Schiffsbau

Als Schiffsbau bezeichnet man die Ingenieurwissenschaft, die sich mit der Entwicklung von Schiffen befasst sowie den Industriezweig, der Schiffe fertigt und repariert.

Schiffsbau heute

Der Schiffsbau findet in spezialisierten Betrieben, den Werften, statt. Dort werden die Einzelteile aus Stahl- bzw. Leichtmetallblech und Profilen ausgeschnitten. Im Stahlschiffbau sind Hollandprofile (nach DIN/ISO: Wulstprofil/Bulbprofile) gebräuchlich, dies sind Rechteckprofile mit einem ähnlich großen Querschnitt wie eine Eisenbahnschiene und mit einer wulstförmigen Gurtung auf einer Seite, also in etwa ein abgerundetes L-Profil. Das Ausschneiden geschieht im Stahlschiffbau mit Schneidbrennanlagen. Die Einzelteile werden erforderlichenfalls gekrümmt, wenn sie zur Außenhaut gehören. Danach werden sie zu Sektionen zusammengeschweißt. Eine Sektion kann z. B. der Bugwulst, ein Teil des Vorstevens oder ein Teil des Bodens sein. Die Sektionen werden zur Endmontage ins Dock (früher auch auf den Helgen) gebracht. Dort werden sie miteinander verschweißt. Da sie i. a. leicht verzogen sind, besteht das besondere Können darin, sie durch geschickten Kraftaufwand zu verformen, um jeweils die beiden miteinander zu verschweißenden Blechkanten zur Deckung zu bringen. Deckshäuser, Schornsteine und ähnliche Decksaufbauten werden parallel dazu auf gleiche Weise gefertigt, oder man lässt sie gelegentlich auch von Zulieferbetrieben fertigen. Sie werden danach als ganzes aufgesetzt und verschweißt. Die Schweißnähte werden – soweit machbar – von Automaten gelegt, was in den stark gekrümmten Bereichen des Vor- und Hinterschiffs an seine Grenzen stößt.




Noch im Rohbauzustand wird das Schiff zu Wasser gelassen. Wenn es nicht im Dock, sondern auf dem Helgen gebaut wurde, nennt man diesen Vorgang Stapellauf. Anschließend erfolgt am Ausrüstungskai der Endausbau. Während die Grobblech-Konstruktion von der Werft selbst gefertigt wird, werden alle sonstigen Komponenten von Zulieferern eingekauft, denn auch im Schiffsbau ist eine möglichst geringe Produktionstiefe am wirtschaftlichsten. Nach Probefahrten, die u. a. dem Nachweis der vertraglich vereinbarten Geschwindigkeit dienen, wird das Schiff dem Eigner übergeben. Es ist nicht ungewöhnlich, dass aus terminlichen Gründen letzte Arbeiten an der Einrichtung und Ausrüstung während der Probefahrt stattfinden.

Der Fertigung eines Schiffes gehen Entwurf und Konstruktion voran. Der Entwurf wird von Modellversuchen in einer Schiffbau-Versuchsanstalt begleitet, um die benötigte Maschinenleistung, die Manövriereigenschaften und das Verhalten im Seegang festzustellen und erforderlichenfalls den Entwurf zu korrigieren. CFD-Software ist im Moment noch nicht leistungsfähig genug, Modellversuche zu ersetzen. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Schiff und Wasser bringen derzeit die CFD-Rechenmodelle noch an ihre Grenzen, so dass noch einiges an Grundlagenforschung betrieben werden muss. Schiffskonstruktionen werden mit spezieller schiffbaulicher CAD-Software entwickelt.


Fachliche Gliederung des Schiffbaus

Schiffsentwurf

Beim Schiffsentwurf wird zunächst die geometrische Form des Rumpfes entwickelt und in einem Linienriss dokumentiert. Der Linienriss enthält Wasserlinien (horizontale Schnitte), (Konstruktions-)Spanten (vertikale Schnitte in Querrichtung), Schnitte (vertikale Schnitte in Längsrichtung) und teilweise auch Senten (schräge Schnitte). Aus Symmetriegründen und wegen der besseren Sichtbarkeit stellt ein Spantriss im allgemeinen nur eine Hälfte dar, das Hinterschiff links und das Vorschiff rechts. Dabei wird das Schiff in Längsrichtung in 20 gleichlange Abschnitte unterteilt, welche dann die Konstruktionsspanten ergeben. Die Konstruktionsspanten sind von 0 (hinteres Lot HL)1 bis 20 (vorderes Lot VL)2 durchnummeriert. Weitere Spanten werden im Bereich großer Formänderung, also Hinter- und Vorschiff benutzt. Die sind in der Regel Spanten auf halbem Spantabstand mit der Nummerierung 18,5 und 19,5. Um das Schiff komplett, also auch achtern vom HL und vor dem VL, darzustellen, werden weitere Spanten eingefügt. Diese werden dann entsprechend nummeriert (zum Beispiel −5, −4, 21, 22, …). Ziel des Entwurfs ist es, eine Schiffsform zu entwickeln, die den Vorgaben des Reeders entspricht und dabei die unterschiedlichen hydrodynamischen, konstruktiven, fertigungstechnischen Anforderungen einhält. Am Ende des Prozesses steht dabei ein Kompromiss aus allen Parametern zur wirtschaftlichen Nutzung des Schiffs.

In der Regel wird ein vorhandener Linienriss als Vorlage genommen und geometrisch verzerrt.




Der Schiffsentwurf erfolgt in der Regel in dieser Reihenfolge:

• Anforderung an das Schiff, zum Beispiel Länge, Breite, Tiefgang, Geschwindigkeit, Ladevolumen, Anzahl von Containern oder der Tragfähigkeit
• Aufteilung des Schiffes in die Geometrie der Laderäume, Tanks, etc.
• Es wird ein grober Generalplan GAP (GAP für General Arrangement Plan) erstellt
• Festlegung oder Abschätzung der wichtigen hydrodynamischen Kenngrößen, wie zum Beispiel Blockkoeffizient CB, Verdrängungsschwerpunkt, Widerstand
• Anschließend wird versucht, die Schiffsform um den festen Punkt herum anhand der Anforderungen zu entwerfen.

Der Schiffsentwurf ist immer ein Kompromiss zwischen Anforderungen des Reeders und dem physikalisch Machbaren.

1: Das hintere Lot befindet sich in der Regel an der Stelle, an der sich die Konstruktionswasserlinie mit dem Ruderschaft schneidet. Die Konstruktionswasserlinie entspricht dem horizontalen Schnitt auf dem festgelegten Tiefgang.

2: Das vordere Lot liegt an der Stelle, an der die Vorschiffskontur die Konstruktionswasserlinie schneidet. Die Länge zwischen dem vorderen und hinteren Lot nennt man auch die Länge zwischen den Loten. Die Abkürzung hierfür ist LPP von Length between perpendiculars (für kleinere Schiffe meist LBP abgekürzt). In der Regel werden die hydrodynamischen Kenngrößen auf diese Länge bezogen.





Schiffshydrodynamik

Mit empirischen Verfahren, beispielsweise dem Holtrop-Verfahren, mit Widerstands- und Propulsionsversuchen im Modellmaßstab und teilweise auch mit CFD-Berechnungen wird eine Prognose erstellt, wie viel Maschinenleistung das Schiff brauchen wird, um die vertraglich vereinbarte Geschwindigkeit zu erreichen. Die Genauigkeit, die dabei gefordert und auch erreicht wird, ist enorm. Diese Untersuchungen am Schiffsrumpf gehen Hand in Hand mit mindestens genauso aufwändigen hydrodynamischen Untersuchungen am Propeller. Weitere hydrodynamische Untersuchungen betreffen das Manövrier- und Seegangsverhalten und teilweise auch entsprechende Modellversuche in Eis.

Zur Beurteilung der Schnittigkeit einer Unterwasser-Schiffskonstruktion werden verschiedene Völligkeitsgrade berechnet, deren Werte immer unter 1 liegen.

• Völligkeitsgrad des Hauptspantes (Midship Coefficient cM): Dabei wird die Fläche des Hauptspantes bis zur Konstruktionswasserlinie (KWL) im Verhältnis zum umschriebenen Rechteck (Breite KWL x Tiefgang) berechnet.(Früher: Völligkeitsgrad alpha)
• Völligkeitsgrad der Wasserlinienfläche(Waterline Area Coefficient cW): Er bewertet das Verhältnis der Fläche der Konstruktionswasserlinie zur Länge x Breite des umschreibenden Rechtecks. (Früher: Völligkeitsgrad beta)
• Völligkeitsgrad der Verdrängung (Block Coefficient cB): Hier wird die Verdrängung des Schiffes durch den umschreibenden Quader (Länge x Breite x Tiefgang) geteilt. (Früher: Völligkeitsgrad gamma) Je kleiner der Wert ist, desto schlanker ist der Schiffskörper. Sportboote haben einen kleinen Wert, Tanker oder Pontons tendieren im Wert zu 1.
• Prismatic Coefficient cP: Er beschreibt das Verhältnis der Verdrängung des Schiffes zur Hauptspantfläche mal Länge (Früher: Völligkeitsgrad delta)


Schiffsfestigkeit

Längsfestigkeit: Global und in allergröbster Näherung wird das Schiff als ein Biegebalken angesehen, dessen Schnittlasten sich aus der unterschiedlichen Verteilung von Gewicht, Ladung und Auftrieb ergeben. Querfestigkeit: Eine in Gedanken herausgeschnittene Scheibe wird bei vernachlässigter Wechselwirkung mit dem weggeschnittenen restlichen Schiff als U-förmige Anordnung von Stahlträgern berechnet. Siehe auch Balkentheorie.

Detailliertere Berechnungen mit FEM-Software berücksichtigen, dass das Schiff als Grobblechkonstruktion ein komplexes Gefüge aus Flächentragwerken darstellt.

Um immer wiederkehrende Berechnungen zu vermeiden, dimensioniert man die Spanten, Rahmen, Träger, Lukensülle und dergleichen gemäß Bauvorschriften von Klassifikationsgesellschaften.


Schiffsmaschinenbau

Als Schiffsantriebe kommen heute im wesentlichen Dieselmotoren zum Einsatz. Auf Kriegsschiffen, bei denen Wirtschaftlichkeitsüberlegungen gegenüber anderen Anforderungen zurücktreten, gibt es zum Teil abweichende Motorisierungen, etwa CODLAG-Antrieb, Nuklearantrieb oder verschiedene Formen elektrischer Antriebe bei U-Booten. Kolbendampfmaschinen gehören der Geschichte an, Dampfturbinen kommen praktisch nur noch bei Öltankern zum Einsatz. Gasturbinen sowie Nuklearantriebe haben sich in der zivilen Schifffahrt nicht durchsetzen können. Allerdings werden heute neue Kreuzfahrtschiffe, die in den USA Häfen in Alaska anlaufen wollen, wieder mit Gasturbinen ausgerüstet. Der Vorteil ist der fast nicht vorhandene Ausstoß an Rußpartikeln.

Schiffsmotoren gliedert man in schnell-, mittelschnell- und langsamlaufende Motoren einerseits und in Zwei- und Viertaktmotoren andererseits. Zweitaktmotoren sind immer Langsamläufer. Die größten Leistungen werden von Langsamläufern erbracht. Die maximale Leistung beträgt im Moment eine Größenordnung von ca. 98 MW in einem Motor. Ein solcher Dieselmotor wiegt ca. 3.300 t und hat die folgenden Abmaße: L ca. 32,3 m, B ca. 12 m (inkl. Plattform), H ca. 14 m. Als Antrieb werden solche Motoren für große Containerschiffe verwendet, die eine Tragfähigkeit von ca. 10.000 TEU haben.


Wirtschaftliche Bedeutung des Schiffbaus

Den Schiffbaumarkt im Bereich der frachttragenden Standard-Seeschiffe haben einige wenige fernöstliche Länder an sich gezogen, neben Japan vor allem Korea, und in zunehmendem Maße auch China. Speziell im Fall Koreas liegt dies auch an massiven Subventionen. Teilweise bieten asiatische Werften Schiffe unter Materialkosten am Markt an. Dies trifft umso mehr zu, je technologisch anspruchsloser der jeweilige Schiffstyp ist. Beispielsweise lassen sich Massengutfrachter und Tanker in Europa nicht zu konkurrenzfähigen Preisen anbieten. Die Länder Europas und Nordamerikas haben darauf unterschiedlich reagiert:

• Vollständiger Rückzug aus dem Schiffbau,
• Beschränkung auf Marineschiffbau (Kriegsschiffe) und Reparaturdienstleistungen,
• Spezialisierung auf komplexe, werthaltige Hightech-Schiffstypen, wie zum Beispiel Kreuzfahrtschiffe und Yachten,
• Ingenieurdienstleistungen ohne Fertigung.

Trotz schwieriger Marktbedingungen beschäftigen in Europa mehr als 350 Werften gut 100.000 Mitarbeiter und erzielen durchschnittlich einen jährlichen Umsatz von rund 15 Mrd. Euro. Allerdings verfügen früher bedeutende Schiffbaunationen, wie zum Beispiel Großbritannien und Schweden über keine Werften für den Neubau großer Seeschiffe mehr. Allerdings erleben die Werften auch in diesen Ländern derzeit wieder einen Aufschwung. Dieser ist vor allem auf die Spezialisierung auf den militärischen Schiffbau sowie die zunehmende Bedeutung von Wartung, Reparatur und Umbau von Schiffen zurückzuführen.

Eine breite Palette an Werft- und Schiffstypen konnte sich in Deutschland, Spanien, Italien und Polen erhalten. In Deutschland haben sich beispielsweise die Werft Jos.L.Meyer (Meyer-Werft) in Papenburg als Anbieter hochentwickelter Kreuzfahrtschiffe einen Namen gemacht sowie die Howaldtswerke-Deutsche Werft AG in Kiel als führender Entwickler und Hersteller konventioneller U-Boote. Europäische Werften profitieren von ihrer Flexibilität und von ihrer Erfahrung. Seit 2005 sind staatliche Subventionen in Europa ausgelaufen, so dass eine Unterstützung des Schiffbau nur über OECD konforme Förderinstrumente für Forschung, Entwicklung und Innovation möglich ist.

Auch der Binnenschiffbau erlebt in Europa durch neue Schiffstypen, wie zum Beispiel Flusskreuzfahrtschiffe und Containerschiffe, einen technologischen und wirtschaftlichen Aufschwung. In Deutschland existieren mehr als 50 Binnenschiffswerften für Neubau und Reparatur. Frachttragende Binnenschiffe werden dagegen überwiegend in Niedriglohnländern wie Rumänien und China gebaut und in Europa nur noch ausgerüstet, zum Beispiel in den Niederlanden.

Impulse für Forschung und Entwicklung ergeben sich aus der weiteren Senkung von Schiffsverlusten im Seegang und die Vermeidung von Umweltkatastrophen durch havarierte Öltanker sowie dadurch, dass der Bedarf an immer größeren Containerschiffen im direkten Zusammenhang mit der weltwirtschaftlichen Entwicklung steht.


Ausbildungsberufe

Das Handwerk des Schiffbauers kann in Deutschland in der Ausbildung "Konstruktionsmechaniker - Schiffbau" erlernt werden.

Außerdem gibt es an einigen deutschen Hochschulen spezielle Studiengänge, unter anderem an diesen Hochschulen:

• Fachhochschule Kiel: Schiffbau und maritime Technik (Bachelor of Engineering/Master of Engineering)
• Technische Universität Hamburg-Harburg Schiffbau (Bachelor of Science) und Schiffbau und Meerestechnik (Master of Science)
• TU Berlin Schiffs- und Meerestechnik (Bachelor of Science)
• Universität Duisburg-Essen Maschinenbau mit Vertiefungsrichtung Schiffstechnik (Bachelor of Engineering) und Schiffstechnik und Meerestechnik (Master of Science)
• Hochschule Bremen Schiffbau und Meerestechnik - Studiengang national und international sowie Studium im Praxisverbund (Bachelor of Engineering/Master of Engineering)
• Universität Rostock Schiffbau (Bachelor of Science) und Schiffbau und Meerestechnik (Master of Science)


Siehe auch

• Schiff
• Schiffsmaße
• Schiffszimmerer
• Beplankung
• Krängung
• Propeller
• Ruder
• Manövrieren
• Schiffbau-Versuchsanstalt
• Klassifikationsgesellschaft
• Entwicklungsgeschichte des Segelschiffs
• Umweltschutz in der Seeschifffahrt
• Werft
• Verkehrstechnik
• Stabilität (Schiff)
• Schiffsvermessung


Einzelnachweise

1. Spessartmuseum (Hrsg.) (1994). Mensch und Wald – Handblätter für Besucher. Spessartmuseum: Lohr am Main.


Literatur

• Claus F. Mayer, Ralf S. Marquardt: Schiffstechnik und Schiffbautechnologie. Seehafen-Verlag, Hamburg 2006, ISBN 978-3-87743-817-6
• Ronald Bockius: Schifffahrt und Schiffbau in der Antike. Theiss, Stuttgart 2007, (Archäologie in Deutschland, Sonderheft 2007), ISBN 978-3-8062-1971-5
• Hans-Jürgen Warnecke: Schiffsantriebe – 5000 Jahre Innovation. Koehler, Hamburg 2005, ISBN 3-7822-0908-7
• Fritz E. Giese: Kleine Geschichte des deutschen Schiffbaus. Haude & Spener, Berlin 1969
• Robert Taggart: Ship design and construction. Society of Naval Architects and Marine Engineers, New York 1980, ISBN 0-9603048-0-0
• 60 Jahre deutscher Schiffbau. In: Schiff & Hafen, Heft 4/2009, S. 22–60, Seehafen-Verlag, Hamburg 2009, ISSN 0938-1643


Weblinks

• VSM Verband für Schiffbau und Meerestechnik e.V.
• CESA Community of European Shipyards' Associations
• Deutsches Maritimes Kompetenz Netz (DMKN) - Center Schiffbau und Technologie
• Der karolingische Kahn von Krefeld
• Commons: Schiffbau – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien


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