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Studi di aggiornamento sull’Ingegneria OffShore e Marina
AIOM 2015 Genova, 16-17 Ottobre 2015
TECNICHE E TECNOLOGIE NELLE COSTRUZIONI MARITTIME E OFFSHORE
ANALISI E MODELLAZIONE DELLE BRICCOLE
DI ACCOSTO FLESSIBILI DEI SISTEMI
DI ATTRACCO OFF-SHORE
G. Antolloni, S. Carbonari, C. Lorenzoni, A. Mancinelli
Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Architettura
Università Politecnica delle Marche, Ancona
e-mail: [email protected] ; [email protected] ; [email protected]
G. Antolloni, S. Carbonari, C. Lorenzoni, A. Mancinelli
ANALISI E MODELLAZIONE DELLE BRICCOLE DI ACCOSTO FLESSIBILI DEI SISTEMI DI ATTRACCO OFF-SHORE
o Introduzione
o Obiettivo
o Metodo proposto
o Applicazione e validazione
o Conclusioni
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Conclusioni
I terminali di ricezione off-shore
Petroliere e superpetroliere Gasiere e metaniere
Isole e pontili
Progettazione dei sistemi di attracco off-shore per navi-cisterna
Ricezione di naviglio di grandi dimensioni su fondali alti
Trasferimento delle materie prime ai siti di raffinazione
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Applicazione e validazione
Chimichiere
Introduzione
I sistemi di attracco off-shore
Tipologia jetty con funzione di attracco separata da quella di carico/scarico
Pontile di collegamento
Piattaforma di carico
Briccola di accosto
Briccola di ormeggio
Vantaggi:
Versatilità e leggerezza
Sicurezza ed efficacia
Procedura di attracco ottimizzata
Possibilità di separazione delle funzioni
Sistema di attracco Sistema di carico/scaricoe collegamento
Azioni indotte dalla nave Azioni indotte dal
moto ondoso
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Obiettivo Metodo proposto ConclusioniApplicazione e validazione
Energia di esercizio
Introduzione
L’azione di progetto
Approccio cinematico
Azione di progetto: Energia cinetica della nave al primo impattoMetodo
cinematico
csmessN CCCCvmE 2
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• Ce= fattore di eccentricità (geometria dell’impatto)
• Cm= fattore di massa idrodinamica (massa aggiunta)
• Cs= fattore di flessibilità
• Cc= fattore di configurazione dell’accosto
Tipologia attracco e fenomeni dissipativi
Energia eccezionale
• Fs= fattore di sicurezza per l’impatto anomalo
Errore umano nella fase di accosto
Variabilità delle condizioni meteo-marine
Fasi della manovra di accosto
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Obiettivo Metodo proposto ConclusioniApplicazione e validazione
rimorchiatore
NSA EFE
Introduzione
Le briccole di accosto
(Breasting dolphins)
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Obiettivo Metodo proposto ConclusioniApplicazione e validazione
Curve forza-spostamento
Dispositivo di difesa (fender) comunemente elastomerico
RigideGruppo di pali
RESISTENZA
FlessibiliPalo singolo
DEFORMABILITÀ
Pali e gruppi di pali in acciaio o c.a.
del FENDER del PALO
Introduzione
Le briccole sono sempre dotate di dispositivi di difesa (fender), per lo più elastomerici, in
grado di assorbire l’energia per cui sono progettati, senza danneggiarsi.
Funzioni:
Protezione dello scafo e dell’opera
Contributo alla capacità di assorbimento
dell’energia d’urto
Le briccole di accosto
(Breasting dolphins)
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Obiettivo Metodo proposto ConclusioniApplicazione e validazione
Introduzione
Progetto delle briccole di accosto
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Obiettivo Metodo proposto ConclusioniApplicazione e validazione
F
Azione di progetto è l’energia cinetica dalla nave
Il funzionamento globale dipende da
Briccola flessibile L’energia è assorbita per deformazione elastica della struttura che deveanche fronteggiare F.
Briccola rigida Il fender assorbe l’energia e la struttura deve solo fronteggiare F.
FKPKF
fender palo
Come si procede?
Progetto del palo flessibile e fender fuori calcolo L’opera potrebbe non risultare flessibile nella realtà
Scelta a priori dell’energia assorbita dal fender Inesattezza: non è possibile stabilire il funzionamentodi un elemento senza conoscere la rigidezza dell’altro
Le condizioni al contorno influenzano notevolmente il rapporto,indirizzando così la progettazione verso l’una o l’altra soluzione.
BS6349 esprime la necessità di tenere in conto l’interazione palo-fender, ma non fornisce una strategia.
G. Antolloni, S. Carbonari, C. Lorenzoni, A. Mancinelli
ANALISI E MODELLAZIONE DELLE BRICCOLE DI ACCOSTO FLESSIBILI DEI SISTEMI DI ATTRACCO OFF-SHORE
o Introduzione
o Obiettivo
o Metodo proposto
o Applicazione e validazione
o Conclusioni
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
Determinare una strategia di progetto che permetta di realizzare
briccole di accosto flessibili considerando l’interazione tra fender e
struttura.
• Il fender svolge un ruolo essenziale per l’urto eccezionale,
garantendo comunque un funzionamento flessibile dell’opera;
• L’opera presenta un funzionamento flessibile anche per l’urto
di esercizio;
• Si include il contributo di deformabilità dovuto all’interazione
col terreno.
La strategia vuole ottimizzare il funzionamento accoppiato palo-fender:
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G. Antolloni, S. Carbonari, C. Lorenzoni, A. Mancinelli
ANALISI E MODELLAZIONE DELLE BRICCOLE DI ACCOSTO FLESSIBILI DEI SISTEMI DI ATTRACCO OFF-SHORE
o Introduzione
o Obiettivo
o Metodo proposto
o Applicazione e validazione
o Conclusioni
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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EP EF
F
Rispondenza del dispositivo di difesa alla forza F
EP
EF
V M
= α·E
Verifiche di resistenza del palo
= (1-α)·E
Ripartizione dell’energia tra palo e fender
Controllo in fase di progetto il funzionamento dell’operae possibilità di modifica del progetto agendo su β e/o K.
Scelta della performance del fender
PIANC 2002Progetto plastico: γ =1, se xpalo=2·xel
Progetto elastico: γ =1.25
Strategia di progetto
Ipotesi: comportamento lineare palo-terreno
F
x
F₁
F
x₁
fenderpalo
β= classe di performance del fender
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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β = E/R traduce il contributo del fender.In questo caso è riferito alla condizione nominale.
Mescola gomma
Dim
en
sio
ne
fen
der
Reacti
on
R
(%
)
Deflection D(%)
En
erg
y E
(%
)
Controlli• Dispositivo di difesa
• Palo
NTC 2008 § 4.2
Verifiche di resistenza dellesezioni in acciaio
VEd ≤ VRd
MRd ≤ MRd
γ = 1
con duttilità del palo da verificare
β
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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Rigidezza del sistema
Aumento della capacità di deformazione
Inerzia variabile linearmente
RIGIDEZZA TRASLAZIONALE DEL SISTEMA
PROBLEMA STATICO
s
F
K
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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Schema riepilogativo
Per una energia di progetto E (di esercizio o eccezionale)
Definizione della
sezione di base J0
Scelta del fender
β
Rigidezza traslazionale
del sistema K
Scelte
Forza trasmessa dal fender FSollecitazioni sul palo V,M Risultati
Dati di progettoCaratteristiche meccaniche del
terreno
Controlli F ≤ Rmax
V ≤ VRd
M ≤ MRd
Valutazione delfunzionamento
Aliquote di energia Ep, Ef
Ep Ef
Dimensionamento della briccola flessibile
G. Antolloni, S. Carbonari, C. Lorenzoni, A. Mancinelli
ANALISI E MODELLAZIONE DELLE BRICCOLE DI ACCOSTO FLESSIBILI DEI SISTEMI DI ATTRACCO OFF-SHORE
o Introduzione
o Obiettivo
o Metodo proposto
o Applicazione e validazione
o Conclusioni
• Attracco parallelo alla corrente
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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Caso-studio
Raffineria di Falconara M.ma
• Fondali relativamente bassi (circa 10 m)
Intervento di adeguamento dell’attracco
Attracco tipo poppiero
Sistema di attracco di fiancata ad un terminale tipo jetty
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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Metodo proposto
Aspetti considerati:
• Non linearità del terreno
• Non linearità del palo
• Fenomeni di instabilità (globali e locali)
• Comportamento non lineare del fender
Analisi non lineare
Dimensionamento della briccola di accosto flessibile
Validazione del metodo ed ulteriori approfondimenti delle problematiche
• Progetto del sistema flessibile in campo elastico per la condizione eccezionale,
spostando così l’eventuale danneggiamento dal palo al fender
• Controllo del funzionamento flessibile anche per la condizione di esercizio
• Ottimizzazione dello sfruttamento del fender che offre un contributo
significativo per l’urto eccezionale, ma lavora al minimo per l’urto di esercizio
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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Modellazione
• Legame costitutivo del terreno
Rpl
Soil r
eaction R
[kN
]
Deflection y [m]
kh
Menàrd
Brinch-Hansen
Teoria di Winkler
Molle non lineari
Plasticizzazione
del terreno
• Instabilità locale
Controllo sulla deformazione
della sezione ε ≤ εcrit
Modellazione a plasticità diffusa del palo
• Tipologia di modellazione
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
F (
kN
)
Δx (m)
Curve forza-schiacciamento fender
Curva catalogo fender
Curva codice Matlab
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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Modellazione
• Comportamento non lineare del fender
Instabilità a scatto (Snap-through)
instabilità non euclidea tipica degli archi ribassati
Un’ottimizzazione non lineare ai minimi scarti quadratici fornisce la geometria e le caratteristiche dei
costituenti lo schema.
Arco ribassato
Fender
F
s
Buona rispondenza tra modellazione e
comportamento reale.
Possibilità di tarare la curva per approssimare
al meglio il ramo di interesse.
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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Risultati
METODO PROPOSTO
Costituzione della briccola di accosto flessibile
• Hfondale =11m a circa 1600 m dalla costa
• Stratigrafia e caratteristiche del terreno
• Dimensioni palo
Linfissione=32 mLfuori terra=14.5 m
Tubolare cavo con spezzoni saldati in opera
Acciaio API 5L-X80 fy=550 MPa
D=1.1 mt= variabile linearmente da 0.018 a 0.045m
• Fender
SCN 1050 E3.04H=1.05 m W=1.68 m
• Energia di progetto EA=1251 kNm EN= 834 kNm
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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Risultati
Etot=1251
d ship=1.561
Ep=571.85
Ef=678.07
Etot=834
d ship=1.192
Ep=640.87
Ef=193.03
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
En
erg
ia,
E
(kN
m)
Spostamento assoluto, dship (m)
Energia- Spostamento del sistema
Etot-dship
Ep-dship
Ef-dship
Condizione eccezionale
Condizione di esercizio
• Cond. eccezionale
• Cond. di esercizio
Ep=46%·EA
Ep=77%·EN
Ef=54%·EA
Ef=23%·EN
dship
Ep ≈ Ef
Etot=1251
d ship=1.561
xpile=0.848
Δxfender=0.71
Etot=834
d ship=1.192
xpile=0.90
Δxfender=0.29
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
0 500 1000 1500 2000 2500
Sp
osta
men
ti
(m
)
Energia del sistema, Etot (kNm)
Spostamenti- Energia del sistema
dship-Etot
xpalo-Etot
Dx fender-Etot
Condizione eccezionale
Condizione di esercizio
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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Risultati
• Cond. eccezionale
• Cond. di esercizio
Xpile=0.90m Δxfender=0.71m
Δxfender-Etot
xpile-Etot
Xpile=0.85m Δxfender=0.29m
Δxfender
dship
xpile
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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Risultati
• Plasticizzazione del terreno: coinvolgimento di circa 4 m di terreno al di sotto del p.c.
• Validità del progetto plastico: verifica positiva della valutazione della duttilità del palo
• Funzionamento della briccola flessibile a seguito di un primo attracco
Irrigidimento della struttura: il palo lavora leggermente meno, il fender di più
ANALISI E MODELLAZIONE DELLE BRICCOLE DI ACCOSTO FLESSIBILI DEI SISTEMI DI ATTRACCO OFF-SHORE
o Introduzione
o Obiettivo
o Metodo proposto
o Applicazione e validazione
o Conclusioni
Introduzione Obiettivo Metodo proposto Applicazione e validazione Conclusioni
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Conclusioni
Le indicazioni attualmente a disposizione consentono la progettazione di casi limite di briccola
rigida e flessibile, rispettivamente associabili a condizioni contorno precise quali fondali bassi
e molto alti. In realtà però per situazioni intermedie è importante tenere in conto
l’interazione palo- fender al fine di ottimizzare il progetto.
È stato sviluppato un metodo di progetto generale che permette di considerare
l’interazione palo-fender ed includere l’interazione tra palo e terreno nella valutazione della
deformabilità del sistema globale.
Realizzare una briccola flessibile anche su fondali per la cui profondità si avrebbe
difficoltà a regolare rigidezza e resistenza del palo
Ottimizzare lo sfruttamento del fender: in condizioni eccezionali il fender contribuisce
largamente all’assorbimento di energia, mentre in condizioni di esercizio lavora al minimo
Garantire un funzionamento dell’opera flessibile, qualsiasi sia l’azione di progetto: il palo
lavora sempre alla stessa misura
Il metodo sviluppato permette di: