Università degli Studi di GenovaFacoltà di Ingegneria

Nave Portacontainer Marittimo - Fluviale destinata alla navigazione nel golfo di

Venezia e nel Canal Bianco

Prof. Ing. Donatella Mascia

Lo studio riguarda la progettazione di massima di una barge autopropulsa portacontainer adibita alla navigazione marittimo-fluviale nel golfo di Venezia ed attraverso la rete idroviaria interna padano-veneta.

La continua crescita di volume di beni trasportati su strada risulta attualmente incompatibile con le infrastrutture esistenti e con le linee di sviluppo dell’Unione Europea.

Trasporto Merci in Europa

Un’alternativa al trasporto su ruota che in Italia sta raggiungendo consistenze proibitive rispetto alle infrastrutture esistenti è rappresentata dalla navigazione fluviale, fin’ora poco sfruttata ed ottimizzata.

Trasporto Merci in Italia

Rete Idroviaria:Rete Idroviaria:Aspetti commercialiAspetti commerciali

Rapporto di merci trasportate per idrovie (2005)

Olanda 28.7 %Germania 14 %

Belgio 13.8 %Francia 3.5 %Italia 0.1 %

Confronto tra traffici della rete idroviaria padana con quelli del fiume Rodano: - Rete Idroviaria Padana: 0.35 Mt (13000 tir) nel 2001- Rodano: 3.8 Mt (142000 tir) nel 2001, 4.8 Mt (180000 tir) nel 2004

I trasporti fra Piemonte, Lombardia, Emilia Romagna e Veneto corrispondono al 60% delle merci circolanti in Italia (711 Mt).

Rete Idroviaria:Rete Idroviaria:Aspetti commercialiAspetti commerciali

Le idrovie potrebbero essere integrate nel sistema di trasporto combinato apportando grandi vantaggi. I più importanti benefici vengono analizzati in termini di:- Costo- Inquinamento- Sicurezza

Rete Idroviaria:Rete Idroviaria:Vantaggi di una rete idroviaria funzionanteVantaggi di una rete idroviaria funzionante

Da questi dati è evidente il beneficio che il dirottamento dei trasporti da strada a navigazione interna - costiera porta in termini sicurezza e di inquinamento ambientale, con relativo miglioramento dell’aspetto economico eliminando i costi diretti ed indiretti che questi aspetti comportano.

Rete Idroviaria:Rete Idroviaria:Stato dei trasporti interni in Europa ed in ItaliaStato dei trasporti interni in Europa ed in Italia

Nell’ambito della programmazione inerente le reti transeuropee di trasporto, l’UE ha riconosciuto l’importanza delle reti di trasporto legate alle vie d’acqua interne e ha espresso l’intenzione di includere fiumi e canali nel sistema di trasporto intermodale europeo. Sono stati approvati programmi, tra questi:

- Programma Marco Polo II

- Programma TEN – T

- Progetto NAIADES

- Studio PINE

Rete Idroviaria:Rete Idroviaria:Limiti dimensionaliLimiti dimensionali

La rete idroviaria padano - veneta si snoda per 990 km attraverso canali che verranno “a breve” adattati alla classe V CEMT.

Questa classificazione regola sia le misure dell’imbarcazione che il tirante d’aria dei ponti e il pescaggio massimo consentito nella navigazione interna.

Pescaggio massimo: 2.8 mTirante d’aria massimo: 5.3 mLarghezza massima: 11.5 mLunghezza massima: 110 m

Propulsione e Compartimentazione:Propulsione e Compartimentazione:Geometrie di carenaGeometrie di carena

La geometria della carena e l’impianto di propulsione sono stati ripresi da un precedente studio per questo tipo di unità.

Lo scafo presenta forme molto piene, dotata di bulbo prodiero per ottimizzare la resistenza al moto, con sezioni trasversali ad “U”. La poppa piatta risulta particolarmente adatta per l’installazione di propulsori azimutali.

LPP 108 mB 11.5 mD 4.4 m

Propulsione e Compartimentazione:Propulsione e Compartimentazione:Impianto di propulsione e governoImpianto di propulsione e governo

La carena presenta un incremento della resistenza al moto molto rapido all’aumentare della velocità al di sopra dei 10 - 11 nodi. Ciò si traduce nella impossibilità di superare tali velocità in navigazione se non con potenze sproporzionate e anti-economiche.

Il sistema di propulsione deve essere adatto alla navigazione nel canale: l’effetto di prossimità del fondo riduce il rendimento dell’elica, inoltre la ridotta immersione in relazione all’area di deriva e la limitata velocità, limitano la possibilità di installare timoni con buona efficacia.

Il sistema di propulsione tipo SCHOTTEL NAVIGATOR con elica azimutale, ruotabile attorno ad un asse verticale di 360° e regolabile in altezza, rappresenta un’intelligente soluzione tecnica.

Propulsione e Compartimentazione:Propulsione e Compartimentazione:Impianto di propulsione e governoImpianto di propulsione e governo

A prora, nel locale immediatamente dietro alla paratia di collisione, viene installato un propulsore di manovra prodiero SCHOTTEL PUMPJET

Propulsione e Compartimentazione:Propulsione e Compartimentazione:Compartimentazione e capacitàCompartimentazione e capacità

Nota la geometria della carena, l’intervallo di ossatura, le dimensioni del carico modulare e la posizione della paratia di collisione, si suddivide lo scafo in tre zone principali: zona di poppa lunga 15m (intervallo di ossatura 300mm) adibita ad ospitare le casse dei consumabili, gli elettrogeneratori e gli impianti ausiliari

zona del carico estesa per 85m (intervallo di ossatura 500mm), in grado di contenere 98 TEU, suddiviso in 7 stive (6 da 13 m, 1 da 7 m) zona di prua lunga 5.4m (intervallo di ossatura 300mm), suddivisa in un locale adibito al pumpjet e alle casse nafta prodiere, e in una cassa di zavorra a proravia della paratia di collisione

Dimensionamento Sezione Maestra:Dimensionamento Sezione Maestra:ProceduraProcedura

La rimozione delle coperture delle boccaporte consente di realizzare una riduzione di peso delle strutture e di altezza del carico.

Per soddisfare i limiti forniti da Leonardo Hull viene impiegato acciaio ed elevata resistenza per i fasciami più elevati:

Dimensionamento Sezione Maestra:Dimensionamento Sezione Maestra:Soluzioni considerateSoluzioni considerate

La sezione maestra è stata profondamente modificata rispetto alla nave modello: nell’ottica di ottimizzare il volume adibito al carico pagante e alla riduzione del peso, si è adottata una soluzione soft-top.

- Acciaio E.R.:- Acciaio comune:

Pesata e Carichi Globali sul Trave Nave:Pesata e Carichi Globali sul Trave Nave:Valutazione peso nave scarica e asciuttaValutazione peso nave scarica e asciutta

Peso Acciaio

Lunghezza [m] Peso [t]

C. Cilindrico 85 598

Poppa 15 130

Prora 8.2 42

Tot. 770

Il peso della nave scarica e asciutta viene ricavato dalla somma del peso acciaio, scafo e sovrastrutture, e del peso dovuto agli allestimenti.Dal dimensionamento della sezione maestra, è stato ricavato il peso della zona del carico. I pesi strutturale della poppa e della prora sono stati presi pari a quelli nave modello.

SovrastruttureLunghezza Larghezza Altezza Volume Peso

[m] [m] [m] [m3] [t]

Ponte di Comando

4 8 2.2 70.4 11.7

Alloggi Equipaggio

5 10 2.2 110 14.2

Pesata e Carichi Globali sul Trave Nave:Pesata e Carichi Globali sul Trave Nave:Valutazione peso nave scarica e asciuttaValutazione peso nave scarica e asciutta

Il peso della nave scarica e asciutta viene ricavato dalla somma del peso acciaio, scafo e sovrastrutture, e del peso dovuto agli allestimenti.Il peso delle sovrastrutture è stato valuto col metodo approssimativo fornito dal Lloyd’s Register, in funzione del loro volume.

Impianti e Allestimenti

Componente Peso unitario [t] Peso totale [t]

Schottel NAV 200 (350kW) 8 16

Schottel Pumpjet 3 3

Diesel Generatore (125kW) 2.2 4.4

Ausiliari 8 8

Allestimenti Prora 20 20

Tot. 51.4

Pesata e Carichi Globali sul Trave Nave:Pesata e Carichi Globali sul Trave Nave:Valutazione peso nave scarica e asciuttaValutazione peso nave scarica e asciutta

Il peso della nave scarica e asciutta viene ricavato dalla somma del peso acciaio, scafo e sovrastrutture, e del peso dovuto agli allestimenti.Il peso dei motori primi, degli elettrogeni e del pumpjet sono forniti dal costruttore. Il peso degli impianti secondari e degli allestimenti prodieri è assunto pari a quello della nave modello.

Pesata e Carichi Globali sul Trave Nave:Pesata e Carichi Globali sul Trave Nave:Valutazione sollecitazioni globaliValutazione sollecitazioni globali

Viene realizzato il modello geometrico dello scafo. Successivamente si definiscono le posizioni delle casse di zavorra e dei consumabili

Per poter studiare assetti e sollecitazioni sulla trave nave in differenti condizioni di carico, sono modellati anche i container all’interno delle stive secondo il piano di capacità, assumendo un peso unitario pari a 20 t/TEU.

Assetti e DislocamentiAssetti e Dislocamenti

Condizione di Carico

TAD TAM TAV δT/LPP LCG VCG Δ[m] [m] [m] % [m] [m] [t]

Scarica Asciutta

0.94 0.73 0.51 0.40 50.68 2.15 735

Zavorra Partenza

1.92 1.79 1.67 0.23 53.65 1.78 1967

Zavorra Arrivo 1.87 1.74 1.60 0.25 53.56 1.73 1900

Pieno Carico Partenza

2.50 2.46 2.42 0.07 54 2.9 2767

Pieno Carico Arrivo

2.43 2.38 2.32 0.10 53.96 2.8 2662

Sollecitazioni con carico d’onda longitudinaleSollecitazioni con carico d’onda longitudinale

AutoHydro consente di determinare le sollecitazioni globali sul trave nave anche considerando il pelo libero disturbato dall’onda.

Per questo studio si è deciso di considerare un onda sinusoidale di altezza pari a 3 metri, proveniente da prora, con lunghezza che viene fatta variare fra 0.25 LPP e LPP con step 25%. Per completezza vengono considerate 2 fasi: cresta in mezzeria e cavo in mezzeria.

L o n g i tu d i n a l S tr en g th

< ---A ft (M e te r s ) F w d --->

0 .0 a 50 .0 f 100 .0 f

-100.0

-50.0

0.0

50 .0

100 .0

W eight x 1 .0

B uoy. x 1 .0

S hear x 4.5

B .M. x 200 .0

L o n g i t u d i n a l S t r e n g th

< ---A ft (M e te r s ) F w d --->

0 .0a 5 0 .0 f 10 0 .0 f

-1 0 0 .0

-5 0 .0

0 .0

5 0 .0

1 0 0 .0

W e i g h t x 1 .0

B u o y. x 1 .0

S h e a r x 4 .5

B .M. x 14 0 .0

Le condizioni peggiori fra i casi esaminati, si presentano per onda di lunghezza pari a quella della nave e cavo in mezzeria per nave a pieno carico arrivo (insellata). Mentre onda di lunghezza pari a 0.75 LPP e cresta in mezzeria per nave in zavorra partenza (inarcata).

Pesata e Carichi Globali sul Trave Nave:Pesata e Carichi Globali sul Trave Nave:Sollecitazioni con carico d’onda al traversoSollecitazioni con carico d’onda al traverso

In modo analogo a quanto visto per l’onda longitudinale, si considera l’onda al traverso (90° da dritta) di altezza 3 metri e lunghezza che varia fra 0.25 LPP e LPP con step 25%. La fase è tale che si presenti la cresta sulla murata di dritta.Con AutoHydro viene valutato il momento torcente indotto dall’onda assimetrica per le quattro condizioni di carico principali: pieno carico, partenza e arrivo, e zavorra, partenza e arrivo.

La condizione più gravosa si verifica per l’onde più corta in configurazione di pieno carico all’arrivo.

Verifiche di Stabilità:Verifiche di Stabilità:Nave allo Stato Integro e DanneggiatoNave allo Stato Integro e Danneggiato

Definito il modello CAD dello scafo e la relativa compartimentazione, vengono ricavati i valori idrostatici ed effettuate le verifiche dei requisiti di stabilità mediante AutoHydro per le seguenti condizioni di carico:

Nave integra nella condizione di pieno carico alla partenza Nave integra nella condizione di pieno carico all’ arrivo Nave integra in zavorra alla partenza Nave integra in zavorra all’arrivo

Nave con falla nella condizione di pieno carico alla partenza Nave con falla in zavorra alla partenza

Analisi ad Elementi Finiti:Analisi ad Elementi Finiti:Definizione del modello geometricoDefinizione del modello geometrico

Definizione del modello geometrico relativo alle tre stive centrali

Completata la procedura di meshing e verificati i nodi di contatto, è possibile procedere all’inserimento delle proprietà fisiche degli elementi. Tipologia, materiale, spessori delle lamiere, sezioni delle travi e orientamento sono definiti in questa fase.

La mesh è generata usando prevalentemente elementi quadrilateri quattro nodi, come suggerito dai regolamenti. Viene assunto l’intervallo fra i longitudinali come dimensione di riferimento per definire la mesh.

Analisi ad Elementi Finiti:Analisi ad Elementi Finiti:Definizione della meshDefinizione della mesh

Le mesh dei correnti comuni vengono realizzate direttamente dalle linee rappresentati le loro tracce sui fasciami

Analisi ad Elementi Finiti:Analisi ad Elementi Finiti:Definizione della meshDefinizione della mesh

Per ottenere risultati migliori e meno soggetti all’influenza delle condizioni al contorno, si preferisce specchiare la mesh del semimodello, così da poter elaborare direttamente il modello completo.

Analisi ad Elementi Finiti:Analisi ad Elementi Finiti:Loads and Loads and BoundaryBoundary Conditions Conditions

Si vuole simulare lo stato di tensione indotto dalle condizioni più severe nella stiva centrale ottenute precedentemente, trascurando gli effetti di bordo sulle stive di estremità.

Condizione φ λ Massimo Momento Flettente

Deformata

Pieno Carico all’arrivo

180° LPP 11830 t·m @ 54.2 m Insellata

Zavorra alla partenza

0° 75% LPP 10659 t·m @ 51.2 m Inarcata

(φ = 0° cresta in mezzeria; φ = 180° cavo in mezzeria)

Analisi ad Elementi Finiti:Analisi ad Elementi Finiti:RisultatiRisultati

(nave pieno carico)(nave pieno carico)

Tensione equivalente (VonMises) [Pa]

Analisi ad Elementi Finiti:Analisi ad Elementi Finiti:RisultatiRisultati

(nave pieno carico)(nave pieno carico)

Tensione equivalente (VonMises) nel tratto centrale della seconda stiva [Pa]

Analisi ad Elementi Finiti:Analisi ad Elementi Finiti:RisultatiRisultati

(nave pieno carico)(nave pieno carico)

Tensione equivalente (VonMises) nel tratto centrale della seconda stiva sui rinforzi primari [Pa]

Le tensioni indotte dalla torsione considerata restano però trascurabili rispetto agli sforzi dovuti alle sollecitazioni derivate dal momento flettente longitudinale.

Analisi ad Elementi Finiti:Analisi ad Elementi Finiti:Effetti torsionaliEffetti torsionali

Deformata

Analisi ad Elementi Finiti:Analisi ad Elementi Finiti:Risultati effetti torsionaliRisultati effetti torsionali

Tensione equivalente (Von Mises)

Vengono quindi analizzate in dettaglio:

la tensione equivalente sulla paratia poppiera della seconda stiva

Immersione a Pieno Carico alla Partenza: 2.5 mTirante d’aria massimo: 5.0 mLarghezza: 11.5 mLunghezza: 108 mCapacità di Carico: 98 TEU

L’unità così dimensionata rispetta a pieno i limiti operativi legati alla navigazione interna nelle idrovie padano-venete, in accordo con la V classe CEMT. La potenza installa a bordo è in grado di far raggiungere all’unità una velocità di crociera in navigazione marittima pari a circa 11 nodi.

La compartimentazione adottata la rende capace di trasportare fino a 98 TEU e verificare positivamente i limiti di stabilità in navigazione marittima, sia a nave integra che danneggiata.