Autor: Lars Eggert

Im Schiffbau treten verstärkt Forderungen nach gewichtsoptimierten Konstruktionen in den Vordergrund. Die Gründe hierfür sind eindeutig: Zum einen ist es möglich, bei gleichbleibenden Deplacement mehr Ladung aufzunehmen oder bei ausrüstungsintensiven Schiffen mehr gewichtsintensive Ausrüstung und Einrichtung installieren zu können. Außerdem kann durch eine gewichtsoptimierte Konstruktion die Stabilitätssituation verbessert werden, was eine höhere Flexibilität bei der Wahl der Schiffsbreite und der Schiffslinien und damit auch der vorzusehenden Antriebsleistung bedeutet. Da der Strukturanteil eines ausrüstungsintensiven Schiffes wie z.B. eines Marineschiffes, Passagierschiffes oder einer großen Yacht mit ca. 35-40 % den größten Anteil am Gesamtgewicht ausmacht, liegt es auf der Hand, dass das Einsparpotenzial in den Baugruppen der Schiffstruktur aus absoluter Sicht am höchsten ist. So können durch geschickte Verbesserungen dreistellige Tonnenzahlen an Gewichtseinsparung erzielt werden. Dabei müssen selbstverständlich die an die Schiffstruktur gestellten Forderungen nach Grenztragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit erfüllt werden. So werden im Wechselspiel zwischen Konstruktion und Dimensionierung auftretende Beanspruchungen den Beanspruchbarkeiten gegenübergestellt. Dabei kommen vier Kriterien zum Tragen: Im Vordergrund steht, dass die Struktur global oder lokal wirkenden (quasi-) statischen Einwirkungen standhalten muss. Ein zweites Kriterium ist die ausreichende Dimensionierung gegen Stabilitätsversagen druckbeanspruchter Bauteile, welches insbesondere bei Dünnblechkonstruktionen entscheidend sein kann. Weiterhin ist die Schiffstruktur für eine ausreichende Betriebsfestigkeit zu dimensionieren, um Risse bei wechselnder Beanspruchung, wie sie z.B. im Seegang auftritt, zu vermeiden. Eine weitere, dimensionierungsrelevante Größe ist die Forderung nach Vibrations- und Geräuscharmut, die insbesondere bei Marine- und Passagierschiffen sowie bei Yachten zum Tragen kommt. Diese Kriterien sind durch entsprechende Vorgaben der Bemessungsregelwerke beschrieben [1], [2], [3], wobei die Auftraggeber oftmals noch schärfere Kriterien fordern oder die Werft aus eigenen Qualitätsansprüchen die Forderungen der Regelwerke übererfüllen möchte. Bei der Optimierung der schiffbaulichen Struktur sollte diese idealerweise so konfiguriert werden, dass mit der gewählten Dimensionierung alle Forderungen gleichzeitig gerade erfüllt werden. Aus diesem Grund ist eine pauschale Angabe anzusetzender Maßnahmen zur Strukturgewichtsoptimierung nicht möglich. Es muss vielmehr ermittelt werden, welches Dimensionierungskriterium in welchen Bereichen der Struktur zum Tragen kommt und mit welchen Maßnahmen eine Optimierung hinsichtlich dieses Kriteriums möglich ist. Eine verbreitete Möglichkeit, das Strukturgewicht zu optimieren ist die Verwendung von Materialien höherer Festigkeit. So werden zum Beispiel Stähle mit Nennstreckgrenzen von 690 MPa und darüber angeboten. Diese können im Schiffbau bei einer dimensionierungsrelevanten Beulund Betriebsfestigkeit oder der Forderung nach Vibrations- und Geräuscharmut nicht grenzenlos eingesetzt werden. Es hat jedoch insbesondere beim Bau von Marineschiffen die schiffsweite Verwendung von höherfesten Schiffbaustählen mit einer Nennstreckgrenze von 355 MPa, in Teilbereichen bis zu 400 MPa, Einzug gefunden. Diese ermöglicht bei Schiffsgrößen von ca. 80 m auch in der oberen Gurtung eine Verwendung von Blechdicken hinab bis hin zu 4 mm. Als Ergebnis der Konstruktion bzw. Dimensionierung werden diese Dünnblechstrukturen zunächst in ihrem idealen Zustand dargestellt. Diese Darstellung erfolgt im Zuge der Entwicklung auch aus Gründen der räumlichen Koordinierung und der Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Disziplinen der schiffbaulichen Entwicklung meist zuerst in einem dreidimensionalen Geometriemodell, welches für den Bau der Strukturen in zweidimensionale Zeichnungen heruntergebrochen wird [4]. Verschiedene Einflüsse während der Fertigung führen dazu, dass sich das gebaute Produkt vom konstruierten Modell unterscheidet. Diese Abweichungen werden als Imperfektionen bezeichnet. Dabei unterscheidet man zwischen Abweichungen hinsichtlich der äußeren Geometrie, also geometrischen Imperfektionen, und Abweichungen des inneren Zustandes, also inneren Imperfektionen [5]. Diese Abweichungen vom idealen Zustand treten in allen Stufen des Fertigungsprozesses auf und sind meist durch thermische Einflüsse beim Trennen und Fügen begründet. Auch schon während der Herstellung der Halbzeuge wie Platten und Profile und während des Transportes im Fertigungsprozess entstehen Imperfektionen. Weitere Imperfektionen treten beim Betrieb der Produkte auf, die durch Verschleiß und hier insbesondere durch Korrosion begründet sind. Fertigungstoleranzen für geometrische Imperfektionen sind in den Regelwerken für die schiffbauliche Fertigung vorgegeben [6], [7]. Hinsichtlich der Dimensionierung der zu bauenden Strukturen werden Imperfektionen in der Art berücksichtigt, dass ihre Auswirkungen auf Festigkeit und Steifigkeit in den Regelwerken berücksichtigt werden. Dies kann in sicherheitsbehafteten Bemessungskonzepten durch die Wahl entsprechender Teilsicherheitsfaktoren [8] oder durch das Zugrundelegen bestimmter Imperfektionsansätze erfolgen. Dabei werden für die unterschiedlichen Bemessungskriterien verschiedene Ansätze verfolgt: Bei der Bemessung nach (quasi-) statischen Kriterien, also der Dimensionierung für eine hohe Beanspruchbarkeit, sind spannungserhöhende Anteile pauschal in den Teilsicherheitsfaktoren enthalten, siehe hierzu auch [8]. Bei der Bemessung gegen Kriterien der Beulfestigkeit sind zusätzlich Imperfektionen durch Ansätze für Vorverformungen enthalten, die in Ihrem Verlauf und ihrer Amplitude vorher festgelegt sind. Die Amplitude betreffend sind Regelwerke vorhanden, die dem Anwender hinsichtlich der zu erwartenden Fertigungsqualität eine gewisse Flexibilität bei der Dimensionierung erlauben, z.B. [1], [9], [10]. Auch bei der in dieser Arbeit im Fokus stehenden Bemessung nach Betriebsfestigkeitskriterien werden die Imperfektionen bei den Beanspruchbarkeiten berücksichtigt. Dabei werden verschiedene Konzepte zur Nachweisführung angeboten. Bei Anwendung örtlicher Konzepte wie Struktur- oder Kerbspannungskonzept können Imperfektionen bei der Ermittlung der auftretenden Spannung direkt in den Berechnungsmodellen berücksichtigt werden. Da diese Berechnungsmodelle jedoch mit einem hohen Aufwand zur Ermittlung der Beanspruchbarkeit verbunden sind, wird seitens der Werften das Nennspannungskonzept zur Beurteilung der Betriebsfestigkeit favorisiert. Die auftretende Beanspruchung in Form von Nennspannungen wird an der ideal ebenen Struktur ermittelt. Spannungserhöhungen durch Imperfektionen sind pauschal in der anzusetzenden Referenzspannungsschwingbreite der FAT-Klasse berücksichtigt, die zulässige Spannungsschwingbreite ist also entsprechend abgemindert [11]. In der Vergangenheit hat sich gezeigt, dass die an Stumpfstößen schiffbaulicher Dünnblechkonstruktionen auftretenden Imperfektionen das pauschal berücksichtigte Maß beim Nennspannungskonzept massiv überschreiten können, was erstmals an einem konkreten Anwendungsfall festgestellt wurde. Dies führte im Schiffbau zu einer Unsicherheit hinsichtlich der Dimensionierung nach dem Nennspannungskonzept, die in dieser Arbeit aufgeklärt werden soll. So ist es das Ziel dieser Arbeit, die wesentlichen geometrischen Imperfektionen für eine sichere und gewichtsoptimierte Dimensionierung nach dem Nennspannungskonzept zu erfassen.

Im Schiffbau treten verstärkt Forderungen nach gewichtsoptimierten Konstruktionen in den Vordergrund. Die Gründe hierfür sind eindeutig: Zum einen ist es möglich, bei gleichbleibenden Deplacement mehr Ladung aufzunehmen oder bei ausrüstungsintensiven Schiffen mehr gewichtsintensive Ausrüstung und Einrichtung installieren zu können. Außerdem kann durch eine gewichtsoptimierte Konstruktion die Stabilitätssituation verbessert werden, was eine höhere Flexibilität bei der Wahl der Schiffsbreite und der Schiffslinien und damit auch der vorzusehenden Antriebsleistung bedeutet. Da der Strukturanteil eines ausrüstungsintensiven Schiffes wie z.B. eines Marineschiffes, Passagierschiffes oder einer großen Yacht mit ca. 35-40 % den größten Anteil am Gesamtgewicht ausmacht, liegt es auf der Hand, dass das Einsparpotenzial in den Baugruppen der Schiffstruktur aus absoluter Sicht am höchsten ist. So können durch geschickte Verbesserungen dreistellige Tonnenzahlen an Gewichtseinsparung erzielt werden. Dabei müssen selbstverständlich die an die Schiffstruktur gestellten Forderungen nach Grenztragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit erfüllt werden. So werden im Wechselspiel zwischen Konstruktion und Dimensionierung auftretende Beanspruchungen den Beanspruchbarkeiten gegenübergestellt. Dabei kommen vier Kriterien zum Tragen: Im Vordergrund steht, dass die Struktur global oder lokal wirkenden (quasi-) statischen Einwirkungen standhalten muss. Ein zweites Kriterium ist die ausreichende Dimensionierung gegen Stabilitätsversagen druckbeanspruchter Bauteile, welches insbesondere bei Dünnblechkonstruktionen entscheidend sein kann. Weiterhin ist die Schiffstruktur für eine ausreichende Betriebsfestigkeit zu dimensionieren, um Risse bei wechselnder Beanspruchung, wie sie z.B. im Seegang auftritt, zu vermeiden. Eine weitere, dimensionierungsrelevante Größe ist die Forderung nach Vibrations- und Geräuscharmut, die insbesondere bei Marine- und Passagierschiffen sowie bei Yachten zum Tragen kommt. Diese Kriterien sind durch entsprechende Vorgaben der Bemessungsregelwerke beschrieben [1], [2], [3], wobei die Auftraggeber oftmals noch schärfere Kriterien fordern oder die Werft aus eigenen Qualitätsansprüchen die Forderungen der Regelwerke übererfüllen möchte. Bei der Optimierung der schiffbaulichen Struktur sollte diese idealerweise so konfiguriert werden, dass mit der gewählten Dimensionierung alle Forderungen gleichzeitig gerade erfüllt werden. Aus diesem Grund ist eine pauschale Angabe anzusetzender Maßnahmen zur Strukturgewichtsoptimierung nicht möglich. Es muss vielmehr ermittelt werden, welches Dimensionierungskriterium in welchen Bereichen der Struktur zum Tragen kommt und mit welchen Maßnahmen eine Optimierung hinsichtlich dieses Kriteriums möglich ist. Eine verbreitete Möglichkeit, das Strukturgewicht zu optimieren ist die Verwendung von Materialien höherer Festigkeit. So werden zum Beispiel Stähle mit Nennstreckgrenzen von 690 MPa und darüber angeboten. Diese können im Schiffbau bei einer dimensionierungsrelevanten Beulund Betriebsfestigkeit oder der Forderung nach Vibrations- und Geräuscharmut nicht grenzenlos eingesetzt werden. Es hat jedoch insbesondere beim Bau von Marineschiffen die schiffsweite Verwendung von höherfesten Schiffbaustählen mit einer Nennstreckgrenze von 355 MPa, in Teilbereichen bis zu 400 MPa, Einzug gefunden. Diese ermöglicht bei Schiffsgrößen von ca. 80 m auch in der oberen Gurtung eine Verwendung von Blechdicken hinab bis hin zu 4 mm. Als Ergebnis der Konstruktion bzw. Dimensionierung werden diese Dünnblechstrukturen zunächst in ihrem idealen Zustand dargestellt. Diese Darstellung erfolgt im Zuge der Entwicklung auch aus Gründen der räumlichen Koordinierung und der Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Disziplinen der schiffbaulichen Entwicklung meist zuerst in einem dreidimensionalen Geometriemodell, welches für den Bau der Strukturen in zweidimensionale Zeichnungen heruntergebrochen wird [4]. Verschiedene Einflüsse während der Fertigung führen dazu, dass sich das gebaute Produkt vom konstruierten Modell unterscheidet. Diese Abweichungen werden als Imperfektionen bezeichnet. Dabei unterscheidet man zwischen Abweichungen hinsichtlich der äußeren Geometrie, also geometrischen Imperfektionen, und Abweichungen des inneren Zustandes, also inneren Imperfektionen [5]. Diese Abweichungen vom idealen Zustand treten in allen Stufen des Fertigungsprozesses auf und sind meist durch thermische Einflüsse beim Trennen und Fügen begründet. Auch schon während der Herstellung der Halbzeuge wie Platten und Profile und während des Transportes im Fertigungsprozess entstehen Imperfektionen. Weitere Imperfektionen treten beim Betrieb der Produkte auf, die durch Verschleiß und hier insbesondere durch Korrosion begründet sind. Fertigungstoleranzen für geometrische Imperfektionen sind in den Regelwerken für die schiffbauliche Fertigung vorgegeben [6], [7]. Hinsichtlich der Dimensionierung der zu bauenden Strukturen werden Imperfektionen in der Art berücksichtigt, dass ihre Auswirkungen auf Festigkeit und Steifigkeit in den Regelwerken berücksichtigt werden. Dies kann in sicherheitsbehafteten Bemessungskonzepten durch die Wahl entsprechender Teilsicherheitsfaktoren [8] oder durch das Zugrundelegen bestimmter Imperfektionsansätze erfolgen. Dabei werden für die unterschiedlichen Bemessungskriterien verschiedene Ansätze verfolgt: Bei der Bemessung nach (quasi-) statischen Kriterien, also der Dimensionierung für eine hohe Beanspruchbarkeit, sind spannungserhöhende Anteile pauschal in den Teilsicherheitsfaktoren enthalten, siehe hierzu auch [8]. Bei der Bemessung gegen Kriterien der Beulfestigkeit sind zusätzlich Imperfektionen durch Ansätze für Vorverformungen enthalten, die in Ihrem Verlauf und ihrer Amplitude vorher festgelegt sind. Die Amplitude betreffend sind Regelwerke vorhanden, die dem Anwender hinsichtlich der zu erwartenden Fertigungsqualität eine gewisse Flexibilität bei der Dimensionierung erlauben, z.B. [1], [9], [10]. Auch bei der in dieser Arbeit im Fokus stehenden Bemessung nach Betriebsfestigkeitskriterien werden die Imperfektionen bei den Beanspruchbarkeiten berücksichtigt. Dabei werden verschiedene Konzepte zur Nachweisführung angeboten. Bei Anwendung örtlicher Konzepte wie Struktur- oder Kerbspannungskonzept können Imperfektionen bei der Ermittlung der auftretenden Spannung direkt in den Berechnungsmodellen berücksichtigt werden. Da diese Berechnungsmodelle jedoch mit einem hohen Aufwand zur Ermittlung der Beanspruchbarkeit verbunden sind, wird seitens der Werften das Nennspannungskonzept zur Beurteilung der Betriebsfestigkeit favorisiert. Die auftretende Beanspruchung in Form von Nennspannungen wird an der ideal ebenen Struktur ermittelt. Spannungserhöhungen durch Imperfektionen sind pauschal in der anzusetzenden Referenzspannungsschwingbreite der FAT-Klasse berücksichtigt, die zulässige Spannungsschwingbreite ist also entsprechend abgemindert [11]. In der Vergangenheit hat sich gezeigt, dass die an Stumpfstößen schiffbaulicher Dünnblechkonstruktionen auftretenden Imperfektionen das pauschal berücksichtigte Maß beim Nennspannungskonzept massiv überschreiten können, was erstmals an einem konkreten Anwendungsfall festgestellt wurde. Dies führte im Schiffbau zu einer Unsicherheit hinsichtlich der Dimensionierung nach dem Nennspannungskonzept, die in dieser Arbeit aufgeklärt werden soll. So ist es das Ziel dieser Arbeit, die wesentlichen geometrischen Imperfektionen für eine sichere und gewichtsoptimierte Dimensionierung nach dem Nennspannungskonzept zu erfassen.