Institut für Wasserbau

Als deutsche Seeschifffahrtsstraße hat die Unter- und Außenelbe signifikante ökonomische Bedeutung. Die limitierten Gewässerabmessungen erfordern die Regulierung des dynamischenTiefgangs von außergewöhnlich großen Fahrzeugen. Auf der Passage zwischen der deutschen Bucht und dem Hamburger Hafen erfahren die Schiffe die tiefgangs vergrößernden Auswirkungen des beschränkten Fahrwassers, welche sich in einer Veränderung des dynamischen Tiefgangs durch Einflüsse aus Wasserdichte, Squat sowie Trimm- und Rollbewegungen ergeben.

Die Berechnung des dynamischen Tiefgangs und folglich der zu unterhaltenden Wassertiefe erfolgt anhand der international anerkannten Richtlinien der Seeschifffahrtskommission (PIANC, 2014). Die pragmatischen Ansätze basieren nahezu vollständig auf qualitativen Erkenntnissen aus theoretischen Modellen. Quantitative empirische Erkenntnisse basieren ausschließlich auf modellbasierten Schlepptankversuchen, bei denen die Schiffsmodelle jedoch nur maximale Äquivalente zu Schiffskapazitäten um 12000 TEU im Prototyp abbilden. Validierende Messungen in der Natur liegen nicht vor oder sind, wie im Falle der Unterelbe, bereits aus dem Jahr 2003 und beschränken sich auf nicht mehr maßgebende Schiffe mit Kapazitäten von 7500 TEU. (MAUSHAKE & JOSWIG, 2004).

Mit der beschleunigten Größenentwicklung zu regelmäßig verkehrenden Schiffskapazitäten von bis zu 20000 TEU und vollkommen neuen Schiffshüllenformen, ergibt sich für die Unter- und Außenelbe die Notwendigkeit, das dynamische Fahrverhalten von außergewöhnlich großen Fahrzeugen grundlegend neu zu untersuchen und zu bewerten.

Mit dieser Arbeit soll das grundlegende Verständnis der dynamischen Tiefertauchung von außergewöhnlich großen Fahrzeugen gestärkt und wesentliche Einflussfaktoren auf den dynamischen Tiefgang auf der Grundlage von Messungen in der Natur erarbeitet werden. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf tiefgangsvergrößernden Einflüssen aus z.B. Schiff-Schiff Interaktionen, welche erst die Größe heutiger Schiffe in signifikantem Maße hervorruft.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden Messungen zur Erfassung des dynamischen Tiefgangs von außergewöhnlich großen Fahrzeugen auf der Unter- und Außenelbe durchgeführt. Die sensorische Erfassung des Schiffssquats und sämtlicher beeinflussenden Parameter stellt die zentrale Methodik  dieser Arbeit dar. Die zu erfassenden Parameter werden erläutert, das gewählte Messsystem und die Durchführung der Messungen beschrieben. Erfasste Daten werden aufbereitet, berechnete Parameter plausibilisiert und die Ergebnisse präsentiert. Anhand der Ergebnisse wird der Prozess der Bemessung des dynamischen Tiefgangs bewertet und kritische Lastfallkombinationen erörtert.

In den Messergebnissen wird zum ersten Mal deutlich, dass mit zunehmender Schiffsgröße die systemische Sicherheit der bisherigen Bemessungspraxis abnimmt. Ab Schiffsgrößen von 19000 TEU müssen die Ergebnisse der allgemein anerkannten Bemessungsansätze für Schiffsquat sogar als kritisch eingeordnet werden. Ebenso zeigt sich, dass Schiffsbegegnungen mit zunehmenden Schiffsgrößen auch zunehmende Bedeutung bei der Tiefgangsbemessung bekommen und kritische Lastfallkombinationen regulierend beeinflusst werden können.

Bislang ungenutzte Sicherheitsreserven werden bei der Bemessung von Krängungs- und Rollbewegungen im Einfluss des Kielradius sowie im Einfluss des Zusammenwirkens von Trimm und Hogging auf die Tiefgangszunahme identifiziert. Abschließend werden konkrete Empfehlungen zur Anwendung der neuen Erkenntnisse für die Bemessungspraxis auf Unter- und Außenelbe gegeben und weitergehende Möglichkeiten zur Erforschung einer schiffsspezifischen Bemessung benannt.

Vessel towards and from the Port of Hamburg travel in confined waters along their passage on theLower Elbe sea-waterway. Such vessels experience dynamic draft increase due to water-relatedfactors like density as well as channel- and ship-related factors like squat, trim and heel. In the areaof conflict between economic value of maximum loading conditions and administrative draftregulations due to ship safety, the optimal determination of dynamic draft is of major interest. Muchresearch interest has focused on pragmatic determination approaches over the last decades, but theprogressive ship size development has outrun the latest results already.

Administrative draft regulations for the Lower Elbe passage apply PIANC (2014) for dynamic draftdetermination with an adjusted version of ICORELS squat determination. However, that approach isgenerally accepted, latest validations with specific data from field-investigations have beenperformed in 2003. Investigated ships, that travelled the Lower Elbe frequently by that time hadcapacities only around 5500 and 7500 TEU (MAUSHAKE & JOSWIG, 2004).

Recent ship size developments towards frequently travelling vessel units with capacities up to20000 TEU stress out the gap between existing design approaches and present ship sizes. In case ofthe Lower Elbe sea-waterway, that leads to the necessity to investigate the dynamic draft behaviourof nowadays travelling vessel sizes directly in the field.

Aiming for a deeper understanding of draft influencing dynamics, this dissertation acquires, analysesand assesses the dynamic draft behaviour of extraordinary large vessels on the Lower Elbe waterwayfundamentally. Furthermore, special focus is given on influences, which formerly have been ofmarginal interest, but now become of significance due to the actual ship sizes, e.g. impacts on draftdue to ship-ship interaction.

With the central method of field-investigations, carried out between 2013 and 2016 on the LowerElbe sea-waterway, this dissertation examines the generally accepted dynamic draft determinationapproaches. It determines necessary parameters and presents the measurement set up to acquiresuch parameters. After post-processing the gathered data, the dissertation analyses themeasurement results and assesses the present draft determination process. Focal points are theassessment of applicability of different ship-squat determination approaches for present vessel sizesas well as the identification of unutilized safety margins within the draft determination process.

The results from field measurements confirm, that formerly existing safety margins within squatdeterminations decrease with increasing ship sizes. At ship sizes over 19000 TEU, that developmenteven becomes critical concerning ship safety by channel design. Unutilized safety margins arediscovered for present ship sizes at specific loading conditions, especially within the draft increasingimpact of dynamic roll as well as in the combined influence of static trim and hogging.

Ship-ship interactions during the passage become of significant impact onto dynamic draftdeterminations with increasing ship dimensions. This dissertation extracts such interactions from thedatabase, correlates influencing factors and provides recommendations to deal with ship-shipinteractions within the dynamic draft determination process. Additionally, it providesrecommendations aiming to prevent critical impact combinations.Finally, special recommendations for the dynamic draft determination of extraordinary large vesselson the Lower Elbe waterway are given and further research needed towards a draft optimizingprocedure is presented.