Schiffbau

Als Schiffbau bezeichnet man die Ingenieurwissenschaft, die sich mit der Entwicklung von Schiffen befasst, sowie den Industriezweig, der Schiffe fertigt und repariert. Hull6Jul2004.JPG

Schiffbau heute

Der Schiffbau findet in spezialisierten Betrieben, den Werften, statt. Dort werden die Einzelteile aus Stahl- bzw. Leichtmetallblech und Profilen ausgeschnitten. Im Stahlschiffbau sind Hollandprofile 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 Grobblechkonstruktion von der Werft selbst gefertigt wird, werden alle sonstigen Komponenten von Zulieferern eingekauft, denn auch im Schiffbau 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, die aus Kostengründen noch nicht von CFD-Software verdrängt worden sind, um die benötigte Maschinenleistung, die Manövriereigenschaften und das Verhalten im Seegang festzustellen und erforderlichenfalls den Entwurf zu korrigieren. Schiffskonstruktionen werden mit spezieller schiffbaulicher CAD-Software entwickelt.

Geschichte des Schiffbaus

Antike

Die ersten Schiffe wurden nicht von den Ägyptern gebaut. Diese Ansicht musste revidiert werden, seit klar ist, dass Menschen bereits im 10. Jahrtausend v. Chr. die bis dahin unbewohnte Insel Zypern erreichten. Welche Art Wasserfahrzeug für die damals etwa 50 km weite Reise nach Zypern eingesetzt wurde, ist unklar, fest steht aber, dass Hausrat und Vieh um etwa 8.200 v. Chr. von Bauern aus der Levante auf die Insel gebracht wurden. Andere Menschen holten etwa 7.000 v. Chr., also ebenfalls weit vor den Ägyptern, Obsidian von der Insel Melos. Die Ägypter setzten Schiffe vornehmlich für das Fahrtrevier Nil ein. Hierfür wurde anfangs Schilf und später dann auch Holz verwendet. Die ersten Berufe des Schiffbaus waren demgemäß Zimmermann und Segelmacher sowie Seiler. Die Seilmacherkunst beschränkte sich nicht nur auf die Takelage, auch für die Festigkeit der Schiffe waren Tampen erforderlich, die zwischen Bug und Heck gespannt wurden, damit diese Endbereiche des Schiffs nicht durchhingen.

Auch die Inder waren frühe Schiffbauer. Sie befuhren vornehmlich den Indus und den Ganges. Das Wort navigieren hat seinen Ursprung im Sanskritwort "navgathi".

Durch die Minoer, Phönizier und Griechen wurde der Schiffbau weiter entwickelt. Die ersten Langschiffe, die für die Fahrt im Mittelmeer und im schwarzen Meer verwendet wurden, stellten erhöhte Anforderungen an die Seetüchtigkeit und Stabilität. Zugleich wurden dickbauchige Handelsschiffe entwickelt. Häufig mussten Reparaturen auf hoher See oder an entlegenen Stränden durchgeführt werden, so dass der Beruf des Schiffszimmermanns als Besatzungsmitglied erforderlich wurde. Die Typisierung der Schiffe schritt voran, Schiffstypen wie die Bireme oder Trireme wurden nach festen Regeln und Proportionen gebaut. In der Frühzeit des griechischen und phönizischen Schiffbaus wurden die Schiffe noch am Strand gebaut, später wurde die Werft als Spezialbetrieb entwickelt.

Im 3. Jahrhundert v. Chr. war der Schiffbau in Karthago am höchsten entwickelt. Der Bau großer Schiffe wie der Quinquiremen der Karthager bedurfte einer ausgefeilten Logistik und des Zusammenspiels der einzelnen Gewerke. Im ersten punischen Krieg strandeten karthagische Kriegsschiffe an den Küsten Italiens. Dies war das Startsignal für den römischen Schiffbau. Die karthagischen Schiffe wurden als Muster für römische Schiffe benutzt. Die karthagische Schiffbautechnologie wurde kopiert und um den Corvus als römische Erfindung ergänzt. Innerhalb kurzer Zeit bauten die Römer eine leistungsfähige Werftindustrie auf und bauten eine Flotte, die es mit den Karthagern aufnehmen konnte. Nach der Eroberung Karthagos war der römische Schiffbau technologisch führend, allerdings bauten die Griechen in Ägypten noch größere Schiffe. Ein besonders bedeutender Werftstandort des Römischen Reiches war Misenum am Golf von Neapel, zugleich Flottenstützpunkt, Hafen, Marineschule (armaturarum schola) und Standort der prima adjutrix, einer Legion von Marineinfanteristen.

Mittelalter

Im Mittelalter gab es in Europa jeweils im Mittelmeer und in Nord- und Ostsee zwei getrennte Entwicklungslinien des Schiffbaus.

Die mediterrane Linie setzte die römische Tradition fort, während der Norden Europas völlig anders konstruierte. Typisch für den Norden war das symmetrische Boot bzw. Schiff, Bug und Heck waren gleich gebaut und die Klinkerbeplankung, die nur schwache Spanten benötigte, die mit den Planken durch Schnüre verbunden waren.

Das Nydam-Schiff aus dem 4. Jahrhundert ist ein Beispiel aus dieser Tradition und hatte noch kein Segel. Die Wikinger entwickelten dies zu ihren Langschiffen weiter, die für weite Reisen nach Island, Grönland und Neufundland geeignet waren. Neben den Langschiffen für militärische Zwecke bauten sie später bauchigere Handelsschiffe.

Die Wikinger verwendeten ein einziges Rahsegel. Dies galt auch noch für die Hansekogge, die ebenfalls klinkerbeplankt war, aber schon ein deutlich abweichend geformtes Heck hatte, an dem auch das Ruder gefahren wurde. Die Schiffbauer des Mittelmeeres verwendeten Kraweelbeplankung und deren Schiffe trugen dreieckige Lateinersegel an ein oder zwei Masten.

John Constable 006.jpg, 1815]] Gegen Ende des Mittelalters, als Kaufleute und Piraten aus dem Norden in das Mittelmeer vordrangen, kam es ab 1300 zur Vermischung der Traditionen. Die Bremer Kogge von 1380 war bereits am Boden kraweel beplankt. Als Ergebnis der Vermischung entstand das Entdeckerschiff der frühen Neuzeit, die Karavelle und der Nachfolgetyp der Kogge, der Kraweel.

Der Schiffbau fand in Europa bis in das 19. Jahrhundert hinein in erster Linie in Werften an Stränden statt. Meist wurden die Schiffe quer zur Fahrtrichtung am Strand aufgebaut. Der Kiel lag auf den so genannten Stapeln, an diese Art, Schiffe zu bauen, erinnert heute noch das Wort "Stapellauf". Auf hölzernen Gleitschienen wurden die Schiffe in das Wasser geschoben. Nur selten wurde auch die Längsrichtung benutzt. Diese Art des Schiffbaus in Strandwerften begrenzte die Größe der Schiffe.

Neuzeit

Die ersten Trockendocks wurden vermutlich vom chinesischen Admiral Zheng He Anfang des 15. Jahrhunderts entwickelt und in Nanking gebaut. Auf ihnen fand der Bau für damalige Verhältnisse riesiger Schatzschiffe statt, die drei bis viermal länger waren als die längsten Karacken des späten Mittelalters in Europa. Ihre Ausmaße wurden in der übrigen Welt erst durch die Vollschiffe des 19. Jahrhunderts knapp erreicht. Noch heute ist ein solches Trockendock in Nanking erhalten.

Das erste Trockendock Europas entstand 1495 in Portsmouth (England). Es dauerte jedoch noch mehrere hundert Jahre, bis sich das Trockendock für den Schiffbau im 19. Jahrhundert allgemein durchsetzte. Drei Jahrtausende war Holz das dominierende Baumaterial für Schiffe.

Zu Beginn der Industrialisierung begannen die Schiffbauer vor allem in Großbritannien verstärkt Eisen einzusetzen, um das rar gewordene Krummholz zu ersetzen. Damit entstand die Kompositbauweise mit Kielschwein und Spanten aus Eisenprofilen und Beplankung aus Holz. Das Unterwasserschiff wurde zum Schutz gegen Bewuchs mit Kupferblech beschlagen.

Komplett aus Eisen gebaute Schiffe wurden lange gemieden, zum Teil weil die Seeleute dies als Frevel empfanden, da Eisen im Gegensatz zu Holz nicht schwimmen konnte. Ein Sturm, den allein ein aus Eisen gebautes Schiff schadlos überstand, brachte die Wende. Damit wurde die Bauweise aus vernieteten Eisenplatten üblich, ab ca. 1890 ersetzte vernieteter Stahl das Eisen. Die erste deutsche Werft, die den ersten "Eisendampfer" baute, war die Neptunwerft in Rostock. Die Schweißtechnik im Schiffbau wurde erst nach 1920 eingesetzt, forciert durch die deutsche Marine, die mit der neuen Technik leichtere Schiffe bauen wollte, da der Versailler Vertrag diesbezüglich starke Beschränkungen auferlegte. Insbesondere bei den Panzerschiffen wurde dies konsequent angewendet.

Siehe auch: Wikingerlangschiff, Hansekogge, Karavelle, Heinrich der Seefahrer

Fachliche Gliederung des Schiffbaus

Schiffsentwurf

Spanten und Wasserlinienriss.jpg 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 (z.B. -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 Zyklus steht als Kompromiss aller physikalischen und wirtschaftlichen Parameter ein Schiff, das als Investitionsgut dem Eigentümer ermöglicht das investierte Kapital durch den Betrieb wieder einzufahren und maximalen Gewinn zu erzielen.

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, z. B. 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 z. B. 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 Anforderung 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. 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 wird der Völligkeitsgrad berechnet : Dabei wird die Fläche des Hauptspantes im Tiefgang bis zur Konstruktionswasserlinie (KWL) im Verhältnis zum umschriebenen Rechteck ( Breite KWL x Tiefgang ) berechnet = Wert liegt unter 1 ( Völligkeitsgrad alpha ) Völligkeitsgrad beta bewertet das Verhältnis der Fläche der Konstruktionswasserlinie zur Länge x Breite des umschreibenden Rechtecks. Auch dieser Wert ist kleiner als 1. Der Völligkeitsgrad gamma bewertet das Verhältnis des gesamten Unterwasserschiffes (= Verdrängung) zum umschreibenden Quader (Länge x Breite x Tiefgang) Je weiter der Wert von 1 abweicht, desto schlanker ist der Schiffskörper. Sportboote haben einen kleinen Wert, Tanker oder Pontons tendieren im Wert zu 1.

Schiffsfestigkeit

Schweißen.Bodensektion.jpg 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 nach Bauvorschriften von Klassifikationsgesellschaften.

Schiffsmaschinenbau

Als Schiffsantriebe kommen heute im wesentlichen Dieselmotoren zum Einsatz. Kolbendampfmaschinen gehören der Geschichte an, Dampfturbinen kommen praktisch nur noch bei Öltankern zum Einsatz und Gasturbinen sowie zivile Nuklearantriebe haben sich 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 Seeschiffbau-Markt 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. Dies trifft um so 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,
Ingenieurdienstleistungen ohne Fertigung.

Beispielsweise verfügen Großbritannien und Schweden über keine Werften für große Seeschiffe mehr und Frankreich nur noch über eine einzige (Chantiers de l'Atlantique in St. Nazaire). Großbritannien erlebt zurzeit jedoch wieder einen Aufschwung, der vor allem auf die Spezialisierung auf den militärischen Schiffbau, sowie mehrere Werftenfusionen zurückzuführen ist.

Eine bescheidene Vielfalt an Werften 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 Howaldtswerke-Deutsche Werft AG in Kiel als führender Entwickler und Hersteller konventioneller U-Boote. Kleine europäische Werften profitieren von ihrer Flexibilität und von ihrer Erfahrung. Insbesondere in Deutschland sind jedoch hohe staatliche Subventionen notwendig, um den Schiffbau in seiner heutigen Form weiterhin beizubehalten. 2005 sind die staatlichen Subventionen in Deutschland ausgelaufen, was zu Stellenstreichungen trotz gestiegenem Umsatz führte. Es wird allerdings zurzeit (Stand Mai 2005) überlegt, zukünftig den Schiffbau über Forschungsprojekte wieder staatlich zu subventionieren.

Der Binnenschiffbau spielt wegen der geringen Nachfrage und technologischen Anforderungen nur eine marginale Rolle. Binnenschiffswerften gibt es (abgesehen von Reparaturbetrieben) in Deutschland und in den meisten anderen europäischen Ländern nur noch recht wenige. Eine Ausnahme ist Rumänien, das wegen der geringen Lohnkosten praktisch das Binnenschiffbau-Land Europas geworden ist.

Impulse für Forschung und Entwicklung ergeben sich aus der immer noch hohen Quote an Schiffsverlusten im Seegang (beispielsweise durch "parametrisches Rollen"), ferner dadurch, dass regelmäßig Umweltkatastrophen durch verunglückte Öltanker in die Schlagzeilen geraten sowie dadurch, dass der Bedarf an immer größeren Containerschiffen im direkten Zusammenhang mit der weltwirtschaftlichen Entwicklung steht.

Siehe auch:

Weblink

Deutsches Maritimes Kompetenz Netz (DMKN) - Center Schiffbau und Technologie