Beanspruchung und veranderung der fahrwasserbegrenzungb durch die schiffahrt

Schale j E.

Beanspruchung und Veranderung

der Fahrwasserbegrenzung

durch die Schiffahrt

Wenn dieses Thema heute aufgegriffen und zur Diskussion gestellt wird, sollen einerseits dem fachkundigen Ingenieur für Schiffstechnik einige Probleme vor Augen geführt werden, die uns der mo-derne Wasserverkehr und in Verbi'n-dung mit dem Verkehrswasserbau, auch dem Bauingenieur zu lösen aufgibt, an-d e r e r s e i t s ^ b e n s o an-denjenigen Kollegen Anregungen vermittein, die sich behord-ticherseits mit übergeordneten Berech-nungen befassen müssen, beispiels-weise mit Nutzen-Kosten-Analysen. Da Verkehrsmittel relativ langlebig sind, ist Jetzeres besonders problematischi* Weiterhin ist das Eindringen von Schub-verbanden und GroRmotorschiffen mit einer Breite bis zu 11,4 m und einem Tiefgang gleich oder gröl3er als 2,5 m in Nebenflüsse lund Kanale derWasser-straRenklasse .IV verkehrsnotwendig. Die Frage nach dem L a n g z e i t v e r -h a l l t e n von So-hle und Bosc-hung als wichtigste Elemente einer kunstlichen WasserstraRe ist also sowohl von

kauf-mannischer Seite als auch von tech-nischer Seite 'berechtigt und heute be-sonders aktuelt; oder, diese Frage the-•menbezogen spezifiziert; auf welche

Weise kann man die hydrodynamischen und mechanischen Belastungen in den Grenzen derjenigen halten, die das flegelschiff (1350 t) bei Konzipierung der WasserstraRenklassen vor rd. 15 Jahren sow eit bekannt setzte.

Um Fragen solcher A r t zu beantworten. ist es notwendig, nicht nur die neuesten MeBergebnisse heranzuziehen, sondern auch die Erkenntnisse der vergangenen Jahrzehnte zu iberücksichtigen.

Bei allen Aufgaben, die der Versuchs-anstalt durch die Binnenschiffahrt (Werf-, ten und Reedereien) gestellt wurden und bei solchen, die der Grundlagen^ und angewandten Forschung zuzurech-nen sind, konnte zwangslaufig die Wir-kung des fahrenden Schiffes auf die Umgebung bzw. die Begrenzung des F a h r w a ^ ê i ^ durch S ö t ï l ë , ^ ü f e r oder Boschung nichtunbeacbtet bleiben.

Diese Notwendigkeit entsprach durch-aus der bereits schon als historisch anzusehenden wissenschaftlichen Ver-bindung zwischen dem Binnenschiffbau und dem WasserstraRenbau, die etwa um die Jahrhundertwende begann und durch die bedeutenden Namen EN-GELS, GERBERS, KREY sowie ihren In-stituten und Versuchsanstalten an den klassischen Technischen Hochschulen Danzig, Dresden, Berlin,, Karlsruhe, Stuttgart, Hannover und München ge-kennzeichnet list.

Bevor man in der Gegenwart Probleme auch übergeordneter A r t aus diesen Fachbereichen zu lösen hat, sollte man keinesfalls die Erkenntnisse dieser und der folgenden Jahrzehnte auRer Acht lassen; denn sie haben noch heute ihre Gültigkeit, wen auch gewisse Modifikationen und Erganzungen ge-maR neuerer Forschungsergebnisse vorgenommen werden können.

So auch jm hier .behandelten Thema über mögliche Ursachen, die zu über-maOigen Beanspruchungen von Fahr-wassersohlen und Kanalböschungen führen und eine vorzeitige Zerslörung einleiten.

In mehreren Veröffentlichungen von Kempf, Helm und Wöltinger wird der Propellerstrahl des Schleppers oder des

Selbstfahrers als unmittelbare Ursache für die Zerstorung der Kanalsohle an-gesehen, weSi man annahm. daR der Propellerstrahl mit hoher Geschwindig-keit die Sohle trifft, was wiederum zu Erosionen und damif zu ^leiBenSen" Schaden führe..

Aus neueren Beobachtungen bei Mo-dellversuchen konnte man jedoch schlie-Ren, daR diese Behauptung nur in Son-derfallen richtig ist. Bel betriebsüb-lichen Fahrtzustanden und praxisnahen Querschnittsverhaltnissen ist das in solch deutlicher Weise n i c h t der F a l l Ajs iSonderfalle waren anzusehen

1. Das Anfahren aus dem Standi 2. wenn das

Wassertiefen-Tiefgangs-Verhaltnis < 1.2 ist

3. Manöver mit Ruderhartlage. 1965 gelang es, geriieinsam mit ë'inerh industriellen Auftraggeber, auch quan-titativ nachzuweisen, daR in den zur künftigen Ausführung gelangenden Ka-nalquerschnitten selbst bei hoher Pro-pellerbelastung der Propellerstrahl fah-render Gütermotorschiffe niemals die Kanalsohle berührt, spndern stets auf kürzestem Wege zur Wasseroberflache steigt.

Von besonderer Bedeutung war jedoch. daR man anhand der auf Sohle und 6 ö -schung angebrachten Wollfaden erken-nen konnte. welche Richtung die Ver-drangungsströmung vor, neben und hinter dem Schiff insbesondere auf der Sohle nimml.

Bei genauem Hinsehen ist der rfium-liche Charal<ter offenkundig, wobel — wie die gesamte Versuchsreihe zeigte — die partiellen Geschwindig-keiten mit zunehmender Propellerbela-stung ebenfalls steigen.

B i l d 1 Sohlenströmung i I'll

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A n anderer Stelle dieses Modellkanals wurde die Kanalsohle aus Sand ëqui-valenter KorngröBe eingebaut und nach 250 überfahrten eines Gütermotorschif-fes aufgemessen. Dabei zeigte sich neben der typischen Riffelbildung 'ledig-Jich eine geringfügige Umschichtung

des Sohlenmaterials. Nach Wiederho-Hung der Versuchsreihe mit einem Zwei-schrauben-Düsenschubboot entstanden an der Sohle nur Riffel — Umschichtun-gen waren nicht nachweisbar.

B i l d 3

Um Auskunft über die vorherrschenden Strömungsverhaltnisse zu erhalten, er-möglichte die Rhein-Main-Donau A G , wahrend der 1967 in groBem Umfang angelegten Kanal- und Schiffahrtsver-suche u. a. die Entwicklung von Mel3-geraten, die Betrag und Richtung der Strömung über Sohle und Böschung zu ermlttein erlaubten.

An diesem Vorhaben war erstmals auch die Bundesanstalt für Wasserbau be-telligt, deren Arbeit sich schwerpunkt-maBig auf die Beurteilung der Stand-festigkeit der Böschung bezog.

B i l d 4

A KugelmeBgerète (Bild 4) wurden

her-gestellt, geeicht und von Tauchern im MeBquerschnitt eingebaut, wobei die Einbauorte auf Kanalmittelachse, dem Viertelpunkt, dem BöschungsfuB und der halbeni Böschung lagen.

DiaufaicH S u a a M t e

B l l d 5

B i l d 6

Einen Ausschnitt der Ergebnisse zelgt Bild 5 als Wirkung des Gütermotorschif-fes und Bild 6 des Zweischrauben-Düsenschubboots.

Deutlich ist die Böschungs- und Soh-lenströmung nach Betrag und Richtung erkennbar, wobei hier auch Unterschie-de nach Unterschie-der jeweils herrschenUnterschie-den Fahr-geschwindigkeit des Schiffes auftreten. Bei Vergleich der beiden Bilder wird' der Unterschied zum Zweischrauben-Düsenschubboot, bel dem die Betrage geringer sind .und die Strömung aus-geglichen verlauft, sichtbar. Letzteres wurde auch von der B A W bezogen auf den Böschungsbereich festgestellt. Das 'Einschrauben-Gütermotorschiff In-duziert demnach höhere Kröfte In das Strömungsgebiet zwischen Schiff und Kanalquerschnitt und erzeugt damit auch höhere Beanspruchungen von Sohle und Böschung. Es scheint so zu sein, daB'die gröBere Lönge des

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verbands in Verbindung mit der Leich-tervorschiffsform und dem weniger tief taudienden Schubboot geringere Was-serbeschleunigungen und damit einen höheren Gleichförmigkeitsgrad des Rückstroms verursacht.

Interessanterweise sind Plate und Keil bei ihren Messungen im Jahre 1970 im Nord-Oslsee-Kanal zu einem ëhnlichen SchluO gekommen.

Zitat: Es zeigt sk:h Abhöngigkeit, die man von vornherein nicht vermutet, auf die man aber bei der systemati-schen Auswertung der Vielzahl der im Verlauf der Versuche angefalle-nen MeRdaten stieÖ. Denkt man sich jedes der 3 Versuchsschiffe von 26 000 t, 16000 t und 10000 t mit derselben Geschwindigkeit in einem eigenen Kanal fahrend, wobei das Verhaltnis „ n " (Kanalquerschnitt zu Schiffsquerschnitt) in allen 3 Fallen gleich groB sein soil, so treten den Versuchsergebnissen zufolge b e i d e m k l e i n s t e n Schiffstyp die gröBten Beschleunigungen und Ero-sionen auf. Da . n " konstant ist, kann der erosionsvermindernde Ein-fluB nur von der Schiffslönge aus-gehen! Ende d. Z.

Vers. Nr.: 1.5 Tiefgang: 1,65m(l5m) Oeuhw.: 15.1 Itm/h

In Bamberg konnte des weiteren nach-gewiesen werden, dal3 der Propeller-strahl selbst in der 0,5 m über dem Bo-den liegenBo-den MeBebene nicht spürbar ist, sondern dort sogar eine Gegen-strömung in Propellerrichtungi herrscht — wie bereits bei den „Wollfadenver-suchen" 1965 beobachtet.

Die Angriffe auf das Sohlenmaterial sind demnach nur auf die Krafte aus der Verdrangungsströmung und dem am Heck des Schiffes in ihr integrierten Energiefeld des Antriebs zurückzufüh-ren, was seinerseits auf Grund der ho-hen Propellerstrahigeschwindigkeit eine raumliche Unterdruckzone erzeugt, die bei allseitiger Auffüllung auch Sohlen-material aufnimmt. Dieses wird in den sich sehr schnell beruhigenden seit-lichen Zonen abgelagert. So kommt es zur allmahlichen Vertiefung der Mittel-sohle und zur Aufhöhung der Rand-gebiete zum BöschungsfuB hin. Dort wird das Material jedoch erneut von der schrög nach unten hin verlaufenden Böschungsströmung aufgenommen und vom BöschungsfuB aus qüer zur Kanal-achse hin abgetrieben.

Ein nach löngerer Betriebszeit aufge-messenes Kanalprofil, das aus reinen

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Erdstoffen (Sand, Ton, Stein u. a.) be-stand, wies Eintiefungen am Böschungs-fuB und in Sohlenmitte sowie Aufhöhun-gen etwa in den Viertelpunkten auf. Daraus kann man aber zugleich auch schlieBen, daB BöschungsfuB und Ka-nalachse diejenigen Orte sind, an de-nen die Strömungskrafte ihre Höchst-werte erreichen.

1970 ermöglichten Förderungsmittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die Strömungsverhaltnisse wiederum im Böschungsbereich eines Trapezkanals exp'erimentell zu untersuchen, wobei die Rhein-Main-Donau A G als Versuchs-strecke eine Kanalhaltung zuwies, bei der die Böschung aus Asphaltbeton hergestellt war.

Um die Strömungsvertellung in vertika-ler und horizontavertika-ler Ebene zu erfassen, gelangten 7 GeschwindigkeitsmeBdosen zum Einsatz, die zwecks Verdichtung des 'Netzes von Versuchsreihe zu Ver-suchsreihe so versetzt wurden, daB man bei systematischer Wiederfiolung der Schiffsdurchfahrten jeweils die Ganglinien (Isotachen) von Insgesamt 28 MeBorten erhielt. Bild 8

Leider wurde der MeBgerateanteil des Vorhabens finanziell so beschnitten, daB nur Staudruckmesser zur Bestim-mung der Axialkomponente gefertigt werden konnten. Bild 9

Ausschnitte der Ergebnisse zeigen in zweidimensionaler perspektivischer Dar-stellung, Bild 10, das Gütermotorschiff 85 X 9,5 X 2,3 m und Bild 11 4ftn Schub-verband 172 x 11,2 x 2,3 m.

T mit Silik

B l l d 8 _{Bild 9}

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MotorginëfscHïfr, Typ: "Johann Welker" MGS "CONCORDIA""

etwa gemSB einer Funktion 2. Grades nach unten abnehmen. ' Die unterschiedlichen Geschwimdigkei-ten partieller Wasservolumina sirid auch an der Wasseroberflachenverformung zu erkennen. Nachdem es gelungen war, ein Stereokamera-Team der TU Karlsruhe zu gewinnen und für die Bild-auswertung ein Computer-Programm zu erarbeiten, zeichnete ein Plotter die Höhenschichtlinien in definierten Ebe-nen aus.

Bild 12 zeigt wiederum die Situation des'Gütermotorschiffes, Bild 13 die Si-tuation beim Schubverband und ergën-zend mit Bild 14 vergleichswei$e auch das eigene Versuchsboot „Fritz f j o r n " . Zusammenfassend ist im themenbezo-genen Sinne zu sagen, dafi infolge sehr geringer Schubspannungen — die Asphaltbetonböschung ist als „glatt"

an-zusehen — die Wassergeschwindigkei-• ten der Höhe auch annahernd konstant

bleiben und demzufolge sich dié Druck-wechsel aus Beschleunigung und Ver-zögerung als Normalspannungen auf die Böschung volP auswirken.

Dies wurde 1971 in der Haltung Krie-genbrunn eindeutig nachgewiesen. Bei diesem weiteren groRen Versuchsvor-haben — jedoch mit anderer Themen-stellung — gelang es der B A W . Druck-und Geschwindigkeltsmessungen unter dem Schiff auf der dort ebenfalls in Asphaltbeton hergestellten Sohle aus-zuführen. Felkel hat an dieser Stelle darüber berichtet und gezeigt, daR die dynamischen Druck- und Geschwindig-keitsanteile erheblich höher süid als vorher angenommen.

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Bei Vergleich beider Diagramme fallt Zugleich fallt auf. daR die Strömungs-wiederum die gleichmaRigere Verteilung geschwindigkeiten zur Asphaltböschung der Rückströmung auf, obwohl das Ver- hin ebenfalls annahernd konstant blei-haltnis nA/s konstant gehalten wurde. ben und nicht, wie bei Steinböschungen,

M p l -Da sich im vollsténdig aus Aèphalt-beton hergestellten Kanalquer$chnitt kaum eine nennenswerte Schubspan-nung als Gegenkraft (kompenaierend) aufbauen kann, wirken die schwanken-den dynamischen Normaldrücke unmit-telbar auf Sohle und Böschung ein. fm Spatsommer 1972 lief ein weiteres Versuchsprogramm im Brückenbereich Fürth, also der Kanalüberführung über das Rednltztal mit dem Ziel u. a. den ElnfluR zweifach hintereinandeil iwech-selnder Kanalprofile auf Schiffé und Kanaleinfassung zu prüfen.

Wahrend sich die V B D mit dem Schiff und der Kanalströmung befaRtei beab-sichtigte die BAW lm kieinstet^ Quer-schnitt, dem Brückenprofil, wiederum Sohlendrücke zu messen. Leider gelang

Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraden Nr. 7/77

_Schubve_rbond_( 172X U2x 2 ^ J Schubboot••METFn ' 2 Leichter " E u r o p a I ' ( a l l e MQf)e»10cm) B i l d 13 Schnelles.kleines F a h r g a s t s c h i f f (20,4x3,5x1,0m) B i l d 14 M(JS XOWOOWXir T.a.Om : • ^.S^ .« .« ,>a .M .M B i l d 15

gesamte Bereich zur .Langsamfahr-strecke' erkiërt wird. Darüber htnaus wurden für Shnliche Profilübergönge langere Wege gewëhit, wie aus Bild 16 zu ersehen ist. bisherige Form

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Nicht die gleichen, aber sehr ahnliche, dynamische Vorgange laufen ab. wenn das Schiff von einer sogenannten Sunk-welle überholt wird. SunkSunk-wellen ent-stehen beispielsweise bei Füllung von Kammerschleusen aus dem Oberwas¬ ser. Diese — eine sehr lange trapez-formjge Welle — lauft mit Stauwellen-geschwindigkeit ab und überholt ein möglicherweise vorausfahrendes Schiff mit praktisch doppelter Schiffsgeschwin-digkeit. An der Wellenfront und am Wallenende wirken instationare Krafte, im mittleren Teil zusStzliche Strömungs-krafte auf das Schiff.

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dies nicht, weil samtliche Druckmesser trotz zweckgerechter Befestigung von der sehr starken Sohlenströmung mit-gerissen wurde.

Das dynamische Verhalten des Schiffes und der Verdrangungsströmung zeigt für beide Fahrtrichtungen Bild 15.

Sömtliche Komponenten unterliegen be-trèchtlichen Beschleunigungen und Ver-zögerungen, so daB man daraus schon auf krSftige DruckwechseF, die am Pro-fil selbst wirksam werden, schlieBen kann. Die Rhein-Main-Donau A G hat dies auch sofort erkannt und in Verbin-dung mit dem BVM veranlaBt, daB der

Bild 17 zeigt im oberen Teil einen «nt-sprechenden LöngsschnitL Da die Welle eine für das Schiff deutlich ver-minderte Wassertiefe erbringt, das Schiff selbst jedoch zusëtzlich in üb-licher Weise stationSren Absenkungen unterliegt, werden erheblidie Orücke nachgewiesen, die besonders im

Pro-Zeitschrlh für Binnenschiffahrt und Wasserstratien Nr. 7/77 21

pellerbereich hohè Schwankungetii auf-weisen. Inwieweit sich solche Schwan-kungen. denen (hier nicht abgebildet) die Propellerfrequenz noch überlagert

I S t , Schadigungen an Sohle und

Bo-schung hervorrufen können, ist derzeit nicht bekannt und soli in einem künfti-gen Forschungsvorhaben untersucht werden. Bekannt ist lediglich, daR solch hohe Werte unter ahnlichen Vorausset-zungen bei Zweischrauben-Düsenschub-booten noch nicht festgestellt wurden.

B i l d 18

Bild 18 zeigt wiederum wesenttich aus-geglicheneren Verlauf am Schubboot „ C O L M A R " .

Z u s a m m e n f a s s u n g

Die hier anhand experTmenteller-Unt^r-suchungen vorgetragenen Einflusse des fahrenden Schiffes auf Wasserstralien mit enger, seitlicher Begrenzung, sind in dieser Deutlichkeit nicht alien Ver-antwortlichen bekannt. Umso begru-Renswerter ist es, daR uns nicht nur das Land NRW, sondern auch einige Refe-rate im BVM, einige Wasser- und Schiff-fahrtsdirektionen, insbesondere aber die Rhein-Main-Donau AG, die Gelegen^ heit boten, das gemeinsame Wissen um diese Vorgange quantitativ zu er-weitern, sondern es darüber hinaus durch Sammelveröffentlichungen mit

er-möglichte. diese Erkenntnisse einem groBen Kreis zur Kenntnis zu bringen, Da der Verkehrsstrom auf dem Rhein die Nebenfiüsse und Kanale mit erfaBt und dieGroBschiffahrtsstraRe in Gestalt des Mains und des Main-Donau-Kanals sogar den transkontinentalen Verkehr anbietet, ist es nicht nur aus verkehrs-technischen, sondern auch aus ver-kehrswirtschaftlichen Gründen notwen-dig, daR Rheinschiffe auch diese Strek-ken befahren müssen.

Für die Beförderung von Massengütern sind jedoch zwangslaufig Einheiten gro-Ber Abmessungen entstanden,, wobei sich der Schubverkehr den einschran-kenden Bedingungen variabler anpas-sen kann als d a s . Gütermotorschiff. Doch ist gezeigt worden, daB die Ver-gröBerung der Schiffslange für die ent-scheidende Streckenfahrt ebenfalls Vor-teile bringt. Die sich heute einbürgernde Verlöngerung der 1350 t-Schiffe auf 105 bis 108 m ist also für die Kanalfahrt von groRem Vorteil. Wenn darüber hin-aus, ebenso wie beim Schubboot, Pro-pellerdüsen hinzukommen, nimmt die vom Antrieb ausgehende Sohlenbela-stung weiter ab.

Dem Verkehrswasserbauer ware, ab-gesehen vom Erreichen der konstruk-tiven Standfestigkeit hinsichtlich der Querschnittsproportionierung zu fehlen. die Dauerbeanspruchung emp-findlicher Streckenabschnitte, wie bei-spielsweise Auftragsstrecken oder nicht sehr lange Scheitelhaltungen, mit einer gröReren Wassertiefe zu versehen, als bisher vorgesehen. Dem Helm'schen Vorschlag von 1952, das Wassertiefen-Tiefgangsverhaltnis bei T = 2,5 m kei-nesfalls unter 1,9 auszulegen. kann man sich erneut nur anschlieRen.

Dem Reeder ist iri diesem Zusammenr hang zu empfehlen, durch sinnvoHe Be-grenzung der Propellerbelastung — beispielsweise, wie in einem anderen Z u -sammenhang schon angeführt, nicht über 300 PS/m^ Propellerkreisflache — die Wasserbeschleunigungen im Hinter-schiffsbereich zu reduzieren und damit Sohle und Böschung zu entlasten. Da in staugeregelten Flüssen und Kanalen mit geringem Schleusenabstand d i e U m -laufgeschwindigkeit nicht wesentlich durch hohe Fahrgeschwindigkeit auf der Strecke zu stelgern ist, sollte die Ge-schwindigkeit ïim Kanal der Wasser^ straRenklasse IV bei einer Abladung auf 2,5 m 10 km/h und der dringend nötigen Erweiterung auf 2.8 m 8 km/h nicht übersteigen. Das würde nicht nur zur Minderung der Querschnittsbela-stung, sondern zugleich auch zu be-trachtlicher Energieeinsparung führen, siehe Bild 19.

S t u f u n g d t r A n l r i A i l e i s l u n g , A B t f i c ^ i fur d«n rein«o Vortrwb I n C R « * r r t (UT Honovef

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Zeiischrift für Binnenschilfahrt und WasserstretRer\ Nr. 7 / 7 7