancecapacity of a component, or a cross section of acomponent, to withstand action effects withoutfailurereturn periodaverage interval of time in years betweenexceedances of an event magnituderisertubular used for the transport of fluids betweenthe sea floor and a termination point on theplatformriskthe probability of failure or one minus thereliabilityscourremoval of sea floor soils caused by currents andwavessea levelsemi submersibleservice lifeservice requirementsserviceability limit states (SLS)• deformations which affect efficient use orappearance• excessive vibrations producing discomfort(especially if resonance occurs)• local damage (incl. cracking) which reducesdurabilityVersagenswahrscheinlichkeitWahrscheinlichkeit, dass die Beanspruchung dieTragfähigkeit erreicht oder überschreitet.Das Gegenereignis (Komplement) ist dieZuverlässigkeitEintrittswahrscheinlichkeitQualitätslenkung, QualitätssteuerungWiedereinschätzung (bestehender Bauwerke)ZuverlässigkeitWahrscheinlichkeit, dass das Bauwerk dengeplanten Zweck erfülltTauglichkeit der Konstruktion, diespezifizierten Anforderungen zu erfüllenumsetzbarReparaturrepräsentative Werte (charakteristische, Nenn-,häufige, Langzeit- [Quasidauer-] Werte,erwartete Belastungsgeschichte der sichwiederholenden Einwirkung)WiderstandTauglichkeit eines Bauteils oder Querschnitts,den Belastungen oder Schnittkräften ohneBeschädigung zu widerstehenWiederkehrperiodeMittlerer Zeitraum in Jahren zwischen demAuftreten von Ereignissen einer bestimmtenGrößenordnungSteigleitungTransportrohr für Flüssigkeiten vomMeeresgrund zum Endpunkt auf der PlattformRisikodie Wahrscheinlichkeit des Versagens, (1-Ps)KolkAbtrag von Meeresboden infolge Strömung undWellenWasserspiegelHalbtaucherBetriebsdauerGebrauchs-, BetriebsanforderungenGrenzzustände der Gebrauchstauglichkeit• Verformungen, die Gebrauch oderErscheinungsbild beeinträchtigen• starke Vibrationen (speziell, wenn Resonanzauftritt)• örtliche Schäden (einschl. Risse), die dieDauerhaftigkeit beeinflussen

Wagner: Meerestechnische Begriffe 8shafts (compartments extending from the bottomof the GBS to topsides)• utility shaft, contains mechanical systems,generally kept dry• drill shaft, houses the wells• riser shaft, contains riser and J-tubesshoalsplash zonearea of a structure that is frequently wetted dueto waves and tidal variationsstand-by-drafta draft at which the structure can remain or bereturned to prior to or after any temporaryoperation, at which the structural strength,stability and mooring meet the extreme seasonalrequirementsstation-keeping-systemstill water level= highest astronomical tide + storm surgestorm surgestructureorganized combination of connected partsdesigned to withstand actions and provideadequate rigiditystructural analysisprocess of determining structural response to agiven set of actionsstructural componentphysically distinguishable part of a structurestructural configurationstructural integritystructural responsemotion, deformation, internal forces andmoments and state of stress in a structure subjectto a set of actionsstructural systemstructuresubsidencesubstructurethe lower part of the platform, constructed inconcrete, generally from the seabed to the top ofthe shafts, which supports the topsidessurge (see also storm surge)sustained (quasi-permanent)swellTürme, „Stützen“ einer Plattform (erstreckensich vom Boden bis Unterkante Aufbauten• Nutzturm, enthält mechan. Einrichtungen,bleibt i.a. trocken• Bohrturm, beherbergt die Bohrrohre• Leitungsturm, enthält die aufsteigendenLeitungen und die ExportleitungenUntiefeSpritzwasserzoneWasserwechselzone infolge Tide und WellenBereitschaftstiefgangTiefgang vor oder nach Teilaktivitäten, bei demFestigkeit, Stabilität und Verankerung den beiden geplanten Seemanövern möglichenextremen Wetterbedingungen standhalten.PositionshaltesystemBemessungswassserstand= höchster astronomischer Tidewasserstand +Windstau (bei Wellenhöhe = 0)Sturmflut, WindstauBauwerk, Tragwerk, KonstruktionKombination von verbundenen Bauteilen, mussEinwirkungen standhalten und genügendSteifigkeit aufweisenTragwerksanalyse (statische Berechnung) zurBestimmung der Reaktion des Tragwerks aufdie gegebenen LastfälleBauteil, Komponentepysikalisch unterscheidbares Teil einerKonstruktionAuslegung des BauwerksIntegrität der KonstruktionReaktion des TragwerksVerschiebung, Durchbiegung, innere Kräfte undMomente und Spannungszustände im Bauwerkals Resultat der LastfälleTragwerkBauwerkBodensenkungUnterbauder untere Teil einer Betonplattform vomSeeboden bis OK Türme, welche das DecktragenSchiffsbewegung in Längsrichtungandauernd, anhaltendDünung

Wagner: Meerestechnische Begriffe 9tension leg platform (TLP),buoyant platform connected by vertical tethers tothe sea-floorHalbtaucher, schwimmende Plattform, die durchvertikale Spannglieder gegen den Meeresgrundvorgespannt isttidetopsidesthe upper part of the platform above sea waterlevel, generally constructed from steel,containing drilling and production equipmentand accommodation for personnel, also referredto as decktow masterthe individual, or master of a tug, defined in theoperations manual as having the ultimateresponsibility for executing marine operationstow outtransient situationtransportationultimate limit states (ULS)• loss of static equilibrium (overturningcapsizing)• failure of critical components by exceedingthe ultimate strength or the ultimatedeformation• transformation into a mechanism (collapse)• loss of structural stability (buckling, ...)verificationcheck that input to the calculation is correct andsensible results have been obtainedvibrationwarranty surveyoran independent organization appointed by theowner on behalf of its insurance underwriters toapprove the commencement of major marineoperations and to monitor their executionwater depthwave crestGezeit, TideAufbauten, Deckder stählerne Überbau mit allen Einrichtungenoberhalb des Meeresspiegels, der vom Unterbauder Plattform getragen wird, enthält Bohr- undProduktionsanlagen, Wohnquartiere undRettungseinrichtungen, nautische Anlagen usw.tow masterder verantwortliche Leiter der Seemanöver,häufig Kapitän eines SchleppersAusschleppenvorübergehende SituationTransportGrenzzustände der Tragfähigkeit• Verlust des statischen Gleichgewichts(Umschlagen Kentern)• Ausfall kritischer Bauteile durchÜberschreiten der Festigkeitsgrenze oder derVerformungsgrenze• Überführung in Bewegung(Zusammenbruch)• Verlust der Stabilität (Beulen, ...)Prüfung der Berechnungen der Berechnungen inBezug auf korrekte Eingaben und plausibleErgebnisseErschütterungVersicherungsbeauftragterunabhängiger Sachverständiger, vomProjektführer beauftragt, genehmigt den Startder wesentlichen Seemanöver und überwachtihre DurchführungWassertiefeWellenkamm

1Peter Wagner: MeerestechnikErnst & Sohn, Berlin, 1990DruckfehlerberichtigungOrt Streiche SetzeSeite 1, Zeile 1 Technologie TechnologySeite 2, vorletzter Absatz Technische Hochschule Rheinisch-Westfälischen TechnischenHochschuleSeite 5, Bild 1.2 im Wattenmeer inSeite 18, Absatz 2, Zeile 1Zeile 4Seite 20, Überschrift übervorletztem AbsatzSeite 25, 3. Absatz, letzte Zeileletzter Absatz, 4. ZeileAufhaltendGeschwindigkeitH(t)(cero crossing)AnhaltendWindgeschwindigkeitWasserstandsänderungenζ(t)(zero crossing)Seite 26, Bild 2.4-2 Amplitude ξ Amplitude ζSeite 32, letzte Zeile Beziehungen BezeichnungenSeite 33, Bild 2.4-7Seite 34, Zeile 1 unter Tab. 2.4-2 folgt giltSeite 67, Zeile 10 Versuche VersuchenPfeil und z bei der vertikalenKoordinatenachseSeite 70, Bild 3.4-10 Kräftearten Kräftearten [8]Seite 71, letzte ZeileSeite 81, vorletzter Absatz, 2.Zeile2πa12πa1ka ≥ • 2π≈ 0,6ka = ≥ • 2π≈ 0, 6L 10L 10duchdurchSeite 90, Zeile 10 Verspannung VorspannungSeite 91, Bild 4.2-3, rechte HälfteBeanspruchung TragfähigkeitBeanspruchbarkeit TragfähigkeitUnterschrift DichtefunktionDichtefunktionenSeite 91, Absatz 5 der Streckgrenze bei Stahl die Mindeststreckgrenze bei StahlSeite 92, vorletzte Zeile Steuerung StreuungSeite 93, Zeile 2, Formel Σ ( x − x )s =i Σ( x − x)n −1s =in −1Seite 95, Bild 4.2-5 a) b) c) 1) 2) 3)Seite 110, Formel nach 3.Absatz Q d =..........≤ F v γ f Qd = ...........≥ F v γ f2

2Ort Streiche SetzeSeite 112, Zeile 5weil sie von Schiffen nichtwahrgenommen wurden.weil sie von Schiffen zwarwahrgenommen, aber nicht gemessenwurden.Seite 113, Bild 5.2-4, Tabelle schwarz 0,05 - 0,7 schwarz 0,5 - 0,7Seite 127,Rammpfahlanker bis zu 50 MN vertikal bis zu 50 MN Druck und 10 MN ZugvertikalSeite 140, 4. Absatz, 2. Zeile geologische geotechnischeSeite 148, Tab. 6.3-1, Nr. 8 Stattjord StatfjordSeite 149, Zeile 5 Gulfaks GullfaksSeite 161, Zeile 16 wie sonst wie sie sonstSeite 167, Zeile 6 Schaden um Schaden undSeite 175, Bild 6.4-11 B, G F B, F GSeite200, 6.Absatz Beachtlich ist........normal dazu [6]. Dieser Absatz bezieht sich nicht auf dieZugfestigkeit, sondern auf dieDruckfestigkeit und ist daher obenzwischen 2. und 3. Absatz einzufügen.Seite 209, letzter Absatz, Zeile 2 druckkraft bruchkraftSeite 210, Zeile 6 von unten Eisdecke EisdickeSeite 211, 2. Formel in c) σ c = ...... = 0,4 kN/m² σ c= ...... = 0,4 kN/cm²Seite 219, Bild 7.4-3, Unterschriftergänze (Foto HSVA/Evers)Seiten 220/221, Lit.[8],[9],[13],[18] ArticArcticSeite 221, [12] POLARTECH ´89 POLARTECH ´88Seite 235, Bild 8.2-1, Unterschrift SpannungsgliederSpanngliederSeite 245, letzter Absatz, Zeile 2 An Kreisringquerschnitten Bei Kreisringquerschnitten