Wenn sich die See bewegt, steigt die Hakenlast über das statische Gewicht.
Dynamischer Verstärkungsfaktor (DAF)
Was ist der dynamische Verstärkungsfaktor?
Der dynamische Verstärkungsfaktor (DAF) ist das Verhältnis der maximalen dynamischen Last zur statischen Last während eines Hebevorgangs. Ein DAF von 1.0 bedeutet keine dynamische Wirkung – der Kran spürt nur das statische Gewicht der Nutzlast. Ein DAF von 2.0 bedeutet, dass die maximale dynamische Last doppelt so hoch ist wie das statische Gewicht.
Praktische Anwendung: Für die praktische Anwendung dieses Themas siehe POLARIS Kran-Stoßdämpfer und technische Studien und Analysen.
Bei Offshore-Hebevorgängen bewegt sich die Kranspitze durch die Wellen auf und ab, während die Nutzlast darunter hängt. Diese Relativbewegung erzeugt dynamische Kräfte im Hebesystem – Zugspitzen, wenn die Kranspitze nach oben beschleunigt, und Durchhang, wenn sie nach unten sinkt. Der DAF erfasst, um wie viel stärker diese dynamischen Kräfte im Vergleich zu einem Hub bei ruhigem Wasser ausfallen.
Typische DAF-Werte für Offshore-Hübe ohne Kompensation liegen zwischen 1.2 und 2.5, abhängig von Seegang, Kransteifigkeit und Anschlaglänge. Mit installiertem Seegangskompensator lässt sich der DAF auf 1.05–1.3 senken – das bedeutet, dass kleinere Kräne dieselbe Nutzlast heben können oder derselbe Kran bei rauerer See arbeiten kann.
Wodurch entsteht DAF bei realen Kranhüben?
Bei realen Kranhüben wird DAF meist durch Relativbewegung verursacht. Kranspitze, Haken, Drahtseil, Anschlagmittel und Nutzlast bewegen sich nicht alle gemeinsam. Wenn das System diese Bewegung plötzlich aufnimmt, verhalten sich Seil und Anschlagmittel wie Federn, und die Geschwindigkeitsdifferenz wird zur Zugspitze.
Decklift auf dem Versorgungsschiff. Ein Frachtcontainer auf einem Versorgungsschiff folgt der vertikalen Bewegung und dem Rollen des Schiffs, während die Kranspitze der Bewegung des Kranschiffs oder der Plattform folgt. Bewegt sich der Haken nach oben, während Deck oder Container sich nach unten bewegen, kann das Anschlagmittel innerhalb eines Sekundenbruchteils von schlaffem oder niedrig gespanntem Zustand in volle Last übergehen. Diese schlagartige Lastspitze (Snap Load) kann weit über dem statischen Containergewicht liegen.
Spritzwasserzonen-Durchquerung. Bei einer Spritzwasserzonen-Durchquerung ändern sich Auftrieb, Widerstand, hydrodynamische Masse und Wasserteilchengeschwindigkeit rasch, während die Nutzlast die freie Oberfläche durchquert. Die Hakenlast kann schnell steigen und fallen, besonders wenn die Dynamik von Kran, Seil und Nutzlast mit der Wellenperiode zusammenfällt.
Weitere häufige Auslöser sind plötzliches Abheben vom Deck, Aufsetzstoß, Verhaken, schnelle Kranbewegung, Nothalte und Resonanz im System aus Kran, Seil und Nutzlast.
Schlagartige Lastspitzen – der DAF-Extremfall
Die heftigsten DAF-Ereignisse sind schlagartige Lastspitzen: Das Anschlagmittel wird schlaff und spannt sich dann plötzlich wieder an. Solange das Seil schlaff ist, bewegen sich Haken und Nutzlast unabhängig voneinander; strafft es sich, muss die Geschwindigkeitsdifferenz nahezu augenblicklich durch die Seildehnung aufgenommen werden. Für eine Nutzlast der Masse m (zuzüglich hydrodynamischer Masse mA, falls getaucht) an einem Anschlagmittel der Steifigkeit k beträgt die Zugspitze über der quasi-statischen Last näherungsweise
F_{\text{snap}} = v_{\text{rel}} \sqrt{k \, (m + m_A)}wobei vrel die Relativgeschwindigkeit im Moment des Wiederanspannens des Seils ist. Beide Auslegungshebel sind in der Formel sichtbar: die Geschwindigkeitsdifferenz verringern (langsamere Kranbewegung, Seegangskompensationssysteme, besseres Wetter) oder die effektive Steifigkeit k verringern (ein POLARIS Kran-Stoßdämpfer). Steifes Anschlagmittel ist hier der Gegner – eine Verdopplung von k erhöht die Schlagkraft um 41% bei gleicher Geschwindigkeitsdifferenz. DNV-RP-N103 legt fest, wann schlagartige Lastspitzen bewertet werden müssen und wie der Spitzenwert berechnet wird; die praktische Abhilfe, auf die die Norm verweist, besteht darin, das Seil über den gesamten Wellenzyklus unter Spannung zu halten – genau das leistet ein passiver Seegangskompensator.
Wie lässt sich DAF reduzieren?
- Stoßdämpfer für schlagartige Lastspitzen. Ein POLARIS Kran-Stoßdämpfer fügt zwischen Kran und Nutzlast zusätzliche Hublänge und Dämpfung hinzu. Er absorbiert die kinetische Energie eines einzelnen Stoßereignisses – Abheben vom Deck, eine schlagartige Lastspitze, eine Überlast – bevor sie zur maximalen Kranlast wird. Nach einem Ereignis benötigt er Zeit zum Zurücksetzen; für wiederkehrende Zyklen aus Seildurchhang und schlagartiger Lastspitze in der Wellenzone ist stattdessen Seegangskompensation zu verwenden.
- Passive Seegangskompensation für Spritzwasserzonen-Durchquerungen. Ein passiver Seegangskompensator reduziert die Relativbewegung zwischen Kranhaken und der Subsea-Nutzlast. Dies hält die Anschlagspannung beim Durchqueren der Spritzwasserzone gleichmäßiger und verringert die dynamische Verstärkung, die der Kran spürt.
- Kompensator je nach Einsatz wählen. RIGEL und CYGNUS decken einfachere passive Fälle ab, während ANTARES für komplexe oder mehrstufige Subsea-Hübe mit veränderlichem Auftrieb eingesetzt wird.
- Nicht nur die Ausrüstung, auch den Hub selbst steuern. Krangeschwindigkeit senken, resonante Seegangszustände vermeiden, Wetterfenster einplanen und sanfte Abhebeverfahren anwenden. Die Ausrüstung reduziert den DAF, doch der Betrieb legt weiterhin die Ausgangsbedingungen fest.
Für die Produktauswahl beginnen Sie mit dem Auswahlleitfaden für Seegangskompensatoren oder vergleichen Sie den Kranbedarf in der Kran-Traglasttabelle.
Wie wird der DAF berechnet?
Die einfachste DAF-Abschätzung stammt aus DNV-OS-H205 (heute DNV-ST-N001) und lautet:
wobei aheave die maximale vertikale Beschleunigung an der Kranspitze und g die Erdbeschleunigung ist (9.81 m/s²). Für eine sinusförmige vertikale Bewegung mit Amplitude ζ und Periode T gilt:
Zum Beispiel bei einer vertikalen Amplitude von 1.5 m und einer Periode von 8 s:
Dies ist nur der Kranspitzen-DAF – der Haken-DAF ist meist höher, da Anschlagmittel und Nutzlast ein Feder-Masse-System bilden, das die Bewegung der Kranspitze verstärkt, besonders in Resonanznähe.
Genauere DAF-Berechnungen erfordern die Modellierung des gesamten dynamischen Systems: Kranauslegersteifigkeit, Elastizität des Drahtseils, Rollenreibung, Anschlaganordnung und hydrodynamische Eigenschaften der Nutzlast. Hierfür werden häufig Werkzeuge wie OrcaFlex eingesetzt.
Typische DAF-Bereiche
| Hebeszenario | Unkompensiert | Mit Kompensation | Hauptursache |
|---|---|---|---|
| Allgemeiner Offshore-Hub | 1.2 – 2.5 | 1.05 – 1.3 | Kranspitzenbewegung & Anschlagsteifigkeit |
| Subsea-Hub | berechnet | berechnet – der Kompensator senkt ihn direkt | ST-N001 Section 16.17 mit RP-N103 – kein pauschaler Mindestwert; Seilzugkräfte ≥ 10% der statischen Last |
| Schlagartige Lastspitze / Abheben (Extremfall) | bis zu ~3.2× (anschaulich) | ~1.28× (Stoßdämpfer) | Seildurchhang mit anschließender schlagartiger Lastspitze |
DAF nach Hebeszenario
Offshore lässt sich DAF in zwei Minderungsansätze unterteilen – ein Problem durch wiederkehrende wellenzyklische Vertikalbewegung und ein einzelnes Stoß- oder Schlagereignis – für beide gibt es eine unterschiedliche Lösung.
Durchqueren der Wasseroberfläche
Beim Eintritt in die Spritzwasserzone treten Wasseraufprall, veränderlicher Auftrieb und schlagartige Lastspitzen fast gleichzeitig auf. Passive Seegangskompensation hält das Anschlagmittel gespannt und senkt den kranbewegungsbedingten Anteil des DAF; der Wasseraufprall selbst bleibt eine hydrodynamische Prüfung (DNV-RP-N103).
Einflussfaktoren: Wasseraufprall · veränderlicher Auftrieb · Kranspitzenbewegung
Absenken eines Pfahls oder einer schweren Struktur
Beim schnellen Ablassen eines langen Pfahls oder eines schweren Objekts bestimmt ein Ereignis aus Seildurchhang und schlagartiger Lastspitze oder ein Stoßereignis an der Kranspitze den Spitzenwert – ein scharfer, kurzzeitiger Ausschlag statt einer wellenzyklischen Vertikalbewegung.
Einflussfaktoren: schlagartige Lastspitze / Stoßlast · Ablassgeschwindigkeit · Anschlagsteifigkeit
Den DAF sehen – vor dem Hub
Reale CONSTELLATION-Läufe für die beiden Szenarien – die Spannungs- und Lastverläufe, die den DAF zeigen und wie die Ausrüstung ihn im Griff behält.
Spritzwasserzone · RIGEL. Anschlaggruppen-Spannung beim Wassereintritt gehalten – kein Seildurchhang, keine schlagartige Lastspitze. Nutzlast-DAF 1.10.
Pfahlabsenkung · POLARIS. Maximale Kranspitzenlast mit und ohne Stoßdämpfer – die Spitze wird im Ablauf begrenzt.
Ihren DAF abschätzen
Kranspitzen-Vertikalbewegung ζ ≈ 1.0 m; Anschlagverstärkung ≈ 3.5×. Erste Abschätzung des Haken-DAF — sie erfasst Kranspitzenbewegung und Anschlagresonanz (der DAF schlägt aus, wenn die Wellenperiode der Eigenperiode Tn des Anschlagmittels entspricht), jedoch nicht die hydrodynamische Masse, den Widerstand oder den Wasseraufprall in der Spritzwasserzone; ein Spitzenwert durch schlagartige Lastspitzen kann daher noch höher ausfallen. Für den auslegungsrelevanten DAF beauftragen Sie eine CONSTELLATION-Studie.
DAF – häufig gefragt
Welcher DAF ist für einen Offshore-Hub typisch?
Wie wird der DAF berechnet?
Was ist eine schlagartige Lastspitze (Snap Load)?
Wie stark senkt passive Seegangskompensation den DAF?
DAF und die Auswahl des Seegangskompensators
Der wichtigste technische Nutzen eines Seegangskompensators ist die Reduzierung des DAF. Indem er die Nutzlast von der Bewegung der Kranspitze entkoppelt, absorbiert der Kompensator die dynamischen Kräfte, die andernfalls durch das Hebesystem übertragen würden.
Ein gut abgestimmter passiver Seegangskompensator eliminiert typischerweise 70–95% der dynamischen Verstärkung — den Teil der Hakenlast oberhalb des statischen Gewichts —, sodass ein Hub, der unkompensiert einen DAF von 2.0 (eine 100%ige dynamische Zunahme) aufweisen würde, mit Kompensation in den Bereich 1.05–1.3 fällt. Das hat direkte Auswirkungen auf die Kosten:
- Geringere Krankapazität für dieselbe Nutzlast erforderlich
- Breitere Wetterfenster – Heben bei Hs 2.5 m statt Hs 1.0 m
- Geringeres Risiko von Anschlagmittel-Überlast und herabfallenden Gegenständen
- Geringere dynamische Lasten auf Subsea-Strukturen beim Aufsetzen
Für schwere Subsea-Hübe, bei denen die DAF-Kontrolle entscheidend ist, bietet ein adaptiv-passiver Kompensator wie ANTARES die beste Balance zwischen DAF-Reduzierung und betrieblicher Einfachheit.
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