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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: s.carbonari@univpm.it ; c.lorenzoni@univpm.it ; a.mancinelli@univpm.it

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.

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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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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

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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: