Schiffbau

Die frühere Lehrmeinung, dass die ersten Schiffe von den Ägyptern gebaut wurden, ist überholt.

Vor archäologisch belegten mindestens 40.000 Jahren (nach anderen Indizien schon viel früher) ist der Homo sapiens nach Australien eingewandert. Dank niedrigerem Meeresspiegel gab es damals zwar kürzere Seewege von Asien nach Australien als heute, über dem Timorgraben mussten aber mindestens 100 km Ozean überquert werden. Dafür waren hochseetaugliche Schiffe nötig (wenn man einen unglaublichen Zufall ausschließt). Doch bleibt der Nachweis indirekt, da es bisher keine direkten archäologischen Hinweise auf Schiffe aus dieser Zeit gibt.

Neuere Forschungen und Funde lassen eine Besiedlung Amerikas vor mindestens 15.000 Jahren von See her an der südlichen Pazifikküste von Südamerika als möglich erscheinen.

Vor mindestens 12.000 Jahren besiedelten Menschen die bis dahin unbewohnte Insel Zypern. Welche Art Wasserfahrzeug für die damals etwa 50 km weite Reise nach Zypern eingesetzt wurde, ist unklar. Fest steht aber, dass Hausrat und Vieh um etwa 8200 v. Chr. von Bauern aus der Levante auf die Insel gebracht wurden. Andere Menschen holten etwa 7000 v. Chr., also ebenfalls weit vor den Ägyptern, Obsidian von der Insel Melos.

Die Ägypter setzten Schiffe vornehmlich für Fahrten auf dem Nil ein. Hierfür wurde anfangs Schilf und später dann auch Holz verwendet. Die ersten Berufe des Schiffbaus waren demgemäß Zimmermann und Segelmacher sowie Seiler. Die Seilmacherkunst beschränkte sich nicht nur auf die Takelage, auch für die Festigkeit der Schiffe waren Tampen erforderlich, die zwischen Bug und Heck gespannt wurden, damit diese Endbereiche des Schiffs nicht durchhingen.

Auch die Inder waren frühe Schiffbauer. Sie befuhren vornehmlich den Indus und den Ganges.

Durch die Minoer, Phönizier und Griechen wurde der Schiffbau weiterentwickelt. Die ersten Langschiffe, die für die Fahrt im Mittelmeer und im Schwarzen Meer verwendet wurden, stellten erhöhte Anforderungen an die Seetüchtigkeit und Stabilität. Zugleich wurden dickbauchige Handelsschiffe entwickelt. Häufig mussten Reparaturen auf hoher See oder an entlegenen Stränden durchgeführt werden, so dass der Beruf des Schiffszimmermanns als Besatzungsmitglied erforderlich wurde. Die Typisierung der Schiffe schritt voran, Schiffstypen wie die Bireme oder Trireme wurden nach festen Regeln und Proportionen gebaut. In der Frühzeit des griechischen und phönizischen Schiffbaus wurden die Schiffe noch am Strand gebaut, später wurden die Werft und das Trockendock (um 200 v. Chr.) als Spezialbetrieb entwickelt.

Im 3. Jahrhundert v. Chr. war der Schiffbau in Karthago am höchsten entwickelt. Der Bau großer Schiffe wie der Quinqueremen der Karthager bedurfte einer ausgefeilten Logistik und des Zusammenspiels der einzelnen Gewerke. Im ersten punischen Krieg strandeten karthagische Kriegsschiffe an den Küsten Italiens. Dies war das Startsignal für den römischen Schiffbau. Die karthagischen Schiffe wurden als Muster für römische Schiffe benutzt. Die karthagische Schiffbaukunst wurde kopiert und um den Corvus als römische Erfindung ergänzt. Innerhalb kurzer Zeit schufen die Römer eine leistungsfähige Werftindustrie und bauten eine Flotte, die es mit den Karthagern aufnehmen konnte. Nach der Eroberung Karthagos war der römische Schiffbau technisch führend, allerdings bauten die Griechen in Ägypten noch größere Schiffe. Ein besonders bedeutender Werftstandort des Römischen Reiches war Misenum am Golf von Neapel, zugleich Flottenstützpunkt, Hafen, Marineschule (armaturarum schola) und Standort der prima adjutrix, einer Legion von Marineinfanteristen.

Im Mittelalter gab es in Europa jeweils im Mittelmeer und in Nord- und Ostsee zwei getrennte Entwicklungslinien des Schiffbaus.

Die mediterrane Linie setzte die römische Tradition fort, während der Norden Europas völlig anders konstruierte. Typisch für den Norden war das in zwei Achsen symmetrische Boot bzw. Schiff, Bug und Heck waren gleich gebaut und die Klinkerbeplankung, die nur schwache Spanten benötigte, die mit den Planken durch Schnüre verbunden waren.

Das Nydam-Schiff aus dem 4. Jahrhundert ist ein Beispiel aus dieser Tradition; es hatte noch kein Segel. Die Wikinger entwickelten dies zu ihren Langschiffen weiter, die für weite Reisen nach Island, Grönland und Neufundland geeignet waren. Neben den Langschiffen für militärische Zwecke bauten sie später bauchigere Handelsschiffe.

Die Wikinger verwendeten ein einziges Rahsegel. Dies galt auch noch für die Hansekogge, die ebenfalls klinkerbeplankt war, aber schon ein deutlich abweichend geformtes Heck hatte, an dem das Ruder mittig am Steven gefahren wurde. Die Schiffbauer des Mittelmeeres verwendeten Kraweelbeplankung und deren Schiffe trugen dreieckige Lateinersegel an ein oder zwei Masten.

Bootsbau in Flatford, John Constable, 1815

Gegen Ende des Mittelalters, als Kaufleute und Piraten aus dem Norden in das Mittelmeer vordrangen, kam es ab 1300 zur Vermischung der Traditionen. Die Bremer Kogge von 1380 war bereits am Boden kraweel beplankt. Als Ergebnis der Vermischung entstand das Entdeckerschiff der frühen Neuzeit, die Karavelle und der Nachfolgetyp der Kogge, der Kraweel.

Der Schiffbau fand in Europa bis in das 19. Jahrhundert hinein in erster Linie in Werften an Stränden statt. Meist wurden die Schiffe quer zur Fahrtrichtung am Strand aufgebaut. Der Kiel lag auf den sogenannten Stapeln; an diese Art, Schiffe zu bauen, erinnert heute noch das Wort „Stapellauf“. Auf hölzernen Gleitschienen wurden die Schiffe in das Wasser geschoben. Nur selten wurde auch die Längsrichtung benutzt. Diese Art des Schiffbaus in Strandwerften begrenzte die Größe der Schiffe.

Die ersten chinesischen Trockendocks wurden spätestens vom chinesischen Admiral Zheng He Anfang des 15. Jahrhunderts entwickelt und in Nanjing gebaut. Auf ihnen fand der Bau der für damalige Verhältnisse großen Schatzschiffe statt, die sogar etwas länger waren als die Karacken des späten Mittelalters in Europa. Noch heute ist ein solches Trockendock in Nanjing erhalten.

Das Trockendock wurde in Europa 1495 in Portsmouth zum ersten Mal seit der europäischen Antike wieder angewandt. Es dauerte jedoch noch mehrere hundert Jahre, bis sich das Trockendock für den Schiffbau im 19. Jahrhundert allgemein durchsetzte. Drei Jahrtausende lang war Holz das dominierende Baumaterial für Schiffe[2].

Zu Beginn der Industrialisierung begannen die Schiffbauer vor allem in Großbritannien verstärkt Eisen einzusetzen, um das rar gewordene Krummholz zu ersetzen. Damit entstand die Kompositbauweise mit Kielschwein und Spanten aus Eisenprofilen und Beplankung aus Holz. Das Unterwasserschiff wurde zum Schutz gegen Bewuchs mit Kupferblech beschlagen.

Militärischer Schiffbau in den 1940er Jahren in den Vereinigten Staaten

Gegen ganz aus Eisen gebaute Schiffe gab es lange Vorbehalte, unter Umständen deshalb, weil Eisen im Gegensatz zu Holz nicht schwimmen konnte. Möglicherweise brachte ein Sturm, den ein allein aus Eisen gebautes Schiff schadlos überstand, die Wende. Damit wurde die Bauweise aus vernieteten Eisenplatten üblich. Im seinerzeit leistungsstärksten Schiffbauland Großbritannien erreichte der Eisenschiffbau im Jahr 1883 mit 860.000 Tonnen seinen Höhepunkt und fiel innerhalb der nächsten Jahre auf 50.000 Tonnen im Jahr 1888 und bis 1895 auf nur noch 10.000 Tonnen. 1878 wurden die ersten Schiffe mit 4500 Tonnen aus dem nochmals geeigneteren Schiffbaumaterial Stahl registriert, dessen Verwendungsanteil an der Produktionsmenge in Großbritannien bis 1880 auf 4 %, bis 1885 auf 60 % und bis 1895 auf ganze 95 % stieg.[3]

Die ersten auf einer deutschen Werft gebauten seegehenden und von einem Propeller angetriebenen „Eisendampfer“ waren die Erbgroßherzog Friedrich Franz und die Großfürst Konstantin, die die Neptun-Werft in Rostock 1851 für die Rostock-St. Petersburger Dampfschiffahrtsgesellschaft baute.

Während des Ersten Weltkriegs begann man in Großbritannien mit dem Einsatz der Schweißtechnik im Schiffbau (erstes geschweißtes Schiff: Fullagar).

Nach dem Ende des Ersten Weltkriegs und aufgrund der starken Beschränkungen durch die Bedingungen des Versailler Vertrags forcierte die deutsche Marine die Schweißtechnik, da diese leichtere Schiffe erlaubte. Insbesondere bei den Panzerschiffen wurde dies konsequent angewendet.

Nach dem Zweiten Weltkrieg war Deutschland der Schiffbau zunächst untersagt und erst ab 1951 wieder gestattet. Bis zur Werftenkrise in den 1970er Jahren erreichte der deutsche Schiffbau vorübergehend eine führende Stellung in der Welt.

Siehe auch: Wikingerlangschiff, Hansekogge, Karavelle, Heinrich der Seefahrer, Vollschiff

Linienriss

Konstruktionsspantenriss, rechte Seite: Vorschiff, linke Seite: Achterschiff

Beim Schiffsentwurf wird zunächst die geometrische Form des Rumpfes entwickelt und in einem Linienriss dokumentiert. Der Linienriss enthält Wasserlinien (horizontale Schnitte), Konstruktionsspanten (vertikale Schnitte in Querrichtung), Schnitte (vertikale Schnitte in Längsrichtung) und teilweise auch Senten (schräge Schnitte). Aus Symmetriegründen und wegen der besseren Sichtbarkeit stellt ein Spantriss üblicherweise nur eine Hälfte dar, das Achterschiff links und das Vorschiff rechts. Dabei wird das Schiff in Längsrichtung in 20 gleich lange Abschnitte unterteilt, die dann die Konstruktionsspanten ergeben. Die Konstruktionsspanten sind von 0 (achteres Lot HL)[Anm. 1] bis 20 (vorderes Lot VL)[Anm. 2] durchnummeriert. Weitere Spanten werden im Bereich großer Formänderung, also Achter- und Vorschiff, benutzt. Die sind in der Regel Spanten auf halbem Spantabstand mit der Nummerierung 18,5 und 19,5. Um das gesamte Schiff, also auch achtern vom HL und vor dem VL, darzustellen, werden weitere Spanten eingefügt. Diese werden dann entsprechend nummeriert (zum Beispiel −5, −4, 21, 22, …). Ziel des Entwurfs ist es, eine Schiffsform zu entwickeln, die den Vorgaben des Reeders entspricht und dabei die unterschiedlichen hydrodynamischen, konstruktiven, fertigungstechnischen Anforderungen einhält. Am Ende des Prozesses steht dabei ein Kompromiss aus allen Parametern zur wirtschaftlichen Nutzung des Schiffs.

In der Regel wird ein vorhandener Linienriss als Vorlage genommen und geometrisch verzerrt.

Der Schiffsentwurf erfolgt in der Regel in dieser Reihenfolge:

• Anforderung an das Schiff, zum Beispiel Länge, Breite, Tiefgang, Geschwindigkeit, Ladevolumen, Anzahl von Containerplätzen oder der Tragfähigkeit
• Aufteilung des Schiffes in die Geometrie der Laderäume, Tanks etc.
• Es wird ein grober Generalplan GAP („General Arrangement Plan“) erstellt.
• Festlegung oder Abschätzung der wichtigen hydrodynamischen Kenngrößen, wie zum Beispiel Blockkoeffizient CB, Verdrängungsschwerpunkt, Widerstand
• Anschließend wird versucht, die Schiffsform um den festen Punkt herum anhand der Anforderungen zu entwerfen.

Der Schiffsentwurf ist immer ein Kompromiss zwischen Anforderungen des Reeders und dem physikalisch Machbaren.

Anmerkungen

1. Das achtere Lot befindet sich in der Regel an der Stelle, an der sich die Konstruktionswasserlinie mit dem Ruderschaft schneidet. Die Konstruktionswasserlinie entspricht dem horizontalen Schnitt auf dem festgelegten Tiefgang.
2. Das vordere Lot liegt an der Stelle, an der die Vorschiffskontur die Konstruktionswasserlinie schneidet.

Die Länge zwischen dem vorderen und achteren Lot nennt man auch die Länge zwischen den Loten. Die Abkürzung hierfür ist LPP von Length between perpendiculars (für kleinere Schiffe meist LBP abgekürzt). In der Regel werden die hydrodynamischen Kenngrößen auf diese Länge bezogen.

Mit empirischen Verfahren, beispielsweise dem Holtrop-Verfahren, mit Widerstands- und Propulsionsversuchen im Modellmaßstab und teilweise auch mit CFD-Berechnungen wird eine Prognose erstellt, wie viel Maschinenleistung das Schiff brauchen wird, um die vertraglich vereinbarte Geschwindigkeit zu erreichen. Die Genauigkeit, die dabei gefordert und auch erreicht wird, ist enorm. Diese Untersuchungen am Schiffsrumpf gehen Hand in Hand mit mindestens genauso aufwendigen hydrodynamischen Untersuchungen am Propeller. Weitere hydrodynamische Untersuchungen betreffen das Manövrier- und Seegangsverhalten und teilweise auch entsprechende Modellversuche in Eis.

Zur Beurteilung der Schnittigkeit einer Unterwasser-Schiffskonstruktion werden unterschiedliche Völligkeitsgrade berechnet, deren Werte immer unter 1 liegen.

• Völligkeitsgrad des Hauptspantes (Midship Coefficient ${\displaystyle c_{M}}$): Dabei wird die Fläche des Hauptspantes bis zur Konstruktionswasserlinie (KWL) im Verhältnis zum umschriebenen Rechteck (Breite KWL × Tiefgang) berechnet (früher: Völligkeitsgrad alpha)
• Völligkeitsgrad der Wasserlinienfläche(Waterline Area Coefficient ${\displaystyle c_{W}}$): Er bewertet das Verhältnis der Fläche der Konstruktionswasserlinie zur Länge × Breite des umschreibenden Rechtecks (früher: Völligkeitsgrad beta)
• Völligkeitsgrad der Verdrängung (Block Coefficient ${\displaystyle c_{B}}$): Hier wird die Verdrängung des Schiffes durch den umschreibenden Quader (Länge × Breite × Tiefgang) geteilt (früher: Völligkeitsgrad gamma). Je kleiner der Wert ist, desto schlanker ist der Schiffskörper. Sportboote haben einen kleinen Wert, Tanker oder Pontons tendieren im Wert zu 1.
• Prismatic Coefficient ${\displaystyle c_{P}}$: Er beschreibt das Verhältnis der Verdrängung des Schiffes zur Hauptspantfläche mal Länge (früher: Völligkeitsgrad delta)

Schweißarbeiten an einer Bodensektion

Längsfestigkeit: Global und in allergröbster Näherung wird das Schiff als ein Biegebalken angesehen, dessen Schnittlasten sich aus der unterschiedlichen Verteilung von Gewicht, Ladung und Auftrieb ergeben. Querfestigkeit: Eine in Gedanken herausgeschnittene Scheibe wird bei vernachlässigter Wechselwirkung mit dem weggeschnittenen restlichen Schiff als U-förmige Anordnung von Stahlträgern berechnet. Siehe auch Balkentheorie.

Detailliertere Berechnungen mit FEM-Software berücksichtigen, dass das Schiff als Grobblechkonstruktion ein komplexes Gefüge aus Flächentragwerken darstellt.

Um immer wiederkehrende Berechnungen zu vermeiden, dimensioniert man die Spanten, Rahmen, Träger, Lukensülle und dergleichen gemäß Bauvorschriften von Klassifikationsgesellschaften.

Als Schiffsantriebe kommen heute meist Dieselmotoren zum Einsatz. Auf Kriegsschiffen, bei denen Wirtschaftlichkeitsüberlegungen gegenüber anderen Anforderungen zurücktreten, gibt es zum Teil abweichende Motorisierungen, etwa CODLAG-Antrieb, Nuklearantrieb oder verschiedene Formen elektrischer Antriebe bei U-Booten. Kolbendampfmaschinen gehören der Geschichte an, Dampfturbinen kommen praktisch nur noch bei Öltankern zum Einsatz. Gasturbinen sowie Nuklearantriebe haben sich in der zivilen Schifffahrt nicht durchsetzen können. Allerdings werden heute neue Kreuzfahrtschiffe, die in den USA Häfen in Alaska anlaufen wollen, wieder mit Gasturbinen ausgerüstet. Der Vorteil ist der fast nicht vorhandene Ausstoß an Rußpartikeln.

Schiffsmotoren gliedert man in schnell-, mittelschnell- und langsamlaufende Motoren einerseits und in Zwei- und Viertaktmotoren andererseits. Zweitaktmotoren sind immer Langsamläufer. Die größten Leistungen werden von Langsamläufern erbracht. Ein Dieselmotor mit 98 MW wiegt ca. 3300 t und hat die folgenden Abmessungen: L ca. 32,3 m, B ca. 12 m (inkl. Plattform), H ca. 14 m. Als Antrieb werden solche Motoren für Containerschiffe verwendet, die eine Tragfähigkeit von ca. 10.000 TEU haben.

Bei der Emma-Mærsk-Klasse (14.770 TEU) wird statt eines bisher weit verbreiteten 12-Zylinder-Reihen-Dieselmotors mit 90.000 oder 93.000 PS ein 14-Zylinder-Dieselmotor des Typs Wärtsilä/Sulzer 14RT-flex96C mit 108.908 PS Leistung eingebaut. Der Propeller hat ca. 10 m Durchmesser und wiegt etwa 130 Tonnen, um das größere Motordrehmoment bei gleicher Drehzahl des Motors (94–104/min) in Vortrieb umzusetzen.

Besonders leistungsstark ausgestattet sind:

• der CMA-CGM-Marco-Polo-Typ – 80.080 kW (108.878 PS)
• die Triple-E-Klasse – 2 × MAN Zweitakt-Dieselmotor mit je 59.360 kW (80.707 PS)