BAW-Kolloquium: Bemessung von Deckwerken, Grundlagen Software Regelbauweisen; BAW, 1.4.28 Bemessung auf Propulsion Carolin Gesing, Bernhard Söhngen (W4) MS Main bei Querkraftmessungen im WDK 25 Veranlassung für neue Berechnungs- und Bemessungsverfahren Berücksichtigte Phänomene und zugehörige Berechnungsansätze Anwendungsgrenzen von GBBSoft Anwendung von GBBSoft an Beispielen
Veranlassung für neue Berechnungs- und Bemessungsverfahren Die Belastungen aus 3, den Propulsionsorganen 2,der 1, Binnenschiffe gewinnen immer, mehr an Bedeutung und könnten -1,,,1,2,3,4,5,6,7,8,9 X= ts/h die Steingrößenbemessung künftig sogar bestimmen! Bestehende Erfahrungen für Tiefgang T = 2,5 m können nicht auf T = 2,8 m übertragen werden, da die größere Abladetiefe die Größere Fahrzeuge und mehr sohlnahe Strahlgeschwindigkeit Verkehrsaufkommen Die stärkere = Zunahme Ausnutzung signifikant erhöht. Manöversituationen bestehender = größere Querschnitte Moderne führt Zwillingsruderanlagen Schraubstrahlbelastung nicht nur in Manöversituationen können den Propellerstrahl zu bei langsamerer, ufernaher Hartruderlage Fahrt. um bis zu 75 Insbesondere die umlenken. Belastungen Dadurch aus kann auch der Bugruderanlagen Hauptantrieb nehmen zu. starke Uferschäden hervorrufen. Vmax - Vflow [m/s] 5, 4, t S = 2,5 t S = 2,8, h = 4
Berücksichtigte Phänomene und zugehörige Ansätze Induzierte Anfangsgeschwindigkeit V Einflüsse: Drehzahl / Leistung, Propellertyp, Durchmesser, Steigung, Fortschrittsgrad (V S ), Vereinfachungen der Propellertheorie für praxisrelevante Fälle (Peters)
Berücksichtigte Phänomene und zugehörige Ansätze Strahlausbreitung Einflüsse: Propellerdrall und Strahlturbulenz, Behinderung durch WSP, Sohle, seitliche Wand und Prallwand, v-verteilung im Strahl Parameterbehaftete Ansätze auf Basis der Prandtlschen Strahltheorie, Berücksichtigung durch Standardsituationen kalibriert anhand umfangreicher Messungen von Römisch & Führer Normalfall: V S = (Manöver), Nur bei Standardsituation 1 auch V S
Berücksichtigte Phänomene und zugehörige Ansätze Strahlausbreitung Einflüsse: Propellerdrall und Strahlturbulenz, Behinderung durch WSP, Sohle, seitliche Wand und Prallwand, v-verteilung im Strahl Sonderfall allgemeine Strahlausbreitung mit mit Teilstrahlüberlagerung bei V S = ( Taschenlampe ) 1/2/3-Schrauber Ablegewinkel Ablenkung Strahlachse zur Sohle Ruderwinkel Parameterbehaftete Strömung bzw. Fahrtrichtung Ansätze auf Basis der Prandtlschen Strahltheorie, kalibriert anhand umfangreicher Messungen von Römisch, Führer
Berücksichtigte Phänomene und zugehörige Ansätze Kolkbildung / erf. Steingröße Breisacher Versuche mit Gustav Königs, 197 Einflüsse: Sohlnahe Strahlgeschwindigkeit, Strahlrichtung, Böschungswinkel, Korngröße (D5 bzw. D85), Korndichte
Berücksichtigte Phänomene und zugehörige Ansätze Kolkbildung / erf. Steingröße Breisacher Versuche mit Gustav Königs, 197 Anfahrkolk im Modellversuche mit Pierre Brousse Einflüsse: Sohlnahe Strahlgeschwindigkeit, Strahlrichtung, Böschungswinkel, Korngröße (D5 bzw. D85), Korndichte Auch bei der Deckwerksbemessung gegen propulsionsbedingte Belastungen verwendet das GBB - mit Ausnahme Einfluss: Instationäre der theoretisch Kolkbildung fundierten Ansätze zu V und zur ungehinderten Strahlausbreitung - weitgehend empirische Ansätze, deren Anwendung deshalb auf die Standardfälle beschränkt ist. Empirische Bemessungsformeln (Führer & Römisch, Ducker & Miller), Kolkbildung vor Prallwand die indirekt auch die Strahlturbulenz berücksichtigen. Bei Forderung nach Kolktiefe BUNDESANSTALT = FÜR liegt WASSERBAU das erf. Karlsruhe D 5 Hamburg weit Ilmenau auf der sicheren Seite!
Anwendungsgrenzen von GBBSoft 46.1 Ablegemanöver von einer Liegestelle Wasserlinie Behinderte Strahlausbreitung an Konzentrierter, nicht kreisförmiger Der Schraubenstrahl der Großer Abstand Schiff-Ufer/Sohle oder stark abgelenkter formt Böschung. Strahlablenkung Feinkörniges Sohlmaterial Strahl zur Seite! insb. bei ein kurzer hoch Einwirkdauer komplexes Strömungsfeld, Deckwerk / Sohle das Sonderbelastungen Fahrsituation sich durch analytische / empirische Strahlausbreitung 3,5 -.4 Ansätze, wie in GBBSoft, nur grob angenähert 3 2,5 -.1 beschreiben lässt (Turbulenz, -.5 Drall). 46.3 2 45.8 -.2 Hinzu kommt bei der Kolkbildung die für 1,5.1 -.25 1 Sedimenttransportvorgänge typische Unschärfe.,5 1 m hinter dem Propeller Die propulsionsbedingte Deckwerks- bemessung muss sich deshalb häufig 46.3 Stark auf vergleichende instationäre Strahlumlenkung Betrachtungen in Fahrt bei Strahlinduzierte quergerichtetem Strahl Sekundärströmungen Drall nicht hinter Ort des Strahlangriffs bei starkem Fahrmanöver, z.b. Stoppvorgang Strahlachse 46. 1 6.15 -.1 -.5 -.5 beschränken. 4.1 46 46.2 46.15 45.95 -.5 -.15 -.4 -.5 46.1.1 -.5 45.85 46.2.5 46 45.95 -.3 45.9.1 46.3 45.85.15.25 45.9 46.15 46.15 -.4 45.95 -.5.5 46 -.1 45.85 45.85 45.95 46.25.15.2.15 -.4.15 vm in [m/s] -.1 -.5 -.15 45.8 -.3 -.15 45.95 45.9 45.95 2 -.5 -.3 45.9 -.35 46.2 45.9 -.1 -.1 -.15.5 46.1.5 -.5 46 -.5 -.1 46.15 46.1.5 45.95 -.1 45.85 -.1 45.85 -.2 46.2 46.2-4 -3-2 -1 1 2 3 4 Abstand zur Strahlachse [m] Y=,3 Y=,6 Y=1,2
Bemessung auf Propulsion mittels GBBSoft Beispiel: GMS in einem Kanal mit Standard-Trapezprofil Ziel: Berechnung der erforderlichen Steingröße aufgrund von Propulsionsbelastungen Kanalgeometrie: Wasserspiegelbreite: 55 m Wassertiefe: h = 4 m Böschungsneigung: m = 3 Schiffsabmessungen: Länge: 19,8 m Breite: 11,4 m Tiefgang voll: 1,8 m Tiefgang leer: 1,4 m Hauptantrieb: Propeller mit Düse Nennleistung: 132 kw Nenndrehzahl: 325 1/min Durchmesser: 1,75 m Bugstrahlruder: Nennleistung: 393 kw Nenndrehzahl: 3 1/min Durchmesser: 1,2 m
Anlegen des Bemessungsfalls Beim Anlegen des neuen Bemessungsfalls Propulsion berechnen auswählen Keine Kombination mit anderen Berechnungsgängen möglich Zusätzlich zur Auswahl eines Schiffes Auswahl eines Schiffsantriebs
Querprofil Bei Bemessung auf Propulsion Standard - Trapezprofil Weniger Reiter / Eingabegrößen als bei anderen Berechnungsgängen Kanalgeometrie
Schiff Bemessungsschiff: GMS Schiffsdaten werden für die Bemessung auf Propulsion nicht benötigt! Vorsicht: Tiefgang korrespondiert mit h P!
Antriebe / Steuerung Reiter Antriebe / Art des Antriebs: Steuerung nur bei der Hauptantrieb, Bemessung von Bugstrahlruder, Propulsion vorhanden Nennleistung des Motors und Nenndrehzahl des Propellers Typ des Propellers: mit Düse oder freischlagend Ein-, Zwei- oder Dreischrauber Propellerkennwerte
Stein Einsetzen der vorhandenen oder gewählten Deckwerkssteine Wasserbausteine der Klasse LMB 5/4
Propulsion Ausgewähltes Schiff mit Antrieb Schiffsgeschwindigkeit v s (nur bei Standardsituation 1 ansetzbar) Gewählte zulässige Kolktiefe Position von Schiff und Propeller Auswahl des Berechnungsverfahrens: Strahlausbreitungstheorie nach GBB Näherung für allgemeine Strahlausbreitung
Ausführen der Berechnung Berechnungsumfang Feinheit der Diagramme Wahl des variierenden Parameters für die Kurvenberechnung der Diagramme (Abszissenwert) Nenndrehzahl Nennleistung
Propulsion Ergebnisse Hauptantrieb Für die Bemessung des Hauptantriebs bei voller Leistung mit zul. h Kolk =,2 m und v s = m/s ergeben sich folgende Werte: Abladetiefe [m] v max, Sohle [m/s] erf. D 85 [cm] h Kolk (vorh. D 85 ) [cm] 2,8 2,96 18,84,5 1,4 2,17 5,58, Geschwindigkeitsverteilung an Sohle/Böschung max D 85 D 85 der Steinklasse LMB 5/4 min D 85 T voll = 2,8 m erf. D 85 v max, Sohle T leer = 1,4 m erf. D 85 v max, Sohle 42% P_d,nenn
Propulsion Ergebnisse Bugstrahlruder Für die Bemessung des Bugstrahlantriebs bei voller Leistung mit zul. h Kolk =,2 m und v s = m/s ergeben sich folgende Werte: Position Schiff v max, Sohle [m/s] erf. D 85 [cm] h Kolk (vorh. D 85 ) [cm] mittig 3,3 17,81,3 über Böschungsfußpunkt 4,11 36,6,87 Geschwindigkeitsverteilung an Sohle/Böschung über BF erf. D 85 v max, Sohle mittig erf. D 85 v max, Sohle max D 85 D 85 der Steinklasse LMB 5/4 min D 85 42% P_d,nenn Bei 42 % Nennleistung gemäß EAU - Empfehlungen und typischen Schiffsmotorisierungen sind die erforderlichen Steingrößen gegen propulsionsbedingte Belastungen nicht größer als solche gegen Belastungen aus dem Primärwellenfeld!