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Festigkeit der Schiffe

[712] Festigkeit der Schiffe. Der Rumpf eines Schiffes muß genügende Fertigkeit mit möglichster Leichtigkeit vereinigen, da unnötiges Mehrgewicht die Tragfähigkeit und damit den Wert des Schiffes beeinträchtigt. Die auf Lockerung des Verbandes wirkenden Kräfte sind so weit zu ermitteln, um die Verbandstärke nach wissenschaftlichen Grundsätzen annähernd richtig bestimmen und nach vorhandenen Beispielen Vergleiche ziehen zu können. Die Beanspruchungen werden verschieden, je nachdem das Schiff im ruhigen Wasser schwimmt oder im Seegang auf sich fortwälzenden Wellen bewegt wird, wobei noch die stampfenden und rollenden Bewegungen berücksichtigt werden müssen. Ferner treten Beanspruchungen des Schiffsrumpfes auch durch den treibenden Motor, bei Grundberührungen und beim Docken der Schiffe ein, die gleichfalls bei Konstruktion des Rumpfes berücksichtigt werden müssen. Hiernach können Hauptspannungen auftreten, veranlaßt durch Kräfte, die ein Biegungsmoment längsschiffs verursachen; Kräfte, die bestrebt sind, die Querschiffsform des Schiffes zu ändern; Kräfte, die durch die Treibmittel – Wind oder Dampf – verursacht werden; Kräfte, die auf einzelne Teile wirken und daher örtliche Schäden oder Formänderungen anstreben. Die Beanspruchung in der Längsrichtung ist: namentlich bei Schiffen von großer Länge die wichtigste, und daher ist die Festigkeitsberechnung meist auf Ermittlung des größten Biegungsmomentes in der Längsrichtung und der Widerstandsmomente des fraglichen Querschnittes beschränkt.[712]

Biegungsmomente längsschiffs treten sowohl im ruhigen Wasser als auch vor allem im Seegang auf. Obwohl jedes Schiff so viel an Wasser verdrängt, als sein eignes Gewicht beträgt, so ist doch Gewicht und Auftrieb auf die Länge des Schiffes nicht gleichmäßig verteilt, da einesteils die Schiffsform der Länge nach verschiedene Auftriebe bedingt, andernteils die Gewichte von Schiffskörper, Maschinenanlage und Zuladung ungleichmäßig verteilt sind (s. Fig. 1).

Befindet sich nun ein Schiff auf der unebenen See, so nimmt dessen eingetauchter Teil beim Fortschreiten der Wellen beständig neue Gestalten an, die einen steten Wechsel der Auftriebkräfte verursachen, je nach der Form der Welle und ihrer Lage zum Schiff. Den Berechnungen legt man meist eine Welle, deren Länge gleich der Schiffslänge und deren Höhe gleich ¹/₂₀ der Wellenlänge ist, zugrunde. Wellen von größerer oder geringerer Länge als die Schiffslänge wirken günstiger auf den Schiffsverband. Von den Wellenlagen zum Schiff sind für die Ermittlung des Maximalbiegungsmomentes die beiden extremsten von Bedeutung. Schwimmt das Schiff auf dem Kamm einer Welle, so tritt das Bestreben auf, das Schiff in der Mitte aufzubuchten, es entsteht ein Aufbuchtungs-(Hogging-) moment. Schwebt das Schiff über einem Wellental und werden die Schiffsenden von zwei Wellenkämmen getragen, so neigt der Schiffskörper dazu, in der Mitte durchzusacken; es entsteht ein Durchsackungs-(Sagging-) moment. Die Fälle, bei denen der Schiffskörper durch Grundberührung besonderen Biegungsmomenten unterworfen ist, kommen weniger für die Festigkeitsberechnung auf Biegung in Betracht, da in diesen Fällen stets die lokale Inanspruchnahme so groß ist, daß Beschädigungen an den Aufsitzstellen stattfinden werden. Die Biegungsmomente ermittelt man am besten graphisch mit Hilfe der Gewichtskurve, welche die einzelnen Belastungen des Schiffes mit Zuladung auf die Schiffslänge verteilt angibt, und der Deplacementskurve, welche die entsprechenden Auftriebe kennzeichnet und verschiedene Formen annimmt, je nachdem das Schiff im ruhigen Wasser, auf dem Wellenberg oder auf dem Wellental schwimmt (Fig. 1). Aus beiden Kurven ergibt sich dann nach den einzelnen Gewichts- bezw. Deplacementsüberschüssen die Belastungskurve und aus dieser durch Integration die Kurve der Vertikalkräfte und durch nochmalige Integration die der Biegungsmomente (s. Fig. 2 und [1], [6], [9]–[11]). Für Kriegsschiffe ist die Gewichtskurve genau zu ermitteln, da Gewicht und Schwerpunktslage von Schiffskörper nebst Panzer, von der Armierung, von Maschine, Kessel und Ausrüstung feststeht [6], [9]. Bei den Handelsschiffen ist jedoch die Belastung eine schwankende, und man wählt für die Festigkeitsberechnung entsprechend der Größe der Laderäume eine homogene Ladung [1], [5]. Da die genaue Berechnung des Maximalbiegungsmomentes aus der Deplacements- und Gewichtskurve nur nach Fertigstellung der Schiffspläne möglich und außerdem sehr zeitraubend ist, so hat man für Entwürfe und für Schiffe ähnlicher Formen ein überschlägliches Verfahren eingeführt, bei dem das Maximalbiegungsmoment M im Verhältnis zum Deplacement D mal Schiffslänge L gesetzt wird. Es ist dann M = D L : K. Der Wert von K schwankt bei Handelsschiffen zwischen 22 und 42, und zwar bei Schiffen mit leeren Kohlenbunkern zwischen 22 und 33, bei Schiffen mit vollen Bunkern zwischen 31 und 42 bei homogener Ladung, und zwar für das Aufbuchtungsmoment, das für diese Schiffe stets das Maximal biegungsmoment ist [1], [5]. Bei Kriegsschiffen, und zwar bei Zitadellschiffen und Panzerschiffen mit zentraler Batterie, sowie bei Torpedofahrzeugen, ferner bei Raddampfern ist das Maximalbiegungsmoment ein Durchsackungsmoment, und K schwankt dann zwischen 23 und 65; bei Gürtelpanzerschiffen mit Panzertürmen, bei Panzerkreuzern, Panzerdeckschiffen und Avisos ist das Aufbuchtungsmoment das größere, und K ist dann 22–40 [1].

Der gefährliche Querschnitt des Schiffsrumpfes mit Bezug auf die Biegungsbeanspruchung liegt gewöhnlich in der Nähe der Schiffsmitte und geht durch die Nietreihe eines Spantes und Deckbalkens. Die Größe des Widerstandsmomentes hängt sowohl von der Lage der neutralen Achse als auch von den Trägheitsmomenten aller zum Längsverbände beitragenden Schiffsteile, bezogen auf die neutrale Achse, ab. Die günstigste Lage der neutralen Achse ist auf etwa ³/₈ der Raumtiefe vom Kiel aus. Die Berechnung des Trägheitsmomentes des Schiffsquerschnittes J, bezogen auf die neutrale Achse, ergibt sich nach der Formel J = i₁ + i₂ + i₃ ... f₁a₁² + f₂a₂² + f₃a₃² ..., worin i₁i₂i₃ ... die Trägheitsmomente der Querschnitte der einzelnen Längsverbände um ihre Schwerpunktsachse, f₁ f₂ f₃ die Querschnittsflächen und a₁ a₂ a₃ ... die Entfernung ihres Schwerpunktes von der neutralen Achse bezeichnen. Zu den Längsverbänden sind zu rechnen Außenhaut, Mittel- und Seitenkiele, Doppelboden, Längsschotte, Decksstringer und stählerne Decks. Letztere können aus Mangel an Steifigkeit unter sich jedoch nur eine geringe Druckspannung vertragen (nach John 5–8 kg pro Quadratmillimeter bei 5–8 mm dicken Blechen) und werden daher bisweilen nicht berücksichtigt, da sie bei Druckbeanspruchung leicht durchbeulen. Nur gekrümmte Decks, Panzerdecks sowie stählerne Decks mit Holzbelag bilden einen sicheren Verbandsteil [5], [11]. Bisweilen konstruiert man aus den Längsverbänden des[713] gefährlichen Querschnittes einen äquivalenten Träger von gleicher Höhe wie der Schiffsrumpf und kann dann das Trägheitsmoment mit Hilfe des Integrators bestimmen. Bestehen die Verbandsteile aus verschiedenen Materialien, so werden die Querschnitte im Verhältnis der Fettigkeit der einzelnen Materialien mit Bezug auf Eisen oder Stahl reduziert. Holz für Decks- und Außenhautbeplankung bringt man mit ¹/_16–¹/₂₅ des Querschnittes als Eisen oder Stahl in Anrechnung [11]. Die größte Spannung ergibt sich dann aus S = M a₁/J bezw. S = M a₂/J und sie tritt entweder im Boden oder im Oberdeck, je nach Lage der neutralen Achse, auf. Für Schiffsteile, die auf Zug beansprucht werden, ist ein Zuschlag von 20%, für solche auf Druck ein Zuschlag von 5% zu der berechneten Spannung für Schwächungen durch Nietungen zu machen [5]. Nach diesen Berechnungen ergeben sich Beanspruchungen, die im allgemeinen 10 bis 12 kg pro Quadratmillimeter nicht übersteigen [2], [6], [9], [10]. Bei Schiffen von außerordentlicher Länge (schnellen Kreuzern und Schnelldampfern) ergeben die Hauptspannungen Werte von 15–20 kg pro Quadratmillimeter. Nach Johns nimmt die zulässige Maximalspannung für die obere Gurtung des Schiffsquerschnitts mit der Größe des Schiffes zu, sie wächst für Schiffe von 100 Reg.-Tonnen mit 2,5 kg/qmm auf 12,5 kg/qmm für Schiffe von 3000 Reg.-Tonnen [11]. Wenn trotzdem diese Schiffe allen Beanspruchungen widerstanden haben, so ist dies ein Beweis, daß die Festigkeitsberechnung der Schiffe nur als Anhalt dienen kann, zumal die Annahmen, die den Berechnungen zugrunde gelegt sind, Wellenform und Deplacementsverteilung, der Wirklichkeit nur selten entsprechen werden. Auch sind für genaue Rechnungen besondere Korrektionen zu berücksichtigen (vgl. [1]). Infolge der Kreisbewegung der Wasserteile in der Welle wird der Flüssigkeitsdruck im Wellenberg ein geringerer sein als im Wellental. Der Auftrieb der in den Wellenberg tauchenden Schiffsteile wird daher kleiner sein, als die Rechnung ergibt, und derjenige im Wellental entsprechend größer. Auf dem Wellenberg schwimmend wird daher der, Auftrieb mittschiffs in Wirklichkeit kleiner, an den Enden größer sein, als die Rechnung nach der Wellenform ergibt, während über einem Wellental liegend der Auftrieb an den Enden kleiner und mittschiffs größer wird, so daß sowohl das Durchfackungs- als auch das Aufbuchtungsmoment sich in Wirklichkeit günstiger gestalten werden. Diese Korrektur hat nach Rechnungen für ein Schiff mit scharfen Enden ergeben, daß das Aufbuchtungsmoment nur mit 77%, das Durchsackungsmoment mit 55% in Rechnung zu ziehen ist [1].[714]

Die Biegungsmomente werden ferner beeinflußt durch die vertikalen Oszillationen des Schiffes auf der Welle, und die Abnahme des Aufbuchtungsmomentes ist bei einem Beispiel zu 7%, die Zunahme des Durchsackungsmomentes zu 20% berechnet worden [1], [12]. Die Wirkungen des Stampfens und Setzens auf die Beanspruchung des Schiffsrumpfes lassen sich rechnerisch nicht berücksichtigen; ein Schiff- mit sanften Bewegungen wird im allgemeinen weniger beansprucht werden als ein solches mit heftigen Bewegungen. Die Wirkungen hängen von der Stampfperiode ab, die sich nach der Art der Gewichtsverteilung richtet. Sind die Gewichte längsschiffs so verteilt, daß die Trägheitsmomente von Vor- und Hinterschiff um das Hauptspant gleich sind, so findet eine Beeinflussung der Biegungsmomente nicht statt [1]. Die Rollbewegungen beeinflussen das Biegungsmoment insofern, als durch die Neigung des Schiffes die Deplacementsverteilung sich ändert. Auch tritt durch die Drehung der neutralen Achse eine Aenderung des Trägheitsmoments des Schiffsquerschnitts ein. Sie treten jedoch nur auf bei Lage des Schiffes quersees, bei welcher Lage die Biegungsbeanspruchungen an sich sehr gering sind.

Neben den Zug- und Druckspannungen an den Gurten des äquivalenten Trägers können bisweilen die Schubspannungen in der Nähe der neutralen Achse eine beachtenswerte Größe erreichen. Dieselben wurden zuerst bei Holz- und Kompositschiffen beobachtet, bei denen die Außenhaut aus einzelnen schmalen, miteinander nur durch die Spanten verbundenen Planken besteht. Man verwendet daher bei größeren Holzschiffen Diagonalplanken oder Diagonalbänder, um diese Schubspannungen aufzunehmen. Bei hölzernen Dampfjachten und Dampfbooten ist dieses System dahin erweitert, daß man die einzelnen Plankenlagen der Außenhaut, bei zwei Lagen die innere, bei drei Lagen die beiden inneren, in diagonaler Richtung anordnet (s. Bootsbau [1]). Doch auch bei den eisernen bezw. stählernen Schiffen sind infolge der Schubspannungen im besonderen bei den Verbindungen der Außenhautplatten in der Nähe der neutralen Achse Lockerungen des Verbandes entstanden, so daß neuerdings diese Schubspannungen bei den Festigkeitsberechnungen gleichfalls in Rücksicht gezogen werden [7], [9]. Diese Schubspannungen erreichen ihren größten Wert in denjenigen Querschnitten des Schiffes, in welchen die Vertikalkräfte V ein Maximum ergeben, und die Schubspannung ist dann

und wird für z = 0 ein Maximum, während sie für z = a, d.h. an den äußeren Gurtungen gleich Null wird (Fig. 4) [8]. Bei T-förmigen Trägern, entsprechend dem äquivalenten Träger eines Schiffsquerschnittes, kann sie drei- bis viermal größer werden, als wenn die Schubkraft über die ganze Querschnittsfläche gleichmäßig verteilt gedacht ist (Fig. 3). Die Schubspannung ändert sich im umgekehrten Verhältnis mit der Plattenstärke d in der neutralen Achse, während die Zug- und Druckspannungen an den Gurten unabhängig sind von der Plattendicke der Materialien an diesen Stellen. Es erklärt sich hieraus, daß man auf dem Oberdeck der Schiffe leichte Aufbauten herstellen kann, obwohl die Zug- und Druckspannungen, wenn diese Bauteile als tragende Teile des Trägers mit berücksichtigt werden, für diese von den neutralen Achsen entfernt liegenden Bauteile sehr bedeutend sein können.

Die Querschiffsfestigkeit kommt in der Hauptsache in Frage beim Docken des Schiffes, wenn dasselbe kurze Zeit auf dem Kiel allein aufruht, im besonderen bei den breiten Panzerschiffen mit Panzergürteln an den Seiten. Ein sorgfältiges Abstützen der Schiffe im Dock ist daher stets geboten. Ebenso können beim Rollen der Schiffe in See durch die Kräftebeschleunigungen Beanspruchungen querschiffs auftreten, die dahin streben, den Querschnitt zu verschieben und den Winkel zwischen den Decks und den Schiffswänden zu verändern, was bei Holzschiffen häufig den Bruch der Balkenknie veranlaßt hat. Die Spannungen hängen von der Heftigkeit und von der Periode des Rollens ab, doch sind hierüber bestimmte Daten noch nicht ermittelt worden. Dagegen lassen sich die Spannungen, welche der Winddruck auf die Segel, durch Mast und Wanten auf den Querverband des Schiffes ausübt, genauer berechnen; diesen Beanspruchungen ist durch zweckmäßige Dreiecksverbände leicht zu begegnen. Die Querschiffsfestigkeit spielt daher eine Rolle bei Festsetzung der Abmessungen der Spanten und Bodenwrangen, der Balken sowie der Deckstützen, auch kann die Zahl der Decks von Einfluß sein. Durch die allgemeine Einführung des Doppelbodens sowie die Vermehrung der wasserdichten Schotte ist die Querschiffsfestigkeit wesentlich gesteigert, und es ist dieser Tatsache mit zuzuschreiben, daß die Spantkonstruktion der modernen Trampdampfer allen Anforderungen entsprochen hat [11], [13].

Die lokale Fertigkeit des Schiffsrumpfes kommt in Frage bei den Unterstützungen und Lagerungen für Ruder, Schraube und Schraubenwelle, beim Vorsteven bei Gelegenheit des Rammens, bei den Beanspruchungen der Decks durch den Druck der Masten, den Rückstoß der Geschütze, das Gewicht der Panzertürme u.s.w., und dieselbe läßt sich meist rechnerisch genau ermitteln. Unbestimmter bleibt die Beanspruchung der Außenhautbleche gegen den äußeren Wasserdruck bezw. Wellenschlag sowie bei Grundberührungen und beim Docken, und es stützen sich die Materialstärken der Bleche meist auf Erfahrungsdaten. Nach Einführung des weichen Stahls für Schiffsbauzwecke (Sternens-Martin-Flußeisen) ist es sogar zu empfehlen, nicht zu dicke Bleche zu verwenden, da bei Grundberührungen und Kollisionen diese leicht aufreißen, während dünnere Bleche nur verknüllen, ohne zu brechen. Man zieht es daher vor, gewissermaßen die Platten nach der Dicke zu teilen und dem Schiff durch den Einbau eines doppelten Bodens die genügende Fertigkeit und zugleich größere Sicherheit bei Grundberührungen zu geben [1].

Für die sachgemäße Verteilung des Materials im Schiffsrumpf sind nach vorgehendem folgende Gesichtspunkte maßgebend: Die größte Beanspruchung wird das Schiff mittschiffs erfahren, und alle Verbandteile sind daher hier am stärksten zu wählen. Eine sachgemäße Verteilung des Materials mit Bezug auf die neutrale Achse wird größte Fertigkeit bei möglichster Materialersparnis mit sich bringen unter Berücksichtigung der Schubspannungen in der Nähe der neutralen Achse. Das Verhältnis von Raumtiefe zu Schiffslänge wird hierbei einen Hauptfaktor[715] bilden. Die Vergrößerung der Raumtiefe durch leichte Aufbaudecks bietet jedoch für eine rationelle Fertigkeit eine Grenze, da durch die Hinzuziehung von leichten Decksaufbauten und Brückendecks die Fertigkeit des Schiffsrumpfes nicht merklich erhöht wird und ferner die Schubspannungen in der Nähe der neutralen Achse erheblich wachsen. Man müßte dann schon die leichten Aufbaudecks durch Trägerkonstruktionen mit Dreiecksverband mit dem Oberdeck verbinden, um die Schubspannungen aufzunehmen. Derartige Trägerkonstruktionen haben bisher nur bei flachgehenden Flußschiffen Anwendung gefunden, im besonderen bei Hinterraddampfern, bei denen zur besseren Ausbalancierung die Maschine mit Rad im Hinterschiff und der Kessel vorne aufgestellt wird. Die Trägerkonstruktion bildet dann eine Fortsetzung der Bordwände und dient zugleich zur Stützung der leichten Brückendecks. Für die Konstruktion des Schiffsrumpfes ist ferner von besonderer Bedeutung, daß der Durchlauf der Hauptverbandteile gewahrt bleibt. Wo durch notwendige Unterbrechungen eine Schwäche entsteht, muß sie durch andre Verbandteile ausgeglichen werden, so z.B. bei Absätzen des Hauptdecks wie bei Schiffen, mit erhöhtem Quarterdeck, beim Uebergang der Doppelbodenkonstruktion in eine einfache Bodenwrangen- und Spantkonstruktion, bei großen Oeffnungen in den Hauptdecks und in der Außenhaut u.s.w. [11], [14]. – Die Materialstärken für die einzelnen Teile des Schiffsrumpfes, können nach vorstehendem unter Benutzung erprobter Beispiele rechnerisch ermittelt werden. Da jedoch bei einem Entwurf die Hauptdaten sich erst durch die Zeichnungen ergeben, so ist man zunächst auf Annahmen angewiesen, und es finden daher für die Festsetzung der Materialstärken die von den Schiffsklassifikationsgesellschaften – Englischer Lloyd, Bureau Veritas und Germanischer Lloyd – auf Erfahrungen und wissenschaftliche Forschungen begründeten Vorschriften für den Bau hölzerner, eiserner und stählerner Schiffe allgemeine Verwendung. In denselben sind die Materialstärken für die einzelnen Verbandteile nach bestimmten Verhältnissen, Größe des Deplacements, Verhältnis von Länge zu Raumtiefe, Spantumfang und Schiffsbreite, tabellarisch zusammengestellt. Für extreme Typen bedarf es jedoch einer besonderen Festigkeitsberechnung.

Literatur: [1] White, W.H., A Manual of Naval Architecture, London 1894. – [2] Steinhaus, Ueber Spannungen in den Längsverbänden eiserner Schiffe, Hamburg 1887. – [3] Theare, Theoretical Naval Architecture, London 1877. – [4] Lutschaunig, Die Theorie des Schiffes, Triest 1879. – [5] Zeitschr. d. Vereins deutsch. Ingen., Berlin 1889, S. 723. – [6] Mitteilungen aus dem Gebiet des Seewesens, Pola 1876. – [7] Engineering, London 1890, Bd. 1, S. 458. – [8] Bach, C., Elastizität und Fertigkeit, Berlin 1905. – [9] Radermacher, C., Festigkeitsberechnung der Schiffe, Jahrbuch der Schiffbautechn. Ges., Berlin 1900. – [10] Neudeck, Leitfaden für den Unterricht im Schiffbau, Berlin 1902. – [11] Walton, Thomas, Steel Ships, London 1901. – [12] Alexander, F.H., Bending Moments of Ships, Engineering 1905, I, S. 751. – [13] Bruhn, J., The transverse strength of ships, Engineering 1901, II, S. 30, und 1904, I, S. 585. – [14] Bruhn, J., The Stresses at the Discontinuities in a Ship's Structure, Engineering 1899, I, S. 429.

T. Schwarz.

Fig. 1.

Fig. 2., Fig. 4.

Fig. 3.