Zur Beanspruchung von Segelyachten im Seegang

Zur Beanspruchung von Segelyachten im Seegang

von Dr.-lng. Jürgen Hausen, Dipl.-Ing. Jukka Talvia, Dipl.-Ing. Richard Wiefelspütt, Lehrstuhl f ü r Schiffbau, Konstruktion und Statik der RWTH Aachen

und Dipl.-Ing. Uirich Heinemann, Yacht Design Heinemann, Aachen

Zur optimalen Auslegung der Rumpfstruktur und der Riggkomponenten moderner Segelyachten ist die Kenntnis der wahrend des Yachtbetriebs auftretenden Belastun-gen erforderlich. Die Dimensionierung der beanspruchten Konstruktionselemente einer Yacht erfolgt heute noch üblicherweise an Hand von Lastannahmen, die auf-grund empirischer Richtwerte oder nach unsicheren Vorschriften von Klassifikations-gesellschaften getroffen werden. F ü r zuverlassige Lastannahmen sind jedoch Mes-sungen erforderlich, die AufschluB über die bei verschiedenen Wetter- und Manöver-bedingungen auf Yachten einwirkenden auBeren Belastungen geben. Der vorliegende Aufsatz beschreibt an sechs Yachten mit Langen zwischen 8,6 m und 35 m durchge-f ü h r t e Belastungsmessungen. Erdurchge-faBt wurden wahrend des realen Yachtbetriebs Bo-dendrücke, Rudermomente, Krafte in Mast, Stagen, Wanten und Kielboizen sowie Beschleunigungen an unterschiedlichen MeBstellen. Es wird vorgeschlagen, Messun-gen dieser A r t w e i t e r z u f ü h r e n und die Ergebnisse i n einer Datenbank zusammenzu-fassen, die dann als Basis f ü r beanspruchungsgerechtes Yachtdesign dienen kann.

1. Problemstellung

Entwurf, Konstruktion und Bau von Segelyachten sind in der verfügbaren Fachliteratur, z.B. [1 bis 3], ausführ-lich beschrieben. Die standigen internationalen Fach-seminare und die parallel dazu stattfindenden Boots-ausstellungen spiegeln den fortschreitenden Entwick-lungsstand des Yachtbaus wider und vermittein Infor-mationen über neue Fortschritte. D a r ü b e r hinaus wer-den spezielle Problembereiche in speziellen Veröf fent-lichungen behandelt, wie z.B. die Anordnung und Ge-staltung von Kiel und Ruder [4 und 5] und die Aero-dynamik von Yachten [6 bis 8].

Für die Lastannahme, die bei der Dimensionierung des Yachtrumpfs oder einzelner

Konstruktionskomponen-OBJEKT Typ Hauptabmess. Mefiumfang ANNE Duetta 86 Loa = 8,60 m B = 2,95 m Depl = 2,93 m' Vorversuche SMILY db 1 Loa = 10,10 m B = 3,40 m Depl. = 3,22 m' Bodendrücke, Kielbolzenkrafte, Rudermomente, Beschleuni-gungen, Krafte im gesamten Rigg

VAGUS

Langkieler

Loa = 11,40 m B = 2,80 m Depl. = 9,76 ra'

Krafte in Wanten, Achterstagen, Fockstag, Klüverstag, Mast

mvA

12er

Loa = 19,14 m B = 3,66 m Depl. = 25,82 m'

Krafte in Mast und Wanten, Beschleunigungen, Langsbiegung des Rumpfs FRATZZZ 12er Loa = 19,14 m B = 3,66 m Depl. = 25,82 m'

Krafte in Mast, Wanten, Backstag, Beschleunigungen ONYX Einzelbau Loa = 35,00 m B = 8,70 m Depl. = 126,00 ra'

Krafte in Mast, Wanten, Achter-stagen, Fockstag, Genuastag

Tabelle 1: Überblick ü b e r d u r c h g e f ü h r t e Unter-suchungen bezüglich der Yachten und Versuchsprogramme

ten zu berücksichtigen sind, gibt es bisher keine allge-meingültigen Angaben. Entweder wird auf empirisch gefundene Richtwerte oder auf die Vorschriften der internationalen Klassifikationsgesellschaften verwie-sen. Diese Klassifikationsgesellschaften ihrerseits verzichten jedoch i n aller Regel ebenfalls auf eine ge-naue Analyse der einwirkenden Lasten und legen statt-dessen in ihren Dimensionierungsgleichungen soge-nannte „Entwurfsdrücke" zugrunde. I n [9] wurden die sechs gebrauchlichsten Gleichungen zur Dimensionie-rung von Spanten, AuBenhautplatten und Rudern von Yachten in Holz-, GEK- und Metallbauweise verglichen - darunter die von Lloyds Register und des American Bureau of Shipping - mit dem Ergebnis, daB die i n den Formeln zugrunde gelegten „ E n t w u r f s d r ü c k e " sich je nach SchiffsgröBe und Bauteil um bis zu 1000 % unter-scheiden.

Nur die Durchführung und Auswertung von GroBver-suchen macht eine Berichtigung solcher „Entwurfs-drücke" durch MeBergebnisse möglich.

2. GroBversuche mit Segelyachten

Mit Unterstützung der Deutschen Forschungsgemein-schaft (DFG) konnten seit Herbst 1983 mehrere Yach-ten unterschiedHcher GröBenklassen und Bauweisen untersucht werden [10 bis 15]. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Abmessungen der untersuchten Yachten und den Umfang des jeweils d u r c h g e f ü h r t e n Versuchsprogramms. Nach Vorversuchen auf der von der Dehler Yachtbau GmbH leihweise ü b e r l a s s e n e n ANNE konnte ein sehr umfangreiches Programm m i t einer „ d b l " (Dreivierteltonner nach IOR) durchge-f ü h r t werden, die vom gleichen Hersteller durchge-f ü r die Dauer von zwei Jahren zur Verfügung gestellt und auf den Namen SMILY (Strength Measurement and I n -vestigation of Loads of Yachts) getauft worden war.

wurden auch Messungen wahrend des Einsatzes bei den Regatten der Nordseewoche, der Kieler Woche und der Flensburger Herbstwoche d u r c h g e f ü h r t . Auf der FRATZZZ, einem weiteren Zwölfer, wurden die wahrend einer mehrtagigen Ü b e r f ü h r u n g s f a h r t von Flensburg nach Kopenhagen auftretenden Be-lastungen gemessen.

Wahrend einer Atlantik-Überquerung von St. George (Bermuda) nach Bremen mit der VAGUS gehörten Be-lastungsmessungen ebenso zum taglichen Arbeitspro-gramm der Besatzung wie bei der Ü b e r f ü h r u n g der ONYX von Bremen nach Alicante. Bild 2 zeigt die VAGUS wahrend ihrer Atlantik-Überquerung.

B i l d l : Foto der Versuchsyacht SMILY (Strength Measurement and Investigation of Loads of Yachts)

B i l d 1 zeigt ein Foto der SMILY am Steg. A n der SMILY konnten auch die auftretenden B o d e n d r ü c k e durch i n die SchiffsauBenhaut eingelassene Druckaufnehmer gemessen werden. Ziel dieser Druckmessungen war unter realistischen Bedingungen die Erfassung der Belastung der AuBenhaut durch Druckspitzen, die ins-besondere durch das Auftreten von Slamming hervor-gerufen werden.

Es folgten MeBfahrten mit der UWA, die als SVERIGE f ü r einen schwedischen Teilnehmer an der America's Cup-Ausscheidung 1980 gebaut worden war. Hierbei

3. MeBtechnik

3.1 MeBstellenanordnung

Bei alien MeBfahrten, deren Ergebnisse hier vorge-stellt werden, wurden der Mastdruck, Zugspannungen in den Wanten und Stagen und die Beschleunigungen des Rumpfs auf Seite Deck mittschiffs und in Bug und Heck gemessen. In das MeBprogramm f ü r die SMILY wurden zusatzlich die Zugspannungen i m GroBschot und der Druck im GroBbaum aufgenommen. Weiterhin wurden die Spannungen i n den Kielboizen, die Biege-und Torsionsspannungen i m Ruderschaft Biege-und die Druckbelastung der AuBenhaut ermittelt. B i l d 3 zeigt die Anordnung der MeBstellen an Bord der SMILY. Gleichzeitig mit den MeBwerten wurden Richtung und Geschwindigkeit des Winds und mit H i l f e einer vom

Lahoratonum voor Scheepshydromechanica der TH Delft

Bild 2: Versuchsyacht VAGUS wahrend der Atlan-t i k ü b e r q u e r u n g B 1 .. P 1 ., M 1 . R 1 . K 1 .. S 1 ., W R W S Beschleunigungsaufnehmer 812/200 Druckaufnehmer P11/1 bar Dehnungsmel3slellen a m Masl D M S 6/120 L Y l l DehnungsmeBstellen am Ruderschaft D M S 6/120 L Y l l Kraftmessung an den Kielboizen (Eigenbau) KraftmeHglieder an Wanlen und Stagen (Eigenbau) Windrichlungsmesser

Windstarkemesser

zur Verfiigung gestellten WellenmeBboje die Wellen-höhe und -frequenz aufgezeichnet.

Die gemessenen Signale wurden iiber 18 Verstarker-kanale HBM KWS 3073 (mit 5 kHz Tragerf requenz) und einen PC-Modulator auf Band aufgenommen und f ü r die spatere Auswertung gespeichert.

Für den Einsatz an Bord waren die MeBgerate f ü r den Betrieb mit 12 V Gleichspannung umgerüstet worden, so daB die Versorgung ü b e r die bordeigenen Batterien möglich war. Auf der S M U Y versorgte ein unter Deck im Vorschiff halbkardanisch aufgehangter Generator die gesamte MeBanlage m i t 220 V Wechselstrom. Diese Aufhangung war erforderlich, weil der Motor wegen der nötigen Schmierung keine Krangung vertrug.

3.2 MeBstellenvorbereitung

Die Zugspannungen i m stehenden und laufenden Gut des Riggs wurden mit H i l f e von DehnungsmeBstreifen ermittelt, die entweder auf den Wanten und Stagen direkt (bei UWA, FRATZZZ und ONYX) oder aber -wenn dies wegen des Materials nicht möglich war — auf zwischengeschalteten MeBgliedern angebracht

wor-B i l d 4 : Prinzipieller Aufbau der m i t DMS ausge-rüsteten MeBglieder zum Erfassen der Rigg-krafte

den waren. Diese eigens entwickelten MeBglieder ver-blieben nach Beendigung der Untersuchungen an Bord. Bild 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau der zur Er-mittlung der Riggkrafte eingesetzten MeBglieder. DehnungsmeBstreifen und Lötstützpunkte wurden auf die aufgerauhte, gereinigte und m i t Aceton entfettete Oberflache mit Schnellklebstoff Z 70 geklebt. Ü b e r Isoliermasse wurden die AnschluBdrahte der MeBgit-ter zu den Lötstützpunkten g e f ü h r t und dort verlötet. Zwei Kabelbinder fixierten die AnschluBkabel, um eventuell eingeleitete Zugkrafte aufzunehmen. Die gesamte MeBstelle wurde mit Abdeckmasse sorgfaltig eingepackt, um sie vor mechanischen Beschadigungen

Bild 5: Zwei i n die Steuerbordwanten eingebaute MeBglieder entsprechend Bild 4 zum Messen der Krafte i n den Wanten

Bild 6: Installation der DMS-MeBstellen zum Erfas-sen der Langskraft im Mast

und vor Fevicluigkeit zu schützen. Das verwendete Ab-deckmiltel ABM 75, bestehend aus einer Komlsination von Aluminiumfolie und Knetmasse, hat sich hierbei ganz besonders bewahrt. Ü b e r die MeBstelle wurde ein Kunststoffrohr als zusatzlicher Schutz gegen mecha-nische Beschadigungen geschoben. Bild 5 zeigt zwei auf diese Weise hergerichtete MeBstellen.

Auf ahnliche Weise wurden die DehnungsmeBstreifen am Mast angebracht und gegen mechanische Einflüsse und vor allem gegen Spritzwasser und Feuchtigkeit geschützt. Die Bilder 6 und 7 zeigen verschiedene Sta-diën der MeBstelleninstallation am Mast.

Bild 7: DMS-Applikation am MastfuB

Bei der Einrichtung der MeBstellen muBte ganz beson-ders darauf geachtet werden, daB \veder die jeweilige MeBstelle selbst noch deren Kabelzuführung wahrend der Segelmanöver beschadigt werden konnte bzw. hinderlich war. Die Bordroutine muBte vor allen Din-gen gewahrt bleiben, eine Förderung, die ganz beson-ders bei den Messungen wahrend der Regatta-Fahrten auf der UWA e r f ü l l t werden muBte. Daher wurden Kabel von mehreren MeBstellen zusammengefaBt und als Kabelstrang zu den Erfassungsgeraten unter Deck geführt. Bild 8 zeigt ein Foto eines unter Deck instal-lierten sechskanaligen MeBverstarkers KWS 673.A2, das wahrend einer Messung aufgenommen wurde. Um die Druckbelastung der Aufienhaut zu ermittein, wurde der Rumpf der SMILY an 13 Stellen durchbohrt.

Bild 8: Unter Deck installierter sechskanaliger TF-MeBverstarker KWS 673-A2 wahrend der Messungen

Da die gröBten Belastungen im Bereich des Eintritts in die Welle, also im Vorschiff erwartet wurden, lagen die 13 ausgewahlten MeBstellen nur dort. Bei der Auswahl der Stellen f ü r die Bohrungen im Rumpf muBte auf die Anordnung der Schiffsinneneinrichtung und auf die Möglichkeit der Reparatur nach Beendigung der Mes-sungen Rücksicht genommen werden.

In die Bohrungen wurden Montageflansche eingesetzt, wobei die Abdichtung gegen zwischen Rumpf und Flansch eindringendes Seewasser mit Silikon erfolgte. In die Flansche konnten Druckaufnehmer vom Typ P l l wahlweise mit den N e n n d r ü c k e n 1 bar oder 2 bar ein-gesetzt werden. Bild 9 zeigt einen der 13 eingebauten Druckaufnehmer vom Typ P 11 an der Innenseite des Yachtbodens.

M i t den Beschleunigungsaufnehmern wurden die Be-wegungen i n der Vertikalen (Tauchen und Stampfen), die Rollbewegungen um die Schiffslangsachse und die Gierbewegungen um die Hochachse ermittelt. Die Auf-nehmer wurden an Bug- und Heckkorb und an den

Bild 9: Einer der 13 eingebauten Druckaufnehmer P11 an der Innenseite des Yachtbodens

Relingstiitzen an der Stelle der gröBten Schiffsbreite befestigt. Als Befestigungsmittel und zum Schutz ge-gen Spritzwasser wurde Textilklebeband verwendet, das sich als völlig ausreichend herausstellte. Selbst wahrend der Regattafahrten wurden die MeBsignale einwandfrei aufgezeichnet und konnten gut ausgewer-tet werden.

Die Spannungen infolge des auf den Bootskörper ein-wirkenden Langsbiegemoments wurden mit paarweise an Deck und Boden applizierten DehnungsmeBstreifen ermittelt. Aus den MeBergebnissen konnten die maxi-malen Spannungen bzw. das maximal auftretende Bie-gemoment errechnet werden.

D a r ü b e r hinaus wurde auf der SMILY die Durchbie-gung des Rumpfs direkt gemessen und ihre Abhangig-keit vom Druck des MastfuBes ermittelt. Zu diesem Zweck wurde ein Stahldraht zwischen den Schiffs-enden mit einer Vorspannung nahe seiner FlieBgrenze gespannt. M i t einem induktiven Wegauf nehmer wurde dann nach Durchsetzen eines Backstags die Verfor-mung des Schiffs auf halber Schiffslange gemessen.

4. MeBergebnisse

Die registrierten MeBwerte wurden mit dem Analyse-Softwarepaket ASYST ausgewertet. Die Umrechnung der elektrischen MeBsignalspannungen in die entspre-chenden mechanischen GröBen erfolgte unter Berück-sichtigung meBtechnischer Parameter (k-Faktor, DMS-Schaltung, MeBbereich und Ausgangsspannung) sowie der Bauteilgeometrie.

Aus der Vielzahl der MeBergebnisse sollen an dieser Stelle nur einige wenige exemplarisch herausgegriffen werden. So zeigt Bild 10 den Verlauf der Normalspan-nungen in Schiffslangsrichtung im Deck und im Boden bei einem Wendemanöver. Es ist deutlich zu erken-nen, daB der Rumpf des Schiffs vor dem Wenden auf Biegung beansprucht wird, belastet durch die Zug-krafte aus Vorstag und Backstagen und den Druck aus dem Mast; im Boden herrschen Zugspannungen, im

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Bild 10: Beispiel für MeBergebnisse: Zeitlicher Ver-lauf der Normalspannimgen in Schiffslangs-richtimg im Deck und im Boden bei einem Wendemanöver

SMILY VAGUS UWA u. FRATZZZ ONYX

Mastdruck 45,5 kN nicht gemessen 170 kN 1000 kN Wantenzug im Untervvant Mittelwant Ober^vant 20 kN 6kN 14 kN 7,5 kN 4,5 kN 4,5 kN 45 kN 42 kN*

' Mittel- und Oberwar 120 kN 170 kN'

t zusammen

Tabelle 2: Maximal im Rigg gemessene Krafte (in kN)

Zeit in s 3 ê 1 1 / /

:l<bordbug Steuerbordbug Backbordbug

Wende Wende

Bild 11: Beispiel f ü r MeBergebnisse: zeitlicher Ver-lauf der Spannungen i n den Steuerbordwan-ten und im Steuerbordbackstag der FRATZZZ f ü r zwei auf einanderf olgende Wendemanöver

Deck Druckspannungen. Wahrend des Wendens - die Segel killen, das Boot richtet sich auf - fallen die Span-nungen stark ab. Auf dem neuen Bug - die Segel wer-den dichtgeholt, das Boot krangt wieder - bauen sich die Spannungen wieder auf, und der Rumpf w i r d wieder auf Biegung beansprucht.

Der Verlauf der Spannungen i n den Steuerbordwanten und im Steuerbordbackstag ist f ü r zwei aufeinander-folgende Wendemanöver mit der FRATZZZ in Bild 11 wiedergegeben. SchlieBlich sind i n Tabelle 2 die maxi-mal gemessenen Krafte im Rigg f ü r alle bisher unter-suchten Schiffe zusammengestellt. F ü r die beiden Zwölfer UWA und FRATZZZ ist in Tabelle 2 jeweils der gröBere Wert eingetragen.

5. Schlufifolgerimgen und Ausblick

M i t den bei den bisherigen MeBfahrten gewonnenen Daten wurde am Lehrstuhl f ü r Schiffbau, Konstruk-tion und Statik der RWTH Aachen eine Datenbank f ü r Touren- und Rennyachten aufgebaut, in die alle neuen

Ergebnisse eingebracht werden. Allerdings lassen sich aus den bisher untersuchten sechs Yachten noch keine endgiiltigen Rückschlüsse auf die Richtigkeit der in der Literatur angegebenen Naherungen ziehen. So gestaitet sich die exakte Berechnung des Mastdrucks auBerst schwierig, weil auBer dem Druck, den der Masttrimmer iiber die Backstagen i n den Mast einlei-tet, auch der Stand und die GröBe der Segel - vornehm-lich des Vorsegels - den Mastdruck beeinflussen. Die in [9] genannte Gleichung zur Errechnung des Mast-drucks liefert f i i r die SMILY einen Mastdruck von 30 kN, wahrend 45 k N gemessen wurden. Fiir die UWA ergibt sich ein berechneter Druck von 270 kN gegen-über nur 170 k N aus der Messung. Die Auslegung des Masts nach dieser Gleichung hatte also im ersten Fall eine erhebliche Unterdimensionierung zur Folge, wah-rend im zweiten Fall der Mast erheblich überdimen-sioniert worden ware.

Auf der Basis der gemessenen Werte gelang es, eine neue Beziehung f ü r die Ermittlung des Mastdrucks, die allein von der Windgeschwindigkeit abhangt, zu fin-den. Allerdings zeigte sich, daB zwar die Abhangigkeit von der Windgeschwindigkeit bei alien untersuchten Yachten gleich war, die sich ergebende Kurve jedoch mit unterschiedlichen - von der Yachtform abhangen-den - Faktoren zu multiplizieren war. Die schmale Bandbreite der bisherigen Testparameter laBt \veitere Versuche dringend notwendig erscheinen.

Ein wesentlicher Anteil der Beanspruchungen von Rumpf und Rigg moderner Segelyachten resultiert aus den auf die Segel einwirkenden Windkraf ten. Zur opti-malen Auslegung der Riggkomponenten und der Rumpfstruktur ist eine mögiichst genaue Kenntnis eben dieser Windkrafte und der entsprechenden Auf-lagerreaktionen am Mast und am laufenden und stehenden Gut eine notwendige Voraussetzung. M i t einem FEM-Rechenmodell, das anhand der aus den Messungen gewonnenen Daten auf seine Brauchbar-keit ü b e r p r ü f t wird, ^vird man f ü r k ü n f t i g e E n t w ü r f e die Beanspruchungen im voraus ermittein können, allerdings nur dann, wenn Schiffsgröfie und Segel-konfiguration denjenigen der bisher untersuchten Yachten entsprechen bzw. ihnen sehr nahe kommen. Die Entwickiung allgemeingültiger Berechnungsver-fahren zur Ermittlung struktureller Belastungen von Segelyachten ist nur mit einer deutlich erweiterten Datenbasis möglich. Vor allem groBe Fahrtenyachten, Mehrrumpfboote, zukünftige America's Cup Aspiran-ten und Whitbread-Round-the-World-Race-Teilnehmer gehören zu den Wunschyachten f ü r zukünftige Mes-sungen.

Es ware zu wünschen, daB die Deutsche Forschungs-gemeinschaft auch weiterhin bereit ist, entsprechende Untersuchungen finanziell zu unterstützen. Die Kon-taktpflege zur internationalen Regattaszene wird jedenfalls auch in Zukunft fortgesetzt, um so den Zu-gang zu möglichen Test-Yachten zu schaffen.

6. Literatur

[ I ] Baader, J.; Segelsport, Segeltechnik, Segelyach-ten; Verlag Debus & Klasing Bielefeld 1976 [2] Reinke, K., L. L ü t j e n , I . Muhs.: Yachtbau; Verlag

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[3] Phillips-Birt, D.: Saihng Yacht Design; Verlag Hutchinson & Co. Ltd. London 1980

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[7] Marchaj, C. A.: Seetüchtigkeit - Der vergessene Faktor; Verlag Dehus & Klasing Bielefeld 1988 [8] Ebbutt, P. W.: Aerodynamics in the 1977 America's

Cup; The Naval Architect, March 1978, S. 54 [9] Mull, G. W.: Strength requirements for sailing

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[10] Hausen, J., C. Bayer, U . Heinemann, G. Willich: Vorversuche zur Ermittlung der dynamischen Beanspruchung von Rumpf und Rigg moderner Segelyachten; AbschluBbericht zum DEG-For-schungsvorhaben Ha 1260/2-1, Aachen 1981 [ I I ] Schultz, H.-G., U. Heinemann: Experimentelle

Er-mittlung der dynamischen Beanspruchung von Rumpf und Rigg moderner Segelyachten im GroB-versuch; AbschluBbericht zum DFG-Forschungs-vorhaben Schu 173/15-1 und 15-2, Aachen 1986 [12] Heinemann, U., J. Talvia: Zur Beanspruchung von

Segelyachten im Seegang; AbschluBbericht zum DFG-Forschungsvorhaben Schu 173/21-1, Aachen

1988

[13] Talvia, J., R. Wiefelspütt: Experimentelle Ermitt-lung der Belastungen von Segelyachten; Ab-schluBbericht zum DFG-Forschungsvorhaben Schu 173/21-2, Aachen 1990

[14] Talvia, J., J. Wünning: Belastungsmessung am Rigg der Segelyacht VAGUS; AbschluBbericht zum DFG-Forschungsvorhaben Schu 173/26-1, Aachen 1991

[15] Talvia, J.: Belastungsmessung am Rigg der 35-m-Kutteryacht ONYX; AbschluBbericht zum DFG-Forschungsvorhaben Schu 173/27-1, Aachen 1991