Quelltext der Seite Systematische Untersuchungen zur Erfassung von Squat und Trimm sowie schiffserzeugter Druck- und Wellensysteme bei Fahrt im Revier mit seitlich begrenzter Fahrrinne im Flachwasser

[[en:Systematic studies for recording  squat and trim together with ship-induced pressure and wave systems when passing through channels in confined shallow water]]

Autor: [mailto:klemens.uliczka@baw.de K. Uliczka]

__TOC__

===Randbedingungen===

Die Untersuchungen zum fahrdynamischen Verhalten sehr großer POST-PANMAX-Containerschiffe bei Revierfahrt in seitlich und tiefenbegrenztem [[Fahrwasser]] wurden im Flachwasserbecken der BAW-DH (Länge ca. 100 m, Breite ca. 35 m, max. [[Wassertiefe]] 0,7 m) in einem Modellmaßstab von 1:40 nach den FROUDEschen Modellgesetzen vorgenommen. <br>
Die Abmessungen und untersuchten Parameter der eingesetzten Modellschiffe waren:

{| align="center" border="1"
|Bezeichnung
|Länge
|Breite
|[[Tiefgang]]
|UKCR*
|cB-Wert** 
|SG+ 
|Gewichtstrimm
|KG++
|-
|align="center"|-
|align="center"|m
|align="center"|m
|align="center"|m
|align="center"|m
|align="center"|- 
|align="center"|- 
|align="center"|-
|align="center"|m 
|-
|align="center"|JUMBO
|align="center"|320
|align="center"|40
|align="center"|14,5
|align="center"|1-2
|align="center"|0,740
|align="center"|6,29
|align="center"|Hart
|align="center"|11,8
|-
|align="center"|MEGA-JUMBO
|align="center"|360
|align="center"|55
|align="center"|15,5
|align="center"|1-1,5-2
|align="center"|0,677
|align="center"|6,10
|align="center"|Hart
|align="center"|10,2
|-
|}

''*UKCR: Under-Keel-Clearance, **cB: Blockkoeffizient, +SG: Schlankheitsgrad, ++KG: Gewichtsschwerpunkt über Kiel'' 

Die Tiefen-FROUDE-Zahlen lagen bei 0,27 < Fr<sub>h</sub> < 0,68. Die REYNOLDS-Zahlen wurden ermittelt zu Werten zwischen 3,1 · 10<sup>6</sup> < Re < 6,2 · 10<sup>7</sup> (Faktor 10 > Re<sub>KRIT,erf</sub>). Durch Einhaltung der geometrischen und dynamischen Ähnlichkeitsbedingungen war die Prognosefähigkeit der Untersuchungen sichergestellt.

Die untersuchten Fahrwasserquerschnitte und (Teil-)Querschnittsverhältnisse sind in Bild 1 beispielhaft für den MEGA-JUMBO zusammengestellt:
* Trapezprofil, mittige Fahrt, Querschnittsverhältnisse n = 25, 20, 15, 10 (Ergebnisse aus CFD-Simulationen). 
* Trapezprofil, außermittige Fahrt, Teilquerschnittsverhältnisse n<sub>T</sub> = 10/5, 20/10, 25/10.
* Kombiniertes Profil, außermittige Fahrt, Teilquerschnittsverhältnisse n<sub>T</sub> = 25/10, 20/10, 10/5.

[[Bild: Fahwasserquerschn_MegaJumbo_b1.jpg|thumb|Bild 1: Untersuchte Fahrwasserquerschnitte mit (Teil-)Querschnittsverhältnissen u.a. für den MEGA-JUMBO (60k)]]

''Anmerkungen:'' 
''[[Querschnittsverhältnis]]'' n = A / A<sub>S</sub> <br> 
''mit:'' A ''Fläche des benetzten Wasserstraßenquerschnitts'' <br>
A<sub>S</sub>	''Fläche des benetzten Hauptspantquerschnitts'' <br>
''Teilquerschnittsverhältnis'' n<sub>T</sub> = A<sub>T</sub> / 0,5 A<sub>S</sub> <br>
''mit:'' A<sub>T</sub>	''Fläche des benetzten Wasserstraßen-Teilquerschnitts von Kursachse bis [[Ufer]]''
 	
Neben den Messungen zur [[Schiffsdynamik]] ([[Squat]], [[Trimm]]) wurden ebenso die geschwindigkeitsabhängigen Wasserspiegelauslenkungen im [[Querprofil]] ausgewertet und analysiert. Dazu werden ausgewählte Ergebnisse dargestellt und bewertet.

===Ausgewählte Ergebnisse – Squat und Trimm===

Am Beispiel der Messergebnisse für den MEGA-JUMBO werden folgende Zusammenhänge aufgezeigt:
* Geringere Querschnittsverhältnisse von eingetauchtem Hauptspantquerschnitt zum Wasserstraßenquerschnitt führen zu größeren geschwindigkeitsabhängigen Squatwerten (Bild 2).
* Verschiedene Fahrwasserverhältnisse in Form und seitlicher Begrenzung ausge-hend von seitlich unbegrenztem [[Fahrwasser]] bis engen hin zur [[Fahrrinne]] im Flachwassern führen zu einer deutlichen Zunahme des Squats (Bild 3). 

[[Bild: Querschn_Squat_MegaJumbo_b2.jpg|thumb|Bild 2: Einfluss der Querschnittsverhältnisse auf das geschwindigkeitsabhängige Squat-Verhalten bei Revierfahrt (MEGA-JUMBO) (60k)]]

[[Bild: Squat_Revier_MegaJumbo_b3.jpg|thumb|Bild 3: Einfluss der Fahrwasserquerschnitte auf das geschwindigkeitsabhängige Squat-Verhalten bei Revierfahrt (MEGA-JUMBO) (160k)]]

Die Ergebnisse der umfangreichen Untersuchungen zeigen, dass gerade auf längeren Revieren zu großen Seehäfen wie z.B. der [[Tideelbe]], der Tideweser oder der Schelde zum [[Hafen]] Antwerpen sowohl die Fahrrinnentiefe als auch die [[Fahrwasserbreite]] (der Wasserstraßenquerschnitt) in die Vorausberechnung des geschwindigkeit-  und fahrzeugabhängigen maximalen [[Squat]] einbezogen werden muss, um die Leichtigkeit und [[Sicherheit]] des Schiffsverkehrs zu den Seehäfen von Seiten der WSV zu gewährleisten.

===Ausgewählte Ergebnisse – Schiffserzeugte Belastung===

Die gleichzeitig mit der [[Schiffsdynamik]] gemessenen geschwindigkeitsabhängigen, schiffser-zeugten Wasserspiegeländerungen ([[Absunk]] z<sub>A</sub>, [[Primärwelle]] H<sub>P</sub> und Sekundärwelle H<sub>S</sub>) und dessen querschnittsabhängige Verteilung im Fahrwasser wurden beispielhaft für den [[Absunk]] z<sub>A</sub> in den Bildern 4 und 5 dargestellt:
* Eine mittige Fahrt bewirkt eine symmetrische Verteilung und Abnahme des geschwindigkeitsabhängigen Absunks im Fahrwasserquerschnitt (Bild 4, mittige Fahrt, links).
* Bei geringer UKC bestimmt das Teilquerschnittsverhältnis die Abnahme des Absunks bis hin zum [[Ufer]] (Bild 4, außermittige Fahrt, rechts).
* Die Abnahme des Absunks im Fahrwasserquerschnitt in Abhängigkeit des Passierabstands zum Ufer wird anhand des Vergleichs beider Grafiken in Bild 4 deutlich: Am rechten Ufer ist die Absunkbelastung aufgrund ähnlicher Teilquerschnittsverhältnisse annähernd gleich, am linken Ufer führt der größere Passierabstand des fahrenden Schiffs zu eine deutlich geringeren Belastung am Böschungsfuß.

[[Bild: Absunk_MegaJumbo_b4.jpg|thumb|Bild 4: Darstellung der Verteilung des geschwindigkeitsabhängigen Absunks im Fahrwasser-querschnitt für die Querschnittsverhältnisse n = 21 und nT = 36 / 23 (JUMBO) (90k)]]

* Bei sehr engen Querschnittsverhältnissen können schon deutlich geringere Schiffsgeschwindigkeiten (hier v<sub>S,MAX</sub> = 13,1 kn) hohe Belastungen am Ufer bewirken (Bild 5, mittige Fahrt in Fahrrinne bei asymmetrischem Fahrwasser).

[[Bild: geschw_Absunk_MegaJumbo_b5.jpg|thumb|Bild 5: Darstellung der Verteilung des geschwindigkeitsabhängigen Absunks im kombinierten Fahrwasserquerschnitt (mit Transportkörpern in der Fahrrinne) für das Teilquerschnittsver-hältnis n<sub>T</sub> = 10/5 (MEGA-JUMBO) (75k)]]

Eine weitergehende Analyse der langperiodischen schiffserzeugten Belastungen am jeweiligen Böschungsfuß in Abhängigkeit der Teilquerschnitte (hier: Absunk z<sub>A</sub>) fasst die Ergebnisse der umfangreichen Systemversuche der BAW in Bild 6 für das JUMBO-Containerschiff (PPM40) zusammen. Die Grafik zeigt die Abnahmefunktionen des Absunks z<sub>A</sub> in Abhängigkeit des Teilquerschnittverhältnisses n<sub>T</sub> für verschiedene Schiffsgeschwindigkeiten eines PPM40-Containerschiffs.

[[Bild: Abnahme_Absunk_PPM40_b6.jpg|thumb|Bild 6: : Abnahmefunktionen des Absunks zA in Abhängigkeit des Teilquerschnittverhältnisses  nT für verschiedene Schiffsgeschwindigkeiten eines PPM40-Containerschiffs (90k)]]

Zum Beispiel kann anhand der Abnahmefunktion für eine Schiffsgeschwindigkeit des PM40 von etwa v<sub>S</sub> ≈ 13,5 kn (Bild 6, rote Kurve) abgeleitet werden, dass für Teilquerschnittsver-hältnisse zwischen 10 < n<sub>T</sub> < 23 eine Belastungsabnahme etwa mit einem Faktor F ≈ 5 zu erwarten ist.

Des Weiteren wird anhand der geschwindigkeitsabhängigen Trendlinien deutlich erkennbar, dass kein linearer Zusammenhang von langperiodischer, schiffserzeugter Belastung und Teilquerschnittsverhältnis besteht. 

===Schlussfolgerungen===

* Bei der Bemessung einer Fahrrinnentiefe ist hinsichtlich der Größe des Squats nicht nur die Kielfreiheit UKC<sub>R</sub> sondern auch das [[Querschnittsverhältnis]] n von eingetauchtem Hauptspantquerschnitt A<sub>S</sub> zum Fahrwasserquerschnitt A zu berücksichtigen (S = f (n, UKC<sub>R</sub>, v<sub>S</sub>, ...) mit n = A<sub>S</sub> / A).
* Eine außermittige Fahrt bewirkt nur geringe bis sehr geringe Zunahmen des Squat beim Vergleich mit mittiger Fahrt (S ≠ f (L, ...) ).
* Es ist kein wirksamer Einfluss von Böschungsform oder Vorlandbereich auf den Squat bei gleichem Fahrwasserquerschnitt festgestellt worden (S ≠ f (1:m, …) ).
* Bei geringer UKC<sub>R</sub> bestimmt das Teilquerschnittsverhältnis n<sub>T</sub> von Schiff A<sub>S</sub>/2 und [[Wasserstraße]] A<sub>T</sub> in Abhängigkeit des Passierabstands L zum Ufer das geschwindigkeitsabhängige Maß der schiffserzeugten langperiodischen Wellen- und Strömungsbelastung (z.B.: Absunk z<sub>A</sub> = f (n<sub>T</sub>, v<sub>S</sub>, …) mit n<sub>T</sub> = 0,5 A<sub>T</sub> / A<sub>S</sub> bei A<sub>T</sub> = f (L, ...) ).

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