Gesetzliche Vorschriften über Stabilität und Stauung
Der Schiffsführer ist für die Einhaltung der Vorschriften verantwortlich (§ 1.07 der RheinSchPV). Der Schiffsführer wird immer als erster zur Verantwortung gezogen, wenn Stabilitätsprobleme entstehen.
Der Schiffsführer auch nachweisen, dass er eine Stabilitätsprüfung durchgeführt hat. Dies gilt für folgende drei Zeitpunkte: vor Beginn des Ladens, vor Beginn des Löschens sowie vor Fahrtantritt.
Die freie Sicht darf durch die Ladung oder die Trimmlage des Fahrzeuges nicht weiter als 350 m vor dem Bug eingeschränkt werden.
Der Auftrieb
Der statische Auftrieb ist das Phänomen, dass ein Körper, der in eine Flüssigkeit eintaucht, scheinbar an Gewicht verliert.
Die Auftriebskraft ist so groß wie die Masse des Mediums, die das Objekt verdrängt hat. Die Masse eines Körpers ergibt sich aus der Dichte des Körpers, multipliziert mit seinem Volumen (ρ⋅V). Im Falle der Auftriebskraft kann diese Formel auch verwendet werden, jedoch mit einem kleinen Unterschied: Da bei der Auftriebskraft ja die Masse des verdrängten Mediums gesucht wird, wird hier die Dichte des Mediums (ρM) mit dem Volumen des Objekts (VO) multipliziert. Bei der Berechnung der Gewichtskraft muss die Erdbeschleunigung g mit einberechnet werden muss. G = 9,81 m/s2.
FA,Objekt = ρM⋅VO⋅g
Beispiel Titanic:
Sie hat ein Volumen von ungefähr 131.112 m3. Das Wasser, in dem die Titanic damals schwamm, hatte eine Dichte von 1000 kg/m3. Multipliziert man diese beiden Werte unter Berücksichtigung der Erdbeschleunigung g ergibt sich folgende Rechnung:
FA,Titanic = 1000 kg/m3⋅131.112 m3⋅9,81m/s2
FA,Titanic = 1.286.208.720 N
Steigen, Sinken, Schweben, Schwimmen
Wie sich ein Körper in einem Medium verhält, ist abhängig vom Zusammenspiel der Gewichtskraft des Objekts (FG,O) und von seiner Auftriebskraft.
Die 4 Phänomene
Das Niveau der Gewichtskraft und der Auftriebskraft spielt beim Verhalten eines Objekts in einem Medium eine entscheidende Rolle.
- Ist die Auftriebskraft (FA) größer als die Gewichtskraft (FG), dann steigt das Objekt in dem Medium nach oben.
- Es sinkt, wenn die Auftriebskraft kleiner ist als die Gewichtskraft.
- Für den Fall, dass die Gewichtskraft und die Auftriebskraft identisch sind, schwebt das Objekt in seinem Medium.
- Ist die Auftriebskraft genauso groß wie die Gewichtskraft, schwimmt das Objekt.
Warum schwimmt ein Schiff?
Schiffe verdrängen Wasser und erhalten dadurch Auftrieb. Dieses Prinzip wurde vor über 2000 Jahren vom griechischen Gelehrten Archimedes formuliert.
Das archimedische Prinzip gilt in allen Fluiden, d. h. in Flüssigkeiten und Gasen.
Da die mittlere Dichte eines Schiffes geringer ist als die Dichte von Wasser ist, schwimmt es an der Oberfläche. Auch Ballone und Luftschiffe machen sich diese Eigenschaft zunutze, um fahren zu können.
Stabilität
Stabilität bezeichnet im Schiffbau und der Nautik die Eigenschaft eines schwimmenden Körpers, eine aufrechte Schwimmlage beizubehalten oder sich als Reaktion auf ein krängendes Drehmoment selbständig wieder aufzurichten.
Typische Anforderungen an die Stabilität sind zum Beispiel:
- Mindestgröße der metazentrischer Höhe, der Abstand zwischen Gewichtsschwerpunkt und Metazentrum
- Fläche unter der Hebelarmkurve
- Winkel des Maximums der Hebelarmkurve
- aufrichtendes Moment bei definiertem Krängungswinkel (wird anhand des wirkenden Hebelarms geprüft)
Schwimmstabilität
Schwimmstabilität ist das Verhalten eines schwimmenden Körpers bezüglich seiner Lage zu einer Flüssigkeitsoberfläche. Ein Körper in einer Flüssigkeit taucht in diese hinein und verdrängt dabei die den Körper umgebende Flüssigkeit. Dabei entsteht eine Auftriebskraft. Die über den Körper verteilte Auftriebskraft wirkt so, als ob sie in ihrer Gesamtheit im räumlichen Mittelpunkt des eintauchenden Teils des Körpers senkrecht nach oben zieht. Dagegen wirkt die über das Volumen eines Körpers verteilte Gewichtskraft stets so, als ob sie in ihrer Gesamtheit im Schwerpunkt des Körpers konzentriert senkrecht nach unten zieht.
Stabilitätsarten
Außer in wenigen Sonderfällen (rein formstabile Boote) setzt sich die Stabilität immer aus beiden aufrichtenden Komponenten zusammen:
Längsstabilität
Längsstabilität ist die Fähigkeit eines Schiffes, sich aus einer Neigung um die Querachse (Trimm) wieder aufzurichten. Aufgrund der größeren Länge des Schiffes im Verhältnis zu seiner Breite stellt die Längsstabilität von Schiffen normalerweise kein Problem dar.
Querstabilität
Querstabilität ist die Fähigkeit eines Schiffes, sich aus einer Neigung um die Längsachse (Krängung) wieder aufzurichten.
Metazentrum
Metazentrum ist der Schnittpunkt der zwei Auftriebsvektoren von G und B. Von besonderer Bedeutung ist das Breitenmetazentrum M oder MB (für Drehungen um die Längsachse).
Hebelarm und Hebelarmkurve
Durch den Einfluss der Krängung ändert sich auch der Hebelarm, dessen Größe die Stabilität des Schiffes bzw. sein Wiederaufrichtungsvermögen bestimmt.
Durch Auftragen von h in Abhängigkeit vom Neigungswinkel (Phi) erhält man die Stabilitätskurve.
Je steiler die Hebelarmkurve gleich am Anfang ansteigt, desto stabiler ist das Schiff. Die aufrichtenden Drehmomente sind dann schon bei Neigungsbeginn verhältnismäßig groß. Das größte Aufrichtungsvermögen wird gekennzeichnet durch den höchsten Punkt der Kurve, d.h. durch den maximalen Hebelarm. Neigt sich das Schiff über den Nulldurchgang der Hebelarmkurve hinaus, würde das Schiff kentern. Dieser Punkt wird deshalb Kenterpunkt genannt.
Einflussfaktoren auf die Stabilität
- Form und Größe des Schiffsrumpfs bzw. der Spanten
- Masse und Masseverteilung des Schiffskörpers
- Ladungsgewicht und Ladungsverteilung (Trimmung)
- Kranlasten
- Verhalten der Ladung (z. B. eventuelle Beweglichkeit von Schüttgut oder von Fahrgästen)
- Freie Oberflächen (Flüssige oder verbreite Ladung / Inhalte teilweise gefüllter Tanks)
- Dynamisches Verhalten des Schiffes z. B. bei Kursänderungen bei hoher Geschwindigkeit
Große Schiffslänge und geringe Schiffsbreite wirken sich negativ auf die Stabilität aus.
Gefährliche Krängungen, die beim Durchfahren einer Flussbiegung entstehen können, können durch Verringerung der Schiffsgeschwindigkeit verringert werden.
Weitere in Betracht zu ziehende Betriebsbedingungen sind:
- Seegang
- Wind
- Strom
- Vereisungsgefahr des Überwasserschiffs (Eislast)
- Wasserdichte (Salzwasser / Süßwasser)
Ausreichende Stabilität ist eine wesentliche Voraussetzung für die Betriebssicherheit eines Schiffes. Die Erfüllung der weltweit geltenden Mindestanforderungen an die Stabilität in den genehmigten Ladefällen ist Voraussetzung für die Erteilung der Klasse.
Bestimmend sind im Betrieb der Schiffe neben den Entwurfseigenschaften (Form- und Gewichtsstabilität) auch die Ladungsverteilung und die Verteilung von Ballast und Brennstoff für die aktuellen Stabilitätsreserven.
Die Stabilität eines Schiffes ist ein wichtiger Aspekt in der Wahrung der Sicherheit und in der Vorsorge für den Umweltschutz. Die ordnungsgemäße Handhabung der Schiffsstabilität ist daher als wichtiger Vorgang im Schiffsbetrieb einzustufen.