15.11.2012 Kollisionsversuche im Schiffbau

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Ingenieurspiegel 02/2012

Im April 2011 lieferten wir einen geschmiedeten Rundstahl, der vom Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen der Technischen Universität Hamburg-Haburg für Kollisionsversuche genutzt wurde. Der Ingenieurspiegel berichtet in der Ausgabe 02/2012 ausführlich über die Untersuchungen.

 

Im April 2011 lieferten wir einen geschmiedeten Rundstahl, der vom Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen der Technischen Universität Hamburg-Haburg für Kollisionsversuche genutzt wurde. Der Rundstahl mit Durchmesser 825 mm rund und 975 mm Länge wurde nach dem Schmieden gesägt, gebohrt und anschließend innen und außen gedreht sowie geschliffen. Die US-Prüfung nach SEP 1921-84, Prüfgruppe 3, Größenklasse C, Häufigkeitsklasse c und das Abnahmeprüfzeugnis  DIN EN 10204/3.1B stellten sicher, dass das Werkstück die Anforderungen des Versuchsaufbaus erfüllt. Dabei stellte der Rundstahl die Bugwulst eines Schiffes dar (s. Bild 2), das mit einem anderen Schiff kollidiert. Ingo Tautz vom Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen der Technischen Universität Hamburg-Haburg veröffentlichte in der Ausgabe 02/2012 des Ingenieurspiegels einen Beitrag über über diese Kollisionsversuche: 

Die systematische, versuchstechnische Untersuchung der Sicherheit von Schiffskonstruktionen im Kollisionsfall wurde bereits in den 1960er Jahren parallel zur Erprobung nuklearer Antriebstechnik in der Handelsschifffahrt begonnen. Ende der 1990er Jahre wurden unter dem Eindruck schwerer Tankerunfälle weitere Kollisionsversuche durchgeführt, die zur Validierung der zwischenzeitlich bereits deutlich fortgeschrittenen Berechnungstechniken dienten. Im Fokus dieser Versuche stand die Konstruktion des gerammten Schiffes und dessen Energieaufnahmevermögen. Der rammende Kollisionsgegner wurde bei den Versuchen der jüngsten Vergangenheit als ideal starr angesehen.

Tatsächlich existieren im Schiffbau noch keine Vorschriften für die kollisionsfreundliche Gestaltung von Vorschiffskonstruktionen. Insbesondere sehr scharf geformte Bugwülste werden daher in der Praxis ausgesprochen steif konstruiert, was im Kollisionsfall zu besonders schweren Beschädigungen des gerammten Schiffes führen kann. Mehrere in den letzen Jahren veröffentlichte Simulationsergebnisse legen aber den Schluss nahe, dass eine kollisionsfreundliche Konstruktion dieser Strukturen – vergleichbar mit der Knautschzone eines PKWs – erheblichen Einfluss auf das Energieaufnahmevermögen des gerammten Schiffes haben dürfte. Allerdings ist die Simulation der Schiffskollision unter Berücksichtigung auch der Verformung des gerammten Schiffes eine sehr komplexe Aufgabe. Im Rahmen eines auf mehrere Jahre angesetzten Forschungsvorhabens werden daher derzeit Kollisionsversuche durchgeführt, die zur Validierung und Absicherung zukünftiger Berechnungen verwendet werden sollen.

Die hier vorgestellten Versuche legen das zur Bewertung der Kollisionssicherheit von Seeschiffen weitgehend etablierte Kollisionsszenario mit einem Kollisionswinkel von 90° zu Grunde. Die Versuche beschränken sich auf den Bereich der reinen Bugwulstkollision und auf die Abbildung der sogenannten inneren Kollisionsmechanik, also der reinen strukturmechanischen Vorgänge ohne Berücksichtigung der Schiffsbewegungen. Der Untersuchungsbereich ist in Bild 1 am Beispiel der Kollision zweier RoRo-Fährschiffe dargestellt. Das gerammte Schiff besitzt in Untersuchungsbereich eine konventionelle Doppelhüllenkonstruktion.

Die Kollisionsgegner wurden im interessierenden Kollisionsbereich modellhaft dargestellt. Bei einer Skalierung von etwa 1:3 werden die wesentlichen konstruktiven Merkmale der Referenzkonstruktionen wiedergegeben. Grundsätzlich ist der Energieeintrag bei Schiffskollisionen sehr stark massedominiert; d.h. die Kollisionen finden bei verhältnismäßig geringen Geschwindigkeiten statt. Dynamische Effekte, insbesondere der Einfluss der Dehnungsgeschwindigkeit des Materials, können daher in der Regel vernachlässigt werden. Dies ermöglicht eine quasi-statische Betrachtung der Kollisionsmechanik im Versuch. Die quasi-statische Versuchsdurchführung bietet den weiteren Vorteil, dass der Versagensprozess sehr detailliert beobachtet und dokumentiert werden kann.

Bild 2 zeigt den gewählten Versuchsaufbau, wobei die Kollision hier senkrecht erfolgt. Der Modellbereich der Seitenhülle (dunkelrot) gibt eine typische schiffbauliche Doppelhüllenkonstruktion wieder. Er ist in einen sehr steif ausgeführten Stahlrahmen eingeschweißt (grau), der die Randbedingungen der umgebenden Schiffsstruktur abbildet. Die Seitenhülle ist in x-Richtung über je vier instrumentierte Zugstangen mit je einem Widerlager auf beiden Modellseiten verbunden. Diese Widerlager nehmen ebenfalls Kräfte in z-Richtung über insgesamt vier Druckmessdosen auf. Die Krafteinleitung erfolgt über insgesamt vier servo-hydraulisch gesteuerte Hydraulikzylinder, die über eine 10 m lange Traverse verbunden wurden. Mit dieser Anordnung können maximale Kollisionskräfte von 4.000 kN aufgebracht werden. Die Traverse wird mit einem rotationssymmetrischen, bugwulstähnlichen Kollisionskörper verbunden. Der beschriebene Versuchsaufbau ist mit zwei parallel angeordneten massiven Grundträgern verbunden, so dass ein geschlossener Kraftfluss innerhalb des Versuchsaufbaus gewährleistet werden kann.

Insgesamt werden in dieser Anordnung vier Versuche durchgeführt, von denen zwei bereits abgeschlossen sind. Untersucht wurde bisher jeweils ein Seitenhüllenmodell mit Doppelhülle in konventioneller Bauweise, gegen das im ersten Versuch ein starrer Bugwulst geführt wurde. Im zweiten Versuch wurde die Konstruktion des Bugwulstes so verändert, dass sich dieser im vorderen Bereich leichter verformen kann. Lagen die maximalen Kollisionskräfte beim Versagen der Außenhaut im ersten Versuch noch bei unter 1.000 kN stiegen diese im zweiten Versuch durch die erheblich stumpferen Kollisionsvorgang des verformbaren Wulstes auf über 2.500 kN an. Auch stellt sich das Versagen der Außenhaut bei Verwendung des verformbaren Bugwulstes erst bei deutlich größeren Kollisionswegen ein. Dies führt in der Großausführung dazu, dass auch die über Wasser befindlichen Vorschiffskonstruktionen weiter eindringen. Dadurch kann kinetische Energie in Bereichen des gesamten Schiffes dissipiert werden, die weniger gefährdet sind als der Unterwasserbereich.

In der ersten Projektphase wurden in einem gegenüber Bild 2 etwas vereinfachten Versuchsaufbau insgesamt zwei Bugwulststrukturen gegen einen starren Gegner geführt, um zunächst das Verformungsverhalten des Bugwulstes separat zu untersuchen. Bild 3 stellt einen dieser Versuche dar. Gemeinsam mit den Ergebnissen der beschriebenen Kollisionsversuche werden derzeit die numerischen Simulationsmodelle validiert. Nach Abschluss dieser Arbeiten sind diverse Computer-Simulationen von Schiffskollisionen geplant, die von beiden Gegnern möglichst alle relevanten Strukturbereiche beinhalten sollen. Diese Berechnungen bilden dann die Basis für die Arbeit an einem Konstruktionsvorschlag für einen kollisionsfreundlichen Bugwulst, der sowohl den Anforderungen der Betriebslasten, z.B. aus dem Seegang oder der Eisfahrt genügen muss, als auch im Kollisionsfall eine signifikante Verbesserung gegenüber konventionellen Konstruktionen aufweisen sollte.

 

Ingo Tautz, Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen, Technische Universität Hamburg-Harburg