Progettazione terminali

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1 Terminale Progettazione terminali Differenti tipologie di terminali: Rinfuse liquide o solide Merci varie Container Traffico Ro-Ro Crociere 1) Definizione layout 2) Profondità fondali 3) Lunghezza banchine 4) Mezzi per la movimentazione carichi 5) Aree di stoccaggio 6) Rete collegamenti terrestri 1

2 Esempio terminale 2

3 Dati di input progettazione 1) Traffico previsto nel terminale previsione traffico di lungo periodo per tipologia merce e direzione (import, export, transit o transhipment) 2) Tipologia di navi di progetto definizione delle dimensioni e tipologia navi scelta della nave/i di progetto (più grande e più piccola) 3) Livello di produttività previsto tassi di produzione per differenti tipologie di macchinari 4) Livello di servizio previsto Livello di servizio previsto per tutte i modi di trasporto coinvolti Altri dati di input: tempi di sosta della merce in porto, caratteristiche degli ingressi in porto di tutti i vettori, orario di lavoro nei vari settori 3

4 Capacità terminale Può essere riferita: al quantitativo di merce trasferito dalla nave in banchina o viceversa alla capacità di immagazzinamento alla capacità di trasporto verso l'entroterra In generale si considera che il terminale sia dimensionato in modo che non si creino colli di bottiglia, cioè che insorgano difficoltà di alcun genere per il trasferimento della merce dalla nave all'entroterra 4

5 Capacità terminale In termini di trasferimento nave-banchina possono distinguersi: una massima capacità istantanea una massima capacità annuale una capacità annuale ottimale Massima capacità istantanea può essere raggiunta solo per breve tempo ed è di interesse per i progettisti delle apparecchiature e del sistema di trasferimento Massima capacità annuale è la capacità teoricamente assegnabile ad un terminale con un grado di occupazione del 100% Capacità annuale ottimale è il dato di riferimento per pianificatori 5

6 Capacità terminale Conoscere la capacità annuale ottimale significa trovare un punto di equilibrio tra gli interessi degli operatori dei terminali e quello delle compagnie di navigazione. Terminal Operator Compagnie di navigazione ALTO grado di occupazione della banchina BASSO numero accosti BASSO grado di occupazione della banchina ALTO numero accosti 6

7 Capacità terminale I costi sono unitari rispetto al carico movimentato. I costi di banchina supportati dall operatore sono dati da costi fissi e variabili, all aumentare dei TEU movimentati, i costi variabili aumentano mentre i fissi diminuiscono. Il tempo di permanenza della nave in porto (Tattesa+Toperazioni C/S ) determina i costi per le compagnie di navigazione. 7

8 Capacità terminale Capacità annuale ottimale Costo variabile di banchina cresce all aumentare di m b (grado di occupazione della banchina)per la saturazione ed il conseguente calo di produttività, mentre i costi fissi diminuiscono per un aumento di tonnellate movimentate. 8

9 Capacità terminale Capacità annuale ottimale Costo unitario navi in banchina diminuisce solo se, all aumentare del tasso di occupazione della banchina (m b ), cresce la produttività 9

10 Capacità terminale Capacità annuale ottimale Valore ottimale (P) è differente se teniamo conto del costo totale di trasporto o solo dei costi di banchina 10

11 Approcci di progettazione Modelli sintetici per la valutazione delle prestazioni e il dimensionamento dei terminali con pochi macro dati di input e relazioni analitiche Modelli di simulazione discreti livello di disaggregazione spinto (fino al singolo veicolo o la singola unità di merce), utilizzano una grande quantità di dati e tengono conto di aspetti rilevanti in un nodo portuale (reciproche interferenze, formazione di code e aleatorietà di eventi e tempi di servizio di ciascuna operazione) 11

12 Modello sintetico I macro dati di input e le relazioni analitiche per la pianificazione del terminal, fanno riferimento ad indici di prestazioni. Questi vengono ricavati dai principali legami d interdipendenza degli output dei modelli matematici. 12

13 Indici di prestazione Modello sintetico T.T.T. Qualità del servizio di collegamento con i trasporti interni. Velocità gestione delle merci 13

14 Total Turn Round Time (TTT) INDICATORE -Modello sintetico- 1. Tempo di certificazione e registrazione. 2. Tempo di attesa per l attracco. 3. Tempo in banchina. 14

15 Modello di simulazione 15

16 Metodo analitico Teoria delle code HP. La probabilità P (n) che n navi arrivino in un porto in un dato tempo, può essere espressa: La distribuzione di probabilità del tempo di servizio si può adottare la funzione di Erlang. P(t) = Il servizio è di tipo FIFO (First In, First Out) Non vi sono limiti alla lunghezza della coda 16

17 Modelli UNCTAD ha studiato relazioni tra il grado di occupazione e il tempo di attesa di una nave in porto. 17

18 Relazioni 3 accosti 6 accosti 18

19 Relazioni 19

20 Risultati modello analitico Non è possibile avere un grado di occupazione della banchina molto elevato senza nessuna attesa delle navi. Il tempo medio di attesa in coda non può essere ridotto solo con elevato tasso tecnologico, ma anche con eventuali nuovi accosti. 20

21 Layout di un terminale Area di banchina Deposito (primary yard area) Subterminal lato terra (secondary yard area) 21

22 Ciclo di scarico di una nave 1) Gru di banchina (Quay Crane) scarica container dalla nave 2) Container è trasferito al deposito da un veicolo (Straddle Carriers o Truck/Trailers o Automated Guided Vehicle) 3) Gru di piazzale sistema il container nel punto di stoccaggio 4) Dopo un certo tempo, il container è ripreso dalla gru di piazzale 5) Container è trasferito verso l uscita lato terra da un veicolo L esecuzione del processo in ordine inverso corrisponde al ciclo di carico di una nave 22

23 Ciclo di scarico di una nave Il ciclo tradizionale è suddiviso in quattro step con uso QC + TT + RTG RTG = Rubber Tyre Gantry Cranes (RTG) TT = Trucks/Trailers QC = Quay Crane (spesso un TT è associato ad una QC) NEXT CYCLE 23

24 Ciclo di scarico di una nave NEXT CYCLE viaggio TT per carico container (trasporto non produttivo) attesa per essere caricato dalle gru (ritardo sulla produttività) viaggio TT per posizionare container attesa per essere scaricato dalle gru (ritardo sulla produttività) 24

25 Occorre bilanciare la capacità di movimentazione nel deposito con quello della banchina e con altre interfacce intermodali. In base alle modalità operative è possibile individuare il modello che ottimizza le aree disponibili per la movimentazione e il deposito dei box. 25

26 Layout aree di deposito Dipende dal sistema di movimentazione dei container scelto e dalla modalità di stoccaggio (su semirimorchio o a terra su uno o più livelli) 26

27 Layout aree di deposito Dipende dal sistema di movimentazione dei container scelto e dalla modalità di stoccaggio (a terra o su più livelli) Sistema SC ( TEU/anno) 27

28 Layout aree di deposito Dipende dal sistema di movimentazione dei container scelto e dalla modalità di stoccaggio (a terra o su più livelli) Sistema RC Reach Stacker ( TEU/anno) 28

29 Layout aree di deposito Dipende dal sistema di movimentazione dei container scelto e dalla modalità di stoccaggio (a terra o su più livelli) Sistema RTG (> TEU/anno) 29

30 Schemi di stoccaggio -modalità operative- Dipendono dal sistema di movimentazione dei container e dalla scelta di privilegiare la densità di stoccaggio o la rapidità di manovra 30

31 I sistemi handling determinano una diversa utilizzazione dell area destinata a deposito. Definito un modulo di deposito e gli spazi necessari alla movimentazione delle macchine esprimiamo. Area media per il deposito contenitori Fattore di utilizzazione globale 31

32 Area media per il deposito contenitori aman = Amod Vmod (mq/teu) Amod è l area modulare comprensiva di deposito e spazi di circolazione dei rispettivi sistemi handling. Vmod è il numero massimo di contenitori depositabili nel modulo (in TEU). Fattore di utilizzazione globale (u) u= ap aman ap è l area di base del contenitore e vale: 29,742 m 2 per container serie ISO 1A e 1AA; 14,769 m 2 per container serie ISO 1C 32

33 Sistemi di movimentazione container Sistema SC push and pull 33

34 Sistemi di movimentazione container Sistema SC loop 34

35 Sistemi di movimentazione container Sistema RTG + trailer 35

36 Confronto tra sistemi di movimentazione container Vantaggi RMG (Rail Mounted Gantry crane): elevato grado di automazione e grande capacità di stoccaggio Svantaggi RMG: poca flessibilità rispetto al sistema SC o RTG Confronto tra SC e RTG: Costi d investimento: per RTG è almeno 2,5 volte superiore a quello di SC Costi operativi: di sollevamento, RTG più efficiente / di trasferimento, TT più veloce del SC / personale, sistema RTG 2 operatori contro 1 per SC /manutenzione, costi simili Utilizzo dello spazio: nella config. standard, RTG 5 m 2 /TEU e SC 12 m 2 /TEU Velocità movimentazione: sistema SC più rapido sia lato nave (per scarico a terra) che lato terra (per minore densità di stoccaggio) 36

37 Criticità progettuali 1) Aumento dimensioni delle navi comporta notevoli problemi per quanto riguarda la rapidità di carico e di scarico E desiderabile un tempo di sosta non superiore alle 24 ore 2 ore per operazioni di ormeggio e disormeggio 22 ore per scarico e carico contenitori 2) Operazioni di riordino (rimescolamento) dei contenitori su una pila sono inevitabili (a priori è ignota la sequenza di ripresa dei contenitori da una pila) 3) Capacità di ricezione spesso è limitata da grandi costi di investimento richiesti dalle infrastrutture e dalla limitatezza degli spazi 37

38 Dimensionamento lunghezza banchina e numero gru Approccio sintetico - utilizzo di valori medi per gli arrivi delle navi e per il numero dei contenitori da movimentare in combinazione con fattori di picco determinati dalla coincidenza di più arrivi e da altre irregolarità Modelli di simulazione Simulazione del processo di arrivo e del ciclo di carico/scarico di navi per ampi intervalli temporali La simulazione fornisce le seguenti informazioni: la distribuzione del tempo di attesa delle navi la distribuzione delle eccedenze rispetto ai tempi normali gli stalli richiesti con la distribuzione probabilistica della loro occupazione i tassi di occupazione di banchina e gru 38

39 Dimensionamento lunghezza banchina e numero gru Modelli di simulazione Simulazione del processo di arrivo e del ciclo di carico/scarico di navi per ampi intervalli temporali Dati utilizzati dalla simulazione (spesso si simulano gli arrivi di 1000 navi): la sequenza di arrivo delle navi (modelli stocastici o uso di particolari leggi di distribuzione) le caratteristiche delle navi (lunghezza, TEU trasportati, sbilanciamento nelle operazioni di carico e scarico, ripartizione di lunghezza TEU) la lunghezza della banchina (programma di distribuzione degli attracchi sulla lunghezza) l'occupazione della banchina in base ai sistemi di movimentazione dei TEU il numero di gru per nave le produzioni delle gru (valore medio + probabilità di scostamento rispetto alla media) 39

40 Osservazioni su banchine e gru il livello di investimenti in banchine, aree di stoccaggio e gru dipende strettamente dal livello di servizio desiderato, cioè dai tempi di attesa ammissibili per le navi elevati livelli di servizio si riflettono inevitabilmente in bassi tassi di occupazione di banchine e gru la permanenza totale in porto delle navi è dovuta essenzialmente dal tempo di servizio richiesto la lunghezza totale di banchina non deve essere un multiplo di singole lunghezze di attracco soprattutto i terminali di minore importanza possono migliorare il loro rendimento (a parità di livello di servizio) se si raggiungono accordi sulle date di arrivo delle navi con gli armatori 40

41 Larghezza area banchina B=d+s+t d= distanza banchina - primo binario portainer (2-3 m) s= scartamento (15-20 m) t= sbraccio lato terra (10-25 m) Superficie area deposito A t =A py +A cfs +A ec +A rop A py (primary yard area) = area destinata allo stoccaggio (circa 50/75% di A t ) A cfs = area riservata alla consolidazionedeconsolidazione (circa 15/30% di A t ) A ec (empty containers area) = area riservata ai container vuoti (circa 10/20% di A t ) A rop (secondary yard area) = area comprendente l'ingresso, gli uffici, i parcheggi esterni (circa 5/15% di A t ) 41

42 Calcolo dimensione area di stoccaggio (primary yard) A = (T (D+2d) a)/(365 z (H+2h) U) dove A = area richiesta (in m 2 ) T = numero di contenitori movimentati nell'anno (per tipo di deposito) (TEU/anno) D = tempo di sosta medio dei contenitori in deposito (in giorni) a = superficie occupata da contenitore da 20 (in m 2 ) H = altezza media di impilamento pari allo 0,5-0,7 dell altezza massima teorica d, h = deviazioni standard dai rispettivi valori medi D e H z = fattore di sottoutilizzo programmato (valore variabile da 0,4 a 0,7) U = fattore di utilizzazione spaziale (valore variabile da 0,4 a 0,6) D può essere anche sostituito da un valore medio (t d ) calcolato conoscendo T (tempo massimo osservato di sosta in porto dei contenitori) 42

43 Calcolo dimensione area di stoccaggio S(t) rappresenta il rapporto fra la quantità di contenitori presenti nel terminale ed il numero totale di contenitori scaricati S(t) = 1 per 0<t<1 S(t) = [(T - t)/(t - 1)] 2 per 1<t<T S(t) = 0 per t>t con tempo t espresso in giorni e T = massimo tempo di sosta osservato T = 10 g per contenitori importati (import) T = 7 g per contenitori esportati (export) T = 20 g per contenitori vuoti 43

44 Calcolo parco macchine per movimentazione P = 60/t ciclo n = 1,25-1,30 (f Q)/P dove P = produttività pratica della macchina (in contenitori/h) t ciclo = tempo impiegato dal mezzo per realizzare un ciclo di lavoro (in min) n = dimensione parco macchine f = fattore di punta rispetto al valore medio orario del traffico Q = movimentazione richiesta al parco macchine (in tiri/h) 44

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