Stabilität (Schifffahrt)

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Der Begriff Stabilität bezeichnet im Schiffbau und der Nautik die Eigenschaft eines schwimmenden Körpers, beispielsweise eines Schiffes, eine aufrechte Schwimmlage beizubehalten oder sich als Reaktion auf ein krängendes Moment selbständig wieder aufzurichten.

Ein Schiff gilt im physikalischen Sinne als stabil, wenn eine positive Kraft aufgewendet werden muss, um das Schiff tiefer zu tauchen oder um es um seine Längs- oder Querachse zu drehen. Die Reaktionskräfte und -momente des Körpers wirken dem entgegen.

Stabilität von Seeschiffen[Bearbeiten]

Beeinflussende Faktoren[Bearbeiten]

Die folgenden Faktoren bestimmen die individuelle Stabilität eines Schiffes:

  • Form und Größe des Schiffsrumpfs
  • Masse und Masseverteilung des Schiffskörpers
  • Ladungsgewicht und Ladungsverteilung (Trimmung)
  • Verhalten der Ladung (z. B. eventuelle Beweglichkeit von Schüttgut oder von Fahrgästen)
  • Dynamisches Verhalten des Schiffes z. B. bei Kursänderungen bei hoher Geschwindigkeit
  • Freie Oberflächen (Flüssige oder verbreite Ladung / Inhalte teilweise gefüllter Tanks)
  • Kranlasten

Weitere in Betracht zu ziehende Betriebsbedingungen sind:

Physikalische Grundlagen[Bearbeiten]

Lage des Gewichtsschwerpunkt (G), Auftriebsschwerpunkt (B) und Metazentrum (M) bei aufrechtem, sowie gekrängtem Schiff

Die grundsätzlichen Parameter der Stabilität eines Schiffes sind der Gewichtsschwerpunkt und der Auftriebsschwerpunkt (auch Form- oder Verdrängungsschwerpunkt), sowie die sich aus ihnen ergebende metazentrische Höhe. Im Gewichtsschwerpunkt kann man sich die gesamte nach unten wirkende Gewichtskraft des Schiffes auf einen Punkt konzentriert vorstellen. Bei einer Krängung des Schiffes behält der Gewichtsschwerpunkt seine Lage innerhalb des Schiffes bei, solange alle Massen im Schiff an ihrem Ort bleiben (wenn zum Beispiel Ladung übergeht, ändert dies auch den Gewichtsschwerpunkt). Im Auftriebsschwerpunkt kann man sich die gesamte nach oben wirkende Gewichtskraft des verdrängten Wassers denken. Er ändert seine Lage bei einer Krängung, weil sich die „Form“ des verdrängten Wassers ändert.

Bei aufrechter Schwimmlage des Schiffes liegen Gewichtsschwerpunkt und Auftriebsschwerpunkt senkrecht übereinander. Wird das Schiff durch einen äußeren Einfluss gekrängt, bleibt der Gewichtsschwerpunkt auf das Schiff bezogen zwar an seinem Platz, wandert aber insgesamt gesehen zur Seite der Krängung aus. Der Auftriebsschwerpunkt wandert zur selben Seite aus, und zwar ins Zentrum des jetzt verdrängten Wassers. Wenn Gewichtsschwerpunkt und Auftriebsschwerpunkt jetzt nicht mehr senkrecht übereinanderstehen und der Gewichtsschwerpunkt unterhalb des Anfangsmetazentrums des Schiffes liegt, entsteht ein sogenannter „aufrichtender Hebelarm“, der das Schiff bei Wegnahme des krängenden Einflusses in seine Ausgangslage zurückführt.

Ermittlung und Bewertung[Bearbeiten]

Hebelarmkurve. GZ entspricht dem aufrichtenden Hebelarm

Die maßgeblichen Kennwerte zur Bewertung der Stabilität eines Schiffes sind die metazentrische Anfangshöhe, der Stabilitätsumfang und die Fläche unter der Hebelarmkurve. Die metazentrische Höhe ist eine Kenngröße für den aufrichtenden Hebelarm. Der Stabilitätsumfang bezeichnet die rechnerische Krängung des Schiffes in Winkelgraden bis zum Kenterpunkt und die Hebelarmkurve ist eine grafische Darstellung des jeweiligen aufrichtenden Hebelarms über den vollen Krängungsbereich bis zum Kenterpunkt. Der Hebelarm wächst bei zunehmender Krängung erst leicht, dann stärker an und wird bei noch stärkerer Krängung wieder geringer, bis er schließlich den Kenterpunkt erreicht, wenn der Gewichtsschwerpunkt über den Auftriebsschwerpunkt hinauswandert. Mit der Fläche unter der Hebelarmkurve lässt sich nicht nur die Erfüllung der Mindeststabilität belegen, sondern auch eine ungewollt große Stabilität nachweisen.

Gesetzliche Bestimmungen[Bearbeiten]

Maßgeblich für die Stabilität von Schiffen sind mehrere IMO-Resolutionen. Die bedeutendsten hiervon sind die Resolutionen A.749(18) und MSC.267(85) (2008 IS Code) für die Intaktstabilität von Seeschiffen oder entsprechend die SOLAS-Vorschrift für Passagierschiffe. Auch wenn die darin formulierten Forderungen nicht bindend sind, haben viele Flaggenstaaten und z. B. auch die EU die Vorschriften der IMO in ihre eigenen Stabilitätsvorschriften übernommen. Handelsschiffe unter deutscher Flagge müssen diesbezüglich allerdings auch die strengeren Vorschriften der See-Berufsgenossenschaft erfüllen.

Typische Anforderungen an die Stabilität sind zum Beispiel:

  • Mindestabstand von Gewichtsschwerpunkt und metazentrischer Höhe.
  • Fläche unter der Hebelarmkurve.
  • Winkel des Maximums der Hebelarmkurve.
  • aufrichtendes Moment bei definierter Last.

Die Stabilität wird bereits in der Entwurfsphase eines Schiffes berücksichtigt und u.a. anhand vorgegebener Standard-Ladefälle untersucht. Der Nachweis der Stabilität erfolgt heute in der Regel mittels eines Bordcomputers, der alle Ladungs- und Stabilitätskriterien vorausberechnet. Das den Ladefällen zugrunde liegende Leerschiffsgewicht wird experimentell in einem Krängungsversuch bestimmt. Die Rechnung wird bei einer vom Flaggenstaat autorisierten Klassifikationsgesellschaft geprüft und gilt dabei als anerkannt, wenn alle für das betreffende Schiff geltenden Stabilitätsvorschriften eingehalten werden. Die geprüften Stabilitätsunterlagen gehören zu den Borddokumenten.

Praktische Überlegungen[Bearbeiten]

Das Rollverhalten von Schiffen mit einem großen aufrichtenden Hebelarm nennt man steif, das von Schiffen mit einem geringen aufrichtenden Hebelarm bezeichnet man als weich und ein Schiff mit nur noch sehr geringem aufrichtenden Hebelarm nennt man rank.

Schiffstypen wie Containerschiffe oder Fährschiffe haben, bedingt durch Beladung und Bauart, oft einen unerwünscht hohen Gewichtsschwerpunkt, was eine zu geringe Stabilität zur Folge hätte. Um eine genügende Stabilität zu gewährleisten, wird eine hohe Beladung an Deck daher mit großen Ballastwasserkapazitäten, hauptsächlich in Doppelbodentanks, ausgeglichen. Die gegenteilige Situation findet sich beispielsweise bei Erzschiffen, welche in der Regel im beladenenen Zustand einen äußerst tiefgelegenen Gewichtsschwerpunkt besitzen. Ein Schiff mit unerwünscht hoher Stabilität hat eine sehr kurze Rollperiode mit kleinen Rollwinkeln, welche durch die hohen auftretenden Beschleunigungen ein Übergehen der Ladung oder Personenschäden begünstigen und die Schiffsverbände sehr stark belasten würde. Hier wird der Gewichtsschwerpunkt durch die Aufnahme von Ballastwasser in Hochtanks nach oben verlegt, um dieses Verhalten zu verbessern.

Die Stabilitätsbewertung eines Schiffes bezieht sich nicht nur auf den reinen Schiffskörper allein, sondern auch auf unterschiedliche und im Betrieb variierende Zustände. Das umfasst in der Hauptsache die Beladung des Schiffes, bei der beispielsweise auf die besonderen Vorschriften für Getreideladungen (die leicht ins Rutschen kommen) oder auf kleine Krängungswinkel bei Schwergutkollis an Deck Rücksicht genommen werden muss. Weiterhin müssen die sich im Betrieb ändernden Bedingungen insbesondere durch Verbräuche von Bunker, Betriebsstoffen und Frischwasser, sowie durch die Veränderung der Ballastwassermengen von Beginn bis Ende der Reise vorausberechnet werden. Der Einfluss unterschiedlicher äußerer Betriebsbedingungen, etwa durch Winddruck, Seegang, Wasseraufnahme der Decksladung und Wasserstau an Deck, oder Vereisungen in kalten Regionen muss ebenfalls in die Betrachtungen eingehen. Nicht zuletzt muss auch auf innere Einflüsse, wie zum Beispiel auf das Legen von Hartruder bei voller Fahrt, oder auf die mögliche Situation, dass sich alle Passagiere auf eine Seite des Fahrgastschiffes begeben, Rücksicht genommen werden.

Durch Wind und Seegang können während einer Reise weitere sogenannte dynamische Stabilitätsbelastungen entstehen. In der Hauptsache handelt es sich hier um die Einflüsse von starken Windböen, dem Seeverhalten des Schiffes in Seegang und Dünung, sowie auftretenden Rollperiodenresonanzen. Da diese Phänomene aufgrund der zugrundeliegenden hochkomplexen Energiebilanzen nicht ohne weiteres in Formeln zu fassen sind, ist deren Beurteilung immer noch weitestgehend der nautischen Erfahrung der Schiffsführung überlassen. Im Fall von Lecks können sich Gewichtsverteilung wie auch Auftrieb erheblich ändern, so dass ein Schiff kentert, obwohl es noch voll schwimmfähig ist. Aus all dem Vorgenannten ergibt sich, dass die Bewertung der Stabilität von Schiffen umso schwieriger ist, je komplexer es aufgebaut ist und je variabler die Betriebsbedingungen sind.

Schiffsstabilisatoren[Bearbeiten]

Hauptartikel: Schiffsstabilisator

Bei größeren Schiffen, vor allem bei Passagierschiffen, werden häufig Add-on-Systeme eingesetzt, mit denen sich die Bewegung eines Schiffes an der Längsachse dämpfend beeinflussen, oder wie z.B. mit Flossenstabilisatoren, aktiv steuern lässt.

Sportboot-Bereich[Bearbeiten]

Im Gegensatz zu Schiffen der Berufsschifffahrt und Marine sind Sportboote häufig einfacher aufgebaut. Oft bestehen sie im Wesentlichen aus einem hohlen Rumpf, gegebenenfalls mit Mast und Segel. In der Praxis genügt daher die Betrachtung weniger Gesichtspunkte: mittlerer Rumpfquerschnitt, Schwerpunkt und/oder ein zusätzliches Stabilisierungsgewicht.

Das Krängungsverhalten eines Segelbootes hängt wesentlich von der Rumpfform und Gewichtsverteilung des Bootes (inklusive der Besatzung) ab. Es gibt zwei Komponenten, durch die eine Krängung wieder ausgeglichen werden kann. Außer in wenigen Sonderfällen (rein formstabile Boote) setzt sich die Stabilität immer aus beiden aufrichtenden Komponenten zusammen:

  • Gewichtsstabilität – ein tief liegender Ballastkiel zwingt das Boot wieder in die aufrechte Lage (Stehaufmännchen-Prinzip).
  • Formstabilität – die Form des Rumpfes begünstigt eine Rückkehr in die Ausgangslage.
Gewichtsstabilität

Gewichtsstabilität[Bearbeiten]

Bei überwiegend gewichtsstabilen Booten, meist Yachten, trägt der Kiel oft etwa 35–50 % zum Gesamtgewicht des Bootes bei. Er setzt der Krängung eine aufrichtende Kraft entgegen. Dadurch ist eine Kenterung nur unter sehr schweren Wind- und Seegangsbedingungen möglich.

Im nebenstehenden Bild ist G der Gewichtsschwerpunkt (Schwerpunkt des Bootes) und A der Formschwerpunkt (Schwerpunkt der verdrängten Wassermasse). In diesen Punkten kann man sich die Gewichts- bzw. Auftriebskräfte vereinigt denken. Für die Gewichtsstabilität ist die Lage von G ausschlaggebend: Bei zunehmender Krängung wandert der Gewichtsschwerpunkt nach außen und erhöht damit das aufrichtende Drehmoment.

Außerdem verringert sich bei zunehmender Krängung der Winddruck am Segel.

Formstabilität[Bearbeiten]

Formstabilität

Im Unterschied zu Kielyachten sind die meisten Jollen überwiegend formstabil. Das (meist ausklappbare) leichte Schwert einer Jolle hat keinen nennenswerten aufrichtenden Effekt. Auch Katamarane haben aufgrund ihrer Breite eine hohe Formstabilität.

Im nebenstehenden Bild ist G der Gewichtsschwerpunkt (Schwerpunkt des Bootes) und A der Formschwerpunkt (Schwerpunkt der verdrängten Wassermasse). In diesen Punkten kann man sich die Gewichts- bzw. Auftriebskräfte vereinigt denken. Für die Formstabilität ist die Lage von A ausschlaggebend.

Bei aufrechter Lage des Bootes wird auf beiden Seiten des Rumpfes gleich viel Wasser verdrängt. A befindet sich dann mittig im Rumpfquerschnitt, es entsteht kein Drehmoment. Mit zunehmender Krängung (siehe Bild) wird Wasser vor allem auf einer Seite des Rumpfes verdrängt. Dadurch wandert A nach außen, es entsteht ein Drehmoment. Je breiter das Boot ist, desto weiter wandert A nach außen und desto stärker ist das aufrichtende Drehmoment. Wenn die Krängung zu groß wird, nimmt das Drehmoment allerdings wieder ab, weil dann der breite Rumpf gekippt ist und A wieder näher zur Mitte liegt. Eine leichte Krängung wird daher durch das kräftige aufrichtende Drehmoment kompensiert („Wasserwiderstand“), während eine zu starke Krängung zum Kentern des Bootes führt.

Außerdem verringert sich bei zunehmender Krängung der Winddruck am Segel. Auch die Crew kann der Krängung entgegenwirken, indem sie ihr Gewicht nach Luv verlagert.

Es gibt sogar Beispiele für komplett formstabile Bootstypen mit negativer Anfangsstabilität. Diese besitzen im Ruhezustand keine aufrechte Schwimmlage.

Kenterwinkel[Bearbeiten]

Hauptartikel: Kenterwinkel

Sowohl bei form- als auch bei gewichtsstabilen Booten gibt es einen bestimmten Krängungswinkel, den Kenterwinkel, bei dem das Gewicht des Kiels bzw. der Besatzung eine Verstärkung der Krängung bewirken, so dass das Boot kentert. Bei gewichtsstabilen Kielyachten liegt der Kenterwinkel meist zwischen 110° und 160°, bei Schwertjollen dagegen in der Regel unter 90°. Je nachdem, wie sich ein bestimmtes Boot bei verschiedenen Krängungswinkeln verhält, spricht man von hoher Anfangs- bzw. Endstabilität. Während bei Kielyachten die Kieloben-Lage schwer erreichbar ist und in der Regel durch Seegang schnell wieder beendet wird, kentern Jollen leicht durch und liegen mit dem Schwert nach oben stabil im Wasser.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Helmers, Walter (Hrsg.): Müller-Krauß, Handbuch für die Schiffsführung. Band 3, Seemannschaft und Schiffstechnik, Teil B. Springer Verlag, Berlin 1980, ISBN 3-540-10357-0.
  • Hermann Kaps: Stabilität, Trimm, Festigkeit In: Knud Benedict (Hrsg.), Christoph Wand (Hrsg.): Handbuch Nautik II - Technische und betriebliche Schiffsführung. Seehafen Verlag (DVV Media Group), Hamburg 2011, ISBN 978-3-87743-826-8, S. 65–153.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Stabilität – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien