Untersuchung über die wirkung erhöhter querströmung neben wehr- und einlaufbauwerken auf das fahrende binnenschiff

04 NOV. 1984

Lab. v, Sch ee psbouwkunuc

ARCHIEF

Technische Hogeschool

Delft

Untersuchung Ober die Wirkung

erhohter Querstromung neben

Wehr-und Einlaufbauwerken auf das fahrende

Binnenschiff

Ein gekiirzter Beitrag zur Erarbeitung neuer Richtlinien ftir Auslegung und Betrieb

-Dr.-Ing. E. Schale

217. Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e.V.,

Duisburg

Institut an der Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen

Mitglied der Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen e.V. koln

Dr.-Ing. E. Schale

Untersuchung iiber die Wirkung

erhohter Querstromung neben

Wehr-und Einlaufbauwerken auf das fahrende

Binnenschiff

Ein gekiirzter Beitrag zur Erarbeitung neuer Richtlinien fiir Auslegung und Betrieb

-217. Mittellung der Versuchsanstalt ffir Binnenschiffbau e.V., Duisburg

Institut an der Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen

Mitglied der Arbeitsgemeinschaft IndustrieIler Forschungsvereinigungen e.V., KoIn

1. Einleitung

Einlaufbauwerke sind bauliche Anlagen

an oder in FlUssen und Kanalen, die meist oberhalb entnommenes Wehr-, Kraftwerks- oder Industriewasser

ge-regelt zurackfUhren. Da die

Einlaufmen-gen insbesondere von Kraftwerks- und Industriewasser, in den letzten Jahren

erheblich gestiegen sind und weitere

GroBkraftwerke hinzukommen, 1st es

von Bedeutung zu wissen, welchen Kraften das vorbeifahrende Binnen-schiff ausgesetzt ist, wenn die

Quer-geschwindigkeitskomponente

zu-nimmt und bei welchem Wert die obere Grenze liegen konnte.

Die derzeit noch gUltigen Richtlinien

wurden bereits 1936 ausgearbeitet und 1951 als Dienstanweisung far die

Was-ser- und Schiffahrtsbehorden

Ober-nommen zu einem Zeitpunkt, an dem

Schleppschiffahrt und schwach motori-sierte Selbstfahrer vorherrschten.

Diese Dienstanweisung besagt und

das war zugleich ihre Basis daB die Ein- und Auslaufgeschwindigkeiten den

Wert von 0,3 m/s nicht Liberschreiten

durfen.

Bei dem Kahlwasserbedarf eines mo-dernen Kohlekraftwerks bedeutet

die-ser Wert, daB die Entnahme- und Rack-fiihrungsbauwerke mehr als 50 m lang werden und bei derzeit in Planung be-findlichen GroBkraftwerken Langen von 100 m und mehr erreichen warden. Betrachtet man den technischen

Fort-schrift im Wasserverkehr,

insbeson-dere den hohen nautisch-technischen

Stand der heutigen Motorschiffahrt,

dann ist nicht nur die Dienstanweisung aberholt, sondern es erscheinen auch

die moglichen Risiken fur die Schiffahrt in einem ganz anderen Licht.

Im Zusammenhang mit dem Wortlaut des Themas gilt es, die Frage zu kla-ren und quantitativ zu beantworten: welche Wassermengen und

Querge-schwindigkeiten

bewirken hohere

Risiken als im heutigen

Schiffahrts-betrieb auf Stromen und FlUssen

ohne-hin durch Verkehrsdichte,

Begegnun-gen, UberholunBegegnun-gen, Querwinci, Sohlen-verwerfungen usw. gegeben und somit bekannt sind.

Es ist bekannt, daB unsere

Wasserbau-Versuchsanstalten (Berlin,

Braun-schweig, Hannover, Hamburg,

Karls-ruhe, Stuttgart, Obernach) standig mit Fragen dieser Art konfrontiert werden.

Nur geht es dort urn die konstruktive

Gestaltung der Bauwerke mit dem Ziel,

die entnommenen und

zuriickgefahr-ten Wassermengen so zu leizuriickgefahr-ten, daB der

EinfluB auf die regulare FlieBrichtung miiglichst gering bleibt.

Die dortigen experimentellen Unter-suchungen werden in ModellmaBsta-ben zwischen 1:100 und 1:25

durch-gefahrt und im unmittelbaren Querstro-mungsbereich rneist Schiffsmodelle so eingespannt, daB auf das Schiff einwir-kende Krafte quasistationar gemessen werden kannen.

Dabei bleibt stets die Frage unbeant-wortet, in welcher Weise das Schiff

dynamisch reagiert, wenn es frei durch den Ein- oder Auslaufbereich hindurch-fahrt.

Antworten auf dieSe, far die Wasser-und Schiffahrtsbehorden so wichtige

Frage, sind auch inzwischen

bekannt-gewordener auSlandischer Literatur

nicht zu entnehmen, bzw. nicht auf

die in Mitteleuropa vorherrschenden

Verkehrsverhaltnisse zu abertragen. Demzufolge hat der DVWK (Deutscher Verband fur Wasserwirtschaft und Kul-turbau e.V.) einen ArbeitsausschuB ge-grandet, der dieses Thema umfassend

bearbeiten soil.

Auch die Versuchsanstalt far

Binnen-schiffbau arbeitet in diesem AusschuB

mit und Ilea die jeweils aktuellen Ver-suchsergebnisse in die

Arbeitsmanu-skripte eingehen.

Im Spatherbst 1978 wurden erstmals

GroBversuche am

Grakraftwerk

Mannheim vom Rehbock-lnstitut der

TU-Karlsruhe ausgefLihrt [1]. Es war

er-kennbar, daB der Kurs des Schiffes

zwar von der Querstromung beeinfluBt

wird, doch schienen die Risiken klein und far den Schiffsfiihrer nahezu

be-triebsablich" zu sein.

Zugleich zeigte sich jedoch, daB die

Fahrgeschwindigkeit, der Abstand und

die Lange des Schiffes eine wesentliche Rolle spielen.

2. Versuchsprogramm

Das Versuchsprogramm der VBD

ent-wickelte sich von Fall zu Fall aus den gewonnenen Versuchsergebnissen in

Verbindung

mit dem angestrebten

Ziel dieses Vorhabens, vor allem die

Kursbeeinflussung von Schiffen durch Querstromung zu erfassen, zu

bewer-ten und im Zusammenhang mit neu zu erarbeitenden Dienstanweisungen

die notwendige Zuarbeit zu leisten.

FUr die Durchfuhrung der

Naturver-suche wurde die Rheinstrecke am

GroBkraftwerk Mannheim gewahlt. Fur die erganzenden Modellversuche sind vorgesehen worden:

em n modifizierter Nachbau des

Kraft-werkseinlaufs, wobei die

Stromungs-richtung etwa 900 zur Stromachse

verlaufen und eine

Austrittsge-schwindigkeit von umgerechnet bis

zu 3 m/s erreicht werden sollte

(MaBstab 1:16)

em n Nachbau einer FluBstaustufe mit

modifizierbarer Einwirkung der

Wehrstromung im Unterwasser auf

in die Schleuse einfahrende Schiffe (MaBstab 1:25).

In gestuften Abstanden und

Fahrge-schwindigkeiten wurden untersucht:

kleines Fahrgastschiff (FS FRITZ

HORN")

herkommliche GUtermotorschiffe GroBmotorschiffe

zweigliedrig-einspurige Schubver-bande

Quantitativ wurden dabei soweit

moglich

auf dem Schiff oder am

Modell ermittelt:

Propellerdrehzahl mit

Bestim-mung der Antriebsleistung Ruderarbeit

Kursverhalten Querversetzung

Dabei sollten auch das Verhalten und

die besondere Beanspruchung des

SchiffsfUhrers beobachtet werden.

Wahrend bei den Naturversuchen

auBer FS FRITZ HORN" mit dem die Versuchsstrecke gerade erreichenden

Schiff jeweils nur eine Vorbeifahrt

durchgeftihrt werden konnte, wurden

bei den Modellversuchen Abstand und Geschwindigkeit variiert.

3. Beschreibung der Anlagen

3.1 Gro8kraftwerk Mannheim

Die Versuchsstrecke liegt im Bereich

einer auslaufenden Kriimmung

rechts-rheinisch zwischen km 416 und 417.

Der die Querstromung erzeugende

Sammelauslauf befindet sich bei km

416,525. Er durchbricht eine steinerne Boschung. Seine etwa 80°

zur.Strom-achse geneigte, rechteckige Offnung

hat etwa die MaBe: B = 34 m, h =

3 m [1]. Dank der Bereitwilligkeit der

Kraftwerksleitung, die

Kiihlwasserpum-pen wahrend der Versuchsdurchfuh-rung mit Hochstleistung zu betreiben,

traten maximal 56 m3/s aus.

Die dabei gemessene

Ouergeschwin-digkeit im Lot Ober dem BoschungsfuB

lag im Mittel bei 2,4 m/s. Der etwas

schwankende Maximalwert lag ca.

1,5 m unter der Wasseroberflache. Der

Wasserstand wahrend der

Versuchs-zeit pendelte urn den sogn. Mittelwas-serbereich.

3.2 Strom-Modell

Ein Modell dieses Uferabschnittes, je-doch mit gerader Boschung und recht-winkliger Austrittsachse, wurde spater

im MaBstab 1:16 in den groBen

Schlepp-kanal der VBD so eingebaut, daB mit

den vorhandenen Anlagen eine Strom-geschwindigkeit Vstr von 2,26 m/s und

eine Austrittsgeschwindigkeit Vo von

3 m/s erreicht werden konnte. Als Versuchsobjekte dienten:

1 Glitermotorschiff 80x9,5x 2,8 m

(LxBxT)

1 einspurig, zweigliedriger

Schub-verband 185x 11,4x 2,8 m

3.3 FluB-Modell

Hier wurde das Unterwasser einer

Stau-stufe mit Wehroffnung und

Schiffahrt-schleuse im MaBstab 1:25 nachgebaut.

Dabei sind die Trennwande zwischen Wehr und Schleuse enffallen, so daB

der Abstrom des Wehres in die Schiff-fahrtsrinne reichte. Dartiber hinaus wurde der AbfluB durch versetzbare

Leitwerke noch so gerichtet, daB er

be-wuBt sogar verstarkt in die Schleuse

einfahrende Schiffe traf. Als Versuchsobjekte dienten:

1 GroBmotorschiff 105x 11 xZ8 m

1 einspurig, zweigliedriger

Schub-verband 185x 11,4x2,8 m

4. Versuchsvorbereitung

Fur die Naturversuche wurde em n

Krei-selgerat Mit Regelelektronik gebaut,

das folgende Komponenten und deren Verlauf analog ausgeben kann:

Kurswinkel [o]

Drehgeschwindigkeit w [o/s]

(auch I/)

Trimmwinkel 0 [min]

Krangungswinkel 0 [o]

Damit konnten die Bewegungskompo-nenten der Schiffe bei freier Fahrt auf-genommen und registriert werden. Getrennt aufgenommen wurden

Geschwindigkeitsverlauf Ruderwinkel

Die Messung der

Wassergeschwindig-keiten erfolgte von Fall zu Fall mit FS FRFTZ HORN", dem

VBD-Versuchs-schiff, mittels der an Bord befindlichen

Gerate. Der Verlauf der

Ortsverande-rungen wurde nach der Radarphasen-bildmethode erarbeitet.

Fur die DurchfUhrung der Modellver-suche wurden die hausintemen

Kraft-meBanlagen sowie bei frei gesteuerter Fahrt die dazu hergerichtete Telemetrie

eingesetzt. Siehe hierzu auch Lit. [2] und [3].

5. Versuchsdurchfiihrung

und Ergebnisse

Fur die VersuchsdurchfUhrung standen zur Verfugung:

das schon mehrfach erwahnte

insti-tutseigene Forschungsschiff FRITZ

HORN" mit semen MeB- und Funk-anlagen einschlieBlich der Neuanfer-tigungen

die Schlepptankanlagen und der

Schleppwagen, ebenfalls einschlieB-lich aller MeBanlagen und der

Daten-verarbeitu ng

C) Werkstatten und Fachpersonal,

opti-sche Spezialgerate fiir die

Bildaus-wertung.

Somit war es moglich, das

umfang-reiche Versuchsprogramm bei jedem

Einsatz zUgig abzuwickeln und brauch-bare Ergebnisse zu erlangen.

5.1 Versuche am GroBkraftwerk Mannheim

Da es weder dielinanziellen Richtlinien

der dieses Vorhaben fiihrenden

Insti-tution (AlF) noch der Haushalt der VBD erlaubten, ausgewahlte Schiffe zu

char-tern, konnten nur diejenigen Schiffe oder Verbande fiir die geplanten

Mes-sungen herangezogen werden, die

zu-fallig die Rheinstrecke am

GroBkraft-werk befuhren und deren Schiffsfiihrer bereit waren, den erorterten Vorstellun-gen der Versuchsleitung zu folVorstellun-gen.

Urn einen ersten Eindruek ilber die

Stromungssituationen am

Kraftwerks-ufer zu gewinnen, wurde die ca. 500 m

lange Strecke mit FS FRITZ HORN"

mehrfach in beiden Richtungen befah-ren. Spi.irbar war bei Fahrt in Ufemahe

am Kursverhalten des Schiffes nicht

nur der Querstrom am Auslauf, sondern

auch eine gewisse Gegenwirkung am Einlauf, dort wo etwa 20 m3/Sekunde

dem Rhein entnommen wurden.

Die sich daran anschlieBenden

fahrten, bei denen der Schiffsfiihrer ver-suchen sollte, den Kurs konstant zu hal-ten und die mehrfach im Abstand

zwi-schen ca. 20 m und 40 m ausgefiihrt

wurden, lieferten reproduziert nach

der Radarphasenbild-Technik sehr

eindeutige Ergebnisse. Bild 1 zeigt die Vorbeifahrsituation bei einer Bergfahrt; Bild 2 bei einer Talfahrt, wobei der An-steuerungsabstand ca. 20 m betrug!

Bei diesem relativ kleinen Schiff er-kennt man besonders die

Wechsel-wirkungen und Abhangigkeiten:

die KuhlwasserausfluBmenge wird

der AbfluBmenge des Stromes

zuge-fiihrt,

infolge dessen erhoht sich

Ortlich unterhalb des Ausflusses die Stromgeschwindigkeit

die zunachst quer zur Stromachse verlaufende AusfluBrichtung biegt nach Unterstrom ab und bleibt in-nerhalb eines Uferbereichs mit ca. 40 m Breite, d. h. in groBerem

Ab-stand 1st die VVirkung des Querstro-mes experimentell nicht mehr nach-weisbar

vom Schiff her gesehen tritt bei

An-steuerung des AusfluBstrahls eine Geschwindigkeitsverzogerung und

eine Querversetzung emn

Geschwindigkeitsverminderung und Querversetzung andern sich mit dem Abstand

Betrag und Richtung der

beein-flussenden Krafte andem sich zu-gleich auch mit der

Fahrgeschwin-digkeit des Schiffes

damit andert sich auch die Beein-flussung des Schiffes hinsichtlich

seiner Fahrtrichtung: bergwarts

zeit-lich lang anhaltende Wirkung,

tal--Warts Kurzzeitwirkung

aus der Sicht des SchiffsfOhrers

ahnelt die Beeinflussung durch

Querstrom und semen Besonderhei-ten sehr den Passiervorgangen, d. h. wenn sich Schiffe iiberholen oder be-gegnen

Bergfahrt Oberholung

Talfahrt Begegnung

Die Fortsetzung der Messungen mit

GUterschiffen unterschiedlicher Grol3e

bis

hin zum Gro8motorschiff und

Schubverband zeigten im Ergebnis die

gleichen Verhaltensweisen wie das

kleine Schiff, jedoch mit dem sehr we-sentlichen Unterschied, daB die Quer-versatzamplituden wesentlich geringer

waren bzw. vom Schiffsfiihrer kaum

wahrgenommen wurden.

Die Bilder 3, 4 und 5 leigeh

aus-schnittsweise das Kursverhalten dreier,

in der GroBe unterschiedlicher

Ein-heiten.

Wahrend zweier Me8reihen war es un-vermeidlich, bei km 416,35 Reparatur-arbeiten an den Einlaufen 1 +2 mittels Taucherschiff hinzunehmen. Dies

be-einfluBte die Messungen am Auslauf

kaum und lieB zugleich erkennen, da8 die Schiffe auch solche

Passiersituatio-nen trotz Querstromung beherrschen

(siehe Bild 6).

Obwohl die Ansteuerung des Uferbe-reiches hart an der Grenze der

Fahr-rinne vorgegeben war, die Auslaufmenge

52 m3/s betrug, der Kurs weitgehend

konstant blieb, betrug-der Querversatz im Hochstfall eine Schiffsbreite.

Nach all diesen Versuchsfahrten ist

festzustellen:

die Verhaltenstendenz entspricht derjenigen des FS FRITZ HORN"

die VVirkung der auBeren

!Crete-- beeinflussung nimmt mit

zunehmen-der Verdrangung ab

Kurs- und Manovrierverhaiten, d. h. die Reaktion auf Ruderbewegungen, bleibt unverandert.

Die Schiffsfiihrer bringen zum

Aus-druck, daB sie der Querstromung bisher keine Beachtung geschenkt haben. Alle

Schiffe verhalten sich betriebsublich". Die Talfahrt bleibt völlig unberUhrt.

5.2 Versuche im Strom-Modell

Wie unter 3.2 schon beschrieben, wurde

em n gerader Uferabschnitt ahnlicher Gestalt wie am Gro8kraftwerk in den

Schlepptank eingebaut und so positio-niert, daB einerseits genUgend Wasser

vom Hauptstrom abgezweigt und an

ge-eigneter Stelle als Querstrom wieder

eingeleitet werden konnte, andererseits

vom Schleppwagen aus 3

Versuchs-arten durchzufiihren waren:

frei gesteuerte Fahrt bei konstantem

Kurs

frei gesteuerte Fahrt auf moglichst

konstanter Fahrbahn

gefesselte Fahrt mit Quer- und

Langs-kraftmessungen.

Bild 7 zeigt das Boschungsprofil mit

Leiteinrichtung und

Austrittsgestal-tung. Die folgenden Fotos ermoglichen

einen Einblick in die gefesselten und

frei gesteuerten MeBfahrten.

Weitere Vorgaben waren fiir beide Mo-delle (GMS, Typ Johann Welker und SV

bestehend aus Standard-Schubboot

und 2 Leichter): Wassertiefe h = 4,0 m Tiefgang T = 2,8 m Antriebsleistung PB = 90-95% PBmax Stromgeschwindigkeit Vstr = 7,2 km/h Querstriimung Vom 3 m/s

ferner der Ansteuerungsabstand vom

BoschungsfuB: 12, 24 und 36 m 1,2

und 3 Schiffsbreiten.

Bei frei gesteuerten Modellversuchen

muB stets zuvor em n gewisses

Trainings-programm absolviert werden. Das war in diesem Fall deshalb besonders

not-wendig, well die Wassergeschwindig-keiten bei den vorgegebenen

Abstan-den weit Ober Abstan-den spater angestrebten Zulassungswerten lagen. Erst danach 1st dann jeder einzelne Versuch 5mal gefahren, registriert und nach Mittelung der Fahrbahnen zeichnerisch und

grafisch dargestellt worden.

AuBer den Angaben der Konstanten

sind in den Grafiken jeweils gegeniker-gestellt:

oben Fahrbahn und

Parallelver-satz, well der Kurswinkel

eben-falls konstant bleiben sollte

unten Fahrbahn,

Anstellung und

Querversatz, well der Abstand

konstant gehalten werden sollte. Fur beide Falle 1st aufgefiihrt, die mitt-lere Fahrgeschwindigkeit des Schiffes

(des Schubverbands) und die

spezi-fische FahrlDahnbreite, bezogen auf die Schiffsbreite.

Vs = SchiffsgeschWindigkeit

(auch V =

Geschwindigkeit

durch das VVasser) [km/h]

I3F = Fahrbahnbreite [m]

Bs = Schiffsbreite _Erril

Beispiele: Gthermotorschiff: Bild 8;

Schubverband: Bild 9. Den Verlauf der

spezifischen Fahrbahnbreite

Quer-versatz in

Abhangigkeit vom

Ufer-abstand zeigt Bild 10.

(Die dritte Versuchsreihe gefesselte

Fahrt wird im Abschnitt 6 erlautert.)

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Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstra8en Nr. 1/84

Abb. 6

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Cluerstromung an Sc Meuse mit Wehr

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Ouerstromung an Schleuse mit Wehr

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Abb. 16 Loge der Messglieder

Gutermotorschiff

Beeinflussung vorbeifahrender Schiffe am Einleitungsbauwerk

4 h . 4,00 m; T . 2,80 m; Va . 2,36 m/s; Vstr.= 2,26 m/s

Abstand.sur Baschung von Bordwand des Schiffes 24 m -CX .22 .6.22 ".2 :Mr...! 24.2 °,, .1111.,...11.111%.',/.Va I .6,_ ..,'.."-ii---..6--'..--4.a ...4.1.-7.-t..,,4 1-:// X/LS ...y. T F h Y/LS V = 12,448 km/h = 0.552 0.387 durch V .= 13,891 km/h = 0.615 0.387 Wasser v . 15,334 km/h = 0.680 0.387 .''' 4 7 ,0Z4," 7-1

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Schubverband

0,3

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5.3 Versuche im RuB-Modell

VVie

unter 3.3 schon beschrieben,

wurde das Unterwasser einer Staustufe,

wie sie an Main und Mosel zu finden

sind ohne Bezugnahme auf einen be-stimmten Ort im MaBstab 1:25 in die Tankanlage unter Ausnutzung der Ma-ntivrierteichflache eingebaut. Die mitt-lere Offnung des Wehres ist so

bemes-sen worden, daB die AbfluBmenge nach

Durchlaufen des Tosbeckens zu zwei

konstanten FlieBgeschwindigkeiten

fuhrte. AuBerdem wurde jeweils fur die

2. und 3. Versuchsreihe mittels einer variablen Leiteinrichtung das abflie-Bende Wasser so beeinfluBt, daB es

mehr oder weniger direkt in die zur

Schleuse fiihrende Fahrrinne (tangen-tial) einschnitt.

Auch hier waren das GUtermotorschiff und der einspurig, zweigliedrige

Stan-dard-Schubverband wieder die

Ver-suchsobjekte.

Beispiele: GOtermotorschiff: BiId 11;

Schubverband: Bild 12.

In gewisser Analogie zum

vorhergehen-den Abschnitt 1st die sich ergebende

spezifische Fahrbahnbreite (BF/Bs) in

Bild 13 Ober die Winkelstellung des

Leit-werks aufgetragen worden. Die

Ten-denz 1st deutlich erkennbar, allerdings

S

%/I S

Abb. 18

springen einige MeBwerte, weil das

spa-ter noch zu erorspa-ternde instationare Ver-halten des Wehrabstromes EinfluB auf

das Kursverhalten des Schiffes, ins-besondere des langen

Schubverban-des nimmt.

6. Versuchsauswertung

Die durchgefuhrten und beschriebenen Natur- und Modellversuche orientierten

sich an in der Praxis vorkommenden

Fallen, allerdings waren die Vorgaben, wie Menge, Geschwindigkeit und

Rich-tung mit GroBenordnungen behaftet,

die Uber des betriebsiibliche MaB

hin-ausgingen.

Im Mittelpunkt stand das Schiff und

sein Kursverhalten, wenn es

Strek-kenabschnitte befahrt, innerhalb derer

durch Wasserentnahme- oder

-ruck-gabebauwerke die in der Regel oxiale AnstrOmrichtung gestort wird. Urn die

Wirkung der

Storung darzustellen, wurde em n ortsfestes

Koordinaten-system gewahlt. Von dieser Regel 1st lediglich bei den Modellversuchen unter

5.2 abgewichen worden. Dort 1st bei der

3. _{Versuchsreihe das}

Koordinaten-system schiffsfest und sein Mittelpunkt

liegt auch mittschiffs im Hauptspant.

Die dabei vorn und achtern gemesse-nen Querkrafte wurden jedoch wieder

NOMENTENBENEFTE Cr, BEI DUI:CHOW

DUREN OlIERSTROMUNG IN ABHANGIGKEIT VON

*STAND ZUB BOSCHUNG UND GESCHWINDIGKEll

02 0,1 10 Abb. 19 Abstand xur 130shung 4,12 m 0 24 m 804ermcmorschlff 836 m 0 12, m schubverhand 36 m 14 15 CULerm04044.111, e IkmAl

auf die Achse der Querstromung be-zogen, die vom Uferbauwerk her das

Schiff beeinfluBt.

Die Versuche und das Bezugssystem

wurden deshalb so gelegt, well daraus

die Dynamik des Passiervorganges

sichtbar 1st; denn es ist mit Sicherheit anzunehmen, daB die quasistationaren Betrachtungsweisen, wie sie den bishe-rigen Darstellungen in den Berichtsan-lagen, vor allem aber auch in der

Litera-tur [4], [5] zugrunde liegen, nicht

aus-reichen konnen.

Je nach Art des jeweiligen Versuches

und der vorgegebenen Konstanten sind der Ouerversatz oder der Anstellwinkel also die Kurebeeinflussung

quanti-tativ nachgewiesen worden.

Berner-kenswert 1st jedoch, da13._sich dies bei

freier Navigation der Schiffe sowohl im

Modell- wie auch in GroBausfUhrung,

selbst bei relativ hoher Querstromung, im betriebsUblichen Rahmen hielt, d.h. die Schiffe bequem beherrschbar

blie-ben.

Die Ursachen hierfiir werden in den

hydrodynamischen Verhaltnissen

er-kennbar und sollen hier in eller KUrze

erortert werden:

Das fahrende Schiff erzeugt urn sich

herum em n eigenes Strom ungs- und

Druckfeld. AuBerlich sichtbar wird

dies durch die Verformung der Was-seroberflache, die sich aus der

loka-len Storung und den freien

Ober-flachenwellen zusammensetzt [6].

Daraus folgt, daB sich urn das Schiff herum em n Energiefeld aufbaut und dieses sich bei Konstant eller

Rand-parameter stationar mit dem Schiff mitbewegt. Nach dem

Flachenver-lauf auf Niveaulinien und deren

Diffe-renzierung zu urteilen nimmt das

Energiefeld betrachtliche AusmaBe

an. Abb. 14

Dieses schiffsfeste Energiefeld tan-giert oder durchschneidet inunmehr die Ganglinien des

Querstromungs-feldes am Auslauf, das seinerseits eigenstandig 1st, ganz gleich ob in ruhendem oder selbststromendem Gewasser. Abb. 15

6 Zeitschrift fur Binnenschiffahn und Wasserstraen Nr. 1/84

Beeinflussung vorbeifahrender.Schiffe am Einleitungsbauwerk

h . 4,00 m; T = 2,80 m; Vo 2,36 _YStr. 2,26 m/s

Abstand cur Baschung von Bordwand des Schiffes 24 m Fah y/LS !

durch V 11,736 km/h . 0.521 0.211 I

Da sich die Stromungsfelder durchdrin-gen, stehen zunachst die inneren Krafte in Wechselwirkung ehe das Schiff

un-mittelbar beeinfluBt wird. Das Schiff selbst ist als groBe Masse trage. Es

reagiert zeitlich versetzt und erst dann, wenn das eigene Energiefeld praktisch

auf der dem Auslauf zugewandten

Seite zerstort ist. Die Messungen und

Beobachtungen haben gezeigt, daB dies erst der Fall ist, wenn die

Quer-stromungsachse den vorderen Viertel-punkt der Lange erreicht hat. Nun liegt

aber der taktische Drehpunkt des

Schiffes im vorderen Drittelpunkt, so dap die praktisch notwendige

Anstel-lung des Schiffes gegen die

Querstro-mung (Querkraft) schon mit geringer Veranderung des Ruderwinkels mog-lich ist. Erst wenn die gesamte Breite

des Querstromungsfeldes die Mitte des Schiffskorpers trifft, erreichen die Strii-mu ngskrafte ihre maximale Wirkung. Urn quantitative Angaben Ober die auf den Schiffskorper in Langs- und Quer-richtung wirkenden }Crete zu erhalten, wurde das Modell unter dem

Schlepp-wagen Uber MeBglieder fest einge-spannt und bei Konstanthaltung aller

Randbedingungen, jedoch in gestuften

Variationen von Abstand und

Ge-schwindigkeit, diese Krafte gemessen. Danach folgt zwecks allgemeingUltiger

Verwertung der MeBergebnisse die

Urn-rechnung in dimensionslose GroBen, sogn. Beiwerte nach vorgegebenem

Rechenprogramm.

FUr die Auswertung der sich zeitlich

standig verandernden MeBwerte ob

mit Visicorder registriert oder auf

Plat-ten abgelegt hat die VBD em n

Pro-grammpaket, bestehend aus 4 anwen-dungsorientierten Einzelprogrammen, entwickelt:

Programm I:

Darstellung der MeBamplitude in

mm-Schrieb Fm vorher

festzulegen-den Koordinatensystem (bezogen

auf die Zeitachse) Programm II:

Umrechnen in MaBgroBen sowie

Skalieren und Sortieren der

MeB-schleifen" nach einem frei wahlbaren

SchlUssel

Programm III:

Berechnung von Beiwerten oder

Urn-rechnung auf die GroBausfUhrung

Programm IV:

Zeichenprogramm zur Darstellung

der Ergebnisse in Diagrammform

Da die MeBwerte wahrend der Erfas-sung bereits sorbed und bewertet auf Platte abgelegt waren, kam Pill und

P IV zur Anwendung.

Zeitschrift fur Binnenschiffahrt und WasserstraBen Nr: 1/84

Fx Cx = 02 (VG + Ystr)2 ' L T Fyv FYH

Cr.,

co/2 (Vs V5tr)2 'L T (Fyv hv FyH hh) CN go/2 (Vs + Vsh.)2

L2 T

bei ,,Johann Welker" hv = hh= a/2

bei Schubverband

h=..+!

2 2

a Ls

hh

2--Die Bezeichnungen und Zuordnungen sind Bild 16 zu entnehmen:

Urn AllgemeingUltigkeit zu sichern,

wurden die veranderlichen GroBen in dimensionslose Beiwerte

umgewan-delt.

Wahrend Cx als Langskraftbeiwert der

Widerstandsanderung infolge vermin-derter oder erhohter axialer

Anstro-mungsgeschwindigkeit entspricht, wird der QuerstromungseinfluB am Verlauf Cy sehr deutlich sichtbar.

Besonders interessantist ,jedoch der

Verlauf der Momentbeiwerte -CN. Die

das Schiff Lim die Hochachse verdre-henden Momente sind relativ niedrig

und schwanken urn Null. Dies ist auch

der Grund dafür, daB bei auf gerader

Bahn fahrenden Schiffen die Einhaltung

des Kurses problemlos moglich 1st es Uberwiegen die Tragheitskrafte. Alle Kurven haben auBerdem noch die

einer vorstellbaren Grundkurve

lagerten Schwankungen bzw. Schwin-gungen gemeinsam. Die Ursache deur

durfte im instationaren Verhalten der

sich durchdringenden Stromungen

(Querstrom vom Auslauf, Langsstrom

am Ufer des Flusses) zu finden sein. Es gibt darin keine stetigen

Druckver-laufe, infolgedessen auch keinen steti-gen Kraftverlauf auf das Schiff wirkend.

Die kurzzeitig wirkenden Querkrafte, die im Sonderfall zur Querversetzung

des Schiffes fiThren, werden durch An-stellung so kompensiert, wie

beispiels-weise bei Fahrt durch eine

vorgege-bene Fahrbahnkriimmung. Dabei wirkt

ja die Fliehkraft in gleicher Richtung wie die Querstromung; siehe hierzu

Lit. [7]. Bild 17 (GUtermotorschiff) und

Bild 18 (Schubverband) zeigen Bei-spiele der Beiwert- und damit

Krafte-verlaufe. Auch die relativ groBe Masse" und die Lange der Schiffe wirken

kurs-stabilisierend, wie Bild 19 erkennen

laBt.

(Langskraftbeiwert)

(Querkraftbeiwert)

(Momentenbeiwert)

a = Mel3gliederabstand

Dort wurden die Momentenbeiwerte CN aus Anlg. 59-64 als Parameter darge-stellt. Das instationare Krafteverhalten

zeigte sich schon bei de Ubertragung

der cd-Kurven in die Anlagen 3, 4, 11, 13, 15, 17, 19 und 21 mit Hochstwerten von 20°/min. Auch da sind die Schwan-kungen bereits nachgewiesen worden. Dieser Wert von 20°/min stellt zugleich

aber auch em n Kriterium fur die Be-herrschbarkeit des

Querstromungs-flusses dar, denn cd-Werte dieser Gra-Benominung werden von GUtermotor-schiffen bereits mit Ruderwinkeln

zwi-schen 10° und 15° erreicht. Man 1st schiffsseitig also in der Lage, Wirkun-gen der untersuchten Art mit geringer Ruderbewegung und daraus

resultie-render Anstellung des Schiffes aus,zu;

gleichen. Dies ist auch die Erklartling

daB keiner der befragten

Schiffs-fiihrer die Vorbeifahrt am Kraftwerks-auslauf Mannheim als ungewohnlich

angesehen hat.

7. Zusammenfassung

Industrieanlagen ah schiffbaren

Ge-wassern, insbesondere Kraftwerke an FlUssen und Stromen, mussen groBe

Mengen Wasser entnehmen und zu-nickgeben. Dies geschieht durch

Ein-und Auslaufe nach neuer

wasserbau-licher Bezeichnung Einleitungs- und

RUckgabebauwerken. Da die Mengen

groB sind und ggf. welter steigen, wurde

die Frage nach der Beeinflussung der Schiffahrt experimentell behandelt, denn bisherige gesetzliche Bestimmun-gen sind seit mindestens 2 Jahrzehnten

Uberholt.

Die nach vorgegebenem Plan

durchge-fUhrten Messungen in

Natur- und

ModellgroBe das Schiff in den Mittel-punkt stellend mit praktischen

Bei-spielen von Strom, Fluf3 und Stillwasser

lieBen die Problematik erkennen und zugleich Beweise fOr Grenzwerte

er-bringen, die dem Gesetzgeber zwecks

Anderung bestehender. Vorschriften

zur Kenntnis gebracht 'werden sollen.

Dies geschieht Uber einen

Arbeits-ausschuB des Deutschen Vereins fiir

Wasserwirtschaft und Kulturbau, in

dem der Berichterstatter mitarbeitete.

Die gewonnenen Versuchsergebnisse konnten aus PlatzgrUnden nur stark ge-kiirzt abgedruckt Werden. Der

bericht bzw. auch einzelne

Original-diagramme k6nnen von der Versuchs-anstalt fur Binnenschiffbau e.V.,

Duis-burg, OststraBe 77, gegen Erstattung

der Selbstkosten bezogen werden.

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