Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann Dipl.-Ing. Thorsten Dettmann

Binnenschiffsführungssimulator der BAW

111. Hauptversammlung der Schiffbautechnischen Gesellschaft (STG)

Ein neues Planungswerkzeug für den Verkehrswasserbau

Hamburg, 17.11.2016

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Inhalt

1. Veranlassung 2. Anforderungen an den Simulator für fahrdynamische Untersuchungen

im Binnenbereich 3. Kalibrierung der Modellschiffe 4. Praxisbeispiele 5. Zusammenfassung

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Herausforderungen im Verkehrswasserbau im Kontext Fahrdynamik

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Schiffgrößen nehmen zu, Querschnitte bleiben gleich Grenzen der Stromregelung erreicht Sohlen- und Uferbelastungen nehmen zu

Verkehrswasserbau und Klimawandel Stromregelung und Sedimentbewirtschaftung Verkehrswasserbau und Ökologie

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Entwicklung fahrdynamischer Verfahren in der BAW

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Graewe (1971): Bemessung von Fahrspurbreiten

Fahrdyn (1992): Geodätische Einmessung von Schiffen

Trasse (1995): Trassierung in stehenden Gewässern

PeTra 1D/2D (2000/2005): Trassierung in fließenden Gewässern

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Grenzen der fahrdynamischen Modelle − Manöverfahrt

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Beispiele für Manöverfahrten

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Entwicklung fahrdynamischer Verfahren in der BAW

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ANS 5000 (2009): Bewertung von Manöverfahrten 2D Strömungs-, 6 DoF-Modell

ANS 6000 und BoWave (2015): Wellenausbreitung und Interaktion Schiff/Wasserstraße (in Echtzeit), Human factor, z. B. Stress-belastung

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Fahrdynamische Merkmale der Binnenschifffahrt (im Gegensatz zur Seeschifffahrt): Binnenschiffe fahren in der Regel unter Flachwasserbedingungen und in seitlich begrenzten Gewässern.

Binnenschiffe fahren häufig in strömenden Gewässern mit lokal hochkomplexen Strömungsfeldern.

Binnenschiffe haben in der Regel Zwillingsruder, die Ruderwinkel bis nahezu 900 zulassen.

Die Bugstrahlruder von Binnenschiffen saugen das Wasser am Boden an; deren Wirkung wird durch die Flachwasserbedingungen beeinflusst.

In der Binnenschifffahrt gibt es Gleitmolen, insbesondere an Schleusenvorhäfen.

…

Vorgehensweise: Kauf eines kommerziell verfügbaren Seeschiffsführungssimulator und Anpassung an die für den Binnenbereich

spezifischen Verhältnisse

Anforderungen an den Binnenschiffsführungssimulator der BAW

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Binnenschiffsführungssimulator der BAW

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Implementierte Ansätze − Monitormodul

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Implementierte Ansätze − Bugstrahlruder

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In Entwicklung befindliche Ansätze − Kollisionsmodell (mit Rheinmetall Defence Electronics)

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Eigenschaften des Kollisionsmodells: Dreidimensionale Kollisionskontrolle zwischen Schiff und Umgebung in Echtzeit Übermittlung der Normalvektoren und optional der Materialpaarungen

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In Entwicklung befindliche Ansätze − Hydraulisches Kraftmodell

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Naturmessungen

üGMS „Vigilia (135 m/11,45 m/4,5 m): Erfassung der Kommandos aus dem Steuerhaus Messung der Maschinenparameter (Drehzahl, Ruderwinkel, …) Erfassung der Schiffsbewegungen mittels GPS

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Naturmessungen – Beispiel Drehkreismanöver

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Modelluntersuchungen an einem Referenzschiff (üGMS, 2-Schrauber, M 1:16)

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CPMC-Tests im Tiefwassertank der HSVA

Modellbau und Tiefwasserschleppversuche in der SVA Potsdam

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Modelluntersuchungen an einem Referenzschiff

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Freifahrtversuche Z-Manöver im Flachwasser MARIN, Wageningen

Entwurf und PMM-Test im Flachwasser DST, Duisburg

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CFD-Untersuchungen (mit Universität Duisburg-Essen)

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Simulation von Nahwandfahrten Replikation gefesselter Manövrierversuche

Untersuchung von Propulsor-Ruder-Interaktionen

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Kalibrierte Modellschiffsflotte der BAW

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GMS, üGMS

SV

Sonstige

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Eisenbahnbrücke Hamm (Datteln-Hamm-Kanal)

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Hamm

Lippe DHK

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Istzustand − Allgemein zugelassener Verkehr: 86 m/9,65 m/2,5 m

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Simulatorfahrt: Istzustand – üGMS (135 m/12,45 m/2,8 m) zu Tal

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Simulatorfahrt: Istzustand – üGMS zu Tal

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Planungszustand − Uferzurücknahme und Spundwandufer, keine Änderungen an der Brücke

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Simulatorfahrt: Planungszustand – SV (185 m/12,45 m/2,8 m) zu Tal

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Simulatorfahrt: Planungszustand – SV zu Tal

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Grundsatzuntersuchungen zu Schleusenvorhäfen (M 1:16, mit DST)

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Untersuchungen zur Fahrgastkabinenschifffahrt auf dem Main

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Untersuchungen zur Stressbelastung (mit TU Berlin)

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Die Besonderheit des BAW-Simulators besteht darin, dass der Rechenkern eines kommerziellen (Seeschiffs-) Simulators an die spezifischen fahrdynamischen Anforderungen der Binnenschifffahrt angepasst wird.

Kalibriert werden die im Simulator verwendeten Schiffsmodelle durch aufwändige Naturmessungen, Untersuchungen im wasserbaulichen Modell sowie numerische Untersuchungen.

Mit ihren hochaufgelösten hydronumerischen Modellen verfügt die BAW über ein weiteres Alleinstellungsmerkmal beim Einsatz ihres Simulators.

Der personelle und finanzielle Aufwand, der notwendig ist, um von der ersten Idee für den Einsatz eines Schiffsführungssimulators im Verkehrswasserbau bis zur erfolgreichen Projektarbeit zu kommen, darf nicht unterschätzt werden.

Der Simulator hat mittlerweile einen festen Platz im „Methoden-Werkzeugkasten“ der BAW und ist schon heute für zahlreiche fahrdynamische Untersuchungen nicht mehr wegzudenken.

Zusammenfassung

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Bundesanstalt für Wasserbau 76187 Karlsruhe www.baw.de

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