Analisi del comportamento strutturale di una gru a portale zoppo reticolare installata su nave auto-sollevante: valutazioni della sicurezza e proposte migliorative

La presente memoria riassume gli studi condotti sulla caratterizzazione del comportamento strutturale, sia statico che dinamico, delle gru a portale zoppo, componenti integranti dello scafo di una nave auto-sollevante. L'analisi considera sia la configurazione di progetto originale, sia le modifiche apportate durante la fase di collaudo, a seguito di problematiche riscontrate. Particolare attenzione è stata rivolta all'identificazione del sistema strutturale esistente e alla valutazione preliminare delle sue carenze. Successivamente, è stata effettuata una valutazione della sicurezza del sistema rispetto ai principali stati limite ultimi e di esercizio, tenendo conto anche dell'interazione tra le gru, lo scafo e le gambe della nave. L'analisi qualitativa e quantitativa delle carenze ha permesso di formulare proposte di miglioramento incrementali, attuabili attraverso interventi locali e globali.

I sistemi Jack-Up sono navi auto-sollevanti utilizzate, per la loro versatilità, in molteplici applicazioni dell’industria offshore, come l’esplorazione di pozzi petroliferi o la costruzione di parchi eolici e altri manufatti in mare aperto. In quest’ultimo caso, i sistemi jack-up sono spesso dotati di gru a portale zoppo, denominate capre, installate sullo scafo, necessarie per l’esecuzione di una vasta gamma di operazioni critiche. L’elevata capacità di sollevamento richiesta e la loro interazione con lo scafo e le gambe delle navi auto-sollevanti richiedono un’analisi globale per la progettazione di questi dispositivi. Nonostante l'importanza critica delle gru nei sistemi Jack-Up, esistono ancora lacune nella comprensione completa del loro comportamento in condizioni operative reali (Zhao et al. 2012). La letteratura scientifica disponibile fornisce informazioni preziose sulla progettazione, l'analisi strutturale e la manutenzione delle gru offshore.

Tuttavia, la maggior parte degli studi si concentra su gru fisse o su piattaforme galleggianti, mentre le ricerche specifiche riguardanti le gru nei sistemi jack-up sono piuttosto limitate.

È in questo contesto che si inquadra la presente memoria, il cui obiettivo è la valutazione di massima del comportamento strutturale, in regime statico e dinamico, del sistema di sollevamento del Jack-Up da utilizzare per la manutenzione delle paratie del MOSE, a protezione della città di Venezia dal fenomeno dell'acqua alta.

Metodologia di studio e norme di riferimento

Per valutazione di massima si intende l’analisi del comportamento strutturale delle capre del Mose Jack-Up, effettuato inizialmente, come in fase di progetto, escludendo l'interazione con scafo e gambe, ovvero eseguendo un'analisi parziale del sistema strutturale.

Trattandosi di un manufatto esistente, lo studio si articola nelle fasi conoscitiva, valutativa e progettuale, implementate utilizzando come riferimento gli Eurocodici, in alternativa alle norme specifiche per la progettazione delle strutture offshore. In particolare, l'impiego dell'Eurocodice 3 è supportato da studi scientifici (Tuen, 2007) che dimostrano l'applicabilità e la conservatività di tale norma in alternativa alle NORSOK-N004 e ISO 19902, anch'esse basate sul metodo semiprobabilistico agli stati limite.

L'analisi qualitativa e quantitativa delle carenze emerse, rispettivamente, dalla fase conoscitiva e valutativa, consentirà di formulare proposte migliorative incrementali realizzabili attraverso interventi locali e globali da eseguire sul sistema oggetto di studio.

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Fase conoscitiva ed analisi qualitativa delle carenze

La fase conoscitiva consiste nell’identificazione del sistema strutturale, ossia nella definizione della geometria dell’intero organismo e dei suoi elementi componenti, nella caratterizzazione meccanica dei materiali e nell’individuazione dei dettagli costruttivi del sistema “as-built”. L’accuratezza dello studio di valutazione è direttamente proporzionale alla disponibilità di un’affidabile documentazione tecnica di progetto, nonché al livello di approfondimento delle indagini che è possibile effettuare in situ.

Lo studio puntuale della documentazione tecnica di progetto, unitamente ai sopralluoghi sul campo, ha consentito una completa identificazione del sistema strutturale. Come si evince dalla Figura 1 le due capre sono parte integrante del sistema di sollevamento e movimentazione delle paratoie, di cui fanno inoltre parte i quattro dispositivi di sollevamento con martinetti a fune o “strand-jacks” (due per capre), un telaio distanziatore detto “pescatore” e quattro dispositivi di aggancio della paratoia.

Ciascuna capra, dal punto di vista strutturale, si presenta come un sottosistema costituito dall’assemblaggio di due macro-portali zoppi reticolari piani, di tipo Warren (strutture principali), collegati trasversalmente esclusivamente da due traversi reticolari posti nella parte sommitale, e da un controvento concentrico a sagoma romboidale, situato tra le due colonne interne allo scafo. Le membrature che compongono il sistema sono profili cavi, a sezione circolare (CHS), saldati e formati a freddo realizzati in acciaio per impiego strutturale S355J0H le cui dimensioni sono conformi all’Allegato C della norma di prodotto UNI EN 10219-2:2006. I diversi elementi sono assemblati mediante saldature a completa penetrazione del tipo overmatching, con nodi non irrigiditi ottenuti collegando direttamente le aste diagonali ai correnti, al fine di limitare gap e sovrapposizioni e contenere gli effetti prodotti da momenti parassiti (secondary stresses).

A seguito di problemi riscontrati nel sistema di movimentazione dello scafo del Mose Jack- Up, sono state apportate, in corso d’opera, alcune modifiche alle capre, riguardanti la parte sommitale del sistema di controventamento verticale presente nell’allineamento 2 (vedi Figura 2).

La fase conoscitiva oltre ad essere propedeutica alla modellazione strutturale ha consentito, in via preliminare, di formulare alcune considerazioni sul concept strutturale delle capre di sollevamento e sui criteri di progetto adottati (analisi preliminari delle carenze).

A tale riguardo occorre osservare (vedi Figura 2) che le capre sono state concepite come sistemi piani. L’accoppiamento trasversale del sottosistema portante verticale avviene esclusivamente lungo l’allineamento 2, tramite il sistema di controventamento verticale oggetto di modifica. In pianta, il sistema presenta una chiara irregolarità planimetrica, che potrebbe influire negativamente sulla risposta dinamica della struttura. Inoltre, mancano controventi orizzontali che colleghino efficacemente le tre macro-pareti reticolari evidenziate sempre in Figura 2.

Per quanto concerne gli aspetti computazionali, la progettazione delle capre è stata effettuata con analisi parziali, senza considerare l’interazione con lo scafo e le gambe, eseguendo esclusivamente verifiche di resistenza sulle aste e sui nodi, escludendo l’attivazione di fenomeni di stabilità globale. Non sono stati monitorati altri livelli prestazionali. In particolare, non sono state eseguite verifiche a fatica, verifiche dello stato di spostamento verticale ed orizzontale e verifiche dello stato limite di vibrazione.

Per quanto concerne le verifiche di deformabilità si è proceduto, sia in fase di progetto che di modifica, a valutare, con analisi parziali (sole capre), lo stato di spostamento delle capre senza però confrontarlo con valori limite e quindi definirne il livello di sicurezza.
Le analisi parziali delle capre, sebbene consentano una stima accurata dello stato di sforzo, non permettono di contro di valutare in modo corretto lo stato di spostamento. Merita di essere citato, a tale riguardo, uno studio condotto proprio sul Jack-Up e pubblicato su rivista internazionale (Mascia e Sarpero, 2011) da cui si evince che, attraverso l’analisi del comportamento globale, gli abbassamenti superano i 77mm ovvero il doppio di quelli stimati con le analisi parziali.

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Nei prossimi paragrafi si parlerà di:

• Fase valutativa ed analisi quantitativa delle carenze;
• Fase progettuale e proposta di interventi migliorativi;
• Conclusioni della trattazione