Schiffserzeugte Belastungen - Versionsgeschichte

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2022-10-21T08:54:30Z

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Merkelj: /* Hydrodynamisch-numerische Methoden */

2022-04-07T10:35:54Z

Hydrodynamisch-numerische Methoden

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	==Hydrodynamisch-numerische Methoden==		==Hydrodynamisch-numerische Methoden==
			[[en:Hydrodynamic Numerical Methods]]
			[[Bild: bild4.jpg\|thumb\|Bild 1: Berechnete Wasserspiegelauslenkung für ein PANMAX Containerschiff]]

	* [~~[Definition~~ der ~~Kenngrößen]]~~		Auf der Basis der heute zur Verfügung stehenden Rechner-Hardware sowie bearbeiteter Formen der BOUSSINESQ-Gleichungen (NWOGU, 1993)<ref>NWOGU, O., Alternative form of Boussinesq equation for nearshore wave propagation, J. of Waterway, Port, Coastel and Ocean Engineering, Vol. 119, No. 6, ASCE, USA, 1993</ref> war es möglich, u.a. Schiffswellen in tiefen- und seitenbegrenztem Wasser einschließlich der Wellenausbreitungsprozesse Refraktion, Shoaling, Diffraktion und Reflexion, jüngst auch Strömungsrefraktion sowie Squat und Trimm - vorerst bei unterkritischer Fahrt - zu simulieren. Erste umfangreiche Berechnungen mit dem Programm WAKE2D des National Research Council of Canada - Canadian Hydraulic Center ([http://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/ibp/chc.html NRC-CHC, 1997]) <ref>NRC-CHC, Numerical Model Study of Ship-Induced Waves und Currents in the Elbe Estuary, Controlled Technical Report, HYD.CTR-093 (unveröffentlicht), Ottawa, Canada, 1997</ref> wurden im Auftrag der BAW-AK im Rahmen der Untersuchungen an der Unterelbe vorgenommen. Bei den Rechenergebnissen mit WAKE2D ist u.a. eine starke Überschätzung der kurzperiodischen Wellen gegenüber den gemessenen Werten aus dem hydraulischen Modell festzustellen.
	* [[Funktionelle Abhängigkeiten]]
	* [[Analytische und ~~empirische Ansätze]]~~		Andere theoretisch-numerische Verfahren zur Schiffsumströmung, wie z.B. FANKAN (Fluid-Automaten-Netz für Kanäle für völlige Schiffe; PAGEL/FÜHRER, 1989)<ref>PAGEL, W. und FÜHRER, M., Umströmungs- und Widerstandsverhalten völliger Schiffe bei Kanalfahrt. Ergebnisse einer diskreten Modellierung und ihrer experimentellen Verifizierung, Mitteilungen der Forschungsanstalt für Schiffahrt, Wasser- und Grundbau, Schriftenreihe Heft 3, Berlin, 1989</ref>, sind nicht entsprechend entwickelt, die hydrodynamisch optimierte Form von Seeschiffen (u.a. Wulstbug) hinreichend genau zu diskretisieren und verfälschen damit die dynamische Belastung von Seeschifffahrtsstraßen.
	* [[Hydrodynamisch-numerische ~~Methoden]]~~
			Erste Proberechnungen mit einem weiteren Modell namens SHALLOWTANK (CHEN, 1998)<ref>CHEN, X.-N., Schiffswellenbildung über einer querveränderlichen Topographie, Abstracts - 19. Duisburger Kolloquium Schiffstechnik/ Meerestechnik, Das Schiff für überkritische Fahrt, Duisburg, 1998</ref> (CHEN/ULICZKA, 1999)<ref>CHEN, X.-N. und ULICZKA, K., On Ships in Natural Waterways, Proceedings of Int. Conf. on Coastal Ships and Inland Waterways, The Royal Institution of Naval Architects, Feb. 1999, London 1999</ref> zeigen qualitativ und - bedingt - quantitativ gute Übereinstimmungen mit den Meßergebnissen von Versuchsfahrten im hydraulischen Modell der BAW-AK. Das Berechnungsverfahren SHALLOWTANK wurde auch schon für die Berechnung schiffserzeugter Belastung bei transkritischen und überkritischen Schiffsgeschwindigkeiten (CHEN, 1997)<ref>CHEN, X.-N., Theoretische Grundlagen der Wellenwiderstandseliminierung bei überkritischer Fahrt, besonders durch den Einsatz gekrümmter Katamarane, Proceedings - 18. Duisburger Kolloquium Schiffstechnik/Meerestechnik, Das Schiff in begrenzten Gewässern, Duisburg, 1997</ref> eingesetzt. Nach weiteren erforderlichen Verifikationsrechnungen sowie nach der Vorlage eines Validierungsdokuments wäre in Zukunft eine rechnerische Bearbeitung von Fragestellungen zur schiffserzeugten Belastung inhomogener Wasserstraßen mit diesem Programm denkbar.

			Derzeit ist die numerische Bearbeitung (z.B. mit WAKE2D oder SHALLOWTANK) noch als Stand der Forschung, aber nicht als wissenschaftlich unstrittiges Hilfsmittel zur Bearbeitung der Fachaufgabe Wechselwirkung Seeschiff - Seeschifffahrtsstraße einzustufen.

			Eine gesicherte, quantitative Prognose schiffserzeugter Belastungen in Seeschifffahrtsstraßen ist gegenwärtig nur auf Basis hydraulischer Modellversuche in einem fachwissenschaftlich abgesicherten Modellmaßstab möglich (Stand der Technik und Wissenschaft).

			== Einzelnachweise ==
			<references />
	<br />		<br />

Merkelj: /* Traditionelle Verfahren */

2022-04-07T10:35:21Z

Traditionelle Verfahren

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	* Absunk und Wellenhöhe<br />z<sub>A</sub> prop. v<sub>S</sub><sup>k</sup> mit 2 < k < 3,5<br />z<sub>A</sub> prop. n<sup>k</sup> mit -1,5 < k < -1		* Absunk und Wellenhöhe<br />z<sub>A</sub> prop. v<sub>S</sub><sup>k</sup> mit 2 < k < 3,5<br />z<sub>A</sub> prop. n<sup>k</sup> mit -1,5 < k < -1
			* Rückstromgeschwindigkeit<br />v<sub>R</sub> prop. v<sub>S</sub><br />v<sub>R</sub> prop. n<sup>-1</sup>

	* Rückstromgeschwindigkeit<br />v<sub>R</sub> prop. v<sub>S</sub><br />v<sub>R</sub> prop. n<sup>-1</sup>
	~~<br />~~

	Das Diagramm (Bild 1) zeigt die Bandbreite möglicher Berechnungsergebnisse für die Randbedingungen eines Meßquerschnitts an der Unterelbe im Vergleich mit Meßwerten aus dem hydraulischen Modell der BAW-AK.		Das Diagramm (Bild 1) zeigt die Bandbreite möglicher Berechnungsergebnisse für die Randbedingungen eines Meßquerschnitts an der Unterelbe im Vergleich mit Meßwerten aus dem hydraulischen Modell der BAW-AK.

Merkelj: /* Analytische und empirische Ansätze */

2022-04-07T10:35:10Z

Analytische und empirische Ansätze

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	==Analytische und empirische Ansätze==		==Analytische und empirische Ansätze==
			[[en:Analytical and Empirical Methods]]
			==Traditionelle Verfahren==
			[[Bild: bild3.jpg\|thumb\|Bild 1: Bandbreite möglicher Berechnungsergebnisse]]

			Während zur Berechnung des Absunks z<sub>A</sub> im wesentlichen analytische Herleitungen herangezogen werden können (u.a. KREY, 1913; CONSTANTINE, 1960; BOUWMEESTER et al., 1977; FÜHRBÖTER, 1982), sind die Rechenverfahren zur Ermittlung der Wellenhöhe auch anhand von Modellversuchen und/oder [[Naturmessungen]] empirisch abgeleitet (u.a. RÖMISCH, 1969). Die kurzperiodischen Sekundärwellen sind zwar in einigen empirischen Ansätzen mit berücksichtigt, als Funktion der beschriebenen Einflußgrößen jedoch nicht im Detail bekannt, da sie in Abhängigkeit von Schiffsgeschwindigkeit und besonders der Schiffsform durch die unterschiedliche Druckverteilung am Schiffskörper entstehen.


			Für den unterkritischen Geschwindigkeitbereich, in dem in der Handelsschiffahrt aus wirtschaftlichen Gründen gefahren wird (etwa v<sub>S</sub> < 0,9·[g·d]<sup>0,5</sup>), sind aus dem Schrifttum vereinfacht folgende Zusammenhänge ermittelt:

			* Absunk und Wellenhöhe<br />z<sub>A</sub> prop. v<sub>S</sub><sup>k</sup> mit 2 < k < 3,5<br />z<sub>A</sub> prop. n<sup>k</sup> mit -1,5 < k < -1

			* Rückstromgeschwindigkeit<br />v<sub>R</sub> prop. v<sub>S</sub><br />v<sub>R</sub> prop. n<sup>-1</sup>
			<br />

			Das Diagramm (Bild 1) zeigt die Bandbreite möglicher Berechnungsergebnisse für die Randbedingungen eines Meßquerschnitts an der Unterelbe im Vergleich mit Meßwerten aus dem hydraulischen Modell der BAW-AK.

			Für die Prognose schiffserzeugter Belastungen in inhomogenen Seeschifffahrtsstraßen sind neben der Wechselwirkung von Schiff zu Wasserstraße bei der Wellen- und Strömungsentstehung desweiteren Wellenausbreitungsprozesse wie u.a. Refraktion und Shoaling maßgebend, so dass die Einbeziehung dieser physikalischen Vorgänge in die Berechnung (ohne Parametrisierung) erforderlich wird.

			Die traditionellen empirischen und analytischen Ansätze können die schiffserzeugten Belastungen durch die seegängige Großschifffahrt auf den großen inhomogenen Seeschifffahrtsstraßen und besonders im Tidegebiet quantitativ nur sehr unzureichend abschätzen. Eine rechnerische Ermittlung zukünftiger Belastungen kann folgedessen mit diesen Ansätzen nicht erfolgen.
			<br />

	==Hydrodynamisch-numerische Methoden==		==Hydrodynamisch-numerische Methoden==

Merkelj: /* Funktionelle Abhängigkeiten */

2022-04-07T10:34:54Z

Funktionelle Abhängigkeiten

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 ==Funktionelle Abhängigkeiten==
 ==Analytische und empirische Ansätze==
 ==Hydrodynamisch-numerische Methoden==

Merkelj: /* Definition der Kenngrößen */

2022-04-07T10:34:35Z

Definition der Kenngrößen

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 ==Definition der Kenngrößen==
 ==Funktionelle Abhängigkeiten==
 ==Analytische und empirische Ansätze==

Merkelj am 7. April 2022 um 10:34 Uhr

2022-04-07T10:34:14Z

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	Bei der BAW Dienststelle Hamburg wurden in den letzten Jahren zur Fragestellung der Wechselwirkung Seeschiff - Seeschifffahrtsstraße sowohl Untersuchungen in hydraulischen Modellen als auch Messungen in der Natur durchgeführt.		Bei der BAW Dienststelle Hamburg wurden in den letzten Jahren zur Fragestellung der Wechselwirkung Seeschiff - Seeschifffahrtsstraße sowohl Untersuchungen in hydraulischen Modellen als auch Messungen in der Natur durchgeführt.

			==Definition der Kenngrößen==
			==Funktionelle Abhängigkeiten==
			==Analytische und empirische Ansätze==
			==Hydrodynamisch-numerische Methoden==

	* [[Definition der Kenngrößen]]		* [[Definition der Kenngrößen]]

Merkelj am 7. April 2022 um 09:55 Uhr

2022-04-07T09:55:54Z

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	[[en:Ship-generated Loading]]		[[en:Ship-generated Loading]]

			Die Änderung der tiefgangs- und geschwindigkeitsabhängigen schiffserzeugten Belastung der Schifffahrtsstraßen setzt eine Definition der Kenngrößen (z.B. Schiffswellensystem, Verdrängungsströmung) voraus und erfordert die Kenntnis der funktionellen Abhängigkeiten (z.B. Schiffsgeschwindigkeit und Schiffsbreite, Fahrwasserverhältnisse, Passierabstand). U.a. zeigt Bild 1 schematisch das Schiffswellensystem.

			Seit Anfang dieses Jahrhunderts wurde eine Vielzahl analytischer und empirischer Ansätze zur Berechnung der Wechselwirkung von Schiff und Wasserstraße entwickelt. Erste Berechnungen mit hydrodynamisch-numerischen Modellen zeigen im Vergleich zu Ergebnissen aus hydraulischen Maßstabsmodellen Abweichungen, so dass diese numerischen Modelle zur Ermittlung ausbaubedingter Änderungen schiffserzeugter Belastungen in Schifffahrtsstraßen noch nicht als abgesichertes wissenschaftliches Hilfsmittel einzustufen sind. Eine gesicherte, quantitative Prognose schiffserzeugter Belastungen in inhomogenen Wasserstraßen ist derzeit nur auf Basis hydraulischer Modellversuche in einem fachwissenschaftlich abgesicherten Modellmaßstab möglich (Stand der Technik und Wissenschaft).

			Bei der BAW Dienststelle Hamburg wurden in den letzten Jahren zur Fragestellung der Wechselwirkung Seeschiff - Seeschifffahrtsstraße sowohl Untersuchungen in hydraulischen Modellen als auch Messungen in der Natur durchgeführt.

	* [[Definition der Kenngrößen]]		* [[Definition der Kenngrößen]]

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2022-04-07T09:53:09Z

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	<br />		<br />

	~~==Literatur==~~

	*''Uliczka, K. und Flügge, G., Squat-Untersuchungen für sehr große Postpanmax-Containerschiffe, Tagungsband HTG-Sprechtag des FA Seeschifffahrtsstraßen, Hafen und Schiff, Hamburg, 27. März 2001''

	*''Flügge, G. und Uliczka, K., Dynamisches Fahrverhalten und Wechselwirkungen mit der Fahrrinnensohle von sehr großen Containerschiffen unter extremen Flachwasserbedingungen, Tagungsband HTG-Kongress Häfen & Wasserstraßen, Hamburg, September 2001''

	*''Flügge, G. und Uliczka, K., Dynamisches Fahrverhalten und Wechselwirkungen mit der Fahrrinnensohle von sehr großen Containerschiffen unter extremen Flachwasserbedingungen (mit weiteren Ergebnissen), HANSA 138. Jhrg. Dezember 2001''

	*''Uliczka, K., Kondziella, B. und Flügge, G., Dynamisches Fahrverhalten sehr großer Containerschiffe in seitlich begrenztem extremen Flachwasser, HANSA 141. Jhrg. Januar 2004''

	*''Uliczka, K. und Kondziella, B., Dynamic response of very large containerships in extremly shallow water, Proceedings of the 31st PIANC Congress, Estoril, Spanien, 2006''

	*''Uliczka, K., Seeschiffe auf Seeschifffahrtsstraßen am Beispiel der Unter und Außenelbe. In: Hamburg – die Elbe und das Wasser sowie weitere wasserhistorische Beiträge. Schriften der DWhG Band 13, S. 97-112, Siegburg, 2009''

	*''Uliczka, K. und Kondziella, B., Research on ship dynamics on large containerships in confined fairways. International Conference on Ship Manoeuvring in Shallow and Confined Water – Bank-Effects - Antwerp. In: Conference Proceedings of RINA, Ghent University, FHR, RINA, London, 2009''

	*''Briggs, M. J., Vantorre, M., Uliczka, K. und Debaillon, P., Prediction of Squat for Underkeel Clearance. In: Handbook of Coastal and Ocean Engineering, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., Singapore, 2010''

	*''Uliczka, K., Böttner, C-U. und Carstens, D., Head-on traffic at the approach channel to the Port of Hamburg. 3rd International Conference on Ship Manoeuvring in Shallow and Confined Water – Ships Behaviour in Locks - Ghent. In: Conference Proceedings of RINA, Ghent University, FHR, RINA London, 2013''

	*''Uliczka, K., Wasserbauliche Modellversuche zur Wechselwirkung Seeschiff / Seeschifffahrtsstraße. In: 44. Internationales Wasserbau-Symposium Aachen 2014, RWTH Aachen, IWW, Achen, 2014''

	*''Gourly, T.P., Ha, J.H., Mucha, P. und Uliczka, K., Sinkage and Trim of Modern Container Ships in Shallow Water. In: Proceedings, Australasian Coasts & Ports Conference 2015, Auckland, New Zealand, 2015''

	----		----

Merkelj am 7. April 2022 um 09:51 Uhr

2022-04-07T09:51:26Z

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	[[en:Ship-generated Loading]]		[[en:Ship-generated Loading]]
	~~[[Bild: BAWiki_Schiffsdynamik_1.jpg\|thumb\|Bild 1: Messungen zur Schiffsdynamik großer Fahrzeuge in Seeschifffahrtssraßen]]~~
	~~[[Bild: BAWiki_Schiffsdynamik_2.jpg\|thumb\|Bild 2: Moderne Messtechnik zur Erfassung der Schiffsdynamik im Modellversuchswesen]]~~
	~~[[Bild: BAWiki_Schiffsdynamik_3.jpg\|thumb\|Bild 3: Begegnung im Modellversuch]]~~
	~~[[Bild: BAWiki_Schiffsdynamik_4.jpg\|thumb\|Bild 4: Summenkurve des zusätzlichen Squats bei Schiffsbegegnungen auf einer Seeschifffahrtsstraße]]~~
	~~[[Bild: BAWiki_Schiffsdynamik_5.jpg\|thumb\|Bild 5: Messungen der Schiffsdynamik auf Revierfahrt Elbe]]~~

	Der Fachbegriff "Dynamisches Fahrverhalten" wird im folgenden reduziert auf die vertikalen Bewegungen des Schiffs (Squat und Trimm) in Wechselwirkung mit der Schiffsgröße, der Schiffsgeschwindigkeit und den Sohlstrukturen.

	Als Squat ist die Absenkung des fahrenden Schiffs mit dem Primär-Wellen-System, das es selbst bei Fahrt erzeugt, definiert. Trimm ist die Verdrehung des Schiffs um die Querachse und wird beeinflusst u.a. von bestimmten Schiffsparametern und der Schiffsgeschwindigkeit.Die Untersuchungen haben das Ziel, der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) für kommende Ausbauplanungen die geschwindigkeits-, wasserstands- und tiefgangsabhängigen Parameter Squat und Trimm zur Festlegung der Fahrrinnentiefen zur Verfügung zu stellen. Die Modelluntersuchungen sind in drei Teilprojekte unterteilt:

	*Erfassung von Squat und Trimm sowie schiffserzeugter Druck- und Wellensysteme bei Fahrt über eine feste, ebene Sohle in seitlich unbegrenztem Flachwasser
	*Erfassung von Squat und Trimm sowie schiffserzeugter Druck- und Wellensysteme bei Fahrt über eine feste Sohle mit Transportkörpern in seitlich unbegrenztem Flachwasser
	*Systematische Untersuchungen zur Erfassung von Squat und Trimm sowie schiffserzeugter Druck- und Wellensysteme bei Fahrt im Revier mit seitlich begrenzter Fahrrinne im Flachwasser.

	Ausgewählte Ergebnisse der umfangreichen Versuchsserien werden unter den obigen Ziffern vorgestellt. Einen Eindruck der Versuchseinrichtung und der Größenordnung der Modellschiffe vermittelt Bild 1.

	Die Ergebnisse der Untersuchungen zu 1. und 2. wurden im März 2001 (Uliczka/Flügge, 2001) sowie im September und Dezember 2001 (Flügge/Uliczka, 2001) veröffentlicht. Zu Ziffer 3 erfolgten Veröffentlichungen im Januar 2004 (Uliczka/Kondziella/Flügge, 2004) sowie in 2006 (Uliczka/Kondziella, 2006).

	Die Fachaufgabe Wechselwirkung Seeschiff/Seeschifffahrtsstraße (WSS) erforderte auf Grund der Größenentwicklung der Seeschiffe und der daraus notwendigen Befahrbarkeitsanalyse der Tideästuare u.a. fortlaufende Forschungsanstrengungen auf dem Gebiete der Schiffsdynamik bei Revierfahrt mit Blick auf die physikalischen Grundlagen für das „Werkzeug“ Schiffsführungssimulation. Somit wurde dieses Forschungsgebiet neben der „vertikalen“ Schiffsdynamik mit Squat, Trimm (s.o.) durch die Teilprojekte Wechselwirkung Schiff/ Ufer (BERNOULLI-Effekt oder „Bank-Effekt“) sowie Schiff/Schiff ergänzt. In den Teilprojekten werden neben den bisher schon erforderlichen Kenngrößen der schiffserzeugten Wasserspiegelauslenkung und Strömung sowie des geschwindigkeitsabhängigen Squat und Trimm zusätzlich die seitlich auf das Schiff wirkenden geschwindigkeitsabhängigen Kräfte und Momente erfasst.

	*Im Teilprojekt „Bank-Effekt“ wurden die Wechselwirkung von Seeschiffen mit verschiedenen Uferböschungen durch die Erfassung der abstands- und neigungsabhängige Querkräfte und Giermomente im physikalischen Modellversuch ermittelt.
	*Das derzeit laufende Teilprojekt „Schiff-Schiff-Interaktion“ erarbeitet die geschwindigkeitsabhängigen Querkräfte und Giermomente sowie den dynamischen Squat und Trimm bei den Begegnungen außergewöhnlich großer Containerschiffe in Abhängigkeit des Kursabstands, des Tiefgangs sowie des Wasserstands. Hierbei werden sowohl physikalische Modellversuche (EFD: Experimental Fluid Dynamics) als auch hydrodynamisch-numerische Berechnungen (CFD: Computational Fluid Dynamics) vorgenommen.
	*Die jeweils parallel mit zu erfassenden schiffserzeugten Wasserspiegelauslenkungen (Schiffswellen) und Strömungen ermöglichen eine ganzheitliche Betrachtung der physikalischen Prozesse bei der Revierfahrt.

	In den Teilprojekten wurde und wird im Wesentlichen die Methode des hydraulischen Maßstabsversuchs nach Stand von Technik und Wissenschaft eingesetzt, um zum einen fahrdynamische Daten für die großen Fahrzeuge zu ermitteln, zum anderen Basisdaten für die Schiffsführungssimulation sowie Validierungsdaten für die Weiterentwicklung hydrodynamisch-numerischer Verfahren bereitzustellen.

	* [[Definition der Kenngrößen]]		* [[Definition der Kenngrößen]]