Bootsbau-Wissen: Wann Yachten kentern – So wird die Stabilität von Yachten bewertet

Stabil auf See

Nach welchen Kriterien die Stabilität von Yachten bewertet wird, wie sie entsteht und warum der Ballastanteil nicht alles ist. Ein Überblick

Als die deutsche Ausbildungs­yacht Meri Tuuli am 10. April 2013 den portugiesischen Hafen Figueira da Foz ansteuert, wird sie um 16 Uhr 41 schlagartig durch eine Grundsee stark gekrängt. Brecher gehen über Deck, der Mast bricht, das Boot kentert, und vier Besatzungsmitglieder werden über Bord gespült. Bei der anschließenden Rettungsaktion kommen ein portugiesischer Polizist sowie ein Besatzungsmitglied der Segelyacht ums Leben. Was war bei der Tragödie passiert? Reichte die Stabilität der Yacht vom Typ X-442 nicht aus?

Stabilität

Stabilität beschreibt das Bestreben eines Bootes, die aufrechte Schwimmlage beizubehalten oder wieder einzunehmen, wenn eine äußere Kraft auf das Boot wirkt und es krängt. Liegt eine Yacht ungekrängt im Wasser, ohne Einfluss von Wind und Welle, dann liegt der Gewichtsschwerpunkt des Boots (G) über dem Auftriebsschwerpunkt (B). Die Gewichtskraft und die Auftriebskraft, die auf das Boot wirken sind gleich groß, das Boot schwimmt stabil.

Wird das Boot jetzt zu einer Seite um einen Winkel Phi gekrängt, wandert der Auftriebsschwerpunkt aufgrund der Rumpfform zur Seite der Krängung, also nach Lee. Der Gewichtsschwerpunkt bewegt sich nicht. Der nun vorhandene horizontale Abstand von Gewichts- und Auftriebsschwerpunkt bildet einen Hebelarm (GZ), der das Boot wieder aufrichten möchte. Multipliziert mit der Verdrängung des Bootes ergibt sich daraus das aufrichtende Moment (RM). Generell wird zwischen Formstabilität und Gewichtsstabilität unterschieden. Formstabile Schiffe beziehen ihre Stabilität hauptsächlich aus ihrer breiten Rumpfform, gewichtsstabile Boote eher aus ihrem Ballast im Kiel. In der Realität setzt sich die Stabilität aus beiden Komponenten zusammen.

Hebelarmkurve

Die grafische Darstellung des Hebelarms in Abhängigkeit von dem Krängungswinkel ist die Hebelarmkurve. Aus ihr lässt sich einiges, bezogen auf die Stabilität eines Bootes, ablesen. Der Punkt, an dem die Kurve ihren höchsten Wert besitzt, wird als statischer Kenterwinkel bezeichnet. Bei dieser Krängung wird das Boot noch nicht schlagartig kentern, es wird jedoch bei weiterem Krängen immer weniger aufrichtendes Moment aufbringen können, bis die Hebelarmkurve schließlich die X-Achse schneidet.

Dieser Punkt ist der dynamische Kenterwinkel (AVS), auch Kenterpunkt genannt. An diesem Punkt bilden der Gewichts- und der Auftriebsschwerpunkt wieder ein Gleichgewicht. Der Bereich, von der aufrechten Schwimmlage bis zum Kenterpunkt, ist der sogenannte Stabilitätsumfang. Er liegt bei seegehenden Yachten üblicherweise zwischen 100 und 140 Grad. Das nächste Mal schneidet die Hebelarmkurve die X-Achse bei 180 Grad. Hier liegt das Boot kieloben, die Kräfte sind wieder im Gleichgewicht.

Die Fläche unter der Hebelarmkurve kann als die Energie betrachtet werden, die nötig ist, um ein Boot bis zu einem bestimmten Winkel zu krängen beziehungsweise wieder aufzurichten.

Fastnet ’79

Ein Ereignis in der Geschichte der See­segelei führte dazu, dass die Stabilität von Yachten Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen wurde: Das Fastnet Race von 1979, bei dem insgesamt 15 Segler und drei Retter starben. Unter anderem wurden im Zuge der Ermittlungen Zusammenhänge von Bootsparametern wie Spantentform, Breite und Verdrängung eines Bootes und dem Kenterverhalten beschrieben.

Eine Feststellung war, dass sich besonders breite Boote, wie sie gemäß der damals angewandten IOR-Vermessung verbreitet waren, nach einer Durchkenterung nur sehr langsam bis gar nicht wieder aufrichteten. Der Fortschritt in der Computertechnik in den folgenden Jahrzehnten machte es Bootskonstrukteuren leichter, exaktere Voraussagen über die Stabilität ihrer Entwürfe machen zu können.

Normen und STIX

1998 trat die Sportboot-Richtlinie der EU in Kraft. Sie teilt Boote gemäß ihrer Seetüchtigkeit in die vier Entwurfskategorien A, B, C, D ein. Yachten, die innerhalb der EU verkauft werden, müssen dieser Richtlinie entsprechen und einer der Kategorien zugeordnet sein. Die Kategorien beschreiben ausschließlich Wellenhöhe und Windstärke, die ein Boot vertragen können muss. Kategorie A bedeutet, dass das Boot ausgelegt ist, Windstärken von über acht Beaufort und signifikante Wellenhöhen von mehr als vier Meter zu überstehen, nicht jedoch extreme Wetterverhältnisse.

Die genauen Aspekte, die Stabilität betreffend, regelt die ISO-Norm 12217-2. Den vielleicht aussagekräftigsten Wert zur Stabilität findet sich in ebendieser Norm: der Stability Index, kurz STIX. Der STIX ist der rechnerische Versuch, die Stabilität eines Bootes mit nur einem Zahlenwert zu beschreiben. Jede der vier CE-Kategorien besitzt einen Mindest-STIX-Wert. Je höher der Wert, desto stabiler ist das Boot. In den Stability Index gehen sieben verschiedene Faktoren ein:

  • ein Faktor für die aufrichtende Energie, also die Fläche unter der Hebelarmkurve, von null Grad Krängung bis zum Kenterpunkt;
  • ein Faktor für die Fähigkeit des Bootes sich nach einer Durchkenterung wieder aufzurichten;
  • ein Faktor für die Fähigkeit des Bootes sich nach einem Knockdown (Krängung 90 Grad) wieder aufzurichten;
  • der Verdrängungs-Längen-Faktor;
  • der Breiten-Verdrängungs-Faktor;
  • ein Wind-Faktor;
  • und ein Faktor für das Risiko vollzulaufen, wenn das Boot kentert (90 Grad).

Der STIX ist eine anerkannte Norm, an die sich die Konstrukteure und Werften halten, die es auf einen Blick möglich macht verschiedene Boote hinsichtlich ihrer Stabilität zu vergleichen. Problematisch wird es dann, wenn Werften fordern, die STIX-Mindestanforderung einzuhalten, damit das entsprechende Boot möglichst in die nächsthöhere Kategorie fällt, weil das die Verkaufsaussichten steigert und mehr Sicherheit suggeriert. Dann kann es passieren, dass der Konstrukteur entsprechend tricksen muss, um den Wert zu erfüllen. Dabei wäre das Boot unter Umständen in der nächst niedrigeren Kategorie besser aufgehoben.

Yachten heute

Boote sind heutzutage tendenziell breiter als solche von vor 30 Jahren und haben mehr Freibord. Pauschal zu sagen, dass dadurch die Stabilität vermindert wird, ist aber nicht richtig. Ein höheres Freibord sorgt für einen höher liegenden Gewichtsschwerpunkt, was der Stabilität abträglich ist, erzeugt aber auch mehr Auftrieb bei Krängung. Durch moderne Verarbeitungsweisen sind viele Rümpfe heute leichter als früher. Die Gewichtsersparnis durch die Konstruktionsweise kann daher für mehr Ballast im Kiel genutzt werden, was den Gewichtsschwerpunkt senkt und die Stabilität wiederum verbessert. Die Tendenz, Boote heutzutage breiter zu bauen, sorgt für eine erhöhte Formstabilität. Entscheidend ist hier die Breite der Schwimmwasserlinie.

Schmale Boote neigen dazu am Anfang stärker zu krängen, sie besitzen eine geringere Anfangsstabilität. Ein besonders anschauliches Beispiel sind die Meter-Klasse-Yachten oder die Schärenkreuzer, die sich schon bei wenig Wind stark auf die Seite legen. Sie besitzen zwar ein fülliges Unterwasserschiff mit Langkiel, ihre Wasserlinie ist aber vergleichsweise schmal. Sie segeln sehr weich, sind also rank.

Moderne Boote besitzen durch ihre breiten Rümpfe mit U-Spanten eine breitere Wasserlinie und damit eine erhöhte Formstabilität im Vergleich zu schmaleren Booten. Auch die heutzutage allgegenwärtigen Kimmkanten (Chines) erhöhen die Formstabilität und erzeugen so mehr Anfangsstabilität. In den Hebelarmkurven manifestiert sich dies in stärker ansteigenden Kurven im Bereich bis 30 Grad. Das Segelverhalten ist tendenziell eher steif.

Der oft angesprochene und viel bemühte Ballastanteil, bei dem das Ballastgewicht in das Verhältnis zur Gesamtverdrängung gesetzt wird, ist alleine für sich kein wirklich aussagekräftiger Wert in Hinsicht auf die Stabilität. Vielmehr entscheidend ist der Tiefgang im Zusammenspiel mit dem Ballastanteil. Ein geringerer Ballastanteil, dafür aber tiefer gelegen, entspricht unter Umständen einem höheren Ballastanteil, der weniger tief sitzt. Typisch für schnelle Boote ist ein sehr tiefgehender Kiel mit moderatem Ballastanteil. Materialien mit hoher Dichte, wie Blei, bieten sich als Kielballast an.

Grenzbereiche der Stabilität

Vergleicht man die Hebelarmkurven moderner Serienboote mit denen von GFK­-Klassikern fällt auf, dass moderne Boote häufig einen geringeren Stabilitätsumfang vorzuweisen haben. Und auch der maximale aufrichtende Hebel ist kleiner. Außerdem tritt das Stabilitätsmaximum früher auf. Bei der Contessa 32 liegt das maximale aufrichtende Moment bei 78 Grad, bei einer Bavaria 32 bei 56 Grad.

Stellt sich die Frage, für welche Einsatzzwecke Boote konstruiert werden. Der typische Segler wird sehr selten in den Grenzbereich der Stabilität seines Bootes kommen. Am interessantesten für ihn ist eher der Bereich in dem er normalerweise segelt. Also Krängungen bis maximal 40 Grad. Hier zeigt sich, dass die Hebelarmkurven moderner Boote häufig im Bereich bis 30 Grad steiler verlaufen. Dies macht das Segeln angenehmer, weil weniger Lage geschoben wird und später gerefft werden muss. Für den Langfahrtsegler, der Ozeane überquert, sind die Grenzbereiche wiederum von größerem Interesse, stellen sie doch eine Art Lebensversicherung dar.

Die Contessa 32 (rot) verfügt über einen deutlich größeren Stabilitätsumfang und einen größeren aufrichtenden Hebelarm im Vergleich zur Hanse 315 (blau). Der kleinere Bereich unter der negativen Hebelarmkurve spricht für die Contessa. Die Hanse verfügt dafür über etwas mehr Anfangsstabilität.

Was macht eine stabile Yacht aus?

Für die Einschätzung der Stabilität sind vor allem die Hebelarmkurve und der STIX hilfreich. Die Fläche unter dem positiven Bereich der Hebelarmkurve sollte möglichst groß sein. Sie entspricht der aufrichtenden Energie. Boote mit mehr Verdrängung haben hier Vorteile. Extreme Leichtbauten müssen dies durch mehr Ballast oder tiefere Kiele ausgleichen. Die Fläche unter dem negativen Bereich der Hebelarmkurve sollte hingegen möglichst klein sein. Diese Fläche entspricht der Energie die benötigt wird, um das Boot wieder aufzurichten, sollte es durchgekentert  kieloben schwimmen.

Der Stabilitätsumfang, also der Bereich, bis die Hebelarmkurve die X-Achse schneidet, sprich die Stabilität null wird, sollte möglichst groß sein. Die Norm fordert hier für Boote der Kategorie A einen Winkel von mindestens 100 Grad. Auch der STIX-Wert sollte möglichst hoch sein. Für Kategorie A-Boote wird ein Mindest-STIX von 32 gefordert.

Eigner-Einfluss

Segler können selbst Einfluss auf die Stabilität ihrer Bootes nehmen. Nachträgliche Einbauten wie eine Rollgenua-Anlage, Rollgroß, Geräteträger, Radargerät- und –reflektor, Maststufen, ein Bimini oder ein Dingi an Deck verlagern den Gewichtsschwerpunkt nach oben und verkleinern damit den aufrichtenden Hebelarm, verringern also die Stabilität.

In einer Beispielrechnung für ein zehn Meter Boot mit circa 4,2 Tonnen Verdrängung und einer Breite von drei Meter, reduzierte der Einbau eines Radargeräts mit Halterung und dazu gehörigem Kabel (zusammen gerade einmal 15 Kilogramm) auf der halben Masthöhe den Stabilitätsumfang und das aufrichtende Moment um etwa zwei Prozent.

Vor allem schwere Gegenstände, wie Batterien, sollten möglichst nah am Gewichtsschwerpunkt gestaut werden. Ein neues, ausgestelltes Großsegel zum Beispiel erhöht das Toppgewicht und erhöht den Winddruck im oberen Bereich und lässt das Boot stärker krängen. Ein neuer Mast aus Kohlefaser wird das Toppgewicht hingegen reduzieren, was bedeutet, das Boot muss später gerefft werden.

Wann kentert eine Yacht?

Die gesamten Betrachtungen der Stabilität bestehend aus Hebelarmkurven und Stabilitäts-Index sind relativ statischer Natur. Der Wind wird zwar als Faktor in die Berechnungen einbezogen, Kielboote kentern in der Regel aber nicht nur wegen des Windeinflusses durch. Oder sie richten sich nach einem Knockdown, also 90 Grad Krängung, zügig wieder auf, weil noch Reststabilität vorhanden ist. Je größer der Stabilitätsumfang, desto mehr Sicherheitsreserve besteht.

Die größte Gefahr für das Durchkentern von Segelyachten stellen brechende Wellen dar. Kommen sie seitlich angelaufen, wird es besonders gefährlich. Womit wir bei der eingangs beschriebenen Situation der Yacht Meri Tuuli sind. X-Yachten stehen allgemein in dem Ruf, seegängige, schnelle Segler zu sein. Die Bundesstelle für Seeunfalluntersuchung bewertete den Stabilitätsumfang der X-442 Meeri Tuuli mit bis zu 120 Grad, also 20 Grad mehr als von der EU-Sportboot-Richtlinie gefordert.

Der STIX einer X-442 wird mit 32 angegeben, was der unteren Grenze entspricht, aber noch im Rahmen liegt. Die mit einer Einschätzung beauftragte TU Harburg kam zu dem Schluss, dass es sich bei dem Unfall auch nicht um ein Kenterproblem wegen mangelnder Stabilität handelte. Die Meri Tuuli fuhr zum Zeitpunkt des Unfalls nur unter Maschine, mit, nach Aussagen der Crew, etwa ein bis zwei Knoten Fahrt in Richtung Hafeneinfahrt. Eine fünf bis sechs Meter hohe Grundsee krängte die Yacht schlagartig zur Seite, wodurch das Boot seine Steuerfähigkeit verlor und querschlug. Dabei traten sehr große Rollmomente auf, die Meri Tuuli verlor ihren Mast, und vier Besatzungsmitglieder fielen außenbords.

Eine Faustformel für brechende Wellen, die von der University Southampton erstellt wurde, besagt, dass Wellenhöhen von etwa 35 Prozent der Rumpflänge (etwa 4,50 Meter für Meri Tuuli) alle Yachten bis 130 Grad krängt. Wellenhöhen von 55 Prozent der Rumpflänge (etwa 7,50 Meter für die Meri Tuuli) können Yachten nicht standhalten und kentern. Gebiete, in denen sich Grundseen bilden können, und brechende Wellen allgemein, sollten also auf alle Fälle gemieden oder zumindest mit größter Vorsicht befahren werden. 

Stabilität

G = Gewichtsschwerpunkt

M = Metazentrum

Φ = Krängungswinkel

B = Auftriebsschwerpunkt

B‘ =
Verdrängungsschwerpunkt in Abhängigkeit
vom Krängungswinkel Φ

GZ = Aufrichtender Hebel

Im ungekrängten Zustand liegen G und B übereinander.
Die Auftriebskraft und die Gewichtskraft bilden ein Gleichgewicht. Krängt das Boot, wandert der Auftriebsschwerpunkt zur Seite der Krängung, während der Gewichtsschwerpunkt stationär bleibt. Der horizontale Abstand zwischen G und Z ist der aufrichtende Hebel.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Sicherheitsfrage (SPAM-Schutz): *