Große Seeschiffe in engen Wasserstraßen: Ihre Wechselwirkung beschäftigt die Experten
Was bewirkt die Dynamik der Schiffe bei Revierfahrt? Simulation sorgt für Aufschluss
Für Außenhandel und Schifffahrt sind die Seeschifffahrtsstraßen der Nord und Ostsee das Tor zur Welt. Voraussetzung für einen reibungslosen Verkehr sind Seeschifffahrtsstraßen, die den Ansprüchen sicher standhalten. Ob bei Fragen ihres Ausbaus oder ihrer Unterhaltung, ihrer wirtschaftlichen Bemessung und Befahrbarkeit im Bereich der Tideästuare und der deutschen Ostseeküste - die Dienststelle Hamburg der BAW berät die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) zuverlässig. Dazu gehört auch die Erfassung und Prognose schiffserzeugter Wellen oder Strömungen sowie die Prognose der Schiffsdynamik für die Bemessung zukünftiger Fahrrinnentiefen. Darüber hinaus entwickelt die BAW verschiedene Module der Schiffsführungssimulation weiter, insbesondere für die wirtschaftliche Ausnutzung der Seeschifffahrtsstraßen durch große Containerschiffe - die derzeit eine maximale Tragfähigkeit bis annähernd 14.000 TEU1 haben. Es geht also im wahrsten Sinne des Wortes um große Themen.
Unter der Lupe: Schiffswellen und Strömung
Welche Arten von Wellen werden von den unterschiedlich tiefgehenden und großen Schiffen erzeugt - und was bewirken sie? Diese spezifische Fragestellung beschäftigt das Fachgebiet Wechselwirkung Seeschiff/Seeschifffahrtsstraße. Nicht zuletzt, weil Seeschifffahrtsstraßen wie etwa die Unterelbe neben der Verkehrsnutzung auch eine zunehmende Bedeutung für den Tourismus und die Naherholung haben. Zur wirtschaftlichen Unterhaltung von Deckwerken der Wasserstraßen, zur Beurteilung der Belastung von Sielbauwerken - und letztlich auch hinsichtlich der Belastung natürlicher Ufer, Strände und anliegender Sportboothäfen - ist die Prognose und Analyse schiffserzeugter Wellen und ihrer Folgen zentral.
So wurden etwa umfangreiche Modellversuche im Maßstab 1 : 40 bezüglich der Anpassung von Fahrrinnen an geänderte Flottenstrukturen in dem Schiffswellenbecken der BAW in Hamburg vorgenommen. Dessen Abmessungen mit einer Länge von rund 100 m und einer Breite von 35 m (max. Wassertiefe 0,7 m) ermöglichen beispielsweise den maßstäblichen Einbau von geplanten Begegnungsstrecken mit dort anliegenden Hafenbecken.
Die auch anhand der hydraulischen Maßstabsmodelle ermittelten physikalischen Wirkungsmechanismen gehen mit dem über Jahre erworbenen BAW-Expertenwissen zur Fragestellung Schiff/Wasserstraße als Prognosewerte in Gutachten der BAW zu öffentlich-rechtlichen Genehmigungsverfahren ein. Eine weitere Aufgabe des Fachgebiets: Extreme, geschwindigkeitsabhängige Uferbelastungen durch die Schifffahrt sind von der BAW nach jeweils neuestem Stand von Technik und Wissenschaft auf der Basis von Modellversuchen zu prognostizieren - und durch daraus fundiert abgeleitete Empfehlungen auch am realen Ort möglichst zu vermeiden.
Fahrdynamisches Verhalten großer Fahrzeuge bei Revierfahrt
Detailgenaue Forschung am Modell: Zum einen werden die Prognosen nach Stand von Technik und Wissenschaft mit Versuchsserien in hydraulischen Maßstabsmodellen abgesichert. Zum anderen werden beispielsweise auch potenzialtheoretische numerische Modellverfahren weiterentwickelt und validiert. Dies betrifft nicht nur die geschwindigkeits und querschnittsabhängige schiffserzeugte Belastung durch Wellen und Strömung inhomogener breiter Seeschifffahrtsstraßen, sondern etwa auch die Schiffsdynamik mit Squat2 bei der Fahrt durch die Tideästuare. Der Parameter Squat geht mit seinem Maximalwert an Bug oder Heck in die Tiefenbemessung der Fahrrinne einer Wasserstraße ein, da er zu einer Abnahme der Kielfreiheit führt.
Flottenstrukturen verändern sich kontinuierlich, Schiffslängen und breiten nehmen ebenso zu wie Tiefgänge in den Zufahrten zu den Seehäfen. Aufgrund dessen sind die bisher eingesetzten Bemessungsansätze zum maximalen Squat stetig auf deren Gültigkeit zu überprüfen. Aufgabe der BAW ist es daher nicht zuletzt, Tendenzen zum Squatverhalten neuester Containerschiffe anhand von Systemversuchen zu ermitteln, die Ergebnisse anhand von Messungen auf Containerschiffen bei Revierfahrten abzusichern - und so eine Validierung von Tidefahrplanprogrammen der WSV zu ermöglichen.
Schiffsführungssimulation: Ein Werkzeug auch zur Bemessung und Befahrbarkeitsanalyse von Wasserstraßen
Ob auf der Einzelfahrt oder im Begegnungsverkehr außergewöhnlich großer Fahrzeuge: Die Schiffsführungssimulation gewinnt für die Küstendirektionen der WSV bei der Bemessung neuer Fahrrinnenbreiten sowie bei der Befahrbarkeitsanalyse von Seeschifffahrtsstraßen immer mehr an Bedeutung. Da vorhandene Simulatoren in erster Linie auf die Aus und Fortbildung von nautischem Personal ausgerichtet und dementsprechend zertifiziert sind, ist es seit einigen Jahren Aufgabe der BAW, die erhöhten Anforderungen an die Schiffsführungssimulation für Belange der WSV bei Vergaben von Aufträgen an die Betreiber von Simulationsanlagen zu vertreten.
Die Qualitätssicherung der BAW basiert kurz- und mittelfristig auf Prüfprozeduren. So kann das auf ein Schiff wirkende Giermoment (Längsdrehen) bei der Passage nahe einer Böschung anhand von Messdaten aus hydrodynamischen Maßstabsmodellen ermittelt werden. Anhand von projektbezogenen Sensitivitätsstudien kann aber auch eine Plausibilisierung der Simulationsergebnisse vorgenommen - und daraufhin das projektbezogene Simulationsergebnis differenziert bewertet werden.
Perspektive für die perfekte Simulation: Mittel und langfristig steht für die BAW die Weiterentwicklung und Optimierung der Simulationssoftware vorerst am hauseigenen Entwicklungssimulator in Hamburg im Vordergrund. Die hohen Anforderungen an die Simulation bei Bemessungsaufgaben und Befahrbarkeitsanalysen der Seeschifffahrtsstraßen für die Belange der Küstenämter der WSV werden daher weiterhin gewährleistet.
Kontakt: wasserbau-kueste@baw.de
1 TEU = Twenty-foot Equivalent Unit = Stellplatz eines handelsüblichen Containers (20 Fuß)
2 Squat = Geschwindigkeitsabhängige Absenkung des fahrenden Schiffs mit dem selbst erzeugten Primärwellensystem (Bugstau - Absunk - Heckwelle)
