Quelltext der Seite Systematische Untersuchungen zur Erfassung von geschwindigkeitsabhängigen Querkräften und Giermomenten infolge des Bank-Effekts bei Revierfahrt

[[en:Systematic investigation of bank force and moment acting on a ship when cruising close to side walls]]

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

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===Randbedingungen===

Die Modellversuche zur Erfassung der geschwindigkeitsabhängigen Querkräfte und Giermomente, die infolge der BERNOULI-Strömungseffekte (nautisch auch: [[Bank]]-Effekt) u.a. in Abhängigkeit des Passierabstands zur Uferböschung auf ein Schiff wirken, wurden im Flachwasserbecken der BAW-DH (Länge ca. 100 m, Breite ca. 35 m, max. [[Wassertiefe]] 0,7 m) im Modellmaßstab 1:40 nach den FROUDEschen Modellgesetzen vorgenommen. Die Ergebnisse der Versuche im hydraulischen [[Modell]] wurden entsprechend transformiert und in Naturgrößen angegeben.
 
Dazu war es erforderlich, zusätzlich zu den zu untersuchenden schematischen Uferbö-schungen ein entsprechendes Führungssystem (Schienensystem mit dreieckigem Führungsarm) zu installieren, über das das Modellschiff geführt und gegen dies die auftretenden Kräfte und Momente auf das Schiff redundant gemessen werden konnten. Eine Fotographie der installierten Anlage mit schematischer Darstellung der wirkenden Kräfte und Momente, die aufgezeichnet wurden, ist in Bild 1 dargestellt.

Die Modellschiffe fuhren als funkferngeschaltete, hart getrimmte Selbstfahrer (Propellerantrieb), deren seitlicher Freiheitsgrade (Querkraft, Giermoment) durch den Führungsarm eingeschränkt, dessen vertikale Bewegungen ([[Squat]] und [[Trimm]]) aber ermöglicht wurden. Die Reibung des Führungsschlittens am Schienensystem wurde durch einen eigenen Antrieb mittels Luftpropeller kompensiert. 

[[Bild: Messsystem_Modellschiff_b1.jpg|thumb|Bild 1: Führungs- und Messsystem mit einem Modellschiff im Einsatz mit schematischer Darstellung der wirkenden Kräfte (60k)]]

Die vereinfachte schematische Darstellung des Führungs-  und Messsystems sowie der Messkonfiguration zeigt die Grafik in Bild 2. Zur Erfassung der Querkräfte und Giermomente war eine 6-Komponentenwaage am Fußpunkt des Biegestabs  im Schiff installiert. Mittels redundant installierter Kraftmesssensoren im Schiffskörper sowie am Führungsschlitten wurden die Ergebnisse der zentralen Waage zusätzlich gemessen und überprüft.

[[Bild: Messsystem_Modellschiff_b2.jpg|thumb|Bild 2: Vereinfachte schematische Darstellung des Führungs  und Messsystems sowie der Messkonfiguration (45k)]]

Die untersuchten Schiffseinheiten mit ihren Abmessungen, dem Blockkoeffizienten und den gefahrenen Wassertiefen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Kielfreiheit im Ruhezustand UKC<sub>R</sub> war zu 10 %, 15 % und 20 % des Tiefgangs festgelegt (1,1 < h/t < 1,2). 
 
Bezeichnung	Breite
b [m]	Länge
lpp [m]	[[Tiefgang]]
t [m]	Blockkoeffizient
cB [-]	Wassertiefen
h [m]	UKC<sub>R</sub>
f(t) [%]
PPM55	55,0	360	14,5	0,689	16,0/16,7/17,4	
10/15/20
PM32	32,2	280	11,9	0,671	13,1/13,7/14,3	
MG32	32,2	225	11,9	0,845	13,1/13,7/14,3	
Tabelle 1: Untersuchte Schiffseinheiten und Parameter

Die verschiedenen untersuchten Böschungsneigungen von 1:6, 1:10 und 1:15 inkl. der senkrechten Wand sowie der Passierabstände der Modellschiffe sind schematisch in Bild 3 zusammengestellt (unmaßstäblich). 

[[Bild: Böschung_Passierabstand_b3.jpg|thumb|Bild 3: Grafische Darstellung der verschiedenen untersuchten Böschungsneigungen sowie der Passierabstände der Modellschiffe (unmaßstäblich) (75k)]]

Die Kursabstände von der Schiffsachse zum jeweiligen Böschungsfuß KBF bzw. zur senk-rechten Wand KW sowie der Umfang der untersuchten Teilquerschnittsverhältnisse nT sind in Tabelle 2 angegeben.

Bezeichnung	Böschung 1:6
Kursabstand
K<sub>BF</sub> [m]	Böschung 1:10
Kursabstand
K<sub>BF</sub> [m]	Böschung 1:15
Kursabstand
K<sub>BF</sub> [m]	Wand
Kursabstand
K<sub>W</sub> [m]	n<sub>T</sub>
= A<sub>T</sub> / 0,5 A<sub>S</sub>
[-]
PPM55	
27,5/82/128	
32/72/112	
32/72/112	
139 / 178	3,1 bis 10,8
PM32					4,7 bis 16,7
MG32					4,7 bis 16,7
mit: A<sub>T</sub> = Benetzter Teilquerschnitt Wasserstraße = f(K<sub>BF</sub>, K<sub>W</sub>) , A<sub>S</sub> = Benetzter Hauptspantquerschnitt
Tabelle 2: Untersuchte Kursabstände und Umfang der Teilquerschnittsverhältnisse n<sub>T</sub>

Anhand einer festgelegten Untersuchungsmatrix ergaben sich 78 Versuchsserien mit insge-samt etwa  7.800 Einzelversuchen, da die jeweiligen Schiffsgeschwindigkeiten zwischen ca. 8 kn < v<sub>S</sub> < ca. 14 kn doppelt, die aufgrund von Tiefgang und Wasserstraßenquerschnitt möglichen Maximalgeschwindigkeiten zur Absicherung der Ergebnisse je Serie dreifach gefahren wurden.

===Ausgewählte Ergebnisse===

Aus der Vielzahl der Untersuchungsergebnisse im hydraulischen Modell wurden in den folgenden Grafiken Beispiele für das Giermoment sowie die Querkraft eines PPM-Containerschiffs dargestellt. Abgebildet sind die geschwindigkeitsabhängigen Mittelwerte der gemessenen Zeitreihen über 1,5 Schiffslängen beidseits des festgelegten Messquerschnitts (3 x l) sowie die entsprechenden Standardabweichungen.

In Bild 4 ist das gemessene geschwindigkeitsabhängige Giermoment eines Containerschiffs der Breite von b = 55 m bei der Passage an einer 1:15 geneigten Böschung mit Kursabstand von K<sub>S,BF</sub> = 112 m bis zum Böschungsfuß und einer Kielfreiheit von UKC<sub>R</sub> = 15 % des Tiefgangs t = 14,5 m dargestellt. Ab einer Schiffsgeschwindigkeit von etwa v<sub>S</sub> > 11 kn steigt das Giermoment, das vorher nur gering zunahm, stark überproportional bis auf Werte von etwa 1.000 MNm an (vS ≈ 12,8 kn).  Die geschwindigkeitsabhängige Zunahme der Streuung der Werte bis zu ± 67 % des Mittelwerts bei einer Schiffsgeschwindigkeit von vS ≈ 12,8 kn verdeutlicht das hohe Maß an instationären Strömungsverhältnissen zwischen Schiff und [[Ufer]].  

[[Bild: Giermoment_Bank_b4.jpg|thumb|Bild 4: Geschwindigkeitsabhängiges Giermoment und Standardabweichung bei der Passage eines PPM-Containerschiffs an einer 1:15-geneigten Böschung (K<sub>S,BF</sub> = 112 m) (75k)]]

Die bei derselben Versuchsserie durch den Bank-Effekt induzierten gemessenen Querkräfte und deren Standardabweichungen sind in Bild 5 aufbereitet. Wie bei der geschwindigkeitsabhängigen Entwicklung des Giermoments steigt bei den oberen aufgeführten Randbedingungen ab einer Schiffsgeschwindigkeit von etwa v<sub>S</sub> > 11 kn die Querkraft überproportional bis zur maximalen Schiffsgeschwindigkeit von vS ≈ 12,8 kn auf Werte von etwa 4 MN an.

[[Bild: Querkraft_Bank_b5.jpg|thumb|Bild 5: Geschwindigkeitsabhängige Querkräfte und Standardabweichung bei der Passage eines PPM-Containerschiffs an einer 1:15-geneigten Böschung (K<sub>S,BF</sub> = 112 m) (75k)]]

Bei der durch den Bank-Effekt verursachten Querkraft treten bei nahezu allen Schiffsgeschwindigkeiten aufgrund der turbulenten, instationären Strömungsverhältnisse Standardabweichungen in der Größenordnung des Mittelwerts selbst auf.

===Schlussfolgerungen===

Die vorgestellten Ergebnisse der Modellversuche zur Erfassung der geschwindigkeitsabhängigen Querkräfte und Giermomente infolge der BERNOULI-Strömungseffekte (Bank-Effekte) verdeutlichen den Einfluss der Schiffsgeschwindigkeit ab einer [[Grenzgeschwindigkeit]], ab der ein überproportionaler Anstieg der hydrodynamischen Querkräfte und Giermomente wirksam wird. Die turbulenten, instationären Strömungsverhältnisse zwischen Schiff und Uferböschung führen zu erheblichen Standardabweichungen um die Mittelwerte der Kräfte und Momente, die auf das Schiff wirken. 

Die umfangreichen Datensätze aus den hydraulischen Modellversuchen zum Bank-Effekt wurden in eine Datenbank zusammengestellt, um die Ergebnisse als Datenbasis für eine Implementierung zur Optimierung der [[Schiffsführungssimulation]] zur Verfügung zu stellen.

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