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Vorrichtung zur Beurteilung von durch die Lastverteilung in einem
Schiff im Rumpf entstehenden Längsschiff-Biegungsmomenten In einem Schiff sind zur
Aufnahme der Last verschiedene Räume bestimmten Inhalts vorgesehen, die gewöhnlich
so bemessen sind, daß sie ganz gefüllt sind, wenn die Last ein verhältnismäßig geringes
spezifisches Gewicht hat. Daraus folgt, daß ein gewisser Teil des Lastraumes leer
ist, wenn die Last ein größeres spezifisches Gewicht hat. Die Verteilung der Last
in der Längsrichtung des Schiffes kann dann auf verschiedene Weise erfolgen, und
die Belastung des Schiffes sowie die dadurch verursachten Längsschiff-Beanspruchungen
sind also von der Art der Lastverteilung abhängig. Die Belastung des Schiffes hängt
auch weitgehend von der Ungleichförmigkeit des spezifischen Gewichtes der Last ab.
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Bei gewissen Schiffsarten ist die Möglichkeit einer verschiedenartigen
Lastverteilung so groß, daß das Schiff bei äußerst unzweckmäßiger Lastvertei'lung
und unter sonstigen ungünstigen Umständen unzulässig hohen Spannungen ausgesetzt
werden kann, die Riß'bildungen im Material und gegebenenfalls Brüche hervorrufen
können.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Beurteilung von
durch die Lastverteilung in einem Schiff im Rumpf entstehenden Längsschiff-Biegungsmomenten.
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Erfindungsgemäß denkt man sich das Schiff in einen vorderen und einen
hinteren Teil aufgeteilt, wobei im hinteren Teil die Lasten, die hinter einer in
diesem Teil gedachten Ebene liegen, ein positives Moment hervorrufen und die vor
dieser Ebene liegenden Lasten ein negatives Moment. Für den vorderen Schiffsteil
gilt, daß die hinter einer entsprechenden gedachten Ebene liegenden Lasten negative
und
die vor dieser Ebene liegenden Lasten positive Momente hervorrufen. In beiden Fällen
ist angenommen, daß das Moment eine Funktion des Gewichtes der Last und ,ihres Abstandes
von der gedachten Ebene ist. Die algebraische Summe der Momente und ein bestimmter,
innerhalb eines begrenzten Wasserverdrängungs- und Trimmgebietes konstanter Momentwert,
der unter anderem von anderen Rumpfkräften und vom Auftrieb verursacht ist, ergibt
das Überschußmoment.
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Das wesentliche Merkmal der Vorrichtung gemäß der Erfindung bildet
eine Waage zum Messen der positiven -und negativen Momente im Schiffsrumpf, wobei
jeder einzelne Last-, Bunker- oder Ballastraum oder ein bestimmter Teil davon durch
zwei Größen vertreten ist, von denen die eine eine Funktion des Abstandes des betreffenden
Raumes von einer gedachten Ebene ist, die im Vorderschiff bzw. Hinterschiff die
Teile derselben voneinander trennt, welche posivite bzw. negative Momente hervorrufen,
und die andere das Gewicht der jeweils im Raum angebrachten Last angibt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Vorrichtung werden auf einem Waagebalken,
dessen Arme derart nach der Größe der Last gradiert sind, daß eine ,größere Last
einem größeren Abstand vom Drehpunkt entspricht, Gewichte bestimmter Größe angebracht,
die in einem bestimmten Verhältnis den Abstand der entsprechenden Räume von der
gedachten Teilungsebene angeben.
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Bei einer abgeänderten Ausführungsform der Vorrichtung ist diese als
elektrische Waage ausgebildet, in der jeder einzelne Lastraum einem regelbaren Widerstand
od. dgl. mit einer festen. und einer regelbaren Kompenente entspricht.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Fig. i ist ein Längsschnitt durch ein Schiff, in dem die gedachten
Grenzen zwischen den positiven und negativen Momenten angegeben sind; Fig. 2 zeigt
ein mechanisches Ausführungsbeispiel in Form ,eines Waagebalkens und Fig. 3 eine
für denselben Zweck ausgebildete elektrische Waage; in Fig. q. sind einige zum letzteren
Ausführungsbeispiel gehörige Skalen dargestellt.
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Gemäß Fig. i kann man sich ein Schiff durch eine Ebene A-A in eine
vordere und eine hintere Hälfte geteilt denken. Die Länge eines Schiffes läßt sich
in verschiedener Weise angeben, und die Ebene A-A braucht nicht durch die Mitte
der Schiffslänge zu gehen. Sie kann beispielsweise an einer Stelle liegen, die dem
größten Biegungsmoment entspricht. In jeder der durch die Ebene A-A voneinander
getrennten Schiffshälften befindet sich ein Teil, der positive Momente hervorruft,
und ein anderer Teil, der negative Momente hervorruft. Diese Teile sind in der hinteren
bzw. vorderen Schiffshälfte durch eine Ebene BB bzw. C-C voneinander getrennt.
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Jeder dieser Teile einer Schiffshälfte kann aus einer Mehrzahl von
Lasträumen, Bunker- oder Ballasträumen bestehen, die sich in verschiedenen Abständen
von den Ebenen B-B bzw. C-C befinden. In der vorderen Schiffshälfte sind beispielsweise
zwei derartige Räume i und 2 dargestellt. Ihr Abstand von der Ebene C-C ist mit
L1 bzw. L2 und das Gewicht der Last in jedem Raum mit Ih bzw. Vbezeichnet.
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Das Moment, welches das Schiff auf Grund der Lasten in diesen beiden
Räumen beeinflußt, ist somit -f- Vi X L1 - TT2 X L2, und, für
das Vorderschiff ist das Gesamtmoment gleich der Summe der Produkte, die man erhält,
wenn man alle positiven Lasten mit den entsprechenden Abständen von der Ebene C-C
multipliziert und davon die Summe der Produkte abzieht, die man erhält, wenn man
alle im negativen Teil befindlichen Lasten mit deren Abstand von dieser Ebene multipliziert.
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Die Längsschiff-Biegungsmomente werden natürlich nicht nur durch die
Lasten hervorgerufen, sondern auch durch die Kräfte, die vom Gewicht des Rumpfes
und dem Auftrieb herrühren. Diese Kräfte erzeugen sowohl positive wie auch negative
Momente. Im vorliegenden Zusammenhang braucht man jedoch nicht an die absolute Größe
dieser Momente zu denken, sondern nur an -den verbleibenden Unterschied, der einen
Rest darstellt, welcher zu dem durch die Lastverteilung gebildeten Moment zu legen
ist. Das Restmoment ist schwierig zu berechnen und wird daher zweckmäßig empirisch
bestimmt. Man kann dabei gleichzeitig eventuelle Fehler ausgleichen, die aus den
obenerwähnten Annäherungen herrühren.
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Das für das Schiff in Frage kommende Überschußmoment ergibt sich somit
als die algebraische Summe der von den Lasten im Vorderschiff und Hinterschiff hervorgerufenen
Momente und des unter anderem von Kräften im Rumpf und vom Auftrieb gebildeten Restmomentes.
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Eine einfache Vorrichtung zur Bestimmung der Größe und Art des überschußmomentes
ist in Fig. 2 in Form eines Waagebalkens dargestellt. Der Abstand jedes Lastraumes
zu den gedachten Ebenen B-B und C-C ist durch Gewichte L1, L2 usw. dargestellt,
die in einem bestimmten Maßstab den entsprechenden Abständen entsprechen. Die Arme
der Waage sind mit einer Skala über die Größe der Lasten, z. B. in Tonnen, versehen.
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Grundsätzlich läßt sich also sagen, daß jeder einzelne Lastraum oder
ein bestimmter Teil desselben in der Vorrichtung durch zwei Faktoren dargestellt
ist, und zwar einen konstanten, der Lagedes Lastraumes entsprechenden Faktor und
einen veränderlichen, dem Gewicht der Last entsprechenden Faktor.
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Die Einfachheit halber sind in der Zeichnung nur zwei positive und
zwei negative Momente dargestellt. Die Gewichte sind verschieden groß, je nach dem
Abstand von den Ebenen, und sind so auf den Armen der Waage angebracht, daß sich
sämtliche positive Momente auf den rechten Arm und sämtliche negative Momente auf
den linken Arm beziehen. Die Größe der Lasten in den verschiedenen
Räumen
wird durch den Abstand der Gewichte von der Mitte des Waagebalkens dargestellt.
Da es natürlich vorkommen kann, daß zwei Lasträume gleich schwere Lasten enthalten,
sind die Gewichte so ausgebildet, daß sie nufeinandergehängt werden können, wie
dies für die positiven Momente gezeigt ist. Ein eventueller Unterschied zwischen
den positiven und negativen Momenten kann auf einer Skala 3 abgelesen. werden, die
in Momenteinheiten, z. B. Tonnenmetern, gradiert ist. Diese Skala ist zweckmäßig
mit besonderen Zeichen oder Warnungssignalen +T und -T versehen, die anzeigen, daß
das Überschußmoment unzulässig groß ist.
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Um eine Auffassung über die wirkliche Größe des Überschußmomentes
zu erhalten, ruß man, wie bereits bemerkt, Rücksicht auf das durch den Rumpf und
den Auftrieb verursachte Restmoment nehmen. Für jedes Belastungsgebiet ruß daher
eine Korrektur vorgenommen werden, die etwa in folgender Weise geschehen kann.
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Man wählt eine bestimmte Lastverteilung, von der man durch Erfahrung
weiß, daß sie ungefähr gleich große Höcker- und Sattelmomente ergibt, und führt
damit eine standardisierte Festigkeitsberechnung aus. Die verwendeten Teillastwerte
werden auf der Waage eingestellt, und man ruß dann ein bestimmtes Gewicht P in einem
bestimmten Abstand auf dem einen Arm anbringen, das die Größe des für den berechneten
Fall bekannten Überschußmomentes angibt.
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Die Waage zeigt nun das mittlere Moment an, und eine eventuelle Abweichung
des Balkens von der waagerechten Lage deutet die Größe und Art des durch den Rumpf
und den Auftrieb verursachten Restmomentes an. Dieses kann auf zweierlei Weise kompensiert
werden. Entweder kann man die Skala der Waage so ändern, daß die Waage ihre Nulllage
bei der Stellung des Zeigers am mittleren Moment erhält, oder auch kann man durch
Anhängung eines weiteren Gewichtes Q in einem bestimmten Abstand auf dem einen Arm
den Balken in die waagerechte Lage bringen.
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Die durchgeführte Berechnung gilt für einen bestimmten Gesamtwert
der Last, und die Waage zeigt, wie Änderungen der Lage dieser Last auf die Größe
der Längsschiff-Biegungsmomente einwirken. Um die Vorrichtung für verschiedene Lasten
und Wasserverdrängungswerte verwendbar zu machen, ruß man mehrere standardisierte
Festigkeitgberechnungen durchführen und die Lage der Gewichte .P und Q ändern.
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Für den Gebrauch auf einem Schiff verwendet man zweckmäßig eine elektrische
Waage, da diese im Gegensatz zu der beschriebenen mechanischen Vorrichtung leichter
unabhängig von den Bewegungen des Schiffes gemacht werden kann. Jeder einzelne Lastraum
oder Lastraumteil läßt sich durch einen Widerstand, eine Spule od. dgl. darstellen,
die eine konstante und eine veränderliche Komponente enthält. Man kann beispielsweise
für jeden Lastraum einen drehbaren oder verschiebbaren Widerstand vorsehen, dessen
Leitungswiderstand dem Produkt eines Wertes der Lage des Lastraumes und des Gewichtes
der Last entspricht und wobei die Größe der Last entscheidet, ein wie großer Teil
des Widerstandes in jedem Fall einzuschalten ist.
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Die Vorrichtung gemäß Fig. 3 ist als eine derartige elektrische Waage
ausgebildet, die für jeden Lastraum einen regelbaren Widerstand M hat. Die Widerstände
sind in bestimmter Weise gruppiert und zusammen mit einer Stromquelle H in einer
Wheatstoneschen Brücke eingeschaltet. Die Widerstände M2, M4 . . . Mm, die
den Lasten zwischen den Ebenen B-B und C-C entsprechen, sind in Reihe zwischen den
Punkten D und E der Brücke eingeschaltet, und die Widerstände Ml, Ms
. . . M", die den außerhalb dieser Ebenen wirksamen Momenten entsprechen,
sind zwischen den Punkten F und G in Reihe geschaltet. Im Stromkreis der Stromquelle
sind parallel zu diesen Widerständen in an sich bekannter Weise zwei gleich große
Widerstände R1 und R2 angeordnet. Zwischen den Punkten E und F ist der Widerstandsteil
eines Potentiometers P eingeschaltet, dessen beweglicher Teil über ein Galvanometer
I an einem Punkt zwischen den Widerständen R1 und R2 angeschlossen ist. Der bewegliche
Teil des Potentiometers P ist mit einer Skala versehen, die nach beiden Richtungen
von einer Nullage gradiert und in vorher beschriebener Weise an den Grenzen der
zulässigen Werte des Überschußmomentes mit Warnungszeichen +T und -T versehen ist.
Die Einstellung dieser Skala wird weiter unten näher beschrieben.
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Jeder einzelne Widerstand Ml. . .Mn .hat einen maximalen Leitungswiderstand,
der direkt proportional zum Produkt des Abstandes des entsprechenden Lastraumes
von der dazugehörigen Ebene und des Gewichtes der größtmöglichen Last in diesem
Lastraum ist. Für eine geringere Last in diesem Raum ist der Widerstand so einzustellen,
daß ein entsprechend geringer Teil des Leitungswiderstandes eingeschaltet ist. Die
Widerstandsskala kann daher unmittelbar in Gewichtseinheiten, z. B. Tonnen, geeicht
sein. Nach Einstellung sämtlicher Widerstände auf die in den entsprechenden Räumen
befindlichen Lasten erhält man in den beiden Reihen einen bestimmten positiven :bzw.
einen bestimmten negativen Ges.amtleitungswiderstand.
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Die Wheatstonesche Brücke wird in bekannter Weise so gehandhabt, daß
mit Hilfe des Pötentiometers die beiden Reihen ausgeglichen werden, so daß das Galvanometer
stromlos wird. Da die Widerstände R1 und R2 gleich groß sind, ist der Gesamtwiderstand
in den beiden Zweigen zwischen dem beweglichen Teil des Potentiometers und den Punkten
D bzw. G ebenfalls gleich groß. Die Einstellung des Potentiometers ist also ein
Maß für den Unterschied zwischen den Widerständen in den Zweigen D-E und F-G. Auf
.dem Potentiometer läßt sich also die Größe des Widerstandes ablesen, den man der
einen Reihe zufügen rußte.
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Da der Leitungswiderstand des Potentiometers ein Moment darstellt,
kann seine Skala unmittelbar die Momente in beispielsweise Tonnenmetern angeben.
Die
Vorrichtung wird in derselben Weise wie die oben beschriebene Waage eingestellt.
Die aus einer standardisierten Festigkeitsberechnung bekannten Werte der Teillasten
werden in den Widerständen eingestellt, worauf der bewegliche Teil des Potentiometers
gedreht wird, bis das Galvanometer stromlos ist. Die Skala des Potentiometers wird
dann so eingestellt, daß der Abstand von ihrer Nullage zum Zeiger des Potentiometers
dem für den besonderen Fall aus der Berechnung bekanntenWert des Überschußmomentes
entspricht. Die Vorrichtung ist dann auf das mittlere Moment eingestellt.
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Ein eventueller Unterschied zwischen dem Nullpunkt der Skala und der
wirklichen Mitte des Widerstandsteiles ist ein Maß für das vom Rumpf und vom Auftrieb
herrührende Restmoment. Da dieses, wie erwähnt, innerhalb eines gewissen Auftriebs-
und Trimmwertes ziemlich unverändert ist, kann die Skala zur Beurteilung von anderen
Verteilungen der Last innerhalb dieses Wertes im Vergleich mit der Verteilung verwendet
werden, die sie durch,die zuerst vorgenommene Einstellung erhalten hat. Um die Einrichtung
für verschiedene Lastbereiche verwendbar zu machen, kann man in gleicher Weise wie
bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel mehrere Berechnungen durchführen
und damit die Lagen von Nullpunkten auf verschiedenen Skalen feststellen. Fig. q.
zeigt als Beispiel derartige Skalen für volle Belastung FL
und Ballast
BL mit verschiedenen Nullpunktlagen.
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Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann es einfacher sein, die
Skala in einer Lage zu belassen, die von der rein symmetrischen Lage abweicht, als
die vom Schiffsrumpf und vom Auftrieb herrührenden Momente durch besondere Einrichtungen
zu kompensieren.. Man kann aber auch sehr wohl die Nullage der Skala mit der Symmetrieebene
zusammenfallen lassen und einen oder mehrere zusätzliche Widerstände vorsehen, mit
deren Hilfe einerseits die aus den standardisierten Festigkeitsberechnungen bekannten
Werte des Überschußmomentes für bestimmte Belastungsfälle und andererseits der Wert
der für diese Fälle gefundenen Restmomente zu den positiven bzw. negativen Widerstandsreihen
gelegt werden können. Die Werte dieser beiden Arten von Momenten für verschiedene
Auftriebs-und Trimmbereiche können in geeigneter Weise auf den Skalen der zusätzlichen
Widerstände angegeben sein.
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Die dargestellten und beschriebenen Vorrichtungen sind lediglich als
Ausführungsbeispiele der Erfindung zu betrachten, deren Einzelheiten in mannigfacher
Weise im Rahmen der nachstehenden Patentansprüche geändert werden können. Im Fall
des mechanischen Ausführungsbeispiels können natürlich die Arme der Waage die Lagen
der Lasträume angeben und an bestimmten Stellen mit Mitteln versehen sein, an denen
die dem jeweiligen Belastungsfal!1 entsprechenden veränderlichen Gewichte angebracht
werden können.
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Im Fall des elektrischen Ausführungsbeispiels können mehrere elektrische
Teile den festen und beweglichen Komponenten der Lasträume entsprechen und- in verschiedenartiger
Weise schaltbar sein, um den beabsichtigten Zweck zu erreichen. Die regelbaren Widerstände
des Ausführungsbeispiels können in verschiedener Weise ausgebildet sein. Ein bestimmtes
Gewicht, multipliziert mit dem Abstand des Lastraumes von: der dazugehörigen Ebene,
entspricht ja einem bestimmten Leitungswiderstand. Wünscht man der Einfachkeit halber,
unter anderem mit Rücksicht auf Ersatzteile und Reparaturen, einheitlich 2bemessene
Widerstände, muß man daran denken, daß die Abstände der verschiedenen Lasträume
verschieden sind und daß daher derjenige Teil des Widerstandes, welcher das Produkt
einer bestimmten Gewichtseinheit und dieser veränderlichen Abstände darstellen soll,
sich ändert. Gleich große Lasten in zwei verschiedenen Räumen können daher verschiedenen
Lagen der Betätigungsteile der entsprechenden Widerstände entsprechen. Dies kann
ungeeignet sein., da es keinen raschen Überblick über die relative Größe der Last,
z. B. Viertellast, Halblast oder maximale Last, ermöglicht und leicht verwirren
kann.
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Es ist daher am zweckmäßigsten, jeden Widerstand mit dafür berechnetem
Leitungswiderstand je Längeneinheit auszubilden, so daß gleich große Lasten in jedem
einzelnen Fall im wesentlichen gleichen Bewegungen der Einstellglieder entsprechen.