Innovative Containerschiffe – eine Herausforderung an die Klassifikation

Dipl-Ing. L. Müller, Germanischer Lloyd, Hamburg Vorgetragen von Herrn John Holland, Germanischer Lloyd, Hamburg

Als in den 50er Jahren die ersten Container als logistische Neuerung in der Schifffahrt auftauchten, hatte niemand die heutige Bedeutung der Containerschifffahrt erahnt. Bereits Mitte der 60er Jahre tauchten die ersten Vollcontainerschiffe auf, es handelte sich hier um umgebaute Stückgutfrachter oder auch Tanker (Bild 1).



1968 wurden in Deutschland die ersten Containerschiffsneubauten in Dienst gestellt, die sogenannte 1. Generation mit etwa 700 TEU (Bild 2).



Der zweiten Generation mit 1500 TEU und Dampfturbinenantrieb folgten dann sehr schnell in 1972 die Containerschiffe der 3. Generation, die ersten Panamax-Schiffe mit 3000 TEU und einer außerordentlichen Geschwindigkeit von 28 Knoten (Bild 3).



Diese Schiffe hatten einen sehr hohen Freibord, einerseits um möglichst viele Container unter Deck zu stauen, andererseits um auf aufwendige Lukendeckeldichtungen verzichten zu können. Dieser Vorstoß wurde damals von den Behörden als Ausnahme akzeptiert. Damit waren diese Schiffe in vieler Hinsicht innovativ und ein Meisterwerk der Technik, sie waren für die weitere Entwicklung der Containerschiffe wegweisend. Aufgrund des hohen Wertes und der damit verbundenen Verzinsung der Ladung sollen Containerschiffe möglichst schnell sein. Einen Extrementwurf in diese Richtung stellt der amerikanische Typ SL 7 dar (Bild 4).



Dieses Schiff erreichte mit einer dampfgetriebenen Doppelschraubenanlage von 120000 PS eine Geschwindigkeit von 33 Knoten. Der extreme Anstieg des Ölpreises zu dieser Zeit ließ diese Schiffe schnell unwirtschaftlich werden, auch die brennstofffressenden Containerschiffe der 3. Generation wurden für eine niedrige Geschwindigkeit umgebaut. Einen Extrementwurf in die entgegengesetzte Richtung stellte der sog. Eco-Liner dar (Bild 5).



Eine Reihe dieser Schiffe sollte 1984 mit nur 18 kn Dienstgeschwindigkeit einen Round-the-world Service durchführen. Die Stellplatzkapazität betrug bereits 2200 TEU oder 4400 TEU, damals eine große Anzahl für ein Panamaxschiff. Die notwendigen Festigkeitsberechnungen hatte der Germanische Lloyd im Auftrag der amerikanischen Reederei mit großem Erfolg durchgeführt, Resultat der Berechnung war eine höhere Containerkapazität als ursprünglich vorgesehen.

Der Ölpreis blieb nicht so hoch wie zu der Zeit der Ölkrisen, damit wurden auch diese Schiffe wegen nun zu niedriger Geschwindigkeit unwirtschaftlich. Diese Reederei war mit ihrem Konzept der Zeit voraus und fuhr mit diesen Schiffen in die Pleite. Jahre später führte die taiwanesische Evergreen-Linie wieder einen Round-the-world Service ein, diesmal mit großem Erfolg. Allerdings waren diese Schiffe mit 22 kn deutlich schneller und wurden bald durch schnellere und größere Schiffe ersetzt. Die Tendenz zu höheren Schiffsgeschwindigkeiten hält bis heute kontinuierlich an.

Erst etwa 15 Jahre nach dem Containerschiff der 3. Generation sah die Schifffahrtswelt das maximale Panamax-Schiff mit einer Stellplatzkapazität von 4800 TEU (Bild 6).



Möglich geworden ist dieser Entwicklungssprung durch die Entwicklung und Verwendung moderner, computergestützter Rechen- und Analysemethoden (Bild 7). Hier spielt der Germanische Lloyd bis heute die Vorreiterrolle.



Neu bei diesem Schiffstyp ist der Wegfall der Längsherfte bei Panamax-Breite, die bisher bei Containerschiffen zur Sicherstellung der globalen Längsfestigkeit als auch zur Stützung der Lukendeckel üblich waren. Die diesbezügliche Entwicklung ist in Bild 8 dargestellt.



Vorteil der neuen Bauweise ist das größere Laderaumvolumen und geringere Baukosten. Das erste Schiff in dieser Bauweise ist die "Hannover Express" von Hapag-Lloyd, natürlich mit GL-Klasse. Sie ist heute Standard für alle Panamax-Schiffe, inzwischen werden auch überbreite Post-Panamaxschiffe nach diesem Konzept entworfen und gebaut. Heute bietet ein modernes Panamaxschiff 4800 Stellplätze, der Anteil der Container auf den Lukendeckeln ist damit von 30 % bei den Schiffen der 3. Generation auf über 50 % angestiegen. Hierbei werden mit zunehmenden Containerdurchschnittsgewichten hohe Anforderungen an die Laschung der Container auf den Deckeln sowie an die Lukendeckelfestigkeit selbst gestellt. Die Deckel sind damit heute festigkeitsmäßig ausgereizte Konstruktionen, da das Deckelgewicht durch die Tragkapazität der Containerbrücken beschränkt ist. Ein weiteres Problem sind die Reibkräfte infolge höherer Vertikalkräfte in den Lukendeckelauflagern. Das Lastkollektiv bezüglich der Betriebsfestigkeit ist hier besonders ungünstig, da bereits bei den kleinsten Torsionsverformungen des Schiffskörpers aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten die volle Reibkraft anzusetzen ist. Hier sind in der Vergangenheit eine große Anzahl von Schäden aufgetreten (Bild 9), durch spezielle Behandlung dieser containerschiffsspezifischen Details in den Bauvorschriften unserer Gesellschaft sowie der Entwicklung von reibungsarmen Auflagerwerkstoffen ist das Problem heute im Griff (Bild 10).



Nicht ganz so positiv stellt es sich mit der Zurrung der Container auf den Lukendeckeln dar, wie einige spektakuläre Vorfälle belegen (Bild 11).



Der Germanische Lloyd hat schon sehr früh begonnen, im Rahmen der Seegangsbelastungs-berechnungen für globale Analysen von Containerschiffen auch die Rollbeschleunigungen sozusagen als Nebenprodukt auszuweisen und zur Dimensionierung von Laschmaterial und später auch Laschbrücken auf Großcontainerschiffen zu verwenden. Aufgrund dieser Aktivitäten haben wir eine nur kleine Anzahl von Schäden infolge nichtausreichender Laschung zu verzeichnen. Trotzdem stellt sich die Frage, ob nicht hochbordige Containerschiffe mit einem geringen Ladungsanteil an Deck sicherer sind. Diese rein retorische Frage kann nur mit ‚ja‘ beantwortet werden. Das Bild 12 ist selbsterklärend.



Der höhere Freibord bietet sowohl hinsichtlich des Schwimmstabilitätsumfangs als auch der Festigkeit Vorteile. Nachteil sind unter Umständen höhere Baukosten und vor allem Vermessungsgründe mit wesentlichem Einfluss auf die Betriebskosten. Besonders im Bereich der Feederschiffe sind zur Minimierung der Raumvermessung Schiffe mit extrem wenig Ladung unter Deck und entsprechend hoher Kapazität an Deck konstruiert worden (Bild 13).



Es stellt sich damit die Frage, ob es nicht sinnvoll ist, die Schiffsvermessung auf die Verdrängung des Schiffes weitgehend ungeachtet des Volumens über Wasser aufzubauen. Die Kosten der Hafenverwaltungen sind eigentlich direkt mit der Größe der Schiffe unter Wasser verbunden, wie Hafenbau, Baggerkosten usw.. Durch Einführung von schiffsspezifischen Korrekturfaktoren würde das System perfektioniert und vielleicht gerecht. Zumindest wäre es ein großer Schritt zur Erhöhung der Sicherheit auf See.

Heute ist eine deutliche Tendenz zu überbreiten Postpanamax-Containerschiffen zu erkennen. Inzwischen ist seit in Fahrt kommen der Containerschiffe der 3. Generation der Welthandel und damit Containerverkehr dramatisch angestiegen, so dass es die Reeder getrost das Risiko eingehen können, Schiffe größer als das universell einsehbare Panamakanal-geeignete Containerschiff zu betreiben. Die Entwicklung der Postpananamx-Schiffe ist in Bild 14 dargestellt.



Der Vorteil der Postpanamax-Schiffe liegt in der Economy of scale einerseits und im höheren spezifischen Deadweight andererseits, da aufgrund der größeren Schiffsbreite und damit Schwimmstabilität auf merkantil unerwünschtes Ballastwasser weitgehend verzichtet werden kann.
Die erste Generation der Postpanamax-Schiffe war der Typ C10 von HDW Kiel gebaut für die American President Lines (APL) (Bild 15).



Die notwendigen Festigkeits- und Schwingungsanalysen inklusive Bemessung der Laschkomponenten wurden vom Germanischen Lloyd durchgeführt. Diese Schiffe besitzen noch die Anordnung von zusätzlichen Längsherften, wie eingangs erwähnt (Bild 14).

Bei späteren Schiffen entfielen diese und werden heute auch bei Schiffen mit einer Kapazität von 6700 TEU (P&O-Nedlloyd-Southampton Klasse) (Bild 16) nicht mehr eingebaut.



Eine Ausnahme bilden hier die Schiffe der K und S-Klasse von AP-Møller, die bei einer Kapazität von 6600 TEU bzw. etwa 8700 TEU etwas konservativ an dem Konzept mit zusätzlichen Längsherften festhalten (Bild 17).



Nachteil dieser Bauweise aus stahlschiffbaulicher Sicht ist die Einbindung der Längsherfte in die Schiffskörperkonstruktion unter Berücksichtigung des komplexen Tragverhaltens bezüglich der Längsfestigkeit. Allein die Anzahl der Lukenradien ist hier dreimal so groß als bei einem modernen herftlosen Containerschiff. Es sind schiffbaulich gesehen sicherlich eindrucksvolle aber aufgrund ihres Konzepts vermutlich auch schwere Schiffe. Von den Investment- und Betriebskosten ist dieses Konzept damit weniger günstig, da der Raum unter Deck nicht voll genutzt wird und das Raster der Container unter und auf den Lukendeckeln nicht übereinstimmt. Dies führt zu Nachteilen beim Laden und Löschen. Trotzdem stellen die Schiffe der S-Klasse wie einst die Schiffe der 3. Generation einen Meilenstein in der Entwicklung der Großcontainerschiffe dar.

Wenn man bei der Konstruktion von Jumbo-Containerschiffen auf Längsherfte verzichtet, kann man das Material zur Erreichen der erforderlichen Längsfestigkeit nur außen anordnen. So besitzen die 6700 TEU-Schiffe der Southampton-Klasse Längssülle aus 70 mm dicken Schiffbaustahl der Qualität HT 40. Der Einsatz solcher Stähle stellt erwartungsgemäß sehr hohe Anforderungen an Konstruktion und Fertigung (Bild 19).



Bisher haben sich unsere Kunden als auch der Germanische Lloyd selbst an solche Abmessungen nicht herangetraut, die größten Blechdicken von Containerschiffen mit GL-Klasse liegen derzeit bei 60 mm HT 36 für Einsatzplatten und 50 mm HT 36 für durchlaufende Strukturelemente. Die Betriebsfestigkeitsprobleme extrem hochfester Stähle sind hinreichend bekannt. Trotzdem wird sich der Germanische Lloyd dieser Herausforderung stellen müssen hinsichtlich Bemessung und Fertigung. Die (aus welchen Gründen auch immer) durchgebrochene "MSC-Carla" hat bei uns allen einen tiefen Eindruck hinterlassen (Bild 20).



Die hohen Anforderungen an die Festigkeit werden den Entwurf großer Containerschiffe sicherlich stark beeinflussen. Angestrebt werden durchlaufende Lukensülle ohne Unterbrechungen und Unstetigkeitsstellen (Bild 21), auch das Deckshaus sollte dann in den globalen Schiffskörperfestigkeitsverband integriert werden.



Unnötige Ausrüstungsteile werden von der oberen Gurtung verbannt werden, die Lukenbänke müssen aufgrund der Verwendung extrem hochfester und dicker Stähle glatt und schier ohne Unstetigkeitsstellen, Löcher und aufgeschweißte Fittings sein. Ein Negativbeispiel ist in Bild 22 gezeigt. Dieses Bild bedarf keine weiteren Erklärungen.



Die zukünftigen Megacarrier mit mehr als 10000 TEU werden aufgrund des leider konstanten E-Moduls von Stahl relativ flexibler sein als heute übliche Containerschiffe und damit große Verformungen aufweisen. Dies wird Einfluß auf die Lukendeckelkonstruktion haben, vielleicht wird dann das Open Top Konzept trotz der bisherigen Vermessungsnachteile wieder Vorteile bieten. Bild 23 zeigt eine holländische Studie für ein 15000 TEU Open Top Suezmax Containerschiff.



Zur Zeit wird zur Vermeidung von den oben genannten wirtschaftlichen Nachteilen der Open Top Schiffe bisher leider nur für Schiffe bis 30000 BRZ, eine Reduktion der Vermessung gewährt. Man ist der Meinung, dass bei größeren Containerschiffen die Stellplatzkapazität von Open Top Schiffen sich nicht wesentlich von der konventioneller Containerschiffe unterscheidet. Dies stimmt nur hinsichtlich der Tragfähigkeit jedoch nicht für die Anzahl der Stellplätze, denn die Höhe der Containerstapel ist durch die Festigkeit der Container selbst limitiert. Damit stellen die Lukendeckel de facto nicht wie einst eine Abdichtung der Luken dar sondern dienen heute vorwiegend als Lagerplatz für Deckscontainer.

Auf den heutigen Großcontainerschiffen werden 9 Lagen von Containern im Raum gestapelt. Mit Hilfe einer ausgeklügelten computergestützten Logistik will man versuchen, wesentlich mehr Container bei Einhaltung der maximal zulässigen Belastung auf den unteren Container zu stapeln. Detaillierte Seegangsberechnungen zur Berechnung der aktuellen Beschleunigungen ist dazu Vorausseztung. Mit dem bei unserer Gesellschaft vorhandenen Technologie-know-how ist der Germanische Lloyd gerüstet, die Herausforderung der Klassifikation von Jumbo-Containerschiffen anzunehmen.



Zurück zum Anfang