Monsterwellen: Welche Typen von Freak Waves gibt es? Und wie wirken sie auf marine Strukturen ein?
Monsterwellen stellen eine erhebliche Gefahr für alle Objekte oder Strukturen im Wasser dar. Mit verheerender Kraft können sie feste und schwimmende Strukturen zerstören, wie etwa Schiffe oder Offshore-Anlagen. Bei den Wellen können verschiedene Typen unterschieden werden, insbesondere der Kaventsmann, Drei Schwestern oder das Wellenloch.
Sie treten plötzlich auf und können beim Aufprall enorme Schäden verursachen: Monsterwellen oder Freak Waves haben eine zerstörerische Gewalt, weswegen sie für Schifffahrtsindustrie und Forschung von höchstem Interesse sind.
Wissenschaftler wollten nun anhand bestehender Charakteristiken von Monsterwellen zeigen, wie diese auf marine Strukturen – Plattformen, Pfeiler, Windkraftanlagen und Ähnliches – einwirken. Die Forscher der chinesischen Southwest Jiaotong University in Chengdu fassten dazu die wichtigsten Untersuchungen zu einzelnen Bauwerken zusammen und werteten diese aus.
Typen von Monsterwellen
Trotz laufender Beobachtungen durch Seefahrer wurden Monsterwellen erst in den 1960er Jahren wissenschaftlich beschrieben. Am 1. Januar 1995 konnte dann ein moderner Wellenrekorder auf der Draupner-Plattform erstmals eine Monsterwelle aufzeichnen. Die auch als Neujahrswelle oder Draupner-Welle bekannte Welle wies eine Höhe von 25,6 m auf, was damals deutlich über dem geschätzten Maximum von 20 m lag.
Dank der Fortschritte in der Messtechnik wurden weitere Monsterwellen dokumentiert. Aus den Daten und den Berichten ließ sich ableiten, dass es verschiedene Typen von Monsterwellen gibt, darunter Einzelwellen (Kaventsmann), Drei-Schwestern-Wellen (Three Sisters) und Wellenlöcher (Hole in the Sea).
Die Rogue Wave (Kaventsmann) ist demnach eine singuläre Welle oder Wellenwand, die auch von zwei kleineren Monsterwellen begleitet werden kann – eine Welle geht voraus und eine andere folgt. Man nimmt an, dass dieser Wellentyp durch Überlagerung zweier Wellen zustande kommt (Interferenz).
Der Begriff Three Sisters (Drei Schwestern) bezieht sich auf eine Abfolge von drei aufeinanderfolgenden großen Wellen. Ein Wellenloch (Hole in the Sea) hingegen ist ein umgekehrtes Profil typischer Monsterwellen: In der Meeresoberfläche wird ein extremes Minimum erzeugt, aus der ein Schiff nicht mehr herauskommt.
Auswirkungen auf bauliche Strukturen
Die Auswirkungen solcher Wellen auf ozeanischen Strukturen sind potenziell katastrophal und lebensbedrohlich, insbesondere wenn die Wellen auflaufen, überlaufen, aufschlagen und spritzen. Allgemein lassen sich diese Wechselwirkungen nach Strukturart in zwei Kategorien einteilen: feste Strukturen und schwimmende Strukturen.
Zu den festen Strukturen gehören etwa Pfeiler oder fixe Offshore-Strukturen. Plattenstrukturen sind ein häufig verwendeter Strukturtyp beim Bau von Brückendecks und Plattformen. Auch Küstenbrücken werden untersucht.
Die Forschung dazu konzentriert sich meistens auf einfache Strukturbauteile wie Zylinder oder Decks und befasst sich hauptsächlich mit den Belastungen durch Brecherwellen und Wechselwirkungen in fixen Systemen.
So konnte etwa beobachtet werden, dass eine stark brechende Monsterwelle zwar einen intensiveren lokalen Aufpralldruck erzeugt, eine leicht brechende oder nicht brechende Monsterwelle jedoch eine vergleichbare zerstörerische Wirkung auf die Gesamtstabilität einer Plattform hat.
Zu den schwimmenden Strukturen gehört ebenfalls eine Reihe von Anwendungen wie etwa halbversenkbare Plattformen, Tension-Leg-Plattformen (TLPs) und schwimmende Offshore-Windkraftanlagen (FOWTs). Die Wechselwirkungen zwischen Monsterwellen und einem schwimmenden Körper sind in der Regel nicht linear und impulsiv ist, sondern komplex.
Bei der Wechselwirkung zwischen Brecherwellen und schwimmenden Körpern werden daher fortgeschrittene Berechnungstheorien eingesetzt, um das stark nichtlineare Element zu bewältigen. Aufgrund der hohen Rechenkosten bleibt die Erforschung der komplexen Turbulenzwirkungen jedoch schwierig.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass feste Strukturen bei einem Aufprall von Monsterwellen tendenziell die Hauptlast der direkteren und konzentrierteren Belastungen tragen. Dies kann zu lokalen strukturellen Schäden wie Brüchen, Verschiebungen oder sogar zum vollständigen Zusammenbruch führen.
Im Gegensatz dazu weisen schwimmende Strukturen aufgrund ihrer Mobilität, ihrer Fähigkeit zur Energieverteilung und ihrer Anpassungsfähigkeit an Monsterwellen in der Regel eine höhere Widerstandsfähigkeit auf. Sie können zwar einer Mischung aus Aufprall, Belastung durch grünes Wasser (Wasser, das über das Deck bricht) und Rumpfspannung ausgesetzt sein, aber ein katastrophales Versagen tritt nur selten auf.
Angesichts der rasanten Fortschritte in der Meereswissenschaft bleibt die weitere Diskussion über die Entwicklung von Monsterwellen sowohl für die technische Praxis als auch für die akademische Forschung ein wichtiges Thema.
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Quelle:
Xue, S., Xu, G., Xie, W., Xu, L., & Jiang, Z. (2023). Characteristics of freak wave and its interaction with marine structures: A review. Ocean Engineering, 287, 115764. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2023.115764