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Einfluss von Schiffslänge und Kielfreiheit auf Squat und Trimm sehr großer Containerschiffe

Aus BAWiki

Version vom 1. April 2010, 11:04 Uhr von imported>Juettner

Randbedingungen

Die Untersuchungen zum Einfluß der Schiffslänge auf das fahrdynamische Verhalten sehr großer POST-PANMAX-Containerschiffe (PPM) wurden im Flachwasserbecken der BAW-DH (Länge ca. 100m, Breite ca. 35 m, max. Wassertiefe 0,7 m) in einem Modellmaßstab von 1 : 50 vorgenommen. Der Einbau von zwei zusätzlichen Mittschiffssektionen in ein vorhandenes PPM-Containerschiffs-Modell (Länge 350 m), d.h. Strecken des Hauptspantquerschnitts bei gleichbleibendem schlanken Vor- und Achterschiff, ermöglichte die Simulation sehr großer und langer PPM-Containerschiffe mit Längen von 400 m und 450 m bei gleichbleibender Breite von 50 m und einem Tiefgang von 17 m. Die Tiefen-FROUDE-Zahlen lagen bei 0,28 < Frh < 0,67. Die REYNOLDS-Zahlen ergaben sich zu 3,8 · 106 < Re < 9,9 · 106 (Faktor 10 > ReKRIT,erf).

Durch Einhaltung der geometrischen und dynamischen Ähnlichkeitsbedingungen war die Prognosefähigkeit der Untersuchungen sichergestellt.

Die entsprechenden Blockkoeffizienten von cB = 0,677 - 0,837 - 0,961 täuschen bei den verlängerten Schiffen einen (rechnerisch hohen) Völligkeitsgrad vor, der allerdings den tatsächlichen hohen Schlankheitsgrad der Modellschiffe (SG = 6,0 - 6,1 - 6,3) nicht wiedergibt.

Squat und Trimm wurden im Messquerschnitt mit dem punktuell messenden, laser-geometrischen Verfahren nach ERYUZLU et al. (1994) erfasst. In Abhängigkeit der Schiffsgeschwindigkeit wurde bei einer Abtastrate von 2000 Hz eine Genauigkeit der Prognosewerte an Bug und Heck von DS < 1 mm (Modell) errreicht.

Ergebnisse

Bild 1: Einfluß der Schiffslänge auf Squat und Trimm sehr großer PPM-Containerschiffe
Bild 2: Einfluß der Kielfreiheit auf Squat und Trimm sehr großer PPM-Containerschiffe (hier Länge 400 m)
Bild 3: Einfluß des Abstands des Gewichtsschwerpunkts zum Kiel (KG) auf Squat und Trimm sehr großer PPM-Containerschiffe (hier Länge 350 m)
Bild 4: Vergleich ausgewählter Berechnungsergebnisse für ein sehr großes PPM-Containerschiff (hier Länge 400 m) mit Ergebnissen aus den Modellversuchen der BAW

Der Einfluß der Schiffslänge läßt sich aus Grafik 1 ableiten:

  • Tendenziell ist eine Abnahme des Squat für längere Schiffseinheiten zu erwarten, was besonders beim Vergleich des PPM350 mit dem PPM450 bei höheren Schiffsgeschwindigkeiten deutlich wird (Differenz DS ca. 0,3 m bei einer Schiffsgeschwindigkeit von vS = 17 Kn).
  • Ab einer Schiffsgeschwindigkeit von etwa vS = 15 Kn (Frh ca. 0,6) ist bei allen Schiffseinheiten ein überproportionaler Anstieg der Squatwerte zu verzeichnen.
  • Die PPM-Containerschiffe zeigen mit zunehmender Schiffslänge eine geringere geschwindigkeitsabhängige vorliche Vertrimmung.

Den Einfluß der Kielfreiheit (UKCR = Under-Keel-Clearance bei Ruhe) zeigt Grafik 2:

  • Bei gleichbleibender Verdrängung (t = konstant) zeigt sich der Einfluß im wesentlichen beim Hecksquat: Gleiche Schiffsgeschwindigkleit + größere Kielfreiheit = geringerer Squat.
  • Bei den untersuchten Kielfreiheiten von UKCR = 1,0 - 1,5 - 2,0 m (h/t = 1,06 - 1,09 - 1,12) verändert sich der Lage des Schiffs erst bei höheren Geschwindigkeiten stetig zu einem vorlichen Trimm. Selbst bei - in Ruhelage vorgegebener - achterlicher Vertrimmung stellt sich bei höheren Schiffsgeschwindigkeiten (etwa FRh > 0,6; UKCR= 2,0 m) eine vorliche Vertimmung ein.

Der Abstand des Gewichtsschwerpunktes über Kiel (KG) beeinflusst das Verhalten des Schiffs nur gering (Grafik 3):

  • Eine Abhängigkeit des Squat von KG (DKG bis ca. 3 m) konnte anhand der Versuche mit dm PPM350 nur in sehr geringem Maß festgestellt werden.
  • Bei einer Vergößerung der Höhe des Gewichtsschwerpunktes über Kiel wird das Schiff "weicher" im Verhalten bei Seegang. Bei ruhigem Wasserspiegel ist ein eindeutiger Einfluß der Länge KG auf den Trimmwinkel nicht gegeben.

Eine Prognose des Squat- und Trimm-Verhaltens großer PPM-Containerschiffe auf Basis analytischer und empirischer "klassischer" Ansätze ist nicht möglich, wie ein vergleich zwischen Rechnungen und Messungen im hydraulischen Modell veranschaulicht (z.B.: Squat in Grafik 4):

  • Die hohen Differenzen für den Squat sehr großer PPM-Containerschiffe zwischen den in der WSV verwendeten Squatformeln (ICORELS bzw. BARRASS) gegenüber den Ergebnissen aus dem hydraulischen Modell zeigt die Notwendigleit derartiger Modelluntersuchungen für küstenspezifische Fragestellungen.
  • Analytische Ansätze, die auf Basis von Naturmessungen für die Unterelbe approximiert wurden (Grafik 4 z.B.: TUCK nach SCHMIECHEN, 1997) sowie der Ansatz von TUCK (1967) zeigen nur bei bestimmten Randbedingungen annähernde Übereinstimmungen mit den vorgestellten Modellergebnissen.
  • Eine geschwindigkeitsabhängige Umkehr des Trimm (z.B.: achterlich zu vorlich) ist in den rechnerischen Ansätzen nicht implementiert.

Derzeit gilt die Methode des hydraulischen Modellversuchs als Stand von Technik und Wissenschaft, wobei mittelfristig (voraussichtlich in ca. 3 bis 5 Jahren) mit einer ersten Bearbeitung dieser Fragestellung bei öffentlich rechtliche Verfahren mittels der numerischen Methode zu rechnen ist.

Empfehlungen

Zur Ermittlung zukünftiger Fahrrinnentiefen in seitlich unbegrenztem Flachwasser wird folgende Vorgehensweise empfohlen:

  1. Verwendung der approximierten TUCK-Formel (SCHMIECHEN,1997) zur Abschätzung des Squats bei der Vorbemessung der Fahrrinnentiefe.
  2. Vorgehen bei der Bemessung von Fahrrinnentiefen:
  • Exakte Ermittlung der maximalen Squatwerte anhand von Modellversuchen (vorerst noch hydraulisches Modell)
  • Ansatz eines Teilsicherheitsbeiwertes erst nach Kenntnis des exakten maximalen Squatwertes

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