Entwicklung eines semi-probabilistischen Bemessungskonzepts zur Optimierung der Füllung einer Binnenschifffahrtsschleuse

Abstract

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Vertäuung von Binnenschiffen in Schleusen. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik zur Bestimmung der Seilkräfte der Vertäuung in Abhängigkeit von der Schiffskraft. Die Seilkräfte müssen begrenzt werden, um ein Versagen der Trossen zu verhindern. Im Fall eines Trossenrisses wird die Spannenergie schlagartig frei und es besteht Lebensgefahr durch zurückschnellende Trossenenden. Diese Forschungsarbeit leistet damit einen Beitrag zur notwendigen Überarbeitung der Kriterien für die während einer Schleusung zulässigen Schiffskräfte. Von der wirkenden Schiffskraft kann nicht direkt auf die wirkende Trossenkraft geschlossen werden, da letztere unter anderem von unbekannten Parametern wie Trossenlänge, Trossenmaterial und der Vorspannung abhängt. Aus diesem Grund werden Trossen und Schiffskräfte in einem statistischen Zusammenhang betrachtet. Damit wird das Verhältnis von Trossen- zu Schiffskraft durch einen Verstärkungsfaktor und eine korrespondierende Überschreitungswahrscheinlichkeit ausgedrückt, was eine direkte Bestimmung der zulässigen Schiffskräfte in Abhängigkeit von einem festzulegenden Risiko ermöglicht. Hierfür werden zunächst mit Monte-Carlo-Simulationen auf Basis eines stark abstrahierten Modells die wirkenden Trossenkräfte bestimmt. Der erzeugte Datensatz wird zur statistischen Beschreibung der Verstärkungsfaktoren genutzt. Die Zulässigkeit der Abstraktion wird durch einen Vergleich mit den Ergebnissen eines hierfür erstellten 3D-hydronumerischen Modells auf Basis des Strömungslösers OpenFOAM® nachgewiesen. Weiterhin wurde der hydronumerische Ansatz durch einen Vergleich mit einem gegenständlichen Labormodell des Systems validiert.

This doctoral thesis focuses on the mooring of inland waterway vessels in locks. The aim of this work is to develop a method for determining the hawser forces as a function of the ship force. The hawser forces must be limited in order to avoid a failure of the hawsers. In the case of a line failure, the tensile energy will be released abruptly and there is a danger to life due to snapping back line ends. This research work contributes to the necessary revision of the criteria for the ship forces allowed during a lockage. It is not possible to directly determine the acting hawser force from the acting ship force, as the hawser force depends on unknown parameters such as length, material and pretension of the hawsers. For this reason, hawser and ship forces are considered in a statistical context. The ratio of hawser force to ship force is thus expressed by an amplification factor and a corresponding probability of exceedance, which enables the allowable ship forces to be determined directly as a function of a defined risk. For this purpose, the acting hawser forces are first determined using Monte Carlo simulations on the basis of a highly abstracted model. The generated data set is used for the statistical description of the amplification factors. The reliability of the abstraction is verified by a comparison with the results of a 3D hydronumerical model created for this purpose based on the flow solver OpenFOAM®. Furthermore, the hydronumerical approach was validated by comparison with a physical model of the system.