Beitrag 1

Probleme der Ladungssicherung in der Ostseeschiffahrt

Dr.-Ing. Thomas Böcker
Hochschule Wismar, Fachbereich Seefahrt Warnemünde


  1. Einführung
  2. Darstellung der Verfahren zur Bestimmung der Kräfte
    1. Berechnung der Kräfte nach den DSRK-Vorschriften
    2. Verfahren nach CSS-Code
    3. Verfahren nach vereinfachten Bewegungsgleichungen
    4. Verfahren nach Nautical Institut
    5. Verfahren nach GL
  3. Berechnungsergebnisse
  4. Schlußfolgerungen
  5. Literaturverzeichnis


1. Einführung

Die Ladungssicherung in der Schiffahrt ist eng mit deren technologischen Entwicklung verbunden. Dabei ist jedoch zu verzeichnen, daß eine theoretische Analyse einschließlich der Modellierung des Ladungssicherunsprozesses in der Vergangenheit jedoch weit hinter den anderen Teildisziplinen der nautischen Schiffsführung zurücklag. Auch waren demzufolge wenige Vorschriften und Handlungsempfehlungen vorhanden.

Nach spektakulären Seeunfällen, die mit Ladungssicherungsmaßnahmen im Zusammenhang stehen, wurden verstärkt Maßnahmen für die Entwicklung von Vorschriften und Handlungsregularien unternommen. Wie ist der Stand dieser Entwicklungen, gerade für die Ostseeschiffahrt, einzuschätzen ?

Ausgehend vom Ziel der Schiffsführung bei der Beladung des Schiffes, das darin besteht, unter Berücksichtigung der Möglichkeiten in ihrem Entscheidungsfeld eine Beladungsvariante zu erarbeiten und/oder zu realisieren, die unter Einhaltung der Ladungssicherheit eine hohe Effektivität des Seetransportprozesses gewährleistet.

In diesem Prozeß hat die Ladungssicherung als eine Maßnahme der Ladungssicherheit die Aufgabe, ein Übergehen bzw. ein Zerstören der Ladung zu verhindern. Sie ist ein wesentliches Element der Schiffssicherheit, da durch sie Besatzung, Schiff, Ladung und Umwelt vor physikalische Gefahren und ihren Auswirkungen bewahrt werden. Dies hat besonders bei leicht übergehenden Ladungen eine große Bedeutung.

Neben Schüttgut und Massengut werden darunter auch Schwergut und Ladeeinheiten, wie Container, Trailer, Paletten usw. verstanden.

Diese Ladungen können sich unter ungünstigen Umständen schon bei normalen Rollwinkeln auf Grund ihrer geringen Rutsch- und Scherfestigeit in Längs- und besonders in Querschiffsrichtung verlagern. Dadurch können unter Umständen große Krängungshebel hervorrufen werden, die zu erheblichem Stabilitätsverlust führen.

Die in der Ostsee vielfach vorhandene Fähr- und Ro-Ro-Schiffahrt ist auf Grund ihrer Spezifika auch von den o.g. Problemen betroffen.

Dies erklärt sich unter anderem aus folgenden Aspekten:

  • Da relativ große Freiräume auf den einzelnen Decks vorhanden sind können große Mengen an Ladung übergehen
  • Durch die Konstruktion dieser Schiffstypen und die Forderungen an die Intakt- und insbesondere an die Leckstabilität dieser Schiffe werden teilweise ungünstige Bewegungsparameter hervorgerufen, die hohe Anforderungen an die Schiffsführung stellen.
  • Durch die Spezialisierung dieser Schiffstypen wird der "typische Ladungsverband" mit Rücksicht auf hohe Zugriffsbereitschaft und Umschlagsleistungen aufgelöst.
  • Die Abfertigungstechnologie dieser Schiffe setzt einen engen Rahmen für die Hafenliegezeit. Dies hat zur Folge, daß die Maßnahmen für die Ladungssicherung einen wesentlichen ökonomischen Aspekt haben, da die Kosten als auch die Liegezeit für die Ladungssicherung bei den zu transportierenden Ladungseinheiten erheblich sein können.
  • Speziell zur Ladung lassen sich folgende Problempunkte nennen:
    1. Die Ladung ist nicht ausreichend in der Ladungseinheit gesichert und unangebracht gestaut.
    2. Die Ladungseinheit ist nicht ausreichend auf dem Schiff gesichert.
    3. Ladungseinheiten, die schwierig zu sichern sind, werden auf Stauplätzen, an denen hohe Beschleunigungen auftreten, gestaut.

Somit ergibt sich für diese Schiffstypen die Forderung, durch die Ladungssicherung eine ausreichende Schiffssicherheit bei minimalem Aufwand zu garantieren.

Die dargestellten Probleme spiegeln sich leider auch in den aufgetretenen Seeunfällen wieder:

  • Seeufälle nehmen zu,
  • bei diesen Seeunfällen treten relativ hohe Verluste an Menschenleben und große materielle Schäden auf, da sie nicht selten mit Schiffsuntergängen verbunden sind.

Dies kommt in einer Untersuchung von Det Norske Veritas /1/ zum Ausdruck.

Übergehen von Ladung in Zusammenhang mit Problemen in der Betriebsführung war ein Grund für eine Reihe von schweren Unfällen

Abbildung 1: Gründe von Seeunfällen nach /1/

Abbildung 2: Gründe von Totalverlusten nach /1/

Mit der Bekanntmachung der "Richtlinie für die sachgerechte Stauung und Sicherung von Ladung bei der Beförderung mit Seeschiffen" als deutsche Übersetzung des von der Internationalen Seeschiffahrtsorganisation (IMO) mit MSC/Circ. 530 vom 11. Juni 1990 bekanntgemachten "CODE OF SAFE PRACTICE FOR CARGO STOWING AND SECURING" ("CSS-CODE"); (IMO-Resolution A.714(17)) /2/ wurde ein weiterer wichtiger Schritt zur Verbesserung der Ladungssicherheit erreicht.

Ich möchte im Rahmen dieses Vortrages die direkte Ladungssicherung von Stückgütern und Ladungseinheiten auf Seeschiffen betrachten. Dabei wird speziell auf die Probleme der Bestimmung der auf die Ladung wirkender Kräfte eingegangen.

Hier sind eine Reihe von Verfahren und Berechnungsvorschriften vorhanden, die auf Grund ihrer Vielfalt und Unterschiedlichkeit teilweise Verwirrungen, vor allem beim Praktiker hervorrufen.

Es wird versucht, eine Analyse von verschiedenen Verfahren vorzunehmen.

Dabei soll herausgearbeitet werden, in wieweit die einzelnen Verfahren für die Bestimmung der auf die Ladung wirkenden Kräfte für einen Einsatz auf Fähr- und Ro-Ro-Schiffen Anwendung finden können.


2. Darstellung der Verfahren zur Bestimmung der Kräfte

Mit der bereits dem bereits o.g. "CODE OF SAFE PRACTICE FOR CARGO STOWING AND SECURING" ("CSS-CODE") wurde eine international gültige Handlungsvorschrift für die Ladungssicherung geschaffen.

Leider ergaben sich im Zusammenhang mit der Einführung der Ladungssicherungshandbücher für Seeschiffe Probleme bei der Nutzung des im CSS-Code dargestellten Berechnungsverfahrens zur Beurteilung der "Wirksamkeit von Ladungssicherungsvorkehrungen für nicht-standardisierte Ladung" (Anlage 13).

Im CSS-Code wird gefordert:

"Die Ladungssicherungsvorkehrungen, wie sie im Ladungssicherungshandbuch des Schiffes dargestellt sind, sollen auf Kräften basieren, die erwartungsgemäß auf die vom Schiff beförderte Ladung wirken und die entweder nach dem Verfahren berechnet wurden sind, das in Anlage 13 dargestellt ist, oder nach einem Verfahren, das von der Verwaltung zugelassen oder durch eine von der Verwaltung anerkannte Klassifikationsgesellschaft genehmigt wurden ist."

Zur Einschätzung der Anwendbarkeit des o.g. Verfahrens für Fähr- und Ro-Ro-Schiffe wurden aus der Vielzahl von möglichen Berechnungsverfahren einige Verfahren betrachtet.

Es handelt sich um folgende Verfahren:

I. Verfahren nach DSRK /3/
II. Verfahren nach CSS-CODE /2/
III. Verfahren nach vereinfachten Bewegungsgleichungen /4/
IV. Verfahren nach Nautical Institut /5/
V. Verfahren nach GL /6/

Die o.g. Verfahren sind wie folgt zu charakterisieren.


I. Berechnung der Kräfte nach den DSRK-Vorschriften

Dieses Verfahren dient der Berechnung der Kräfte zur Sicherung von Schwerkolli an Bord von Schiffen. Dabei ist es auch für die Anwendung auf Ro-Ro-Schiffen zulässig. Unter Schwerkolli werden beliebige Stückgutkolli mit einer Einzelmasse von 10 t und größer verstanden.

Es werden Kräfte in Schiffsquer-, Schiffslängsrichtung und die senkrecht zur Wasserlinienfläche wirkenden Kräfte bestimmt. Der Angriffspunkt der Kräfte ist der Massenmittelpunkt des Kollos. Es wird von folgenden Voraussetzungen ausgegangen:

Die Beschleunigungen werden unter Berücksichtigung der Erdbeschleunigung mit Hilfe von dimensionslosen Beiwerten bestimmt.

Diese Beiwerte berücksichtigen den Stauort des Kollos in Schiffslängs- und Schiffshöhenrichtung.

Weiterhin finden Breite, Länge, Schiffsgeschwindigkeit und die Schiffsform Berücksichtigung.

Der Beladungszustand wird durch die Bildung eines Faktors aus Breite und Anfangsstabilität zum Teil berücksichtigt.

Eine Berücksichtigung unterschiedlicher Fahrtgebiete erfolgt durch entsprechende Beiwerte.

Dieses Verfahren bietet eine Möglichkeit zur Bestimmung der Kräfte auf die Ladung entsprechend den Forderungen des CSS-CODES. Auf Grund des umfangreichen Formelwerkes dieses Verfahrens ist es manuell für den Praktiker nicht handhabbar. Hier sollte eine Softwarelösung zur Nutzung des Verfahrens in der Praxis geschaffen werden.


II. Verfahren nach CSS-Code

Dieses Verfahren wurde im CSS-Code zur Beurteilung der "Wirksamkeit von Ladungssicherungsvorkehrungen für nicht-standardisierte Ladung" veröffentlicht. Es stellt ein relativ einfach handhabbares Verfahren für den Bordbetrieb dar. Es wird dabei von folgenden Annahmen ausgegangen:

  • Einsatz des Schiffes im unbegrenzten Fahrtbereich
  • Einsatz während des ganzen Jahres
  • Reisedauer mindestens 25 Tage
  • Länge des Schiffes beträgt 100 m
  • Reisegeschwindigkeit des Schiffes ist 15 kn
  • das Verhältnis von Breite durch Anfangsstabilität ist größer bzw. gleich 13
  • Es wird von Rollamplituden bis 30° ausgegangen

Für diese Ausgangsdaten werden Beschleunigungswerte in Längs-, Quer- und in Schiffshöhenrichtung vorgegeben. Die Beschleunigungswerte sind in Tabellenform in Abhängigkeit von der Stauposition der betreffenden Ladungseinheit im Schiff dargestellt. Die Stauposition der Ladungseinheit wird in Längsschiffsrichtung durch ihren Bezug zum achteren Lot und in Schiffshöhenrichtung durch die Festlegung der Stauposition auf dem Deck definiert. Für Schiffe mit einer anderen Länge als 100 m und einer anderen Geschwindigkeit als 15 kn steht eine Tabelle mit den entsprechenden Korrekturwerten zur Verfügung. Das aus der Anfangsstabilität resultierende Rollverhalten des Schiffes findet durch den Faktor Breite geteilt durch Anfangsstabilität Berücksichtigung. In einer weiteren Tabelle sind in Abhängigkeit von o.g. Faktor und der vertikalen Stauposition Korrekturwerte für die Querbeschleunigung aufgelistet. Der Vorteil des Verfahrens besteht augenscheinlich darin, daß hier ein recht einfach zu handhabendes Kalkulationsverfahren zur Verfügung steht, mit dem man in relativ kurzer Zeit und ohne großen Rechenaufwand die auf die Ladung wirkenden Kräfte bestimmen kann. Ein weiterer großer Vorteil besteht drin, daß es sich bei diesem Verfahren, wie schon erwähnt, um ein international anerkanntes Verfahren handelt. Dies verschafft dem Anwender (Naut. Schiffsoffizier) auch international eine gewisse Rechtssicherheit. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ergibt sich aus seiner unkomplizierten Anwendbarkeit auf verschiedene Schiffstypen und Beladungszustände.

Es geht von einem gewissen Typschiff aus und stellt Ergebnisse immer für die ungünstigen Bedingungen zur Verfügung. Dies hat zur Folge, daß die Nutzung dieses Verfahrens für Spezialschiffe und für spezielle Einsatzbereiche sehr eingeschränkt ist. So ergeben sich gerade bei der Nutzung dieses Verfahrens in der Ro-Ro- und Fährschiffahrt Probleme.


III. Verfahren nach vereinfachten Bewegungsgleichungen

Dieses Verfahren wurde unter dem speziellen Aspekt der Ladungssicherung zur Bestimmung der Beschleunigungswerte bzw. Kräfte, die infolge der Schiffsbewegungen auf die Ladung wirken, entwickelt. Dem Verfahren liegen folgende Annahmen zugrunde:

  • Zusätzlich wird diese Bewegung nur von ungedämpften Roll- oder Stampfschwingungen überlagert.
  • Das Schiff einschließlich der Ladung bewegt sich in regulärem Seegang auf einer kreisförmigen Orbitalbahn der Wellen.
  • Als Schwingungsachsen werden für die Rollbewegung die Schnittlinie der aktuellen Schwimmwasserlinie mit der Mittschiffslängsebene und für die Stampfbewegung die Schnittlinie der aktuellen Schwimmwasserlinie mit der Querschiffsebene, die für Schiffe ohne Bugwulst 0,33 Lpp und für Schiffe mit Normalsteven 0,5 Lpp vom achteren Lot entfernt liegt, angenommen.
  • Das schiffsfeste Koordinatensystem hat seinen Ursprung im Schnittpunkt der angenommenen Schwingungsachsen.
  • Es werden unter Berücksichtigung der Erdbeschleunigung mit den auf das Koordinatensystem bezogenen Achsen der betrachteten Ladung die Beschleunigungskräfte in Richtung der Koordinatenachsen berechnet.
  • Dabei werden die Fälle
    • Schiff quer zur See
    • Schiff mit bzw. gegen die See betrachtet.

Alle weiteren auftretenden Fälle der Lage des Schiffes im Seegang stellen eine Überlagerung von Roll- und Stampfschwingungen dar. Die dabei verursachten Kräfte sind stets kleiner als die für die o.g. Fälle berechneten Kräfte.

Dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß die Kräfte für einen konkreten Stauort auf dem Schiff in Abhängigkeit des Beladungszustandes des Schiffes und der Umweltbedingungen berechnet werden können. Die Anwendung dieses Verfahrens erfordert einen relativ hohen Rechenaufwand, der auch mit einer großen Zahl von Eingangsparametern noch vergrößert wird. Die Nutzung des Verfahrens im praktischen Bordbetrieb kann nur mit Hilfe entsprechender Ladungssicherungsprogrammsysteme erfolgen.


IV. Verfahren nach Nautical Institut

Bei dem in einer Veröffentlichung der Nautical Institute/1/ dargestellten Verfahren handelt es sich um die Wiedergabe eines schwedischen Verfahrens.

Es wird für die Berechnung der Ladungssicherungskäfte auf Ro-Ro-Schiffen empfohlen.

  • Die Bestimmung der Beschleunigungswerte erfolgt für 2 unterschiedliche Fälle:
    1. Maximales Rollen
    2. Maximales Stampfen
  • Es werden für diese Fälle Beschleunigungen in Längs-, Quer- und Vertikalrichtung des Schiffes bestimmt.
  • Als Eingangswerte sind zu nennen:
    • Abmessungen des Schiffes (Länge, Breite, Formparameter)
    • Anfangsstabilität
    • Stauort der Ladung
  • Als Schwingungsachse für Rollen wird (wie bei Verfahren mit vereinfachten Bewegungsgleichungen) die Schnittlinie der aktuellen Schwimmwasserlinie mit der Mittschiffslängsebene und für die Stampfbewegung die Schnittlinie der aktuellen Schwimmwasserlinie mit der Querschiffsebene, der Lage des aktuellen Wasserlinienschwerpunktes, angenommen.

Aus diesen Daten erfolgt die Bestimmung der o.g. Beschleunigungswerte. Hier läßt sich eine ähnliche Einschätzung wie beim Verfahren nach DSRK treffen.


V. Verfahren nach GL

Um einen Vergleich der verschiedenen Verfahren und Methoden durchführen zu können, wurden auch Methoden zur Bestimmung von Kräften, die bei Schiffsbewegungen auf einen Container bzw. auf einen Containerstapel einwirken, zu Vergleichsrechnungen herangezogen. Zwar dienen diese Verfahren in erster Linie zur Dimensionierung von Zurr-, Staugerüsten und anderen Stauausrüstungen, doch erscheint die Anpassung und Anwendung dieses Verfahrens zu Vergleichszwecken als günstig. Im wesentlichen wird bei diesem Verfahren von folgenden Voraussetzungen ausgegangen:

  • Einteilung der Kräfte in zwei Gruppen: erstens die statische Komponente - resultierend aus dem Containerbruttogewicht, und zweitens die dynamischen Komponente, die aus den Roll- Stampf- und Tauchbewegungen des Schiffes resultiert.
  • Es wird eine lagenweise Berechnung der Kräfte durchgeführt.
  • Es werden Quer-, Längs- und Vertikalkräfte bestimmt.
  • Die Position des betrachteten Ladungselementes wird mit Hilfe von Faktoren berücksichtigt.
  • Zur Berücksichtigung des Beladungszustandes existieren in Abhängigkeit von der Anfangsstabilität unterschiedliche Beschleunigungsfaktoren.

Dieses Verfahren ist in seiner praktischen Anwendbarkeit schwer einzuschätzen, da es nur in modifizierter Form für die Berechnung der auf Ladungseinheiten wirkender Kräfte genutzt werden kann.


3. Berechnungsergebnisse

Im weiteren werden die erste Berechnungsergebnisse dargestellt.

Bei den Berechnungen wurden zwei Beispielschiffe zu Grunde gelegt:

Schiffe/DatenBeispielschiff 1Beispielschiff 2
SchiffstypRo-Ro-FährschiffRo-Ro-Schiff
Länge über alles~ 200,00 m~ 75,00 m
Länge zwischen den Loten~ 185,00 m~ 68,00 m
Breite~ 28,50 m~ 13,00 m
Seitenhöhe Fahrzeugdeck~ 14,50 m~ 3,30 m
Tiefgang~ 6,50 m~ 2,80 m
Anfangsstabilität~ 5,00 m~ 1,80 m
Abbildung 3: Verwendete Beispielschiffstypen

Bei den Berechnungen wurden die Beschleunigungen in Längs-, Quer- und Vertikalrichtung ermittelt.

Als Ergebniswerte möchte ich die Berechnungswerte für die Querbeschleunigungen - in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt – nennen, da diese Werte für die Ladungssicherung von Bedeutung sind.

Diese Werte zeigen auf, wie groß die Streuung der Ergebnisse ist.

Man kann erkennen, daß besonders die Daten aus dem Verfahren nach DSRK und auch CSS-Code sehr hoch sind.

Die Gründe liegen insbesondere darin, daß in diesen Verfahren von Festwerten für die Erfassung der Umweltparameter ausgegangen wird. So ist es nicht möglich mit konkreten Wellenhöhen und Wellenperioden zu arbeiten. Auch werden die Stampf- und Rollamplituden als konstant angenommen. Diese Betrachtungsweise hat sicher bei der Ladungssicherung für eine Reise z.B. unter Nordatlantikbedingungen seine Gültigkeit, sollte jedoch für die Ostsee modifiziert werden.

Die Werte der Verfahren Nautical Institut und GL sollten nicht überbewertet werden, da hier modifizierte Algorithmen Anwendung fanden.

Als besonders geeignet erscheint das Verfahren nach vereinfachten Bewegungsgleichungen.

Hier ist es möglich, durch eine Vielzahl von Eingangswerten den aktuellen Beladungszustand und somit das Bewegungsverhalten des Schiffes und auch die Umweltbedingungen zu charakterisieren.

Mit Hilfe der vorhandenen Hard- und Software ist es kein Problem durch Variation der Eingangswerte verschiedene Zustände für die Ladungssicherung schnell und unkompliziert zu ermitteln.


4. Schlußfolgerungen

In den Abbildungen 4 und 5 sind beispielsweise die Berechnungsergebnisse für die Beispielschiffstypen dargestellt, die mit Hilfe der genannten Verfahren ermittelt wurden.

Hier zeigt sich, daß die Ergebnisse des Verfahrens nach dem CSS-Code deutlich über den Werten des Verfahren nach vereinfachten Bewegungsgleichungen liegen. Diese Ergebnisse wurden auch durch weitere Beispielberechnungen untermauert. Es läßt sich der Schluß ziehen, daß für die Erarbeitung von Ladungssicherungshandbüchern, speziell für Ro-Ro- und Fährschiffe, die Anwendung des Berechnungsverfahrens zur Beurteilung der "Wirksamkeit von Ladungssicherungsvorkehrungen für nicht-standardisierte Ladung" nach dem CSS-Code für die Ermittlung der äußeren Kräfte als problematisch einzuschätzen ist.

Es sollte mit diesem Vortrag auf die Probleme der Ladngssicherung speziell auf Ro-Ro- und Fährschiffen aufmerksam gemacht werden. Es müssen weitere Untersuchungen und Berechnungen durchgeführt weden, um eine eine Verallgemeinerung der bisherigen Berechnungen vornehmen zu können. Wichtig wäre es, wenn Messungen an Bord von Schiffen durchgeführt werden könnten. Diese Messwerte müßten mit den dazugehörigen Beladungs- und Umweltdaten aufgezeichnet und Vergleichsrechnungen mit den Verfahren durchgeführt werden. Davon würden sich Ergebnisse darstellen lassen, die die Verwaltung oder eine entsprechende Klassifikationsgesellschaft von der Zulassung weiterer Verfahren überzeugen könnten.

Weiterhin möchte ich an dieser Stelle auch auf die Möglichkeiten der Nutzung von rechnergestützten Online-Verfahren zur Überwachung der Ladungssicherung und des Seeverhaltens der Schiffe verweisen.

Im Zusammenhang mit der Nutzung dieser Systeme zur frühzeitigen Gefahrenerkennung und einer den Bedingungen angepaßten Ladungssicherung ist es möglich, natürlich immer in Einklang mit dem verantwortungsbewußten Handeln der Schiffsoffiziere, die Sicherheit und Leichtigkeit des Seeverkehrs zu erhöhen.

Abbildung 3: Ergebnisse für Beispielschiff 1

Abbildung 4: Ergebnisse für Beispielschiff 2


Literaturverzeichnis

/1/Crombie, A.: The Work of the Nautical Surveyor.- The NautiCAL Institut.- London 1991
/2/IMO: "Code of safe practice for cargo stowage and securing" .- London 1992
/3/DSRK: "Vorschriften für die Klassifikation und den Bau von Seeschiffen, Teil III Ausrüstung und Einrichtung.- Zeuthen 1990
/4/Müller/Weber: "Praxis des Seetransports Band 2".- transpress-Verlag Berlin 1986
/5/Crombie, A.: The Work of the Nautical Surveyor.- The NautiCAL Institut.- London 1991
/6/GL: "Klassifikations- und Bauvorschriften, Abschnitt 1 Schiffstechnik".- Hamburg 1993