Über die kräfte in den trossen verankerter schiffe bei passiervorgängen

Über

die Kräfte

in den Trossen

verankerter Schiffe

bei Passiervorgängen

Dr-Ing. Walter Grollius

Forschung/Entwicklung

Über die Kräfte in den

Trossen verankerter Schiffe bei Passiervorgängen')

Dr-Ing. Walter GroHius

A combination of experimental and theoretical methods for solving the difficult problemis

discussed. The study mainly deals with systematic passing tests, in which the most

impor-tant hydrodynamic exciting forces and some components of motion were measured at a

partially constTained ship's model. The results indicate the passing of a ship going with slow speed to be of quasi-stationary nature. Thus the computation of problem becomes

consid-erably easier. In non-dimensional presentation of test data the well-known principles of

ship's body flow are evident. Comparison of various combinations of ships gives indication

of the influence of their dimensions and of water depth.

L Einleitung

In den letzten Jahren gehen die

Bestrebun-gen immer mehr dahin, die Küstenhäfen

durch Erweiterung und Modernisierung auch großen Seeschiffen zugänglich zu machen.

Obwohl im Hafenrevier nur

verhältnismä-ßig geringe Geschwindigkeiten zugelassen sind, können die Schiffe hei den hier

herr-schenden extremen Fahrwasserhegrenzungen durch ihre Verdrängungswirkung große Strö-mungskräfte und starke Wasserspiegelabsen-kungen erzeugen. Dadurch besteht bei veran-kerten Schiffen die Gefahr. daß die Trossen wegen Uberlastung brechen, was hei großen Fahrzeugen zu folgenschweren Situationen führen kann, Infolgedessen herrscht zur Zeit großes Interesse an Entwurfsunterlagen für Festmachersysteme. um die Kraftreaktionen in den Trossen, die durch passierende Schiffe hervorgerufen werden, vorausbestimmen zu können.

Grundsätzlich handelt es sich um ein

schwieriges Problem, das sich allein auf expe-rimentellem Wege im Modellversuch nicht lö-sen läßt. Die Ursache liegt darin, daß die Mo-dellgesetze von Cauchy und Froude, die die elastischen und hydrodynamischen Ahnlich-keitsbedingungen beschreiben, nicht gleich-zeitig zu erfüllen sind (siehe auch [1)

Das oft praktizierte Prinzip der unvollstän-digen Ahnlichkeit erscheint in diesem Fall we-nig erfolgversprechend, da wegen der großen Variationsmöglichkeiten der Verankerungs-systeme die Ergebnisse von Maßstahsversu-chen kaum zu verallgemeinern sind. Dennoch lassen sich mit Hilfe des Modellversuchs auf

J) Gckürztc Fassung des VBD-Bcrichts Nr. 1046.

2) Die Mittel zur Durchführung der Untersuchung

wurden in dankenswerter Weise von der

Arbeits-gemeinschaft Industrieller Forsehungsvereihi-gungen (AIF) zur Verfügung gestellt.

verhältnismäßig einfache Weise einige Detail-probleme lösen, deren Realisierung in theore-tischen Berechnungsverfahren schwierig bzw. sehr aufwendig ist. Darüber hinaus bietet sich auf diesem Wege die Möglichkeit. die Gültig-keit der theoretischen Bewegungsmodelle zu überprüfen.

In der vorliegenden Studie2) sind im Mo-dellversuch Vorheifahrten am teilweise starr verankerten Schiff durchgeführt worden, wo-bei sowohl die wichtigsten Komponenten der sogenannten hydrodynamischen Erregerkräf-te als auch verschiedene Bewegungskompo-nenten ermittelt wurden. Im Sinne des nach-folgend beschriebenen Berechnungsverfah-rens sind die Kraftmessungen nicht vollstän-dig, liefern jedoch in Verbindung mit den

Be-wegungsmessungen bei der großen

Varia-tionsbreite der durchgeführten Versuche ein Bild von den Gesetzmäßigkeiten. die dem mit relativ geringer Geschwindigkeit ablaufenden Passiervorgang zugrunde liegen.

2. Wege zur rechnerischen Behandlung

Das nachfolgend dargestellte Bewegungs-modell geht auf Cummins [31 zurück und wird von van Oortmerssen [6] in einer Arbeit aus dem Jahre 1976 verwendet, um die Kraftreak-tionen in den Verankerungselementen eines Schiffes zu ermitteln, die durch Seegang

her-vorgerufen werden. Grundsätzlich ist die Form der Erregerkräfte jedoch nicht

ent-scheidend. so daß eine Anwendung auch im vorliegenden Fall möglich ist.

Zur Beschreibung der Bewegung des mit

Trossen und Fendern verankerten Schiffes

unter Einwirkung der zeitlich veränderlichen

Erregerkräfte wird das folgende

Diff.-Glei-chungssystem zweiter Ordnung angesetzt:

Ç(P1,.m5).k.

(2.1)

-

X5() -.. L15(t) *

N(t)

A 72 .. 6

Darin ist

Xk(t) = Funktion der Erregerkräfte

Lk(t) = Funktion der Trossenkräfte Nk(t) = Funktion der Fenderkräfte M5 = Matrix der Massen

= Matrix der

frequenzunabhängi-gen hydrodynamischen Massen

Tabelle 1: Untersuchte Schiffe

ci Koeftizientenmatrix der

hydro-statischen Rückstellkräfte

Kk1 = Verzögerungsfunktion

n1 = Zahl der Trossen

n1 = Zahl der Fender

k.j = Freiheitsgrad

t

=Zeit

t = Zeit als Variable der

Vorgeschichte

x. x. x

= Weg des

Massenmittelpunktes

und seine höheren Ableitungen im ortsfesten Koordinatensystem Wesentlicher Bestandteil des Ansatzes ist der zweite Term der linken Seite, der zusam-meil mit der hydrodynamischen Masse mkl die hydrodynamischen Reaktíonskräfte

symboli-siert. Seine Formulierung basiert auf der

Technik der Impuls-Antwort-Funktion und kennzeichnet in der Form eines Faltungsinte-grals einen Einfluß der Vorgeschichte auf den momentanen Bewegungszustand. Den Kern des Integrals bildet die sogenannte Verzöge-rungsfunktion Kk. die unter der Vorausset-zung, daß sich die hydrodynamischen Reak-tionskräfte auch unter Einwirkung beliebiger Erregerkräfte linear verhalten, aus dem Fall der freien harmonischen Bewegung abgeleitet werden kann. Hierfür lassen sich die Reak-tionskräfte in der Form der bekannten fre-quenzabhängigen hydrodynamischen Mas-sen- und Dämpfungskoeftïzienten darstellen. Unter der genannten Voraussetzung ge-winnt man die gesuchte Funktion K51 über ei-ne Transformation dieser Kräfte aus dem Fre-quenzbereich in den Zeitbereich.

In verschiedenen Fällen, beispielsweise hei stetigem Windeinfall oder unter Einwirkung langsam veränderlicher Tidenströmung. kann das Verankerungsprohlem statisch betrachtet werden, so daß mit der Zeitabhängigkeit die ersten beiden Terme der linken Seite in GI. (2.1) entfallen. Aher auch ohne das Faltungs-integral ist die numerische Behandlung des Gleichungssystems noch recht aufwendig und

eine Lösung wegen der i. a. nichtlinearen

Charakteristik der Trossen nur auf iterativem Wege möglich.

In einer Veröffentlichung von Chernjawski [1] ist seine Entwicklung für diesen einfachen Belastungsfall dargestellt, wobei insbesonde-re die räumliche Formulierung der Trossen-und Fenderkräfte auf der Basis der Federstei-figkeiten. die unter Bezugnahme auf das

orts-feste Koordinatensystem zu komplizierten Ausdrücken führt, sehr anschaulich behan-delt wird.

Bei einem mit relativ geringer Geschwin-digkeit passierenden Schiff resultieren die Er-regerkräfte. symbolisiert durch die Funktion X5(t). im wesentlichen aus der Verdrängungs-strömung. Das Problem der wechselseitigen Kraftwirkung zweier Schiffe ist potentialtheo-retisch sehr aufwendig und nur stark verein-facht zu behandeln. Dies zeigt u. a. eine Stu-die von Collatz [2], worin der Vorgang unter Zugrundelegung zweidimensionaler Verhält-nisse am Beispiel einfacher Zylinderformen untersucht wird.

Unter diesem Aspekt stellt die Einführung modellmäßig gewonnener Kraftverläufe in den oben dargestellten Berechnungsansatz ei-ne mögliche Alternative dar.

3. Versuche

Die Passierversuche im großen Flachwas-sertank der VBD wurden maßstäblich auf die Verhältnisse des Hafens Hamhurg-Köhl-brand abgestimmt, der bei einer Breite von hk=345m eine mittlere Wasserhöhe von hk=13,5m aufweist.

Als repräsentativer Querschnitt des dort herrschenden Schiffsverkehrs wurden für die Untersuchung der Typ eines Bulkcarriers, ei-nes Containerschiffes und eiei-nes Binnenschif-fes ausgewählt. Von den beiden ersten For-men wurden jeweils zwei Modelle in unter-schiedlichem Maßstab angefertigt. Die cha-rakteristischen Daten der Schiffe sind in Ta-belle I wiedergegeben, worin auch die unter-suchten Tiefgangsvarianten aufgeführt sind.

Tabelle 2 8eiwetdefinitionee,

= EestHege,, 2 - PasOerer

In den Versuchen wurden die fünf Modelle in wechselseitiger Kombination als Passierer bzw. Festlieger verwendet. Allein dem Bin-nenschiff wurde nur die Rolle des Festliegers zugewiesen, um zu klären, wie sich der Pas-siervorgang auf relativ kleine Schiffseinheiten auswirkt.

Für die Kraft- und Bewegungsmessungen wurde eine Dreikomponentenmesswaage ein-gesetzt, an der das Modell an einer idealisier-ten Kaimauer in der Nähe der Tankwand ver-ankert wurde. Damit war der Schiffskörper in der Horizontalehene arretiert. während er je-doch freie Trimm-, Krängungs- und Tauchbe-wegungen ausführen konnte.

Gemessen wurden Längskraft, Querkraft

und das Moment um die Hochachse über

DMS-bestückte Biegeelemente sowie Trimm und Absenkung über Drehpotentiometer und Faden. In Ergänzung wurden neben dem Mo-dell im Bereich des Hauptspants mit einer Stauscheihe und einer Wellensonde die Strö-mungsgeschwindigkeit und die Oberflächen-verformung erfaßt.

Der Abstand dieser Sonden von der Bord-wand des festliegenden Modells entsprach in allen Fällen einem korrespondierenden Wert von y = 17,5 m. Die Phasenlage des passie-renden Modells wurde über ein Lichtschran-kensystem ermittelt. Sämtliche Meßgrößen wurden kontinuierlich auf einem Lichtstrahl-oszillographen registriert.

Die Passierfahrten wurden vereinfacht

durchgeführt. indem der Passierer ohne Ei-genantrieh mit konstanter Geschwindigkeit an dem Festlieger vorheigeschleppt wurde. Die Versuche erfolgten durchgehend in der

Uberholformation". wobei das fahrende

Modell auf der Steuerhordseite passierte. Sy-stematisch variiert wurden dabei der soge-nannte Passierabstand (Abstand Bordwand! Bordwand) in der Abstufung der korrespon-dierenden Werte von

Grlsse Dez. Beiwert

LngskraPt F C 2 Querkraft F c y 2 I2 L1- TI e2 Hochh die N CN -?/2L12 l C2 Trin,neinkel C0 8-L1- CTA -Absenkung s C, = v22 ng .h Cuh t' CDI igkeit ux Cdv ±_G. CDV Drtskocv'dinate lbngs) a a -

-

2v 1 L2 A/LS Passlerabstand y y L yBBvlBl+82)/2 2 1/LS L1*L2 Modell Nr.

Schiffstyp L(ni) B(m) 1(m) V(m3) LIB LIT C.l03

1063 Bulkcarrier 232,1 40,00 4,20 8,00 30.776 60.368 5,80 55,26 29,01 2,462 4,829 ca. 100.000 tdw 11,86 91.658 19,57 7,332 4,20 21.095 44,21 3,295 927 Bulkcarrier_{ca. 50.000 tdw} 185,7 32,00 8,00 37.816 5,80 23,21 5,908 11,86 59.755 15,65 9,335 1077 Containerschiff ca. 40.000 tdw 231,5 30,63 9,85 43.947 7,56 23,51 3,543 866 Containerschiff ca. 20.000 tdw 185,2 24,50 3,50 7,88 9.004 22.500 7 56' 52,91 23,52 1,418 3,543 928 Binnenschiff ca.2.500 t Tragf. 95,0 11,33 3,00 2.896 8,39 31,67 3,378

ESTL EgEO II

8RSSIEOER 121

L-= 35m; 73,5m; 118,3m

und die Passiergeschwindigkeit. Das gewählte Raster deckte mit

y = 3; 5; 7; 9 kn bzw.

Fflh = 0.134; 0,224; 0,313; 0.402

die üblichen Reviergeschwindigkeiten ab.

4. Auswertung

Für die Auswertung des umfangreichen Versuchsmaterials wurde ein in FORTRAN geschriebenes Programmpaket eingesetzt, das in Folgeschritten die Grundauswertung (Skalierung), die Umrechnung der Ergeb-nisse in dimensionslose Größen und schließ-lich das automatische Zeichnen übernahm. Für die Digitalisierung der Meßschriebe wur-de ein Koordinatenerfassungsgerät mit Loch-streifenausgabe eingesetzt.

Das für die Darstellung der Ergebnisse ge-wählte Bezugssystem ist in Abb. i dargestellt. Der Ursprung des ruhenden O-x-y-z-Koordi-natensystems liegt im Hauptspant des Festlie-gers in Höhe der Schwimmwasserlinie. Hier-auf sind sämtliche Messergebnisse bezogen.

7355(3288 171

Das in entsprechender Weise im Passierer an-geordnete O-Ñ---System dient lediglich zur

Beschreibung der momentanen Lage des

Schiffes relativ zu diesem System.

Die Meßergebnisse werden als Funktion der x-Komponente des Relativweges ( dar-gestellt, die sich bei konstanter Passierge-schwindigkeit aus der Zeitkoordinate des Os-zillographenschriehes über die Schiffslängen-fahrzeit ermitteln läßt. Der Nullpunkt kenn-zeichnet demzufolge die Phase, in der beide

Schiffe in

gleicher Höhe nebeneinander

liegen.

Eine charakteristische Größe des Passier-vorgangs ist die sogenannte Passierperiode,

die durch die Phasen Bug (2)/Heck (1) und Heck (2)/Bug (1) (1 = Festlieger. 2 = Passie-rer) begrenzt wird und sich hei konstanter Ge-schwindigkeit in der Summe beider Schiffs-langen ausdrückt. 1m vorliegenden Fall wird für die normierte Darstellung der Passierweg x auf die halbe Passierlänge L' bezogen. so daß die genannten Phasen mit den Punkten x/L' = ± i zu identifizieren sind.

Die verwendeten Beiweridefinitionen sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Sie kennzeich-nen in dieser Form die Gesetzmäßigkeiten des

Cro CO CO 8897 3/IS 0.13, 0351 0.271. 8.3,1 0.3(3 8.3.1 0.1.02 0.31.1

Geschwindigkeitsbereichs geringer Wellen-bildung. dessen obere Grenze bei beschränk-ter Wassertiefe etwa bei F81, = 0,7 liegt und sich tendenzmäßig mit wachsendem Volu-menkoeffizienten zu kleineren F,h-Zahlen verschiebt.

In diesem Bereich verhalten sich die Strö-mungsdrücke und damit die daraus resultie-renden Kräfte näherungsweise proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit. Von die-sem Zusammenhang ausgehend lassen sich aus der linearisierten stationären

Bernoulli-Gleichung auch für Niveauänderung und

Strömungsgeschwindigkeit entsprechende Beiwerte ableiten.

Das Bildungsgesetz für die normierte Ni-veauänderung ist sinngemäß ebenfalls an-wendbar auf die Größen. die die

Lageände-rung des

Schiffes beschreiben, wie z. B.

Trimm und Absenkung. Nähere Ausführun-gen zu dieser Thematik findet man u. a. in

_[1

Die genannten Gesetzmäßigkeiten gelten. wie angedeutet. für stationäre Vorgänge. Ihre Anwendung im vorliegenden Fall setzt daher voraus, daß die untersuchten Passiervorgänge quasistationär ablaufen.

Da die Strömungswirkung von dem passie-renden Schiff ausgeht, wird in den Beiwerten

5c7; 1/LS i,o .19 C9..3 rN,? f/I 5 CLL18 1/LS 1/8 1/9 tV.E.3

I 0.999 7.559 73.52 3.51.3 O '3 8.5,1 I _0.999 7.559 73.52 3.51.3 2 IOil 5.000 73.2' 5.900 CX.E.I 0.72'.0.313 O.3l0.3,? 2 I .281 5.800 73.21 5.908 8 .07 8 3,? 12/9. 13M. 12,9. 3.71.

Forschung/Entwicklung

VEPNXaìS SCI' I- VCRSNI(ERSrsSCSI r

CRUt SSC N WFCCROrSSEN

r St L3tR ft I let ILJtP It I

(I .185.7 II COVTR,pfl-5CHIÇÇ 11.105.2Ml

3, 8 CCQI(O (L .105.7 'lI 121 OU 98010,88 11.105.7 n,

seine Geschwindigkeit als Bezugsgröße ver-wendet. Demgegenüber richtet sich der Strö-mungsdruck gegen den Festlieger, so daß als

Bezugsfläche dessen Lateralplan gewählt

worden ist, der stark vereinfacht durch das

Produkt aus Schiffslänge und Tiefgang ersetLi wird.

Bezüglich der Weggrößen ist zu bemerken, daß ihre Beiwerte als dimensionslose

Druck-höhen interpretiert werden können. so daß

die Darstellungen fürTrimm, Absenkung und Niveauänderung geometrisch direkt mitein-ander zu vergleichen sind. Entsprechend stel-len die Beiwerte für

Strömungsgeschwindig-keit und Niveauänderung äquivalente

Aus-drücke dar.

5. Ergebnisse

Wegen der notwendigen Kürze können die umfangreichen Ergebnisse hier nur auszugs-weise wiedergegeben werden. Insbesondere beschränken sich die nachfolgenden Betrach-tungen auf den engsten Passierabstand. mit dessen Vergrößerung die untersuchten Effek-te allgemein stark abnehmen.

Die Abbildungen 2 und 3 sind typische Bei-spiele der beiden verwendeten Diagrammfor-men, in denen die Ergebnisse der verschiede-nen Geschwindigkeitsvarianten zusammen-gefaßt sind. Ergänzend zeigen die Bilder in stilisierter Form den Passierer in den Grenz-phasen des Vorgangs in Relation zum Festlie-ger. Die dimensionslosen Abmessungen der Ansicht sind maßstäblich.

Die Charakteristik der abgebildeten Funk-tionen läßt sich unmittelbar aus der Druckver-teilung im Strömungsfeld des Passierers und der daraus resultierenden Oherflächenverfor-mung erklären, wobei Bug- und Heckstauge-hiet mit Uherdruck- und das Gebiet der

Mitt-schiffsmulde mit Unterdruckbildung

kenn-zeichnend sind (siehe auch [5]).

Da es sich um Originalmeßwerte handelt. sind die Kurven mit gewissen Streuungen be-haftet. Abgesehen davon kommt jedoch das quadratische Geschwindigkeitsgesetz in den Auftragungen gut zum Ausdruck.

Die Tatsache, daß die Kurven trotz der

nicht unerheblichen Geschwindigkeitsvaria-tion nahezu deckungsgleich sind, bestätigt als ein wesentliches Ergebnis die Gültigkeit der quasistationären Betrachtungsweise. womit sich das Berechnungsprohlem erheblich ver-einfacht. Insbesondere dürfte dem in GI. (2.1) auftretenden Vorgeschichtsintegral. das sich nur mit großem Aufwand darstellen läßt, eine untergeordnete Bedeutung zukomme n.

Aus der Vielzahl der untersuchten Kombi-nationsfälle konnten einige Gesetzmäßigkei-ten abgeleitet werden, die Gesetzmäßigkei-tendenzmäßig den Einfluß der Körper- und

Fahrwasserahmes-sungen auf die untersuchten Kraft- und

Bewe-gungsgrößen beschreiben. Zur Demonstra-tion werden einige Tabellen gezeigt, in denen die Spitzenwerte der wichtigsten Meßgrößen

Tabelle 3: Variation von Festlieger- und Passierertiefgang, L1/L2 = 0,998, ylL = 0,34

Festlieger (1): Containerschiff, L = 185,2 ni, L/B = 7,56

Passierer (7): Bulkcarrier, L = 185,7 m, LIB = 5,80

Tabelle 4: Einfluss des h/T-Verhtltnisses (Festlieger), L1/L2 = 1,003, y/L = 0,341

Festlieger (1): Bulkcarrier, L = 185,7 ni, L/B = 5,80

Passierer _{(2): Containerschiff, L = 185,2 in, LIB = 7,56}

und die zugehörige Phasenlage des Passierers

wiedergegeben sind. Die darin verwendeten Beiwertmodifikationen in der Form

x' 2

;

_c'V37.(

cl _c.V?5,'(

=

-

c_ni L

c.

-kennzeichnen die Proportionalität sämtlicher Meßgrößen zum Passierertiefgang, eine

be-kannte Gesetzmäßigkeit der sogenan nten

Verdrängungsströmung. Weiterhin

be-schreibt die Erweiterung des Querkraft- und Momentenheiwerts mit der Wurzel aus dem

L/T-Verhältnis des Festliegers ein üherpro-portionales Anwachsen dieser Größen mit

seinem Tiefgang.

Die in Tabelle 3 dargestellten Variations-fälle zeigen. daß die Kraftgrößen diesen Defi-nitionen näherungsweise folgen. Sowohl hei Vergrößerung des Passierertiefgangs

(Kom-bination 3a-3c) als auch des Festliegertief-gangs (Kombination 3d und 3c) steigen die Beiwerte nur mäßig an. Ahnlich verhalten

sich auch die Bewegungsgrößen, auf deren Darstelluiìg hier verzichtet wird.

Aus Tabelle 4 wird deutlich, daß das

hIT-Verhältnis des Festliegers eine zusätzliche

Einflußgröße darstellt. Offensichtlich bewirkt

eine Verringerung der Bodenfreiheit eine

Veränderung der Umströmungsverhältnisse, was mit einem progressiven Anwachsen von Querkraft und Moment verbunden ist. Dieser Effekt tritt jedoch. wie man aus einem Ver-gleich mit Tabelle 3 ersieht, nur unter

extre-men Verhältnissen für hIT-*I (Kombination

4h) verstärkt in Erscheinung.

Interessanterweise stellen die

Kombinatio-nen 3h und 4a zwei Fälle dar, in deKombinatio-nen hei

Identität sämtlicher Variationsparameter die Schiffe vertauschte Rollen einnehmen. Trotz-deni handelt es sich nicht um identische Pas-siervorgänge. Dies wird insbesondere aus den voneinander abweichenden Phasenlagen der Kraft- und Momentenspitzen erkennbar, was

darauf hindeutet, daß der Funktionsverlauf u. a. von der Verdrängungsverteilung über der Länge beeinflußt wird, die hei beiden

Schiffen sehr unterschiedlich war.

Tendenzmäßig scheint mit der

Vergröße-rung der Festliegerbreite (Kombinationen

3b-4a) ein

zusätzliches Anwachsen der

Kraftgrößen verbunden zu sein, was insbe-sondere in der Momentenwirkung zum

Aus-druck kommt. Mehr als die

Verdrängungs- Kombi-nation Parameter L/h Passierer(2) L/T Messgrössen x/L' C * x/L * CN h/T Festlieger(1) L/T x/L C * 3a 44,21 -0,385_0,416 -0,831_0,733 0,0 -2,431 -0,413_{0,258 -0,392}0,416 3b 1,716 23,52 13,74 23,21 -0,396 0,443 -0,910 0,801 0,0 -2,522 -0,410 0,235 -0,3270,403 3c 15,65 -0,410 0,493 -0,929 0,856 0,0 -2,706 -0,4570,216 0,404 -0,327 3d 3,861 52,91 13,74 15,65 -0,402 0,521 -0,847 0,856 0,0 -2,517 -0,402 0,402 -0,3120,362 Kombi-nati on Parameter Passierer(2 L/h L/T Messgrössen x/L C * y x/L * CN h/T Festlieger(1) L/T xJL C * X 4a 1,69 23,21 13,71 23,52 -0,280 0,582 -0,941 0,941 0,083 -2,809 -0,255 0,327 -0,7730,564 4b 1,14 15,65 -0,310 0,576 -0,943 0,929: 0,0 -5,072 -0,227_0,338 0,641 -0,831

Forschung/Entwicklung

TabeIIeS Variation der Festliegerabnessungen bei identischer Schiffsforn

form ist jedoch das Schiffslängenverhältnis für den Verlauf der Kraft- und Bewegungs-großen bestimmend. Dieser Zusammenhang kommt in den Tabellen 5 und 6 zum Aus-druck.

Tabelle 5 enthält zwei Kombinationsfälle, in denen der größere Bulkcarrier unter fast Identischen Randhedingungen an den beiden maßstäblich unterschiedlichen Container-schiffen vorbeifährt. 1m Fall 5a sind Passierer und Festlieger etwa gleich lang. im Fall Sb ist letzterer ca. 20% kürzer. Dabei sind in den Beiwerten der Kraft- und Bewegungsgrößen nur geringe Differenzen festzustellen. Anders verhält es sich mit der Gegenüberstellung in Tabelle 6, worin als Festlieger das mit dem Passierer längengleiche Containerschiff und das ca. 50% kürzere Binnenschiff erscheinen. Auffällig ist im letzteren Fall das starke Ab-sinken der Querkraft- und Momentenbeiwer-te. Bemerkenswert ist ferner die kräftige Zu-nahme der Absenkung und die nur mäßige Abnahme des Trimmbeiwerts, was in Rela-tion zur kleineren Körperlänge gleichbedeu-tend ist mit einer Vergrößerung des Trimm-winkels. Aus der sehr unterschiedlichen Pha-senlage der Extrernwerte entnimmt man, daß die einander zugeordneten Funktionsverläufe nur noch eine geringe Ahnlichkeit besitzen.

Diese Gegenüberstellung verdeutlicht ei-nerseits, daß die normierten Darstellungen nur in gewissen Grenzen verallgemeinert wer-den können. Insbesondere muß man damit rechnen, daß eine Ubertragung auf Kombina-tionsfälle, bei denen das Körperlängenver-hältnis stark vom ursprünglichen Wert ab-weicht. zu größeren Ungenauigkeiten führt.

Andererseits scheint die Kombination, bei der beide Schiffe gleiche Längen besitzen.

den Extremfall mit den höchsten spezifischen Erregerkräften darzustellen.

Diese Folgerung ergibt sich in Verbindung

mit der Überlegung. daß auch in den hier

nicht untersuchten Fällen, in denen die Fest-liegerlänge die des Passierers wesentlich über-steigt, die Kraft- und Momentenbeiwerte ebenfalls eine ahklingende Tendenz aufwei-sen müsaufwei-sen, weil dann der Festlieger nur teil-weise von der Druckwirkung des Passierers beaufschlagt wird.

Als Einflußgröße der Wassertiefenhegren-zung ist bereits das hIT-Verhältnis des Festlie-gers herausgestellt worden. Dieses beschreibt jedoch einen mehr sekundären Effekt. We-sentlich ist dagegen das Verhältnis zwischen Passiererlänge und Wassertiefe. mit dessen Vergrößerung die Wirkung des Strömungsfel-des sehr stark zunimmt (siehe auch

IJ).

Dies kommt auch in den beiden letzten Tabellen in der Gegenüberstellung der Fälle 6a und Sa zum Ausdruck. Hier werden hei ähnlichen Verhältniswerten die Schiffsabmessungen und damit das LIh-Verhältnis des Passierers vergrößert, was mit einem beträchtlichen An-wachsen der Kraft- und Bewegungsgrößen verbunden ist.

6. Zusammenfassung

Das Problem der Trossenbeanspruchung verankerter Schiffe durch passierende Einhei-ten ist in letzter Zeit sehr aktuell geworden. Die vorliegende Untersuchung stellt einen Beitrag zu diesem Thema dar und befaßt sich insbesondere mit der experimentellen Ermitt-lung der sogenannten hydrodynamischen

Er-regerkräfte. die vom Strömungsfeld des pas-sierenden Schiffes erzeugt werden und sich als Eingangsgrößen eines existierenden Berech-nungsverfahrens auf theoretischem Wege nur schwierig darstellen lassen.

Im Rahmen der modellmäßig durchgeführ-ten Passierversuche, die auf die Verhältnisse des Hafens Hamburg-Köhlbrand abgestimmt waren, wurden Schiffstyp und -kombination, Tiefgang. Passiergeschwindigkeit und -ab-stand systematisch variiert. Dabei wurden am verankerten Modell die wichtigsten Kompo-nenten der Erregerkräfte sowie verschiedene

Bewegungsgrößen gemessen. Außerdem

wurden die Strömungsgeschwindigkeit und die Oberflächenverformung zwischen den Schiffen erfaßt.

Die dimensionslose Darstellung der Ergeb-nisse bringt bekannte Gesetzmäßigkeiten der Verdrängungsströmung zum Ausdruck und kennzeichnet den quasistationären Charak-ter der mit mäßiger Geschwindigkeit ablau-fenden Passiervorgtinge, womit sich das

Be-rechnungsproblem wesentlich vereinfacht.

Aus dem Vergleich unterschiedlicher Kombi-nationsfälle ergehen sich neben der

Passierpe-node das Körperlängenverhältnis und die

Verdrängungsverteilung als weitere Einfluß-größen. Insofern können die dimensionslosen Darstellungen in der gezeigten Form nur in gewissen Grenzen verallgemeinert werden.

Spitzenbelastungen aus Strömungsdruck sind dann zu erwarten, wenn Passerer und Festlieger gleiche Größenordnung besitzen und außerdem Länge und Tiefgang im

Ver-gleich zur Wassertiefe groß sind. Kleinere Festlieger werden dagegen mehr durch ihre

Lageänderung gefährdet. die sich aus der

Verformung der Wasseroberfläche im Be-reich des Passierers ergibt.

7. Symholverzeichnis

Froudesche Tiefenzahl

(I] Chernjawski, M.: Mooring of Surface Vessels to Kombi-nati on Parameter L/h Possierer(2) L/T L1/L2 Messgrïsson OIL' C oIL' * C9 oIL' * C9 O/L' * CO2 h/I Festlieger(1) L/T o/L' * C sa 1,37 0.997 -0,410 0,450 -1,442 1,039 -0,105 -3.638 -0,438 0,277 0.506 -0,396 -0.393 2,479 -18,470 8.419 0,0 -3.523 5b 1,72 23,52 17.18 19.57 0.798 -0.424_0,476 -1.579_1.147 -0.147 -3.074 -0,493 8,374 0,439 -0.430 -8,410 0,485 -9.511 6.693 0.0 -3,679 Kombi-nation Parameter Passierer(2) L/h L/T L1/L2 Messqrb&sen u/L' a o/L' * C o/L' * C9 o/L' * C5 h/T Festlieqer(1) L/T o/L' Ce,* 6a 1,72 23.52 13.74 15,65 0.997 -0.410 0.493 -0,930 5,656 0.0 -2.703 -0,457 0.216 0,405 -0,327 -0,402 0.584 -7.166 5,008 0,8 -2.050 66 4.51 31.67 0.s12 -0,546_0,632 -0,959 0.920 -8.341 -2.092 -0.629 0,255 0.213 -0.280 -0,560 0.618 -6.039 3.850 2.0 -2.770

Tabelle 6 Variation von Festliegerabnessungen und -fore, Possierer(2) r Bulkcarrier, L = 185,7 a, L/B 5,80

Festleegerli

Kombination 6am Containerochiff, L 185.2 nr, L/B = 7,56, y/L' 0341 Sb, Binnenschiff, L 98,0 n, L/B 8,39, y/L' 0,404 Passierer(2) r Bulkcarrier, L 232.1 m, LIB 5,80

Festlie9er(1)

Kombination 5ar Containerschiff, L = 231,5 o, LIB 7,56, y/L 0.303

Sb, Containerschiff, L 185,2 n, LIB 7,56, yIL 0,322

B Schiffsbreite C, = VIL3 Volumenkoeffizient V F01, =

Vg'h

g Gravitationskonstante h Wassertiefe

L Schiffslänge (zwischen den

Loten) L1 + L

L' -

- halbe Passierlänge 2 T Schiffstiefgang y Geschwindigkeit V Verdrängung

YBS Passierabstand (Bordwand!

Bordwand)

g Dichte der Flüssigkeit

Indizes: i = Festlieger, 2 = Passierer

Piers. Marine Technology, VoI. 17. No. I. Jan. 1980

[2] Collatz. G.: Potcntialthcoretische Untersu-chung der hydrodynamischen Wechselwirkung zweier Schiffskörper. Jahrbuch der STG 1963.

Bd. 57

131 Cummins. WE.: The Impulse Response

Fune-fon and Ship Motions. D.T.M.B. Report 1661. Washington D.C.. 1962

141 Grollius. W.: Untersuchung des

Strömungsfcl-des analytischer Schiffsformen auf flachem Wasser im Geschwindigkeitshereich geringer

Wellcnbildung. Schiff und Hafen. Heft 9. 1975.

27. Jahrgang

SI Müller. E.: Untersuchung über die gegenseitige

Kursbeeinflussung von Schiffen auf Binnenwas-serstraßen. Schiff und Hafen. Heft 6. Juni 1967.

19. Jahrgang

161 Oortmerssen, van. G.: The Motions of a

Moor-ed Ship in Waves. Dissertation. Delft. 1976 [71 Woisin. G.: Eine Untersuchung der

Ahnlich-keitsgesctze hei Stoßschädcn. besonders

Schiflskollisioncn und Kollisionsmodellversu-ehen. Schiff und Hafen. Heft li. 1968,20.