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BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg Ilmenau

BAW-Kolloquium „Schiffinduzierte Belastungen undmögliche Verkehre im beschränkten Fahrwasser“

(Interaktion) Karlsruhe 16.06.2005

Aktuelle ProjekteBernhard Söhngen (W4 / BAW)

Interaktion: Wie wirkt das Schiff auf die Wasserstraße? Aktuelles Projekt zu diesem Thema:

Zulassung von Großleichtern auf dem Niederrhein

Wie wirkt die Wasserstraße auf das Schiff? Aktuelles Projekt zu diesem Thema: Engpassanalyse Rhein - Messdatenauswertung


MDK bei Riedenburg

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BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg IlmenauBUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg Ilmenau

Wie wirkt das Schiff auf die Wasserstraße? - Beispiel Propellerstrahl

Propellerstrahl

→ direkte Wirkung auf Fische ...

→ Kolkbildung / Deckwerkbemessung

→ Strahlablenkung zur Sohle 0

2

4

6

8

0 1,5 3

Ship speed vS [m/s]Jet v

eloc

ity o

n ca

nal b

ed v

Jet,B

[m/s

]

1 nozzle 1,6 0,6 1,6 2 nozzle 1,6 0,6 1,6 1 nozzle 2,2 0,6 1,6 1 nozzle 1,6 1,2 2,8 1 free 1,6 0,6 1,6

No.Props Prop.Type D kc tS

→ Einfluss vS auf vSohle nach GBB

PD=800kW


Antrag der TK Veerhaven

bei der ZKR

Aufgabe der BAW: Sohlbeanspruchung

aus einem Pumpjet im Vergleich

zum Hauptantrieb

Wie wirkt das Schiff auf die Wasserstraße?Aktuelles Projekt: Zulassung von Großleichtern auf dem Niederrhein

Tiefgang 1,75 m, 3 Propeller mit 2,1 m Durchmesser und je 1500 kW Leistung, 10 ° Strahlneigung zur Sohle

Großleichter 110 m Länge, 12,5 m Breite, max. 4 m Tiefgang


Für Großleichter vorgesehener Pumpjet: Brunnendurchmesser 1,4 m, Motorleistung 500 kW, Strahldurchmesser 0,3 m, Austrittswinkel 8°, Anfangsgeschwindigkeit nach Strahlkontraktion: 9 m/s !

Strahlgeschwindigkeit aus dem Pumpjet -Berechnung analog GBB, Kalibrierung anhand

Modelluntersuchungen der Fa. Schottel


Vmax,Sohle = 3,0 m/s

V0 = 8,9 m/s D

0 = 0,31 m

α0 = 8°

0,5 m

1,0 m

1,5 m

2,8 m

5,7 m

8,5 m



Sind diese großen Strömungsgeschwindigkeiten (eingedenk der Strahldicke)relevant? ⇒ Zusätzliche Betrachtung der möglichen Kolktiefen im Vergleich zu denen aus dem Hauptantrieb

Berechnete Strahlausbreitung des Pumpjet mit Größtwertenin verschiedenen Tiefen unter dem Leichterboden

Beispiel GlW / Niederrhein: ts ≈ 2,35 m, hm ≈ 3 m: Flottwasser 0,65 m hKolkssicherung ≈ 4,0 m: Flottwasser 1,65


0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

Gerechnete Kolktiefe [m]

Gem

esse

ne K

olkt

iefe

[m]

Naturversuche in Breisach (im Stand)

Naturversuche in Breisach (Überfahrt)

Modell 'Pierre Brousse' (im Stand, feines Material)

Modell 'Pierre Brousse' (im Stand, grobes Material)

Modell 'Pierre Brousse' (Anfahren, feines Material)

Modell 'Pierre Brousse' (Anfahren, grobes Material)

Modell 'Marseille' (im Stand)

'gDD

v21,0DCh

32

31

85ä

max,SohleämSB,Kolk =

Dä=äquivalenter Strahldurchmesser,Cm=Beiwert Belastungsdaueranalog GBB (0,3 „kurz“, 1,0 „lang“)

Kalibrierung einer Kolkformel, die den Strahldurchmesser berücksichtigt, Basis: Formeln von Breusers, Ducker, Miller; Natur- Modellversuche Felkel und Steinweller

Dä=D0(V0/VSohle,max)0,5


Berechnete maximale Kolktiefen aus dem Schottel Pumpjet eines Großleichters in der Bergfahrt am Niederrhein mit der potenziellen Abladetiefe (2,35 m + ∆WSP)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

∆WSP = WSP - GLW [m]

Kol

ktie

fe [m

]

hmin, vSüG,Normal

hm, vSüG,Normal

hmax, vSüG,Normal

hDW, vSüG,Normal

hmin, vSüG=0

hm, vSüG=0

hmax, vSüG=0

hDW, vSüG=0

Pumpjet:PDmax = 500 kWBrunnen∅ = 1,4 mD = 0,31 mα0 = 8°

Niederrhein:vStr = 1 m/sGLW:hmin = 2,75 mhm = 3,0 mhmax = 3,4 mhDW = 4,0 m

fmin = 0,2 mvSNormal (PD < PDmax / vScr / zula)vSüG = 0 (Manöver)

für die Fahrsituationen:o Schiffsgeschwindigkeit bei stationärer Fahrt (vSüG,Normal)o Schiffsgeschwindigkeit in Warteposition (vSüG=0)

Korngrößen:Kiessohle (hmin - hmax): d85 = 0,03 mDeckwerk (hDW): d85 = 0,13 m

Beispiel GlW+1 m in Tiefe der Kolksicherung (d85=0,13m): vsüG Normalfahrt: Kolktiefe < 0,1 m; vsüG=0: Kolktiefe 0,3 - 0,4 m⇒ Sohlsicherung wird voraussichtlich nicht durchbrochen!

Berechnete Kolktiefen aus dem Pumpjet bei tS = 2,35 m + WSP-GlW

Problem Fahrsituation:Grenzbetrachtung

vSüG,Normalfahrt und vS,üG=0

Problem Wassertiefe:Grenzbetrachtung

hmin, hm, hmax, hSohlensicherung


Berechnete maximale Kolktiefen aus dem Hauptantrieb eines 3-schraubigen Schubbootes in der Bergfahrt am Niederrhein mit der potenziellen Abladetiefe (2,35 m + ∆WSP)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2


Kol

ktie

fe [m

] hmin, vSüG,Normal, PDNormalhm, vSüG,Normal, PDNormalhmax, vSüG,Normal, PDNormalhDW, vSüG,Normal, PDNormalhmin, vSüG,Normal, PDManöverhm, vSüG,Normal, PDManöverhmax, vSüG,Normal, PDManöverhDW, vSüG,Normal, PDManöverhmin, vSüG=0, PDNormalhm, vSüG=0, PDNormalhmax, vSüG=0, PDNormalhDW, vSüG=0, PDNormalhmin, vSüG=0, PDManöverhm, vSüG=0, PDManöverhmax, vSüG=0, PDManöverhDW, vSüG=0, PDManöver

Schubboot:PDmax = 3 x 1500 kWPDManöver = 42% PDmax

D0 = 2,1 mtS = 1,75 mα0 = 9,5°


fmin = 0,2 mvSNormal (PD < Pdmax / vScr / zula)vSüG = 0 (Manöver)

für die Fahrsituationen:o Schiffsgeschwindigkeit bei stationärer Fahrt (vSüG,Normal) - mit Leistung bei Normalfahrt (PDNormal) - mit plötzlicher Leistungssteigerung beim Manövrieren (PDManöver)o Schiffsgeschwindigkeit in Warteposition (vSüG=0) - Anfahren mit Leistung bei Normalfahrt (PDNormal) - Anfahren mit Manövrierleistung (PDManöver)


Beispiel GlW+1 m in Tiefe der Kolksicherung (d85=0,13m): Leistung und vsüG Normalfahrt: Kolktiefe 0,4 - 0,5 m > Kolktiefe PumpjetLeistung Manöverfahrt (75% Nenndrehzahl) bei vsüG=0: Kolktiefe ca. 0,8 mDanach wäre der Pumpjet zumindest nicht ungüstiger zu bewerten als derHauptantrieb, allerdings wäre die Sohlsicherung Kolk-gefährdet!

Berechnete Kolktiefen aus dem Hauptantrieb, tSB = 1,75 m =const.

Problem Fahrsituation - Lösungdurch Grenzbetrachtungen:

vSüG,Normalfahrt und vS,üG=0,kombiniert mit PD für Normal- und

Manöverfahrt (42 % PD,max)und hmin, hm, hmax, hSohlensicherung


Berechnete maximale Kolktiefen aus dem Hauptantrieb eines 3-schraubigen Schubbootes in der Bergfahrt am Niederrhein mit der potenziellen Abladetiefe (2,35 m + ∆WSP)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2


Kol

ktie

fe [m

] hmin, vSüG,Normal, PDNormalhm, vSüG,Normal, PDNormalhmax, vSüG,Normal, PDNormalhDW, vSüG,Normal, PDNormalhmin, vSüG,Normal, PDManöverhm, vSüG,Normal, PDManöverhmax, vSüG,Normal, PDManöverhDW, vSüG,Normal, PDManöverhmin, vSüG=0, PDNormalhm, vSüG=0, PDNormalhmax, vSüG=0, PDNormalhDW, vSüG=0, PDNormalhmin, vSüG=0, PDManöverhm, vSüG=0, PDManöverhmax, vSüG=0, PDManöverhDW, vSüG=0, PDManöver

Schubboot:PDmax = 3 x 1500 kWPDManöver = 42% PDmax

D0 = 2,1 mtS = 1,75 mα0 = 9,5°


fmin = 0,2 mvSNormal (PD < Pdmax / vScr / zula)vSüG = 0 (Manöver)

für die Fahrsituationen:o Schiffsgeschwindigkeit bei stationärer Fahrt (vSüG,Normal) - mit Leistung bei Normalfahrt (PDNormal) - mit plötzlicher Leistungssteigerung beim Manövrieren (PDManöver)o Schiffsgeschwindigkeit in Warteposition (vSüG=0) - Anfahren mit Leistung bei Normalfahrt (PDNormal) - Anfahren mit Manövrierleistung (PDManöver)


Beispiel GlW+1 m in Tiefe der Kolksicherung (d85=0,13m): Leistung und vsüG Normalfahrt: Kolktiefe 0,4 - 0,5 m > Kolktiefe PumpjetLeistung Manöverfahrt (75% Nenndrehzahl) bei vsüG=0: Kolktiefe ca. 0,8 mDanach wäre der Pumpjet zumindest nicht ungüstiger zu bewerten als derHauptantrieb, allerdings wäre die Sohlsicherung Kolk-gefährdet!

Berechnete Kolktiefen aus dem Hauptantrieb, tSB = 1,75 m =const.

Problem Fahrsituation - Lösungdurch Grenzbetrachtungen:

vSüG,Normalfahrt und vS,üG=0,kombiniert mit PD für Normal- und

Manöverfahrt (42 % PD,max)und hmin, hm, hmax, hSohlensicherung

Zur Erinnerung:Alle Zahlenwerte sind mit

vereinfachten Verfahren gerechnet!Berechtigte Fragen:

Sind die betrachteten Fahrsituationenrealistisch?

Sind nicht alle berechneten Kolktiefenviel zu groß?

Stimmen die Kolkformelnbei Kurzzeitbelastung?

Stimmen unsere Ansätzezur Berechnung der Schubspannung

aus der Strahlgeschwindigkeit?

Strahlumlenkung bei großen vS

Stimmt die Strahlgeschwindigkeitbei großen Schiffsgeschwindigkeiten

- Problem Strahlumlenkung?↓

Grundsatzuntersuchungenzum Schraubenstrahl (Hunze, Orlovius)


Wie wirkt die Wasserstraße? Welche Verkehre lässt dieWasserstraße zu? - Beispiel erforderliche Fahrrinnenbreite

Erforderliche Sicherheitsabstände Schiff-Schiff und Schiff -Ufer abhängig von:Uferbeschaffenheit (Buhnenabstand,

Verlandungsgrad, Böschungsneigung),Schiffstyp, Abladung, Fahrtrichtung,

Fahrsituation (Begegnung /Richtungsverkehr)

Verkehrsfläche abhängig vonKurvenradius, Schiffsabmessungen,

Schiffs- und Strömungsgeschw.,Bugruder ...

Sonderprobleme: Stoppwege,schiffserzeugte Wellen im extremeingeschränkten Fahrwasser ...


Kernfrage: Wo liegen die abladebestimmenden Engstellen?

Kursweg und minimal erforderliche Verkehrsfläche unterEngpassbedingungen

↓Tiefenverhältnisse im Bereich der Verkehrsfläche

↓Berücksichtigung der Morphodynamik

↓Berücksichtigung ungleichförmiger Wasserstandsänderungen

↓Squat bei nautischer Mindestschiffsgeschwindigkeit

↓Mindestflottwasser

↓Mögliche Abladetiefe / Mögliche Verkehre

Wie wirkt die Wasserstraße auf das Schiff?Aktuelles Projekt: Engpassanalyse Rhein - Messdatenauswertung


Engpassanalyse auf der Basis vonMessdaten

Pegel Kaub [cm](5 Uhr Werte)Bereich Rhein-km Zeitraum

1.Tag 2.Tag 3.Tag 4.Tag 5.Tag

29.06.98 02.07.98 170 177 170 160 -Boppard 572-586

05.07.99 09.07.99 303 296 331 329 331

Loreley 549,5-556,5 12.03.01 16.03.01 376 417 478 532 583

27.09.99 01.10.99 181 198 207 212 232Bingen 527-534

18.06.01 22.06.01 359 363 376 390 396

31.07.00 04.08.00 296 302 293 290 281

20.11.00 24.11.00 241 236 224 222 238Mariannenaue 510-520

12.11.01 16.11.01 276 237 218 210 205

Bingen undMariannenaue

510-534 22.04.03 25.04.03 136 138 145 144 -

Bingen undLoreley

530-557 28.04.03 30.04.03 139 142 143 - -

Bingen bisBoppard

530-582 19.08.03 21.08.03 86 90 90 - -


Engpassanalyse auf der Basis vonMessdaten

Pegel Kaub [cm](5 Uhr Werte)Bereich Rhein-km Zeitraum

1.Tag 2.Tag 3.Tag 4.Tag 5.Tag

29.06.98 02.07.98 170 177 170 160 -Boppard 572-586

05.07.99 09.07.99 303 296 331 329 331

Loreley 549,5-556,5 12.03.01 16.03.01 376 417 478 532 583

27.09.99 01.10.99 181 198 207 212 232Bingen 527-534

18.06.01 22.06.01 359 363 376 390 396

31.07.00 04.08.00 296 302 293 290 281

20.11.00 24.11.00 241 236 224 222 238Mariannenaue 510-520

12.11.01 16.11.01 276 237 218 210 205

Bingen undMariannenaue

510-534 22.04.03 25.04.03 136 138 145 144 -

Bingen undLoreley

530-557 28.04.03 30.04.03 139 142 143 - -

Bingen bisBoppard

530-582 19.08.03 21.08.03 86 90 90 - -

Die Datenbank enthält 644 Schiffebei unterschiedlichsten Wasserständen

und Tiefgängen

Dennoch: Nur wenige Schiffe unter Engpassbedingungen! Nur wenige Verbände!Keine 4-er Verbände!

Extrapolation der Messdaten erforderlich


Mittelung über 25 Bergfahrer,10 Talfahrer

Auswertung der Messungen nach der mittleren FahrspurBeispiel Tiefenengstelle bei Bingen, alle beobachteten Schiffe > 85 m Länge, Abladung mehr als nach „allgemeingültigen Zuschlägen“

Die tief abgeladenen Schiffe fahren im Mittel immer wieder in der gleichen Spur!

Welche Tiefen finden sie vor und wo liegen die Tiefenengstellen?Wechseln die Tiefenengstellen mit dem Wasserstand? Wechseln die Tiefenengstellen mit dem Sohlzustand?


Abstand

Hoe

he

-300 -200 -100 0 100 200 300

66

68

70

72

74

76

78

80

82

84

86

88

90

Querprofil km 531.0

531.0

Tiefenengstelle km 531,0 im Querprofil für Berg- und Talfahrer, Peilung 1998

Mittl. Fahrspur zu Berg dto. zu Tal

Felsspitzen reduzieren nutzbare Tiefe


Auswertung im Längsprofil für verschiedene Wasserstände am Pegel Kaub - Beispiel Tiefenengstelle bei Bingen, alle beobachteten Bergfahrer > 85 m Länge, Abladung mehr als nach „allgemeingültigen Zuschlägen“

Rhein-km

h min

[m]i

mBe

reic

hde

rmitt

lere

nVe

rkeh

rsflä

che

5295305315320

1

2

3

4

5

6

7

8 GLW98/02+2.00mGLW98/02+1.75mGLW98/02+1.50mGLW98/02+1.25mGLW98/02+1.00mGLW98/02+0.75mGLW98/02+0.50mGLW98/02+0.25mGLW98/02+0.00m

Bereich: 529-532, Bergfahrergroße Schiffe (lS > 85m), großer Tiefgang (tS > Abladeregel)

Vollauslastung 2,8 m nach Abladeregel Kaub

bei GlWKaub + 1,25

Km 531,0 ist im dargestellten Bereich für alle Wasserständebei Peilung 1998 die maßgebende Tiefenengstelle


Tiefenengstelle bei Bingen für Bergfahrer Peilung 1990 (sonst wie vor)

Rhein-km

h min

[m]i

mB

erei

chde

rmitt

lere

nVe

rkeh

rsflä

che

5295305310

1

2

3

4

5

6

7

8 GLW98/02+2.00mGLW98/02+1.75mGLW98/02+1.50mGLW98/02+1.25mGLW98/02+1.00mGLW98/02+0.75mGLW98/02+0.50mGLW98/02+0.25mGLW98/02+0.00m

Bereich: 529-531.7, Bergfahrer, Peilung 1990große Schiffe (lS > 85m), großer Tiefgang (tS > Abladeregel)

Die Tiefenengstelle im Bereich 529 - 532 „wandert“bei Peilung 1990 mit dem Pegelstand nach oberstrom

→ Morphodynamik + ∆WSP = f(km) beachten!Die Tiefenengstellen liegen nicht bei jedem

Sohl- und Abflusszustand an der gleichen Stelle!


Schwerpunkt Jungferngrund/Tauberwerth

49 Unfälle (Auflaufen)zwischen km 550,5 - 551,5

(1986-2002)km551

Beispiel Breitenengstelle Jungferngrund

Ursachenforschung durch den Vergleichder erforderlichen zur vorhandenen Fahrrinnenbreite -

Problem: Messdaten repräsentieren nicht die zugelassenen größten Fahrzeuge (4-er)


Lösung: Extrapolation der gemessenen mittleren Fahrspurbreitennach der Theorie des taktischen Drehpunkts im Hinblick auf die

Begegnung von 4-er Verbänden (22,8 x 11,4)

Messdaten auswählen (lS ≥ 85 m)bS, lS und R mitteln, getrennt für Berg- und TalfahrtbFS statistisch analysieren und im Hinblick auf „schlechte“ Schiffe extrapolieren (10 % besser)cF der „schlechten“ Schiffe aus den o.g. Mittelwerten und dem extrapolierten bFS errechnenAnnahmen.: Sicherheitsabstände s wie in Richtlinien x 2, zus. s bei Buhnen sei in bFS enthalten, R wie bei MessfahrtenErrechnen von bFS für lS=185m, bS=22,8 mAddition der bFS für Berg- und Talfahrer plus s-Werte zur Ermittlung von erf. bF

RcF lS

bFS

bFS ≈ bS + cF lS2 / (2 R)

bS

erf. bF = ∑ s + bFS,Berg + bFS,Tal


Rhein-km

Fahr

spur

brei

te[m

]

Anz

ahl

5495505510

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0

25

50

75

100

125

150

175

200FahrrinnenbreiteAnzahl BergfahrerAnzahl TalfahrerMittlere Fahrspurbreite BergfahrerExtrapolation BergfahrerMittlere Fahrspurbreite TalfahrerExtrapolation TalfahrerAddition Mittlere FahrspurbreiteAddition Extrapolation und Sicherheitsabstand

Bereich: 549-551.5, große Schiffe (lS > 85m), großer Tiefgang (tS > Abladeregel)Begegnung zweier extrapolierter Schiffe mit der Länge 186.5 m und der Breite 22.9 m

Breitenengstelle Jungferngrund - extrapolierter Breitenbedarf für 4-er Verbände (Messdaten lS > 85 m, tS > Abladeregel Kaub)

Summe durchschnittlicherBreitenbedarf lS > 85 m

Summe extrapolierterBreitenbedarf 4-er +Sicherheitsabstände (10 m)> Fahrrinnenbreite

„unruhigerer“Bergfahrer


Rhein-km

Fahr

spur

brei

te[m

]

Anz

ahl

5495505510

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0

25

50

75

100

125

150

175

200FahrrinnenbreiteAnzahl BergfahrerAnzahl TalfahrerMittlere Fahrspurbreite BergfahrerExtrapolation BergfahrerMittlere Fahrspurbreite TalfahrerExtrapolation TalfahrerAddition Mittlere FahrspurbreiteAddition Extrapolation und Sicherheitsabstand

Bereich: 549-551.5, große Schiffe (lS > 85m), großer Tiefgang (tS > Abladeregel)Begegnung zweier extrapolierter Schiffe mit der Länge 186.5 m und der Breite 22.9 m

Breitenengstelle Jungferngrund - extrapolierter Breitenbedarf für 4-er Verbände (Messdaten lS > 85 m, tS > Abladeregel Kaub)

Summe durchschnittlicherBreitenbedarf lS > 85 m

Summe extrapolierterBreitenbedarf 4-er +Sicherheitsabstände (10 m)> Fahrrinnenbreite

„unruhigerer“Bergfahrer

Zur Erinnerung:Alle Zahlenwerte wurden aus kleinerenSchiffen als 4-er Verbänden und derenKurswegen ohne Berücksichtigung derFahrsituation (Begegnung!) abgeleitet.

Dabei wurden „schlechte“ nautischeEigenschaften statistisch (10%-Fraktile)

berücksichtigt!Berechtigte Fragen:

Was ist mit realen modernen/großenSchiffen und deren (besseren) nautischen

Eigenschaften?Was ist in Ausbausituationen, für die keine

Messdaten vorliegen?↓

Anwendung von Modellen erforderlich(Vortrag Dettmann, Kolarov)

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