Stabilität (Schiffskörper)
Der Terminus Stabilität bezeichnet im Schiffbau, Schiffsbetriebswesen und den damit zusammenhängenden Verordnungen die durch die Bauform und Betriebseigenschaften eines Schiffes gegebene Sicherheit gegen einen Untergang bzw. das Kentern und Versinken unter die Wasserlinie.
Beeinflussende Faktoren
Die folgenden Faktoren können durch ihre individuelle Ausprägung die Stabilität eines Schiffes fördern oder auch mindern:
- Rumpfform
- Aufbauten-Anordnung
- Gewicht und Gewichtsverteilung des Schiffskörpers
- Ladungsgewicht und Ladungsverteilung (Trimmung)
- Verhalten der Ladung (z.B. eventuelle Beweglichkeit von Schüttgut oder von Fahrgästen)
- Dynamisches Verhalten des Schiffes z.B. bei Kurvenfahrt mit hoher Geschwindigkeit
In Betracht zu ziehende Betriebsbedingungen verschiedener Fahrwasserzonen
- Wasserdichte (Salzwasser / Süßwasser)
- Wind
- Querströmungen
- Seegang
- Vereisungsgefahr (Aufbauten, Eislast)
Ermittlung und Bewertung
Die Stabilitätsbewertung eines Schiffes bezieht sich nicht nur auf den reinen Schiffskörper allein sondern auch auf unterschiedliche und im Betrieb variierende Beladungszustände. So muss bei Fahrgastschiffen auch der Fall berücksichtigt werden dass sich alle Passagiere auf eine Seite des Schiffes begeben. Auch der Einfluss unterschiedlicher äußerer Betriebsbedingungen, etwa durch starke Winde, Seegang und Vereisungen muss in die Betrachtungen eingehen.
Die Bewertung der Stabilität von Schiffen ist umso schwieriger je komplexer es aufgebaut ist und je variabler die Betriebsbedingungen sind. Vielfach erfolgte daher bis in die jüngste Zeit noch eine Bewertung durch rein gefühlsmäßige Einschätzungen.
Kennzeichnend dafür ist folgendes Zitat aus den „Erläuterungen zur Revision der Verordnung über die Schifffahrt auf schweizerischen Gewässern (BSV, SR 747.201.1)“, ausgefertigt in Bern am 27. Januar 2000:
„Ein wesentliches Kriterium für die Sicherheit ist die ausreichende Stabilität von Schiffen gegen Kenterung. Dieser Bereich war bisher zwar in den Vorschriften erwähnt, jedoch nicht durch eindeutige Kriterien eingegrenzt. Mit Art. 143a wird diesem Umstand Rechnung getragen. Es werden eindeutige Grenzwerte für die zulässige Krängung angegeben und gleichzeitig die äusseren Belastungen definiert.“ und
„Bzgl. der Stabilität ist eine Überprüfung der bestehenden Schiffsflotte ratsam. Untersuchungen des BAV an einem 1999 gekenterten modernen Lastschiff haben gezeigt, dass diesem, für die Sicherheit wichtigen Aspekt, in den letzten Jahren offensichtlich zuwenig Bedeutung beigemessen wurde. Es handelt sich um einen Bereich, der nur durch eine Berechnung exakt überprüfbar ist und sich nicht durch praktische Erfahrung abschätzen lässt. Sofern noch keine Stabilitätsüberprüfung für ein Schiff vorliegt, ist diese nachzuholen.“
Eine solche gefühlsmässige (und wie heute bekannt ist, falsche) Einschätzung der Stabilität mit einer Schüttgutladung durch den verantwortlichen Kapitän führte im Jahr 1957 zum Untergang ses Frachtseglers und Schulschiffes Pamir.
Der Untergang der seinerzeit als unsinkbar geltenden Bargen-Frachters MS München der Hapag-Lloyd im Dezember 1978 machte andererseits deutlich, dass auch "korrekte" Stabilitätsbewertungen nur solange gelten können wie sich die Betriebsbedingungen im Rahmen der zugrundegelegten Verhältnisse bewegen.
Gesetzliche Bestimmungen
Die deutsche Binnenschiffs-Untersuchungsordnung – BinSchUO von 1994 besagt nunmehr beispielsweise in § 43 Schiffbauliche Anforderungen:
„(1) 1Es muß eine Bescheinigung des Germanischen Lloyd vorgelegt werden, daß das Wasserfahrzeug zum Verkehr auf Wasserstraßen der Zone 1 ausreichende Festigkeit, genügende Stabilität und einen angemessenen Freibord und Verschlußzustand hat.“
Eine Stabilitätsprüfung) erfolgt entweder durch einen Krängungsversuch oder durch eine detaillierte Gleichgewichtsberechnung (Stabilitätsberechnung). Der Nachweis in anerkennungsfähiger Form erfolgt von einer anerkannten Klassifikationsgesellschaft wie es z.B. der Germanische Lloyd ist. Für einen Stabilitätsnachweis wird in der für die gesamte deutsche Binnenschifffahrt weiten Teilen maßgeblichen „Rheinschiffs-Untersuchungsordnung“ gefordert:
1. Es ist nachzuweisen, dass bei den beim Einsatz und Fahrbetrieb auftretenden Belastungen ein ausreichender Restsicherheitsabstand und ein ausreichender Restfreibord vorhanden ist. Dabei darf die Summe der Winkel aus Krängung und Trimm nicht mehr als 10° betragen und der Boden des Schwimmkörpers darf nicht austauchen.
2. Der Stabilitätsnachweis muss folgende Daten und Unterlagen enthalten: a. Maßstabsgetreue Zeichnungen der Schwimmkörper und der Arbeitseinrichtungen sowie deren für den Stabilitätsnachweis erforderlichen Detailangaben wie Tankinhalte, Öffnungen zum Schiffsinneren; b. hydrostatische Daten oder Kurven; c. Hebelarmkurven der statischen Stabilität, soweit nach Nummer 5 oder § 17.08 erforderlich, d. Beschreibung der Betriebszustände mit den entsprechenden Gewichts- und Schwerpunktangaben einschließlich Leer- und Überführungszustand; e. Berechnung der krängenden, trimmenden und aufrichtenden Momente mit Angabe der auftretenden Krängungs- und Trimmwinkel, Restsicherheitsabstände und Restfreiborde; f. Zusammenstellung der Rechenergebnisse mit Angabe der Einsatz- und Belastungsgrenzen.
Die ausreichende Stabilität einschließlich Leckstabilität muss für den ungünstigsten Beladungszustand nachgewiesen sein.“
Die Prüfmethoden und die von den Behörden als Stabilitätsnachweis akzeptierten Werte können je nach Schiffstyp und Fahrwasserzone voneinander differieren. Weitere Spezialbestimmungen befassen sich beispielsweise mit Randbedingungen und Berechnungsverfahren bei Beförderung von Containern.
Sportboots-Bereich
Im Gegensatz zu Schiffen der Berufsschiffahrt und Marine sind Sportboote einfacher und überschaubarer aufgebaut. Häufig besteht das Sportboot im wesentlichen aus einem offenen oder geschlossenen hohlen Rumpf und dem Mast samt Segel. Die Betrachtung der Stabilität kann sich daher für den praktischen Gebrauch auf die Betrachtung des mittleren Rumpfquerschnitts und eines als feststehend angenommenen Schwerpunktes und/oder eines zusätzlichen Stabilisierungsgewichtes beschränken. Die Darstellung hat sich mit Varianten und teilweise spezielleren Unterteilungen etwa in der folgenden Weise verbreitet:
Unter der Stabilität eines Schiffes versteht man seine Fähigkeit, eine Krängung durch Wind und Seegang auszugleichen und wieder in die aufrechte Lage zurückzukehren. Das Krängungsverhalten eines Segelbootes hängt wesentlich von der Rumpfform und Gewichtsverteilung des Bootes (inklusive der Besatzung) ab. Es gibt zwei Arten, wie diese Krängung wieder ausgeglichen werden kann: einerseits durch Formstabilität, bei der die Rumpfform des Bootes eine Rückkehr in die Ausgangslage begünstigt, und andererseits durch Gewichtstabilität, bei der ein tief liegender Gewichtskiel das Boot wieder in die aufrechte Lage zwingt (Stehaufmännchen-Prinzip).
Gewichtsstabilität
Bei gewichtsstabilen Booten, meist Yachten, setzt der Kiel, der oft etwa 35 - 50% zum Gesamtgewicht des Bootes beiträgt, der Krängung eine aufrichtende Kraft entgegen, die eine Kenterung nur unter sehr schweren Wind- und Seegangsbedingungen möglich macht.
Im nebenstehenden Bild sind der Gewichtsschwerpunkt G und der Formschwerpunkt A dargestellt, in denen man sich die wirkenden Gewichts- bzw. Auftriebskräfte vereinigt denken kann. Der Gewichtsschwerpunkt G ist der Schwerpunkt des Schiffes, der Formschwerpunkt A ist der (gedachte) Schwerpunkt der verdrängten Wassermasse. Bei zunehmender Krängung verringert sich einerseits der Winddruck im Segel, während andererseits gleichzeitig der Gewichtsschwerpunkt nach außen wandert und damit das aufrichtende Drehmoment erhöht.
Formstabilität
Im Unterschied zu Kielyachten sind die meisten Jollen formstabil. Das (meist ausklappbare) Schwert einer Jolle hat keinen nennenswerten aufrichtenden Effekt.
Im nebenstehenden Bild sind der Gewichtsschwerpunkt G und der Formschwerpunkt A dargestellt, in denen man sich die wirkenden Gewichts- bzw. Auftriebskräfte vereinigt denken kann. Der Gewichtsschwerpunkt G ist der Schwerpunkt des Schiffes, der Formschwerpunkt A ist der (gedachte) Schwerpunkt der verdrängten Wassermasse. Wie zu erkennen ist, nimmt mit zunehmender Krängung das aufrichtende Drehmoment durch das Auswandern des Formschwerpunktes A zunächst zu, bei weiterer Krängung jedoch, durch ein Zusammenwandern der Wirklinien der beiden Schwerpunkte, wieder ab. Eine leichte Krängung kann daher leicht durch Verlagerung des Crewgewichtes nach Luv und durch den nachlassenden Winddruck im Segel kompensiert werden, während eine zu starke Krängung zum Kentern des Bootes führt.
Katamarane haben aufgrund ihrer Breite eine hohe Formstabilität.
Kenterwinkel
Sowohl bei form- als auch bei gewichtsstabilen Booten gibt es einen bestimmten Krängungswinkel, den Kenterwinkel, bei dem das Gewicht des Kiels bzw. der Besatzung eine Verstärkung der Krängung bewirken, so dass das Boot kentert. Bei gewichtsstabilen Kielyachten liegt der Kenterwinkel meist zwischen 110° und 160°, bei Schwertjollen dagegen in der Regel unter 90°. Je nachdem, wie sich ein bestimmtes Boot bei verschiedenen Krängungswinkeln verhält, spricht man von hoher Anfangs- bzw. Endstabilität. Während bei Kielyachten die Kieloben-Lage schwer erreichbar ist und in der Regel durch Seegang schnell wieder beendet wird, kentern Jollen leicht durch und liegen mit dem Schwert nach oben stabil im Wasser.