Tecnica dei Trasporti: Trasporto Marittimo - Docente: Stefano Ricci Sapienza Università di Roma

1st SUMMER SCHOOL SIDT
     UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO, FISCIANO (SA)
          Mercoledì 5 – Mercoledì 12 Settembre 2018

Tecnica dei Trasporti:
Trasporto Marittimo
Docente: Stefano Ricci
Sapienza Università di Roma

 06 settembre 2018

Contenuti
•
    Vie d’acqua
     •
         Nozioni di oceanografia e caratteristiche fisico-chimiche
         dell’acqua
     •
         Moti delle masse marine e moto ondoso
•
    Natanti
     •
         Sostentazione e stabilità
     •
         Architettura: struttura, materiali e dimensioni
     •
         Locomozione: resistenze al moto, motori e propulsori
•
    Navigazione
     •
       Distanze di sicurezza, capacità di una rotta, controllo e
       gestioneDEGLI
    UNIVERSITÀ  del traffico
                      STUDI DI SALERNO, FISCIANO, 5 – 12 settembre 2018

Fondamenti di oceanografia:
  acque marine sulla Terra
Superficie terrestre
70.8% mare (circa 361 miliardi di km2)
- 80.9% nell’emisfero Sud
- 50.7% nell’emisfero Nord
29.2% terre emerse (circa 149 miliardi di km2)

Oceani
Vasti, profondi e non circondati da masse continentali

Mari
Marginali, connessi agli Oceani da ampi e profondi bracci di mare
(Mare del Nord, Mare del Giappone, Golfo di California, ecc.)
Mediterranei, circondati da continenti, connessi agli Oceani da
bracci di mare stretti e poco profondi
(Mar Mediterraneo, Mar Baltico, Golfo Persico, ecc.)
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Fondamenti di oceanografia:
   fondali marini
Profondità
< 200 m: d’interesse per la navigazione
> 200 m: d’interesse a fini oceanografici (indagini batimetriche via

Piattaforma continentale
Estensione variabile a seconda della geomorfologia
In Italia
- Adriatico: > 500 km
- Tirreno: pochi km

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Fondamenti di oceanografia:
   livelli marini
Variabili nello spazio e nel tempo
- Maree
- Correnti
- Onde
Variabilità di breve periodo attorno a livello medio
- Navigazione in acque basse
- Progetto e costruzione dei porti
- Gestione delle coste
Variabilità di lungo periodo
(ad esempio fra Atlantico e Pacifico)
- Differenze di salinità e densità
- Correnti e venti
Necessità di un livello di riferimento
- Carte nautiche riferite prudenzialmente a MLWS o LAT
- In Italia anche utilizzata la differenza MLW-MLWS

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Caratteristiche chimico-fisiche
   dell’acqua ed effetti sulla
   navigazione
Densità
Crescente con la salinità e decrescente con la temperatura
Valore medio relativo in mare (salinità 34‰): 1,026 kg/dm3

Pressione idrostatica
Densità crescente con la profondità
Circa +1 bar ogni -10 m

Moti delle acque profonde generati da maree e correnti
Maree: rilevanti per la navigazione in acque basse e la gestione dei porti
(altezze massime: 10÷12 m, periodo: 12÷24 h)
Correnti: modesti effetti sulla navigazione in mare con eccezioni locali

Moti superficiali generati dal vento
Moti ondosi di rilievo per la navigazione
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Moto ondoso: generazione e
morfologia
Onde generate dal vento
Generate per velocità del vento > 1 m/s
- Lunghezza iniziale: 5÷10 cm
- Altezza iniziale: 1÷2 cm
- Periodo di oscillazione < 30 s
Dimensioni e periodo crescenti con:
- Velocità del vento
- Estensione e profondità dell’area investita dal vento
Permanenti anche in assenza locale di vento (onde di mare morto: swells)

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Moto ondoso: effetti sui natanti
Possibili situazioni
a) L > λ
Carena che taglia le onde poggia su diverse di
esse, situazione simile a quella di superficie liscia
c) d) L ~ λ
Nave che passa da condizioni di trave appoggiata
agli estremi a condizioni di trave appoggiata al
centro (sollecitazioni di taglio e flessione) con
fatica strutturale e deformazioni elevate se la
frequenza delle sollecitazioni esterne uguaglia la
frequenza propria
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Natanti: sostentazione
Idrostatica
Spinta generata dallo spostamento della massa d’acqua
a seguito dell’immersione dello scafo, secondo il principio
di Archimede
-
   Differenza di peso specifico del materiale rispetto a
   quello dell'acqua (zattera)
-
   Forma cava del corpo, parzialmente occupato da aria,
   tale che il volume dell'acqua spostata dalla carena sia
   maggiore del volume complessivo del corpo (nave)

Idrodinamica
Spinta generata dalle azioni dinamiche risultanti dal
movimento relativo fra carena e acqua a seguito della
variazione della quantità di moto delle particelle d’acqua

Cuscino d’aria
Spinta generata dalla pressione dell’aria fra veicolo e
superficie dell’acqua in un volume ristretto al di sotto
della carena
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Natanti: galleggiamento e
immersione
G = baricentro
C = centro di spinta (baricentro del volume
immerso)

Immersione crescente fino a
raggiungere l’equilibrio fra peso P e
spinta idrostatica S
Se P < S e i < H (corpo galleggiante = natante)
Se P > S e i ≥ H (corpo completamente
immerso = sommergibile)

Il corpo affonda finché:
- La pressione idrostatica ristabilisce l’equilibrio
- Si raggiunge il fondo

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Natanti: stabilità trasversale
Inclinazione trasversale a seguito di un moto di
rollio
Per ogni piano di fluttuazione
- Volume immerso costante
- Cambio della forma del volume immerso
- Cambio della posizione del centro di spinta C
- Cambio della posizione del falso metacentro Mf

Equilibrio per tutti i piani di fluttuazione
- Stabile se Mf è al di sopra di G
- Instabile se Mf è al di sotto di G

Angolo limite di stabilità
Energia stabilizzante proporzionale all’area compresa fra
le curve di Mf e G

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Natanti: struttura
Scheletro
Trave longitudinale principale (chiglia) e travi curve trasversali
(costole)
Resistenza a forze esterne (acqua) e interne (carichi)

Fasciame
Resistenza alla sola pressione dell’acqua
Contributo alla rigidità globale dello scafo
Guscio rigido resistente e non sommergibile

Fattori che influenzano la forma dello scafo
Riduzione della superficie bagnata per limitare le resistenze al
moto
Riduzione delle interazioni carena-acqua sotto l’azione del moto
ondoso
Incremento del dislocamento per aumentare la capacità di carico

Forma tipica risultante
Solido a doppia DEGLI
     UNIVERSITÀ curvatura (cilindro)
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Natanti: materiali costruttivi
Legno
Piccole navi e imbarcazioni da diporto
Costruzione prevalentemente manuale molto costosa
Acciaio
Resistente alla corrosione in leghe con altri metalli
Resiliente per assorbire le deformazioni dovute all’impatto con le onde
Saldabile all’arco elettrico
Plastica
Imbarcazioni piccole e leggere e sovrastrutture
Calcestruzzo armato
Chiatte economiche ma poco resistenti agli urti
Leghe leggere
Sovrastrutture per ridurre il peso complessivo della nave

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Natanti: dimensioni e carichi
Stazza (Tonnage)
1 Tonnellata = 100 ft3 = 2.832 m3 (1 ft = 0,304 m)
Stazza Lorda (Gross Tonnage)
Volume di tutti i locali chiusi
Stazza Netta (Net Tonnage)
Volume disponibile per il carico pagante
Dislocamento
Volume d’acqua spostato dalla carena dipendente dalle condizioni di
carico
Dislocamento Leggero
Navi vuote
Dislocamento Lordo
Navi a pieno carico
Carico pagante lordo
Dislocamento Lordo – Dislocamento Leggero
Dislocamento / Stazza Lorda ≈ 1 ÷ 2 (passeggeri ÷ merci)
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Resistenze al moto: tipologie
Forze da vincere per il movimento di un veicolo dislocante
Attrito con acqua Ra + vortici Rv
Onde Ro
Altri fenomeni: aerodinamica, viscosità, interazione con i fondali, forme
anomale della carena e della scabrezza, ecc.

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Resistenze al moto: attrito con
   acqua e vortici
Espressione di Tideman
  Ra  v  fSv1,829

f = coefficiente crescente con la scabrezza del materiale e decrescente
con la lunghezza L della carena (mediamente pari a 0,145)
δ = densità relativa dell'acqua (=1 per acqua dolce e =1,026 per acqua di
mare)
V = velocità del natante [m/s]
S = superficie bagnata [m2]

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Resistenze al moto:
  generazione
Espressione di Taylor di onde

δ = densità relativa dell'acqua (=1 per acqua dolce e =1,026 per acqua di
mare)
Φ = coefficiente di finezza (o di snellezza) totale
D = dislocamento [t]
V = velocità del natanti [nodi]
L = lunghezza della carena [m]
Possibile riduzione grazie a un bulbo sempre sommerso a prua (bulbo di
Taylor) capace di migliorare la penetrazione idrodinamica dello scafo
attenuando gli effetti dissipativi delle onde divergenti di prua

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Motori marini: requisiti e
Requisiti di progetto per le navi commerciali
   tipologie
Massimo   rapporto affidabilità / costi operativi
1) Elevata affidabilità per prevenire le conseguenze delle avarie in mare
Ritardi e rischi potenziali
Immobilizzazione di grandi quantità di merci
Immobilizzazione della nave stessa (fattore di produzione chiave)
2) Bassi costi operativi per competere nel libero mercato internazionale
Requisiti di progetto per i motori
Esercizio semplice
Manutenzione semplice e a basso costo
Consumo ridotto di carburanti a basso costo

Tipologie
Generatori di potenza
- Alternativi (vapore, combustione interna)
- Turbine (vapore, gas)
Generatori di spinta
- Aeroreattori
- Idroreattori
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Motori marini: alternativi a
   vapore
Origini
1771: Invenzione di Watt
Inizio XIX secolo: installazione sulle navi

Caratteristiche
Caldaia a tubi di fumo (come le locomotive) alimentata da carbone o nafta
Fino a 4 cilindri in serie per massimizzare le espansioni del vapore
Raffreddamento per recuperare il vapore esausto e ritrasformarlo in acqua
Accoppiamento diretto all’asse del propulsore

Prestazioni
Elevata semplicità

Impiego attuale
Limitato a dove i combustibili solidi abbondano (Russia, Africa,
Sudamerica)
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Motori
Origini
         marini: alternativi Diesel
1912: installazione sulle navi

Caratteristiche
Ciclo a quattro o due tempi con avviamento ad aria compressa
Raffreddamento ad acqua
Possibile sovralimentazione con compressori elettrici o turbine a gas di
scarico
Combustibili economici come la nafta
Presa diretta su albero dell’elica (diesel lenti) o impiego di dispositivi di
riduzione
Retromarcia possibile con arresto e avviamento in senso inverso

Prestazioni
Affidabilità
Basso consumo
Manutenzione e sorveglianza limitate

Impiego attuale
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Motori marini: turbine
Caratteristiche
Necessità di riduttore fra albero motore e albero dell’elica
Necessità di apposita turbina per la retromarcia
Adattabili a essere collocate all’interno dello scafo: costituite da gruppi
separabili
Tipologia a gas di derivazione aeronautica senza caldaia adattata a uso
navale
Massima potenza disponibile entro qualche minuto dalla messa in moto

Prestazioni
Potenza elevata
Volume minore e meno vibrazioni dei Diesel
Possibile sovralimentazione (fino al 50%) senza rischi di avarie
Alte velocità di rotazione (migliaia di giri/minuto)
Costi di costruzione elevati: materiali più resistenti e costosi
Più voluminose e pesanti dei motori diesel

Impiego attuale
Grandi navi
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Propulsori: primi sistemi
  meccanici
Remi
Pagaie
Vele

Ruote a pale
Utilizzate nelle prime applicazioni dei motori a vapore
Cattivo funzionamento con onde e immersione variabile

Impiego attuale
Navigazione in acque calme (laghi, fiumi, canali)

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Propulsori:
Caratteristiche            elica marina
Pale corte e spesse
Bassa velocità di rotazione per limitare la velocità periferica
≥3 pale
Passo fisso o variabile
Costruzione in bronzo o ghisa (meno costosa)

Prestazioni
Diametro ridotto per limitare emersione e pressione sulle pale
Eliche multiple per produrre alta potenza
Eliche ausiliarie in tubi di prua per manovre trasversali
(rotazione fino a 360°)

Impiego attuale
Larga maggioranza delle imbarcazioni motorizzate

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Propulsori: elica aerea
Caratteristiche
Pale lunghe e sottili
Elevata velocità di rotazione
≤3 pale
Passo fisso
Costruzione in acciaio o leghe leggere

Impiego attuale
Idroscivolanti (airboats), aliscafi (hydrofoils) e veicoli a
cuscino d’aria (hovercraft)

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Architetture di sistemi di
trazione: motori + propulsori

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Origini
  Propulsione elettrica
Inizio XX secolo: applicazioni su navi militari (ridotti rumore e
vibrazioni)

Caratteristiche
Motori elettrici alimentati da generatori Diesel
Corrente continua o motori asincroni (dagli anni ‘80)

Prestazioni
Semplicità di manovra
Rendimento elevato del motore elettrico
Gestione degli spazi interni facilitata: struttura compatta senza
ingranaggi e cavi
Capacità di produrre la coppia nominale a tutte le velocità
Ridotta emissione di rumore e vibrazioni
Ridotto fabbisogno di manutenzione: minor numero organi in
rotazione
Affidabilità per ridondanza grazie alla versatilità dei gruppi
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Utilizzo degli spazi su una
nave da crociera con
propulsione elettrica

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Navigazione in rotta: principi di
  sicurezza e distanza d’arresto
Principi di sicurezza
Navi succedentesi lungo una rotta all’interno di una marevia dedicata
Distanza nave-nave compatibile con le manovre di arresto
Arresto improvviso potenzialmente dovuto a cause volontarie o accidentali
(perdita di controllo, avaria ai motori, ecc.)
Fattori rilevanti per la distanza d’arresto
Velocità
Stazza lorda
Lunghezza e forma dello scafo
Manovrabilità
Formula approssimata del PIANC
                         Da = 4 L (v / 2.5) 0.75 + L
Da = Distanza d’arresto [m], L = lunghezza [m], v = velocità [m/s]

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Navigazione in rotta: dalla
  distanza d’arresto alla capacità
  della rotta
Ulteriori fattori rilevanti per la distanza di separazione Ds
Eventi meteo-marini (onde, vento, correnti concordi con la rotta): up to +
50%
Errori nella misura della velocità: up to +40%
Correzione addizionale di sicurezza: +20%
Minima distanza di sicurezza
                                 Ds = 2.52 Da
Calibrazione su dati reali di canali regolati da schemi di separazione del
traffico (Canale di Suez, Stretto di Messina, ecc.)
Capacità
Massimo numero unità in navigazione sicura senza congestione in tempo
definito
                       Φ (v) = v / (Ds + τ v + L)   [navi/h]
τ = intervallo fra la decelerazione delle navi in rotta (percezione
rallentamento)
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Controllo e gestione del
 traffico: Vessel Traffic System
 (VTS)
Trasmissione d’informazioni utili alla navigazione
Situazione del traffico marittimo e fattori di potenziale influenza
(condizioni meteo, Situazione maree, possibile congestione)
Organizzazione del traffico
Schemi di separazione e rotte comuni per prevenire incidenti
Aree VTS differenziate in zone e rotte (navi obbligate a utilizzarle)
Accordo su tempi di arrivo e partenza
Fra comando nave e autorità (basati su informazioni sulla situazione
traffico)
Assistenza alla navigazione
Info su velocità e direzione nave, identità e posizione navi vicine
(prevenzione di potenziali collisioni)
Comunicazioni
Radar a breve, medio e lungo raggio supportato da triangolazioni terra-
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Controllo e gestione del
  traffico: Automatic
  Identification System (AIS)
Continuous identification and communication with ships
Passive GPS transponders providing basic information
(Similar to those mounted on planes)
Colloquium between VTS stations and ships within 15 nm covered by VHF
radio
(direct or by bridging on surrounding vessels)
                                             https://www.marinetraffic.com/en/ais/home

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Riferimenti bibliografici
•
    Berarducci L., Borzani G., Esu F., Franco L.,
    Noli A., Petrossi U., Piciocchi A., Serra M.,
    Toniolo A. – Calate portuali e terminali
    marittimi. Criteri generali di pianificazione e
    costruzione – ESA, Roma, 1984
•
    Cantarella G.E. (a cura di) - Sistema di
    trasporto: Tecnica ed Economia - UTET
    Edizioni Tecniche, Torino, 2007
•
    International Maritime Organisation –
    International Regulations for Preventing
    Collisions at Sea – London, 1981
    UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO, FISCIANO, 5 – 12 settembre 2018