Aktuelle Aspekte der Fahrdynamik von Binnenschiffen

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1 Aktuelle Aspekte der Fahrdynamik von Binnenschiffen HTG-Kongress 12. Juni 2013 Hannover Michael Heinz, GDWS Außenstelle Münster Prof. Dr. Bernhard Söhngen, BAW Karlsruhe S1

2 Aktuelle Aspekte der Fahrdynamik von Binnenschiffen I. Anlass II. System Schiff-Binnenwasserstraße - Analysen, Trends, Entwicklungen III. Binnenschiffe - Bestand und in Fahrt IV. Infrastruktur - Wechselwirkungen und Besonderheiten V. Schiffe in Fahrt und Manövrieren S2

3 System Schiff-Binnenwasserstraße x mehr Verkehr Leichter Rückgang Schiffsanzahl 2 x größere Schiffe Infrastruktur-Querschnitte [t] Zeit S3

4 Aktuelle Aspekte der Fahrdynamik von Binnenschiffen Trends in Einzelnen Sichere und leistungsstarke Schiffsausrüstung (Motoren, Ruder, Bugstrahlruder, Telematik ) Schiffslängenwachstum (85 m, 110 m, 135 m) Tiefgangswachstum (2,50m, 2,80m, 3,40m, 4,0m..) Wachstumstreiber NL-Flotte (50% Fz > 3000TT) Hauptanteil: Container-,Tank- und Massengut Innovation im erweiterten Rheinstromgebiet Vom TT-Schiff zum TT Schiff Flottenstrukturwachstum 1-1,5% pro Jahr S4

5 Aktuelle Aspekte der Fahrdynamik von Binnenschiffen Reviere Ø TT E + SL Niederrhein (Wesel) 2008 Oberrhein (Iffezheim) 2150 WDK (Datteln/Friedrichsfeld) 1604 MLK (Hannover) 1467 Mosel 2127 Main (bei Offenbach) 1784 Donau 1307 MDK 1691 ESK 1308 Mittelelbe (Magdeburg) 643 HOW (Spandau) 604 Quelle: PLANCO, Flottenstrukturprognose 2030 S5

6 Aktuelle Aspekte der Fahrdynamik von Binnenschiffen I. Anlass II. System Schiff-Binnenwasserstraße - Analysen, Trends, Entwicklungen III. Binnenschiffe - Bestand und in Fahrt IV. Infrastruktur - Wechselwirkungen und Besonderheiten V. Schiffe in Fahrt und Manövrieren S6

7 Moderne Binnenschiffe JOWI-Klasse: max L=135m, B=17,5m Koppelverband: max L=190m Schubverband(6er) max L=270m, B=22,8m Fahrgastkabinenschiff: L=110/135m S7

8 Moderne Schiffsformen V-Spantburg mit Querstrahlanlage Hinterschiff mit Tunnel 2-Propelleanlage mit Zweiflächenruder Flügelradpropeller S8

9 Moderne Antriebs- und Steueranlagen Ruderpropeller(Aquamaster) Flügelradpropeller Ruderwirkung (Heckruder) Bugruder (Passiv) S9

10 Aktuelle Aspekte der Fahrdynamik von Binnenschiffen Fahrdynamik Einflussfaktoren 1. Schiffskörper und seine Manövierorgane 2. Schiffumschließende Wasserkörper (Geometrie, Strömungsverhalten, Unterschiede) Wasserstraßentypen Anlagen (u.a. Schleusen, Brücken) Wasserbewegung (Fließgeschwindigkeit, Schwall und Sunk, Wasserstände) S10

11 Aktuelle Aspekte der Fahrdynamik von Binnenschiffen I. Anlass II. System Schiff-Binnenwasserstraße - Analysen, Trends, Entwicklungen III. Binnenschiffe - Bestand und in Fahrt IV. Infrastruktur - Wechselwirkungen und Besonderheiten V. Schiffe in Fahrt und Manövrieren S11

12 Aktuelle Aspekte der Fahrdynamik von Binnenschiffen Binnenwasserstraßen: Arten - Unterschiede Freifließende Wasserstraßen (u.a. Rhein, Elbe, Donau) Staugeregelte Wasserstraßen Kanäle (Westdeutsche Kanäle, Main- Donau-Kanal, Mittellandkanal..) Relevanten Charakteristika (ermitteln, erklären, visualisieren ) S12

13 Darstellen der Charakteristika Frei fließende Flüsse Staugeregelte Flüsse Kanäle S13

14 Darstellen der Charakteristika Integrale Darstellung aller Einflussgrößen (v kri t, Wasserstand, Dauerlinien, FließG v, Abladepotentiale) Tiefenverhältnisse, Fließgeschwindigkeit und Dauerlinien bei Rhein-Km 535,8 (Mittelrhein) S14

15 Künftige Entwicklungen Zunehmende Verkehre in nahezu konstanten Wasserstraßenquerschnitten Fahrdynamische Kenntnisse und Fertigkeiten werden bedeutsamer Ausbildung der Kapitäne und Wissensbereitstellung müssen wachsen (z.b. Simulator) Fahrdynamik und ökologische Aspekte können sich ergänzen (umsichtiges und energieeffizientes Fahren) Fahren auf Verschleiß kann durch gute Fahrdynamik vermindert werden Weiterhin große Reserven im System Schiff-Wasserstraße (insbesondere Rhein) physikalische Phänomene noch aktueller, besser und nutzernäher für eine effizientere Nutzung dar- und bereitstellen S15

16 Aktuelle Aspekte der Fahrdynamik von Binnenschiffen I. Anlass II. System Schiff-Binnenwasserstraße - Analysen, Trends, Entwicklungen III. Binnenschiffe - Bestand und in Fahrt IV. Infrastruktur - Wechselwirkungen und Besonderheiten V. Schiffe in Fahrt und Manövrieren S16

17 human factor S18

18 human factor Interpretation von fahrdynamischen Modellversuchen Auswertung von Modelluntersuchungen des US Army Corps of Engineers (ERDC Vicksburg): Geradezu extreme Variation der Strömungsgeschwindigkeiten, der Verbandsformation und -Größe! Ausgetonnte Fahrrinne bis zur Grenze S30

19 human factor Interpretation von fahrdynamischen Modellversuchen Die Differenz der Breite des ausgetonnten Fahrwassers zur Fahrspurbreite aus Kurvenfahrt ist ein Maß für die erforderliche Zusatzbreite aus Instabilitäten bzw. des human factor Ausgetonnte Fahrrinne bis zur Grenze S31

20 human factor Interpretation von fahrdynamischen Modellversuchen Zusatzbreite (m) Zusatzbreite (m) Um Turbulenzeinfluss (0,8*h*vStr/vSdW) reduzierte Zusatzbreite = f ((vsüg/vsdw)*l für R = unendlich aus Alphao (Daten ERDC HL-82-25) (vsüg/vsdw)*l (m) v_str ~ 6 ft/s v_str ~ 3 ft/s v_str ~ 0 ft/s Um Turbulenzeinfluss (0,8*h*vStr/vSdW) reduzierte Zusatzbreite = f ((vsüg/vsdw)*l für R = unendlich aus Alphao (Daten ERDC HL-82-25) (vsüg/vsdw)*l (m) Talfahrer Bergfahrer Zusatzbreite (m) b Um Turbulenzeinfluss (0,8*h*vStr/vSdW) reduzierte Zusatzbreite = f ((vsüg/vsdw)*l für R = unendlich aus Alphao (Daten ERDC HL-82-25) v (vsüg/vsdw)*l (m) einspurige Schubverbände zweispurige Schubverbände dreispurige Schubverbände Str SüG Zi c1 h + c2 ls + c3 vsdw vsdw Anwendung auf GMS und SV in der Kanalfahrt bei max v Str = 0,5 m/s: 4,0 5,8 m. Vergleich mit deutschen Richtlinien: 4,1 m für Begegnungen und 7,0 m für Richtungsverkehr. v Semiempirische Analyse der Zusatzbreiten: Der human factor wird dadurch quantifizierbar! Turbulenzeinfluss Reaktion auf Winkelabweichung S32

21 human factor Interpretation von fahrdynamischen Naturversuchen Kurvenanteil Frequenzbereich der Instabilitäten Spektralanalytische Auswertung von Querund Drehbeschleunigungen des Schiffes ohne Kurvenfahrtanteile (Programm CFAA) Amplitude der Quer- beschleunigung [m/s 2 ] Frequenz [HZ] Integration der Beschleunigungen im Frequenzbereich jenseits der Kurvenfahrt liefert die Zusatzbreite Beispiel Rhein bei Karlsruhe S33

22 human factor Interpretation von fahrdyn. Naturversuchen Statistische Auswertung (Häufigkeitsverteilung) der b zi von etwa 500 einzelnen Ereignissen (Maximalwerte der integrierten Beschleunigungen über 300 m Kursweg) Kurvenfahrten (l S /R 0,1, Zentriwinkel 30 ) Bergfahrten Einfluss der Fahrtrichtung Mögliche Ursache Ausschwenken bei Rudereinsatz c F l S Talfahrten Signifikanter Unterschied von Berg- und Talfahrten! Ausschwenken größer bei größerer Vorlage des taktischen Drehpunktes (c F Wert) S34

23 human factor Interpretation von fahrdyn. Naturversuchen Statistische Auswertung (Häufigkeitsverteilung) der b zi von etwa 500 einzelnen Ereignissen (Maximalwerte der integrierten Beschleunigungen über 300 m Kursweg) Kurvenfahrten (l S /R 0,1, Zentriwinkel 30 ) Einfluss von c F Die Fahrtrichtungsabhängigkeit ist im Grunde eine Abhängigkeit von c F, d.h. das Heck schwenkt bei gleicher (erkannter) Winkelabweichung zu Tal weiter aus als zu Berg S35

24 human factor Interpretation von fahrdyn. Naturversuchen Statistische Auswertung (Häufigkeitsverteilung) der b zi von etwa 500 einzelnen Ereignissen (Maximalwerte der integrierten Beschleunigungen über 300 m Kursweg) Kurvenfahrten (l S /R 0,1, Zentriwinkel 30 ) Einfluss der Strömung (l S v Str / v SdW ) Wie bei den Modellversuchen gibt es eine signifikante Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit, nun mit l S als charakteristischen Länge S36

25 human factor Interpretation von fahrdyn. Naturversuchen Fahrt in Geraden (l S /R < 0,1, Zentriwinkel < 30 ) Kein Einfluss der Fahrtrichtung Massengutschiff Einfluss Ladungstyp Tankschiff Containerschiff Der häufigste Wert (ca. 2 m) ist signifikant kleiner als in der Kurvenfahrt (ca. 4 m)! Dies gilt auch für den Wert bei z.b. 1 % Überschreitungswahrscheinlichkeit (entspricht in etwa heutigem Bemessungswert für Kanäle von 7 m - bei Kurvenfahrt wären dies etwa 12 m). S37

26 human factor Interpretation von fahrdyn. Naturversuchen Fahrt in Geraden (l S /R < 0,1, Zentriwinkel < 30 ) Kein Einfluss der Fahrtrichtung Massengutschiff Einfluss Ladungstyp Tankschiff Containerschiff Der häufigste Wert (ca. 2 m) ist signifikant kleiner als in der Kurvenfahrt (ca. 4 m)! Dies gilt auch für den Wert bei z.b. 1 % Überschreitungswahrscheinlichkeit (entspricht in etwa heutigem Bemessungswert für Kanäle von 7 m - bei Kurvenfahrt wären dies etwa 12 m) Interpretation des häufigsten Wertes als Fahrt mit optimal eingestelltem Autopilot! S38

27 human factor Interpretation von fahrdyn. Naturversuchen Fahrt in Geraden (l S /R < 0,1, Zentriwinkel < 30 ) Kein Einfluss der Fahrtrichtung Massengutschiff Einfluss Ladungstyp Tankschiff Containerschiff Der häufigste Wert (ca. 2 m) ist signifikant kleiner als in der Kurvenfahrt (ca. 4 m)! Dies gilt auch für den Wert bei z.b. 1 % Überschreitungswahrscheinlichkeit (entspricht in etwa heutigem Bemessungswert für Kanäle von 7 m - bei Kurvenfahrt wären dies etwa 12 m) Interpretation des häufigsten Wertes als Fahrt mit optimal eingestelltem Autopilot. Bei einem modernen Bahnführungssystem könnten somit gegenüber heutigen Bemessungswerten im Richtungsverkehr ca. 5 m (Gerade) bis ca. 10 m (Kurve) eingespart werden Potenzial Bahnführung! S39

28 Aktuelle Aspekte der Fahrdynamik von Binnenschiffen Danke für Ihr Interesse Michael Heinz, GDWS Außenstelle Münster Bernhard Söhngen, BAW Karlsruhe S41