Wie groß können Widerstandskräfte bei einem Subsea-Hub werden?

Erheblich: Im Rechenbeispiel auf dieser Seite erfährt eine Platte mit 15 × 10 m bei einer Spitzen-Hubbewegungsgeschwindigkeit von 1.57 m/s etwa 216 kN ≈ 22 t Widerstand. Da der Widerstand mit dem Quadrat der Geschwindigkeit steigt, senkt eine Halbierung der Relativgeschwindigkeit die Widerstandskraft auf ein Viertel — genau das bewirkt Seegangskompensation.

Was ist Zusatzmasse und wie groß ist sie?

Das umgebende Wasser, das eine Nutzlast mit sich beschleunigen muss. Im Beispiel auf der Seite ergibt eine Platte mit 20 × 10 m in 8-Sekunden-Wellen eine Trägheitskraft von etwa 98 t — zusätzlich zum statischen Gewicht. Nahe dem Meeresboden nimmt sie durch Einengung weiter zu.

Subsea-Struktur am Kranseil, die bei Dämmerung durch die Wassersäule abgesenkt wird

Subsea-Heben

Unter Wasser hebt das Wasser mit Ihnen — und gegen Sie: Auftrieb, Slamming, Widerstand, Zusatzmasse.

Subsea-Hübe

Q: Warum ist ein Subsea-Hub schwieriger als ein Hub in Luft?

Weil das Wasser auf vier Arten entgegenwirkt: Auftrieb verändert das effektive Gewicht und variiert an der Oberfläche schnell, Slamming tritt beim Wassereintritt auf, Widerstand steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit und Zusatzmasse macht die Nutzlast bei jeder Beschleunigung effektiv schwerer. Jede Hubphase hat eine andere dominierende Kraft.

Q: Welche Kraft dominiert in der Spritzwasserzone?

Slamming und schnell wechselnder Auftrieb, zusätzlich zur Wellenteilchengeschwindigkeit. In der Spritzwasserzone überlagern sich auf wenigen Metern Wegstrecke die ungünstigsten Bedingungen aller Bereiche; deshalb bestimmt sie die Auslegung des Kompensators häufiger als jede andere Phase.

Q: Wie schützt Seegangskompensation einen Subsea-Hub?

Sie verringert Relativgeschwindigkeit und Beschleunigung zwischen Haken und Nutzlast — und damit den geschwindigkeitsquadratischen Widerstand sowie die beschleunigungsbedingte Zusatzmassenkraft — und hält das Seil gespannt, sodass keine Slack-Snap-Ereignisse entstehen. Für schwere Hübe und Tiefwasser ist CYGNUS der dafür ausgelegte passive Kompensator; RIGEL und ANTARES decken die Standard- und adaptiven Fälle ab.

Von Peter Wang, COO · Dezember 2025

Praktische Anwendung: Zur praktischen Anwendung dieses Themas siehe RIGEL Basis-PHC und Ingenieurstudien und Analysen.

Subsea-Hübe gehören zu den komplexesten Offshore-Einsätzen und erfordern eine sorgfältige Planung, um die hydrodynamischen Kräfte auf die sich im Wasser bewegende Nutzlast zu berücksichtigen. Die beiden wichtigsten Effekte sind Widerstand und Zusatzmasse; beide erhöhen das effektive Gewicht und die dynamischen Lasten auf Kran und Hebeausrüstung.

Das Verständnis dieser Kräfte ist entscheidend für die Auswahl des richtigen Subsea-Seegangskompensators und dafür, dass der Kran über ausreichende Kapazität für den Einsatz verfügt.

Wie beeinflusst Widerstand einen Subsea-Hub?

Der Widerstand bei einem Subsea-Hub ähnelt dem Luftwiderstand eines Autos und variiert mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Die Größe der Widerstandskraft hängt von der senkrecht zur Bewegung stehenden Fläche sowie vom Widerstandsbeiwert ab (den wir auch von Autos kennen, die zur Reichweitenerhöhung immer geringere Widerstandsbeiwerte anstreben). Der Hauptunterschied zum Auto besteht jedoch darin, dass das Medium Wasser und nicht Luft ist; Wasser hat eine 1000-mal höhere Massendichte, die ebenfalls in die Widerstandskraft eingeht.

$F_D = \tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z |\dot z|$

Dabei ist $C_D$ der Widerstandsbeiwert (weitere Informationen finden sich in DNV RP-N103; einige Beispiele sind unten aufgeführt) und $\dot z$ die vertikale Geschwindigkeit der Nutzlast.

Form	$C_D$	$A_{\perp}$	Hinweise
Kugel	$C_D = 0.5$	$A_{\perp} = \pi r^2$
Horizontaler Zylinder	$C_D = 1.2$	$A_{\perp} = 2 r L$
Vertikaler Zylinder	$\frac{L}{2r}=0.5 \Rightarrow C_D=1.1$ $\frac{L}{2r}=1 \Rightarrow C_D=0.9$ $\frac{L}{2r}=2 \Rightarrow C_D=0.9$ $\frac{L}{2r}=4 \Rightarrow C_D=0.9$ $\frac{L}{2r}=8 \Rightarrow C_D=1.0$	$A_{\perp} = \pi r^2$
Würfel	$C_D = 1.05$	$A_{\perp} = a^2$	Fläche senkrecht zur Strömung.
Kegel	$C_D = 0.50$	$A_{\perp} = \pi r^2$	Spitze in Strömungsrichtung; abhängig vom Kegelwinkel.
Rechteckige Platte	$C_D = 1.1+0.02 (\frac{L}{W}+\frac{W}{L})$	$A_{\perp} = L W$	Senkrecht zur Strömung.

Betrachten wir ein Rechenbeispiel, um die Relevanz einzuordnen. Angenommen, Sie heben eine Nutzlast in Form einer rechteckigen Platte mit 15 m Länge und 10 m Breite. Die Wellenperiode beträgt 8 Sekunden und die Wellenhöhe 4 m; nehmen Sie sinusförmige Wellen an. Wie groß wird die Kraft sein?

Zunächst bestimmen wir die Spitzengeschwindigkeit; die Wellenbewegung ist gegeben durch

z = \zeta \cos(\omega t)

Die Spitzengeschwindigkeit ergibt sich somit aus dem Maximum der Ableitung:

\dot{z}_{\text{max}} = \zeta \, \omega

Da $\omega = \frac{2 \pi}{T_p}$ gilt, erhalten wir eine Spitzengeschwindigkeit von 1.57 m/s.

Den Widerstandsbeiwert können wir dann wie folgt berechnen:
$C_D = 1.1 + 0.02 \left( \frac{15}{10} + \frac{10}{15} \right) = 1.14$

Unsere Widerstandsfläche beträgt:

A_\perp = 10 \cdot 15 = 150 \,\mathrm{m^2}

Damit können wir die maximale Widerstandskraft berechnen:

F_D = \tfrac{1}{2}\cdot 1025\cdot 1.14 \cdot 150\cdot 1.57^2 \approx 216\,\mathrm{kN} \approx 22\,\mathrm{t}

Abbildung 1 — Widerstand an der Beispielplatte (C_D = 1.14, A⊥ = 150 m²). Der Widerstand steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit: Bei der Spitzen-Hubbewegungsgeschwindigkeit des Beispiels ζω = 1.57 m/s erreicht er ≈22 t. Eine Halbierung der Relativgeschwindigkeit – genau das bewirkt Seegangskompensation – senkt die Widerstandskraft auf ein Viertel.

Wie beeinflusst Zusatzmasse einen Subsea-Hub?

Die Zusatzmasse bei einem Subsea-Hub ist sehr wichtig, da sie große zusätzliche Trägheit und damit große dynamische Kräfte verursachen kann. Sie entsteht dadurch, dass eine Nutzlast bei einer durch Hubbewegung verursachten Schwingung im Wasser auch das umgebende Wasser beschleunigen muss; mathematisch wird sie angegeben als:

$m_A = \rho_w C_A V_R$

Dabei ist $C_A$ der Zusatzmassenbeiwert (in DNV RP-N103 zu finden; einige Beispiele unten) und $V_R$ das Referenzvolumen.

Form	$C_A$	$V_R$	Hinweise
Kugel	$C_A = 0.5$	$V_R = \frac{4}{3}\pi r^3$	In allen Richtungen konstant.
Zylinder	$\frac{L}{2r}=1.25 \Rightarrow C_A=0.62$ $\frac{L}{2r}=2.5 \Rightarrow C_A=0.78$ $\frac{L}{2r}=5 \Rightarrow C_A=0.90$ $\frac{L}{2r}=9 \Rightarrow C_A=0.96$ $\frac{L}{2r}=\infty \Rightarrow C_A=1.00$	$V_R = \pi r^2 L$	Vertikale Bewegung entlang der Zylinderachse in unendlicher Flüssigkeit.
Rechteckige Platte	$\frac{L}{W}=1 \Rightarrow C_A=0.58$ $\frac{L}{W}=2 \Rightarrow C_A=0.76$ $\frac{L}{W}=4 \Rightarrow C_A=0.87$ $\frac{L}{W}=8 \Rightarrow C_A=0.93$ $\frac{L}{W}=\infty \Rightarrow C_A=1.00$	$V_R = \frac{\pi}{4}W^2 L$	Bewegung senkrecht zur Oberfläche.
Kreisscheibe	$C_A = \frac{2}{\pi}$	$V_R = \frac{4\pi}{3} r^3$	Bewegung senkrecht zur Oberfläche.
Quadratisches Prisma	$\frac{L}{W}=1 \Rightarrow C_A=0.68$ $\frac{L}{W}=2 \Rightarrow C_A=0.36$ $\frac{L}{W}=4 \Rightarrow C_A=0.19$ $\frac{L}{W}=10 \Rightarrow C_A=0.08$	$V_R = W^2 L$	Prismatischer Körper mit quadratischer Grundfläche.

Betrachten wir ein weiteres Rechenbeispiel. Angenommen, Sie heben eine Nutzlast in Form einer rechteckigen Platte mit 20 m Länge und 10 m Breite. Die Wellenperiode beträgt 8 Sekunden und die Wellenhöhe 4 m; nehmen Sie sinusförmige Wellen an. Wie groß wird die Kraft durch Zusatzmasse sein?

Wir müssen die maximale Beschleunigung bestimmen (die Ableitung der Geschwindigkeit, wie im Widerstandsbeispiel gezeigt); sie ist gegeben durch:

\ddot{z}_{\text{max}} = \zeta \, \omega^2

Die maximale Beschleunigung beträgt somit:

\ddot{z}_{\text{max}}=2 \cdot \left(\frac{2\pi}{8}\right)^2 = 1.23 \,\mathrm{m/s^2}

Als Nächstes beträgt der Zusatzmassenbeiwert 0.36 und unser Referenzvolumen 2000 Kubikmeter. Damit können wir die Kraft wie folgt berechnen:

F=m a=1025 \cdot 0.36 \cdot 2000 \cdot 1.23=98 \mathrm{t}

Beachten Sie, dass die Zusatzmasse bei Subsea-Hüben nahe dem Meeresboden durch Einengung zunehmen kann.

Vom Deck zum Meeresboden, ein Durchgang

Ein durchgehendes Absenken: Der Kompensator wird an Deck verriegelt, direkt über der Oberfläche entriegelt und schaltet beim Eintauchen der Last den Gasmodus um — steif beim Wassereintritt, weich für ein nachgiebiges Aufsetzen.

1An Deck — angeschlagen und abgehoben; der Kompensator ist verriegelt → 2Spritzwasserzone — über Bord durch die Wellenzone; Slamming und schlagartige Lastspitze (Snap Load) geprüft → 3Absenken — durch den Resonanzbereich der Hubbewegung; Widerstand und Zusatzmasse nehmen zu → 4Aufsetzen — sanftes Aufsetzen auf den Bodenwiderstand

ANTARES adaptiv-passive Seegangskompensation, vom Deck zum Meeresboden — simuliert in CONSTELLATION. Für das vollständige Betriebsfenster-Screening nach H_s×T_p eines solchen Hubs siehe Operabilitäts-Screening.

Die vier Kräfte, eine Tabelle

Widerstand und Zusatzmasse sind die beiden oben berechneten Kräfte — Auftrieb und Slamming vervollständigen das Bild, und jede Phase des Hubs wird von einer anderen Kraft bestimmt:

Kraft	Skaliert mit	Wann sie dominiert	Auswirkung auf den Hub
Auftrieb	Verdrängtes Volumen (ρ_wVg)	Ab Wassereintritt; ändert sich beim Durchqueren der Oberfläche schnell	Das effektive Gewicht sinkt und schwankt — Risiko eines schlaffen Seils
Slamming	Aufprallgeschwindigkeit beim Wassereintritt	Spritzwasserzone	Kurze, scharfe Lastspitzen auf Nutzlast und Anschlagmittel
Widerstand	Geschwindigkeit im Quadrat (½ρ_wC_DA_⊥v²)	Eingetauchtes Absenken durch Wellen und Strömung	≈ 22 t an der Beispielplatte bei Spitzen-Hubbewegungsgeschwindigkeit
Zusatzmasse	Beschleunigung (ρ_wC_AV_R × a)	Jede Schwingung; nimmt nahe dem Meeresboden zu (Einengung)	≈ 98 t zusätzliche Trägheitskraft im obigen Beispiel

In der Spritzwasserzone überlagern sich Slamming, schnell wechselnder Auftrieb und Wellenteilchengeschwindigkeit auf wenigen Metern Wegstrecke — siehe Spritzwasserzonen-Durchquerung und die Methodenreferenz DNV-RP-N103.

Kräfte dieser Größenordnung — eine ≈98 t Trägheitskraft zusätzlich zum statischen Gewicht — erklären, warum schwere Subsea-Hübe mit einem für den Fall ausgelegten passiven Kompensator durchgeführt werden. Er verringert Relativgeschwindigkeit und Beschleunigung (und damit den Widerstand v² sowie die Zusatzmassenkraft) und hält das Seil gespannt, sodass sich schlaffes Seil und Snap Load nicht entwickeln können. Für schwere Hübe und Tiefwasser ist dieser Kompensator CYGNUS (12.5–10 000 t); RIGEL und ANTARES decken die Standard- und adaptiven Fälle ab.

Aufsetzgeschwindigkeit: der letzte halbe Meter

Der Aufprall beim Aufsetzen skaliert mit der Geschwindigkeit — und ohne Kompensation wird diese Geschwindigkeit durch die Hubbewegung des Schiffes bestimmt, die niemand kontrolliert. Ein hartes oder federndes Aufsetzen birgt folgende Risiken:

Geräteschäden — Präzisionsflächen und Dichtungen an Verteilern, Bäumen und Schablonen Strukturschäden — Fundamentmatten knicken ein oder dringen beim Aufprall zu tief ein Ausrichtungsfehler — ein Rückprall beim Aufsetzen bringt die Last für spätere Anschlüsse aus der Position

Ein kompensiertes Aufsetzen beseitigt die Hubbewegungskomponente (die Last sinkt mit der Windenrate ab, nicht mit Windenrate plus Hubbewegung) und erhöht die Dämpfung für die Endannäherung, sodass das Aufsetzen zu einer kontrollierten Verzögerung wird — typischerweise 0.1–0.5 m/s, vom Bediener eingestellt und weitgehend unabhängig vom Seegang:

1Annäherung — unter normaler Kompensation auf einige Meter über den Meeresboden absenken → 2Endabsenkung — Dämpfung erhöhen, Winde gibt mit kontrollierter Geschwindigkeit aus → 3Aufsetzen — Kontakt bei 0.1–0.5 m/s; Resthubbewegung wird aufgenommen, sodass die Last nicht zurückprallt → 4Absetzen — Seilspannung wird schrittweise abgebaut; der Kompensator verhindert schlagartige Lastspitzen, wenn der Meeresboden das Gewicht übernimmt

Einstellbare Dämpfung ist die Schlüsselfunktion für Aufsetzarbeiten: ANTARES ergänzt eine adaptive Gasfeder und Kolbenstangenverriegelung, um die Last nach dem Absetzen sicher zu halten; wenn eine genaue Absenkgeschwindigkeit eingestellt werden muss, bietet ein aktives System diese Regelung. Die Physik des Bewegungsverhältnisses hinter sanften Aufsetzungen wird in Grundlagen der passiven Seegangskompensation hergeleitet.

Wie sich die Tiefe auf den Kompensator auswirkt

Die vier oben genannten Kräfte wirken auf die Nutzlast. Drei weitere Effekte wirken beim Absenken auf den Kompensator selbst — jeder verschiebt das Gerät von seinem Arbeitspunkt — und ein vierter wird durch ingenieurtechnische Disziplin ausgeschlossen:

Effekt	Auswirkung auf den Kompensator	Die Lösung
Auftrieb	Das Nettogewicht der Nutzlast sinkt im Wasser → die Gleichgewichtslage wandert einwärts, im schlimmsten Fall bis zum vollständigen Einfahren	Adaptiv: Gasdruck senken, Gleichgewichtslage neu zentrieren — mit einer längeren Eigenperiode als Zusatznutzen
Temperatur	≈ 1% Gasdruck pro 3 °C Abkühlung — etwa 5% des Hubs — gehen beim schnellen Durchqueren der Thermokline verloren	Adaptiv: Bord-Hochdruckgas füllt ihn wieder auf
Wasserdruck	≈ 1 bar pro 10 m Tiefe wirkt auf die Kolbenstangenfläche und drückt die Kolbenstange ein — bei einem 250 t Hub mit einer 180 mm Kolbenstange in 1,000 m ergeben sich ≈ 26 t, wodurch sich die Gleichgewichtslage von der Hubmitte auf ≈⅙ des Hubs verschiebt	Adaptiv: Druck wird mit zunehmender Tiefe abgesenkt
Leckage	Wassereintritt — historisch von Leistungsverlusten über Korrosion bis zu Explosionen	Konstruktion + Prüfung + Wartung: doppelte Dichtungen, Außendruckprüfung bei FAT, Kompartimentierung, planmäßiger Dichtungswechsel

Die ersten drei sind Gleichgewichtsprobleme, die ein adaptives Gerät laufend korrigiert; das vierte wird durch ingenieurtechnische Disziplin beherrscht.

Wie stark wirkt sich die Temperatur aus?

Etwa 1% Gasdruck pro 3 °C Abkühlung — ungefähr 5% des Hubs — und der größte Teil tritt beim schnellen Durchqueren der Thermokline auf. Adaptive Geräte führen Bord-Hochdruckgas zu, um den Druck zu halten.

Wie wirkt sich der Tiefendruck auf den Kompensator aus?

Etwa 1 bar pro 10 m wirkt auf die Kolbenstangenfläche und drückt die Kolbenstange ein. Beispiel: Ein 250 t Hub mit einer 180 mm Kolbenstange in 1,000 m erfährt ≈ 26 t Einfahrkraft, wodurch sich die Gleichgewichtslage von der Hubmitte auf etwa ein Sechstel verschiebt. Die adaptive Druckanpassung beseitigt die Verschiebung.

Wie wird das Eindringen von Wasser in den Kompensator verhindert?

Doppelte Dichtungen auf zwei unterschiedlichen Dichtflächen an allen Volumina, Außendruckprüfung bei FAT, Kompartimentierung zur Begrenzung jeder Leckage, offshorefähige Prüfung der Hinterdichtung bei regelmäßiger Wartung, planmäßiger Dichtungswechsel — sowie Redundanzoptionen für kritische Einsätze.

Warum einen adaptiven Kompensator für große Wassertiefen wählen?

Weil Auftrieb, Abkühlung und Tiefendruck den Arbeitspunkt verschieben und ein adaptives Gerät alle drei Effekte automatisch korrigiert — es bleibt über die gesamte Wassersäule zentriert und weich, statt von seinem Auslegungspunkt abzuweichen.

Subsea-Heben — häufige Fragen

Warum ist ein Subsea-Hub schwieriger als ein Hub in Luft?

Das Wasser wirkt auf vier Arten entgegen: Auftrieb verändert das effektive Gewicht, Slamming tritt beim Wassereintritt auf, Widerstand steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit und Zusatzmasse macht die Nutzlast bei jeder Beschleunigung effektiv schwerer. Jede Phase hat eine andere dominierende Kraft.

Wie groß kann der Widerstand werden?

Im obigen Rechenbeispiel erfährt eine Platte mit 15 × 10 m bei einer Spitzen-Hubbewegungsgeschwindigkeit von 1.57 m/s ≈ 216 kN ≈ 22 t. Der Widerstand steigt mit v² — halbieren Sie die Relativgeschwindigkeit, und die Kraft sinkt auf ein Viertel.

Was ist Zusatzmasse in der Praxis?

Das Wasser, das die Nutzlast mit sich beschleunigen muss. Das Beispiel der 20 × 10 m Platte ergibt in 8-Sekunden-Wellen ≈ 98 t Trägheitskraft — und der Effekt nimmt nahe dem Meeresboden durch Einengung zu, was beim Aufsetzen relevant ist.

Welche Kraft dominiert in der Spritzwasserzone?

Slamming plus schnell wechselnder Auftrieb, zusätzlich zur Wellenteilchengeschwindigkeit — die ungünstigste Kombination des gesamten Hubs auf wenigen Metern. Sie bestimmt die Auslegung des Kompensators häufiger als jede andere Phase.

Wie schützt Seegangskompensation den Hub?

Indem sie Relativgeschwindigkeit und Beschleunigung zwischen Haken und Nutzlast verringert — und damit sowohl den Widerstand v² als auch die beschleunigungsbedingte Zusatzmassenkraft reduziert — und das Seil gespannt hält, sodass keine Slack-Snap-Ereignisse entstehen. Produktseitig: CYGNUS für schwere Hübe und Tiefwasser, RIGEL für passive Standardfälle, ANTARES, wenn sich automatische Dämpfungsregelung auszahlt.

Arbeiten Sie an einem Hub, der dies benötigt?

Wir legen Kompensatoren für Widerstand, Zusatzmasse und schlagartige Lastspitzen aus – senden Sie den Subsea-Hubfall für eine Produktempfehlung und Dimensionierung (bei schweren Hüben typischerweise den passiven Seegangskompensator CYGNUS).