Verbundvorhaben ELKOS

 Verbesserung der Kollisionssicherheit durch Integration struktureller  Maßnamen in die Leckstabilitätsberechnung moderner RoRo-Fahrgastschiffe

Teilvorhaben:
Validierung von Kollisionsberechnungen durch Großversuche an Konstruktionsvarianten von Seitenhüllen

Gebiet: Kollision und Grundberührung

Laufzeit: 01.08.2009 - 31.07.2012

Projektleiter: Prof. Fricke, 

Personen: Prof. Lehmann, M. Schöttelndreyer, I. Tautz, 

Mittelgeber:

Projektpartner:

Zusammenfassung

Heutige, üblicherweise unter Gewichtsaspekten optimierte Schiffsentwürfe, stellen dünnwandige Plattenstrukturen in Leichtbauweise dar. Die innere Raumaufteilung dieser Strukturen wird wesentlich durch die internationale Vorschriftenlage im Bereich der Leckstabilität, welche für Werft und Schiffseigner bindend sind, bestimmt. Das technisch vorhandene Potential weiterer Freiheitsgrade von Raumvariationen und besserer Raumausnutzungsgrade wird bei vorschriftengerechter Anwendung der SOLAS 2009 (internationale Gültigkeit ab 01.01.2009) und heute üblichen Konstruktionen von Schiffsdoppelhüllen nicht ausgeschöpft. Insbesondere haben RoRo-Fahrgastschiffe, die relativ wenige Passagiere befördern und gleichzeitig einen großen unteren Laderaum aufweisen, durch die vorhandenen Regeln nach SOLAS 2009 sogar ein insgesamt unbefriedigendes Sicherheitsniveau erhalten.
Das Vorhaben soll Methoden erarbeiten, welche strukturellen Maßnahmen und neuartigen Konstruktionsvarianten, die zur Erhöhung der Kollisionssicherheit in Seiteneindringfällen sorgen, in der Berechnung der Leckstabilität nach SOLAS 2009 angemessen berücksichtigt werden können. Weil diese neue Vorschriftenlage bestimmte unkritische Beschädigungsfälle auch explizit erlaubt, sind hiermit zusätzliche Freiheitsgrade für den Schiffsentwurf denkbar, die bei intelligenter Kopplung von Schiffsentwurf, Leckrechnung und Kollisionsrechnungen zu deutlich wirtschaftlicheren Produkten führen können und zugleich auch eine erhebliche Verbesserung der Schiffssicherheit bedeuten. Das Vorhaben setzt deshalb an der Schnittstelle zwischen Schiffsentwurf, Leckrechnung und Strukturmechanik an.

Arbeitsschwerpunkte

Die Forschungsstelle legt in Ihrem Teilprojekt den Schwerpunkt auf experimentelle Untersuchungen zur Kollisionsmechanik verschiedener Seitenhüllenkonstruktionen. Im Rahmen des Projektes soll hierfür die bestehende Versuchsanlage des Institutes um spezifische Komponenten erweitert und angepasst werden. Die nachfolgende Abbildung gibt einen Eindruck über den geplanten Versuchsstand, mit dem Kollisionskräfte bis zu 4.000 kN aufgebracht werden können.

Geplanter Versuchsstand für Kollisionsversuche

Die zu untersuchenden Seitenhüllenstrukturen sind überwiegend Leerzellen, deren Kollisionssicherheit durch Einbringen geeigneter Füllstoffe weiter erhöht werden kann. Die physikalisch korrekte Abbildung derartiger Füllstoffe ist in einer numerischen Kollisionssimulation bisher kaum untersucht. Innerhalb dieses Teilvorhabens wird daher die Zielstellung verfolgt, anhand von Kollisionsversuchen numerische Berechnungen derart zu validieren, dass die Abbildung der Kollisionsmechanik auch in der numerischen Simulation physikalisch korrekt gelingt.
Weiterhin sollen bisher wenig untersuchte Effekte der Steifigkeit des aktiven Kollisionsgegners auf das gesamte Kollisionsverhalten untersucht und experimentell abgesichert werden. In Ergänzung zu den geplanten Kollisionsversuchen mit Bugwulst und Seitenstruktur sollen in diesem Zuge Vorversuche durchgeführt werden, die zunächst deformierbare Bugwulststrukturen gegen einen starren Gegner betrachten. An diese Vorversuche sollen vergleichende Betrachtungen angeschlossen werden, die Unterschiede in der Kollisionsmechanik unter der Annahme eines starren Bugwulstes aufzeigen.
Die Ergebnisse der Kollisionsversuche bzw. der Validierung der zugehörigen Simulationen bilden die Basis für das übergeordnete Vorhabensziel Vereinfachungsansätze der Berechnungsmodelle belastbar abzusichern, die notwendig werden um eine sinnvolle Kopplung zwischen Kollisions- und Leckrechnung sicherstellen zu können.

Durchgeführte Vorversuche

Am 03./ 04. März und 10. Juni 2010 wurden zwei Vorversuche auf der unten dargestellten Versuchsanlage durchgeführt. Anstelle der beiden Widerlager und des Doppelhüllenmodells, wurden die beiden Bugwulststrukturen in mehreren Schritten gegen einen starren Gegner gefahren. 

Versuchstand für die beiden Vorversuche

Der erste Versuchskörper bestand aus einer im Schiffbau typischen Bugwulststruktur mit Ringsteifen, Stringerdeck und Längsträger. Mit Hilfe der in diesem Versuch gesammelten Erfahrung und diverser Simulationen wurde für den zweiten Vorversuch eine kollisionsfreundlichere Struktur entwickelt. Die hintere Bugwulsthälfte weist keine strukturelle Veränderung auf. Im vorderen Teil wurde jedoch auf die Längsbauteile verzichtet. Durch die bis auf das innere Steifensystem gleichbleibende Geometrie und Dimensionierung der beiden Modellkörper, ist es der Forschungsstelle möglich, die ermittelten Versuchsdaten direkt miteinander vergleichen zu können.

Einen besseren Einblick in unsere Tätigkeit soll das zusammengestellte Video des ersten Vorversuchs geben.

Veröffentlichungen

Schöttelndreyer, M.; Tautz, I.; Kubiczek, J.M.; Fricke, W. and Lehmann, E.: Influence of bulbous bow structures on their collision behaviour. In: Advances in Marine Structures (Eds.: C. Guedes Soares & W. Fricke), 381-390, Taylor & Francis Group, London 2011.

Tautz, I.; Schöttelndreyer, M.; Lehmann, E. und Fricke, W.: Schiffskollisionen im quasi-statischen Versuch. Proc. ANSYS Conference & 29th CADFEM User’s Meeting, Stuttgart 2011.

Tautz, I.; Schöttelndreyer, M.; Fricke, W. und Lehmann, E.: Experimental investigations on the collision behaviour of bow structures. Proc. of 5th Int. Conf. on Collision and Grounding of Ships, Aaltao University, Helsinki. (2010)