Durchquerung der Spritzwasserzone
Die Spritzwasserzone ist der Bereich, in dem bei einem Unterwasser-Hebevorgang die Last die Wellen an der Oberfläche durchquert. Dort verändern Aufprallkräfte, Auftrieb, Strömungswiderstand und hydrodynamische Zusatzmasse die Seillast; schlaffe Anschlagmittel können zu Schnapplasten führen. Ein Fallbeispiel zeigt, was ein passiver Seegangskompensator bei einer 35 t schweren Abdeckung bewirkte.
- Vier Effekte wirken dort: Aufprallkräfte, wenn das Wasser auf das Objekt trifft, Auftrieb, wenn ein größerer Teil eintaucht, Strömungswiderstand bei der Bewegung durch das Wasser und hydrodynamische Zusatzmasse, wenn sich das Wasser mit dem Objekt in Bewegung setzt.
- Wenn die aufwärts gerichteten Kräfte größer sind als das Gewicht des Objekts, erschlaffen die Anschlagmittel und werden anschließend ruckartig wieder gespannt. DNV-RP-N103 verlangt, dass die aufwärts gerichtete hydrodynamische Kraft höchstens 90 % des Mindestgewichts des Objekts im Wasser beträgt.
- In unserer Studie zu einer 35 t schweren GFK-Abdeckung bei Hs 1.8 m senkte ein RIGEL 75 t / 4.5 m die maximale Seillast von 1,846 kN auf 655 kN und verhinderte jedes Erschlaffen der Anschlagmittel; begrenzend war die Hubreserve.
Eine durchgehende Durchquerung der Spritzwasserzone dauert nur ein bis zwei Minuten, bei einem Halt zum Fluten oder Entlüften länger. Dennoch bestimmt sie häufig den Seegang, bei dem der gesamte Hebevorgang durchgeführt werden kann. Dort ändern sich die Lasten am schnellsten, und eine leichte Nutzlast mit großer Fläche kann beim Eintauchen an ihren Anschlagmitteln erschlaffen.
Was ist die Spritzwasserzone?
Die Spritzwasserzone ist der Bereich um die Wasserlinie, in dem sich eine Last teils in der Luft und teils im Wasser befindet. Ihre Höhe ist kein fester Meterwert: Sie folgt den Wellenbergen und -tälern sowie der Bewegung der Kranspitze und wächst damit mit dem Seegang und der Schiffsbewegung. Ein Objekt durchquert sie beim Absenken und, falls es geborgen wird, erneut beim Anheben.
Vier Effekte, die die Seillast verändern
- Aufprallkräfte. Beim Eintauchen trifft Wasser auf die Unterseite und die horizontalen Flächen des Objekts. Die Kraft steigt mit dem Quadrat der Aufprallgeschwindigkeit, F_{\text{slam}} = \tfrac{1}{2} \rho\, C_s A_s v_s^2, wobei C_s der Aufprallbeiwert ist (im vereinfachten Verfahren mindestens 3 für glatte kreisförmige Zylinder und sonst 5) und A_s die Fläche, die auf das Wasser trifft. Der Kraftstoß ist kurz und heftig und oft maßgebend für den Festigkeitsnachweis der Nutzlast und der Anschlagmittel.
- Strömungswiderstand. Das Wasser setzt der Bewegung des Objekts Widerstand entgegen. Die Kraft steigt mit dem Quadrat der Relativgeschwindigkeit, F_D = \tfrac{1}{2} \rho\, C_D A_p v_r^2, wobei A_p die von unten angeströmte Fläche ist; bei einer großen, flachen Nutzlast kann die Kraft das Gewicht im Wasser übersteigen.
- Veränderlicher Auftrieb. Je weiter das Objekt eintaucht, desto mehr Gewicht nimmt der Auftrieb vom Seil. Jede vorbeiziehende Welle verändert das eingetauchte Volumen und damit die Seillast, F_\rho = \rho\, \delta V g.
- Hydrodynamische Zusatzmasse. Das Wasser um das Objekt muss mit ihm beschleunigt werden. Dadurch nimmt seine wirksame Trägheit beim Eintauchen zu. Da sich Kranspitze und Wellen bewegen, entsteht eine zusätzliche Kraft, die proportional zur Relativbeschleunigung ist.
Wie stark sich der Auftrieb auswirkt, hängt von der Nutzlast ab. Eine dichte Stahlkonstruktion behält im Wasser den größten Teil ihres Gewichts. Ein im Verhältnis zum Volumen leichtes Objekt, etwa eine GFK-Abdeckung oder ein Modul mit großen Tanks, verliert einen großen Teil davon (bei massivem GFK etwa die Hälfte), während seine große Fläche den Wellen ausgesetzt ist (Abbildung 1). Unser Artikel über Unterwasser-Hebevorgänge rechnet Strömungswiderstand und hydrodynamische Zusatzmasse anhand von Zahlen durch.
Schlaffe Anschlagmittel und Schnapplasten
Wenn Auftrieb und aufwärts gerichtete Wellenkräfte das Gewicht des Objekts übersteigen, erschlaffen die Anschlagmittel. Werden sie kurz darauf wieder gespannt, entsteht im Seil eine Schnapplast, die oft weit über dem statischen Gewicht liegt. Das vereinfachte Verfahren in DNV-RP-N103 fasst die vier Effekte zu einer charakteristischen hydrodynamischen Kraft zusammen, F_{\text{hyd}}, und vermeidet schlaffe Anschlagmittel durch ein Kriterium für diese Kraft:
Und wenn schlaffe Anschlagmittel nicht ausgeschlossen werden können, bestimmt es die Schnapplast aus der Geschwindigkeit beim Wiederanspannen, der Steifigkeit des Hebesystems sowie der Masse des Objekts einschließlich seiner hydrodynamischen Zusatzmasse:
Was ein Seegangskompensator verändert
Ein passiver Seegangskompensator zwischen Haken und Anschlagmitteln macht das Hebesystem nachgiebig. Seine Gasfeder nimmt die Bewegung der Kranspitze als Hub auf, statt sie an die Anschlagmittel weiterzugeben. Dadurch entfällt der von der Kranbewegung verursachte Anteil der Relativbewegung des Objekts zum Wasser; die Eigenbewegung des Wassers bleibt. Strömungswiderstand und Kraft aus hydrodynamischer Zusatzmasse sinken, und die geringere Steifigkeit K verringert die Schnapplast in der obigen Formel. Bei geeigneter Auslegung für den Fall hält er die Anschlagmittel unter Zug.
Drei Grenzen sind zu beachten. Der Hub des Kompensators darf während der Durchquerung nicht aufgebraucht werden, sonst kehren die Lastspitzen zurück. Beim Eintauchen sinkt das Gewicht des Objekts am Seil und verschiebt damit die Gleichgewichtslage des Kompensators. Deshalb wird der verfügbare Hub für jede Phase der Durchquerung geprüft. Außerdem hat ein nachgiebiges System eine lange Eigenperiode: Es entkoppelt die Last nur von Wellen mit deutlich kürzeren Perioden und verstärkt Bewegungen nahe der Eigenperiode. Daher prüft das Hebemodell die Abstimmung anhand der Wellenperioden des Einsatzes.
Eine adaptiv-passive Einheit wie ANTARES kann für die Durchquerung auf eine steifere, stärker gedämpfte Einstellung umschalten. So beanspruchen die Gewichtsänderung und die Wellenlasten weniger von ihrem Hub; unterhalb der Zone kann sie wieder nachgiebiger werden.
Fallbeispiel: 35 t schwere GFK-Abdeckung bei Hs 1.8 m
Unsere CONSTELLATION-Studie CS-2026-004, in der eine 35 t schwere Schutzabdeckung aus glasfaserverstärktem Kunststoff bei Hs 1.8 m und Tp 7.5 s von einem Bauschiff durch die Wasseroberfläche abgesenkt wird, vergleicht zwei Anschlagvarianten. Die Abdeckung gehört zu einer schwierigen Nutzlastklasse: Sie ist eine große, dünne Schale und für ihre Größe leicht, sodass die Wellen sie beim Eintauchen anheben können. Dieselbe Nutzlast, derselbe Seegang und dieselben Anschlagmittel sowie acht Wellenrealisierungen wurden mit starrer Anschlaganordnung und mit einem RIGEL 75 t / 4.5 m untersucht.
| Ungünstigster von acht Durchläufen | Starre Anschlaganordnung | Mit RIGEL |
|---|---|---|
| Maximale Seillast, bezogen auf 736 kN SWL der RIGEL-Einheit | 1,846 kN (2.5×) | 655 kN (89 %) |
| DAF der Nutzlast, verglichen mit unserem Prüfkriterium von 2.0 | 5.38 | 1.91 |
| Ereignisse mit schlaffen Anschlagmitteln in einem Durchlauf | 11 | 0 |
| Schnapplastverhältnis, verglichen mit dem Grenzwert von 0.90 für schlaffe Anschlagmittel | 1.00 | 0.36 |
| Genutzter Hub am maßgebenden Ende (Einfahren), verglichen mit unserer Grenze von 90 % | ohne Kompensator | 98.4 % |
Über die acht Durchläufe lag der DAF bei starrer Anschlaganordnung zwischen 3.41 und 5.38 und mit RIGEL zwischen 1.15 und 1.91; der genutzte Hub am maßgebenden Ende lag zwischen 83 und 98 %. Das Schnapplastverhältnis beschreibt den Abfall der Seilspannung unter das Gewicht im Wasser als Anteil dieses Gewichts: Bei 1.00 erschlaffen die Anschlagmittel. Sein Grenzwert von 0.90 ist nach DNV-RP-N103 das Kriterium für schlaffe Anschlagmittel, angewendet auf die simulierten Seilspannungen. Die Prüfkriterien für DAF und Hub sind unsere Referenzwerte für diese Studie, keine DNV-Grenzwerte.
Die kompensierten Durchläufe erfüllten in jeder Wellenrealisierung alle vier Prüfkriterien für die Systemantwort. Begrenzend war der Hub: In vier der acht Durchläufe wurden in Richtung des maßgebenden Endes (Einfahren) mehr als 90 % des Hubs genutzt, bis zu 98.4 %, ohne den Endanschlag zu erreichen. Deshalb müsste die Abstimmung vor einem realen Hebevorgang überprüft werden. Bei Hs 2.0 m erfüllte keine der getesteten Abstimmungen alle vier Prüfkriterien. Studie zur GFK-Abdeckung lesen →
Die Durchquerung planen
- Seegangsbedingungen prüfen. Die Durchquerung für die Wellenhöhen, Perioden und Anströmrichtungen des Einsatzes berechnen, einschließlich der Schiffsbewegung an der Kranspitze. Daraus ergibt sich ein Betriebsfenster; für ein Wetterfenster muss die Vorhersage während des gesamten Einsatzes innerhalb dieses Bereichs bleiben.
- Geschwindigkeit der Durchquerung wählen. Schnelleres Absenken verkürzt die Zeit in der Zone, erhöht aber die Aufprallgeschwindigkeit und damit die Aufprallkräfte. DNV-RP-N103: Im vereinfachten Verfahren wird typischerweise eine Hakengeschwindigkeit von 0.5 m/s angesetzt; in unserem Fall wurde mit 0.16 m/s abgesenkt.
- Beide Grenzen der Seilspannung prüfen. Die Mindestspannung entscheidet, ob die Anschlagmittel erschlaffen; die Spitzenlast entscheidet, ob Kran, Seil und Anschlagmittel die Belastung tragen. Beide Prüfungen sind erforderlich.
- Abschließend im Zeitbereich prüfen. Ein Zeitbereichsmodell der Wellen, des Schiffs, des Krans und der Anschlagmittel, der Hydrodynamik des Objekts und des Kompensators liefert Seilspannungen, Bewegungen und Hub für die abschließende Prüfung. CONSTELLATION berechnet sie mit und ohne Kompensator.
Quellen und Annahmen
- Aufprallkräfte, Strömungswiderstand, veränderlicher Auftrieb, das Kriterium für schlaffe Anschlagmittel und die Schnapplast folgen dem vereinfachten Verfahren von DNV-RP-N103, früher DNV-RP-H103.
- Das Fallbeispiel stammt aus unserer CONSTELLATION-Studie CS-2026-004 (Revision C, 5. August 2026): eine 35 t schwere GFK-Abdeckung, RIGEL 75 t / 4.5 m, Hs 1.8 m, Tp 7.5 s (JONSWAP), acht Realisierungen von 120 s; jeder Wert in der Tabelle ist der ungünstigste Wert der jeweiligen Kenngröße. Die 736 kN SWL sind der Nennwert der RIGEL-Einheit mit 75 t; die Seillast wird in der Gruppe aus vier Anschlagmitteln über der Abdeckung gemessen. Die Abdeckung, eine Schale mit 15 × 12 × 3 m, verdrängt 10.73 m³ und behält im Wasser etwa 69 % ihres Gewichts. Es handelt sich um eine Voruntersuchung, nicht um eine zertifizierte Analyse.
- Abbildung 1 dient der Veranschaulichung: Stahl mit 7.85 t/m³ und massiver GFK mit etwa 1.9 t/m³; die wellenbedingte Kraft wird wie in der Bildunterschrift angegeben angesetzt.
Häufig gestellte Fragen
Was ist die Spritzwasserzone?
Der Bereich um die Wasserlinie, in dem sich ein angehobenes Objekt teils in der Luft und teils im Wasser befindet. Seine Höhe folgt den Wellen und der Bewegung der Kranspitze und verändert sich daher mit dem Seegang und dem Schiff.
Warum ist die Spritzwasserzone oft die kritische Phase eines Unterwasser-Hebevorgangs?
Dort ändern sich die Lasten am schnellsten: Aufprallkräfte, wenn das Wasser auf das Objekt trifft, Auftrieb beim Eintauchen, Strömungswiderstand bei der Bewegung durch das Wasser und hydrodynamische Zusatzmasse, wenn sich das Wasser mitbewegt. Bei einem leichten Objekt mit großer Fläche können die Anschlagmittel erschlaffen und beim Wiederanspannen eine Schnapplast aufnehmen. Die Durchquerung bestimmt daher oft, bei welchem Seegang der Hebevorgang möglich ist.
Was ist eine Schnapplast?
Die kurze, heftige Last, wenn schlaffe Anschlagmittel oder ein schlaffes Seil wieder gespannt werden. DNV-RP-N103 vermeidet sie mit der Anforderung, dass die aufwärts gerichtete hydrodynamische Kraft höchstens 90 % des Mindestgewichts des Objekts im Wasser beträgt, und gibt ihre Höhe an, wenn sie nicht vermieden werden kann.
Wie hilft ein Seegangskompensator in der Spritzwasserzone?
Er nimmt die Bewegung der Kranspitze als Hub auf und entfernt damit den von der Kranbewegung verursachten Anteil der Relativbewegung des Objekts zum Wasser. So sinken die Kräfte; bei passender Auslegung und ausreichender Hubreserve hält er die Anschlagmittel unter Zug. In unserer Studie zu einer 35 t schweren GFK-Abdeckung bei Hs 1.8 m senkte ein RIGEL 75 t / 4.5 m die maximale Seillast von 1,846 kN auf 655 kN und verhinderte jedes Erschlaffen der Anschlagmittel.
Welche Nutzlasten sind besonders schwierig durch die Spritzwasserzone zu führen?
Objekte mit geringem Gewicht im Verhältnis zum Volumen und großen Flächen: Abdeckungen, Tanks und auftriebsstarke Module verlieren beim Eintauchen einen großen Teil ihres Gewichts, während ihre großen Flächen den Wellen und dem Strömungswiderstand ausgesetzt sind. Eine dichte Stahlkonstruktion behält im Wasser den größten Teil ihres Gewichts und ist leichter zu handhaben.
Welcher Kompensator eignet sich für Arbeiten in der Spritzwasserzone?
RIGEL oder CYGNUS, wenn eine Einstellung für den gesamten Hebevorgang passt; ANTARES als adaptiv-passive Einheit, wenn die Durchquerung eine steifere, stärker gedämpfte Einstellung erfordert als der übrige Hebevorgang. Die Auswahl wird anhand eines Hebemodells für die Nutzlast und die Seegangsbedingungen geprüft.
Führen Sie eine Nutzlast durch die Spritzwasserzone?
Senden Sie uns:
- Masse, Geometrie und Auftrieb der Nutzlast
- Anschlagmittel, Kran und Schiff
- Seegangsbedingungen, Geschwindigkeit der Durchquerung und Ihre Akzeptanzkriterien
Wir modellieren die Durchquerung in CONSTELLATION mit und ohne Kompensator und legen die Einheit aus.
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