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Die Erfindung betrifft Offshore-Windkraftanlagen zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie mit einer schwimmfähigen unter Wasser angeordneten Einrichtung in Verbindung mit einem Turm der Windkraftanlage, wobei die Einrichtung Verbindungsmittel, Auftriebskörper und vertikal angeordnete Rohre oder Rohrstücke aufweist und die Einrichtung über Abspannmittel mit wenigstens einem Anker verbunden ist.
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Offshore-Windkraftanlagen sind allgemein Bekannt. So offenbart die Druckschrift
GB 2 378 679 A schwimmende Auftriebskörper in Verbindung mit Ankern für Windkraftanlagen in der offenen See. Das dazu realisierte Schwimmfundament besteht aus mehreren Auftriebskörpern, die über radiale Stahlstreben mit dem Turm der Windkraftanlage verbunden sind. Die Stahlstreben sind in Draufsicht kreuzförmig angeordnet und untereinander nicht verbunden. Treten an den radialen Stahlstreben des Bauwerks Biegekräfte auf, führen diese zu hohen Biegemomenten.
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Durch die Druckschrift
WO 2007 / 096 680 A1 ist ein viereckiges Schwimmfundament bekannt, wobei die an den Ecken angeordneten Schwimmkörper untereinander durch Zugstäbe und Druckstäbe zu einem räumlichen Tragwerk verbunden sind. Ein zentraler großer Schwimmkörper trägt einen Turm, der über Schrägseile zu den außen liegenden Schwimmkörpern hin abgespannt ist. Diese Lösung erfordert einen nicht unerheblichen hohen Bauaufwand.
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Die Druckschrift
US 7 156 586 B2 beschreibt ein Schwimmtragwerk, das radial von einem Mast weg strebende Arme aufweist. Diese sind an ihren Enden mit Schwimmkörpern versehen. Zur Stabilisierung der Mastposition sind zwischen den Schwimmkörpern und dem Mast Schrägseile gespannt. An dem zentralen Mastfuß ergeben sich Spannungskonzentrationen, die zu Schwierigkeiten führen können, mindestens aber den Bauaufwand erhöhen.
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Die Druckschrift
EP 1 288 122 A2 offenbart ein Schwimmtragwerk in Gestalt einer massiven Schwimmplattform mit mehreren Kammern, die nach Art einer Taucherglocke mit Luft gefüllt und somit zur Erzeugung von Auftrieb herangezogen werden können. Die Errichtung eines solchen Schwimmfundaments ist mit einem hohen Materialaufwand verbunden.
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Die Druckschriften
EP 1 876 093 A3 und
DE 10 2008 003 647 A1 beinhalten Schwimmtragwerke, bei denen sich Schwimmkörper an radial von einer Zentralkonstruktion weg erstreckenden Enden vorgesehen sind.
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Die Druckschrift
US 2005/0 206 168 A1 beinhaltet eine Tragkonstruktion für Offshore-Windkraftanlagen, wobei der Turm der Windkraftanlage über eine Gitterstruktur mit Schwimmkörpern verbunden ist. Hauptelemente sind dabei Streben, die gleichmäßig um den den Turm verteilt sind.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 054 608 A1 offenbart ein Unterwassertragsystem für Anlagen mit Auftriebskörpern im Gewässer und entweder Gegengewichten oder Verankerungen am oder im Gewässergrund sowie Zugmitteln zwischen den Auftriebskörpern und den Gegengewichten oder Verankerungen. Dazu sind drei über Verbindungselemente miteinander gekoppelte Auftriebskörper jeweils über ein Zugmittel mit drei Gegengewichten oder Verankerungen verbunden. Die Auftriebskörper sind dabei in einer Ebene und an den Eckpunkten eines Dreiecks angeordnet. Die Auftriebskörper selbst besitzen die Form einer Kugel, eines Tropfens oder eines Ballons. Die Verbindungselemente sind Rohre. Verbindungselemente und/oder die Auftriebskörper können gleichzeitig als Träger für die Anlage fungieren. Ein Tragkörper für die Anlage kann ein Bestandteil des Unterwassertragsystems sein. Darüber hinaus können auch alle Bestandteile des Unterwassertragsystems als Träger der Anlage genutzt werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2017 204 121 A1 zeigt eine schwimmfähige Offshore-Anlage zur Umwandlung von Windenergie und/oder Sonnenenergie in elektrische Energie. Dazu besitzt diese eine schwimmfähige unter Wasser angeordnete Einrichtung in Verbindung mit einem Turm einer Windkraftanlage, wobei die Einrichtung Verbindungsmittel, Auftriebskörper und vertikal angeordnete Rohre oder Rohrstücke aufweist und die Einrichtung über Abspannmittel mit wenigstens einem Anker verbunden ist. Eine Verbindung oder eine Kopplung der Abspannmittel mit einer Trageinrichtung in Verbindung mit einem Traggerüst und einem Anker ist nicht näher ausgeführt.
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Die Druckschrift
DE 11 2011 100 404 T5 offenbart eine Anordnung und ein Verfahren in Verbindung mit einer schwimmfähigen Windkraftturbine. An einem unteren Ende einer Säule mit einer Winkraftturbine ist ein Anker mittels eines Kardangelenks angebracht, so dass die Säule über das Kardangelenk in allen Richtungen drehbar mit dem Anker verbunden ist. Die Säule durchschneidet die Wasseroberfläche. Eine Ausbildung des Kardangelenks an sich ist nicht Gegenstand der Druckschrift.
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Durch die Druckschrift
US 2012 / 0 093 589 A1 ist ein Fundamentsystem für eine Offshore-Windenergieanlage bekannt. Ein auf dem Meeresboden ruhender Fundamentsockel ist über eine Gelenkverbindung mit einer die Windenergieanlage tragenden Säule verbunden. Die Gelenkverbindung kann als eine kardanische Aufhängung ausgeführt sein, die die Kippbewegungen der Säule in alle Richtungen von einer vertikalen Achse ermöglicht. Dazu ist eine erste Gabel, welche an der Oberseite des Fundamentsockels befestigt ist, und eine zweite Gabel, welche am unteren Ende der Säule befestigt ist, durch eine Verankerung miteinander verbunden. Die Säule durchschneidet die Wasseroberfläche.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 106 043 A1 beinhaltet ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Installation von Windenergieanlagen auf See, welche von einer Auftriebskörperanordnung getragen wird. Diese sind über Ausleger mit Schiffen verbunden, wobei der Winkel zwischen der Senkrechten Hochachse und den Auslegern festlegbar ist, um die Schwimmlage der Windenergieanlage zu bestimmen.
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Die Druckschrift
JP 2015 - 155 660 A beinhaltet eine Schwimmkörperstruktur mit einem Windrad vom Vorwindtyp. Diese umfasst eine Windturbine, eine schwimmende Körperstruktur mit der Windturbine und Verankerungsmittel zum Vertäuen der schwimmenden Körperstruktur am Meeresboden. Das Verankerungsmittel ist ein sogenanntes Spannungsverankerungssystem mit einem einzigen Spannbein, welches aus einem Stahlrohr oder Stahldraht ausgeführt ist. Das Spannbein besitzt an beiden Enden jeweils ein Kardangelenk, das den Verbindungswinkel zweier Achsen zwischen dem Kardangelenk frei verändern kann. Dazu können wie beim Kardangelenk verschiedene Typen, wie beispielsweise ein Kreuztyp oder mit einer Kugel verwendet werden. Unter dem Gesichtspunkt der Haltbarkeit wird ein Kreuztyp als ein biaxial getrennter Typ verwendet, bei dem jede Achse nicht in der gleichen Ebene angeordnet ist.
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Die Druckschrift
WO 82 / 04 233 A1 offenbart eine Plattform mit einem Körper mit einer Dichte von weniger als eins, wobei der Körper eine Last trägt und mit Verankerungsmitteln am Meeresboden mechanisch verbunden ist. Im Betrieb ist der Körper dabei vollständig eingetaucht. Verbindungsmittel sind eine einzelne Befestigung oder mehrere parallele Befestigungen.
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Durch die Druckschrift
US 2016 / 0 195 070 A1 ist ein schwimmender Windturbinenunterbau mit ausgestellten Verankerungsbeinen bekannt. Dieser weist eine obere Trägerplattform und eine untere Trägerstruktur auf, die über drei hohle aufrechte Säulen miteinander verbunden sind. Die Säulen sind dazu nach außen geneigt angeordnet. Weiterhin ist ein Ballasteinstellungssystem in den aufrechten Säulen und/oder der unteren Trägerstruktur vorgesehen.
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Die Druckschrift
DE 10 2017 104 640 A1 zeigt autark schwimmfähige Schwergewichtsgründungen zur Verbindung mit einer Offshore-Anlage zur Umwandlung von Windenergie oder Sonnenenergie in elektrische Energie mit einer Massivplatte, wenigstens einer befüllbaren Kammer und Befestigungsmitteln für ein Tragwerk einer Windkraftanlage oder einer Solaranlage. Dazu besitzt die Massivplatte Ankerplatten mit jeweils einem Befestigungsmittel zur Verbindung mit wenigstens einem Abspannmittel zur Verbindung mit dem Tragwerk.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Offshore-Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie so zu schaffen, dass durch Bewegung der Offshore-Windkraftanlage auftretende Kräfte über Spannmittel in die Verankerung ableitbar sind.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Offshore-Windkraftanlagen zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie mit einer schwimmfähigen unter Wasser angeordneten Einrichtung in Verbindung mit einem Turm der Windkraftanlage, wobei die Einrichtung Verbindungsmittel, Auftriebskörper und vertikal angeordnete Rohre oder Rohrstücke aufweist und die Einrichtung über Abspannmittel mit wenigstens einem Anker verbunden ist, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass durch Bewegung der Offshore-Windkraftanlage auftretende Kräfte über Spannmittel in die Verankerung ableitbar sind.
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Dazu besitzen in Richtung Anker und/oder Einrichtung weisende Endenbereiche vertikal angeordneter Rohre oder Rohrstücke der Einrichtung und/oder des Ankers Klemmvorrichtungen zur Befestigung von Endenbereichen der Abspannmittel. Die Klemmvorrichtungen sind weiterhin über Kreuzgelenke als kardanische Aufhängungen mit den Endenbereichen der vertikal angeordneten Rohre oder Rohrstücke verbunden. Die vertikal angeordneten Rohre und die horizontal angeordneten Rohre über Knotenstücke miteinander verbunden. Die Endenbereiche der vertikal angeordneten Rohre durchdringen die Knotenstücke, so dass Klemmvorrichtungen für die Abspannmittel wenigstens bereichsweise darin platziert sind. Darüber hinaus bestehen die Knotenstücke aus zwei beabstandet zueinander angeordneten Platten, wobei die Auftriebskörper an wenigstens zwei Strahlen angreifen und damit die Hohlräume der Auftriebskörper über die Knotenstücke miteinander verbunden sind.
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Die Knotenkonstruktion der Knotenstücke kann eine sternförmig ausgebildete Grundfläche und wenigstens eine in Verbindung mit der Knotenkonstruktion stehende, u-förmig ausgebildete und den Auftriebskörper in der Senkrechten bereichsweise teilende Knotenplatte aufweisen. Die Knotenkonstruktion kann gleichzeitig ein Träger für ein die Wasseroberfläche durchschneidendes Element in Verbindung mit dem Turm der Windkraftanlage sein. Das Element ist in Verbindung mit der Knotenplatte ein Kräfte aufnehmender und ableitender Knoten der Einrichtung.
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Die Verbinder können vorteilhafterweise zur Verbindung Flansche als Verbindungselemente besitzen. Die Rohre können stirnseitig anschließen, so dass sichere und dichte Verbindungen zwischen den Rohren und den Verbindern realisiert sind.
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Die Kreuzgelenke sind vorteilhafterweise bei einer Bewegung der Offshore-Windkraftanlage kraftaufnehmende und kraftableitende Gelenke. In den Abspannmitteln auftretende Biegekräfte werden weitestgehend vermieden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 angegeben.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 sind die Endenbereiche der Abspannmittel mittels geführter Klemmmittel drehbar in zylinderförmigen Muffenkörpern als Klemmvorrichtungen angeordnet.
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Der Endenbereich des vertikal angeordneten Rohrs oder Rohrstücks weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 eine Konsole zur Lagerung sich gegenüberliegender erster Drehgelenke zur Verbindung eines Rings mit dem Rohr oder Rohrstück auf. Darüber hinaus besitzt der Ring sich gegenüberliegende zweite Drehgelenke zur Verbindung der Klemmvorrichtung mit dem Ring, wobei sich die Symmetrieachsen der ersten Drehgelenke und der zweiten Drehgelenke im Mittelpunkt der Klemmvorrichtung kreuzen.
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Die Einrichtung in Verbindung mit dem Turm der Windkraftanlage besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 die in den Ecken eines Mehrecks angeordneten vertikal angeordneten Rohre, die über horizontal angeordnete Rohre als Verbindungsmittel miteinander verbunden sind. Die vertikal angeordneten Rohre durchdringen die darauf angeordneten Auftriebskörper.
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Die Klemmvorrichtungen für die Abspannmittel sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 drehbar in den Kreuzgelenken als kardanische Aufhängungen angeordnet oder die Kreuzgelenke als kardanische Aufhängungen sind drehbar in den vertikalen Rohren oder Rohrstücken angeordnet.
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Die Auftriebskörper sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 Deckenplatten und Bodenplatten aufweisende Hohlzylinder oder Bohrungen entlang ihrer Achse aufweisende hohle Prismen auf den vertikal angeordneten Rohren.
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Die Auftriebskörper bestehen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 aus einer Schale oder Schalenteilen, wobei eine Reihenfolge von miteinander verbundenen Schalenteilen einen Hohlraum oder übereinander angeordnete und miteinander verbundene Reihenfolgen von miteinander verbundenen Schalenteilen einen Hohlraum begrenzen.
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Die Einrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 mit einem Turm der Windkraftanlage und/oder mit einem die Wasseroberfläche durchschneidenden Traggerüst mit einem Turm der Windkraftanlage oder dem Turm der Windkraftanlage verbunden.
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Die vertikal angeordneten Rohre, die horizontal angeordneten Rohre und die Knotenstücke und/oder die Verbinder begrenzen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 einen Hohlraum als einen zweiten Auftriebskörper, wobei die Auftriebskörper auf den vertikalen Rohren erste Auftriebskörper sind.
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Die vertikal angeordneten Rohre, die Verbindungsmittel und die Auftriebskörper bestehen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 aus einem Stahl, einem Beton, einem Verbundwerkstoff mit Beton, einem Verbundwerkstoff mit wenigstens einem Kunststoff oder einer Kombination davon.
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Der Anker ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 ein Schwergewichtsanker oder eine Schwergewichtsgründung. Dieser oder diese kann einfach auf den Meeresboden abgesetzt werden. Ein derartiger Schwergewichtsanker ist bei Nichtbedarf leicht wieder entfernbar, ohne dass im Wesentlichen eine Zerstörung des Meeresbodens stattfindet.
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Die vertikal angeordneten Rohre oder Rohrstücke sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 über vertikal und/oder schräg verlaufende Abspannmittel mit dem Schwergewichtsanker oder der Schwergewichtsgründung verbunden. Damit ist die Windkraftanlage oder die Solaranlage in ihrer Position sicher fixiert. Das schließt auch ein Verdrehen ein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine Offshore-Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie mit Verbindern,
- 2 eine Offshore-Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie mit Knotenstücken,
- 3 eine Verbindung einer schwimmfähigen unter Wasser angeordneten Einrichtung mit einem Abspannmittel in einer Draufsicht,
- 4 die Verbindung in einer ersten Seitenansicht und
- 5 die Verbindung in einer zweiten Seitenansicht.
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Eine Offshore-Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie besteht im Wesentlichen aus einer schwimmfähigen unter Wasser angeordneten Einrichtung mit einem Traggerüst 8 zum Tragen eines Turmes 3 der Windkraftanlage, Verbindungsmitteln, Auftriebskörpern 6, vertikal angeordneten Rohren 4, Abspannmitteln 2 und einem Anker 1. Auf dem Turm befindet sich im Wesentlichen ein Rotor, der über einen Triebstrang mit einem Generator verbunden ist. Der Triebstrang, der Generator und eine Windrichtungsnachführung sind Bestandteile eines Maschinenhauses auf dem Turm 3.
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Die 1 zeigt eine Offshore-Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie mit Verbindern 9 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Offshore-Windkraftanlage einer ersten Ausführungsform besitzt eine bekannte Windkraftanlage mit dem Turm 3. Ein Traggerüst 8 in Verbindung mit dem Turm 3, die Verbindungsmittel, die Auftriebskörper 6 und die vertikal angeordneten Rohre 4 bilden eine Trageinrichtung, die weiterhin über die Abspannmittel 2 mit dem Anker 1 verbunden ist. Der Anker 1 liegt auf dem Meeresboden 7 auf. Die Trageinrichtung für das Traggerüst 8 besitzt horizontale Rohre 5 und Verbinder 9 als Verbindungsmittel. Die horizontal angeordneten Rohre 5 umgrenzen ein Quadrat und sind über vier die Ecken des Quadrats ausbildende Verbinder 9 miteinander verbunden. Die Endenbereiche der vertikal angeordneten Rohre 4 durchdringen die Verbinder 9, so dass Klemmvorrichtungen 12 für die Abspannmittel 2 wenigstens bereichsweise darin platziert sind. Die Auftriebskörper 6 sind Deckenplatten 9 und Bodenplatten 10 aufweisende Hohlzylinder oder Bohrungen entlang ihrer Achse aufweisende hohle Prismen auf den Verbindern 9 und den vertikal angeordneten Rohre 4.
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Die 2 zeigt eine Offshore-Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie mit Knotenstücken 10 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Offshore-Windkraftanlage einer zweiten Ausführungsform besitzt eine bekannte Windkraftanlage mit dem Turm 3. Ein Traggerüst 8 in Verbindung mit dem Turm 3, die Verbindungsmittel, die Auftriebskörper 6 und die vertikal angeordneten Rohre 4 bilden eine Trageinrichtung, die weiterhin über die Abspannmittel 2 mit dem Anker 1 verbunden ist. Der Anker 1 liegt auf dem Meeresboden 7 auf. Die Trageinrichtung für das Traggerüst 8 besitzt horizontale Rohre 5 und Knotenstücke 10 als Verbindungsmittel. Die horizontal angeordneten Rohre 5 umgrenzen ein Quadrat und sind über vier die Ecken des Quadrats ausbildenden Knotenstücke 10 miteinander verbunden. Die Endenbereiche der vertikal angeordneten Rohre 4 durchdringen die Knotenstücke 10, so dass Klemmvorrichtungen 12 für die Abspannmittel 2 wenigstens bereichsweise darin platziert sind. Die Auftriebskörper 6 sind Deckenplatten 9 und Bodenplatten 10 aufweisende Hohlzylinder oder Bohrungen entlang ihrer Achse aufweisende hohle Prismen auf den Knotenstücken 10 und den vertikal angeordneten Rohre 4. Die Knotenstücke 10 bestehen aus zwei beabstandet zueinander angeordneten Platten, wobei die Auftriebskörper 6 an wenigstens zwei Strahlen angreifen und damit die Hohlräume der Auftriebskörper 6 über die Knotenstücke 10 miteinander verbunden sind. An die beiden anderen Strahlen greifen die horizontal angeordneten Rohre 5 an. Die Platten sind über vertikal angeordnete Stege miteinander verbunden. Die Knotenstücke 10 bilden damit eine in sich kompakte Konstruktion als jeweiliger Bestandteil eines Auftriebskörpers 6. Die auftretenden Kräfte der Auftriebskörper 6 und der horizontal angeordneten Rohre 5 werden damit aufgenommen und weitergeleitet.
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Die Verbindungen der einzelnen Bestandteile der Ausführungsformen können auf Flanschverbindungen basieren.
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Die 3 zeigt eine Verbindung einer schwimmfähigen unter Wasser angeordneten Einrichtung mit einem Abspannmittel 2 in einer prinzipiellen Draufsicht.
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Die Endenbereiche der vertikal angeordneten Rohre 4 durchdringen die Verbinder 9 der ersten Ausführungsform und die Knotenstücke 10 der zweiten Ausführungsform, so dass die Klemmvorrichtungen 12 für die Abspannmittel 2 wenigstens bereichsweise darin platziert sind. Die Endenbereiche der vertikal angeordneten Rohre 4 besitzen somit die Klemmvorrichtungen 12 zur Befestigung von Endenbereichen der Abspannmittel 2.
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Die Klemmvorrichtungen 12 sind über Kreuzgelenke als kardanische Aufhängungen mit den Endenbereichen der vertikal angeordneten Rohre 4 verbunden. Die Endenbereiche der Abspannmittel 2 sind mittels geführter Klemmmittel drehbar in zylinderförmigen Muffenkörpern als Klemmvorrichtungen 12 angeordnet. Die Kreuzgelenke werden durch die Achsen 13 der Klemmvorrichtung 12 in Verbindung mit einem Ring 14 und Achsen 15 des Rings 14 in Verbindung mit einer Konsole 16 des vertikal angeordneten Rohres 4 gebildet.
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Dazu zeigen die
- 4 die Verbindung in einer ersten prinzipiellen Seitenansicht und
- 5 die Verbindung in einer zweiten prinzipiellen Seitenansicht.
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Der Endenbereich des vertikal angeordneten Rohrs 4 weist die Konsole 16 zur Lagerung sich gegenüberliegender erster Drehgelenke zur Verbindung des Rings 14 mit dem Rohr 4 auf. Bestandteile dieser ersten Drehgelenke sind dazu die Achsen 15 des Rings 14. Weiterhin besitzt der Ring 14 sich gegenüberliegende zweite Drehgelenke zur Verbindung der Klemmvorrichtung 12 mit dem Ring 14. Bestandteile dieser zweiten Drehgelenke sind dazu die Achsen 13 der Klemmvorrichtung 12. Die Symmetrieachsen der ersten Drehgelenke und der zweiten Drehgelenke kreuzen sich im Mittelpunkt der Klemmvorrichtung 12.
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Die Klemmvorrichtungen 12 für die Abspannmittel 2 sind drehbar in den Kreuzgelenken als kardanische Aufhängungen angeordnet und/oder die Kreuzgelenke sind als kardanische Aufhängungen drehbar in den vertikalen Rohren 4 angeordnet. Diese sind weiterhin mit einem Verschluss versehen, so dass die Kreuzgelenke mit den Klemmvorrichtungen 12 in separaten Räumen der vertikal angeordneten Rohre 4 angeordnet sind.
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Die Endenbereiche der Abspannmittel 2 können sich zur Verbindung mit den Klemmvorrichtungen 12 in Steckern 11 befinden.
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Die horizontal angeordneten Rohre 5, die vertikal angeordneten Rohre 4 und die Verbinder 9 und/oder die Knotenstücke 10 sowie das Traggerüst 8 können vorteilhafterweise als ein Hohlraum ausgebildet sein, so dass diese zusammen einen weiteren Auftriebskörper ausbilden.