Systematische Untersuchung von Slamming-Drücken

270 | Mai 1971
SCHRIFTENREIHE SCHIFFBAU
P. Schenzle, J. Broelmann, P. Blume
Systematische Untersuchung von
Slamming-Drücken mit Hilfe von
Dreh-Fall-Versuchen in Wellen

Systematische Untersuchung von Slamming-Drücken
mit Hilfe von Dreh-Fall-Versuchen in Wellen
Peter Schenzle
Jobst Broelmann
Peter Blume
.
Mai 1971 Bericht Nr. 270

INSTITUT FÜR SCHIFFBAU DER UNIVERSITÄT HAMBURG
Bericht Nr. 270
Systematische Untersuchung von Slamming-Drücken
mit Hilfe von Dreh-Fall-Versuchen in Wellen
Bericht zum Forschungsauftrag T 01
- 860 - I _ 205
Bearbeiter:
Leiter:
(Prof. Dr.-Ing. O. Grim)
Hamburg, Mai 1971

Bericht zum Forschungsauftrag T 01 - 860 - I - 205

Systematische Untersuchung von Slamming-Drücken
mit Hilfe von Dreh-Fall-Versuchen in Wellen
Seite
Vorbemerkung
Zusammenfassung
1. Grundlage
2. Ziel der Untersuchungen
Modell und Meßeinrichtung
4. Fallversuch
4.1.
4.2.
Aufbau
Durchführung und Ergebnisse
Drehfallversuch in glattem Wasser
1
2
3
6
7
8
12
5.1. Aufbau
5.2. Durchführung und Ergebnisse
6. Drehfallversuch in regelmäßigen entgegenlaufenden
Wellen
14
6.1. Aufbau
6.2. Durchführung und Ergebnisse
7. Gegenüberstellung der Ergebnisse
8. Feststellungen
17
19
Literatur
21
Anhang 1:
Anhang 2:
Bilder
Fotos
Nr. 1 39
Nr. I IX

1
Vorbemerkung
Fährt ein Schiff entgegen der mittleren Laufrichtung
des Seegangs, so führt es im wesentlichen Tauch- und
Stampfbewegungen aus (vertikale Translation und Drehung
um eine horizontale Querachse).
In schwerem Seegang kann dabei in einem gewissen Bereich
des Vorschiffes die vertikale Relativbewegung zwischen
Schiff und Wasseroberfläche so groß werden, daß der
Schiffsboden austaucht. Beim Wiedereintauchen kann das
Schiff, besonders beim Aufschlagen flacher Bodenbereiche
auf die Wasseroberfläche, starke hydrodynamische Stöße
erfahren, die in Schiffbau und Schiffahrt als tlSlammingtl
bekannt sind. Neben erheblichen lokalen Belastungen der
Bodenbeplattung wird dadurch der ganze Schiffskörper zu
Biegeschwingungen angeregt.

2
Zusammenfassung
In einer Reihe von Fallversuchen in Glattwasser und von
Dreh-Fallversuchen in Glattwasser und in Wellen mit
demselben Schiffsmodell wurde versucht, durch Bodendruckmessungen
an mehreren Stellen des Kiels einen Beitrag zu
leisten zur Klärung der Abhängigkeit des größten auftretenden
Slamming-Drucks von der Relativgeschwindigkeit zwischen
Schiffsboden und Wellenoberfläche, von der Bodenform und
von den Eintauchbedingungen.
Die Druckwerte des Fallversuchs stehen bei etwa quadratischer
Geschwindigkeitsabhängigkeit in guter übereinstimmung mit
denen zweidimensionaler Fallversuche.
Die Steifigkeit ist im flachbodigen Bereich von wesentlichem
Einfluß auf den Slamming-Druck.
Während die Druckbeiwerte aus dem Fallversuch im vorderen
Modellbereich auch bei den Dreh-Fallversuchen in Glattwasser
und in Wellen nicht überschritten wurden, traten im flachbodigen
Bereich bei beiden Dreh-Fallversuchen in einem gewissen
Bereich kleiner Eintauchwinkel zum Teil um ein Mehrfaches
höhere Drücke auf als beim Eintauchwinkel null beim
Fall- und Dreh-Fallversuch.
Die aufgetretenen Erscheinungen bedürfen zu ihrer Klärung
gezielter Untersuchungen.

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1. Grundlage
Die vorliegenden UntersuchUnge~)sollen die Frage von möglichen
statistischen Eigenschaften der Abhängigkeit des
größten auftretenden Slamming-Drucks von der Relativgeschwindigkeit
zwischen der Wellenoberfläche und dem Schiffsboden
klären helfen. Diese Frage ist bisher nicht befriedigend zu
beantworten. Sie ist wesentliche Voraussetzung für die Beurteilung
und Abschätzung gefährlicher Bodenbeanspruchungen.
Eine Untersuchung von Meyerhoff [1J im Rahmen des Forschungsauftrages
T 01-326-I-205 hat folgenden Stand erbracht: Druckmessungen
bei Fallversuchen mit flachbodigen Modellen von
sehr unterschiedlicher Größe zeigen jeweils recht gut eine
Abhängigkeit des größten auftretenden Drucks proportional dem
Quadrat der Auftreffgeschwindigkeit des Modells. Diese Tendenz
hat man bisher bei allen Fallversuchen feststellen können.
Dabei ist allerdings zu beachten, daß die Auftreffgeschwindigkeiten
in den in [lJ ausgewerteten Fallversuchen nur in einem
relativ kleinen Bereich variiert wurden, nämlich höchstens im
Verhältnis von etwa 1:2. Die zitierte Untersuchung zeigt außerdem
im Diagr.5(Bild40),daß sich die Ergebnisse der Fallversuche
mit den verschiedenen flachbodigen Modellen alle etwa in die
gleiche Tendenz einordnen lassen. Dies legt den Schluß nahe,
daß beim hydrodynamischen Stoß flachbodiger Modelle im wesentlichen
nur Newtonsche (dynamische) Ähnlichkeit zu erfüllen ist.
In [lJ wurden außerdem die "Dreh-Fall-Versuche" von Bledsoe
und Schwartz [2J ausgewertet. Erste Versuche dieser Art mit
einem Schiffsmodell wurden 1954 von Todd [3J veröffentlicht.
Damals erfolgten allerdings noch keine Bodendruckmessungen.
Bei den Dreh-Fall-Versuchen kann sich das Modell um eine festgehaltene
Querachse im Hinterschiff drehen und dabei eine
spezielle Stampfbewegung ausführen. Das Vorschiff des Schiffsmodells
wird auf eine vorbestimmte Höhe angehoben und von dort
auf die ruhende Wasseroberfläche fallengelassen. Bei diesen
~) Die Untersuchung wurde von der Fraunhofer-Gesellschaft zur
Förderung der angewandten Forschung e.V. ermöglicht, der
die Autoren hiermit ihren Dank aussprechen.

4
Versuchen haben Bledsoe und Schwartz die Vertikalbeschleunigung
in der Nähe des Vorstevens und den Bodendruck an mehreren
Stellen des Vorschiffs gemessen. Bei der Auswertung dieser
Messungen durch Meyerhoff [1J wurde der größte bei diesen
Versuchen überhaupt gemessene Druck betrachtet. Die Auf treffgeschwindigkeiten
sind in [2J nicht angegeben und mußten daher
abgeschätzt werden. Die dabei möglichen Fehler können das
grundsätzliche Bild nicht beeinflussen: Die Druckmessung bei
diesem Dreh-Fall-Versuch ordnet sich gut in die Tendenz ein,
die aus den Fallversuchen ermittelt wurde.
Dieses Ergebnis der Auswertung bestärkt die häufig geäußerte
Vermutung, daß der ungünstigste Stoß auf den Boden eines
Schiffes im Seegang dem Stoß eines Kastenmodells im Fallversuch
nahekommt.
Auf der anderen Seite hat Ochi [4J aus Versuchen mit einem
Modell eines "f1J:ariner"-Schiffes in unregelmäßigem Modell-Seegang
den Zusammenhang zwischen dem Druck, der am Kiel des
Modells auf 0,1 L vom Vorsteven gemessen wurde, und der Relativgeschwindigkeit
zwischen dem Modell und der Wellenoberfläche
im betrachteten Spantquerschnitt im Augenblick des Stoßes bestimmt.
Dabei wurde vorausgesetzt, daß die etwa 3,0 m vor dem
3,87mlangen Modell gemessenen Wellen sich bis zu dem betrachteten
Querschnitt nicht deformieren. Das im übrigen auch im
Bericht [5J nicht genau beschriebene Verfahren zur Bestimmung
der Relativgeschwindigkeit könnte wohl nur zu einem kleinen
Teil für die große Abweichung dieser Auswertung von den Ergebnissen
der Fall- und der Dreh-Fall-Versuche verantwortlich gemacht
werden. Bei Dreh-Fall-Versuchen in Wellen kann man diese
Schwierigkeit ganz vermeiden.
Die Auswertung von Ochi [4J zeigt überraschend deutlich eine
Abhängigkeit des größten bemessenen Drucks proportional dem
Quadrat der Auftreffgeschwindigkeit. Die Meßwerte liegen aber
fast um eine Zehnerpotenz unter den Ergebnissen der Fall- und
Dreh-Fall-Versuche.

5
Die Auswertung für den Spantquerschnitt 0,1 L vom Vorsteven
ist offenbar nicht zweckmäßig, wenn man Aussagen über die ungünstigsten
Beanspruchungen durch Stöße gewinnen will. Die
höchsten Druckwerte hat Ochi (vgl. auch [5J ) am Spant 0,2 L
vom Vorsteven gemessen. Diese Drücke waren bis etwa doppelt so
groß wie am Spant 0,1 L vom Vorsteven. Da man erwarten kann,
daß di~ Relativgeschwindigkeit an dem hinteren der beiden
Querschnitte kleiner ist, zeigt sich die Wichtigkeit, bei der
Auswertung die relativ am höchsten belasteten Querschnitte zu
erfassen.
In der Diskussion zum Vortrag von Meyerhoff [1J hat Weinblum
ebenfalls auf die Möglichkeit und den Nutzen von Dreh-Fall-
Versuchen in Wellen hingewiesen (vgl. [6J ).

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2. Ziel der Untersuchungen
Der Vergleich der Ergebnisse der Fallversuche und der Modellversuche
im Modellseegang legt die Vermutung nahe, daß es sich
bei den festgestellten Unterschieden nicht oder nur in unbedeutendem
Maße um einen Maßstabeinfluß handelt. Man kann vielmehr
vermuten, daß der ungünstigste Stoß auf den Boden eines
Schiffsmodells im Seegang dem Stoß eines flachbodigen Modells
im Fallversuch nahekommt, daß aber bei den bekannten Versuchen
im Modellseegang die ungünstigsten Fälle nicht erfaßt worden
sind.
Es ist zu erwarten, daß die geometrischen Voraussetzungen für
diesen ungünstigsten Stoß, je nach Art des Seegangs, der
Schiffsform, der Beladung, der Geschwindigkeit, der Kursrichtung
usw., nur bei einzelnen Stößen oder auch gar nicht
erfüllt sind. Außerdem werden die ungünstigsten Bedingungen
nicht immer an den gleichen Querschnitten erfüllt sein.
Die Untersuchungen sollen den Zusammenhang zwischen dem
höchsten möglichen Druck während des Stoßes und der vertikalen
Relativgeschwindigkeit liefern. Außerdem sollen sie Aufschluß
darüber liefern, welche geometrischen Verhältnisse zwischen
Wellenoberfläche und Schiffsboden im Augenblick des Stoßes
die höchsten Drücke verursachen. Beide Angaben können dann in
statistischen Betrachtungen zur Vorhersage gefährlicher Beanspruchungen
und ihrer Häufigkeit verwendet werden.
In den üblichen Seegangsversuchen mit einem freien Modell in
den Wellen besteht nicht genügend Freiheit, die geometrischen
und dynamischen Verhältnisse im Augenblick des Stoßes zu beeinflussen,
um systematische Untersuchungen anzustellen.
Dreh-Fall-Versuche in regelmäßigen Wellen bieten dagegen eher
die Möglichkeit, die Bedingungen zu steuern und gleichzeitig
einigermaßen reproduzierbar zu machen. Sie erlauben außerdem,
die vertikale Relativgeschwindigkeit zu bestimmen.
Fallversuche und Dreh-Fall-Versuche in glattem Wasser mit
demselben Modell und derselben Meßeinrichtung sollen die direkte
Gegenüberstellung der Druckmeßwerte aus allen drei Versuchsarten
ermöglichen.

7
3. Modell und Meßeinrichtung
Für das Modell wurde der Typ des "Mariner"-Schiffes gewählt,
weil für ihn bereits andere systematische Versuchsreihen
vorliegen und weil seine Form auch heute noch typisch für
schnellere Handelsschiffe ist.
( Bild 1 u.I).
Außerdem diente er als Modell bei den Slamming-Messungen von
Ochi [4J in unregelmäßigem Modellseegang, und ein Spantquerschnitt
dieses Typs wurde in den zweidimensionalen Fallversuchen
von Ochi und Schwartz [7J untersucht.
Das ca. 2 m lange Modell ist im Maßstab 1:80 aus glasfaserverstärktem
Kunststoff hergestellt und durch ein Sperrholzdeck
verschlossen. Im Vorschiffsbereich sind längs der Mittellinie
im Boden sechs Buchsen zur Aufnahme von piezo-elektrischen
Quarz-Druckmeßdosen des Typs "Kistler" 701 A bzw. 7031 eingelassen
(Bild 2,3u.I ). Die Druckaufnehmer haben eine Meßfläche
von 9,5 mm Durchmesser, die bündig an die umgebende
Außenhaut anschließt. Zum Versetzen oder Auswechseln sind die
Druckaufnehmer durch zwei wasserdicht verschließbare Handlöcher
im Deck zugänglich. Die in einer Ladungsverschiebung
bestehenden Signale der Druckaufnehmer werden durch einen
speziellen"l>iezo-Verstärker" in Spannungssignale umgewandelt
und auf einem Kathodenstrahl-Oszillographen sichtbar gemacht,
dessen einmaliger Strahldurchlauf durch das fallende Modell
selbst kurz vor dem Stoß über einen Mikroschalter gestartet
wird. Vom Zweistrahl-Oszillographen können durch Zerhackung
der beiden Strahlen neben einer Wegmarke die Signale von
maximal drei Druckdosen aufgezeichnet werden. Die nicht benötigten
Meßstellen werden solange durch Attrappen verschlossen.
Die Wegmarken, die das Modell während des Falls passiert,
sind die Zähne einer Zahnstange vom Modul 1,(d.h. einer
Teilung von 'Ifmm), die mit einem induktiven Geber aufgenommen
werden.
Das Schirmbild des Oszillographen wird von einer Kleinbildkamera
aufgenommen, deren Verschluß jeweils kurz vor und nach
dem Versuch manuell betätigt wird.

8
4. Fallversuch
...
4.1. Aufbau
Beim reinen Fallversuch ist das Modell horizontal ausgerichtet
und wird an zwei senkrechten Gleitschienen geführt. Dabei
läuft die mitfallende AUfhängungsvorrichtung mit Kugelbuchsen
auf den runden Gleitschienen aus hartverchromtem Stahl.
In den verschiedenen Fallhöhen wird das Modell durch einen
Elektromagneten gehalten, der direkt an einer Blechplatte an
Deck des Modells angreift. Der Fallversuch wird durch Abschalten
des Magneten begonnen. Kurz vor dem Auftreffen auf die
Wasseroberfläche betätigt das fallende Modell den Mikroschalter,
über den der Startimpuls an den Oszillographen gegeben wird (
(BiIdYllund 4).
Das Modell fällt in ein Wasserbecken von 5 m Durchmesser und
1 m Wassertiefe, an dessen Rand ein einfacher, 5 cm breiter
horizontaler Blechstreifen in Höhe des Wasserspiegels als
"Strand" zur Dämpfung der beim Fall erzeugten Wellen angebracht
ist. Bei einer Länge von nur einem Viertel des Beckenumfangs
konnte so die erforderliche Wartezeit zwischen zwei
Versuchen zur Beruhigung der Wasseroberfläche von ca. 20 auf
10 Minuten verringert werden.
4.2. Durchführung und Ergebnisse
Der reine Fallversuch wurde mit drei verschiedenen Fallhöhen
von ca. 230, 150 und 80 mm durchgeführt. Für die zugehörigen
Auftreffgeschwindigkeiten sind die registrierten Wegmarkierungen
maßgebend, da die Endgeschwindigkeiten wegen der Lagerreibung
kleiner als beim entsprechenden freien Fall sind.
Eine typische Aufzeichnung von 3 Mepkanälen und einer Wegmarke
gibt Bild N wieder. Es zeigt unter einer sinusförmigen Wegmarke
die Druckverläufe an 3 Meßstellen. Beim Aufzeichnen von
vier Meßgrößen verfolgt jeder Strahl des zweistrahligen Oszillographen
wechselweise zwei zerhackte Ordinatenverläufe
dieser vier Größen. Die Zerhackerfrequenz von ca. 110 kHz

9
äußert sich bei großen Neigungen der aufgezeichneten Funktion
in deren Aufsplitterung in einzelne Punkte. Das bringt bei
der Registrierung eines sehr steilen Druckanstiegs die Gefahr,
daß die Druckspitze nicht mehr eindeutig abzulesen ist. Deshalb
wurden nur zwei Meßkanäle benutzt, wenn sehr steile
Druckspitzen zu erwarten waren. Bei zunehmender Breite des
flachen Bodens, also im Bereich 0,7 L wurden zunächst unerwartet
kleine Druckausschläge bei Auftreffen gemessen, wohl aber
eine Reihe größerer Druckamplituden im darauffolgenden Zeitraum
festgestellt (Bild V)
Die erste, nicht aber die zweite Erscheinung wäre als Effekt
eines Luftpolsters unter dem flachen Boden zu erklären gewesen.
Da die Vermutung nahelag, daß neben dem Druck auch Anteile aus
der Beschleunigung im Signal des Druckaufnehmers eine Rolle
spielten, wurden dieselben Messungen wiederholt mit unten
verschlossenen Druckdosen (Bild1a)
Der Vergleich der Bilder V und 1lIbestätigt den wesentlichen
Einfluß der Beschleunigungsempfindlichkeit der zuerst verwendeten
Druckdosen 701 A. Ein exakter Vergleich ist allerdings
deshalb nicht möglich, weil die Verschlußkonstruktion eine
wesentliche Massenerhöhung gegenüber der unverschlossenen
Meßbuchse mit sich brachte.
Neben dem direkten Einfluß der Beschleunigung des vibrierenden
Bodens über die Beschleunigungsempfindlichkeit der Druckaufnehmer
auf das Meßsignal war noch ein indirekter Einfluß der
elastischen BOdenverformung über dadurch erregte dynamische
Druckänderungen auf das Meßsignal zu vermuten. Um diesen
indirekten Beschleunigungseinfluß weitgehend auszuschalten,
wurde der Modellboden im Bereich der Meßstellen durch energieaufnehmende
Verstärkungen in Form von hohen im Abstand von
5 cm stehendenBodenwrangen aus 10 mm starkem Sperrholz ausgesteift
(Bild II). Messungen mit verstärktem Boden bestätigen
die Vermutung, daß beim Stoß auf einen "weichen" flachen
Boden (wohl hauptsächlich durch elastisches Zurückweichen)
die erste Druckspitze erheblich abgebaut wird gegenüber dem
entsprechenden Versuch mit steifem Boden (Bild 5)

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Um den direkten Beschleunigungseinfluß auszuschalten, wurden
die Druckaufnehmer vom Typ 701 A durch entsprechende, aber
beschleunigungskompensierte Aufnehmer vom inzwischen auf dem
Markt erschienenen Typ 7031 ersetzt
Aufnehmer
Typ
Eigenfrequenz
Beschleunigungsempfindlichkeit
701 A
7031
65 kHz
80 kHz
10-3 at/g
10-4 at/g
Außerdem wurde das Modell dadurch noch weiter verstärkt,
daß die Bodenwrangen durch zwei intercostale Längsträger
verbunden wurden. Für diesen endgültigen Zustand des Modells
sind in Bild 6 die Meßsignale der nichtkompensierten
und der beschleunigungskompensierten Geber im Bereich breiten,
flachen Bodens gegenübergestellt.
Beide Maßnahmen beeinflußten die Verläufe der registrierten
Drucksignale der hinteren Meßstellen. Den wesentlichsten
Einfluß brachte die Bodenverstärkung, nach der überhaupt erst
Spitzen zu erkennen waren. Die Verwendung der beschleunigungskompensierten
Geber vom Typ 7031 führte hauptsächlich zu einer
Glättung der Kurven und zu einer eindeutigen Ablesbarkeit der
Druckspitzen. Auffallend ist ein leichter zeitlicher Versatz
der Druckspitzen an diesen hinteren Meßstellen, der sich wohl
durch die Wirkung eines Luftpolsters in Form einer Absenkung
des Wasserspiegels erklären läßt. Die nach hinten sanfter
werdenden Druckanstiege weisen auch auf diesen Effekt hin.
Die ERgebnisse der mit dieser endgültigen Anordnung durchgeführten
Fallversuche sind in Bild7-12 dargestellt. Der Maximaldruck
Pmax
ist über der Auftreffgeschwindigkeit Va doppelt
logarithmisch aufgetragen. Durch die Meßpunkte ist jeweils eine
, ,
mittlere Gerade mit der Steigung zwei gezeichnet. Der damit
vorausgesetzten quadratischen Abhängigkeit des Maximaldrucks

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von der Auftreffgeschwindigkeit scheinen die Meßpunkte
mindestens nicht signifikant zu widersprechen. Bei den
Meßstellen 0,80 L und 0,85 L ist als Vergleich die von Ochi
und Schwartz [7J für den Kiel eines zylindrischen Modells
der Mariner-Spantform an der Stelle 0,825 L angegebene Gerade
mit eingetragen. Obwohl dort ein Modell im Maßstab 1:20 verwendet
wurde, zeigt sich leidliche Übereinstimmung mit den
hier am viermal kleineren Schiffsmodell gemessenen Drücken.
Es scheint sogar so, als ob die Potenz 1,705 des Geschwindigkeitsgesetzes,
das Ochi und Schwartz aus ihren Messungen abgeleitet
haben, etwas besser zu den Druckmeßpunkten des reinen
Fallversuchs mit dem Schiffsmodell passen würde, als das hier
grundsätzlich vorausgesetzte quadratische Geschwindigkeitsgesetz.

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5. Drehfallversuch ~n glattem Wasser
5.1. Aufbau
Der Aufbau der Meß- und Registriereinrichtung entspricht
beim Drehfallversuch genau dem Aufbau beim translatorischen
Fallversuch. Der Versuch findet aber in dem 2 m breiten
Schlepptank statt, und an die Stelle der Parallelführung
tritt eine Lagerung des Modells auf einer festen Querachse
an Deck 0,2 L vor dem hinteren Lot. Die Wahl dieser Achse
stellt einen Kompromiß dar zwischen einer realistischen
Stampfachse in der Nähe der halben Schiffslänge und einer
so weit hinten liegenden Achse, daß das Modell in der
Ausgangsstellung hinter der Achse nicht wesentlich tiefer
eintaucht und, vor allem beim späteren Versuch in Wellen,
die Wasseroberfläche möglichst wenig stört.
Tiefgang und Anfangsneigung lassen sich über zwei Spindeln
einstellen; die hintere ist mit der Drehachse verbunden,
die vordere mit einem Elektromagneten, der auf das Auslösesignal
hin einen Winkelhebel aus einer verstellbaren Klaue
am Modell zieht. Das fallende Modell löst wieder kurz vor
dem Auftreffen der Meßstellen über den Mikroschalter den
Startimpuls für den Oszillographen aus. Die Wegaufzeichnung
geschieht wieder über Zahnstange und Induktivgeber an der
Stelle X = 0,65 L, so daß die Komponente der Fallgeschwindigkeit
senkrecht zum Modellboden an der Stelle 0,65 L
abgelesen werden kann (Bild ~3).
5.2. Durchführung und Ergebnisse
Bei der Reihe der Drehfallversuche wurde der Tiefgang unter
der Drehachse von 0 - 60 mm bzw. 100 mm variiert, wobei für
die meisten Tiefgänge wieder zwei Ausgangsneigungen 5 und
100 untersucht wurden.
Bei diesem Versuch trifft der Modellboden je nach Tiefgang
unter der Drehachse und Lage der Meßstelle die Wasseroberfläche
unter einem bestimmten Winkel (schiefer Stoß).

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Als Auftreffwinkel wird der Winkel zwischen Kiel und
ungestörter Wasseroberfläche definiert, dessen Scheitel
in der Meßstelle
liegt.
Die Maximaldrücke Pmax
dieser Versuchsreihe wurden zunächst
wie beim reinen Fallversuch doppeltlogarithmisch über der
Auftreffgeschwindigkeit Vo aufgetragen (Bild14-1?).
Innerhalb der so entstandenen Punkthaufen sind die verschiedenen
Auftreffwinkel *" durch verschiedene Punktarten
unterschieden. Es ist zu erkennen, daß die zum gleichen
Auftreffwinkel gehörenden Meßpunkte sich jeweils etwa
parallel zu der als Vergleich eingezeichneten Mittellinie
der reinen Fallversuche gruppieren. Die auch hier bestätigte
quadratische Geschwindigkeitsabhängigkeit voraussetzend,
über dem Auftreffwinkel tt
wurde der Druckbeiwert 19.,R)(/(~ Vo2.)
aufgetragen (Bild 20-25).
Trotz der zum Teil erheblichen Streuung der Meßwerte ist
deutlich ein Abklingen der Druckbeiwerte bei größeren
Eintauchwinkeln zu erkennen. An den vorderen beiden Meßstellen
liegen die maximalen Beiwerte im Bereich O~~~ 0,03
in der Größenordnung 100 ohne eindeutig erkennbares Maximum.
An den dahinterliegenden Meßstellen liegt das Maximum überraschenderweise
nicht etwa bei ct = 0 sondern um ct = 0,02
in der Größenordnung300 - 600, während bei rx, = 0 oder
~ = 0,01 ein Minimum bei Beiwerten von 100 - 200 in der
Größenordnung des mit eingezeichneten Mittelwertes des
reinen (translatorischen) Fallversuchs zu erkennen ist.
Dieses zunächst überraschende Erg~bnis im flachbodigen
Bereich ist vermutlich auch auf die Wirkung des Luftpolsters
zurückzuführen, das etwa bei einem Auftreffwinkel von 0,03
unwirksam wird, weil die Luft schnell genug nach vorn entweichen
kann.
* bzw.Tiefgangunter Drehaehse

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6. Drehfallversuch in regelmäßigen. entgegenlaufende~ Wellen
6.1. Aufbau
Der mechanische Aufbau des Drehfallversuchs bleibt unverändert.
Das Modell fällt aber in eine regelmäßige entgegenlaufende
Welle. Gemessen wird wieder der Maximaldruck Pmax beim
Auftreffen. Die Auftreffgeschwindigkeit ist nun die Relativgeschwindigkeit
zwischen Modell und Wellenoberfläche im
Augenblick des Auf treffens vRel. Der Auftreffwinkel ist der
Relativwinkel ~Rel zwischen Kiel und Tangente an die Wellenkontur
im Auf treffpunkt der Meßstelle.
Die Relativgeschwindigkeit und besonders der Relativwinkel
sind aber direkt nur sehr schwer zu messen. Stattdessen wurde
die Phasenlage ~ der Welle an der Meßstelle im Augenblick
ihres Auf treffens ermittelt und daraus mit gemessener Höhe
und Länge der ungestörten Welle sowie Fallgeschwindigkeit und
Tiefgang des Modells für die jeweilige Meßstelle eine nominelle
Relativgeschwindigkeit vRel und ein nomineller Relativwinkel
~Rel abgeleitet. Zur Kontrolle der Phasenlage der Welle
wurde der Auslösemagnet durch eine Lichtschranke gesteuert,
die in der Höhe der ungestörten Wasseroberfläche quer über
dem Schlepptank liegt (Bild 26) .
Die Lichtschranke wird in einem Wellental manuell aktiviert.
Von diesem Zeitpunkt läuft der Versuch automatisch ab. Die
nächste vordere Wellenflanke löst durch Schließen der Lichtschranke
einen Impuls aus,der über den Magneten das Modell
zum Fallen freigibt und gleichzeitig einen elektronischen
Zähler zur Messung einer Zeit t1 startet. Das fallende Modell
löst kurz vor dem Auftreffen über den Mikroschalter einen
zweiten Impuls aus, der den Zähler nach der Zeit t1 stoppt
und gleichzeitig den einmaligen Strahldurchlauf des Oszillographen
startet. Das Schirmbild des Oszillographen wird
wieder fotografiert,und die ablesbare Laufzeit des Strahls
bis zur Registrierung der Druckspitze t2 ergibt zusammen
mit der vorn Zähler angezeigten Zeit t1 die Laufzeit
t = t1 + t2 der Welle von der definierten Phasenlage beim
Schließen der Lichtschranke bis zum Auftreffen der Meßstelle.

15 -
6.2. Durchführung und Ergebniss~
Die Drehfallversuche in Wellen wurden nur mit einer Welle
von 1,5 m Länge und einer Höhe von 7,5 cm durchgeführt.
Die Wellenlänge 2 m entsprechend Lpp des Modells war ungeeignet,
weil die Breite des Schlepptanks im IfS ebenfalls
etwa 2 m beträgt. Dadurch wurden sehr schnell durch Streuung
der einfallenden Wellen stehende Querwellen angeregt, die
den Versuch in der bebabsichtigten Form undurchführbar machen.
Im Laufe der Versuche wurde die
daß die Fallvorrichtung mit dem
schranke stufenweise verschoben
Phasenlage dadurch verändert,
Modell gegenüber der Lichtwurde.
Vor Beginn jedes Versuchs wurde zunächst der Wellenerzeuger
in Tätigkeit gesetzt. Nachdem etwa 10 - 15 Wellenperioden
das Modell passiert hatten, wurde der Versuch eingeleitet
unter der Annahme, daß dann die Einschaltstörungen am
Versuchs ort abgeklungen waren. Nach Beendigung des Versuchs
wurde der Wellenerzeuger sofort abgeschaltet. Unter Einhaltung
einer Wartezeit zur Beruhigung der Wasseroberfläche
konnte so alle 15 Minuten ein Versuch durchgeführt werden.
Die aus den Messungen beim Dreh-Fall-Versuch in Wellen mit
der nominellen Relativgeschwindigkeit vRel gebildeten Druckbeiwerte
Pmax/(i~~L) sind zusammen mit dem nominellen Relativwinkel
über dem Phasenwinkel der Welle an der Meßstelle
im Augenblick ihres Auftreffens aufgetragen (Bild 27-32).
Die Meßpunkte streuen zwar stark, da die Wellen doch nicht
ganz regelmäßig und schon durch das Modell gestört waren;
trotzdem ist deutlich zu erkennen, daß die höchsten Druckbeiwerte
dann auftraten, wenn der Relativwinkel beim Auftreffen
klein ist. Dabei ist kein Unterschied festzustellen,
ob der Relativwinkel im Wellental oder auf dem Wellenberg
klein wird. Das Abfallen der Maximaldrücke von einem kritischen
kleinen Relativwinkel bis zum Winkel null (wie beim
Dreh-Fall-Versuch in Glattwasser) ist hier nicht zu erkennen.

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Wegen der Unregelmäßigkeiten der Welle wirkt sich dieser
Effekt hier nur in Form einer besonders großen Streuung der
Meßpunkte im Bereich kleiner Relativwinkel aus.
An den vorderen Meßstellen liegen diese höchsten Werte aber
noch weit unter dem miteingezeichneten Mittelwert der reinen
Fallversuche.
An den hinteren beiden Meßstellen mit breitem, flachem Boden
liegen die maximalen Druckbeiwerte dagegen zum Teil weit
über dem Mittelwert aus den Fallversuchen. Diese Erscheinung
deutet wohl wie beim Dreh-Fall-Versuch in Glattwasser darauf
hin, daß der dämpfende Effekt des Luftpolsters in einem
gewissen Bereich kleiner Eintauchwinkel unwirksam wird, so
daß dann die größten Druckbeiwerte auftreten.

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7. Gegenüberstellung der Ergebnisse
Die gemessenen Maximaldrücke Pmax aus allen drei Versuchsarten
sind für jede Meßstelle in Bild 33-38 in doppeltlogarithmischer
Auftragung über der Auftreffgeschwindigkeit Vo
bzw. vRel gegenübergestellt.
An den vorderen Meßstellen ist deutlich eine Abstufung der
gemessenen Maximaldrücke mit abnehmender Tendenz vom reinen
Fallversuch über den Dreh-Fall-Versuch in Glattwasser zum
Dreh-Fall-Versuch in Wellen zu erkennen. Dabei erreichen die
höchsten Werte aus dem Dreh-Fall-Versuch in Glattwasser bei
ungünstigsten Eintauchwinkeln das Niveau des reinen Fallversuchs.
An den hinteren, flachbodigen Meßstellen ist die Abstufung
kaum mehr zu erkennen. Die höchsten Werte aus beiden Dreh-
Fall-Versuchen liegen weit über denen aus dem translatorischen
Fallversuch mit ebenem Kiel in glattes Wasser.
Für die Meßstelle bei X = 0,9 L ist in Bild 38 auch die
Gerade aus den See gangs versuchen von Ochi [4,5J mit dem
doppelt so großen Mariner-Modell zusammen mit den Meßpunkten
für die gleiche Meßstelle eingetragen. Diese Werte von Ochi
liegen im Bereich der kleineren hier beim Dreh-Fall-Versuch
in Wellen gemessenen Werte, was darauf hindeuten könnte, daß
der dämpfende Effekt des "Luftpolsters" mit wachsender Modellgröße
zunimmt, oder daß die ungünstigsten Auftreffwinkel beim
echten Seegangsversuch an dieser Meßstelle kaum vorkommen.
Das könnte man auch nach Bild 32 vermuten, wo in die Darstellung
der Druckbeiwerte aus dem Dreh-Fall-Versuch in
Wellen über dem Phasenwinkel der mittlere Beiwert nach Ochi
mit eingetragen ist.
Eine Gegenüberstellung der Ergebnisse aus allen drei Versuchen
und von allen sechs Meßstellen wurde in Bild 39 mit
Hilfe von Klassierungen der Druckbeiwerte versucht. Beim
reinen Fallversuch ist am besten ein Maximum bei X = 0,75
zu erkennen.
Bei beiden Dreh-Fall-Versuchsarten ist das Maximum wegen der
größeren Streuung zwar weniger deutlich, aber doch im Bereich

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zwischen X = 0,7 und 0,8 L zu lokalisieren. Die größere
Streuung ist zu einem wesentlichen Teil schon durch die
in dieser Auftragung nicht berücksichtigte weitere Variable
I
I
Auftreffwinkel bedingt. Das Auftreten eines Maximums beim
Druckbeiwert über der Lage der !I1eßstelleam Schiff ist
überraschend.
Wenn dafür nicht die lokalen elastischen Eigenschaften des
Modells verantwortlich sind, wofür die äußere Struktur der
Konstruktion keinen Anhalt bietet, so könnte das ein Hinweis
darauf sein, daß der dämpfende Effekt des Luftpolsters bei
einer kritischen Breite des flachen Bodens unwirksam wird,
ähnlich wie bei einem kritischen Auftreffwinkel.

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8. Feststellun~en
Die Ergebnisse vergleichender Versuchsreihen von translatorischen
Fallversuchen und Dreh-Fall-Versuchen in Glattwasser
und Dreh-Fall-Versuchen in regelmäßigen Wellen mit Druckmessungen
am Kiel des gleichen "Mariner"-Modells lassen
folgende Feststellungen zu:
1. Die Annahme einer quadratischen Abhängigkeit des Maximaldrucks
beim Stoß Pmax von der Auftreffgeschwindigkeit Vo
bzw. v scheint
reI
bei allen drei Versuchsarten sinnvoll
zu sein.
2. Die Steifigkeit
von erheblichem
Druckspitzen.
des Modellbodens im flachen Bereich ist
Einfluß auf Druckverlauf und Höhe der
3. Beim Dreh-Fall-Versuch in Glattwasser treten die größten
Druckbeiwerte im flachbodigen Bereich
Pmaxl(~
\/02) nicht
bei verschwindendem Auftreffwinkel oe sondern etwa bei
üC= 0,02 auf. Diese größten Druckbeiwerte liegen weit
über denen aus dem translatorischen Fallversuch mit
verschwindendem Auftreffwinkel.
4. Der Dreh-Fall-Versuch in regelmäßigen Wellen zeigt deutlich
die Abhängigkeit des Druckbeiwertes vom Auftreffwinkel.
Allerdings ist wegen der Unregelmäßigkeit der Wellen nicht
mehr zwischen einem kritischen und dem verschwindenden
Auftreffwinkel zu unterscheiden.
Die Druckbeiwerte scheinen im Durchschnitt etwas niedriger
zu liegen als beim Dreh-Fall-Versuch in Glattwasser, in
seltenen Fällen werden diese etwa erreicht.
Die Druckbeiwerte aus
liegen im Bereich der
Versuch in Wellen.
r- -,
dem Seegangsversuch von Ochi L4,5J
kleinsten Werte aus dem Dreh-Fall-

20
5. Bei der Betrachtung des Verlaufs der Ergebnisse aller
drei Versuchsarten über der SChiffslänge ist ein Maximum
der Druckbeiwerte im Bereich X = 0 J 7 - 0 J 8 L erkennbar J
was vielleicht auf eine kritische Breite des flachen
Bodens zurückzufÜhren sein könnte.

- 21
Literatur:
[lJ Meyerhoff, K.:
übersicht über grundlegende theoretische und
experimentelle Arbeiten zum Problem der Bodenstöße
bei Schiffen.
Vortrag vor der Hauptversammlung der Schiffbautechnischen
Gesellschaft, Hamburg 1967.
[2J Bledsoe, M.D. und F.M. Schwartz:
Experiments on rotational impact.
DTMB Report 1145 (1961)
[3J TOdd, M.A.:
Slamming due to pure pitching motion.
DTr1B Report 883 (1954)
Deutsche übersetzung von F.K. Rubbert: "über
die durch reine Stampfschwingungen hervorgerufenen
hydrodynamischen Stöße".
Schiffstechnik 2 (1954/55), p. 51 - 59
[4J OChi, M.K.:
Predictien of occurence and severity of ship
slamming at sea.
5th Symposium on Naval Hydrodynamics,
Bergen 1964, p. 545 - 596
[5J OChi, M.K.:
Extreme behaviour of a ship in rough seas
Slamming and shipping of green water.
Trans. SNAME 72 (1964), p. 143 - 202

22
[6] Diskussionsbemerkungen zum Vortrag:
Übersicht über grundlegende theoretische und
experimentelle Arbeiten zum Problem der Bodenstöße
bei Schiffen.
Schiff und Hafen 19 (1967), p. 880
[7J Ochi, M.K. und SChwartz, F.M.:
Two dimensional experiments on the effect of
hull form on hydrodynamic impact.

Anhang 1: Bild I'Tr. 1 - 39
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über dern Phasenwinkel 'f
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Modell
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Bild 111

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1 at
l-
--x = 0,85L
-x = 0, R L
Bild IV
Nichtkompensierte
Druckaufnehmer:
.- 'Negmarke
-- x = 0,9 L
Bild
V

Bild
VII
Modell an der
Fallversuchseinrichtung
Dreh-Falleinrichtung
festgehalten
in Wellen
Bild
VIII
Regelmäßjge
Wellen:
A = 2,On
F = 10cm
.
A = 1,5m
H = 10cm
Bild IX
---.