Entwicklungstendenzen von Twistlocks für die Containersicherung auf Seeschiffen

Entwicklungstendenzen von Twistlocks 2005

Vorwort

Diese Diplomarbeit setzt sich mit der Thematik der Ladungssicherung auf Containerschiffen auseinander, welche immer mehr an Bedeutung gewinnen wird. Dazu wird ein Einblick in die Entwicklung der Containerschifffahrt für die nächsten Jahre gegeben. Genauer untersucht wird in dieser Arbeit die Verwendung von Twistlocks, welche wohl eine der wichtigsten Rolle bei der Ladungssicherung an Deck übernehmen. Die Bedeutung von möglichen Schiffsbewegungen im Seegang und deren Folgen werden als Grundlage für das Verständnis von Interaktionen zwischen Schiff und Ladung aufgezeigt. Eingegangen wird ferner auf die Vorschriften von ausgewählten Klassifizierungsgesellschaften und deren Berechnung von auftretenden Kräften auf die Container, sowie deren Sicherungselemente. Folgen von überdimensionierten Kräften sind Schäden am Container, welche ebenfalls einen Abschnitt dieser Arbeit zum Thema haben. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt bei der Entwicklung der Twistlocks, die seit Beginn der Containerschifffahrt erhebliche Fortschritte gemacht haben. Neuerungen und deren Probleme werden analysiert und ihrer Gewichtung nach bewertet.

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  Entwicklungstendenzen von Twistlocks  2005

Inhaltsverzeichnis

  Vorwort  0

  Inhaltsverzeichnis  2

  Abbildungsverzeichnis  4

Tabellenverzeichnis   6

  Abkürzungsverzeichnis  7

1  Einleitung  8

2.  Bewegungsverhalten eines Schiffes  12

3  Kräfteberechnungen der Klassifizierungsgesellschaften  20

3.1  Berechnungsgrundlagen nach Germanischen Lloyd  20

3.1.1  Berechnung der Querkraft F q  21

3.1.2  Berechnung der Längskraft F l  26

3.1.3  Beanspruchung der Containerstützen und Unterbauten  27

3.1.3.1Unterbauten  für Containerstapel mit seitlicher Abstützung  27

3.1.3.2  Belastungsermittlung für die Fußpunkte Containerstützen Gerüste von  

  Containerstapel mit Zurrung und oder Twistlocks (ohne seitliche Stützung)  30

3.1.3.3  Containerfundamente  32

3.1.3.4  Berechnungen zu Kräften im Zurrsystem  33

3.2  Berechnungsmethode nach Det Norske Veritas  36

3.2.1  Winddruck und Belastungsgrenzen  37

3.2.2  Ermittlung von Beschleunigungswerten  39

3.2.3  Direkte Berechnung  42

3.2.4  Formelbasierte Berechnung  44

3.2.4.1Grundlegende  Berechnungen  44

3.3  Vergleichende Betrachtung von GL und DNV  51

4  Ladungssicherung und Schäden  53

4.1  Ladungssicherung von Containern  53

4.2.  Schäden an Containern  59

5  Sicherungselement Twistlock  66

5.1  Stufen der Optimierung des Twistlock  67

5.2  Prüfungsmethoden zur Belastungsaufnahme  79

   2

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5.3  Vollautomatische Twistlocks  86

5.3.1  Funktionsweise vollautomatischer Twistlocks  87

5.3.2  Handling vollautomatischer Twistlocks  92

5.3.3  Wartung vollautomatischer Twistlocks  100

6.  Schlussfolgerungen  102

  Literaturverzeichnis  104

Anhang   106

   3

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Abbildungsverzeichnis

  Abb 1 1: Bestand und Auftragsbestand nach Anzahl der Schiffe  

  Abb 1 2: Weltcontainerumschlag 1996 bis 2004 aktuelle Prognose bis  2006

  Abb 2 1 3: Bewegungen eines Schiffes im Seegang  

  Abb 2 1 4: Gieren eines Schiffes  

  Abb 2 1 5: Heaving eines Schiffes  

  Abb 2 1 6: Heaving eines Schiffes  

  Abb 2 1 7: Torsionsverformung im vorderen Bereich  

  Abb 2 1 8: Wogen entlang der Längsachse  

  Abb 2 1 9: Schwojen entlang der Querachse  

  Abb 2 1 10: Stampfen eines Schiffes um die Querachse  

  Abb 2 1 11: Rollen eines Schiffes 10 Rollwinkel  

  Abb 2 1 12: Rollen eines Schiffes 30 Rollwinkel  

  Abb 2 1 13: Rollen eines Schiffes 45 Rollwinkel  

  Abb 2 1 14: Slamming verursacht hydrodynamische Stöße  

  Abb 3 1 1 15: Graphische Darstellung der „b q “ Werte auf Wetterdeck  

  Abb 3 1 3 1 16: Containerstützen (blau)  

  Abb 3 1 3 2 17: Vertikal und horizontal zum Deck auftretende Kräfte  

  Abb 3 1 3 4 18: Aufteilung von Rackingkräften und Zurrkräften  

  Abb 3 2 1 19: Durch Wind belastete Container  

  Abb 3 2 1 20: Belastungsgrenzwerte  

  Abb 3 2 4 1 21: Höhenzuordnung der 4 Sicherungspunkte  

  Abb 4 1 22: Übersicht über Beschleunigungen an Bord eines Schiffes  

  Abb 4 1 23: Cell-Guides  

  Abb 4 1 24: Stackereinsatz  

  Abb 4 1 25: Stapelstau mit Laschstangen  

  Abb 4 2 26: Rollen als dynamische Komponente  

  Abb 4 2 27: Stampfen als dynamische Komponente  

  Abb 4 2 28: Bezeichnung des Containers (deutsch englisch  

  Abb 4 2 29: Wirkung der Racking Kraft  

  Abb 4 2 30: Wirkung der Lifting Kraft  

  Abb 4 2 31: Wirkung des Post Load  

   4

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Tabellenverzeichnis

Tabelle 2 1 1:  Bewegungsgrade eines Schiffes  

Tabelle 3 1 1 2:  Nicht reduzierter Querbeschleunigungsfaktor bq  

Tabelle 3 1 1 3:  Reduzierter Querbeschleunigungsfaktor bq  

Tabelle 3 1 1 4:  Windlast F w je Container in kN  

  Längsbeschleunigungsfaktor b l in m s  2

Tabelle 3 1 1 5:   

Tabelle 3 1 3 4 6:  Empfehlung für Zurrstangen  

Tabelle 3 2 4 1 7:  Werte für Reduzierungsfaktor  

Tabelle 5 3 2 8:  Anzahl vollautomatischer Twistlocks  

   6

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Abkürzungsverzeichnis

Abb. Abbildung  

AG Aktiengesellschaft  

Bd. Band  

bspw. beispielsweise  

bzw. beziehungsweise  

DNV: Det Norske Veritas  

erg. ergänzt(e)  

erw. erweitert(e)  

TL-FA: Fully Automatic Twistlock  

TL-FA/LF: Fully Automatic Twistlock / Light Version Flangeless  

TL-FA/L: Fully Automatic Twistlock / Light Version  

f. folgende  

ff. fortfolgende  

GmbH Gesellschaft mit beschränkter Haftung  

GL: Germanischer Lloyd  

HTML Hypertext Markup Language  

HTTP Hypertext Transfer Protocol  

neubearb. neubearbeitet(e)  

OSHA: Occupational Safety and Health Administration  

pp. pages  

S. Seite  

SAT.: Semi Automatic Twistlock  

SEC Bremen Ship’s Equipment Centre Bremen  

Sp. Spalte  

TEU Twenty Foot Equivalent Unit  

u.a. und andere(s)  

überarb. überarbeitet(e)  

unveränd. unverändert(e)  

Vol. Volume  

vollst. vollständig  

WWW World Wide Web  

z.Bsp. zum Beispiel  

zugl. zugleich  

- 7 -  

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1 Einleitung

Es stellt sich zu Beginn dieser Arbeit die Frage, welche Bedeutung hat die Ladungssicherung von Containern in der weltweiten Seeschifffahrt. Dazu soll der nun folgende Teil einen kurzen Überblick geben.

Der Container revolutionierte im atemberaubenden Tempo die gesamte Transportwelt. Nach wie vor ist das Wachstum ungebrochen, wobei das System der Containerisierung in allen seinen Ebenen gleichzeitig immer weiter optimiert wird. Ohne den Container würden die schnell fortschreitende Globalisierung der Wirtschaft und ihre ebenso rasch sich weiterentwickelnde Arbeitsteilung nicht funktionieren, denn beides basiert auf dem Vorhandensein dichter, zuverlässiger und preisgünstiger Transportketten, wie sie sich nur durch den Einsatz von Containern entwickeln konnte. Ein amerikanisches Landverkehrsunternehmen gab den entscheidenden Anstoß für das heutige Containersystem. Das System wurde 1956 zum ersten Mal den Kunden in den Vereinigten Staaten angeboten, konnte sich aber erst zehn Jahre später vollends durchsetzen. Die Seeschifffahrt als eine der wichtigsten Schnittstellen musste sich nun dieser neuen Transportvariante von Gütern anpassen. Es gilt damals wie heute, den Transport effizient, sicher und schnell zu gestalten. „Nach Lloyds Register of Shipping belief sich die am 1. Juli 1971 in Fahrt befindliche Containerschiffstonnage auf 2,87 Mio. BRT. Führend waren zu diesem Zeitpunkt die Vereinigten Staaten mit 75 Einheiten und 1,07 Mio. BRT, gefolgt von England mit 51 Containerschiffen mit 0,63 Mio. BRT. “ /1/ Die Bundesrepublik Deutschland lag zu dieser Zeit an Platz 3 mit 42 Containerschiffen und 0,33 Mio. BRT. Über Jahrzehnte war ein stetiges Wachstum zu verzeichnen, wenn auch nicht immer mit rekordverdächtigen Ergebnissen in Umschlag und Neubau.

Mit der steigenden Nachfrage an Staukapazitäten für Container, mussten auch schiffbaulich neue Wege gegangen werden.

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So führte der Weg zum einen über die Schiffsgröße, gemessen an ihrer Ladekapazität, sowie die schiffbautechnische Neugestaltung von Containerschiffen. So wurde im August 1990 das erste Open-Top Containerschiff in Dienst gestellt. Dieser Schiffstyp besitzt keine Lukendeckel mehr, so dass die Container von der Tankdecke bis zum Wetterdeck durchgestaut werden. Dies zog weitere Veränderungen nach sich, wie z. Bsp. der Einbau von leistungsfähigeren Pumpen um witterungsbedingtes übergehendes Seewasser und Regenwasser aus dem Laderraum zu entfernen. Diese Art von baulicher Umsetzung ist bis heute erhalten. Des Weiteren wurden Containerschiffe in Generationen eingeteilt. Schiffe die zur 1. Generation zählen haben eine Kapazität von etwa 800 TEU. Die Containerschiffe der 2. Generation können bis zu 1500 TEU befördern und die der 3. Generation etwa 3000 TEU. Bis heute hat dieser Anstieg nicht nachgelassen, so dass Schiffe der

5. Generation mit mehr als 6600 TEU heute die Weltmeere befahren. Zum heutigen Zeitpunkt werden Studien, sowie Entwürfe für Containerschiffe mit mehr als 10000 TEU veröffentlicht und von Klassifikationsgesellschaften geprüft.

„Die Weltwirtschaft bleibt weiter auf Expansionskurs, wobei es regionale Unterschiede gibt. Der Welthandel wird nach der letzten OECD-Prognose im Jahr 2005 um 7,4% und 2006 um weitere 9,6% wachsen.“ /2/ Ein aufwärts Trend bleibt auch in der Containerschifffahrt somit erhalten und spiegelt sich in den Auftragsbüchern der Werften wieder. „ Im 2. Quartal 2005 wurden 220 neue Orders mit zusammen über 605.700 TEU fest vergeben, wobei die Jahre 2008 ff. mit 468.000 TEU (77,3%) jetzt den Schwerpunkt der Ablieferungen bilden.“ /2/

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Abb. 1-1: Bestand und Auftragsbestand nach Anzahl der Schiffe

“ Die Tonnage von derzeit ca. 7,554 Mio. TEU wird bis Ende 2008 insgesamt um weitere 1.236 Schiffe mit 4,52 Mio. TEU wachsen. Davon entfallen 3,46 Mio. TEU auf 579 Schiffe größer als

3.000 TEU. Das entspricht 76,5% des aktuellen Auftragsbestandes in TEU.“ /2/ Viele der in Auftrag befindlichen Schiffe werden in asiatischen Werften gebaut werden. Weiterhin zeigen diverse Prognosen einen deutlichen Zuwachs in den globalen Umschlagszahlen. Der asiatische Wirtschaftsmarkt ist auch in dieser Hinsicht der Spitzenreiter, was den Umschlag von Containern betrifft.

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Diese Expansion des Containerverkehrs verlangt natürlich auch eine Absicherung während des Transportes um Schäden bzw. Totalverluste zu vermeiden. Es beginnt bei diesem Dienstleistungszweig mit dem Packen des Container, über den Transport, bis hin zum Entladen am Bestimmungsort. Der Seetransport ist ein Teilstück dieser Dienstleistung, bei dem die Container auf dem Schiff, großen und öfter auch extremsten Belastungen, wie z.B. Mechanik und Thermik, ausgesetzt sind. Daher ist es zwingend notwendig Sicherungssysteme anzuwenden, die solche Belastungen kompensieren können. In den folgenden Abschnitten der Arbeit, wird die Sicherung der Containerstapel mittels Twistlocks, aus Sicht der Vorschriften und deren Umsetzung, betrachtet werden.

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2. Bewegungsverhalten eines Schiffes

Um in den nachfolgenden Abschnitten der Arbeit den Bezug zur Ladungssicherung zu gewinnen, ist es jedoch notwendig das Bewegungsverhalten von Seeschiffen zu betrachten. Schiffe, als freibewegliche Objekte, unterliegen während der Seereise mehreren Einflüssen. Es wird unterschieden nach: 1. äußeren Kräften wie Wind und Seegang

Diese wirken sowohl auf das Schiff selbst, als auch auf die an Bord befindliche Ladung. Die dabei zu erwartenden Beschleunigungen hängen u.a. von der Gestaltung des Über- und Unterwasserschiffes, der Schiffsbreite, und der Lage des Gewichts- und Formschwerpunktes ab. Aufgeteilt wird das Verhalten des Schiffes im Seegang in drei geradlinige und drei Rotationsbewegungen. Tabelle 2.1-1: Bewegungsgrade eines Schiffes 3

Während einer Seereise können diese Bewegungen zu Beschleunigungen führen, die sich negativ auf die Container und deren Inhalt auswirken, da ein längerfristiges Einwirken oft auftritt.

³ http://www.containerhandbuch.de/chb/stra/index.html?/chb/stra/stra_02_03_03.html 12 103036

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Einen komplexen Überblick der Bewegungsrichtungen sei durch folgende Abbildung gegeben. Einzelne Begriffe werden dann im folgenden Text erläutert.

Abb. 2.1-3: Bewegungen eines Schiffes im Seegang

Das Gieren/Yawing des Schiffes ist eine Drehung um die Hochachse hervorgerufen durch Strömung, Seegang und Ruderlage. Dies macht ein fahren auf absolut gerader Kurslinie unmöglich. Durch diese Art von Bewegung werden beim Transport keine Schäden verursacht.

Abb. 2.1-4: Gieren eines Schiffes

⁵ http://www.containerhandbuch.de/chb/stra/index.html?/chb/stra/stra_02_03_03.html 13 103036

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Als Tauchen oder Heaving bezeichnet man die Beschleunigung von Schiffen nach oben und unten entlang ihrer Hochachse. Ein Schiff schwimmt nur dann in gleicher Position, wenn bei ruhigem Wasser Auftrieb und Abtrieb gleich groß sind. Überwiegen nun bei rauer See die Wellentäler, so ist der Abtrieb des Schiffes größer. Man könnte sagen das Schiff „sinkt“:

⁶ Abb. 2.1-5: Heaving eines Schiffes

Befinden sich das Schiff in Wellenformationen, wo die Wellenberge überwiegen, so überwiegen die auftriebgebenden Momente und das Schiff „steigt“.

Abb. 2.1-6: Heaving eines Schiffes

Durch das Heaving werden somit permanente Schwingungen erzeugt, welche sich über den gesamten Schiffskörper ausbreiten und dadurch auch auf die Ladung, sprich den Container wirken.

⁶ http://www.containerhandbuch.de/chb/stra/index.html?/chb/stra/stra_02_03_03.html

⁷ http://www.containerhandbuch.de/chb/stra/index.html?/chb/stra/stra_02_03_03.html 14 103036

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Unter Wogen und Schwoien versteht man das Bewegungsverhalten von Schiffe, die im Seegang zu beiden Seiten hin, sowie nach vorn und achtern beschleunigt und verzögert werden. Bewegungen der Schiffe dieser Art können in alle möglichen Raumachsen erfolgen. Tritt der Fall ein, dass der Bug des Schiffes sich auf der einen Seite eines Wellenberges befindet und das Heck auf der anderen Seite des Wellenberges, so wird der Schiffskörper sehr hohen Torsionskräften ausgesetzt. Diese Kräfte werden auf sämtliche Verbindungen des Schiffrumpfes geleitet, wobei es meistens Verbände in der Konstruktion gibt die als Zentrum der angreifenden Kräfte anzusehen sind. Bei konventionellen Containerschiffen liegen die größten Schiffsverformungen bei etwa L/3 hinter dem vorderen Lot (siehe Abb. 2.1-7)

Abb. 2.1-7: Torsionsverformung im vorderen Bereich

In den Abb. 2.1-8 und Abb. 2.1-9 werden die Bewegungen beim Wogen und Schwojen dargestellt, wobei die hellen Stellen neben dem Schiff den jeweiligen Wellenberg zeigen.

⁸ TU Hamburg-Harburg Schriftenreihe Schiffbau

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Eine weitere Schiffsbewegung im Seegang ist das Stampfen auch als Pitching bezeichnet. Der hierbei auftretende Stampfwinkel ist abhängig von der Schiffslänge. Kurze Einheiten haben einen Stampfwinkel von ca. 5°-8°. Diese können jedoch zeitweilig auch darüber liegen. Schiffe, die eine sehr große Gesamtlänge haben besitzen Stampfwinkel die meistens unter 5° liegen. Für Containerschiffe hat dieser Winkel einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Ladung. Es erhöht sich der Stapeldruck der Container bei der Aufwärtsbewegung. Besonders ausgeprägt ist dieser Anstieg in den vorderen und hinteren Bereichen des Schiffes.

Abb. 2.1-10: Stampfen eines Schiffes um die Querachse

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Das Rollen von Seeschiffen ist in Bezug auf die Ladungssicherung eine der ausschlaggebenden Bewegung. Diese lässt sich als seitliches hin und her bewegen um die x-Achse des Schiffes beschreiben. Eine wichtige Größe des Rollens ist die Rollzeit. Sie gibt die Dauer wieder, die ein Schiff für eine ganze Schwingung um die Horizontallage braucht. Diese Schwingung beginnt mit der Neigung aus der Horizontallage nach backbord, zurück in die Horizontallage und weiter nach steuerbord und wieder in die Ausgangslage. Schiffe die einen sehr großen aufrichtenden Hebelarm haben werden als steif bezeichnet, dass heißt sie haben durchaus Rollzeiten von unter 10 Sekunden. Eine weitere Größe des Rollens ist der Rollwinkel. Dieser Winkel wird von der Horizontalen aus gemessen. Bei mäßig bewegter See ist selbst bei großen Containerschiffen ein Rollwinkel von 10° möglich.

Abb. 2.1-11: Rollen eines Schiffes- 10° Rollwinkel

Um das Rollen von Schiffen zu minimieren werden schiffbaulich Maßnahmen getroffen, wie Stabilisatoren oder Krängungsausgleichanlagen. Diese können jedoch nicht bei jeder hydrometeorologischen Gegebenheit eingesetzt werden. Durch diese Tatsache kommt es auch oft dazu, dass große Containerschiffe bei starkem Seegang auch Rollwinkel von 30° und teilweise sogar 45° erreichen können. Rollwinkel solcher Größe haben auf die an Deck gestauten Container und deren Sicherungselementen erheblichen Einfluss.

¹² http://www.containerhandbuch.de/chb/stra/index.html?/chb/stra/stra_02_03_03.html 17 103036

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Ein Übergehen der Ladung kann bei mangelnder Ladungssicherung hier die Folge sein.

¹³ Abb. 2.1-12: Rollen eines Schiffes- 30° Rollwinkel

Abb. 2.1-13: Rollen eines Schiffes- 45° Rollwinkel

Als letzte mögliche Bewegung sei nun das Slamming aufgeführt. Durch die Auf-und Abbewegung des Schiffes erfährt der Schiffskörper hydrodynamische Stöße. Je nach Eigengeschwindigkeit des Schiffes sind diese Stöße unterschiedlich stark ausgeprägt. Sicherlich darf man die Wellenhöhe und Wellenperiode nicht außer Acht lassen. So führen hohe Wellen zu sehr impulsiven Slamming - Erscheinungen. Das Schiff bewegt sich stark in vertikaler Ebene und dies hat dann ein hartes Einsetzen in die Welle zur Folge. ^{13; 14} http://www.containerhandbuch.de/chb/stra/index.html?/chb/stra/stra_02_03_03.html 18 103036

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Ist die Wellenhöhe nicht übermäßig groß, so kann das Slamming auch hier sehr große Wirkung haben, denn die Wellenperiode ist sehr oft höher bei kleinen Wellen. Der Schiffskörper hat also nicht kurzzeitig extrem hohe hydromechanische Stöße zu absorbieren, sondern mehrere im Wert geringer. Auf die Container und deren Sicherung hat das Slamming einen hohen Einfluss. Die Schwingungen bzw. Stöße werden über die Schiffsverbände an die Container samt Sicherung und dessen Inhalt übertragen.

Abb. 2.1-14: Slamming verursacht hydrodynamische Stöße

Bei allen beschriebenen Bewegungen von Schiffen und den daraus resultierenden Schwingungen, sollte jedoch auf einen Unterschied aufmerksam gemacht werden. Die durch Seegang hervorgerufen hydrodynamischen Impulsen sind überwiegend niederfrequente Impulse. Alle Schwingungen die durch den Propeller und die Maschinen erzeugt werden, sind in ihrer Auswirkung auf Schiff und Ladung höher frequentierte Schwingungen. Mitunter kann es zur Überlagerung und somit zur Verstärkung der Schwingungen kommen. Daraus resultieren höhere Beanspruchungen auf Schiff und Container

¹⁵ http://www.containerhandbuch.de/chb/stra/index.html?/chb/stra/stra_02_03_03.html 19 103036

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3 Kräfteberechnungen der Klassifizierungsgesellschaften

Dieses Kapitel der Diplomarbeit befasst sich mit den Vorschriften der Klassifizierungsgesellschaften, Germanischer Lloyd und Det Norske Veritas. Es werden die Verfahrensweisen beider Gesellschaften zur Berechnung der auftretenden Kräfte am Container, und der erforderlichen Sicherungskräften dargestellt. Beide Klassifikationsgesellschaften haben einen großen Anteil von Abnahmen und Zertifizierungen in der Praxis zu verzeichnen, und sind somit für die nachfolgende Untersuchung ausgewählt worden.

3.1 Berechnungsgrundlagen nach Germanischen Lloyd Die nachfolgenden Berechnungen des GL nehmen ausschließlich Bezug auf die Zurr- und Stützkräfte, welche auf eine Container wirken können. Vom GL werden einige Annahmen getroffen, die zur Ermittlung der Kräfte dienen. Zum einen werden die Kräfte die auf einen Container wirken in zwei Gruppen aufgeteilt.

Statische Kräfte: Sie ergeben sich zum einen aus der

Windes.

Beide Arten von Kräften müssen Berücksichtigung finden und werden in die Berechnung mit einfließen.

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Weiter Annahmen des Germanischen Lloyds seien nun nachfolgend aufgeführt. Ein Verrutschen der Container hat zur Folge, dass sich die

stehende Container.

3.1.1 Berechnung der Querkraft F q

Die Querkraft F q resultiert aus den Schiffsbewegungen und dem Wind. Es wird angenommen, dass diese Kraft auf den Container speziell dessen Seitenwände gleichmäßig wirkt. Diese Kraft wird jeweils zur Hälfte durch den unteren und oberen Längsträger des Containers zum Stirnwand und Türquerrahmen weitergeleitet. Ein Viertel dieser Querkraft F q wirkt im Endrahmen des Containers, was durch eine Weiterleitung über den oberen Längsträger erfolgt. 21 103036