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Bundesanstalt fr Gewsserkunde Bundesanstalt fr Wasserbau

Untersuchungen zu alternativen, technisch-biologischen Ufersicherungen an Binnenwasserstraen (F&E-Projekt)

Schiffserzeugte Wellen u. Schiffsumstrmung Messung und Auswertung

Stand: April 2014 BAW C. Gesing, Dr. R. Soyeaux Seite 1

Untersuchungen zu alternativen,

technisch-biologischen

Ufersicherungen an

Binnenwasserstraen

Info-Blatt:

Schiffserzeugte Wellen

Phnomen, Einflussgren

und Messung

F & E Projekt

(BAW BfG)

Stand: April 2014

BUNDESANSTALT

FR WASSERBAU

Karlsruhe

BUNDESANSTALT

FR GEWSSERKUNDE

Koblenz





Inhalt

1 Phnomen

2 Einflussgren

3.1 Wasserstrae

3.2 Schiff

3.3 Schiff/Wasserstrae

3 Wellenmessung

4 Ergebnisse: Hydraulische Belastungsgren

5 Literatur





1 Phnomen

Zum allgemeinen Verstndnis der hydraulischen Phnomene, die mit der Fahrt eines Schif-

fes in einem Gewsser verbunden sind, soll in diesem ersten Kapitel der Vorgang generell

erlutert werden. Fhrt ein Schiff durch ein Gewsser, so entstehen durch die gegenseitige

hydraulische Wechselwirkung lokale und temporre Vernderungen der Wasseroberflche

und der Strmungen um das Schiff herum. Damit verbunden kommt es zur Bildung von Wel-

len und schiffsinduzierten Strmungen, die als hydraulische Belastungen auf die Ufer des

Gewssers wirken.

Bild 1: Schiffserzeugte Wellen und Strmungen im Wesel-Datteln-Kanal bei einer Ver-suchskampagne im Oktober 2002; hier die ufernahe Fahrt der MS Main bei voller Abladung und einer Geschwindigkeit nahe der kritischen Schiffsgeschwindigkeit

Am deutlichsten wird das Phnomen der Wechselwirkung zwischen Schiff und Wasserstrae

in engen Kanlen. Dem fahrenden Schiff eilt eine Wasserspiegelanspannung von wenigen

Zentimetern voraus, die ca. eine Schiffslnge lang ist (s. Bild 1). Das ist der Kolbeneffekt.

Direkt vor dem Bug des Schiffes bildet sich ein Aufstau, der stndig voraus geschoben wird,

auch Bugwelle genannt. Ab hier ndern sich die Abflussbedingungen stark. Der bisher un-

gestrte Gewsserquerschnitt wird um den Schiffsquerschnitt reduziert. In diesem vermin-

derten Querschnitt lst das fahrende Schiff eine Verdrngungsstrmung zum Heck hin aus.

Im Bereich des prismatischen Schiffsrumpfes wird dieser beschleunigte Abfluss als Rck-

strmung bezeichnet. Sie nimmt erst in einem greren Abstand zum Schiff signifikant ab

und ist deshalb im engen Kanal eine magebende Belastungsgre fr die Ufer. Ab rund 1/2





Schiffslnge zu beiden Seiten des Fahrzeugs (dies entspricht einer Absunkmulde vom

Durchmesser der Schiffslnge) ist dann keine signifikante Rckstrmung mehr vorhanden.

Die Beschleunigung des Abflusses bedingt hydraulisch wiederum eine Absenkung des Was-

serspiegels neben dem Schiff dem Absunk / der Absunkmulde. Die physikalische Ursa-

che des Wasserspiegelabsunks als Folge der schiffsinduzierten Strmungen liegt in der

Energiebilanz. Die gesamte vorhandene Energie setzt sich aus der Lage- und der Bewe-

gungsenergie zusammen. Die Lageenergie wird im Wesentlichen durch die Wasserspiegel-

hhe bestimmt. Die Bewegungsenergie vergrert sich im vorliegenden Fall durch die Rck-

strmung. Da die Gesamtenergie in erster Nherung konstant bleiben muss, folgt daraus

eine Reduktion der Lageenergie, d. h. eine Wasserspiegelabsenkung. In dieser Absunkmul-

de sinkt das Schiff stndig ein, was als Squat (oder auch fahrdynamisches Einsinken)

bezeichnet wird. In erster Nherung sind Squat und Absunk gleich.

Am Heck des Schiffes findet dann wieder ein Ausgleich der Abflussverhltnisse statt, was mit

einer Wasserspiegelanhebung - der Heckquerwelle und einer Wiederauffllungsstr-

mung in Form eines mitlaufenden Rollbrechers verbunden ist. Alle genannten schiffsindu-

zierten Belastungen werden umso grer, je schneller das Schiff fhrt, je beschrnkter die

Fahrwasserverhltnisse (Breite, Tiefe) und kleiner die Uferabstnde sind und je grer das

Schiff bei konstantem Gewsserquerschnitt (abnehmendes n-Verhltnis) ist. Diese gesamte

Abfolge aus Bugwelle, Absunkmulde und Heckwelle lngsseits des Schiffes hat den Charak-

ter einer Welle und wird als Primrwelle bezeichnet. Ihre Wellenlnge entspricht der Schiffs-

lnge.

An Bug und Heck des Schiffes entstehen gleichzeitig regelmige, kurzperiodische Wellen

als Sekundrwellen bezeichnet , die als Elementarwellen aufgrund der Konturnderungen

entstehen:

- im Bugbereich, wo sich von der Bugspitze zum prismatischen, vollen Schiffsquerschnitt der

Schiffsrumpf aufweitet und

- im Heckbereich, wo der prismatische, volle Schiffsquerschnitt des Schiffsrumpfs zum Heck

hin wieder verjngt.

Diese Sekundrwellen sind zum einen Schrgwellen, die sich mit einem Winkel zur Schiff-

sachse ausbreiten, zum anderen Querwellen, die annhernd senkrecht zur Schiffsachse ori-

entiert sind (s. Bild 2). Die berlagerung beider Systeme erzeugt eine Interferenzlinie, die

abhngig von der Fahrgeschwindigkeit einen charakteristischen Winkel zur Schiffsachse

aufweist: Bei blichen Schiffsgeschwindigkeiten betrgt dieser Winkel 19,3o. Mit Annherung

an die kritische Geschwindigkeit erreicht er maximal 45o. Sekundrwellen knnen im Gegen-

satz zu Primrwellen auch weit vom Schiff entfernte Ufer erreichen, da sie sich wie freie Wel-

len verhalten, deren Hhe nur wenig mit dem zurckgelegten Weg abnimmt. Ihre Wellenh-

he steigt in erster Nherung mit der Schiffsgeschwindigkeit vS im Quadrat an.





Bild 2: Luftbild des Sekundrwellenbildes eines auf dem Rhein fahrenden Binnen-schiffes; auerdem ist hinter dem Heck der Schraubenstrahlbereich zu

erkennen

Als letzte relevante Belastungsgre beeinflussen die Antriebs-(Propulsions-) und Steueror-

gane mit dem zugehrigen Schraubenstrahl zustzlich das Wellenbild an der Gewsser-

oberflche (s. Bild 2):

- am Bug das Bugstrahlruder, mit dem moderne Schiffe zunehmend ausgerstet sind,

und

- am Heck und im Nachlauf auch dahinter z. B. Propeller und Jet-Antriebe.

Der Schraubenstrahl kann aufgrund seiner hohen Geschwindigkeiten und der hohen Turbu-

lenz betrchtliche Belastungen, insbesondere in Manversituationen, erzeugen.

Der oben beschriebene Vorgang ist stark vereinfacht als Prinzipskizze auf Bild 3 mit der

Fahrt eines Schiffes in einem Kanal mit Trapezprofil dargestellt. Das fahrende Schiff ruft ei-

nen Absunk unter den zuvor ungestrten Wasserspiegel hervor. Der so verkleinerte Quer-

schnitt fhrt zu einer Rckstrmung parallel zum Rumpf vom Bug zum Heck. Vom Schiff

werden Wellen erzeugt, die zum Ufer wandern. Ab dem Heck des Schiffes macht sich die

Propulsionsstrmung bemerkbar (Bugstrahlrudereinsatz hier nicht dargestellt).

Bild 3: Stark vereinfachte Prinzipskizze zu den schiffshydrodynamischen Vorgngen um ein fahrendes Binnenschiff im trapezfrmigen Gewsserquerschnitt





Als Auswirkungen dieses Vorgangs sind folgende Effekte zu nennen:

Der Absunk am Ufer fhrt zu Porenwasserdrucknderungen im Untergrund, die bei der

geotechnischen Bemessung der Ufersicherungen zu bercksichtigen sind. Besonders

der schnelle Wasserspiegelabsunk am Bug kann Porenwasserberdrcke bewirken, die

- abhngig von der Durchlssigkeit des Bodens zum Abgleiten fhren knnen.

Absunkinduzierte Strmung kann aus angeschlossenen Altwassern bzw. beruhigten

Flachwasserzonen Stoffein- und -austrag verursachen.

Der Absunk kann bei entsprechender Gewssertopografie zum vorbergehenden

Trockenfallen von Uferbereichen fhren, was u. U. juvenile Fischfauna bedrohen kann.

Die Wellen bewirken kurzperiodische Wasserspiegelnderungen und Belastungen am

Ufer, die bei Freibordfestlegung, Wellenauflauf und hinsichtlich der Wirkung auf Fauna

und Flora im Uferbereich zu beachten sind.

Die Rckstrmung ruft Sohlschubspannungen an Sohle und Ufer hervor, die bei der Ero-

sionssicherheit von Sohlmaterial und Uferdeckwerk eine Rolle spielen.

Auch der Propellerstrahl an der Sohle und der Bugruderstrahl an Ufer und Sohle fhren

zu einer temporren Sohlschubspannung und knnen dadurch Kolkbildung hervorrufen.

2 Einflussgren

Wichtige Einflussgren zur Beschreibung der Interaktion zwischen Schiff und Wasserstrae

sind geometrische und hydraulische Gren der Wasserstrae, Abmessungen und Ge-

schwindigkeit des Schiffes sowie Werte aus deren Kombinationen und Ergebnisse aus theo-

retischen Herleitungen zur Wechselwirkung Schiff/Wasserstrae. Als Gren sind bei den

einzelnen Bereichen die Folgenden zu nennen (Nheres dazu in GBB 2004 (BAW, 2004) u/o

GBB 2010 (BAW, 2011)):

2.1 Wasserstrae

Gewsserquerschnitt A, Wasserspiegelbreite bwsp, Sohlbreite bSo, Fahrrinnenquerschnitt AF,

mittlere Wassertiefe hm, Fliegeschwindigkeit vfl, Bschungsneigung m, Sohl- und Uferrau-

heiten, eventuell Kurvenradius

2.2 Schiff

Schiffsbreite B, eingetauchter Schiffsquerschnitt AM, Schiffslnge L, gefahrene Schiffsge-

schwindigkeit durchs Wasser vSdW, Tiefgang T, Schiffsform, Kennwerte von Propeller und

Bugstrahlruder, eventuell Driftwinkel





2.3 Schiff / Wasserstrae

Querschnittsverhltnis n ( AM/A), kritische Schiffsgeschwindigkeit vkrit, relative Schiffsge-

schwindigkeit ber Grund vSG, Restquerschnitt neben dem Schiff bei Vorbeifahrt Anetto, Ex-

zentrizitt zwischen Schiffskurs und Kanalachse (Auermittigkeit) y

3 Wellenmessung

Wichtige Erkenntnisse ber die Interaktion Schiff/Wasserstrae sind nur durch Naturmes-

sungen bzw. Verkehrsbeobachtungen zu erhalten, entweder mit Datenerfassung bei laufen-

der Schifffahrt oder aber durch Messungen bei Versuchsfahrten unter definierten Bedingun-

gen. Zum einen wird dabei das Schiff z. B. ber GPS-Messverfahren kontinuierlich in seiner

Lage bestimmt, wodurch Position im Gewsser, Einsinken und Geschwindigkeit bekannt

sind. Ein anderer Weg ist hierfr die Verwendung von Radar, besonders wenn die Schifffahrt

in ihrem natrlichen Fahrverhalten beobachtet werden soll. Zum anderen werden z.B. am

Ufer die Vernderungen der Wasserspiegellage vor, whrend und nach der Passage regis-

triert, womit Aussagen ber Primr- und Sekundrwellen sowie Absunk und Absunkge-

schwindigkeit mglich sind. Eine typische Aufzeichnung ist auf Bild 4 zu sehen. Als grte

hydraulische Belastung einer Uferbschung, z. B. zur Dimensionierung der Gre der Ein-

zelsteine einer Steinschttung nach GBB 2010 (BAW, 2011), wird die Bemessungswellen-

hhe entsprechend der Differenz zwischen dem Wellental im Heckbereich und der hchsten

Wasserspiegellage kurz hinter dem Schiffsheck gesehen.

Bild 4: Fahrt des GMS Razet (L/B/T = 105 m/9,50 m/1,20 m leer) am Neckar-km 78,900 mit einer Geschwindigkeit ber Grund von 3,4 m/s = 12,24 km/h, nach Messungen von (Leissler, 2000)





Ausfhrlicheres zum Thema Wellenmessung beinhaltet das Dokument Info-Blatt Schiffser-

zeugte Wellen und Schiffsumstrmung Messung und Auswertung.

4 Ergebnisse: Hydraulische Belastungsgren

Als Ergebnisse der Wechselwirkung zwischen fahrendem Schiff und der Wasserstrae erge-

ben sich folgende hydraulische Belastungsgren:

mittlere max. Wasserspiegelabsenkung (im engsten Durchflussquerschnitt) h, mittlere max.

Rckstrmgeschwindigkeit vrck, Wiederauffllungsstrmung u; Wellenhhe ber dem B-

schungsfupunkt HBF bei mittiger Fahrt, Wasserspiegelabsenkung am Bschungsfupunkt

za, Wellenhhe bei auermittiger Fahrt Ha, Sekundrwellenhhe Hsek

Geotechnisch spiegelt sich die Wechselwirkung Schiff / Wasserstrae in der temporren

Vernderung der Porenwasserdrcke in der Uferbschung wider.

5 Literatur

(BAW, 2004) Bundesanstalt fr Wasserbau

Grundlagen zur Bemessung von Bschungs- und Sohlsicherungen an

Binnenwasserstraen (GBB 2004)

BAW-Mitteilung Nr. 87

Eigenverlag, Karlsruhe 2004

(BAW, 2004) Bundesanstalt fr Wasserbau

Grundlagen zur Bemessung von Bschungs- und Sohlsicherungen an

Binnenwasserstraen (GBB 2010)

BAW-Mitteilung Nr. 87

Eigenverlag, Karlsruhe 2004

(Leissler, 2000) Leissler, A.

Bestimmung von Gre und Auflaufhhe schiffserzeugter Wellen an

einer Uferbschung am Neckar in der Stauhaltung Guttenbach

(Neckar-km 78,9000 79,000)

Diplomarbeit

Karlsruhe 2000

unverffentlicht

2_schiffswellen_phnomen_2014-04-25.pdf

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