Le mega strutture galleggianti

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90014 Casteldaccia (PA)
LE MEGA STRUTTURE GALLEGGIANTI
Sommario
Le mega strutture galleggianti hanno captato l’attenzione di moltissimi architetti, urbanisti
ed ingegneri, perché rappresentano una soluzione rispettosa dell’ambiente marino ed
un’esperienza al tempo stesso entusiasmante, in contrapposizione ai metodi di bonifica
tradizionali.
L’applicazione delle mega strutture galleggianti come banchine, hotel, depositi di
carburante, stadi, ponti, aeroporti e anche città hanno innescato un’intensa ricerca negli
ultimi due decenni.
Tale tecnologia si è sviluppata considerevolmente e si sono studiati molti metodi
innovativi per rendere minimo il movimento idroelastico, migliorando il sistema di
ormeggio e quindi l’integrità strutturale.
Questo articolo riassume le applicazioni, la ricerca e lo sviluppo delle mega struttura
galleggianti negli ultimi 20 anni.
1. Introduzione
Le mega strutture galleggianti sono delle grandi strutture, appunto, galleggianti sul mare;
queste possono essere ampiamente classificate in due tipi “semisommergibili” o a
“pontoni”.
Quelle semisommergibili presentano una piattaforma rialzata rispetto al livello del mare e
sono adatte per essere costruite in alto mare anche in presenza di onde alte.
Di contro, le mega strutture galleggianti a pontoni presentano una piattaforma che
galleggia sulla superficie del mare e sono destinate ad essere realizzate lì dove il mare è
“calmo” come in una baia, una laguna o un porto.
Il primo studio sulle mega strutture galleggianti fu condotto dal Sig. Edward Armstrong
all’incirca nel 1920 che propose di costruire degli aerodromi sul mare per utilizzarli come
trampolini di lancio per gli aerei che volavano attraverso gli oceani; a quel tempo, infatti,
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gli aerei non potevano percorrere lunghe distanze perché avevano bisogno di una grande
scorta di carburante.
Tuttavia, l’entusiasmo per la costruzione di questi aeroporti galleggianti fu smorzato dallo
straordinario volo senza scalo di Charles Lindbergh, da New York a Parigi, nel 1927.
Durante la seconda guerra mondiale, l’US Navy Civil Engineering Corps prese spunto
dall’idea di Armstrong per costruire un campo di volo galleggiante di dimensioni
552x83x1,5 m per il collegamento strategico con la Gran Bretagna.
Successivamente, durante le prime fasi della guerra fredda, la marina americana propose
la costruzione di basi mobili offshore da supporto alle operazioni militari laddove le basi
terrestri convenzionali non erano disponibili.
Fu solo nel 1970 che la tecnologia delle mega strutture galleggianti viene ripresa ed
ulteriormente sviluppata dagli ingegneri giapponesi che costruirono l’aeroporto “Kansai
International” a Osaka, sebbene su un’isola artificiale.
Questo fu il primo passo per gli ingegneri giapponesi e gli architetti navali per realizzare
nel 1995 la “Mega Float” nella baia di Tokio, progetto pilota per lo studio e la
realizzazione di altri aeroporti galleggianti.
La “Mega Float” rappresenta una struttura a scala 1:1 utile per capire il suo
comportamento idroelastico, per studiare i sistemi di ormeggio, il sistema di connessioni,
il trattamento anticorrosivo, il suo comportamento sotto effetto delle correnti, l’effetto
sull’ecosistema-marino.
Attraverso il programma di ricerca sulla “Mega Float” gli ingegneri sono stati in grado di
calibrare le loro formule matematiche per quanto riguarda il comportamento idroelastico,
le prestazioni delle connessioni saldate e l’effetto del moto ondoso sulle maga strutture
galleggianti.
Inoltre furono scoperti i seguenti vantaggi nell’utilizzo di queste tecnologie innovative
rispetto ai sistemi di bonifica tradizionali: le mega strutture galleggianti rispettano
l’ambiente in quanto non danneggiano l’ecosistema marino, non interrompendo le
correnti oceaniche, inoltre sono facili e veloci da realizzare, possono essere facilmente
rimosse o ampliate, e queste, ovviamente, non sono influenzate dalle scosse sismiche dal
momento che hanno la base intrinsecamente isolata.
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2. Applicazioni
Dal 1995 al 2001 i giapponesi hanno studiato le prestazioni della “Mega Float” un
aerodromo galleggiante lungo 1 km ubicato nella baia di Tokio (Vedi Fig. 1) al fine di
sviluppare ed approfondire le conoscenze sulla “solidità” della tecnologia realizzativa
delle mega strutture galleggianti.
Tali studi hanno portato alla conclusione che tale tecnologia è applicabile per la
realizzazione di aeroporti galleggianti, rispettando tutti i requisiti severi imposti nella
costruzione di tali strutture.
Alcune di queste applicazioni trovano spazio nelle mega strutture galleggianti, realizzate
sempre in Giappone, nelle isole di Shirashima e Kamigoto (Vedi Fig. 2) per lo stoccaggio
del petrolio o per l’attracco di navi nel porto di Ujina, ad Hiroshima.
Le mega strutture galleggianti trovano applicazione anche nella realizzazione di ponti
galleggianti; sono soluzioni, infatti, molto economiche, ad esempio, quando è elevata la
profondità dell’acqua o è soffice il fondale del fiume.
Un grande ponte galleggiante, lungo 2013 m, è il Lacevy V. Murrow Bridge; uno più
recente è il ponte galleggiante lungo circa 300 m sopra il Dubai Creek
A Marina Bay, Singapore, si trova il più grande palcoscenico del mondo galleggiante e
sarà presto realizzato un impianto di stoccaggio per il petrolio mega galleggiante (Vedi
Fig. 4) per soddisfare la sua domanda sempre crescente.
È previsto un sistema di ormeggio e di rifornimento per le navi in modo da
decongestionare il traffico navale del porto di Singapore e diminuendo in questa maniera
il tempo di consegna del petrolio alle navi.
La Corea del Sud ha inoltre avviato una serie di progetti di mega strutture galleggianti:
infatti è in corso la costruzione di 3 isole galleggianti chiamate “Viva”, “Vista” e “Terra” sul
fiume Han che saranno sede di centri per l’intrattenimento e convention (Vedi Fig. 5)
Il team Samsung Heavy Industries, invece, sta lavorando alla costruzione di un mega
albergo galleggiante a Seoul (Vedi Fig. 6).
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L’applicazione della teoria delle strutture mega galleggianti potrebbe anche essere
sfruttata per la realizzazione di fattorie galleggianti in prossimità delle città densamente
popolate, in modo tale da fornire terreni coltivabili che produrrebbero cibo per far fronte
alla domanda sempre crescente, pur mantenendo integro l’ecosistema; un tale esempio è
la fattoria ecosostenibile sul fiume Hudson a Manhattan (Vedi Fig. 7).
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Nei paesi che producono salmone come la Norvegia, gli Usa, il Canada ed il Cile,
vengono realizzate mega strutture galleggianti per l’allevamento dei salmoni in modo da
garantire un approvvigionamento continuo di pesce.
La tecnologia delle mega strutture galleggianti ha anche come possibile sviluppo,
l’opportunità di creare mega isole sugli Oceani; il Lilypad Floating Ecopolis (Vedi Fig. 9),
progettato dall’architetto Vincent Callebaut, è un esempio di proposta visionaria che
permetterebbe di ospitare parte della popolazione di alcune città del Belgio in un’enorme
isola galleggiante a forma di giglio.
Molte pubblicazioni sono state fatte dallo studioso Pernice sui concetti di città
galleggianti; in Olanda, ad esempio, con oltre la metà della superficie terrestre sotto il
livello del mare, gli ingegneri olandesi hanno proposto anche come soluzione la
realizzazione di una città galleggiante comprendente centri commerciali e zone
residenziali (Vedi Fig. 10)
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3. Ricerca
In questo articolo concentreremo la nostra attenzione su due principali aspetti della
ricerca sulle strutture mega galleggianti: la risposta idroelastica ed il concetto di integrità
strutturale.
3.1 Risposta Idroelastica
Le strutture galleggianti del tipo a “pontoni” poiché hanno un’estensione elevata rispetto
alla loro altezza possono essere calcolate come lastre giganti soggette alla forzante
dovuta all’azione del mare; l’interazione fra il liquido e la struttura è definita idroelasticità.
Pertanto è necessario effettuare, per la progettazione della mega strutture galleggianti,
l’analisi idroelastica al fine di valutare il comportamento statico sotto l’azione della spinta
di Archimede e dinamico sotto l’azione delle onde del mare.
Senza entrare troppo nel merito, esistono, per studiare la risposta idroelastica delle
strutture a “pontoni”, due approcci: il primo opera nel dominio delle frequenze e l’altro nel
dominio del tempo; solitamente l’approccio con il dominio delle frequenze viene usato
maggiormente per la sua semplicità.
Per calcolare il moto di un corpo galleggiante si utilizza l’equazione di Laplace con le
condizioni al contorno fissate dalle espressioni di Neumann che tengono conto delle
condizioni del fondale marino, la qualità del liquido a contatto con il corpo galleggiante,
ecc..
La prima soluzione a questo problema la diede lo studioso John (1950); una descrizione
dettagliata sulla teoria ondulatoria si trova pubblicata nel considerevole articolo di
Wehausen e Laiton (1960) dal titolo “Onde di superficie”; tale articolo contiene le
soluzioni di riferimento per problemi di interazione onda – struttura.
Tuttavia all’inizio dello sviluppo della teoria idroelastica la struttura galleggiante veniva
considerata come un corpo rigido. Con il crescente interesse per lo sviluppo delle
strutture mega galleggianti, come una possibile soluzione futura per “creare” terreno dal
mare, fin dal 1990 è sorta una nuova area di ricerca che studia il comportamento
idroelastico delle strutture galleggianti non più limitandosi a considerarle come solo corpo
rigido.
Per citarne alcuni, tra i pionieri che lavorano sulla teoria della idroelasticità delle mega
strutture galleggianti, sono gli studiosi Mamidipudi e Webster, Yago e Endo, Utsunomiya,
Kashiwagi e Ohmatsu.
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Nel caso del “Mega Float” (Vedi Fig. 1) l’intera struttura galleggiante è stata modellata
come un’unica lastra ed il calcolo è stato condotto basandosi sulla teoria delle piastre
sottili, mentre l’onda d’acqua è stata simulata attraverso la teoria dell’onda lineare.
D’altra parte, i mega moduli galleggianti per lo stoccaggio di combustibile (Vedi Figg. 24) non possono essere più modellate come lastre, in quanto hanno un notevole
spessore, per cui per il calcolo si utilizza la teoria delle piastre secondo Mindlin.
Un tale approccio fornisce migliori risultati sulla conoscenza delle deformazioni e sul
regime tensionale agente nella struttura.
Nel caso poi del comportamento idroelastico dei due moduli scatolari di stoccaggio
riportati in figura 4, poiché questi si influenzano vicendevolmente a causa delle onde
rifratte, è necessario effettuare un’analisi temporale che fornisca il comportamento delle
strutture istante per istante; uno dei metodi ampiamente utilizzati, anche in questo caso, è
quello della trasformata di Fourier.
3.2 integrità strutturale – criteri di funzionalità e sicurezza
La progettazione delle mega strutture galleggianti si basa sui criteri di funzionalità e
sicurezza. Ad esempio nella “Mega Float” il criterio funzionale è quello per cui non vi sia
un eccessivo movimento della piattaforma di atterraggio in modo tale da non mettere
fuori uso i sistemi di atterraggio degli aerei che, pur essendo molto sensibili, hanno
bisogno, per far si che l’aereo atterri, di una pista “ferma”. Da qui nasce l’esigenza della
“Mega Float” di avere una sufficiente rigidità per minimizzare l’effetto dell’azione delle
onde del mare.
Inoltre la struttura della “Mega Float” è stata progettata in modo tale da resistere ai carichi
ambientali (spinta idrostatica e onde marine), ma anche ai carichi dovuti agli aerei che
atterrano e decollano dalla pista.
Gli studiosi hanno osservato che le tensioni indotte nei componenti strutturali ed il
movimento verticale dei velivoli sulla pista galleggiante dipendono in modo significativo
dalla propagazione delle onde marine, e quindi dalla risposta idroelastica.
Inoltre altri studi hanno dimostrato che l’eccessiva deformazione, il movimento e le
vibrazioni indotte sulla “Mega Float” la renderebbero inadatta allo scopo per cui è stata
progettata; infine il carico ciclico delle onde potrebbe innescare rotture per fatica dei suoi
elementi strutturali.
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Bibliografia
- Very Large Floating Structures: Applications, Research and Development - C.M. Wang,
Z.Y. Tay
Casteldaccia (PA), lì 14.02.2014
Ing. Francesco Solazzo
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