Untersuchungen zur Querfestigkeit langer Binnentankschiffe ohne Mittellängsschott

Diplomarbeit von Nikolai Augustiniak

Einleitung:

Die in der aktuellen Auflage der Bauvorschriften des Germanischen Lloyds für Binnenschiffe veröffentlichten Dimensionierungsformeln für die Querbauteile von Doppelhüllen-Binnentankschiffen wurden in den 50er Jahren basierend auf Rechnungen nach der Balkentheorie entsprechend den damaligen Randbedingungen entwickelt. Diese Randbedingungen sind heute allerdings nicht mehr gültig.

Zum einen hat sich die Konstruktionsweise geändert. Bis vor einigen Jahren wurden Doppelhüllen-Binnentankschiffe noch mit einem durchgehenden Mittellängsschott gebaut. Die heutigen Neubauten werden dagegen ohne Mittellängsschott ausgeführt. Statt dessen werden bei jedem Rahmenspant die Deckrahmen über ein Rund-Vollprofil auf Mitte Schiff an der Bodenwrange abgestützt. Hierdurch ergeben sich für die Rahmenbauteile (Deckrahmen, Seitenrahmen und Bodenwrange) andere Lager- und Kopplungsbedingungen. Die Balkenersatzsysteme, mit denen in den 50er Jahren die Rahmenspantkonstruktionen berechnet wurden, sind von der Modellierung der Lagerungen auf die heutigen Konstruktionen nicht mehr anwendbar.

Zum anderen sind mittlerweile auf dem Rhein auch größere Schiffe zugelassen. Früher waren die maximalen Abmessungen auf eine Länge von 110m und eine Breite von 11,4m beschränkt, heute werden Längen bis zu 135m genehmigt. Containerschiffe sind in dieser Größe schon gebaut worden, sie weisen z.T. eine Gesamtbreite von 14,4m auf. Für Tankschiffe liegen hier allerdings noch keine Erfahrungswerte vor.

Damit wird eine Überarbeitung und Modernisierung der GL-Bauvorschriften notwendig. Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll deshalb die Querfestigkeit von Doppelhüllen-Binnentankschiffen vom Typ C (Chemikalientanker) entsprechend den heute gültigen Randbedingungen untersucht werden. Zu beachten war hierbei u.a. auch die Einhaltung der vom Gesetzgeber in der Verordnung über die Beförderung gefährlicher Güter auf Binnengewässern „ADNR“ gestellten Anforderungen an diesen Tankschiftlyp.

Gang der Untersuchung:

Der erste Schritt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Querfestigkeit der Tankräume von Schiffen, die in der derzeitigen Konstruktionsweise gebaut wurden über FEM-Analysen. Hierzu wurden geeignete FEM-Modelle entwickelt, sowie die maßgeblichen Lastfälle und Lagerungsbedingungen festgelegt.

In einem zweiten Schritt wird für die betrachteten Rahmenspanten eine Berechnung über ein entsprechendes Balkenersatzsystem hergeleitet. Ein Vergleich der in der FEM-Analyse und in der Balkenrechnung ermittelten Ergebnisse soll dann Aufschluß darüber bringen, inwieweit der Ansatz eines Balkenersatzsystems zur Berechnung der Rahmenbauteile gesicherte Ergebnisse liefern kann.

Ziel ist es hierbei, aufbauend auf diesen Ergebnissen Berechnungsgrundlagen und -Formeln zur Dimensionierung der Rahmenbauteile zu entwickeln, wobei hier als Schwerpunkt der Deckrahmen zu behandeln ist.

In einem Unterpunkt wird noch auf die Positionierung und die Gestaltung von Durchstiegslöchern in den Seitenrahmen eingegangen. Diese Durchstiegslöcher werden in den ADNR gefordert. Als Ergebnis sollen hier Vorschläge zur Positionierung des Lochs und zur Auslegung der Lochgurtung formuliert werden, so daß überkritische Spannungen infolge lokaler Effekte durch das Loch ausgeschlossen werden können.

Die Berechnungen in dieser Untersuchung werden mit dem Ansatz durchgeführt, daß die Belastungen der Querbauteile durch Schiffslängsdurchbiegung und Torsion vernachlässigbar sind.

Inhaltsverzeichnis:

	Abkürzungsverzeichnis	4
1.	Einleitung	7
2.	Anforderungen an den Doppelhüllentanker Typ C gemäß ADNR	9
3.	Die angesetzen Lastfälle	12
4.	Die FEM-Analyse	15
4.1	Beschreibung der berechneten FE-Modelle	15
4.2	Die Lagerungsbedingungen	22
4.3	Ergebnisse der FEM-Analyse	23
5.	Berechnung der Rahmenspantkonstruktion als Balkenersatzsystem	32
5.1	Grundlagen der Deformationsmethode	32
5.2	Lagerbedingungen des Balkenersatzsystems	37
5.3	Aufstellen des Gleichungssystems	40
5.4	Berechnung des Lastvektors	41
6.	Berechnung zusätzlicher Federsteifigkeiten	48
6.1	Die Absenkfedersteifigkeit der Bodenrostkonstruktion	48
6.1.1	Ermittlung der Feder über FEM-Rechnungen	48
6.1.2	Ermittlung der Feder über Balkenrechnung und Entwicklung einer Überschlagsformel	50
6.2	Berücksichtigung von Trägerverbindungen über Torsionsfedersteifigkeiten	55
6.2.1	Trägerverbindungen über geflanschte Knie	55
6.2.2	Trägerverbindungen mit zusätzlicher Aussteifung	62
6.2.3	Trägerverbindungen mit Erleichterungslöchern	64
7.	Vergleich der in FEM-Rechnung und Balkenrechnung ermittelten Spannungsverläufe in den Rahmenbauteilen	67
7.1	Spannungsverläufe in den Deckrahmen	70
7.2	Spannungsverläufe in Seitenrahmen und Bodenwrangen	74
8.	Erörterung der Ursachen der lokalen Spannungsüberhöhungen	77
8.1	Überhöhte Biegenormalspannungen in den Enden der Rahmenbauteile	77
8.2	Überhöhung der Schubspannungen in den Einspannstellen der Rahmenbauteile	82
8.3	Spannungsüberhöhungen in den Seitenrahmen der Modelle 2.1 - 2.3	85
9.	Entwicklung eines Verfahrens zur Berechnung der maximalen Spannungen im Deckrahmen	86
9.1	Die Näherungsansätze	86
9.2	Berechnungsformeln für die Steifigkeiten, Federkonstanten und Lastvektorkomponenten	90
9.3	Zusammenfassung des Rechenverfahrens	96
10.	Parameterstudie	101
10.1	Ziel	101
10.2	Die berechneten Konstruktionen	102
10.3	Ergebnisse	103
10.3.1	Dimensionierung des Deckrahmens	103
10.3.2	Dimensionierung von Seitenrahmen und Bodenwrange	105
10.3.3	Fehler durch die in Kapitel 9.1 vorgestellten Näherungsansätze	108
11.	Konstruktive Details	110
11.1	Die Durchstiegslöcher im Wallgang	110
11.1.1	Positionierung der Löcher	110
11.1.2	Ausgurtung der Löcher	112
11.2	Gestaltung des geflanschten Knies als Verbindung von Seiten- und Deckrahmen	117
12.	Zusammenfassung	118
13.	Literaturverzeichnis	120
14.	Software	121
15.	Abbildungs- und Tabellenverzeichnis	122
16.	Anhang	125