ATTI DEL CONVEGNO.

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1 ATTI DEL CONVEGNO

2 4 luglio

3 Indice 1. Opportunities for Engineering and Simulation in Boat Racing Safety Motonautica, compositi e sicurezza: un piccolo esempio pratico di intervento d urgenza al fine di incrementare la sicurezza nelle competizioni motonautiche Studio di una capsula di sicurezza per barche da gara offshore Fatica oligociclica di giunzioni saldate utilizzate nelle costruzioni navali Cutting off deck vibration with floating floors: problem definition and solution strategy Analisi sperimentale di giunzioni incollate in composito per applicazioni navali Valutazione delle prestazioni dinamiche di sistemi attivi per il controllo del rollio con attuazione elettromeccanica On the Seakeeping analysis of sailing yacht: effects of hull shape and lifting keel evaluated by different numerical solvers Prima unità navale monocarena brevettata ad alta efficienza idrodinamica e risparmio energetico che naviga su una formazione di schiuma auto-prodotta Metodologie per la progettazione di eliche silenziose Profili giuridici della sicurezza nella nautica da diporto Sistema innovativo per la stabilizzazione di un HSC Stabilizzazione attiva mediante giroscopi di uno yacht di 77 m: vantaggi e svantaggi Design di un impianto di recupero di cascami termici di un motore nautico per la produzione di freddo a bordo di un imbarcazione Un sistema flessibile per misure avanzate e analisi del rumore irradiato dalle navi Applicazioni di nuove tecnologie scientifiche alla nautica da diporto: spedizione Pigafetta A thermodynamic Four stroke Diesel engine model for pleasure craft application Amplificatore di potenza ibrido compatto in banda X per radar marittimi di nuova generazione Trasporto navale mercantile e nuove tecnologie per ridurre l inquinamento: gli scrubber Tecniche avanzate di data management per la diagnostica avanzata in campo navale Studio di nuove formulazioni di rivestimenti protettivi per imbarcazioni con proprietà antivegetative L esperienza Rodriquez sulla tenuta al mare dei mezzi veloci e delle navi da diporto luglio

4 1. Opportunities for Engineering and Simulation in Boat Racing Safety T. R. Stanley, Chairman, Safety Cockpit Committee Union Internationale Motonautique Sommario La motonautica è rimasta indietro rispetto ad altri sport motoristici nell applicazione dei moderni metodi e strumenti ingegneristici per la sicurezza dello sport. Verrà dimostrato in tre esempi come la sicurezza possa essere migliorata mediante l'applicazione di questi metodi. Il primo di questi esempi è dagli USA, dove alcuni semplici calcoli avrebbero potuto salvare una vita. Il secondo esempio riguarda una barca norvegese in un incidente in Gabon. Questo incidente ha messo in evidenza la mancanza di conoscenza riguardo i carichi in caso di incidente che potrebbero essere ottenuti con i moderni metodi di analisi. L'ultimo esempio mostra come l'applicazione del metodo degli elementi finiti potrebbe aiutare a prevenire guasti compositi che portano a incidenti. Tutti questi esempi mostrano un ambiente interessante e divertente in cui poter applicare le conoscenze ingegneristiche. 1. INTRODUCTION The sport of power boat racing is going through a transition period currently. It has lagged behind other motor sports in the application of engineering methods and tools to make the sport safer. The author has many years experience as a power boat racer and because of this and his engineering background was introduced to the finite element method in the early days through a sponsorship arrangement. Currently the author is the Chairman of the Safety Cockpit Committee of the UIM (Union Internationale Motonatique), the governing body for world championship power boat racing. Because of this background he is uniquely positioned to see the opportunities for advancement in safety and performance in the sport of power boat racing. 2. OPPORTUNITY: A FATALITY EVERY 18 MONTHS In the USA there are certain classes of mono-hulls known as flatbottoms that do not require safety capsules for the driver. Figure 1 shows a typical group of these boats waiting for the start of the race. 4 luglio

5 Figure 1: Flatbottom mono-hulls USA Even with a safety capsule, engineering calculations are important. Figure 2 shows a boat from the same class as Figure 1 that has had a safety capsule placed in it. The workmanship looked good from the outside. These boats are of fiberglass construction with very heavy motors in them. From the outside the flotation could not be seen. Figure 2: Flatbottom mono-hull with capsule The details of design and construction are very important, even critical. Figures 3 and 4 are photographs that show two design details on this boat that would later become important. 4 luglio

6 Figure 3: Detail of hinges on capsule hatch Figure 4: Detail showing compressed air bottle supplying air to driver Unfortunately, as with most racing boats, this one had an accident a year after the pictures were taken. The boat rolled over at high speed during a race on a straightaway. The boat sank in about 4 m of water. The water was very dark. Rescue divers stationed nearby were on the crash site immediately. Figure 5 shows the boat being towed in after recovery. 4 luglio

7 Figure 5: Boat being towed ashore after accident Figure 6: What remains of the boat Only after the accident does it become evident that the proper amount of flotation foam was not installed. Evidently the calculations were not done, or were done incorrectly. Figure 7 shows how little foam was installed in the boat. 4 luglio

8 Figure 7: Is this enough foam to float the boat and motor? That shouldn t have mattered so much, right? The driver had an on-board air system for just such an occasion. However, the top hatch was torn off because the hinges and latch system retaining it were not sufficiently strong enough to keep it in place. High pressure water would have entered the cockpit, possibly rendering the driver unconscious. Figure 8 shows that the hinge was just ripped off. The bolts pulled through the composite material. Figure 8: Hinge bolts for hatch pulled through the fiberglass The high pressure water could have also pulled the breathing mask away from the driver s mouth. The driver did not survive this accident. A cascade of failures of details in the boat s design and construction contributed to the death of the driver. Doing some engineering calculations would have improved his chances of survival. 4 luglio

9 3. OPPORTUNITY: LOADS NOT FULLY UNDERSTOOD In the summer of 2012 there was an accident at an offshore race off the coast of Gabon in Africa that resulted in the death of one of the pilots (driver) and the serious injury of the other pilot (throttleman). The canopy collapsed during the accident allowing high pressure water to enter the cockpit. Figure 9 shows the resulting damage. Figure 9: Collapse of canopy on offshore boat In this accident the boat hit a wave and went into the air landing bow down. It then was pushed to the side, rolled over and plunged into the water bow first. The event sequence is shown in Figure 10. Figure 10: Event sequence of the accident The photographs are not clear but they do show the violence of the accident. The speed of the boat at the time was estimated by the surviving throttleman at around 240 km/h. While the boat was in transit back to its home base in Norway some preliminary studies were done. Many of these types of boats with side by side cockpits have a central support strut going from above the windscreen diagonally down between the pilots to the floor. The boat was said to not have this strut. An existing computer model of a similar, but somewhat different cockpit was used to study how this central strut would behave under loading from the side of the cockpit. Figure 11 shows the strut as part of a roll cage. 4 luglio

10 Figure 11: Support strut between pilots The 3D model was imported into the preprocessor Femap and given a load on the side of the cockpit. For this part of the investigation the loading was assumed to be evenly distributed over the side of the canopy even though the loading probably varied over the surface in reality. Figure 12 shows how the load is applied. The green area is the area where the pressure load is applied, pressing down on the canopy. Figure 12: Canopy loading from the side To see the effect of the load on the center strut the canopy was hidden. A top view is shown in Figure 13 and it can be seen that the strut is curved at each end. 4 luglio

11 Strut is curved at each end Figure 13: Top view of roll cage showing strut curved Figure 14 shows the roll cage in side view. In this view it can be seen that the high stress area is at the ends of the strut and this stress in the strut is why the ends become curved. The result is that the strut becomes prone to buckling and may not provide much support unless the load is applied directly from the front of the boat. In this particular accident it is unlikely that the load came directly from the front. High stress area High area stress Figure 14: Side view of roll cage showing high stress areas Once the boat was back in Norway measurements were taken of the actual boat and a more accurate computer model of the shape of the canopy was prepared. However, the facilities were not available to do a dynamic simulation of the accident to see what the pressure load history was during the accident. Having simulations done of various types of boats and accidents is one of the most pressing needs for the advancement of safety in the sport. Since this particular accident investigation a different accident was studied in the USA but was confidential in nature so the information is not available. Currently the cost of these simulations is quite expensive. 4 luglio

12 Since the dynamic simulation was not available, assumptions were made regarding the pressure distribution over the canopy during the accident. The assumption was made that the pressure distribution was similar to that on the bottom of a planning hull, with a peak pressure near the stagnation point and then dropping off away from the stagnation point. The formula for the peak pressure was the classic formula as shown by DuCane in High Speed Small Craft : P=ρV 2 /2 (1) The flow of water impacting the canopy can be visualized as shown in Figure 15. Figure 16 shows the shape of the pressure distribution on the canopy profile. Figure 15: Flow of water impacting the canopy Figure 16: Shape of the pressure distribution on the profile of the canopy 4 luglio

13 Using this information the load was applied to the 3D model. The load was approximated over the area at three different load values. Figure 17 shows how this was done. The blue area was given a pressure load equal to the maximum value calculated by the classic formula (1.82 MPa, kg/cm 2 (264 psi)). The pink area was given a load with a value of one half the maximum value and the green area was given a load one quarter the maximum value. Figure 17: Pressure distribution on canopy from impact Then the stresses and failure indices were calculated with these loads, both for the roll cage and for the composite material. Figure 18 shows the failure indices in the composite material with the loads superimposed. Critical areas are in the corners and where the windscreen bolts to the canopy. Figure 18: Canopy showing the failure indices from the pressure load If a more accurate estimation of the load distribution was done using simulation, then the canopy could be designed to strengthen the composite areas and the roll bar to better protect the pilots without adding too much weight or cost. 4 luglio

14 4. OPPORTUNITY: ACCIDENT PREVENTION / PERFORMANCE Engineering methods and calculations can also be used to help prevent accidents while improving performance. An example of how this could be done can be illustrated from an accident that occurred in late 2013 in Sharjah, UAE. An F1 boat entered a corner during testing, hooked a sponson, and barrel-rolled. Figure 19 shows the boat being lifted out of the water and also shows the corner where the accident occurred. The arrow points to the turn bouy. The driver was uninjured in this case. Figure 19: F1 boat after barrel roll Once the boat was lifted out of the water it became evident that the sponson of the boat had a long crack in the composite where it joins the boat. Because of this failure the boat would have lost much of its cornering ability and this may have contributed to the accident. The extent of the crack is shown by Figure 20. Figure 20: Crack occurred along the corner indicated Figure 21 shows that the crack went completely through the bottom of the boat. The colour of the exposed fibers show that Kevlar was likely used as well as Carbon fiber. Carbon/Kevlar hybrid fabric can also be seen on the frame. 4 luglio

15 Figure 21: Crack shown from the inside of the boat It can also be seen that the sandwich core doesn t extend around the corner, nor can any extra reinforcing layers be seen at the corner. Figure 22 shows the cored and un-cored areas. Core Core No core Figure 22: Laminate construction at corner A section through the sponson was modelled so that an analysis could be done that would isolate the contribution of the corner laminate construction to the strength and stiffness of the sponson under cornering forces. 4 luglio

16 Figure 23: Section of the boat through the sponson When the boat is going through the corner pressure on the blue area helps to prevent the boat from sliding. These boats can turn very sharply at high speeds. It is important for cornering that the blue area remains almost vertical to prevent sliding. The edges on the near side of the section are glued or laminated to the central cockpit and are constrained by it. The laminate construction at the corner can be seen in the Figure 23 as well. An FEA model using plane strain elements was created to study alternative corner construction methods. The blue area was pressure loaded and the model was constrained where it joins the capsule. Figures 24 and 25 show the model as the boat was constructed. Constrained here Figure 24: FEA model of sponson as constructed Note that the loaded area is angled out away from the vertical. 4 luglio

17 435 MPa Figure 25: Detail of corner construction with stresses In order to strengthen and stiffen the corner the easiest way would be to add some reinforcing layers to the corner as part of the outer skin. Figures 26 and 27 illustrate the results. Figure 26: Model of sponson with corner reinforcing layers added Note that the loaded area is still angled out under load which will have an effect on cornering ability. 4 luglio

18 267 MPa Extra plies at corner Figure 27: Detail of reinforced corner At least one builder does build boats with the core wrapped around this corner so a model was created to test that alternative. No reinforcement plies were used. Figure 28 shows this alternative. Figure 28: Design with core wrapped around corner The model was loaded with the same load as the other models and constrained the same way, where it joins to the capsule. Figures 29 and 30 show the stresses with this configuration. It provides the strongest alternative. 4 luglio

19 Figure 29: Section with core wrapped around corner 214 MPa Figure 30: Detail of corner with core wrapped This construction of the corner had the lowest stress of all the options tested. From this example it can be seen that it is worthwhile to do engineering calculations prior to construction. 5. CONCLUSION The examples presented show that there is great opportunity in power boat racing to apply engineering methods and tools to improve the safety and performance of the racing power boat. Engineers using these methods and tools are needed to advance the sport. Engineers providing these services will become part of winning teams and help attract skilled drivers and sponsor support by providing a safe environment. 6. BIBLIOGRAHPY [1] Peter Du Cane, High Speed Small Craft, 1974 edition, p luglio

20 2. Motonautica, compositi e sicurezza: un piccolo esempio pratico di intervento d urgenza al fine di incrementare la sicurezza nelle competizioni motonautiche S. Abrami Progettista nautico, titolare dello studio SAYD L autore, attraverso immagini, descrive la case story relativa all update delle caratteristiche meccaniche degli hatch dei canopy offshore Class 1 a seguito dell incidente mortale avvenuto nell estate 2012 al GP del Gabon. Illustrando come si è proceduto, passando da una analisi dello stato dell'arte alle modifiche - qualche volta addirittura sul campo di gara - delle caratteristiche geometriche e meccaniche dei portelli di accesso al canopy ovvero dell hatch, spesso il punto debole della cellula di sicurezza. Con foto, particolari costruttivi e procedure di verifica ed aggiornamento. Dimostrando come spesso con buon senso e poco dispendio di energie si possono risolvere problemi di grande rilevanza nel campo della sicurezza di sport estremi come la motonautica offshore. 4 luglio

21 3. Studio di una capsula di sicurezza per barche da gara offshore A. Ramasco 1, D. Boote 2, T. Pais 2 1 Ingegnere Nautico 2 DITEN, Università di Genova Sommario Il presente studio si propone di sviluppare un sistema di protezione per i piloti di imbarcazioni a motore da competizione, partendo dall'analisi delle molteplici casistiche di incidenti che si possono prospettare nel corso di una gara e tenendo conto delle reali necessità del pilota stesso durante la normale conduzione del motoscafo e in condizioni di emergenza. Per avere una visione ancora più realistica e completa ci si è avvalsi della consulenza del pluricampione mondiale Guido Cappellini, che ha affiancato gli autori fin dalle prime fasi del lavoro. Si è quindi passati allo studio di una soluzione comune della struttura dello scafo in corrispondenza del posto di guida per tutte le imbarcazioni e della geometria di una cellula di sicurezza che possa quindi essere installata senza problemi in qualunque motoscafo della stessa categoria senza apportare ulteriori modifiche né allo scafo né alla cellula stessa. Successivamente si è passati allo studio della struttura della capsula che permetta di dissipare la maggior parte dei carichi subiti durante l impatto. L'analisi è stata condotta mediante tecnica FEM, modellando in modo dettagliato la struttura della capsula costituita da un grigliato di travi in materiale composito che supporta un guscio in sandwich, specificamente sviluppato per resistere alle forze di impatto previste dal regolamento UIM. Effettuando una serie di calcoli condotti su diverse geometrie della capsula ottenute variando sia il reticolo di travi che la forma del guscio e le caratteristiche del laminato sandwich si è giunti ad ottimizzare il layout strutturale riducendo al minimo le forze scaricate sul pilota. 1. INTRODUZIONE Questo progetto si pone l' obbiettivo di studiare una capsula di sicurezza standard che possa essere installata sulla maggior parte delle barche da competizione offshore, consentendo di ottenere, oltre naturalmente ad un radicale miglioramento delle condizioni di sicurezza dei piloti, una notevole semplicità di installazione ed un conseguente decisivo abbattimento dei costi. La capsula dovr{ essere realizzata in modo da permettere all equipaggio di uscire incolume da ogni tipo di incidente, con particolare attenzione ai casi di collisione e conseguente intrusione nel cockpit da parte di altre imbarcazioni, come è già stato realizzato in alcune categorie di imbarcazioni da competizione. Per riuscire a conseguire i migliori risultati del progetto, oltre all analisi delle varie tipologie di incidente e allo studio approfondito del regolamento UIM [1], ci si è avvalsi della consulenza del pilota Guido Cappellini [2]. Attraverso un continuo confronto con la sua pluriennale esperienza è stato possibile individuare le reali necessità dei piloti sia nelle normali condizioni di gara che nelle situazioni di emergenza e pericolo. Sono quindi stati presi in considerazione i seguenti aspetti: - la posizione di guida; - le manovre che deve riuscire ad eseguire l equipaggio in gara; 4 luglio

22 - la sicurezza dell'equipaggio da un punto di vista puramente pratico e da quello del regolamento di gara; - la procedura per uscire dal cockpit in caso di capovolgimento; - ulteriori aspetti ergonomici e strutturali per render la capsula sempre più sicura. Il primo passo è stato quindi quello di individuare una soluzione strutturale della cellula e della porzione di scafo ad essa collegata che consenta di dissipare la maggior parte dell'energia trasmessa in occasione di un impatto. In passato, nelle prime gare di motonautica, la tendenza era quella di mantenere pilota e imbarcazione "indipendenti", ovvero in caso di incidente il pilota poteva essere proiettato fuori dall abitacolo e tutta l energia dell impatto si scaricava sull imbarcazione. Ovviamente tale soluzione non era priva di rischi per il pilota e non è, ad oggi, accettabile. Tuttavia, con una semplice estrapolazione, il concetto di "indipendenza" può essere oggi applicato alla cellula utilizzando dei sistemi di connessione allo scafo opportunamente tarati in modo che, in caso di impatti di notevole violenza, ne consenta lo sganciamento dallo scafo. Questo consentirà che, in caso d incidente, sia solo l imbarcazione ad assorbire la maggior parte dell energia d'urto, liberando la cellula e l'equipaggio in essa racchiuso. Non va trascurato infatti che, anche se non è impossibile dimensionare una struttura che sopporti 10 g di decelerazione, il corpo umano sottoposto ad una decelerazione del genere, subirebbe comunque danni irreparabili. Figura 1: Situazione odierna in caso di incidente 2. STUDIO ERGONOMICO Lo studio consiste nel cercare una nuova forma di capsula di sicurezza che permetta di integrare la forma esterna con le esigenze dell equipaggio all interno. La scelta della forma esterna della cellula di sicurezza è stata decisa considerando una serie di parametri [3] [4]. Tra questi è stato prioritario quello di creare una forma molto affusolata in modo da permettere alla capsula, in caso di capovolgimento, di opporre il minor attrito possibile a contatto con la superficie dell acqua. In considerazione della forma affusolata della capsula di sicurezza si è optato per una disposizione interna dell equipaggio a tandem, a differenza di quella utilizzata fianco a fianco. Questa nuova disposizione, oltre a migliorare l aspetto aereo/idro dinamico, consentirà anche la possibile configurazione ad un singolo occupante, semplicemente accorciando lo stampo. Tenuto presente quanto detto sopra e considerato che 4 luglio

23 la cellula di sicurezza dovrà resistere agli impatti provenienti da ogni direzione, la forma più adatta è risultata essere quella ad uovo. La forma ad uovo dovr{ quindi risultare: - trasversalmente ovale, nella direzione in cui riceverà la maggior parte degli urti, - leggermente affusolata longitudinalmente, tale da permettere un impatto con l acqua meno violento. Mediante alcuni calcoli teorici è stato stabilito che la lunghezza massima della capsula di sicurezza non deve superare i 4 metri, misura questa che consentirà una facile installazione su imbarcazioni da gara di diverse dimensioni e classi. A questo punto del progetto si è passati allo studio dell ergonomia all interno della capsula nel rispetto delle disposizioni richieste per i cockpit da gara dal regolamento WPPA [5] e UIM [1]. Il primo passo è stato quello di posizionare i piloti all interno della capsula di sicurezza e, successivamente, le uscite di sicurezza superiori ed inferiori che dovranno consentire sia all equipaggio che ai soccorsi di potervi rapidamente accedere in caso di soccorso. La posizione del parabrezza è stata concepita in modo da consentire la maggiore visuale possibile del campo di gara (figura 2). È stato poi posizionato il roll-bar ed il grigliato strutturale interno rispettando lo spazio libero tra essi e l equipaggio (clearence) previsto dal regolamento (figura 3). Infine, sono state posizionate le strumentazioni di bordo. Figura 2: Viste esterne ed ingombri della capsula di sicurezza 4 luglio

24 Figura 3: Disposizione interna della capsula di sicurezza 3. MODELLAZIONE AD ELEMENTI FINITI Per condurre l analisi FEM è stato utilizzato il codice di calcolo ad elementi finiti MSC Nastran [6], il quale oltre ad essere riconosciuto dalle più importanti Società di Classifica, è dotato di numerose procedure per la soluzione di problematiche legate a grandi deformazioni e risposte dinamiche non lineari. Nella prima fase dell'analisi è stata modellata in modo dettagliato la geometria della capsula costituita da un grigliato di travi in materiale composito che supporta i gusci in sandwich di diversi spessori a seconda della zona. Per questo scopo è stato utilizzato il software di modellazione Rhinoceros [7]; nelle figure 4 e 5 è rappresentato il modello geometrico completo. Figura 4 e 5: Modello geometrico dell intera struttura analizzata Dopo la definizione del modello geometrico si è quindi passati alla preparazione del modello per l analisi FEM, utilizzando il pre processore MSC Patran. Una corretta modellazione della geometria consente di ottimizzare la meshatura del modello con conseguenti vantaggi sui tempi di calcolo e sulla qualità dei risultati. Nelle figure 6 e 7 è riportato il modello geometrico generato in Patran con le superfici pronte per la meshatura. 4 luglio

25 Figura 6 e 7: Modellazione superfici in Patran Per la generazione della mesh, effettuata mediante le procedure Isomesh (mappata) e Paver (automatica) a seconda delle zone, sono stati utilizzati elementi shell quadrangolari della libreria Nastran (QUAD). La scelta della dimensione dei singoli elementi è stata determinata in modo tale da garantire la congruenza tra i vari elementi strutturali giungendo ad una dimensione degli elementi 10 x10 mm. A titolo di esempio si riporta in figura 8 il particolare dell incrocio tra l elemento strutturale trasversale "ad omega" A, avente un'altezza di 40 mm ed una piattabanda di larghezza 40 mm, ed il rinforzo longitudinale ad "omega" B, avente altezza h di 100 mm ed una piattabanda di larghezza 40 mm, dove si può notare come sono stati collegati i vari elementi mediante la corrispondenza dei nodi di unione. Questa operazione è necessaria per ottenere una corretta distribuzione delle sollecitazioni in ogni elemento. Nelle figure 9 e 10 viene riportato il modello numerico completo, composto da 239,361 nodi e da 244,252 elementi, suddivisi nelle tipologie riportate in Tabella 1. Figura 8: Particolare di incrocio tra rinforzi ad omega A e B 4 luglio

26 Figura 9 e 10: Modello numerico del guscio in sandwich e del grigliato strutturale Tabella 1: Elementi utilizzati nel modello A questo punto della modellazione è stato verificato l orientamento delle normali dei singoli elementi in modo da ottenere lo stesso orientamento per tutto il modello, indispensabile per una più facile interpretazione dei risultati. Nelle figure 11 e 12 viene riportata la scelta dell orientamento delle normali nel roll-bar e nel sandwich esterno. Lo stesso criterio è stato utilizzato per i diversi strati della sequenza di laminazione. Figura 11 e 12: Normalizzazione dell orientamento delle normali dei singoli elementi I singoli strati di un composito sono generalmente schematizzati come materiali ortotropi; un materiale ortotropo ha come caratteristica quella di avere tre piani di simmetria ortogonali tra loro. Nel nostro caso si è scelto di utilizzare materiali preimpregnati (Tabella 2) perché, a differenza degli altri metodi di impregnazione, garantiscono un rapporto certo resina - vetro, il quale unito a sistemi di formatura curing e post curing adeguati, consentono di prevedere in maniera certa i risultati. Una volta definiti i materiali si è potuto procedere alla creazione dei laminati in single skin e dei sandwich (figura 13) specificamente sviluppati per resistere alle forze di impatto previste. 4 luglio

27 Tabella 2: Materiali impiegati nella laminazione Figura 13: Realizzazione dei compositi in Patran. Nella condizione reale la capsula di sicurezza viene fissata all imbarcazione con due flange in single skin di ancoraggio longitudinali poste sui fianchi della capsula, le quali saranno fissate ai paramezzali dell imbarcazione come mostrato in figura 14. Nel modello numerico questi laminati sono stati schematizzati con due piastre in single skin di spessore 30 mm sui quali sono poi stati applicati i vincoli sulle estremità longitudinali. Nella simulazione condotta si è deciso di analizzare il caso peggiorativo, ovvero quello in cui la capsula non si sgancia dall imbarcazione da gara al momento dell impatto, assorbendone tutta la forza. A questo scopo si è proceduto a posizionare dei vincoli, che non permettano le traslazioni, nei nodi esterni delle piastre di ancoraggio (figura 15). 4 luglio

28 Figura 14: Metodo di installazione della cellula di sicurezza Figura 15: Applicazione dei vincoli in Patran Per quanto riguarda i carichi da applicare si sono studiati diversi load cases, come sintetizzato in Tabella 3. Nei primi due casi sono stati simulati i requisiti minimi richiesti dal regolamento UIM, riguardanti la tenuta del roll-bar [8] e la pressione che il cockpit deve sopportare [9]. Nei restanti tre casi si è andati a simulare i casi d incidente più pericolosi per una imbarcazione da 4 luglio

29 gara, e cioè il Dives, il Loop e l intrusione laterale da parte di un altra imbarcazione (side intrusion) [10]. Per simulare questi ultimi tre casi viene assunta come pressione quella ricavata dalla seguente formula: dove: ρ = 1025 [kg/m 3 ] V = 200 [km/h] Tabella 3: Load cases analizzati Figura 16: Caso Dives: esempio di area in cui viene applicata la pressione In tutti i casi è stata analizzata la distribuzione delle tensioni nel laminato nelle direzioni x e y e il taglio xy. Per la verifica delle tensioni risultanti è stato utilizzato il criterio di Tsai-Hill [11]. 4 luglio

30 4. SIMULAZIONE CASI RICHIESTI DAL REGOLAMENTO UIM 4.1. Caso dimensionamento roll bar E' stato applicato un carico di kn su una superfice di 0.03 m 2 equivalente all area della striscia di fasciame associata ai rinforzi che costituiscono il roll-bar. Figura 17: Taglio XY sandwich (N/mm 2 ) Figura 18: Taglio XY strutture di rinforzo (N/mm 2 ) In base a questa analisi il roll-bar ha soddisfatto le richieste del regolamento UIM; tale risultato è dovuto allo spessore del sandwich esterno che nella capsula da noi progettata è di 50 mm rispetto a quello da 20 mm solitamente impiegato Caso pressione sovrastruttura 4000N In questo secondo caso si è applicato un carico di 4000 N su una superficie di 0.35 m 2 che corrisponde all area più critica della sovrastruttura dove si trova l apertura per l uscita di sicurezza superiore. Figura 19: Taglio XY sandwich (N/mm 2 ) Figura 20: Taglio XY strutture di rinforzo (N/mm 2 ) Dall'analisi condotta è risultato che il pannello, costruito con un sandwich da 20 mm, ha soddisfatto le richieste dal regolamento UIM. 4 luglio

31 5. SIMULAZIONE CASI D INCIDENTE 5.1. Caso Dives In questo caso l imbarcazione, dopo essere decollata su un onda, assume un assetto troppo appruato che la porterà ad ingolfarsi nell'onda successiva subendo gravi danni, come testimoniato dalle immagini di figura 21. Figura 21: Caso Dives L imbarcazione viene quindi sottoposta ad un elevato carico longitudinale e può riportare gravi danni alla struttura dello scafo e del ponte di coperta. Il danno più rilevante è quello dovuto all impatto dell acqua sul parabrezza della capsula. A tal fine si è prevista un inclinazione del parabrezza inferiore ai 30 richiesti dal regolamento UIM. Per la simulazione di questa tipologia di incidente è stato applicato un carico di 1.58 N/mm 2 sulla parte più sollecitata della struttura che corrisponde alla parte centrale del parabrezza, con una superficie di circa 0.50 m 2. Figura 22: Taglio XY sandwich (N/mm 2 ) Figura 23: Taglio XY strutture di rinforzo (N/mm 2 ) 4 luglio

32 Figura 24: Deformazione lungo X (mm) Dall analisi condotta si può notare come le sollecitazioni vengano trasmesse dal parabrezza all ossatura longitudinale della murata (figura 24) la quale a sua volta le andr{ a scaricare sui supporti di ancoraggio. Il sistema di ancoraggio della capsula è stato progettato in modo che, se la pressione risultasse troppo elevata per il sandwich della sovrastruttura, i supporti di ancoraggio cedano prima di provocare il collasso della capsula. Questa soluzione permetterebbe di dissipare buona parte della forza d impatto, a beneficio della capsula e dei suoi occupanti Caso Loop In caso di Loop l imbarcazione perde completamente l assetto, dovuto alla veloce variazione dell incidenza del fondo dello scafo, fino a quando la portanza provoca prima il decollo dell'imbarcazione e poi il ribaltamento, come mostrato in figura 25. Figura 25: Caso Loop 4 luglio

33 Questo tipo di incidente è uno dei più pericolosi in quanto, quando l'imbarcazione impatta sull'acqua, tutta la forza dell urto viene scaricata sulla capsula che protegge i piloti; spesso le capsule oggi in uso cedono alla pressione con conseguenze letali. Anche nella simulazione del caso di Loop si è scelto di applicare un carico di 1.58 N/mm 2. In questa situazione la parte che verr{ maggiormente sollecitata per effetto dell incidente corrisponde alla zona alta a poppa della capsula, che risulta esser pari ad una superficie di 0.53 m 2. Figura 26: Taglio XY sandwich (N/mm 2 ) Figura 27: Taglio XY strutture di rinforzo (N/mm 2 ) Figura 28: Deformazione lungo X (mm) I plottaggi mostrati nelle figure 26 e 27 mostrano come le sollecitazioni maggiori vengano scaricate quasi completamente sui rinforzi della zona poppiera, i quali a loro volta come nel caso precedente, le andranno a scaricare sui supporti di ancoraggio Caso Intrusione Questo tipo di incidente, fortunatamente, in Class 1 non si è ancora verificato; tuttavia considerando quanto le imbarcazioni corrano vicine le une alle altre (come mostrato in figura 4 luglio

34 29) costrette in scia ad impattare sulle onde formate dagli altri scafi, è sembrato quantomeno cautelativo tenere in considerazione anche questo tipo d incidente. Figura 29: Gara di Class1 Figura 30: Caso d intrusione Con gli scafi da gara attuali, in caso di un intrusione laterale, l imbarcazione coinvolta sarebbe facilmente passata da murata a murata in corrispondenza della capsula e per gli occupanti ci sarebbero ben poche possibilità di sopravvivenza (figura 30). Si è quindi andati ad applicare un carico di 1.58 N/mm 2 al pannello di murata in corrispondenza del posto di guida con una superficie di 0.41 m 2. Figura 31: Taglio XY sandwich (N/mm 2 ) Figura 32: Taglio XY strutture di rinforzo (N/mm 2 ) 4 luglio

35 Figura 33: Deformazione lungo X (mm) In quest'ultimo caso si può notare come il sandwich da 140 mm soddisfi le aspettative assorbendo quasi tutta la pressione e distribuendone una minima parte sui roll-bar. A titolo cautelativo si è deciso di applicare tutta la forza sul pannello della capsula senza tener conto che buona parte della pressione verrebbe scaricata e dissipata prima sulla murata dell imbarcazione, poi sulla paratia longitudinale dello scafo ed infine sulla capsula. 6. VERIFICA DEI RISULTATI DELLE ANALISI FEM Sui risultati ottenuti è stato effettuato un controllo per verificare che il valore delle tensioni lungo X (Tabella 5) e Y (Tabella 6) e i valori del taglio XY (Tabella 7), in ogni strato, non superassero quelli limite del materiale utilizzato. Di seguito viene riportata la formula di Tsai- Hill [11] utilizzata per la verifica delle tensioni nei singoli strati dei laminati, la Tabella 4 con le caratteristiche meccaniche dei materiali utilizzati e l esito della verifica FEM per ognuno dei casi considerati. Tabella 4: Caratteristiche meccaniche dei materiali utilizzati 4 luglio

36 Tabella 5: Valori delle tensioni lungo X Tabella 6: Valori delle tensioni lungo Y 4 luglio

37 Tabella 7: Valori delle tensioni di taglio XY 7. CONCLUSIONI Lo scopo del lavoro qui descritto era quello di progettare una capsula di sicurezza universale, per imbarcazioni a motore da competizione, in grado di resistere a diverse tipologie di incidenti. E' stato inoltre studiato un sistema che ne permettesse la rapida ed economica installazione anche su imbarcazioni già esistenti, senza dover apportare modifiche importanti alla struttura dell imbarcazione. Mediante l analisi FEM è stato possibile individuare i punti dove la struttura viene maggiormente sollecitata, ottimizzando così il grigliato strutturale affinché supporti al meglio il guscio esterno in sandwich. È stata studiata, in particolar modo, la risposta del sandwich in ogni suo strato e verificatala resistenza alle sollecitazioni dell'impatto. La disposizione dell equipaggio in tandem adottata in questo studio, al momento è sperimentale in quanto non prevista dal regolamento. Tuttavia tale soluzione rende la capsula più sicura e di più facile costruzione ed installazione rispetto a quelle del tipo side by side. I possibili sviluppi futuri di questo progetto sono rappresentati dai seguenti argomenti: - Analisi FEM in campo non lineare della capsula di sicurezza costituita dal solo fasciame in sandwich senza l utilizzo del grigliato strutturale e del roll-bar previsti dal regolamento UIM. - Studio di una capsula di sicurezza per un solo Pilota. Questa soluzione risulta esser più adatta al tipo di gare offshore moderne, in quanto queste si corrono su circuiti costieri e non più in mare aperto dove vi era la necessità del Throttleman. Questa nuova configurazione potr{ consentire un controllo migliore dell imbarcazione da parte del pilota. BIBLIOGRAFIA [1] Union Internationale Motonautique (UIM), Offshore 508 Guidelines, [2] Guido Cappellini, STUDIO DI UNA CAPSULA DI SICUREZZA PER BARCHE DA GARA OFFSHORE 4 luglio

38 V CONGRESSO SEA MED 4 luglio Messina [3] Sergio Abrami, Evoluzione della normativa sulla sicurezza in offshore, [4] Fabio Buzzi, Progettare per vincere, Mursia, [5] World Professional Powerboating Association (WPPA), The racing rules of professional powerboating, [6] MSC Nastran User s Guide, [7] Rhinoceros SR8, [8] M. Lundblad, Sample dimension of rollbars 3C, Union Interernationale Motonautique (UIM), /2011. [9] S. Hansen, CL3 cockpit consideration, Union Interernationale Motonautique (UIM), [10] C. Di Trapani, E. Mastrella, A. Zallo, G. Pantanella, M. Benedetti, M. Calcagni, Affondamento dei motori di un veicolo di lancio, Compositi magazine, anno VII numero 25, [11] Daniel Gay, Suong V. Hoa, Composite materials: Designe and Applications, CRC Press, second edition, luglio

39 4. Fatica oligociclica di giunzioni saldate utilizzate nelle costruzioni navali P. Corigliano 1, V. Crupi 1, W. Fricke 2, E. Guglielmino 1 1 DIECII, Università di Messina 2 Institut of Ship Structural Design and Analysis, Hamburg University of Technology Le strutture saldate utilizzate in campo navale sono generalmente sottoposte a sollecitazioni variabili nel tempo. In alcuni dettagli strutturali saldati, a causa di condizioni di carico mutevoli, possono prodursi significative deformazioni elasto-plastiche, le quali possono portare alla rottura del componente dopo un numero di cicli di esercizio relativamente basso. L obiettivo del presente lavoro è stato quello di investigare il comportamento di giunzioni saldate a T in regime di fatica a basso numero di cicli (LCF) mediante tecniche a campo intero: la Digital Image Corrrelation (DIC) e la tecnica termografica ad infrarossi (IRT). Sono state eseguite prove di LCF su provini saldati small scale con lo scopo di ottenere condizioni di carico analoghe a quelle che si hanno nei componenti large scale nelle loro effettive condizioni di esercizio. Un analisi non lineare agli elementi finiti è stata inoltre condotta mostrando un discreto accordo con i risultati sperimentali(fig. 1).L analisi sistematica dei risultati ottenuti ha permesso di comprendere meglio gli effetti delle discontinuità geometriche, con l obiettivo di fornire informazioni utili allo sviluppo di modelli per la previsione del comportamento a frattura e a fatica di giunzioni saldate in regime di LCF. Confronto tra i risultati dell analisi FEM e quelli ottenuti mediante tecnica DIC. 4 luglio

40 5. Cutting off deck vibration with floating floors: problem definition and solution strategy M. Biot 1, D. Boote 2, E. Brocco 1, A. Clericuzio 3, L. Moro 1, P. N. Mendoza Vassallo 1, T. Pais 2 1 Department of Engineering and Architecture, University of Trieste 2 Department of Naval, Electrical, Electronic and Telecommunications Engineering, University of Genoa 3 CSNI Scarl, Genoa Sommario Il progettista navale deve far fronte a richieste sempre più esigenti in termini di comfort di bordo, soprattutto per imbarcazioni da crociera e yacht di alta qualità. Le tecniche per la valutazione dei livelli di comfort offerti a bordo sono sempre più evolute ma si scontrano con strette tempistiche progettuali e onerosità di calcolo. Per questo motivo la progettazione dei sistemi di isolazione del rumore e delle vibrazioni si basa ancor oggi su approcci numericosperimentali. In questo ambito, al fine di promuovere l approccio razionale al progetto e all ottimizzazione degli isolamenti da ponte, viene qui proposta una procedura che coniuga rigore scientifico e praticità nella selezione dei sistemi di isolazione ad alte performances. In quanto segue, dopo una breve presentazione della problematica del comfort vibro-acustico, viene illustrata la pratica odierna nella caratterizzazione vibro-acustica dei floating floors e infine viene introdotta la procedura proposta portando un esempio applicativo. 1. INTRODUCTION The issue of comfort on board of cruise ships and yachts, with particular reference to noise and vibrations, has become of paramount importance in recent years [5]. Actually, given the strong competition among the different European shipyards, triggered by the shipowners demand ever growing towards a better quality of the product, the ability to offer a ship featuring a higher level of comfort represents a crucial factor for the success of a design. Effective actions against causes of vibro-acustic discomfort can be taken by a proper isolation design of the sources or by the decoupling of the receivers from the vibrating structures excited by the sources. Both solutions are mostly taken on when approaching the task of reducing the levels of vibration and structure-borne noise in the accommodation decks of the ships [11]. In cabins and public areas, comfort perception is highly affected by the vibration of the floor, which largely has a direct interaction with human body. The prevention of floor vibrations is therefore one of the main targets in the comfort design of ships where passengers judgment is of primary importance, like cruise ships and yachts [3]. In the practice, different and based on different principles are the solutions today employed for the cutting of deck vibrations. In a typical approach, laboratory tests are carried out to design floors able to effectively cut off the vibration levels transmitted by the deck plating. Such approach is justified by a typical demand manifested by manufacturers, which is the comparative validation of new isolating floor solutions. The laboratory test procedure is well consolidated and leads to reliable comparative results in terms of transmission loss index or insertion loss index. On the other hand, numerical simulations are only done when performing an optimization process aimed to the identification of possible changes in the layout of a tested or conceived floor solution. 4 luglio

41 In the joint laboratory recently set up by the cooperation of the University of Trieste, University of Genoa and CSNI, the research branch of a company specialized in supplying thermo-vibro-acoustic isolation products for cruise ships and yachts, a systematic analysis of the dynamic characteristics of different types of floor solutions has been carried out. A method of experimental investigation has been established based on common practice. Results of the tests are opening to new solutions in the reduction of deck vibrations on board ships. The consolidated standards of investigation, the experimental and numerical approach implemented in the laboratory tests and the discussion of results of measurement of dynamic characteristics carried out on different floor solutions, are the subject of the paper. 2. BACKGROUND On board of ships there are several sources exciting vibrations, usually located at the stern end of the ship and in the lower part of the hull, such as propellers, main engines and auxiliary machines [11]. As for the latter, in some cases they are placed, like in the case of the air conditioning units, along the ship on the accommodation decks. All the mentioned vibration sources cause stationary vibration levels that give rise to a continuous cyclic loading on the ship structures and a stationary disturbance on the people on board, when the phenomenon is perceived as a deck vibration or a noise induced by vibration of ship interiors [10]. Other vibration sources cause intermittent vibrations on the hull structures, like thrusters and machines that are in operation for short periods with very long intervals between startingups. They too cause structure vibrations, which could cause high levels of stress and noise, but since they are only present for short periods, their effects may be considered of less importance. Along with the Diesel engines, propellers are the main sources of hull structures vibrations on board a ship. From a propeller, excitation forces are transmitted into the ship by the shaft line and in form of pressure pulses acting on the ship s hull part above propeller. Whereas shaft line forces are relevant in the analysis of shaft line vibration, the pressure fluctuations at the stern are the predominant factor for vibrations of ship structures, especially in case of propeller with strong cavitation [1]. A complete dynamic characterization of the structure borne vibration barriers, being they resilient mountings placed below Diesel engines and machinery or isolating floors laid out on the decks, is performed by specific testing procedures. Test rigs and outfitting are used in laboratories specifically equipped, and testing is performed at frequencies ranging at best up to 4 khz. The specifically designed equipment should be able to dynamically excite materials and systems under testing while a static load is applied. On board ships, to avoid high level of structure borne noise due to main engines, the first step is to dynamically characterize the resilient mountings [4]. As no analytical methods are today available to predict non-linear behavior of resilient mountings, special laboratory tests are carried out [10]. This preliminary analysis is necessary to design the decoupling system between Diesel engine and ship structure. The propeller, the second major source of vibrations on board ships, is hydrodinamically designed in order to reduce the pressure peaks arising on the hull plating and its inclination to cavitation. When high levels are expected on the hull plating above the propeller disc, damping systems are applied to the hull plating. Once the input levels of the main vibration sources are defined and controlled, a preliminary evaluation of the levels of the dynamic excitation of the decks may be performed [13], usually covering the frequency range of the mechanical vibrations of the structures, up to about 100 Hz [2]. Methods for estimating the structure borne vibration levels caused on the decks by the main onboard sources are not straightforward and, in the design practice, no specific assessment procedures are implemented. In other words, the first choices pertaining to the 4 luglio

42 isolation barriers are those relevant to the systems directly acting on or close to the vibration sources in order to keep low the vibration levels spreading from the sources to the whole hull structure [11]. The choices relevant to the isolation of the decks are left to the expertise of the designer, and no direct calculations are performed to assess the needs in terms of isolation performances. Usually, isolating floors are selected according to gained experience. Selection is made basing on the isolation characteristics declared by the manufacturers of the isolation systems. As no analytical methods are today available to predict behavior of such systems, special laboratory tests are carried out. The most common equipment used to characterize the vibration isolation capabilities of ship s deck isolation systems is the mock-up of the deck s structure [6]. The experimental setup is just a part of a deck, a flat plating complete of its supporting grillage made of stiffeners and one or more deck beams and girders. The mock-up should replicate the typical deck structure arrangement of the specific ship (or type of ship) for which tests are carried out. In the practice, the same mock-up is used for setting isolating floors for different ships, being generally the structure of the accommodation decks a light structure not very unlike on cruise ships and yachts. The use of the same mock-up is also motivated by comparison purposes. In the test procedure, the deck mock-up is placed horizontally on soft spring supports and it is excited by an electromechanical shaker with a stationary input in terms of flat force spectrum. Acceleration levels are measured on the lower side and on the upper side of the plating. Measures are taken on a sufficient number of point in order to average the effects of the major harmonics components of the vibration spectrum. The difference in the average vibration levels evaluated on the lower side of the deck plating Lvd (V for velocity and d for deck) and on the deck covering Lvf (f for floor), gives a measure of the isolation capabilities of an elastically supported isolation system, whose vibration cutting off ability is based on the mechanism of decoupling between floor and plating. In the case of isolation systems working according to the damping effect, the isolation performances are conveniently synthesized by the difference of the vibration levels measured both on the upper side before and after the application of the isolation system and referred to as Lv0 and Lvf respectively. The index conventionally used to characterize the isolating floor is called transmission loss (TL) for the decoupling systems and insertion loss (IL) for the damping systems: In general, because of the use of a practical procedure, the measured indexes, which synthesize the dynamic characterization of the isolating floors, just maintain the meaning of comparative parameters, and tests results can only be employed for comparative purposes. Lack of international standards and guidelines on how to characterize the vibration isolation of deck coverings is usually compensated by expertise of the comfort designers. 3. IMPROVED DESIGN PROCEDURE With the aim of supporting designers in the decision process relevant to the improvement of the dynamic performances of a deck isolation system like a floating floor, a procedure based on numerical calculations and further laboratory tests has been set. In effect, after carrying out the traditional laboratory tests on the mock-up of a plating deck, it is a typical need of the 4 luglio

43 designer to know the effects, on the dynamic performances of the tested isolation system configuration, due to possible modifications. This can be made on a rational basis by resorting to a coupled numerical and experimental assessment procedure. In the first step of the enhanced procedure, the concurrent effects of mass and stiffness changes is evaluated by an FE analysis developed on a significant extension of the deck isolation system. The study is specifically performed to evaluate the dynamic behavior of the elastic part of the isolation system, while the role of the floor finishing, being this just effective as acoustic isolation, can be disregarded in this phase. The same stands for the deck plating which, being made of steel or aluminum alloy, has a higher stiffness that depends on the structural scantling and cannot be optimized for isolation purposes. In fact, the floating floor works as a typical spring-mass system to reduce vibrations on the planking level through the decoupling between deck plating and floor by means of the elastic part of the system. Implementation of the FE analysis requires the knowledge of the material parameters, like the elastic modulus and the frequency varying damping properties, which should be available after specific material testing. The elastic part of the isolation system is studied under the assumption of small displacements (linear system) and soundness of FE model is validated in terms of frequency response functions of the vibration velocity by the comparison of the calculated FRF s with those derived by the measurement campaign carried out on the deck plating mock-up. If necessary, an updating process of the FE model is developed. In doing this, attention is focused on the first vertical mode, by controlling the relevant modal frequency. In particular, the aim of the FE modal analysis is the evaluation of the modal frequency associated to the first vertical mode of the deck isolation system. Once the model has been validated, a series of possible enhancements may be tested by evaluating the effects of minor but effective modifications made on the original system configuration. Changes are relevant to the mass distribution and stiffness of the elastic part and, if possible, to the mass of the relevant supporting frame. The final targets of the analysis are in general both the reduction of the weight of the floating floor and the increase of its transmission loss. The latter is controlled by lowering the value of the modal frequency associated to the first vertical mode of the spring-mass system, by acting on the stiffness (and the damping properties) of the elastic part of the isolation system. The role of the first vertical modal frequency is of primary importance, as it controls the shift of the transmission loss curve along the frequency axis and, therefore, the levels of the transmission loss at every frequency, while the slope of the curve is dominated by the damping coefficient of the elastic material. The optimization process is subject to operative design restrictions like, for instance, a low deflection of the planking level when undergoing the action of the inertial forces due to the mass of furniture, equipment and people. The optimization process moves from the reduction of the masses of the mass-spring system, which have influence on both the weight and the dynamic response of the isolating floor. In the second step of the enhanced procedure, the concurrent effects of mass and stiffness changes is validated by carrying out tests on the most promising solutions previously identified in the predictive numerical analysis. The experimental tests are carried out on a small portion of each improved configuration, in order to assess their dynamic transmissibility and to validate the outcomes of the predictive analyses. The dynamic transmissibility T2,1(f) is defined as the output to input force ratio where the input force F1(f) is referred to a unit mass [4]. By defining the output force F2(f) and the input force referred to unit mass though the acceleration a1(f), where subscript 1 refers to input side and 2 refers to output side, that is the base and the top of the testing sample, it comes out: 4 luglio

44 The dynamic transmissibility is evaluated in the entire range of frequencies f of interest for the dynamic characterization by means of measurements performed on laboratory test rigs. The ISO standards could be a sound reference for the experimental measurement of such dynamic transfer properties in both the low and high frequency range [7][8][9]. According to that approach, the characterization of a spring-mass system is achieved by referring to a three block system: the vibration source (i.e., the vibrating panel of the deck), the isolation system (i.e., the floating floor system) and the receiving element (i.e., the floor finishing). Application of the procedure is subject to the main assumption, that the contact between the three blocks may be treated as a series of independent single-point-connected systems. According to the ISO , to describe the vibro-acoustic characteristics of a spring-mass system the most significant parameter is the dynamic transfer stiffness, which is defined as the ratio between the dynamic force on the blocked output side of an isolator F 2b(f) and the displacement on the driven side u1(f). Once the dynamic transfer stiffness has been obtained, the dynamic transmissibility can be derived [4][12]: In the audio-frequency range, the dynamic transfer stiffness of an isolation system is determined using the so-called indirect method proposed in the ISO In the indirect method [14], the blocking force is not directly measured and is derived from acceleration measurements performed on the blocking mass that is dynamically decoupled from the test rig chassis, as shown in Figure 1. The testing sample is not directly coupled with the vibration source, as a compact mass, called excitation mass, is interposed. The excitation mass function is to provide the condition of contact point at the input side of the testing sample and, as the blocking mass, is dynamically decoupled from the test rig structure using auxiliary isolators. Under the testing sample, the so-called blocking mass is placed. It provides a high-stiffness contact point at the isolator output side, so that the forces between the isolator output side and the receiving mass are approximately equal to the blocking forces. The blocking mass must have a high inertia, both translational and rotational, whereas its decoupling isolators should have a suitable low stiffness to keep low the resonance frequencies of the six rigid motions of the mass. An actuator is used for applying a static preload, so that the testing sample is tested in working condition. The approach is valid if tests are performed in a frequency range that is not affected, at the lower frequencies, by the vertical motion at resonance frequency of the blocking mass constrained between the soft isolator bed and the testing sample and, at the higher frequencies, by the limit of the rigid-body like behavior of the blocking mass. A proper setting of the test rig allows to perform reliable measurements on a wide range of frequencies, in general adequate for the dynamic characterization of a floating floor. At the Ship Noise and Vibration Laboratory of the University of Trieste, a test rig is available for testing elastomeric spring-mass systems. It has been specifically designed to assess dynamic behavior of the resilient elements used for isolating the main Diesel engines on 4 luglio

45 board cruise ships and can also be conveniently used to validate the behavior of the isolating floating floors for using onboard ships. Figure 1: Test rig layout for the laboratory experiments (according to the indirect method). The process of optimization of the isolation floor can be concluded by comparison of the curves of the dynamic transmissibility versus the frequency obtained for the various configurations. Finally, the performances of the enhanced solution can be assessed on the deck plating by the traditional experimental setup for the evaluation of the transmission loss curves. 4. IMPLEMENTATION OF THE PROCEDURE TO A REAL CASE The described procedure has been implemented to study a real case, with the aim to optimize a high performance floating floor to be used on board ships where the level of comfort to be 4 luglio

46 assured is very high. The deck isolation system is a typical floating floor made of a grillage of hollow beams that are elastically suspended on a strip made of viscoelastic material. The beams act as a support for both the noise isolation mineral wool panels, which are keep disconnected from the deck plating, and for the floor finishing panels, usually calcium-silicate panels. In a first phase, the isolation system in its original configuration has been tested on the deck plating mock-up and the transmission loss curves shown in Figure 2 have been derived for the case of no preloading and of a uniform applied pressure of about 440 N/m 2. For the same system, and specifically for the elastic part of the system, a complete characterization of the material parameters was available and, on this basis, a linear FE analysis was carried out, leading to the validation of the first vertical mode frequency for comparison with that evaluated by direct measurement. Then, a series of modifications has been conceived, with the aim to find the best compromise between weight of the system and dynamic performances in terms of transmission loss index. Different solutions have been modelled, by reducing the thickness of both the elastomer and the grillage beam section, by altering the elastic modulus of the elastomer and finally by modifying the shape and extension of the footprint of the elastomer on the deck plating while the beam spacing remains fixed being it harmonized with the stiffening spacing of the deck structure. Figure 2: Transmission Loss index measured on the plating deck mock-up. The FE model used for the dynamic characterization of the isolation system is just a module of the grillage. In Figure 3, the model is shown with reference to the base solution. 4 luglio

47 Figure 3: FE model of the floating floor (Modification #6). In Table 1, some of the results of the 14 cases studied are shown, expressed in terms of vertical deflection and first vertical mode frequency, two of the governing factors of the optimization process. Moving from the first configuration listed in the table, which is the original configuration (Mod. #0) and is here used as reference for the evaluation of the modifications benefits, to the others listed in table, the weight per square meter of the isolation system is decreasing, as shown in the third column of the table. Results refers to a static preload of 2450 N/m 2. Values shown in Table 1 gives evidence of pros and cons obtained by single modifications and also by combining them on the base configuration. Variations of the factors governing the optimization process can be very high and should then be compared with design restrictions, like the admissible operative deflection. From a first analysis, the best solution is that identified as Mod. #9 provided that the maximum vertical deflection could be considered admissible. 4 luglio

48 As for the second phase of the optimization process, being the research project ongoing, no results are now available. Testing on the most promising solutions have been scheduled but not performed. The sample of the improved configurations of the floating floor are in process and the first results in terms of dynamic transmissibility are expected in the next months. As a first result, it may be concluded that the numerical FE analysis can be effectively applied in the design process of a high performance floating floor and that the proposed procedure appears to be effective in supporting the designer in the selection process of high performance floating floors. 5. CONCLUSIONS Design of deck isolation systems like floating floors needs to be performed by making use of rational based procedures in order to fulfill the ever-growing request of comfort expressed by passengers on board of cruise ships and yachts. The decision processes for the optimization of the vibration isolation systems may be supported by a coupled numerical and experimental assessment procedure like that proposed in the paper. By implementing the improved design procedure, a fully dynamic characterization of the isolation systems can be performed leading to enhanced solutions. In the outlined real case, potentiality of the method is proven even if results are not yet conclusive, as the research project within the real case has been analyzed is in progress. REFERENCES [1] Asmussen I., Menzel W. and Mumm H., GL-Technology: Ship vibrations, Issue No 5, Germanischer Lloyd, (2001). [2] Biot M. & De Lorenzo F., Reviewing the new (now old) ISO 6954:2000 Standard, The Naval Architect International Journal of The Royal Institution of Naval Architects, March 2010, pp.36-39, (2006). [3] Biot, M. & De Lorenzo, F. Open Issues Regarding Noise and Vibrations on Board Cruise Ships: a Suggested Approach for Measuring Comfort. Proceeding of the Autumn Conference 2007 Advanced in Noise and Vibration Engineering, Institute of Acoustics, Oxford, UK, (2007). [4] Biot, M. & Moro, L. Experimental study of a resilient mounting for marine diesel engines. Proceedings of the IMDC 2012 Conference, Vol. 3, pp , Glasgow, UK, (2012). [5] De Lorenzo, F., Biot, M. and Blanchet, A., Ship noise and vibrations: some notes on the evolution of the standards. Proceeding of the International Conference on Marine Research and Transportation ICMRT 05, Naples, Italy (2005). [6] Ferrari, A. & Rizzuto E., Modal behavior of a full-scale deck panel with anti-noise treatment. Maritime Transportation and Exploitation of Ocean and Coastal Resources, pp , Ed. Guedes Soares, Garbatov & Fonseca, Taylor and Francis, London, UK, (2005). [7] ISO , Acoustics and vibration Laboratory measurement of vibro-acoustic transfer properties of resilient elements Part 1: Principles and guidelines. International Organization for Standardization, (2008). [8] ISO , Acoustics and vibration Laboratory measurement of vibro-acoustic transfer properties of resilient elements Part 2: Direct method for determination of the 4 luglio

49 dynamic stiffness of resilient supports for translatory motion. International Organization for Standardization, (2008). [9] ISO , Acoustics and vibration Laboratory measurement of vibro-acoustic transfer properties of resilient elements Part 3: Indirect method for determination of the dynamic stiffness of resilient supports for translatory motion. International Organization for Standardization, (2002). [10] Mondot J.M. and Petersson B. Characterization of structure-borne sound sources: The source descriptor and the coupling function. Journal of Sound and Vibration, 114(1), (1987). [11] Moro, L., Biot, M., Brocco, E., De Lorenzo F. and Mendoza Vassallo, P.N. Hull Vibration Analysis of River Boats. First International Conference IDS2013 Amazonia, Iquitos, Peru, (2013). [12] Moro, L, Biot, M, Mantini, N, and Pestelli, C., Solutions to improve accuracy in experimental measurement of the dynamic response of resilient mountings for marine diesel engines, Analysis and Design of Marine Structures, pp , Ed. C. Guedes Soares and J. Romanoff, Taylor and Francis, London, UK, (2013). [13] Petersson, B. and Plunt, J., On Effective mobilities in the prediction of structure-borne sound transmission between a source structure and a receiving structure, part 1: Theoretical background and basic studies. Journal of Sound and Vibration, 82, (1982). [14] Thompson, D.J., Van Vliet, W.J. and Verheij, W., Developments of the Indirect Method for Measuring the High Frequency Dynamic Stiffness of Resilient Elements. Journal of Sound and Vibration, 213(1), pp , (1998). [15] Yucel A. & Arpaci A., Free and Forced Vibration Analyses of Ship Structures Using the Finite Element Method, Journal of Marine Science and Technology, DOI /s , Springer, (2012). 4 luglio

50 6. Analisi sperimentale di giunzioni incollate in composito per applicazioni navali S. Abrami 1, F. Cucinotta 2, G. Epasto 2, G. Risitano 2 1 Progettista nautico, titolare dello studio SAYD 2 DIECII, Università di Messina L utilizzo dei materiali compositi fibro-rinforzati sin dalla loro introduzione è cresciuto significativamente negli ultimi anni. I compositi hanno ampiamente dimostrato la loro funzionalità in campi sempre più diversificati. La bassa densit{, l alta resistenza, l elevata rigidezza rispetto al peso, l eccellente durabilit{ e la versatilit{ nell assumere le forme più svariate sono le ragioni principali del loro successo come componenti strutturali negli aerei, nelle automobili, nei moduli spaziali, nelle imbarcazioni ed in molti altri campi. Nel presente lavoro di ricerca sono state svolte delle prove statiche di flessione a 4 punti su giunzioni incollate realizzate in provini di materiale composito laminato (figura 1).L andamento degli spostamenti durante la prova è stato analizzato mediante l'utilizzo della tecnica di correlazione delle immagini (DIC). Durante i test è stato utilizzato anche un sensore all infrarosso termico al fine di misurare la variazione di temperatura e correlarla con i livelli di danno imposto. Dai risultati ottenuti si evince che un'analisi sperimentale "energetica" può essere di grande ausilio per la determinazione di parametri utili ai fini progettuali di giunzioni incollate in laminato composito. Geometria del provino in esame 4 luglio

51 7. Valutazione delle prestazioni dinamiche di sistemi attivi per il controllo del rollio con attuazione elettromeccanica A. Testa a, S. De Caro a, D. Bazzano a, M. Cacciato b, G. Scarcella b, G.Scelba b a DIECII, Università di Messina b DIEEI, Università di Catania Sommario L'articolo affronta lo sviluppo del modello matematico di un sistema attivo di attenuazione del moto di rollio imperniato su una coppia di pinne stabilizzatrici attuate elettricamente. Mediante il modello sviluppato possono essere analizzatele prestazioni dinamiche ed energetiche del sistema di stabilizzazione, sia nelle condizioni di imbarcazione in movimento che all ancora. 1. INTRODUZIONE Sistemi attivi per l attenuazione dei moti di rollio sono oggi ampiamente utilizzati in diverse categorie di imbarcazioni per ottenere alti livelli di comfort, per permettere all'equipaggio di lavorare nelle migliori condizioni possibili e per prevenire danni al carico. I sistemi più efficaci oggi disponibili sono quelli che utilizzano serbatoi antirollio e pinne stabilizzatrici mobili [1]. E inoltre possibile combinare queste due tecniche al fine di ottimizzare sia l'efficacia che la compattezza del sistema di stabilizzazione [2]. I sistemi di stabilizzazione con pinne mobili generano le coppie di contrasto al moto di rollio sfruttandola portanza generata dal profilo alare delle pinne[3].tuttavia, l efficacia di quest azione dipende fortemente dalla velocit{ dell imbarcazione, poiché le pinne generano una forza di portanza che diminuisce rapidamente al diminuire della velocità. Pertanto, se l'imbarcazione si muove lentamente, o se è all'ancora, l attenuazione dei moti di rollio è ottenuta facendo operare le pinne mobili come pagaie, sfruttando quindi forze di idrodinamiche di resistenza piuttosto che di portanza. Obiettivo principale di questo articolo è quello di presentare un modello matematico atto a valutare le prestazioni e l efficacia di un sistema di stabilizzazione anti-rollio basato su una coppia di pinne attuate elettricamente mediante azionamenti elettrici con Motori Sincroni a Magneti Permanenti (PMSM). Il sistema è gestito da un algoritmo di controllo, che determina la posizione della pinna al fine di minimizzare l'ampiezza del moto di rollio. Il modello matematico sviluppato può trovare applicazione nella valutazione delle prestazioni dinamiche ed energetiche del sistema di stabilizzazione e nel tuning dei parametri dei regolatori, un compito, spesso svolto sul campo con un approccio per tentativi. L articolo presenta in primo luogo lo sviluppo del modello matematico complessivo di un imbarcazione equipaggiata con il sistema attivo di stabilizzazione. Tale modello è poi utilizzato in alcuni esempi pratici per valutare le prestazioni dinamiche ed energetiche del sistema attivo di stabilizzazione in diverse condizioni di esercizio. 4 luglio

52 2. MOTO DI ROLLIO Il moto di rollio di un imbarcazione può essere descritto matematicamente tramite l espressione: J α + fα + C ( α ) = d + T (1) r x fin La coppia di raddrizzamento Cr(α), è una funzione sinusoidale dell angolo di rollio, della forza peso P e dell altezza metacentricagm, che rappresenta la distanza tra il centro di gravità e il centro di galleggiamento. Essa è espressa da: C r ( α ) = P GM sin( α ) = mggm sin( α ) mggmα (2) Se l angolo di rollio è inferiore a 10 gradi GM può essere considerata costante. e il termine sin(α)può essere approssimato a α. Sebbene il momento di disturbo dovuto alle onde dx possa assumere profili temporali complessi,senza perdita di generalità si suppone qui che dx abbia andamento sinusoidale: d = x Ad cos( ωt ) (3) 3. SISTEMA DI STABILIZZAZIONE ATTIVA Il momento risultante associato alla eq. (1) viene contrastato dall azione delle pinne stabilizzatrici in modo da ridurre il moto di rollio. Come riportato in Fig. 1, le pinne sono posizionate simmetricamente sui lati dello scafo e controllate indipendentemente da due azionamenti elettrici tramite riduttori di velocità. Sebbene sia possibile ipotizzare l utilizzo di diversi tipi di azionamenti elettrici si suppone qui di utilizzare azionamenti PMSM. Nel panorama generale degli azionamenti elettrici le macchine PMSM infatti sono caratterizzate da un elevata densit{ di potenza, da un elevata efficienza e da un rapporto coppia/inerzia particolarmente vantaggioso. Fig. 1 Sistema con pinne stabilizzatrici attuate elettricamente. Il modello matematico di una macchina PMSM nel sistema di riferimento d,q sincrono col rotore, è dato da [5]: v v qs ds = r i s = r i s qs ds + ppω ppω r r λ λ d q d + λ dt d + λ dt q d (4) 4 luglio

53 λ d λ q = L = L i d i ds q qs + λ PM (5) ( L ) dids Lqiqs k ηmηcηgr 3 Te = p (6) 2 Tra ogni pinna ed il relativo motore elettrico è posto un riduttore di velocità. Trascurando gli attriti, la coppia elettromagnetica del motore bilancia la coppia di carico Tr e la coppia d inerzia complessiva della macchina e del sistema di trasmissione. Si ha quindi: T e = T + J ω (7) r PMSM r La coppia di carico Tr è a sua volta legata alle coppie inerziali generate dal moto di rollio dell imbarcazione ed al momento di disturbo causato dalle onde: T J f C ( ) d (8) r r x La velocità elettrica del rotore ωre e la posizione elettrica del rotore θre sono legate alle corrispondenti variabili della pinna ωf e a θf attraverso il fattore di riduzione di velocità k: θ = re α f pp k; (9) ω = re ω f pp k; (10) La potenza elettrica assorbita dall azionamento è data da: T ω e r P e = (11) ηmηcη gr La stabilizzazione del moto di rollio è ottenuta attraverso strategie differenti a seconda della velocità di navigazione. a) Stabilizzazione del rollio a velocità di crociera. Alla velocità di crociera, le pinne stabilizzatrici sfruttano la coppia generata dalla portanza idrodinamica. La coppia di portanza generata da una pinna è data da[6]: T lift 1 2 = Fliftrf = ρwv A f CL( α f ) r (12) f 2 La velocit{ relativa tra pinna e flusso d acqua vf è per semplicità approssimata alla velocità dell imbarcazione v. Allo stesso modo, l angolo di attacco tra la pinna e la direzione della velocità del flusso di acqua è approssimata alla posizione della pinna αf. Il coefficiente di portanza CL varia linearmente per piccoli valori di αf. Oltre un valore di soglia caratteristico, noto come angolo di stallo αstall, la forza di portanza mostra un andamento non lineare, diminuendo le prestazioni di stabilizzazione anti-rollio. Nel seguitosi suppone sempre verificata la condizione: C ( α ) C α. L f L f b) Stabilizzazione del rollio all ancora o a bassa velocit{. La forza di portanza generata dalle pinne diventa inefficace quando l imbarcazione si trova all ancora o a bassa velocità. In questo caso si adotta una strategia di controllo differente, 4 luglio

54 azionando le pinne come delle pagaie [7-8]. La coppia antirollio viene ottenuta a partire da forze di resistenza idrodinamica, piuttosto che di portanza. Queste forze sono costituite da tre componenti: forza di resistenza di forma, forza di resistenza di vortice e forza di massa aggiunta[9]. L intensit{ di queste componenti è funzione della geometria e del movimento della pinna. La forza di resistenza di forma è legata alla forma della pinna e al quadrato della variazione di velocità. Il momento associato è: M FD = CD ρwsω f (t )a c( a + c ) + a e ( 3c - a ) (13) 15 il coefficiente CD è assunto pari a 0.8 ed e è dato da: e = 4t / 3 3 (14) La resistenza di vortice dipende dai vortici creati dalla pinna durante il suo moto. Il momento associato a questa forza può essere espresso come: M VD = ρ w ( α f +1) ω f ω f 2 ω ( a + c )c( 3a f 3( α f +1) 2 + c 2 )s (15) dove è il valore medio della posizione della pinna in ogni periodo. f La forza di massa aggiunta è infine legata all inerzia del fluido ed il momento associato a questa forza è: M AM = ρ w s a 4 8 ω f ( t ) π (16) Il momento idrodinamico totale ad imbarcazione all ancora è pertanto pari a: T = ( M + M M )cos( α ) (17) hydro FD VD + AM f Il sistema di controllo ha il compito di regolare la posizione angolare delle due pinne in modo da contrastare il moto di rollio [10-11].Come descritto in Fig. 2, esso si articola su due livelli: il controllore del moto di rollio, che genera le coppie di riferimento per i due attuatori PMSM ed i sistemi di controllo vettoriale dei due azionamenti PMSM. Il controllore del moto di rollio genera la coppia di riferimento per le due macchine sulla base della differenza tra l effettivo angolo di rollio αfbk ed il valore di riferimento αref che definisce la massima ampiezza ammissibile del moto di rollio. Questa differenza è elaborata da un regolatore PI in modo da ottenere la posizione di riferimento per le due pinne θr_ref. Vengono quindi calcolati gli errori di posizione e di velocità di rotore. Sulla base dei valori assunti dagli errori viene determinata infine la coppia di riferimento Te_ref per ognuna delle due macchine elettriche. La coppia generata dai due PMSM è controllata mediante un algoritmo vettoriale. In particolare, il sistema di controllo di coppia opera su un sistema di riferimento d-q rotante, sincrono con il rotore. In questo sistema di riferimento tutte le grandezze elettriche sono costanti e possono essere facilmente manipolate con semplici strutture di controllo. Inoltre, si ottiene un 4 luglio

55 disaccoppiamento completo tra coppia e flusso, migliorando sensibilmente la risposta dinamica. (a) (b) Fig. 2 Controllo del moto di rollio(a);controllo dicoppia(b). 4. CONVERTITORI STATICI DI POTENZA Come riportato in Fig.3, ogni PMSM è alimentato mediante un inverter PWM a ponte trifase con controllo di corrente. Le perdite di potenza nei diodi e negli IGBT di ognuno dei due inverter possono essere stimate sulla base delle seguenti equazioni: P P P P P P IGBT Isw Icond Diode Dsw Diode = P 1 = f s( E π = = P 1 = f s( E π = P Isw + P 1 k cos + 2π 8 Dsw Dsw on + P rec + P Icond + E Dcond Dcond off n 0 V i ) V I dc m V i ) V I n = dc m n = n 1 k cos + 2π 8 1 k cos + 2π V i d m V i t m k cos 3π k cos 3π 0 0 R i 2 d m R i 2 t m (18) I due inverter condividono lo stesso bus DC, che è alimentato dal sistema elettrico trifase dell imbarcazione che opera a 380VAC e 50Hz, attraverso un ponte raddrizzatore a diodi. Fig. 3I due inverter trifase ed il ponte raddrizzatore. 4 luglio

56 α_no stabil. [degrees] α_stabil. [degrees] Vs [V] dx [Nm] t [s] dx [Nm] ANALISI DELLE PRESTAZIONI Is [A] 4000 dx [Nm] Tlift t [s] Le prestazioni dinamiche del sistema di stabilizzazione attiva possono essere analizzate per mezzo del modello matematico sviluppato attraverso simulazioni. I dati principali degli azionamenti PMSM sono elencati dell imbarcazione in esame e le specifiche tecniche in riduttori di velocità sono stati Tab. I e II. I rendimenti dei motori e dei assunti t [s] di portanza e i parametri rispettivamente pari a 0.85 e 0.6, mentre i coefficienti del momento geometrici delle pinne sono riportati in Tab. III e IV. E stato assunto sinusoidale l andamento della coppia di disturbo causata dalle onde, come riportato in Fig. 4,ed infine è stato preso in esame il profilo di velocità di Fig t[ dx [Nm] Tlift [Nm] dx [Nm] dx [Nm] dx [Nm] t [s] Tlift [Nm] v [knots] t [s] θf_ref [degrees] θf [degrees] 50 Fig. 4Momento di disturbo causato dalle onde Tab. I: Dati tecnici dell imbarcazione considerata. θ [degrees] 0.5 J kg -0.5 m0 2 F Nms/rad M kg Pe [W] m GM 10 θ1.5 f_ref [degrees] G 9.8 m/s Lunghezza 25 m 4 0 Velocità di crociera 2 30 Nodi v [knots] PMSM Potenza nominale dei motori Tensione e corrente nominale f_ref θf [degrees] ωf_ref [degrees] θf [degrees] kW V 20A t [s] Coppia e velocità nominale 95 Nm t [s] rpm t [s] Induttanza di statore 53 mh Resistenza di statore 1.48 Ω Flusso del magnete permanente 7 mwb Coppie polari 3 Rapporto di riduzione della trasmissione 100: Tensione d ingresso dell inverter 500V 0.02 ω [rad/s] 0.01 Frequenza di commutazione dell inverter 0 10 khz Tensione e corrente nominale degli IGBT 1200V - 40Aω [rad/s] V Tensione e resistenza di conduzione degli IGBT mω Perdite di commutazione degli IGBT 14 mj 1 ωf_refdiodi [degrees] Tensione e resistenza di conduzione dei 1.2 V 16 mω Perdite di recovery inverso dei diodi 5 mj f_ref f Pe [W] VI Convegno SEA-MED 0 4 luglio ωf [degrees] t [s] t [s] 100 ωf [degrees] -0.5 Tab. II Specifiche tecniche degli attuatori elettromeccanici. 10 t[ Fig. 5Profilo temporale della velocità t [s] dell imbarcazione t[

57 rees] t [s] Table III: Coefficienti del momento di portanza t [s] ρw [kg/m 3 ] Af [m 2 ] rf [m] CL [1/rad] Table IV: Parametri geometrici delle pinne α[m] c[m] s[m] t (%) Per migliorare la risposta dinamica del sistema di stabilizzazione sono stati utilizzati nelle simulazioni due diversi set di guadagni dei regolatori PI, rispettivamente ottimizzati per dx [Nm] Tlift [Nm] dx [Nm] operazioni alle basse 2000 velocità ed alla velocità di crociera. In 2000 alternativa, possono essere V utilizzati s [V] 0 0 regolatori PI con controllo adattativo. In questi regolatori i parametri dei regolatori sono modificati in funzione della velocità dell'imbarcazione mediante opportuni algoritmi di adattamento. I s [A] Nelle Fig.6-11, è riportato l andamento delle principali variabili meccaniche ed 3000 d x [Nm] d 3000 x [Nm] T lift [Nm] elettriche 2000 del sistema La Fig.6 mostra l andamento dell angolo 1000 di rollio αbk con e senza l azione stabilizzatrice L effetto smorzante t [s] esercitato dal sistema di controllo è chiaramente minore quando nella prima parte della simulazione l imbarcazione naviga a bassa velocit{. In tale condizione operativa, in Fig. 7 può essere osservata una maggiore oscillazione della posizione angolare della pinna. Infatti, la minore portanza deve essere compensata da un 0incremento 50 di αfe quindi 100 di θr. 150 t [s] Nell ultima parte della simulazione, l ampiezza delle oscillazioni t [s] della pinna è inferiore ad un grado per l effetto dell incremento della velocit{ e della portanza. Simili considerazioni possono essere fatte per la velocità di rotazione della pinna come mostrato in Fig dx [Nm] Tlift [Nm] θ f_ref [degrees] 10 α_ no stabil. [degrees] 20 4 d 3000 x [Nm] T lift [Nm] α_ stabil. [degrees] θ f [degrees] v [knots] t [s]-15 t [s] t [s] t [s] I s [A] Fig.6 Imbarcazione in movimento: moto di rollio con e senza stabilizzazione θf_ref [degrees] θf [degrees] θf_ref [degrees] αf [degrees] θ f_ref P e [W] [degrees] α f [degrees] t [s] t [s] Fig.7Imbarcazione in movimento: ω f_ref [degrees] ω f [degrees] ωf_ref [rad/s] ωf [rad/s] t [s] Fig.8Imbarcazione in movimento: luglio 2014 ωf_ref [rad/s] ωf [rad/s]

58 posizione angolare della pinna. VI 1000 Convegno SEA-MED 4 luglio velocità angolare della pinna. 20 Il momento totale di portanza, il momento di disturbo causato dalle onde e la potenza 10 assorbita dal sistema per generare l azione di controllo 0 sul moto di rollio, sono mostrate nelle Fig La potenza assorbita dal sistema di controllo oscilla tra t [s] valori positivi e negativi. Per migliorare l'efficienza energetica del sistema potrebbe essere quindi utilizzato un meccanismo di frenatura rigenerativa t [s] d x [Nm] T lift [Nm] t [s] Fig.9 20 Imbarcazione in movimento:momento di _ portanza no stabil.[degrees] totale T lift e momento di disturbo d x. Fig.10Imbarcazione in movimento: potenza in ingresso al sistema. 0.5 θf_ref [degrees] 5 Quando 5 l imbarcazione 0 si trova all ancora, o in movimento a bassa velocit{, il controllo antirollio θf [degrees] viene effettuato usando le pinne come delle 0pagaie. I risultati relativi a questa condizione operativa sono riportati nelle Fig , dove è stato -5 considerato lo stesso momento di disturbo delle simulazioni 10 θ f_ref [degrees] precedenti. L efficacia dell azione -10 anti-rollio è in questo caso strettamente α f [degrees] legata alla 6 velocit{ _ stabil.[degrees] e all accelerazione angolare delle pinne I s [A] ωθ f_ref f_ref [degrees] [degrres] V s[v] I s[a] ω f [degrees] α f [degrees] 0-1 ω f [rad/s] t [s] t [s] t [s] t [s] 100 Fig.12Imbarcazione all ancora: 4000 posizione angolare 80 della pinna. V s[v] 3000 M hydro[nm] d x[nm] dx [Nm] Tlift [Nm] ωf [rad/s] V s [V] 0 I s [A] P e [W] Fig.13Imbarcazione all ancora: 1 velocità angolare della pinna t [s] t [s] t [s] 20-2 θ f [degrees] 15 _ no stabil.[degrees] θ f_ref [degrres] M hydro[nm] d x[nm] P e [W] t 0 [s] α f [degrees] _ stabil.[degrees] t [s] t [s] 0.02 ωf_ref [rad/s] Fig.11Imbarcazione all ancora: moto di rollio con e senza stabilizzazione. t [s] t [s] P e [W] I s[a] θ f_ref [degrres] ω f_ref [rad/s] t [s] M hydro[nm] ω f_ref [rad/s] ω f [rad/s] t [s] d x[nm]

59 _ stabil.[degrees] t [s] α f [d T hydro [Nm] t [s] d x [Nm] Fig.14 Imbarcazione all ancora: momento idrodinamico totale T lhydro e momento di disturbo d x Fig.16 Imbarcazione all ancora: potenza in ingresso al sistema Le pinne 140 stabilizzatrici in questa modalità di funzionamento 60 assorbono sempre potenza dal I sistema elettrico dell imbarcazione, rendendo impossibile un recupero s[a] di energia. Inoltre, poiché A d =4000 Nm 40 la geometria delle pinne A d =3000 viene Nm normalmente ottimizzata per operare alla velocità di crociera, migliori 80risultati potrebbero A d =2000 essere Nm ottenuti alle basse 20 velocità con pinne a geometria variabile. -1 Mediante 60 il modello matematico sviluppato, può essere svolta anche un'analisi energetica del sistema di stabilizzazione. Le Fig riportano 6 0 A d =1000 Nm la potenza elettrica generata t [s] dall inverter 20 e le perdite di potenza nell inverter nel caso dell imbarcazione alla velocità di 20 nodi, alla 0 velocità di 5 nodi e all'ancora, in funzione dell ampiezza massima consentita delle oscillazioni dell imbarcazione,impostata sul sistema di controllo. I dati sono parametrizzati α [deg] rispetto all ampiezza del momento di disturbo. Paverage inverter losses [W] V s[v] P e [W] t [s] M hydro[ ω f_ref [r ω f [ Pout_inverter [W] Pout_inverter [W] Paverage inverter losses [W] α [deg] Fig.17 Imbarcazione a 20 nodi: potenza elettrica vs. ampiezza α [deg] del rollio. Fig.19 Imbarcazione a 5 nodi: potenza elettrica vs. ampiezza del rollio. A d =4000 Nm A d =3000 Nm A d =4000 Nm Ad =3000 Nm A d =2000 Nm A d =2000 Nm A d =1000 A d =1000 Nm Nm A d =4000 Nm A d =3000 Nm A d =2000 Nm A d =1000 Nm α [deg] 4 luglio Pout_inverter [W] Pout_inverter [W] Paverage inverter losses [W] α [deg] Fig.18 Imbarcazione a 20 nodi: perdite nell inverter vs. ampiezza del rollio Paverage inverter losses [W] A d =4000 Nm A d =3000 Nm A d =2000 Nm A d =1000 Nm A d =4000 Nm A d =4000 Nm Ad =3000 Nm A d =3000 Nm A d =2000 Nm A d =2000 Nm A d =1000 Nm A d =1000 Nm α 8[deg] α [deg] Fig.20Imbarcazione a 5 nodi: perdite nell inverter vs. ampiezza del rollio A d =4000 Nm A d =3000 Nm A d =2000 Nm A d =1000 Nm

60 Paverage inver α [deg] Pout_inverter [W] A d =4000 Nm A d =3000 Nm Ad =2000 Nm A d =1000 Nm α [deg] Fig.21 Imbarcazione all ancora: potenza elettrica vs. ampiezza del rollio α [deg] Fig.22 Imbarcazione all ancora: perdite negli IGBT vs. ampiezza del rollio. Come è possibile osservare, maggiore è l'oscillazione 5000 consentita al moto di rollio, minore è la potenza necessaria per attuare l azione di controllo. 4000I risultati ottenuti possono A d =1000 Nm essere utili al fine di progettare in modo ottimale il sistema di stabilizzazione 3000 anti-rollio, alla ricerca di un compromesso ottimale tra comfort, dimensioni e costi E infine possibile stimare l impatto dell installazione 1000 del sistema di stabilizzazione attivo sul 0 bilancio elettrico di un imbarcazione non originariamente 0 2equipaggiata con questo 14 sistema α [deg] Dalle simulazioni è infatti possibile determinare l andamento della potenza elettrica richiesta dall azionamento di una singola pinna stabilizzatrice nelle varie condizioni operative, come riportato in Fig. 23. Pout_inverter [W] Paverage inverter losses [W] A d =4000 Nm A d =4000 Nm A d =3000 Nm Ad =2000 Nm A d =1000 Nm A d =3000 Nm Ad =2000 Nm Fig.23 Potenza elettrica assorbita dall azionamento di una pinna. Nell unit{ presa come riferimento i carichi ausiliari sono alimentati da due gruppi dieselgeneratore da 19 kw. In Fig. 24sono riportati alcuni possibili diagrammi giornalieri di carico del sistema elettrico di bordo nelle condizioni di navigazione e manovra. Le potenze medie e massime richieste dai carichi ausiliari di bordo in queste due condizioni operative sono riportate nelle Tab. V e VI. Tab. V: Unità in navigazione Pmedia_A [kw] N medio generatori operativi % di utilizzo 16, % Pmax_A [kw] N generatori operativi % di utilizzo 18, % 4 luglio

61 Tab. VI: Unità inmanovra Pmedia_A [kw] N medio generatori operativi % di utilizzo 19, % Pmax_A [kw] N generatori operativi % di utilizzo 28, % P manovra [kw] P navigazione ore giornata Fig.24Diagrammi di carico in navigazione e in manovra A titolo di esempio possono essere considerati due casi differenti. a) Bilancio elettrico relativo ad un data distribuzione statistica dell ampiezza del momento di disturbo,con velocit{ dell imbarcazione costante. Si considera la distribuzione statistica del momento di disturbo nelle 24 ore riportato in Fig. 25.Gli andamenti dell energia, della potenza media e della potenza massima assorbite dall azionamento di una singola pinna nelle condizioni operative specificate da tale distribuzione al variare della velocità di navigazione sono riportati nelle Fig Nella Tab. VII sono riportate le potenze medie e massime ricavate in simulazione a diverse velocità e l energia totale richiesta in 24 ore dal sistema di stabilizzazione ore di navigazione [h] Disturbo [Nm] Fig.25Distribuzione statistica del momento di disturbo nelle 24 ore. E infine possibile stimare il contributo del sistema di stabilizzazione al bilancio elettrico. In particolare in Tab. VII sono riportati i dati ottenuti in navigazione ad una velocità di 5 nodi, cioè nella condizione che risulta più onerosa. Con lo stesso criterio nella condizione di manovra si considera la potenza calcolata a velocità nulla. I risultati ottenuti in questo caso sono riassunti in Tab. VIII. 4 luglio

62 8 x E [Wh] v [knots] Fig.26Energia assorbita nelle 24 ore al variare della velocità P media [W] v [knots] Fig. 27Potenza media assorbita al variare della velocità P max [W] v [knots] Fig. 28Potenza massima assorbita al variare della velocità. Tab. VII: Potenza media, potenza massima ed energia assorbita. v [nodi] P med [W] P max [W] E [Wh] Tab. VIII:potenze ed energie richieste dal sistema di stabilizzazione e dai carichi ausiliari e percentuale di incremento dell energia dovuta al sistema di stabilizzazione NAVIGAZIONE Carichi ausiliari Sistema di stabilizzazione P media_a[kw] P max_a[kw] E A[kWh] P media[kw] P max[kw] E[kWh] 16,89 18, Incremento di E=8% MANOVRA Carichi ausiliari Sistema di stabilizzazione P media_a[kw] P max_a[kw] E A[kWh] P media[kw] P max[kw] E[kWh] 19,86 28, Incremento di E=28% Dai risultati ottenuti, soprattutto in condizioni di manovra, si può concludere che nell imbarcazione presa a riferimento è conveniente aumentare la potenza dei generatori in vista dell installazione a bordo del sistema di stabilizzazione attiva, dato che i due generatori da 19 kw nelle condizioni peggiori non sarebbero in grado di alimentare il carico totale. b) Bilancio elettrico relativo ad una data distribuzione statistica della velocità di navigazione con ampiezza del momento di disturbo costante. In questo secondo caso si considera la distribuzione statistica della velocit{ dell imbarcazione nelle 4 luglio

63 24 ore di Fig.29.Sulla base di questa distribuzione statistica sono stati calcolati gli andamenti dell energia E, della potenza media Pmedia e della potenza massima Pmax richiesti dall azionamento di una singola pinna al variare dell ampiezza del moto ondoso. Essi sono riportati nelle Fig Le potenze medie e massime ricavate in simulazione al variare del disturbo dovuto alle onde sono riportate in Tab. IX. Si osserva che la potenza richiesta dall azionamento aumenta all aumentare del disturbo del moto ondoso. Tab. IX: Potenze medie, massime ed energia al variare della velocit{ dell imbarcazione Ad[N m] Pmed [W] Pmax [W] E [Wh] ore di navigazione [h] velocità [knots] Fig.29Distribuzione statistica della velocità nelle 24 ore x E [Wh] A d [Nm] Fig.30Andamento dell energia E al variare del disturbo P media [W] A d [Nm] Fig.31Andamento della potenza media al variare del disturbo P max [W] A d [Nm] Fig.32Andamento della potenza massima al variare del disturbo. 4 luglio

64 In base alla distribuzione statistica di Fig. 29 e considerando la condizione peggiore con disturbo massimo, i valori di potenza media e massima ed energia assorbite dal sistema di stabilizzazione e dai carichi ausiliari sono riportati in Tab. X. Tab. X:potenze ed energie richieste dal sistema di stabilizzazione e dai carichi ausiliari e percentuale di incremento dell energia dovuta al sistema di stabilizzazione Carichi ausiliari Sistema di stabilizzazione P media_a[kw] P max_a[kw] E A[kWh] P media[kw] P max[kw] E[kWh] Incremento di E= 24% Anche da questi risultati, si può concludere che è conveniente aumentare la potenza dei generatori poiché la potenza massima richiesta dal carico richiederebbe l utilizzo di una potenza poco superiore di quella dei generatori installati originariamente. 6. CONCLUSIONI E stato presentato uno strumento matematico per analizzare le prestazioni dinamiche ed energetiche di un sistema di stabilizzazione attiva del rollio equipaggiato con pinne azionate elettricamente. Il sistema sfrutta due diversi principi fisici a seconda che l imbarcazione sia in movimento o all'ancora. Lo strumento matematico sviluppato può essere sfruttato per valutare l efficacia di diverse possibili soluzioni volte ad ottenere il migliore compromesso tra comfort, dimensioni e costi del sistema di stabilizzazione e per valutare l impatto dell installazione di un sistema di stabilizzazione attivo sul bilancio elettrico dell imbarcazione. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI [1] Ching-Yaw Tzeng, Chung-Yi Wu, On the design and analysis of boat Stabilizing fin controller ;Journal of Marine Science and Technology, Vol. 8, No. 2, pp (2000). [2] Weiping Zhao, Chen Guo, Hongzhang Jin, Dongzhou Yu, Optimal design on boat synthetic stabilizer system based on fin stabilizer and anti-rolling tank ; proc. of 2011 International Conference on Transportation, Mechanicalc, and Electrical Engineering (TMEE), Dec. 2011, Page(s) [3] Youngbok Kim, Guisheng Zhai, Dongkyu Kim, Nonmember, An Approach to Improving the Boarding Comfort of a Boat with the Flaps ; proc. of IEEE International Conference on Control Applications, 2006, Date of conference: 4-6 Oct 2006; Page(s) [4] V. Anantha Subramaniana, G. Asokumara, V. Jagadeesh Kumarb, Active fin control for yacht using virtual instrumentation ; Science Direct, Ocean Engineering ; Volume 34, Issues 3-4, March 2007, Pages [5] P.C. Krause, O. Wasynczuk, S.D. Sudhoff, Analysis of Electric Machinery and Drive Systems, second edition, IEEE press. [6] Tristan Perez, Constrained predictive control of boat fin stabilizers to prevent dynamic stall ; Science Direct, Control Engineering Practice; Volume 16, Issue 4, April 2008, Pages [7] J. Ooms, Holland Project 2002, November 2002, Amsterdam, The Use of Roll Stabiliser Fins at Zero Speed ; [8] L. Sebastiani, D. Ruscelli, M. Peverero, S. Crupi, G Schiaffino, A. Muzio, M. Giannini, Fincantieri Yachts, IT; The design of at-anchor stabilization system for mega yachts based on calculations and model tests ; [9] WangFan, JinHongzhang, QiZhigang, Modeling for active fin stabilizers at zero speed ; 4 luglio

65 ScienceDirect,Ocean Engineering; Volume 36, Issues 17-18, December 2009, Pages [10] George W. Younkin, William D. McGlasson, and Robert D. Lorenz, Considerations for Low- Inertia ac Drives in Machine Tool Axis Servo Applications ; IEEE transactions on ;Volume 27, Issue 2;Publication Year: Mar/Apr 1991, Page(s): [11] Craig T. Johnson and Robert D. Lorenz, Experimental Identification of Friction and Its Compensation in Precise, Position Controlled Mechanisms ; IEEE transactions on; Volume 28, Issue 6; Publication Year: Nov/Dec 1992; Page(s) [12] JIN Hong-zhang1, QI Zhi-gang1, ZHOU Ting, Li Dong-song, Research on roll stabilization for boats anchored ; Journal of Marine Science and Application, December 2008, Volume 7, Issue 4, pp [13] A. Consoli, G. Scarcella, G. Scelba, S. Sindoni, Modeling control of IPM synchronous motors, proc. of the Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, PES 2008, pp.: 1-6. [14] A. Consoli, G. Scarcella, G Scelba, A. Testa, Steady-State and Transient Operation of IPMSMs Under Maximum-Torque-per-Ampere Control, IEEE Transactio<ans on Industry Applications, 2010, vol. 46, n 1, pp.: luglio

66 8. On the Seakeeping analysis of sailing yacht: effects of hull shape and lifting keel evaluated by different numerical solvers G. Bailardi 1, D. Boote 2, T. Pais 2 1 Ingegnere Navale 2 DITEN, Università di Genova Abstract The seakeeping of a floating body, whether in motion or simply standing still, is recently becoming a crucial part in the design and the engineering process from large passenger ships to racing sailing yachts. Offshore structure as well, are influenced by motions induce by waves. Moreover, even if the importance of the experimental tests is still undoubtedly relevant, nowadays several numerical methods allow to predict, with more or less accuracy, the boat behavior in regular and irregular wave field. The present work aims to analyze which geometrical, inertial and non-linear aspects must be taken into account in the hydrodynamic design of a sailing yacht concerning its heave, pitch and roll degrees of freedom. The analysis is performed by means of a fast Boundary Element Method (HydroStar) and a complex Reynolds Averaged Navier-Stokes CFD code (Star-CCM+). The comparison will be presented for two cruise-racer sailing yachts, trying to identify the main differences in terms of Response Amplitude Operators. 1. INTRODUCTION The seakeeping of a sailing yacht can be interpreted in two main ways: performance and comfort. The waves and the ship motions, in fact, have a strong influence on both the hydrodynamic loads and the passenger/crew life on board. Such influence of seakeeping aspects is quite clear when sailing in significant sea conditions, with sometimes rather dramatic evidence such as hull or rig damage or excessive inflow of water. However, even in light wind and wave conditions, seakeeping aspects will affect the overall performance in terms of added resistance in waves, lift and drag degradation (or increase) of appendages and risk of slamming and induced whipping response of the rig or hull. Up to now, the seakeeping analysis is generally referred to the calculation of the displacements, the velocities and the accelerations that the boat could experiences during its operations. In particular, a common way to understand the ship reaction to different sea state conditions can be represented by the so called Response Amplitude Operators, RAO. These RAOs represent the transfer function in frequency domain of the specific vessel in function of parameters as the wave amplitude, phase, period, etc. Beside the costly, complex and most of the time still necessary experimental tests, ship response evaluations can be normally obtained under steady solution of the well known strip theory or potential flow plus free surface linearization problems. Moreover, the exponential increase of the available computational power on personal computer, combined with the raise of the CFD softwares validation, has lead to a different kind of approaches (Gaillarde et al.[1], Bartesaghi et al. [2]). Unsteady time domain simulations, in fact, are starting to be used from design to detailed stage of the yacht engineering. 4 luglio

67 Fig. 1: Work flow of the comparison Nevertheless, a comprehensive comparison of different prediction tools for seakeeping has been recently published by CRS [3] and they concluded that there is no clear added value of CFD in forward-speed ship-motion computations, as long as there are no strong nonlinearity or viscous effects. Such kind of study finds its complexity because of the combination of the usual hydrostatic s concepts with the dynamic balance of the boat that is perturbed by sinusoidal forces. Moreover, a sailing yacht comprises all the peculiarities coming from a distribution of loads, both inertial and hydro - aerodynamics, applied to different center of efforts and of difficult analytical derivation. The aim of this work is to define whereas the computational methods developed nowadays can help the designer in better understanding the ship behavior in presence of waves in terms of its motion, velocities and accelerations. The main objective is to compare two different solvers in terms of Response Amplitude Operators time of computation and postprocessing capabilities. Attention will be devoted to differences that may derive from the viscous effects at different velocities and headings for the longitudinal and transversal motions. In particular, the change of inertia, center of gravity and wet surface given by a lifting keel will be estimated and their effects will be separated in the case of roll motion. The study will be also performed in the more realistic inclined condition, corresponding to the upwind sailing, at different angles of heel. With the R.A.N.S. solver, an investigation on roll motion at the same wavelength l, but different forward velocities, hulls aft and bulbs vertical coordinate is also performed. 2. METHODOLOGY The analysis will be performed with two numerical methods coming from two different formulations: the Potential theory with Free Surface Linearization and the Reynolds Averaged Navier Stokes equations. In order to obtain an easy and efficient comparison, the simulations in time domain by Star CCM+ will be re-arranged in frequency steps so that a Response Amplitude Operator can be directly showed. The figure 1 can help to understand which will be the processes and the sequence of the simulations in order to have the aimed comparison. As it can be seen the process starts from a complete three dimensional model of the yachts, its 4 luglio

68 keel and bulb. Then the study is split according to the method to be used. In case of the Boundary Element method, an extra CAD design step must be taken in order to obtain the correct input file for the software mesher. The model has been imported in FreeShip, a freeware software capable of estimate the basic hydrostatic properties of a hull, and then passed into a Matlab script which writes the text input file exactly as it s needed by HydroStar. Then the setting and solving of simulation can continue in the B.E.M. software. The R.A.N.S. software instead provides all the necessary tools of CAD preparation inside its suite but a deeper knowledge of Computational Fluid Dynamics is needed in order to complete the setting of the simulations. Star CCM+, in fact, can simulate a countless number of fluid dynamic phenomena and thus its setting must be carefully understood in order to compute what exactly needed. Finally, the numerical solvers results are stored in tables of different formats and compared through a customized Matlab code. 3. HYDROSTAR vs. STAR CCM+ The main differences between the numerical softwares used was in the viscosity of the fluid, the presence of vorticity and the time evolution of the underwater volume. The extent in which these factors can modify the Response Amplitude Operator of the yacht can then be shown. Moreover, following the theoretical and the practical deductions that can be made for low/high frequencies or for long/short period waves (see [4] and [6]), the overall trends of the RAOs are fairly consistent with what expected. For this reason it has been thought to avoid unnecessary simulations with the very long and short wave period since the boat response is going to have either unity or null response amplitude ratios. 3.1 Heave & Pitch motion R.A.O. (b = 180 ) In this sections the results concerning the head-waves operational condition with forward velocity will be presented. As can be seen from Figure 2(a) and Figure 2(b), the heave resonance peak is higher in the case of the Boundary Element solver for the two yachts hulls. Fig. 2: HydoStar vs. Star CCM+: Heave RAO 4 luglio

69 In both cases a sharper wave resonance spectrum is encountered when performing the simulations with the RANS software and maybe this could be due to the added damping given by considering the viscosity and the vortices in the numerical model. The maximum amplitude of heave at the peak resonance can be more than 130% with the boundary element method or around 114% with the viscous finite volume solver. In both cases a sharper wave resonance spectrum is encountered when performing the simulations with the RANS software and maybe this could be due to the added damping given by considering the viscosity and the vortices in the numerical model. The maximum amplitude of heave at the peak resonance can be more than 130% with the boundary element method or around 114% with the viscous finite volume solver. The ratio of the boat response at the low frequencies lower than unity can also be interesting. In fact, for the RANS simulations, the vertical displacement seems to vary from 90% to 80% of the wave amplitude in the very long waves region according to the yacht model. Regarding the pitch displacement (Figure 3), the same aforementioned considerations can be withdrawn. This time the peak amplitudes and the general yacht response in that range of frequencies seem to be similar with, at the maximum, the 3% of difference between their relative values. Fig. 3: HydroStar vs. Star CCM+: Pitch RAO (Hull #1) 4 luglio

70 3.2 Heave & Roll motion R.A.O. (b = 90 ) The general trend of the heave transfer function of the yacht with waves normal to the forward direction seems to be quite similar for both the numerical methods. The wider spectrum is present in both the cases (Figure 4) even if lower values still characterize the RANS computations. Fig. 4: HydroStar vs. Star CCM+: Heave Furthermore, the Roll RAO (Figure 5) confirms its tendency to high amplitudes only around the natural period of the boat even if the two numerical solutions seem to be scaled. This could be due to the hypothesis of the Boundary Element Method. It has been already stated, in fact, that for a sailing yacht with fin appendages like keel and rudder, the software HydroStar can almost only empirically guess the damping dues to induced lift, viscous drag and eddy generations. These aspects are recognized to strongly affect the roll motion and thus the spectrum showed by the Star CCM+ could result in a more reliable prediction. 4 luglio

71 Fig. 5: HydroStar vs. Star CCM+: Roll 4. SAILING YACHTS COMPARISON The seakeeping performances of a sailing yacht are the combination of so many variables that a parametric study with a comprehensive comparison between the two numerical methods would take a huge amount of time. For this reason, a comparative study focused just on few particulars as the lifting keel or the soft chines aft can allow to have some useful indications for the practical design of a sailing yacht rather than giving the perfect shape according a foreseen condition. Therefore, two different sailing yachts have been selected with the interest focused on their topside aft volume and their lifting keel capability. The two bare hulls have been analyzed in FreeShip in order to have a global idea of their hydrostatic characteristics and better understand their geometrical differences in terms of waterlines, buttocks and sections. As can be seen in Figure 6 the sailing yachts seem quite similar in terms of waterline area while the same consideration cannot be made for the aft part of the topside volume visible in Figure 7. Fig. 6: Hull plan view The soft chine of the aft corresponds also to a wider stern, typical configuration of all recent 4 luglio

72 boats. The gain in geometrical inertia is the main reason behind all these relatively new similar design but also a better capability to support the planing regime and a more smooth heeling effect are well recognizable consequences. The impact of sharp edges on the hull has never been studied on the seakeeping behaviors of a sailing yacht by means of numerical tools but, essentially, only by practice. Fig. 7: Hull section: aft view Concerning the heave and the pitch R.A.O. of the two yachts, by both the potential method and the RANS solver, it can be stated that they have almost the same dynamic behavior and amplitude of motions. The sharpening of the "resonance zone" can be noticed for both the boats as well as the lower amplitude of motion at low frequencies/long periods. 4.1 Influence of Aft Shape on the Rolling The Response Amplitude Operator of the Roll degree of freedom shows an equal profile for the two sailing yachts but a more wider spectrum for the rounded aft. Even if it may distract, the rolling natural frequency is different because the two distinct vertical CoGs, zcog, modify the two rolling gyradius, kxx, of the bodies. This will remind us that a consistent modification in mass properties need to be considered as important as all the other parameters that influence the sailing yacht response. Fig. 8: Hydrostar R.A.O. of roll for the two yachts 4 luglio

73 Considering the qualitative approach of the comparisons performed and the high computational time required by an inverse transfer function estimation (from time steps to frequencies) it has been preferred to simulate the roll motions only around the natural period of the Hull #2, which resulted to be quite similar to Hull#1. Figure 9 shows that, standing still, the amplitude to normal waves of the rounded shaped Hull #2 is higher than the Hull #1. Increasing the speed, their dynamic oscillation become almost similar in amplitude (see Figure 9 dark colors curves). This is probably the quadratic damping associated with velocity plus the dynamic trimming effect that probably enhances the Roll motion reduction. Fig. 9: Bare hulls: Roll motion, b = Damping Effect of Lifting Centerboard The lifting keel represents normally an advanced solution to the problem of approaching to very shallow bays or to sail in places with important tides. Unfortunately, the effect of lifting the bulb affects also the rolling inertia of the boat such that undesirable accelerations can be experienced. 4 luglio

74 Fig. 10: Lifting Keel effect on Roll RAO (Hydrostar) The B.E.M. software can consider the modification of the inertia gyradius by inserting the new coordinates of the concentrated mass representing the bulb. In this way, an evaluation of the yacht response can be easily made and the results in case of the Roll Transfer Function are visible in Figure 10. The higher bulb modifies the natural frequency of the boat but not necessarily its amplitude, while the spectrum of the lifted keel condition (green curve) seems to be wider than the normal sailing condition (red curve). 4 luglio

75 Fig. 11: Lifting Keel effect V = 0 kn On the other hand, the heave and pitch motions aren t so much influenced by the lifting keel and this is attributed to the fact that a vertical movements of the bulb doesn t modify so much the gyradius in the y direction, kyy, and, then, the values and the natural frequency of the longitudinal motions. The fact that there is no influence on the relative value of angle of oscillation while the wetted surface of the centerboard is changing could be due essentially to the underestimation of the fixed appendage damping coefficient. Performing a RANS simulation at a fixed wavelength and different keel positions can help to understand in which extends the BEM method correctly compute the centerboard effects. In the Figures 11 and 12 it can be seen the impact on the roll/wave amplitude ratio by modifying the keel surface and bulb position. It can be noticed that the reduction from the bare hull configuration to the lifted keel is less compared by the decrease in motion obtained with the centerboard full down in its position of yacht design. These results confirm that higher amplitude of oscillation can happen while the keel is retracted as expected by the reduction of damping efficiency. 4 luglio

76 Fig. 12: Lifting Keel effect V = 8kn These evidences could compromise the goodness of a luxury cruising yacht intended to be also a convivial moment of relax without moving. Effort can thus be made in the design of a lifting keel capable to not reduce so sensibly its roll damping behavior while the yacht is standing still. 5 CONCLUSIONS The aim of this paper was to provide a comparison between two different numerical solvers on the seakeeping analysis of two sailing yachts. Then, the possible considerations coming from the variation of some parameters as speed, heeling angle and bulb vertical position have been investigated. Particular attention has been given to those aspects which made the differences between the softwares and, supposedly, the two hulls available. In the present work the Response Amplitude Operators and most of the simulations are made with free Heave and Pitch in heading waves, b = 180, at a constant forward speed, V = 8kn. The Roll computations, instead, have been performed entirely with beam sea, b = 90. The sea state is compounded by monochromatic waves generated according to the 1st order Stokes theory so that the B.E.M. versus R.A.N.S. computations could be easily compared. The main advantage of the B.E.M. method is certainly its fast computation capability. Moreover, it has been found that the overall performances are reliable in terms of low and high wave frequencies, which means long and very short waves compared to the waterline length, or beam, of the yacht. The resonance amplification phenomena of the Heave displacement showed increasing the velocity can create concern because hasn t been encountered in the both RANS simulations and the latest experimental results showed by CRS 4 luglio

77 [3]. On the other hand, the Pitch motion well suited the theoretical trend and the Star CCM+ values. In this paper the Roll response of a sailing yacht obtained by HydroStar has been limited to his bare hull characteristics. Appendages cannot be modeled and correctly computed by the software. As a result, unfortunately, the damping coefficients aren t completely reliable and, then, the RAO can show under/over estimated amplitudes even if the general trend is in line with the theoretical results. It could be stated that, in case the transversal motions represent an important part of the design, experimental tests are highly suggested when a database of damping coefficients is not available. Since the huge computational time of the R.A.N.S. in front of the BEM solvers, a complete determination of the transfer function in frequency (RAO) has rarely been published. Moreover, the seakeeping of a yacht has usually referred to motor superyachts rather than sailing yachts, even if critical accelerations are an important part of the rigging design. In this paper it has been shown that the R.A.N.S. solver predicts a more damped Heave motion in semi-planning regime while the Pitch amplitude correspond to the HydroStar curves. Since the appendage effects can be simulated considering the viscous, drag and eddy making characteristics, particular attention has been given to the heeled configuration and the roll motion at different operational conditions. Nonetheless, it must be highlighted that Star CCM+ showed outstanding capability of postprocessing very useful to better understand the phenomena. The R.A.O. comparison in Figure 2(a) and Figure 2(b) showed a resonance peak reduction obtained by the R.A.N.S. simulations concerning the Heave motion. With the viscous solver also a lower amplitude of the response is foreseen at low frequencies/large period region. On the other hand, the Pitching curve are almost equal. The Roll showed mainly scaled graphs demonstrating that the viscous effects, the frictional drag, the eddy making and the rolling inertia variations have a crucial importance. The Roll transfer function in Figure 5 also shows a broader spectrum in case of the viscous solver. As expected, the increase of speed as well as the position of the centerboard (see Figure 9 and 11 and 12), strongly influences the Roll damping of the sailing yachts. Moreover, the strong inertia variations due to different vertical configurations increases this effect such that the Roll response is half sized when the bulb is at the maximum Draught. Furthermore, we can state that the overall Heave and Pitch seakeeping performances of the two analyzed sailing yachts resulted to be similar for both the softwares available. Nonetheless, the aft topside volume is seen to improve the roll damping, at b = 90, of the soft chined hull despite a more rounded shape. With the increase of forward velocity the aforementioned effect is less pronounced. Finally, the very fast B.E.M. software HydroStar showed to be useful as design tool for operational conditions at low speeds. Unfortunately, it can t be used for sailing yachts Roll motion estimations due to its non-viscous base. Generally, in case friction effects may lead to important dynamic effects, a powerful but more cost timing R.A.N.S. software as Star CCM+ is found to be able to give more detailed information. 4 luglio

78 5.1 Future Developments For the seakeeping of a such complex body like a sailing yacht, the R.A.N.S. simulations are needed. With the performe analysis, it is possible now to isolate singular physical phenomena and see their effect on the total motion amplitude. The impact of hard chined hulls and/or bulb particular shapes could be also of some interest for that companies which looks for the best compromise between technology and comfort. Certainly a weighted design of the lifting keel mechanism can be simulated in order to minimize the undesirable Roll oscillations while floating (or at very low velocities) and to maximize the performances of downwind curse during regattas. The influence of the Leeway angle should be deepened as well as the possibility of create a 6DOF integrate VPP model which separately calculate the aerodynamic loads. ACKNOWLEDGMENTS The author would like to thank the supervision of Professor Dario Boote and the support of his academic staff during the time spent in the University of Genoa, La Spezia Campus. The author would like to express his gratitude to the support and service provided by Eng. Carlo Pettinelli of CD-Adapco. Particular thanks go also to VSS YACHT REFIT s.r.l. for sharing the characteristics of two VISMARA sailing yachts. This paper was developed in the frame of the European Master Course in "Integrated Advanced Ship Design" named "EMSHIP" for "European Education in Advanced Ship Design", Ref.: BE-ERA MUNDUS-EMMC. REFERENCES [1] Gaillarde, G., Jan de Ridder, E., van Walree, F., Konig, J. Hydrodynamic advice of Sailing Yachts through Seakeeping Study, The 18th Chesapeake Sailing Yacht Symposium, Annapolis 03/2007. [2] Redondo, G., and Bartesaghi, S., Seakeeping analysis and related seasickness: Computational Fluid Dynamics approach, Design and construction of Super and Mega Yacht, 8-9 May 2013, Genoa, Italy. [3] Bunnik, T., van Daalen, E., Kapsenberg, G., Shin, Y., Deng, G., Delhommeau, G., Kashiwagi, M., and Beck, B., A comparative study on state-of-the-art prediction tools for seakeeping, 28th Symposium on Naval Hydrodynamics, Pasadena, California, September [4] Combourieu, A., Previous sailing yacth seakeeping investigation, EMSHIP Master Thesis, Feb [5] Bertram, V., Graf, K., and Soding, H., Une methode des tranches pour la tenue a la mer des Yachts - traitement des Ailerons, 10th Numerical Towing Tank Symposium. [6] Nabergoj R., Fondamenti di Tenuta della Nave al Mare, University of Trieste, Suggested readings: [7] Larsson, L. and Eliasson E. Rolf, Principle of yacht Design, 3rd Edition, [8] Lewis, E.V., Motions in Waves and controllability, Principles of Naval Architecture - Volume III, [9] Ferrant, P., Seakeeping course notes, Ecole Centrale de Nantes, EMSHIP, [10] M.I.T., Ocean Wave Motion, free course notes: [11] Bertram, V., Practical Ship Hydrodynamics - Ship Seakeeping, Chapter 6, 2nd Edition, 4 luglio

79 2010, pp [12] Hydrostar Manual, Beurou Veritas freedwnolad. [13] Orozco J.M., Raposo C.V. and Malenica S., A Practical Procedure for the Evaluation of the Roll Motions of FPSO s Including the Non potential Damping, Offshore Technology Conference, Houston - Texas USA, 6-9 May luglio

80 9. Prima unità navale monocarena brevettata ad alta efficienza idrodinamica e risparmio energetico che naviga su una formazione di schiuma auto-prodotta L. Mascellaro MONOTRICAT Srl, Progettista navale Sommario La riduzione della resistenza viscosa sulle unità navali, soprattutto quelle dislocanti, ha impegnato ed impegna ricercatori a livello mondiale. Finora questi studi hanno portato a diverse soluzioni, tra cui i migliori risultati sono stati ottenuti pompando aria in pressione in un modello di carena a sezione concava, o, in alternativa, realizzando sfori sulle unità navali attraverso i quali pompare aria su un ampia superficie di opera viva. Invece la carena inventata e brevettata da Luigi Mascellaro, testata presso primari Istituti di ricerca universitari italiani e stranieri, propone una innovativa soluzione per rompere lo strato limite tra carena e acqua, sfruttando la schiuma associata alla formazione ondosa ingenerata dalla prua. 1. INTRODUZIONE La nuova architettura di carena navale da me realizzata e brevettata a livello internazionale, frutto di studi e ricerche decennali, sfrutta la componente di schiuma associata alla formazione ondosa prodiera in condizione di moto turbolento convogliandola al di sotto della carena in modo da rompere lo strato limite. Contemporaneamente è in grado di garantire un elevata sicurezza di navigazione, assicurando comfort agli occupanti, stabilità all imbarcazione e capacit{ di affrontare condizioni meteo-mare avverse per le sue dimensioni, e offrire quindi una regolarità nei collegamenti marittimi ed un risparmio energetico consistente. 2. INNOVAZIONE DELLA NUOVA ARCHITETTURA DI CARENA Quanto sopra viene realizzato da una nuova architettura di carena navale completamente al di fuori di tutti gli schemi convenzionali, ossia una monocarena con una prua sottile a forma di V profondo per ottenere un effetto sea-keeping. L angolo acuto della prua si allarga fino a diventare di 180 nella zona poppiera (che diventa piatta), rendendo quindi questa carena molto più larga delle carene tradizionali (di circa il 20%) per dare una stabilità di piattaforma. L architettura si completa con due snelli scafi laterali o lamine poste lungo le fiancate del natante, con lo scopo di captare la schiuma associata alla formazione ondosa provocata dalla prua, impedendo che vada dispersa ma accumulandola nell angolo formato tra le lamine e la carena, che aumenta, procedendo verso poppa fino a diventare un angolo retto. E quindi la velocit{ a distribuire la schiuma uniformemente sotto la carena rompendo lo strato limite. A tale proposito, si mostrano di seguito le foto che dimostrano la distribuzione della schiuma al variare della velocità [1] (Figure: 1,2,3,4): 4 luglio

81 Figura 1: Foto n. 1 spray carena (Prova di rimorchio Δ 70t - velocità 18 nodi) Figura 2: Foto n. 2 spray carena (Prova di rimorchio Δ 70t - velocità 20 nodi) 4 luglio

82 Figura 3: Foto n. 3 spray carena (Prova di rimorchio Δ 70t - velocità 22 nodi) 4 luglio

83 Figura 4: Foto n. 4 spray carena (Prova di rimorchio Δ 70t - velocità 24 nodi) 4 luglio

84 3. SPERIMENTAZIONE EFFETTUATA Questa nuova architettura di carena è stata ripetutamente testata presso primari Istituti di ricerca universitari qualificati, come: l Istituto Vasca Navale dell I.N.S.E.A.N. C.N.R. di Roma [1][2], ed il Dipartimento di Ingegneria Navale dell Universit{ di Trieste, diretto dal Prof. Igor Zotti il quale l ha testata personalmente [3] [4], e l ha esposta nella sua relazione al precedente Congresso Sea-Med 2012 [5]; inoltre in CFD (Computational Fluid Dynamics) è stata testata nel 2014 presso l Universit{ di Stoccolma (Svezia) [10] [11] [12]. In particolare, le prove effettuate nell Agosto 2010 presso la Vasca Navale INSEAN di Roma hanno certificato i seguenti valori riferiti ad un imbarcazione di metri 24,395 di lunghezza per una larghezza massima di metri 7,446 (fuori tutto) [1][2] (Tabella 1): Tabella 1: Risultati esperienze di rimorchio ottobre 2010 Vasca Navale INSEAN Nell Agosto del 2011 si è sperimentata l influenza degli scafi laterali (o pinne) sullo stesso modello, riducendone progressivamente l immersione e lo spessore. Ne è risultato un miglioramento percentuale della resistenza ed un incremento di efficienza come da diagramma seguente [2] (Tabella 2): 4 luglio

85 Tabella 2:- Differenze percentuali della resistenza rispetto alla configurazione originale con pinne integre Questa variazione di immersione spessore degli scafi/lamine laterali non limita la controllabilit{ direzionale dell imbarcazione, come gi{ sperimentato su un modello di 7,30 metri autopropulso con scafetti laterali egualmente sottili e poco immersi.(ved. Figura 5: foto del modello autopropulso in navigazione sul lago di Bolsena). (Tabelle complete per varie dimensioni/rapporti di scala - nave, sono fornibili a richiesta) La carena Monotricat è stata inoltre di recente studiata anche col software di simulazione Open FOAM (sistema di CFD open source), all'interno di un progetto della Comunità Europea con l'università di Stoccolma (Svezia). Infatti la Monotricat Srl, promotrice del brevetto internazionale, è stata una delle 10 PMI europee selezionate dal programma europeo PRACE SHAPE per l innovazione con l obiettivo di favorire la cooperazione e il trasferimento tecnologico tra ricerca e industria. I risultati ottenuti con la CFD (Computational Fluid Dynamics) OpenFOAM sono sostanzialmente sovrapponibili a quelli ottenuti con le prove in Vasca Navale, come mostrato nella Tabella 3 [10], [11]: Tabella 3:- Valori di resistenza sperimentali (CFD - OpenFOAM) 4 luglio

86 In particolare è stata effettuata una simulazione di tutto lo scafo, includendo un'adeguata modellizzazione di turbolenza, di effetti a superficie libera e cavitazione, e simulazione abbinata del flusso e movimento indotto dal flusso, ecc., necessari allo studio di questa particolare architettura di carena. I risultati numerici e le prove di scalabilità mostrano che per lo studio ulteriore di questa carena è possibile concentrarsi sulle simulazioni CFD in alternativa alle prove tradizionali [10], [11]. Figura 5: Modello autopropulso scafo in navigazione sul lago di Bolsena (velocità nodi) 4. RISULTATI Come risulta dai risultati ufficiali dei test e dalle analisi dei risultati delle esperienze di rimorchio condotte, e sopra esposte [1] [2] [3] [4] [5] [10] [11] [13], si evince che questa innovativa carena possiede un alto grado di efficienza per velocità fino a 20/22 nodi. Tale efficienza ufficialmente dimostrata presenta un ulteriore margine di migliorabilità al di sopra di queste velocità, in quanto si è rilevato che la poppa si solleva senza un corrispettivo sollevamento idrodinamico della prua, ingenerando una rotazione del modello tale da fare immergere la prua con la conseguenza di un aumento della resistenza [1], come si evince dal grafico in Tabella 4 ove vengono rappresentate due curve relative a due diversi assetti di navigazione sperimentati, di cui il secondo non va a migliorare le performances del primo (Tabella 4). A tale proposito, sia a dimostrazione di quanto esposto, sia al fine della migliorabilità ulteriore della ricerca, è disponibile per chi volesse implementare la ricerca un prototipo presso la sede della Monotricat Srl delle dimensioni di 8m x 2,4m da motorizzare per le prove in acqua: 4 luglio

87 Tabella 4:- Curve dell angolo d assetto per le due configurazioni di carena sperimentate: 5. CONCLUSIONI E PROSPETTIVE DI RICERCA I modelli testati nelle Vasche Navali, a cui si riferiscono i risultati esposti, sono stati prodotti artigianalmente in auto-costruzione e autofinanziamento come singolo ricercatore, supportato solo da più di 50 anni di personale esperienza, preparazione e professionalità, ma non da finanziamenti del settore pubblico, privato o cantieristico (e quindi non con la precisione tecnica conseguibile solo dall industria modellistica), nonostante che l innovazione rappresentata dalla carena Monotricat sia stata oggetto di notevole interesse da parte di esperti, tecnici e accademici, oggetto di tesi di laurea e di pubblicazioni su riviste specialistiche e siti web specializzati [6],[7],[8],[9],[10],[11],[12],[13]. In base all analisi oggettiva dei risultati ottenuti ed esposti, si evince quali grandi prospettive di studio e implementazione dei risultati possano aprirsi, qualora la ricerca del settore pubblico e privato voglia supportare questa ricerca da me iniziata per lo sviluppo di un prodotto così innovativo e che apre enormi prospettive per la ripresa della cantieristica con vantaggi di riflesso sull occupazione e il made in Italy, grazie anche al valore aggiunto rappresentato dalla copertura brevettuale. BIBLIOGRAFIA [1] CNR Consiglio Nazionale delle Ricerche I.N.S.E.A.N. Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale Roma, Ing.: E. Campana Responsabile, A. Ugolini 4 luglio

88 CTER, Prove di rimorchio su modello Mono.Tri:Cat. da 24m, Esperienze di idrodinamica su modelli, Rapporto di Prova C CT10-RAP01, Serie n. 1-2, 17 maggio 2011, pagg [2] CNR Consiglio Nazionale delle Ricerche I.N.S.E.A.N. Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale Roma, Ing.: E. Campana Responsabile, M. Masia, R. Penna, D. Ranocchia, Prove di rimorchio su modello Mono.Tri:Cat. da 24m, Esperienze di idrodinamica su modelli, Rapporto di Prova C2565A03CT11-RAP01, Serie n. 1-4, Roma, 11 ottobre 2011, pagg [3] Università degli Studi di Trieste, Facoltà di Ingegneria, Dipartimento di Ingegneria Navale del Mare e per l Ambiente D.I.N.M.A., Sezione di Ingegneria Navale e del Mare, Prof. I. Zotti Responsabile, Esperienze di rimorchio Carena C Monotricat, Serie di prova n. 1-3, Trieste, 5 marzo 2009, pagg [4] Università degli Studi di Trieste, Dipartimento di Ingegneria Navale del Mare e dell Ambiente D.I.N.M.A., Esperienze di rimorchio Carena C Carena Innovativa, Ing. Tommaso De Luca, [5] I. Zotti, A. Agrusta, Evoluzioni e tendenze nello sviluppo idrodinamico delle moderne carene veloci, Universit{ degli Studi di Trieste, Dipartimento di Ingegneria e Architettura, V Congresso SEA-MED, 6 luglio 2012, Messina, pagg [6] L. Mascellaro, Nuova carena Monotricat ad alta efficienza idrodinamica e recupero energetico, Rivista Marittima, Marina Militare Italiana, luglio 2013, pagg [7] A. Mancini, The Monotricat: New Hull, New Boat, Nautica International, novembre 2009, pagg [8] A. Mancini, Il Monotricat, una nuova carena per un nuovo yacht, Nautica, settembre 2009, pagg [9] Monotricat SRL, MONOTRICAT Nuove carene navali Innovative lines hulls, Prima unità navale monocarena ad alta efficienza idrodinamica che naviga su una formazione di schiuma auto-prodotta First naval unit monohull high hydrodinamic efficiency navigating on a foaming self-produced, [10] L. Axner, J. Gong, A. Chiarini, L. Mascellaro, SHAPE pilot Monotricat SRL: Hull resistance simulations for an innovative hull using OpenFOAM, PRACE Partnership for Advanced Computing in Europe, [11] PRACE Partnership for Advanced Computing in Europe, PRACE SHAPE Pilot selects 10 European SMEs, 19_press_release_shape_selection_-_v4.pdf [12] PRACE Annual Report 2013, Monotricat SRL Italy CFD simulation of an innovative hull, [13] HUBDESIGN, Monotricat, Ing. Tommaso De Luca, 4 luglio

89 10. Metodologie per la progettazione di eliche silenziose F. Conti 1, C. Vaccaro 2, F. Valdenazzi 3, M. Viviani 2 1 FINCANTIERI, Department of Naval Architecture 2 University of Genoa 3 CETENA Sommario Al giorno d oggi, il problema dell'impatto ambientale del settore dei trasporti è diventato un tema cruciale. Nel settore marittimo, il rumore irradiato dalle navi ed il comfort a bordo stanno diventando sempre più importanti, non solo per navi passeggeri, ma anche per navi mercantili. Una delle principali fonti di rumore e vibrazioni delle navi è rappresentata dal sistema di propulsione e dall'elica in particolare. Per questo motivo, i requisiti di progettazione dell elica non sono più limitati alla ricerca della massima efficienza e ad evitare cavitazione erosiva, ma comprendono severi requisiti in termini di pressioni indotte e di rumore irradiato. Nel presente lavoro sono state adottate diverse formulazioni numeriche per la valutazione di forze e momenti esercitate sulla pala in condizioni di flusso stazionario e non stazionario, in regime cavitante e non cavitante, e le pressioni indotte sullo scafo risultanti. Abstract The problem of the environmental impact of transportation is, nowadays, a crucial topic. In the maritime industry, radiated noise and comfort related issues are becoming more and more important, not only for passenger ships, but also for merchant ships. A major source of noise and vibrations from ships is represented by the propulsion system and by the propeller in particular. For this reason, design requirements are not anymore limited to the research of high propeller efficiency and of erosive cavitation avoidance, but include stringent requirements in terms of pressure pulses and radiated noise. In the present work different numerical formulations of the steady and unsteady, wetted and cavitating flow models are applied in order to assess the blade forces and moments exerted on the cavitating propeller operating in a ship wake field and its resulting pressure pulses. 1. INTRODUZIONE Le problematiche legate al rumore irradiato e alle pressioni indotte dall elica sono sempre più importanti nell ambito del progetto dell elica, sia per applicazioni militari (come tradizionalmente avviene da molti anni) che per applicazioni mercantili, per motivazioni diverse. Tali fenomeni sono strettamente legati al funzionamento non stazionario delle eliche (in regime cavitante e non cavitante), che porta alla generazione di rumore irradiato verso l esterno e di pressioni indotte dapprima sulla volta di poppa e poi, attraverso le strutture scafo, a tutta la nave. Negli ultimi anni, accanto alle ben note necessità delle navi militari (non essere sentite e contemporaneamente essere molto silenziose per non interferire con i propri sensori), si sono affiancate le esigenze delle navi passeggeri, degli yacht di medie dimensioni e dei megayacht, con requisiti di progettazione sempre più stringenti in termini di pressioni indotte, per garantire un elevato livello di comfort ai passeggeri e / o all Armatore. Per queste navi, anche i requisiti in termini di rumore irradiato stanno acquisendo importanza, specialmente per unità 4 luglio

90 che debbano operare in prossimità di aree marine protette. Per diversi motivi, anche navi speciali, come ad esempio le navi oceanografiche, possono presentare dei requisiti di silenziosità viste le loro necessità operative. Più in generale, considerando tutte le navi mercantili, si è assistito negli ultimi anni ad un sempre crescente interesse da parte dell IMO per l impatto ambientale del trasporto marittimo. In quest ottica, sono ben noti gli studi e le norme rivolte alle emissioni in aria, sia di gas serra [1][2] che di altri residui da combustione [3], le norme relative alle emissioni chimiche di pitture antivegetative (in particolare quelle basate su TBT) [4] e al trattamento delle acque di zavorra [5]. Anche dal punto di vista delle emissioni acustiche l attenzione sta crescendo progressivamente [6][7], in stretta connessione con gli studi circa il loro effetto sulla fauna marina e in particolare sui mammiferi marini, che basano la loro possibilità di vita sulle comunicazioni acustiche. Da questo punto di vista, il rumore antropogenico può avere diversi effetti sui cetacei, potendo causare danni permanenti o temporanei all udito, cambi di comportamento o semplicemente incapacit{ di comunicare. Quest ultimo aspetto in particolare ha avuto un progressivo peggioramento a causa dell incremento del traffico marittimo negli ultimi anni. Per questo motivo, si sono svolti, e sono tuttora in svolgimento, numerosi studi rivolti ad un miglioramento delle conoscenze relative agli argomenti complessi legati al rumore irradiato dalle navi con l obiettivo di arrivare a delle normative comuni per la limitazione dei fenomeni. Il CETENA e l Universit{ di Genova hanno, a questo riguardo, partecipato ad un progetto europeo (SILENV, Ships oriented innovative solutions to reduce noise and vibrations) e stanno attualmente partecipando a due ulteriori progetti (AQUO, Achieve QUieter Oceans, e SONIC, Suppression Of underwater Noise Induced by Cavitation), a testimonianza del forte interesse da parte della comunit{ marittima per l argomento. In termini normativi, va segnalato che nel 2010 il DNV (Det Norske Veritas) ha proposto la notazione di classe Silent ; questa notazione è rivolta sia a determinate tipologie di nave (Acoustic, Seismic, Fishery, Research) che, più in generale, a navi il cui progetto sia orientato all ambiente (Environmental). Da questo punto di vista, comunque, la notazione non è obbligatoria e peraltro i limiti proposti non sembrano basati su studi effettivi sull effetto del rumore sulla fauna marina ma piuttosto sull identificazione di valori ragionevolmente ottenibili con l utilizzo di buone tecniche di progettazione. Le navi da ricerca (Fisheries research vessels) negli ultimi anni devono soddisfare i requisiti dell International Council for the Exploration of the Seas (ICES), che sono stati sviluppati sulla base di studi circa l effetto sulla fauna marina, tuttora però in discussione. D altra parte, le fluttuazioni di pressione indotte dall elica sullo scafo sono una rilevante causa di vibrazioni e rumore all interno della nave, con il conseguente forte impatto sul comfort di bordo. Si tratta evidentemente di un aspetto di grande rilevanza per la progettazione di navi passeggeri e yacht, per il quale si cerca il più possibile di intervenire alla fonte dei disturbi, ossia riducendo l ampiezza delle fluttuazioni di pressione sullo scafo attraverso un accurata previsione e analisi del comportamento fluidodinamico dell elica. A questo proposito, va detto che i livelli di vibrazioni e rumore all interno di navi passeggeri e yacht sono governati non solo da aspetti normativi, ma anche e soprattutto dai requisiti progettuali stabiliti dall Armatore / Committente. Tali requisiti sono sempre più stringenti e la capacità di soddisfarli è un aspetto chiave della competitività nel settore delle navi ad alto contenuto tecnologico. Per quanto riguarda le normative, il testo di riferimento è l IMO Resolution A.468(XII) [8] punto di partenza per le notazioni di classe comfort dei registri, che prescrivono i livelli massimo di vibrazioni e rumore nei diversi locali di bordo. 4 luglio

91 I requisiti sulle prestazioni della nave in termini di vibrazioni e rumore rendono necessaria l adozione di strumenti di progettazione e verifica in grado di prevedere in modo molto accurato il comportamento dell elica, non solo in termini di spinta, coppia ed estensione di cavitazione, ma anche in termini degli effetti secondari quali, appunto, rumore irradiato e pressioni indotte. A tal fine, sono stati utilizzati diversi approcci numerici, con livelli di complessità crescente, in modo da poter realizzare un benchmark tra essi e selezionare le metodologie che più si adattano allo studio voluto, validando i risultati ottenuti mediante prove sperimentali. 2. METODOLOGIE DI CALCOLO UTILIZZATE La cavitazione è un problema comunemente affrontato nella progettazione di eliche navali, responsabile di danneggiamento delle pale, decadimento delle prestazioni ed indirettamente anche fonte di vibrazioni e rumore irradiato. In passato sono state usate diverse metodologie per modellare numericamente i singoli fenomeni introducendo pesanti approssimazioni nella schematizzazione, oltreché un complesso lavoro di interfacciamento tra i vari codici per tenere conto dell interazione dei diversi fenomeni e una procedura di soluzione iterativa. Inoltre, se i programmi per la valutazione delle prestazioni usuali delle eliche possono considerarsi consolidati, la valutazione degli effetti secondari, in termini di pressioni indotte e, soprattutto, di rumore irradiato, continua ad essere particolarmente problematica e per questo oggetto di studio sia in campo nazionale che in campo internazionale. Nel corso degli anni, sono stati condotti numerosi studi per lo sviluppo di metodologie di calcolo (sia di progetto che di verifica), in buona parte con l utilizzo di metodi a potenziale, con correzioni opportune per tener conto degli effetti viscosi; Più recentemente, grazie all introduzione di calcolatori con capacit{ sempre più elevate, l applicazione di codici di calcolo (RANSE) in grado di affrontare il problema nella sua completezza si sta diffondendo sempre di più, permettendo di affrontare in modo soddisfacente problemi complessi come lo studio di eliche in mantello, lo studio di eliche in condizioni molto off-design e lo studio di fenomeni cavitativi come il vortice di estremità. Sia i codici a potenziale, sia i codici RANSE possono essere interfacciati con codici dedicati alla propagazione del rumore per prevedere gli effetti acustici dovuto all elica; la scelta del modello di calcolo dipende da quali sono gli effetti dominanti il campo acustico (cavitazione più o meno estesa, di tipo laminare o associata al vortice di estremità). Inoltre, nel corso degli anni sono state continuamente migliorate e sviluppate le procedure sperimentali per la valutazione dei fenomeni della cavitazione, del rumore irradiato e delle pressioni indotte, con particolare attenzione alla loro correlazione. In questo studio si descrivono brevemente le attività usualmente svolte nelle varie fasi di progettazione delle eliche navali silenziose, sottolineando quali siano gli sviluppi più recenti. La catena progettuale ha solitamente inizio con l utilizzo di programmi che permettono di determinare le caratteristiche geometriche dell elica; tra essi, i codici basati sulla teoria della linea e superficie portante rappresentano una tecnica usuale, validata e con una limitata onerosità di calcolo, prestandosi quindi particolarmente bene ad una fase di progettazione. Tali programmi sono anche in grado di fornire previsioni sull insorgere di fenomeni cavitativi in presenza dell effettiva scia nella quale l elica lavora, che aiutano a capire quali potrebbero essere le sezioni più soggette a tali fenomeni e apportare opportune modifiche iterative o alla geometria o al modo in cui viene definita la distribuzione di carico sulla pala. 4 luglio

92 Definita la geometria, per stimare il carico non stazionario sulle pale durante una rotazione completa e le pressioni indotte dall elica funzionante in scia di carena, possono essere applicati codici basati sulla teoria a superficie portante, con l aggiunta della non stazionariet{, formulata sull assunzione di pale sottili e operanti in assenza di separazione di flusso. In aggiunta a questi codici di calcolo, già in uso da tempo per le verifiche di progettazione dei propulsori navali e quindi considerabili come stato dell arte consolidato, si stanno utilizzando sempre più codici a pannelli per il calcolo delle prestazioni dell elica in condizioni non stazionarie e delle pressioni indotte. I metodi a pannelli, in generale, permettono di modellare in modo più completo le caratteristiche geometriche dell elica ed il loro effetto idrodinamico; uno svantaggio di questi metodi è legato al fatto che sia i risultati che l onerosit{ del calcolo sono dipendenti dalla pannellatura utilizzata per descrivere le pale, che diventa una delle scelte principali da affrontare in base al tipo di verifica che si vuole effettuare, e necessita quindi una notevole attenzione da parte dell utilizzatore, al fine di evitare di ottenere soluzioni di scarsa qualit{. Per poter considerare le metodologie numeriche e sperimentali completamente utilizzabili in ambito industriale, si ha un bisogno continuo di confronto tra i risultati dei vari codici e una loro validazione mediante prove sperimentali (non sempre disponibili a causa del carattere di riservatezza degli argomenti considerati); gli scopi di queste attività sono molteplici, comprendendo quello di evidenziare i limiti di applicabilità dei vari codici, permettendo al progettista di scegliere opportunamente e in modo consapevole lo strumento più adatto nelle varie fasi di progettazione e di affinare ulteriormente gli strumenti sviluppati.. Nel presente lavoro, si presentano alcuni risultati di queste attività, attualmente in corso di sviluppo presso Fincantieri e Cetena; i calcoli sono stati effettuati per diverse condizioni di funzionamento, oltre a quella di progetto, per capire come si comporta il propulsore anche al di fuori del punto di lavoro per cui la geometria di pala è stata ottimizzata. 3. ESEMPI DI CALCOLO Di seguito, a titolo di esempio, si riportano alcuni dei risultati numerici che sono in grado di fornire i codici appena discussi al punto precedente. In particolare, i calcoli sono stati effettuati su un elica a 5 pale di una nave bielica della quale erano gi{ a disposizioni prove sperimentali al tunnel di cavitazione e in vasca navale, oltreché dei rilievi al vero sia dell estensione di cavitazione che delle pressioni indotte. I codici considerati in questo caso sono quelli a potenziale, confrontando i metodi a superficie portante più usuali con i metodi a pannelli, mentre in futuro si prevede di estendere l analisi a codici RANS. Dai confronti con i dati sperimentali (in termine di estensione di cavitazione e di pressioni indotte), si può dire che il codice a pannelli, con l utilizzo di una pannellatura adeguata, fornisce una valutazione più coerente delle grandezze idrodinamiche effettivamente rilevate su modello al variare della posizione angolare delle pale. Tuttavia, come si può vedere dalla successiva Figura 1 che riporta l andamento delle forze non stazionarie su una singola pala, da questo punto di vista la precisione del calcolo a superficie portante è del tutto accettabile, e pertanto da preferire in fase di progettazione di base, rispetto ad un calcolo in scia in condizioni cavitanti con metodi a pannelli, soprattutto se paragonata con un onerosit{ di calcolo dell ordine di grandezza di pochi secondi a fronte dei tempi più lunghi necessari per i metodi a pannelli. 4 luglio

93 Per quel che riguarda il calcolo delle pressioni indotte, dal confronto con i rilievi al vero presentati nella Figura 2, si può affermare che una procedura di calcolo semplificata come la superficie portante può considerarsi non del tutto adeguata a questo tipo di valutazione. Il codice a pannelli, invece, permette di ottenere dei livelli di pressioni indotte sullo scafo abbastanza confrontabili con quelli misurati, e con un ulteriore affinamento della pannellatura di carena sulla volta di poppa utilizzata per il calcolo si potrebbero ottenere dei risultati ancora migliori. Figura 1: Confronto forze fluttuanti singola pala - Pannelli Vs. Superficie Portante Figura 2: Confronto pressioni indotte Pannelli vs. Superficie Portante vs. Misurato Nelle due successive figure, vengono riportati a titolo di esempio i risultati del campo idrodinamico di pressione (Figura 3) e dell estensione di cavitazione (Figura 4) al variare della posizione angolare, ottenuta con il programma a pannelli, che rappresentano l input per il calcolo successivo delle pressioni indotte. Da queste si può notare quanto effetto hanno sulla 4 luglio

94 cavitazione (e di conseguenza su rumore irradiato e pressioni indotte) il buco di scia creato dalla presenza della carena (nonostante l utilizzo di una carena bielica e piuttosto fine) e l inclinazione dell asse. Figura 3: Distribuzione di pressione dorso al variare delle posizioni angolari Figura 4: Cavitazione dorso al variare delle posizioni angolari 4 luglio

95 Per concludere, c è da precisare che così come sono stati condotti numerosi studi per lo sviluppo di metodologie di calcolo (sia di progetto che di verifica), anche le modalità di prova sperimentale per la valutazione dei fenomeni di cavitazione, del rumore irradiato e delle pressioni indotte e per la loro correlazione sono state contemporaneamente sviluppate e migliorate. Le più comuni ed usuali prove su modello, per le eliche, rimangono sempre le osservazioni al tunnel di cavitazione nelle quali è possibile valutare anche il rumore irradiato e le pressioni indotte. Questo tipo di misure fatte su modello devono poi essere opportunamente scalate in vera grandezza; se la scalatura dei fenomeni cavitativi è stata oggetto di molti studi in passato e può ritenersi assodata [10], non altrettanto si può dire per la scalatura dei fenomeni secondari legati ad essa, sia per quel che riguarda le pressioni indotte (con ad esempio l effetto della presenza della superficie libera che può modificare notevolmente i risultati se ottenuti al tunnel di cavitazione) sia, soprattutto, per il rumore irradiato. Da questo punto di vista, una continua correlazione tra dati su modello e al vero è necessaria per l affinamento delle capacità previsionali, oltre che per fornire ovviamente dati aggiuntivi per la validazione dei codici di calcolo. Anche per quel che riguarda le osservazioni al vero ci sono stati dei notevoli sviluppi; fino a non molto tempo fa, infatti, le osservazioni erano effettuate attraverso oblò ed usate principalmente a bordo di navi militari sui quali poter sistemare le telecamere per le misure di cavitazione, rendendo queste osservazioni problematiche e non sempre praticabili. Ultimamente, invece, per questo tipo di misure al vero è stato introdotto l uso del boroscopio che, essendo un metodo di misura non invasivo (o per lo meno molto meno invasivo, necessitando di passaggi a scafo decisamente ridotti) a bordo, offre la possibilità di effettuare misure su molte più navi ed in maniera più sistematica con risultati del tutto soddisfacenti. Nella successiva Figura 5 si riportano un immagine relativa a rilievi al vero eseguiti dal CETENA proprio col boroscopio. Nell immagine sono visibili l elica e, sulla destra, il timone. E chiaramente visibile, sulla sinistra, il vortice di estremità che si stacca dalla pala. Figura 5: Osservazioni al vero con boroscopio - Vortice di estremità. 4 luglio

96 4. CONCLUSIONI Nel presente studio si sono presentati alcuni metodi di progetto e previsione di funzionamento dell elica, discutendone vantaggi e limiti e mostrando alcuni risultati a titolo di esempio. Lo studio è stato concentrato su metodi a potenziale, estendendo l analisi a metodi a pannelli e mostrando che questi ultimi possono presentare, se utilizzati in modo opportuno, notevoli miglioramenti. In futuro si prevede di estendere l analisi anche a codici di calcolo viscosi (RANS), al fine di valutarne l applicabilit{ nel contesto di un normale ciclo di progettazione, tenendo conto anche della loro onerosità in termini di tempi di calcolo; tali codici sono da considerarsi particolarmente promettenti soprattutto per i casi in cui i codici a potenziale possono presentare problemi eccessivi, ovvero in presenza di condizioni particolarmente off-design (ad esempio tiro a punto fisso) o in presenza di fenomeni viscosi molto importanti (ad esempio eliche in mantello, eliche di thruster di manovra). Tali codici possono inoltre essere utilizzati anche per la valutazione di fenomeni complessi come i vortici di estremità cavitanti, intrinsecamente non analizzabili con codici a pannelli. A questo proposito, la Figura 6 mostra l estensione della cavitazione di un elica in mantello per propulsione principale, calcolata con un codice RANSE. Figura 6: Calcolo RANSE dell estensione della cavitazione per un elica in mantello Come sviluppi futuri, inoltre, al fine di tarare le nuove metodologie di calcolo e caratterizzare al meglio l interazione dei fenomeni oggetto di questo studio (funzionamento non stazionario dell elica cavitante e non cavitante, rumore irradiato e pressioni indotte), si prevede di 4 luglio

97 continuare ad effettuare delle prove sperimentali, utilizzando le nuove metodologie sviluppate nel corso degli ultimi anni, su un certo numero di eliche di diversa progettazione, valutando come le diverse strategie di progettazione influenzino direttamente i fenomeni cavitativi e indirettamente le pressioni indotte ed il rumore irradiato. BIBLIOGRAFIA [1] IMO 2000 Study on Greenhouse Gas (GHG) Emissions from Ships [2] IMO 2009 Second IMO GHG Study [3] IMO 1997 Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships (Annex VI of the International Convention for the Prevention of Pollution from Ships - MARPOL) [4] IMO 2001 International Convention on the Control of Harmful Anti-Fouling Systems on Ships. [5] IMO 2004 International Convention for the Control and Management of Ships' Ballast Water and Sediments. [6] IMO 2009 Noise From Commercial Shipping and its Adverse Impacts on Marine Life MEPC 59/19-9 April 2009 [7] André, M., Gaggero, T., Rizzuto, E. Underwater noise emissions: Another challenge for ship design. Advances in Marine Structure, Proceedings of 3rd International Conference on Marine Structures, Hamburg, Germany (2011). [8] IMO Resolution A.468(XII) Code on Noise Levels on board Ships, adopted on November 19th [9] Valdenazzi, F., de Lorenzo, F. A methodology for the numerical predictions of propeller tonal noise, NAV2012, Napoli, October [10] McCormick Jr., B.W. On Cavitation Produced by a Vortex Trailing From a Lifting Surfaces. Journal of Basic Engineering, September, (1962). 4 luglio

98 11. Profili giuridici della sicurezza nella nautica da diporto F. Pellegrino, C. Ingratoci Dipartimento di Giurisprudenza, Università di Messina Sommario La disciplina giuridica del diporto nautico si è evoluta parallelamente alla crescita della navigazione a fini ricreativi o sportivi che, da fenomeno elitario fino al secondo dopoguerra, si è progressivamente diffusa a partire dagli anni 70. Non è un caso, infatti, che la prima normativa specifica di settore si ha con la legge 11 febbraio 1971 n. 50 recante Norme sulla navigazione da diporto, in un periodo di piena crescita economica. Fino a tale intervento legislativo, invero, la disciplina della nautica da diporto era recata dal codice della navigazione, negli articoli da 213 a 218 relativi al comando e alla condotta di navi da diporto e di battelli a remi, al personale di camera e di famiglia, alla costruzione delle navi da diporto ed alla pesca effettuata con l impiego delle stesse, nonché nell art che sanciva le pene per l inosservanza delle disposizioni sulla navigazione da diporto. D altra parte, il ridotto interesse del legislatore per la materia trovava plausibile spiegazione nel fatto che tale tipo di navigazione, da un lato, era esercitata per svago o finalità sportive e non mirava al soddisfacimento di esigenze generali di mobilit{ di cose e persone, e dall altro, si trattava, come detto, di una pratica, all epoca, di esigua diffusione. Nel periodo del boom economico, la crescita del comparto diportistico ha determinato le condizioni per una maggiore attenzione del legislatore alla materia, che si è tradotta nella emanazione di normative speciali a sostegno del relativo comparto, ma anche finalizzate a garantire la sicurezza della navigazione, a fronte del maggior numero di unità in circolazione. Più di recente, il diffondersi di un uso commerciale delle unità da diporto, non contemplato né nelle originarie previsioni del codice della navigazione, né nella legge speciale n. 50/71, ha determinato l esigenza di una profonda revisione di tutta la disciplina, oggi raccolta nel Codice della nautica da diporto adottato con D.lgs. 171/2005 e nel regolamento di attuazione, emanato con d.m. 29 luglio 2008, n 146. Salvo lo scopo ultimo della finalità ricreativa o sportiva, il Codice della nautica ammette un uso commerciale dei mezzi allorquando un unit{ da diporto è impiegata dai proprietari per fini di lucro attraverso, ad esempio, la stipula di contratti di locazione e noleggio, a condizione che il natante venga utilizzato dal consumatore finale che ne ottiene il possesso o la detenzione per fini esclusivamente lusorii. Il panorama degli strumenti relativi all uso commerciale delle unit{ da diporto si è, peraltro, arricchito di ulteriori figure contrattuali, quali il noleggio occasionale, introdotte a seguito delle modifiche apportate al codice della nautica dalla recente legge n. 27 del 2012; modifiche che impongono una precisa ricognizione dei possibili utilizzi dell imbarcazione e delle fonti di disciplina corrispondenti. Dalle considerazioni brevemente sviluppate, emerge infatti con chiarezza che la navigazione da diporto, per le caratteristiche dei mezzi, la natura non professionale dei soggetti ammessi ad utilizzarli e le modalit{ ed i fini dell esercizio, pone una serie di problematiche specifiche 4 luglio

99 inerenti tra l altro all organizzazione dell attivit{ ed alla gestione dei profili di sicurezza. Problematiche che hanno trovato una risposta, sia pure parziale, nel decreto n. 146 del 2008, che detta norme di sicurezza per la navigazione da diporto e fissa le condizioni per il rilascio del certificato di sicurezza, distinguendo a seconda dell uso commerciale, o meno, delle unit{. Si tratta, indubbiamente, di un complesso di regole speciali rispetto a quelle, ben più numerose e articolate, che presiedono alla sicurezza nella navigazione comune, le quali ultime, però, non escludono le navi da diporto (in considerazione delle loro caratteristiche strutturali) dal proprio ambito di applicazione, quando l imbarcazione è utilizzata per fini commerciali e trasporta un certo numero di persone a bordo. Si pone, quindi, un problema di coordinamento della normativa in materia di sicurezza nella navigazione, da affrontare alla luce dei criteri di primauté, per il caso delle (numerosissime) disposizioni di origine comunitaria, e di specialità con riferimento alle norme interne di diritto marittimo. Sul punto, particolare interesse rivestono, peraltro, le previsioni della recente direttiva 2013/53/UE del Parlamento europeo e del Consiglio relativa alle imbarcazioni da diporto e alle moto d acqua, che fissa i principi per la progettazione e la fabbricazione dei prodotti in uso nella navigazione da diporto nonché le norme sulla loro libera circolazione. Da ultimo, la difficile congiuntura economica in corso, incidendo significativamente sul settore de quo, ha fatto emergere la necessità di una revisione delle, pur recenti, norme codicistiche e l introduzione di misure fiscali di favore. Il DDL n relativo alla delega al Governo per la riforma del codice del 2005, allo stato all esame della Commissione Lavori Pubblici e Trasporti del Senato, si pone proprio nell ottica di un rilancio della nautica, da conseguire attraverso una semplificazione del regime amministrativo e di utilizzazione delle unità, cui si accompagna, però, una più estesa attività di controllo in materia di sicurezza e prevenzione dei sinistri, in un settore di fatto trascurato delle disposizioni (nazionali e comunitarie) sulla valutazione del rischio pur essendo connotato da livelli di incidentalità significativi e crescenti. 1. LA NOZIONE GIURIDICA DI SICUREZZA NELLA NAVIGAZIONE Il termine sicurezza, dal latino «sine cura», indica nel linguaggio comune la condizione in cui l agente, muovendosi in ambiti percepiti come scevri da rischi e pericoli, non avverte preoccupazione 1. Questa definizione mal si presta, pertanto, a qualificare la condizione degli operatori in settori, come quello della navigazione marittima, di per sé caratterizzati da peculiari rischi tecnici che non è possibile eliminare, ma tutt al più mitigare attraverso la previsione di specifiche misure cautelari 2. Sul piano tecnico la sicurezza si connota, infatti, come il risultato atteso, o l effetto in senso giuridico, dell applicazione di specifiche norme e regole di condotta funzionali a 1 Come osservato in dottrina «Safety is perceived quality that determines to what extent the management, engineering and operation of a system is free off danger to life, property and the environment»: C. KUO, Managing Ship Safety, London, 1993, P. BOISSON, Politiques et droit de la sécurité maritime, Parigi, 1998, luglio

100 contenere il rischio ad un livello accettabile (c.d. acceptable risk) o tollerabile per la collettività, ed è avvertita essa stessa come «bene della vita» 3 o di «interesse generale» o, ancora, come un «valore universale» 4. In tale quadro, la locuzione «sicurezza della navigazione» 5 identifica tanto l oggetto della tutela quanto il risultato cui è orientato un corpus di norme, dai contenuti prevalentemente tecnici (regulatory safety), che disciplina le condotte degli operatori e delle autorit{ di controllo, a garanzia dell incolumit{ delle persone, dell integrit{ dei mezzi, delle cose trasportate e dell ambiente marino. Nel complesso delle norme di sicurezza, genericamente intese, il giurista distingue le misure di safety, che riguardano le condizioni naturali (es. tempesta) o tecniche (es. incendi, attrezzature insufficienti) avvertite come fonti di pericolo e/o possibile causa di sinistri di natura accidentale, dalle azioni di security, che si riferiscono alla prevenzione di danni dovuti ad atti criminali intenzionali e ad attività terroristiche 6. Ma v è di più. Le norme sulla sicurezza in mare guardano all attivit{ nautica (come fatto tecnico) non solo in quanto punto di riferimento oggettivo di una tutela volta a scongiurare gli «accidenti» della navigazione, ma anche come autonoma fonte di pericolo per gli spazi in cui viene esercitata 7 e per le situazioni giuridicamente rilevanti di quanti, a vario titolo, vi sono 3 G. FOÀ, Sicurezza pubblica, in Dig. disc. pubb., XIV, Torino, 1999, La dottrina si è a lungo interrogata sui contenuti giuridici della nozione di sicurezza, ravvisando in essa un bene pubblico (G. LANDI, Pubblica sicurezza, in Enc. Dir., XXXVII, Milano, 1988, 923); il risultato di un azione, preventiva e repressiva, di tutela dell ordine pubblico, strumentale alla conservazione di beni primari come la vita, la salute, l ambiente (MONTANARA, voce Sicurezza della navigazione (reati contro la) in Enc. Dir., XLII, Milano, 1990, 487; V. DE VINCENTIS, Sicurezza della navigazione (delitti contro), Nss. D.I. XVII, Torino, 28; M. COLACITO, Sicurezza (polizia di) in Enc. giur., XXXIII, ed ivi, F. OLIVA, Sicurezza della navigazione (disposizioni penali in materia di); un valore costituzionale (A. XERRI, La security nei porti alla luce della recente normativa comunitaria ed interna, in La sicurezza nel trasporto e nelle infrastrutture della navigazione marittima ed aerea, a cura di La Torre, Sia, Catanzaro, 2011, 252; ID., La sicurezza come valore nel diritto della navigazione e dei trasporti e nella formulazione di un diritto comune europeo, in Sicurezza, navigazione, trasporto, a cura di Tranquilli-Leali, Rosafio, Milano, 2008, 155, 160, 163 s., ed ivi riferimenti bibliografici). 5 Sulla nozione vedi G. PESCATORE, Problemi giuridici attuali della sicurezza della navigazione, in Riv. dir. nav., 1963, I, 148 ss.; G. RIGHETTI, Sicurezza della navigazione marittima, in Nss. D.I. XVII/1967, 291 e App. VII/1987, 208 ss.; M. GRIGOLI, Il problema della sicurezza nella sfera nautica, I, Milano, 1989; E. TURCO BULGHERINI, Sicurezza della navigazione, in Enc. dir., XLII/1990, 461 ss.; M.L. CORBINO, Sicurezza della navigazione marittima, in Dig. sez. comm., XIII/1996, 409 ss.; M. GRIGOLI, Profili attuativi della politica di sicurezza marittima della comunità europea, in Dir. maritt., 1997, 717 ss.; G. TELLARINI, La normativa adottata in sede IMO in materia di security marittima, in Dir. maritt., 2003, 1102 ss.; V. VIGLIETTA, E. PAPI, Safety e security: aspetti evolutivi della sicurezza marittima, in Dir. trasp., 2005, 117 ss.; M. BARADÀ, L evoluzione del concetto di sicurezza marittima nel diritto contemporaneo, in AA.VV., Sicurezza in mare: un impegno comune, a cura della Fondazione Ammiraglio Michelagnoli, Bari, 2005, 281 ss.; F. PELLEGRINO, La definizione di sicurezza aerea, in Aeroporti e responsabilità, atti del convegno di Cagliari del ottobre 2003, a cura di M. Deiana, Cagliari, 2005, 171 ss.; M. GRIGOLI, La sicurezza nella sfera nautica, Bari, 2006; F. PELLEGRINO, Sicurezza e prevenzione degli incidenti aeronautici, Milano, 2007, 7, 37; G. VERMIGLIO, Sicurezza: Safety, security e sviluppo sostenibile, in Sicurezza, navigazione e trasporto, cit., 145 ss., ed ivi A. XERRI, La sicurezza come valore nel diritto della navigazione e dei trasporti e nella formulazione di un diritto comune europeo, cit., 155 ss., e M. BRIGNARDELLO, La normativa comunitaria in materia di safety nella navigazione marittima, 177 ss.; F. PELLEGRINO, Sviluppo sostenibile dei trasporti marittimi comunitari, Milano, 2009, La dottrina distingue la «safety of navigation» il cui obiettivo è la tutela della vita umana dai pericoli del mare di carattere naturale (accidenti della navigazione) o inerenti alla circolazione marittima, dalla «safety of trade» il cui obiettivo è proteggere il mezzo dalle conseguenze di azioni delittuose, come la pirateria, ecc., comunemente indicata con il termine security: P. BOISSON, Safety at Sea, London, 1999, 31. In argomento vedi pure M. GRIGOLI, Il problema della sicurezza nella sfera nautica, II, La sicurezza nell esercizio nautico, Milano, 1990, La «nave» è considerata una delle fonti di inquinamento marino nell ambito delle previsioni della parte XII della Convenzione di Montego Bay sul diritto del mare del 1982 (art. 211). Cfr. pure l art. 217, 3, lett. b, della medesima Convenzione. In dottrina vedi A. XERRI, Tutela dell ambiente marino, in Nss. D. it., App. VII, Torino, 1987; C. 4 luglio

101 coinvolti 8.. La nozione in esame evoca, quindi, una condizione più complessa di quella riconducibile ai caratteri di una navigazione tranquilla, sino ad essere avvertita come espressione di un diritto fondamentale del singolo 9, cui corrisponde una pretesa della collettività nei confronti del decisore pubblico, nel contesto del moderno «diritto alla sicurezza» nella moderna società del rischio 10. La più accreditata nozione di sicurezza marittima travalica il binomio safety/security: all interno di essa si collocano, infatti, tutte le prospettive ed i processi di sviluppo e di progresso politico, economico, ambientale e sociale, unitariamente intesi come elementi dello «sviluppo sostenibile» 11, principio che, introdotto nel diritto comunitario sin dal Trattato di Maastricht, è stato ormai inserito, col Trattato di Lisbona 12,. fra gli obiettivi fondamentali dell Unione europea (art. 3, paragrafo 3 TUE). Alla luce di questo ampliamento di prospettiva, possiamo definire la maritime safety, in senso giuridico, come quell insieme di regole di condotta volte a salvaguardare la vita umana, garantire la salvezza delle navi e del carico, proteggere l ambiente marino da forme di inquinamento connesse alla navigazione e favorire lo sviluppo economico, nel rispetto degli assetti e degli equilibri sociali e ambientali. INGRATOCI, Inchieste marittime e investigazioni tecniche, Milano, 2012, 17 ss. 8 I danni arrecati a terzi, estranei alla spedizione nautica, da incidenti connessi alla navigazione possono essere ingentissimi. L esplosione del Mont Blanc, nel porto Halifax (Canada), il 7 dicembre 1917, cagionò, ad esempio, morti, feriti e senza tetto nella comunità costiera. Le maree nere provocate dagli incidenti, occorsi numerosi nel secolo scorso alle navi petroliere, sono particolarmente dannose per le popolazioni locali, i cui interessi economici sono strettamente connessi all uso delle coste; un ulteriore sostanziale minaccia per detti interessi è costituita oggi dal crescente trasporto via mare di sostanze pericolose ed inquinanti. Per un approfondimento sull incremento, nel secolo scorso, del rischio associato al trasporto di sostanze pericolose, vedi P. BOISSON, Safety at Sea, cit., Per un approfondimento, v. per tutti U. BECK, La società del rischio. Verso una seconda modernità, Roma, 2000, passim e G. VERMIGLIO, La sicurezza marittima nella società del rischio, in Riv. dir. nav., 2010, 271. L espressione «diritto del rischio» è invece di A. BARONE, Il diritto del rischio, Milano, Parla di «mondo a rischio» R. FERRARA, Emergenza e protezione dell ambiente nella «società del rischio», in Foro amm., TAR, 2005, 3356 ss. 11 Sulla nozione di sviluppo sostenibile come sviluppo in grado di «soddisfare i bisogni dell attuale generazione senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri» vedi Rapporto Bruntland su «Ambiente e sviluppo», A seguito del vertice mondiale delle Nazioni Unite sullo sviluppo sostenibile, tenutosi a Johannesburg dal 26 agosto al 4 settembre 2002, il concetto si arricchisce della componente sociale, assumendo una chiara connotazione politica, come emerge dal «Plan of Implementation», un documento programmatico che elenca il complesso delle azioni concrete da avviare per conseguire obiettivi di sviluppo sostenibile. Per un approfondimento, vedi in dottrina C. ZANGHÌ, Per una tutela delle generazioni future, in Jus, 1999, 623 ss.; A. FODELLA, Il vertice di Johannesburg sullo sviluppo sostenibile, in Riv. giur. ambiente, 2003, 2, 358 ss.; R. RIVELLO, Economia e ambiente in Europa: una distonia sinergica, in Diritto dell ambiente, a cura di R. Ferraro, Trattato di diritto privato dell Unione europea, XIII, Torino, 2006, 83 ss. Con specifico riferimento al settore dei trasporti, vedi F. PELLEGRINO, Sviluppo sostenibile dei trasporti marittimi comunitari, cit., 125 ss. 12 In una più moderna accezione, la sicurezza è il genus cui è riconducibile la species dello sviluppo sostenibile, in un rapporto dialettico «volto a conciliare le esigenze di mercato con quelle della tutela dell ambiente» (F. PELLEGRINO, op. loc. ult. cit.). L obiettivo della pubblica incolumità si identifica quindi con l attuazione delle politiche di sviluppo sostenibile. In tale contesto, la sicurezza dei trasporti viene definita come «tutela della collettività da atti, di per sé leciti, ma volti a realizzare una crescita del settore che supera il limite della accettabilità (rectius, della sostenibilità) sotto il profilo ambientale ed economico-sociale» (ivi, 232). 4 luglio

102 2. LA DISCIPLINA GIURIDICA DEL DIPORTO NAUTICO: DAL CODICE DELLA NAVIGAZIONE ALLA LEGGE N. 50 DEL 1971 Nell ambito del mercato marittimo latamente inteso, il diporto nautico riveste per l Italia un ruolo di importanza strategica, non solo come fattore di crescita economica, ma anche come veicolo di promozione turistica dei nostri mari e delle nostre splendide coste. Questo particolare segmento dell economia marittima per le caratteristiche dei mezzi, la natura non professionale dei soggetti ammessi ad utilizzarli, le modalità ed i fini dell esercizio pone una serie di problematiche specifiche che, inizialmente poco avvertite, sono oggi divenute di diffusa percezione, soprattutto in ordine alla gestione dei profili di sicurezza. La disciplina giuridica del settore si è evoluta parallelamente allo sviluppo della navigazione a fini ricreativi e sportivi che, da fenomeno elitario, si è progressivamente trasformata, a partire dagli anni 70, in un epoca di forte crescita economica, in fenomeno di massa, determinando le condizioni per una maggiore attenzione da parte del legislatore. La normativa sul diporto nautico era in origine contenuta nel codice della navigazione, nei pochi articoli (da 213 a 218) relativi alla costruzione, al comando ed alla condotta di navi da diporto e di battelli a remi, al personale di camera e di famiglia, alla pesca effettuata con l impiego delle stesse unit{, disposizioni la cui inosservanza determinava l applicazione delle pene fissate dall art c. nav. 13. Un regime organico della materia è contenuto, per la prima volta, solo nella c.d. «legge quadro» sulla navigazione da diporto, la n. 50 dell 11 febbraio 1971, più volte modificata ed emendata 14. La nuova normativa appariva, sin dalla sua emanazione, chiaramente finalizzata a supportare la crescita del comparto, ma anche attenta a rafforzare i livelli di sicurezza della navigazione da diporto, a fronte del maggior numero di unità in circolazione e del conseguente più elevato rischio di incidenti 15. Fornendo un contributo di chiarezza, ancora attuale, ai fini della delimitazione del proprio ambito di applicazione, l art. 1 della legge n. 50 definiva l unit{ da diporto come qualsiasi costruzione destinata alla navigazione da diporto, ossia effettuata a scopi ricreativi o 13 Le summenzionate norme sono state abrogate dall art. 66 n. 1 del Codice della nautica di diporto, di cui infra al 3. In dottrina v. A. DANI, Navigazione da diporto, in Digesto comm., Utet, Torino, 1994, vol. X, 205. E. ROMAGNOLI, La navigazione lusoria dal Regio codice della Marina Mercantile al codice per il diporto, in Trasporti, 2006, 98, 5, ID., L'evoluzione della normativa sul diporto nautico, in Trasporti, 2009, 109, Si ricordano: la legge 14 agosto 1971 n. 823; legge 14 agosto 1974 n. 378; legge 6 marzo 1976 n. 51; legge 26 aprile 1986 n. 193; legge 5 maggio 1989, n. 171; decreto legge 16 giugno 1994 n. 378 convertito con legge 8 agosto 1994, n. 498; decreto legislativo 14 agosto 1996, n. 436; decreto legge 21 ottobre 1996, n. 535 convertito con legge 23 dicembre 1996, n. 647; decreto legislativo 11 giugno 1997, n. 205; decreto del Presidente della repubblica 9 ottobre 1997, n. 431; legge 30 novembre 1998, n In dottrina v. C. ANGELONE, La nuova disciplina della navigazione da diporto, in Porti mare territorio, fasc. 3-4, 1987, 29; E. FANARA, La disciplina della, navigazione da diporto e la riforma del codice della navigazione, in Dir. trasp, I, 1989, 99; A ANTONINI - F. MORANDI (a cura di), La navigazione da diporto (atti di Convegno. Trieste, 27 marzo 1998, Milano, 1999, passim; M. GRIGOLI, Profili normativi dell'impiego della unità da diporto, in Dir. trasp. 1998, luglio

103 sportivi, dai quali esuli il fine di lucro 16. Le unità da diporto venivano, quindi, suddivise in tre categorie: natanti, imbarcazioni e navi. Com è noto, i natanti (originariamente soggetti a limiti di navigazione in base al tipo e all esistenza o meno della «marcatura CE») 17 sono unità a remi, o comunque di lunghezza pari od inferiore a 10 m 18, fra cui si segnalano le «moto d acqua», le «tavole a motore» e mezzi similari. Queste imbarcazioni sono sottratte all obbligo d iscrizione nei registri tenuti dall autorit{ marittima o della navigazione interna, né è richiesto loro il possesso della licenza e del certificato di sicurezza a fini di navigazione. Le imbarcazioni da diporto, cioè le costruzioni con una lunghezza dello scafo compresa fra 10,01 e 24 m., sono invece contraddistinte dalla sigla d identificazione e sono tenute ad esporre la bandiera nazionale, rimanendo soggette, quindi, all obbligo dell iscrizione nei registri tenuti dalle Capitanerie di porto, come pure al possesso della licenza di navigazione. Alla categoria delle navi da diporto appartengono tutte le unità con lunghezza dello scafo superiore a 24 m. Esse, se battono bandiera italiana, sono registrate, contraddistinte dalla sigla d 'identificazione ed ammesse all esercizio dietro rilascio della licenza di navigazione 19. Se la legge n. 50 del 1971 forniva già un quadro abbastanza dettagliato del regime amministrativo delle unità da diporto e del connesso esercizio, a fini di semplificazione rispetto alle regole generali poste dal codice della navigazione, bisogna però attendere la fine del secolo scorso per l emanazione di un corpus di norme speciali in materia di sicurezza nel settore; il regolamento approvato con D.M. Trasporti del 5 ottobre 1999, n , disponeva 16 Quanto alla finalità non lucrativa del diporto nautico, la stessa legge, al comma 4 dell art. 1, individuava una deroga nel possibile utilizzo delle unità da diporto «mediante contratti di locazione e di noleggio e per l insegnamento della navigazione da diporto, nonché come unità appoggio per le immersioni subacquee a scopo sportivo o ricreativo». In argomento cfr. F. BERLINGIERI, Impiego di unità da diporto a scopo di lucro, nota a Cass., Sez. I, 4 marzo 1980 n. 1434, Vallese c. Mezzasalma, in Dir. maritt., 1981, 13; G. DUCA, Navigazione da diporto ed impiego commerciale di una imbarcazione: brevi riflessioni su una clausola di inoperatività della copertura assicurativa per uso diverso dal diporto, in Dir. maritt., 1999, II. 17 Giova precisare che i natanti non marcati CE, adibiti ad allenamento o invitati a manifestazioni sportive, potevano navigare senza alcun limite dalla costa. 18 La modalità di misurazione delle unità da diporto cui si fa riferimento è quella «standard armonizzata» derivante dalla applicazione della Direttiva 94/25/CE del Parlamento europeo e del Consiglio, del 16 giugno 1994 sul riavvicinamento delle disposizioni legislative, regolamentari e amministrative degli Stati membri, riguardanti le imbarcazioni da diporto. La direttiva, oggi abrogata e sostituita dalla dir. 2013/53/UE, relativa alle imbarcazioni di diporto ed alle moto d acqua, si applicava in origine alle sole imbarcazioni da diporto aventi una lunghezza minima dello scafo di 2,5 metri, ed una lunghezza massima di 24 metri. Le modifiche apportate con dir. 2003/44/CE ne avevano esteso l ambito di applicazione includendovi le moto d acqua e, soprattutto, integrando i requisiti di protezione ambientale attraverso più rigorose misure in materia di progettazione, di costruzione ed immissione in commercio delle unità, riferendosi alla norma UNI EN ISO In dottrina cfr. M. GRIGOLI, Sulla rilevanza del nuovo regolamento di sicurezza per la navigazione da diporto, in Giust. civ., 1994, II, 643; ID., L'attuazione della direttiva 94/25 ce apporta un significativo contributo alla sicurezza della navigazione da diporto, in Trasporti fasc. 71, 1997, In argomento cfr. M. GRIGOLI, Sulle condizioni di navigabilità della imbarcazione da diporto, Nota a Cass. sez. I, 6 giugno 1979 n. 3196, Soc. Ausonia assicur. c. Troiese, in Giust. civ., 1979, I, 1881; Id., Sulla natura della licenza della imbarcazione o nave da diporto, nota a Cass. sez. I, 4 marzo 1980 n. 1434, Vallese c. Mezzasalma, in Giust. civ. 1980, I, 1043; D. GAETA, Sulla licenza delle navi ed imbarcazioni da diporto, nota a Cass., Sez. I, 4 marzo 1980 n. 1434, Vallese c. Mezzasalma, in Dir. maritt., 1981, Oggi abrogato e sostituito dal D.M. 29 luglio 2008, n. 146, di cui infra al 4. 4 luglio

104 per la prima volta che tutte le unità, a seconda della categoria di omologazione 21, fossero munite di un certificato di sicurezza, ovvero di un documento attestante la rispondenza del mezzo alle regole e previsioni tecniche ed operative nello stesso contenute 22. Il ricorso al modello della certificazione a fini di sicurezza 23 rappresentava un primo allineamento del regime speciale del diporto nautico alle previsioni del diritto della navigazione e, in particolare, alla disciplina generale sulla sicurezza in mare contenuta nelle Convenzioni internazionali di settore e nel regolamento nazionale di sicurezza. 3. IL CODICE DELLA NAUTICA DA DIPORTO Le ragioni alla base del regime semplificato, sul piano amministrativo e gestionale, fissato dalla legge n. 50 del 1971 per le unità da diporto, possono essere individuate, in estrema sintesi, nelle esigenze di promozione di un comparto strategico dell economia marittima nazionale e nel diffuso convincimento di una minore pericolosità della navigazione lusoria, per il carattere non imprenditoriale dell uso del mezzo, destinato, per definizione, ad attività ludiche o sportive. Invero, un diffuso «uso commerciale» delle unità da diporto, non contemplato né nelle originarie previsioni del codice della navigazione, né nella legge speciale n. 50, ha ben presto finito per imporsi nella prassi, determinando l urgenza di una profonda revisione di tutta la disciplina. L esigenza di una riorganizzazione della nautica da diporto ha portato alla emanazione della legge 8 luglio 2003, n. 172, recante «Disposizioni per il riordino e il rilancio della nautica da diporto e del turismo nautico» che, nel modificare ed integrare la disciplina previgente, ha dettato anche norme non strettamente connesse al diporto, ma aventi comunque una ricaduta sul settore 24. Lo spirito che informa la legge del 2003 è, anzitutto, quello di armonizzare la disciplina interna alla normativa europea; si aggiungono obiettivi di semplificazione delle procedure 21 Le categorie di omologazione cui fa riferimento il decreto in esame sono: A) Navigazione senza alcun limite; B) Navigazione con vento fino a forza 8 e onde di altezza fino a 4 mt; C) Navigazione con vento fino a forza 6 e onde di altezza fino a 2 mt; D). In acque protette, navigazione con vento fino a forza 4 e onde fino a 0,5 mt. 22 Il certificato di sicurezza è rilasciato, rinnovato o convalidato dall autorità marittima o da quella preposta alla navigazione in acque interne (motorizzazione civile) sulla base della documentazione tecnica di idoneità prodotta da un organismo certificatore legalmente riconosciuto (R.I.N.A., Istituto Giordano e altri), scelto dal proprietario dell unità da diporto o dal suo legale rappresentante. Il primo rilascio avviene in modo automatico, all atto dell immatricolazione del mezzo, i successivi rinnovi vanno effettuati dal proprietario della barca che dovrà contattare un istituto certificatore e chiedere che previa visita si proceda al rinnovo. In dottrina cfr. M. GRIGOLI, Sulla aggiornata regolamentazione di sicurezza della navigazione da diporto, in Trasporti, 2000, 81, Il certificato, i cui estremi sono annotati sulla licenza di navigazione, ha una validità temporale differenziata, dagli otto ai dieci anni, in rapporto alla categoria dell unità esaminata, al possesso o meno della marcatura CE ed all abilitazione alla navigazione entro una certa distanza dalla costa Per le unità CE di categoria A e B la durata del certificato al primo rilascio è di 8 anni; per le unità CE categoria C e D di 10 anni. Le unità prive di marcatura CE, abilitate alla navigazione senza limite dalla costa, ottengono il rilascio di un certificato della durata di 8 anni; se sono abilitate entro le 6 miglia dalla costa di 10 anni. I rinnovi successivi per ogni categoria hanno validità quinquennale.. Il certificato di sicurezza è sottoposto a convalida nel caso in cui l unità abbia subito gravi avarie o siano state apportate innovazioni o abbia subito mutamenti alle caratteristiche tecniche di costruzione non essenziali. 24 R. ABBATE, Alcune osservazioni sulla l. 8 luglio 2003 n. 172, «Disposizioni per il riordino ed il rilancio della nautica da diporto e del turismo nautico», in Dir. maritt., 2004, luglio

105 amministrative legate al diporto, di cui è alleggerito anche il carico fiscale per rendere il cluster nazionale più competitivo, creando le premesse per uno sviluppo duraturo del mercato di riferimento. Particolare rilievo assumono, in tale quadro, la creazione del registro dei c.d. «super yacht» 25, la disciplina del noleggio per le imbarcazioni da diporto e la previsione di un «Codice della nautica da diporto» 26. Quest ultimo provvedimento, adottato con D.lgs. 8 luglio 2005, n ha il merito di raccogliere la normativa di settore in un corpus unico, sì da sottolineare la specificità e specialità di tale tipo di navigazione. Come è noto, la disciplina speciale di una materia sorge ove l assetto normativo fondato sulle regole comuni (nel nostro caso, il diritto della navigazione e la sua fonte principale, ovvero il codice della navigazione) non è in grado di adeguarsi alle peculiarità della materia stessa e determina, pertanto, la necessità di un diverso e più adeguato sistema normativo. Nascono così norme speciali che altro non sono se non lo sviluppo di norme generali. Quando poi l insieme di tali norme risulta caratterizzato da presupposti e da esigenze proprie, si realizza un complesso organico definito «diritto speciale» 28. Tale specialit{ è sottolineata dall art. 1 c.n.d., secondo il quale, in materia di navigazione da diporto, si applicano le leggi, i regolamenti e gli usi di riferimento ovvero, in mancanza, le disposizioni del codice della navigazione 29 e le relative norme attuative, le quali, dunque, vengono in rilievo in funzione integrativa della disciplina di settore. Ciò significa che se, da un lato, la nautica da diporto possiede il proprio sistema normativo ad hoc, dall altro, il codice della navigazione rimane la legge generale in materia di trasporto per mare e per acque interne, ed interviene laddove manchino disposizioni nella normativa speciale, colmando le lacune del Codice della nautica, delle leggi, dei regolamenti e degli usi di riferimento propri della navigazione da diporto. Il Codice della nautica si prefigge, peraltro, una duplice funzione: a) raccogliere e coordinare le numerose e frammentarie disposizioni stratificatesi nel corso degli anni in materia, in modo da facilitarne la consultazione da parte di operatori e utenti; b) riorganizzare il quadro normativo di settore, per conformarlo ancora una volta al diritto dell Unione europea 30, provvedendo a snellire le procedure, ridurre i tempi, elidere 25 F. BERLINGIERI, In tema di iscrizione delle navi da diporto nel registro internazionale, in Dir. maritt., 2009, 569; E. ROMAGNOLI, Il registro internazionale, la normativa sul diporto e i nuovi titoli professionali, in Trasporti, 2009, 109, 9 26 Di seguito indicato con l abbreviazione c.d.n. 27 In vigore dal 15 settembre 2005, il Codice abroga la legge quadro n. 50 del In dottrina v. A. ANTONINI, Riflessioni sulla navigazione da diporto, in Dir. maritt., 2005, 663 ss. 28 A. LEFEBVRE-D OVIDIO, G. PESCATORE, L. TULLIO, Manuale di diritto della navigazione, XIII ed., Milano, 2013,50 s. Con particolare riferimento alla navigazione da diporto, cfr. A. ANTONINI, Convegno «Diporto e turismo, tra autonomia e specialità», Catanzaro, 7-8 marzo 2013, in Dir. trasp, II, 2013, 545; M. GRIMALDI, La nautica da diporto La disciplina legale, Napoli, Ai fini dell applicazione delle norme del codice della navigazione, le imbarcazioni da diporto sono equiparate alle navi ed ai galleggianti di stazza lorda non superiore alle dieci tonnellate, se a propulsione meccanica, ed alle venticinque tonnellate, in ogni altro caso, anche se l'imbarcazione supera detta stazza, fino al limite di ventiquattro metri. 30 Secondo gli artt. 6 e 7, possono essere immessi in commercio e messi in servizio per uso conforme alla loro destinazione i prodotti di cui all art. 4, comma 1, che soddisfano i requisiti di sicurezza indicati all art. 6 e che recano la marcatura CE di cui all articolo 8. Possono, inoltre, essere immessi in commercio e messi in uso i motori entrobordo e 4 luglio

106 prassi superflue, semplificare procedimenti e pratiche relative alla progettazione, costruzione ed immissione in commercio delle imbarcazioni e navi da diporto, nonché rivedendo le condizioni per il rilascio delle patenti nautiche, così da incentivare i cittadini al conseguimento dei titoli abilitativi. Ora, se il processo di revisione de quo non si è tradotto in una modifica radicale e completa del previgente regime, giova segnalare che gli obiettivi che ne hanno decretato l avvio ed i principî cui la nuova normativa si ispira finiscono per segnare una profonda evoluzione nei modelli di organizzazione e gestione delle attività diportistiche, con specifico riferimento ai profili di sicurezza. Basti pensare che il Codice della nautica reca attuazione della citata direttiva 2003/44/CE del Parlamento e del Consiglio del 16 giugno 2003 (modificativa delle Direttiva 94/25/CE), da ultimo abrogata e sostituita dalla direttiva 2013/53/UE del 20 novembre 2013, sul ravvicinamento delle disposizioni legislative, regolamentari ed amministrative degli Stati membri riguardanti le imbarcazioni da diporto 31. Quest ultimo provvedimento, che si applica alle unità con scafo di lunghezza compresa tra 2,5 m. e 24 m., indipendentemente dal mezzo di propulsione, ed alle moto d acqua, modifica sensibilmente i principi per la progettazione e la fabbricazione dei prodotti in uso nella navigazione da diporto, nonché le norme sulla loro libera circolazione. Limitandoci a qualche nota esemplificativa, basti citare l art. 4 della direttiva, a norma del quale i prodotti possono essere messi a disposizione o in servizio solo se non pongono in pericolo la salute e la sicurezza delle persone, le cose o l ambiente, quando siano sottoposti a manutenzione in modo corretto e utilizzati conformemente alla loro destinazione. Interessanti novità riguardano anche le categorie di progettazione, ricondotte alla capacità (certificata) delle unità di navigare in presenza di determinate condizioni meteomarine e non più ancorate, dunque, alla tipologia di navigazione autorizzata. Un mutamento di prospettiva, quindi, che, come meglio vedremo nel prosieguo, non è privo di conseguenze sul piano dei contenuti e della portata di disposizioni centrali per il nostro studio, come quelle in materia di sicurezza e del connesso regime sanzionatorio. Come la legge n. 50 del 1971, anche il Codice della nautica si applica alla sola «navigazione da diporto», definita, come già nel previgente regime, navigazione «effettuata in acque marittime e interne a scopi sportivi o ricreativi e senza scopo di lucro» (art. 1). Salvo il fine ultimo ricreativo o sportivo, il Codice della nautica ammette però ampiamente l uso «commerciale» delle unit{ 32, allorquando il mezzo è impiegato dai proprietari per finalità lucrative attraverso, ad esempio, la stipula di contratti di locazione e fuoribordo a quattro tempi a doppia alimentazione, a benzina ed a gas di petrolio liquido, derivati da motori aventi le specifiche CE. Possono essere immesse in commercio le unità da diporto parzialmente completate che soddisfino i requisiti indicati all articolo 6, destinate, per dichiarazione del costruttore o del suo mandatario stabilito nell Unione europea o della persona responsabile dell'immissione sul mercato, ad essere completate da altri. 31 Invero, la direttiva 2013/53/UE del Parlamento europeo e del Consiglio dovrà essere trasposta in legge dagli Stati membri entro il 17 gennaio 2016, momento a far data dal quale si determinerà l effetto abrogativo della previgente normativa europea. 32 Per un approfondimento cfr. F. PELLEGRINO, L utilizzazione a fini commerciali delle unità da diporto, in Trattato breve di diritto marittimo, Volume IV. Navigazione da diporto e viaggio organizzato. Disposizioni processuali, (diretto da) A. Antonini, Milano, 2013, luglio

107 noleggio 33, a condizione che il natante venga utilizzato dal consumatore finale, che ne ottiene il possesso o la detenzione, per fini esclusivamente lusorii. Il panorama degli strumenti relativi all uso produttivo delle unit{ da diporto si è, peraltro, arricchito nel tempo di ulteriori figure 34, quali il noleggio occasionale introdotto a seguito delle modifiche apportate al Codice della nautica dalla recente legge n. 27 del 24 marzo , modifiche che impongono una precisa ricognizione dei possibili utilizzi dell imbarcazione e delle fonti di disciplina corrispondenti. Anche per il Codice della nautica, le unità (ossia ogni costruzione di qualunque tipo e con qualunque mezzo di propulsione destinata alla navigazione da diporto) si distinguono in navi, imbarcazioni e natanti 36. Quanto al regime amministrativo, a norma dell art. 22, comma 1, c.n.d., le navi (ammesse alla navigazione senza alcun limite) debbono essere munite di licenza di navigazione e di un certificato di sicurezza che ne attesta le condizioni di navigabilità. Il comma 2 del medesimo articolo si riferisce alle imbarcazioni da diporto e individua i documenti da tenere a bordo di queste unità nella licenza, che abilita alla navigazione consentita dalle caratteristiche di costruzione (indicate nella dichiarazione di conformità rilasciata dal costruttore o nell attestazione di idoneit{, rilasciata da un organismo notificato) e nel certificato di sicurezza, comprovante le condizioni di navigabilità. L art. 27, comma 1, chiarisce infine che i natanti, per i quali non è prevista l iscrizione, sono esclusi dall obbligo di licenza di navigazione e certificato di sicurezza. Nondimeno, il comma 3 della stessa disposizione prevede che, se prive di marcatura CE, queste unità possano navigare entro 6 miglia dalla costa, o entro 12 miglia se omologate per la navigazione senza limiti o riconosciute idonee da un organismo notificato. I natanti, sprovvisti di marcatura CE e privi di motore (jole, pattini, mosconi, pedalò ecc.) possono navigare entro 1 miglio dalla costa (art. 27, comma 3). Se provvisti di marcatura CE, possono navigare entro i limiti previsti dalla categoria di progettazione di appartenenza. 33 La differenza tra locazione e noleggio consiste nel fatto che mentre la prima figura contrattuale ha ad oggetto l obbligo del locatore di cedere il godimento (locatio rei) dell unità da diporto per un periodo di tempo determinato (art. 42), il noleggio obbliga il noleggiante a mettere a disposizione (locatio operis) dell altra parte l unità da diporto per un periodo di tempo determinato, da trascorrere a scopo ricreativo in zone marine o acque interne a sua scelta, da fermo o in navigazione (art. 47). In quest ultimo caso l unità rimane nella disponibilità del noleggiante, alle cui dipendenze rimane anche l equipaggio. Cfr. M.M. COMENALE PINTO, La locazione delle unita da diporto, in Giureta (rivista on line), 2006; M. DEIANA, Il noleggio di unita da diporto, in Dir. maritt., 2007, 115; F. PELLEGRINO, Charter di unità da diporto, in Trattato breve di diritto marittimo, cit., A. CLARONI, Il leasing di unità da diporto, in I contratti del trasporto, a cura di F. Morandi, Bologna, 2013, II, Conversione in legge, con modificazioni, del decreto-legge 24 gennaio 2012, n. 1, recante disposizioni urgenti per la concorrenza, lo sviluppo delle infrastrutture e la competitività. A norma del nuovo art. 49 bis, inserito nel c.d.n. «Al fine di incentivare la nautica da diporto e il turismo nautico, il titolare persona fisica, ovvero l utilizzatore a titolo di locazione finanziaria, di imbarcazioni e navi da diporto di cui all'articolo 3, comma 1, può effettuare, in forma occasionale, attività di noleggio della predetta unità. Tale forma di noleggio non costituisce uso commerciale dell unità». 36 Il natante è definito come ogni unità da diporto a remi, o con scafo di lunghezza pari o inferiore a dieci metri, misurata secondo le norme armonizzate; costituisce imbarcazione ogni unità con scafo di lunghezza superiore a dieci metri e fino a ventiquattro metri, misurata secondo le norme armonizzate; è definita nave ogni unità con scafo di lunghezza superiore a ventiquattro metri, misurata secondo le norme armonizzate EN/ISO/DIS 8666 per la misurazione dei natanti e delle imbarcazioni da diporto. 4 luglio

108 La destinazione d uso commerciale del mezzo incide anche sul regime amministrativo dell unit{: infatti, ove il bene sia oggetto di locazione o di noleggio per finalità ricreative o turistiche di carattere locale, o anche adibito all appoggio alle immersioni subacquee, l utilizzazione del natante da diporto è disciplinata con ordinanza della competente autorit{ marittima o della navigazione interna, d intesa con gli enti locali. Per gli aspetti più prettamente tecnici, il Codice della nautica rinvia alla normativa di attuazione, oggi adottata con D.M. 29 luglio 2008, n Il predetto Regolamento mira a disciplinare vari aspetti, tra cui le modalità di iscrizione nei registri delle navi e delle imbarcazioni da diporto autocostruite; l iscrizione provvisoria delle navi e imbarcazioni da diporto; il procedimento per il rinnovo della licenza di navigazione e del rilascio della licenza provvisoria, i titoli abilitativi per il comando, la condotta e la direzione nautica delle unità, inclusi nuovi requisiti fisici per il conseguimento della patente nautica (necessaria per navigare oltre le 6 miglia), in particolare per le persone disabili e l uso obbligatorio di dispositivi elettronici per consentire, in caso di caduta in mare, l individuazione della persona, la disattivazione del pilota automatico e l arresto dei motori, nonché norme per la sicurezza della navigazione e delle unità da diporto, ivi comprese quelle impiegate in attività di noleggio o come appoggio per le immersioni subacquee a scopo sportivo o ricreativo. 4. NUOVE NORME IN MATERIA DI SICUREZZA DELLA NAVIGAZIONE DA DIPORTO Il Titolo III (artt. 48 ss.) del Regolamento di attuazione in esame, rubricato «Sicurezza della navigazione da diporto» opera una distinzione tra norme concernenti le imbarcazioni ed i natanti (artt ), norme di sicurezza per le navi da diporto (artt ) e norme speciali applicabili a tutte le unità, se impiegate in attività di noleggio (artt ). Ulteriori disposizioni sono dedicate alle unità impiegate per attività di appoggio ad immersioni subacquee a scopo ricreativo o sportivo. Il regolamento fissa, in particolare, le modalità per il rilascio del certificato di sicurezza, subordinato al positivo esito degli accertamenti tecnici (visita iniziale) sullo scafo, l apparato motore, l impianto elettrico e la protezione antincendio; oltre alla visita iniziale, l organismo tecnico che effettua i controlli è chiamato a realizzare una visita periodica ai fini del rinnovo del documento, rilasciando al proprietario un attestazione di idoneit{ che comprova il mantenimento dei requisiti di sicurezza. Visite occasionali sono realizzate quando se ne ravvisi la necessità. Ferme le modalità sostanziali della procedura, incentrata sul controllo tecnico delle costruzioni, il decreto realizza una proficua semplificazione dell iter amministrativo di rilascio del documento: il proprietario non dovr{ più recarsi presso l ufficio marittimo o la motorizzazione civile per rinnovare il certificato di sicurezza, ma sar{ l ente/organismo 37 Regolamento di attuazione dell articolo 65 del decreto legislativo 18 luglio 2005, n. 171 in vigore dal 21 dicembre L art. 93 di questo decreto abroga il precedente regolamento per la sicurezza n. 478/1999. In dottrina v. M.M. COMENALE PINTO, Il regolamento per l'attuazione del codice del diporto, in Dir. maritt., 2009, luglio

109 tecnico a trasmettere la documentazione necessaria alle autorità, dopo aver attestato l idoneit{ alla navigazione della barca. Dopo il rilascio del certificato è, in ogni caso, affidata al proprietario dell unit{ la responsabilità circa il mantenimento delle condizioni di sicurezza (artt. 52 e 69). Il regolamento disciplina, altresì, la quantità e la tipologia delle dotazioni di salvataggio individuali e collettive, diverse per le imbarcazioni e le navi; le dotazioni, in numero sufficiente alle persone imbarcate, compreso l equipaggio, devono essere posizionate in modo da non ostacolare il libero galleggiamento nella manovra di messa a mare e dotate di idonee ritenute che consentano un rapido distacco dall unit{ durante la navigazione. Abolito, inoltre, l atollo galleggiante: per la navigazione entro le dodici miglia, da gennaio 2009 è necessario dotarsi di zattera autogonfiabile (art. 54). Nondimeno, i battelli di servizio (tender), compresi gli acquascooter, rientranti nella categoria dei natanti e individuati con la sigla e il numero d iscrizione dell unit{ da diporto al cui servizio sono posti, se impiegati nella navigazione entro un miglio dalla costa o dall unit{ madre (a prescindere dove essa si trovi), non hanno obbligo di tenere a bordo le dotazioni di sicurezza ed i mezzi di salvataggio previsti per la categoria, ad eccezione dei mezzi di salvataggio individuali. Nuove norme riguardano anche chi pratica diving a scopo sportivo o ricreativo. Segnatamente, le immersioni subacquee richiedono la necessaria presenza di una persona abilitata al primo soccorso a bordo delle unità di appoggio. L applicazione di un regime di sicurezza più rigoroso (contenuto nel capo III del Titolo III) applicabile a tutte le unità che trasportano sino a dodici passeggeri (eccetto quelle a remi), sulla base della destinazione imprenditoriale, trova la propria ratio nelle implicazioni giuridiche che derivano dall uso commerciale; il fine di lucro che anima l attivit{ incide, infatti, sulle aspettative di sicurezza e sugli obblighi di protezione del proprietario/armatore, mentre conferisce all utilizzatore lo status di consumatore. Le imbarcazioni che trasportano più di 12 passeggeri rimangono sottoposte, in ogni caso, al regime generale sulla sicurezza delle navi passeggeri, fissato dalla normativa internazionale e comunitaria di riferimento 38. L unit{ da diporto adibita ad uso commerciale deve essere dotata, infatti, di un certificato di idoneità al noleggio (che sostituisce il certificato di sicurezza), della validità di tre anni, con obbligo per l armatore o in mancanza del proprietario di mantenere l unit{ in buone condizioni di uso. Prima di essere impiegata nell attivit{ di noleggio, l unit{ sar{ dunque sottoposta ad una visita iniziale, comprendente un ispezione completa della struttura, dell apparato motore, del materiale d armamento, delle installazioni elettriche, dei dispositivi antincendio e dei mezzi di segnalazione, nonché ad un ispezione a secco della carena. Nel caso in cui una nave abbia subito gravi avarie o siano stati ad essa apportati notevoli modifiche, che abbiano determinato il venir meno dei requisiti in base ai quali è stato rilasciato il certificato di sicurezza, quest ultimo perde di validit{ ed il proprietario dovr{ sottoporre la nave a visita 38 Per un quadro aggiornato della normativa in materia v. S. POLLASTRELLI, La sicurezza delle navi passeggeri, in Sicurezza e libertà nell esercizio della navigazione, a cura di M.P. Rizzo, C. Ingratoci, Milano, ss. 4 luglio

110 occasionale (ma lo stesso può essere disposto dall autorit{ marittima anche per motivi diversi). A ciò si aggiunga che non spetta più al comandante dell unit{ noleggiata stabilire il numero minimo di componenti dell equipaggio: il regolamento impone dei limiti che variano a seconda della capacità di trasporto di passeggeri (per le barche che trasportano più di sei persone, il numero minimo di membri d equipaggio è pari a due), della lunghezza del mezzo (per le barche superiori ai 18 metri è previsto lo stesso limite minimo di due membri d equipaggio) e della tipologia dell unit{ (per le navi da diporto i membri d equipaggio dovranno essere comunque almeno tre). Ancora, le unità adibite ad attività commerciali, e dunque anche i natanti da diporto, disporranno di una propria lista di dotazioni di sicurezza a seconda della navigazione (entro 6 o 12 miglia, oppure senza limiti) preventivamente dichiarata dai proprietari o armatori. È evidente la differenza con la regola generale posta dal decreto ministeriale per i natanti e le imbarcazioni non adibiti al noleggio, per cui la legge fissa esclusivamente i mezzi di salvataggio e le dotazioni minime 39. Altra novit{ di rilievo inerente all uso dei natanti è l istituzione, facoltativa, del codice SAR (art. 49), in base al quale gli armatori delle imbarcazioni non immatricolate potranno fornire al Comando generale delle Capitanerie di porto le più importanti informazioni sull unit{, in cambio di un identificativo numerico, preceduto dalla sigla «ITA», utile soprattutto agli uomini della guardia costiera per velocizzare eventuali operazioni di soccorso (art. 49). Al di là delle singole misure di sicurezza, nel Titolo in esame spiccano in particolare due norme, contenute nell art. 48, che riprendendo una disposizione già presente nell abrogato regolamento del 1999 sanciscono la responsabilità del comandante, attesa la sua posizione di garanzia, nel dotare l unit{ di mezzi e attrezzature di sicurezza (e marinaresche), ulteriori rispetto a quelle prescritte dalla legge, in relazione alle condizioni meteo-marine, alla distanza da porti sicuri e alla navigazione intrapresa 40. La disposizione di interesse (art. 48, prima parte) stabilisce ancora che le dotazioni di sicurezza e i mezzi di salvataggio (ulteriori) devono essere commisurati alla distanza dalla costa (navigazione «effettivamente svolta») a prescindere, quindi, dalla classificazione e dall abilitazione dell unit{. Pertanto il decreto individua il comandante come il soggetto responsabile delle scelte circa le dotazioni di sicurezza dell unit{ al di l{ dei minimi di legge; il riferimento alla distanza dalla costa, da porti sicuri, alla situazione e previsioni meteo, alle capacit{ dell equipaggio, alle caratteristiche delle unità, e via dicendo, qualifica il potere decisionale del comandante come esercizio di una discrezionalità tecnica, condizionata dalla rotta programmata e giustificata dall attenta valutazione dei fattori di contesto, che consentono al responsabile, secondo competenza ed esperienza, di valutare complessivamente il rischio correlato alla navigazione pianificata ed adottare le opportune misure correttive. 39 A norma dell art. 54 «Le unità da diporto devono avere a bordo i mezzi di salvataggio individuali e collettivi e le dotazioni di sicurezza minimi indicati nell allegato V». 40 L art. 54 parla di mezzi di salvataggio e dotazioni «minime». 4 luglio

111 In pari tempo, il Regolamento individua nel proprietario del mezzo (art. 52) il garante del mantenimento delle condizioni strutturali di sicurezza dell unit{, in quanto responsabile: - del mantenimento dell unit{ in buone condizioni di uso; - della manutenzione dello scafo, dell apparato motore, dell impianto elettrico e di protezione contro gli incendi; - della sostituzione delle apparecchiature, dei mezzi di salvataggio e delle dotazioni di sicurezza che presentano uno stato di deterioramento o evidenziano deficienze tali da comprometterne l efficienza. 5. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE Dalla breve analisi normativa condotta emerge chiaramente come il legislatore della riforma sia orientato a privilegiare, a fini di sicurezza nel diporto, modelli di chiara matrice anglosassone incentrati sull autodeterminazione del soggetto responsabile della condotta nautica, piuttosto che rafforzare il quadro normativo e regolamentare con nuove e più stringenti misure preventive e cautelari. Basti pensare che, in mancanza di un indicazione in termini di distanza lineare dalla costa (secondo il modello adottato dal codice della navigazione), le unità da diporto sono abilitate ad una determinata navigazione esclusivamente in ragione della loro categoria di progettazione, la quale, a sua volta, non tiene conto delle distanze, bensì dell altezza d onda in rapporto alla quale la nave è progettata per navigare in sicurezza (condizioni di vento e mare): elemento dunque variabile e sottoposto alla prudente valutazione (hic et nunc) del comandante dell unit{. La scelta orientata all autoresponsabilit{ del diportista è probabilmente frutto del compromesso tra l intento di snellire l intervento pubblico nel settore della nautica, limitandolo all essenziale per incentivare lo sviluppo del turismo e degli sport nautici, e le esigenze di sicurezza che appaiono meglio garantite dalla possibilità del comando di bordo di assumere le determinazioni ritenute migliori, secondo perizia, prudenza, diligenza, in rapporto alla situazione concreta; determinazioni la cui efficacia, in termini di sicurezza, è considerata adeguata nella gestione di mezzi di più agevole manovra rispetto a quelli in uso nella navigazione commerciale. In sintesi, la vigente normativa sembra recepire i nuovi principi di «safety culture» 41, una cultura che non si propone semplicemente di evitare gli incidenti o di ridurne il numero, attraverso l imposizione di procedure standard, ma richiede agli operatori professionali di fare la cosa giusta al momento giusto, in risposta tanto alle situazioni normali quanto a quelle emergenziali. In tale quadro, crescenti livelli di sicurezza possono essere traguardati attraverso la qualità e l efficacia della formazione marinara per costruire adeguate professionalità. Questi risultati sono stati di certo agevolati dall ambizioso traguardo che il legislatore italiano ha raggiunto con un lavoro iniziato sin dal 2003 nell ambito della normativa 41 Cfr. il d.d.l n. 1167, di cui infra, che sollecita l inclusione della «cultura nautica» tra le materie di insegnamento scolastico in tutti gli ordini e gradi. 4 luglio

112 dedicata alla nautica: la realizzazione di un sistema dotato di coerenza e organicità, che mette a disposizione di utenti, operatori e addetti ai lavori, in un medesimo corpo normativo (composto da Codice e Regolamento di attuazione), l intera disciplina del diporto nautico, agevolandone la conoscibilità e comprensione. Ulteriori passi verso la semplificazione del regime delle attività nautiche, in un contesto di crescente attenzione alla sicurezza, potrebbero derivare da una gestione centralizzata dei sistemi di registrazione, per la pronta individuazione dei mezzi e dei soggetti responsabili in caso di incidente, come pure dalla definizione di sistemi evoluti di monitoraggio e di meccanismi anticollisione, in analogia a quanto previsto ad esempio nel settore aeronautico. In questa direzione pare orientato anche il legislatore nazionale, che ha già in cantiere una revisione delle disposizioni vigenti, oggetto di ben due disegni di legge (il n ed il n , allo stato all esame della Commissione Lavori Pubblici e Trasporti del Senato): entrambi prevedono una delega (da esercitare entro due anni) all esecutivo per procedere alla revisione organica della disciplina del settore. In particolare il d.d.l. n persegue finalità di rilancio della nautica, da conseguire attraverso un ulteriore semplificazione del regime amministrativo, cui si accompagna, però, una più estesa attività di controllo in materia di sicurezza e prevenzione dei sinistri, con il chiaro inserimento di modelli di valutazione del rischio, in un settore connotato da livelli di incidentalità significativi e crescenti Di iniziativa governativa, relatore il Sen. Raffaele Ranucci. 43 Di iniziativa Parlamentare. 44 Cfr. Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, Dipartimento per i trasporti, la navigazione ed i sistemi informatici e statistici, Direzione generale per il Trasporto Marittimo e per Vie d Acqua Interne, Div. 4, L incidentalità nella navigazione marittima negli anni , Roma, giugno luglio

113 12. Sistema innovativo per la stabilizzazione di un HSC A. Giallanza, L. Cannizzaro, A. Pasta, N. Naccaro, G. Marannano DICGIM, Università di Palermo Sommario Il sistema di stabilizzazione attualmente impiegato sui mezzi a sostentamento alare consta di due superfici mobili incernierate nell ala anteriore i cui movimenti, indipendenti l uno dall altro, sono comandati da due cilindri attuatori (uno per lato). La riprogettazione del sistema di azionamento considera il riposizionamento degli attuatori di comando dei flap all interno dello scafo. È stato pertanto studiato e messo a punto un sistema cinematico costituito da un manovellismo di spinta non centrato azionato da un attuatore oleodinamico a doppio effetto posto al di sopra della linea di galleggiamento e all interno di una apposita struttura metallica. Per lo sviluppo di tale sistema di comando si è dovuto tener conto della criticità legata alla necessità di trasmettere elevate azioni torcenti avendo a disposizione uno spazio limitato per posizionamento delle componenti del sistema di trasmissione. 1. INTRODUZIONE Le tipologie dei battelli veloci impiegati per il trasporto passeggeri fanno riferimento alle normative HSC le quali stabiliscono precise condizioni tra velocità di crociera e dislocamento dei mezzi. Essi sono classificabili in tre principali categorie: pluriscafi, monoscafi e mezzi a sostentamento alare. Un approfondito confronto tra le diverse tipologie di mezzi impiegati individua nei battelli a sostentamento alare la tipologia che meglio si adatta al trasporto di un numero non elevato di passeggeri (poco più di 200 persone) per tratte medio-brevi. Un accettabile confort a bordo, garantito anche in condizioni meteo marine perturbate (fino a forza 4-5), è dovuto al fatto che lo scafo del battello, durante la navigazione, si predispone al di sopra delle creste del moto ondoso e i suoi movimenti sono controllati da un impianto di stabilizzazione costituito da superfici alari (flaps) il cui azionamento è controllato da attuatori idraulici. Ne deriva che la resistenza al moto, causata dal moto ondoso prodotto dal mezzo e dalla resistenza di attrito delle superfici di carena, si riduca notevolmente a parità di velocità di crociera. Il consumo di combustibile (espresso in kg per passeggero e per miglio) di conseguenza risulta sensibilmente inferiore a quello delle altre tipologie di mezzi HSC. A fronte di tali indiscutibili vantaggi, il mezzo a sostentamento alare presenta un elevato costo di manutenzione. La causa principale è da imputare alla fragilità complessiva del sistema di movimentazione delle superfici mobili, i cosiddetti "flap" a cui è affidata la funzione di stabilizzazione del mezzo. Lo studio, frutto dell attivit{ di Ricerca Industriale svolta dal DICGIM dell Universit{ degli Studi di Palermo in partnership con l Engineering Department della Ustica Lines S.p.A. nell ambito di un progetto finanziato con fondi PON Ricerca e Competitività , individua nel sistema di stabilizzazione una delle principali cause di guasto comportanti la fermata del battello a sostentamento alare HSC (High Speed Craft). Infatti, la loro presenza in acqua genera normalmente fouling sugli steli dei cilindri e rapida usura delle guarnizioni di tenuta con frequenti danneggiamenti dei sensori di posizione degli attuatori, fondamentali per il controllo degli stessi. Al fine di riposizionare gli attuatori 4 luglio

114 all interno dello scafo, nel lavoro è stato completamente riprogettato il sistema di stabilizzazione, adottando un manovellismo di spinta non centrato per il loro azionamento. Il sistema in studio è stato completamente progettato e verificato tramite analisi agli elementi finiti condotte in ambiente ANSYS WorkBench. Lo studio numerico ha giustificato la realizzazione del meccanismo di azionamento che è stato testato sperimentalmente, staticamente e dinamicamente, su una macchina di prova servo-idraulica tipo MTS con cella di carico da 100KN. Le prove sperimentali non hanno evidenziato problemi di funzionamento del sistema di movimentazione dei flaps. Dal controllo funzionale finale e da un ispezione mediante liquidi penetranti non sono state riscontrate anomalie tali da compromettere il regolare funzionamento in esercizio. 2. STATO DELL ARTE E CRITICITÀ DEL SISTEMA DI STABILIZZAZIONE Il sistema di stabilizzazione attualmente impiegato sui mezzi a sostentamento alare consta di due superfici mobili incernierate nell ala anteriore i cui movimenti, indipendenti l uno dall altro, sono comandati da due cilindri attuatori (uno per lato) (Fig. 1). Figura 1: Schema del sistema attuale di movimentazione flap Un sistema di controllo rileva i movimenti dell imbarcazione in termini di rollio e beccheggio e conseguentemente un circuito oleodinamico, agendo direttamente sugli attuatori collegati ai flap, permette di stabilizzare l imbarcazione. Il sistema interviene anche durante la fase di decollo per innescare la planata attraverso un movimento sincrono dei flap. Alla velocità di crociera di circa 36 kn il movimento dei flap oscilla tra zero e 10. In corrispondenza dell escursione massima, l analisi fluidodinamica dell intero sistema alare ha permesso di valutare che sull asse del flap si genera un momento torcente di Nm [5]. La pressione di esercizio del circuito oleodinamico e il dimensionamento dei cilindri idraulici garantiscono la possibilità di esercitare tale momento. La presenza degli attuatori idraulici in acqua genera normalmente fouling sugli steli dei cilindri e rapida usura delle guarnizioni di tenuta con frequenti danneggiamenti dei sensori di posizione degli attuatori, fondamentali per il controllo degli stessi. Il continuo fuori servizio 4 luglio

115 del sistema di stabilizzazione limita notevolmente l impiego dei mezzi a sostentamento alare. Frequenti stop sono inoltre imposti dagli organi di controllo marittimo poiché la fuoriuscita di liquido idraulico dagli attuatori potrebbe causare evidenti fenomeni di inquinamento in zone marittime protette. 3. ANALISI DEI COSTI DI MANUTENZIONE La manutenzione gioca un ruolo fondamentale nelle politiche di gestione di una compagnia di navigazione. Le norme imposte dalle autorità del settore salvaguardano adeguatamente la sicurezza e non consentono alcun tipo di risparmio sui costi di manutenzione. Tali regole sono molto rigide e non possono essere eluse dalle compagnie di navigazione; la mancata manutenzione o la carenza di manutenzione infatti fa si che la compagnia possa incorrere in pesanti sanzioni. L analisi dei costi di manutenzione per gli interventi necessari dovuti agli inconvenienti dei sistemi di stabilizzazione non va limitata agli interventi direttamente connessi alla sostituzione di particolari meccanici. Infatti, devono essere considerati: i notevoli costi di alaggio e varo a lavori ultimati comprendenti anche i costi dovuti al trasferimento del mezzo in porti attrezzati alla messa in secco; i costi indotti dovuti alla indisponibilità del mezzo. Tali considerazioni sono strettamente attinenti ai battelli a sostentamento alare mentre non lo sono del tutto per le altre tipologie di mezzi. Questi, seppur dotati di sistemi di stabilizzazione, presentano attuatori di comando posizionati all interno dello scafo e non incorrono, quindi, nei problemi di usura e danneggiamento descritti. Lo studio è basato sull attuale politica di manutenzione adottata dalle compagnie di navigazione, di tipo a guasto, che comporta l imprevedibilit{ della fermata del mezzo. Una diversa politica manutentiva, di tipo preventivo e/o predittivo ad esempio, comporterebbe la necessità di dotare il sistema di stabilizzazione di sofisticati sensori atti a rilevarne il progressivo danneggiamento. L installazione di tali sensori sui sistemi attualmente impiegati in acqua risulterebbe praticamente impossibile ed, anzi, aumenterebbe la complessità del sistema. Per contro, un aumento della frequenza degli interventi di manutenzione, anche solo al fine di un controllo più frequente dei sistemi di stabilizzazione, comporta in ogni caso sia l alaggio e il varo che il fermo del mezzo rendendo la politica di manutenzione preventiva del tutto inefficiente oltre che inefficace. La manutenzione di un moderno battello per trasporto passeggeri assorbe circa il 20 25% dell intero costo operativo ed è quindi una voce molto importante nel capitolo dei costi. Dall efficienza della manutenzione, sia per quanto riguarda la qualità del servizio sia per quanto riguarda i tempi, dipende anche in larga misura la programmazione delle tratte. La produttività di un battello dipende dal tempo di impiego. Da qui la necessità di ridurre i tempi di manutenzione al minimo senza intaccare la sicurezza. Questa complessa problematica rientra nei compiti del management che deve gestire la manutenzione della flotta affinché vengano ridotti al minimo i tempi ed i costi, senza trascurare le problematiche legate alla sicurezza. Dal momento che i battelli a sostentamento alare sono molto costosi, gli stessi devono essere ampiamente utilizzati, garantendo un alto tasso di disponibilità operativa. Da qui scaturisce la necessità di intervenire in fase di progettazione per innovare il sistema di stabilizzazione esistente, considerato un punto critico ai fini della gestione operativa del mezzo. Nel caso specifico il guasto non è provocato dal raggiungimento di una determinata soglia del parametro di usura, ma da specifiche cause esogene dovute principalmente al posizionamento 4 luglio

116 dell attuatore. Infatti, gli attuali sistemi di stabilizzazione presentano attuatori posizionati al di sotto del livello del mare. Ciò determina: 1. Il deterioramento dell attuatore dovuto principalmente al contatto con l acqua salina piuttosto che all usura; 2. la possibilità che il battello possa subire un urto, con conseguente guasto, a causa di impatti imprevisti in presenza di bassi fondali (soprattutto in entrata ai porti). In aggiunta, il processo di manutenzione ordinaria dei battelli è caratterizzato da ispezioni periodiche, imposte dalle norme, per determinare lo stato dei componenti soggetti a controllo. La sostituzione del sistema di stabilizzazione oggi in uso con un sistema innovativo non determina cambiamenti a tale processo. In definitiva, considerando che la manutenzione ha due scopi principali: 1. riparare guasti; 2. impedire la loro insorgenza. In questo studio l attenzione è stata posta sul primo aspetto ponendo in evidenza l efficacia del progetto di un innovativo sistema di stabilizzazione e come esso possa determinare riduzioni significative del costo di manutenzione. 4. SOLUZIONE PROGETTUALE PROPOSTA La soluzione progettuale considera il riposizionamento degli attuatori di comando dei flap all interno dello scafo. È stato pertanto studiato e messo a punto un sistema cinematico costituito da un manovellismo di spinta non centrato (fig. 2A) azionato da un attuatore oleodinamico a doppio effetto posto al di sopra della linea di galleggiamento e all interno di una apposita struttura metallica. Figura 2: Schema del sistema di movimentazione flap in studio Il sistema è costituito da un asta di azionamento e da un manovellismo di spinta progettato per convertire lo spostamento assiale dello stelo del pistone idraulico nella rotazione finale del flap. L ottimizzazione della struttura alare prevede che le due semiali che si dipartono dal pilone centrale dell ala (fig. 2B), siano leggermente inclinate verso il basso (circa 8 ), con disposizione ad ali di gabbiano. In ragione di ciò, l asse di rotazione del flap non coincide con l asse orizzontale del manovellismo di spinta. Si rende quindi necessario l impiego di un doppio giunto cardanico per effettuarne il collegamento al flap (fig. 3A). 4 luglio

117 Figura 3: (A) Sistema di movimentazione flap; (B) manicotto a profilo poligonale posizionato sul bilanciere In particolare (fig. 2), l attuatore oleodinamico movimenta un asta guidata assialmente da boccole a strisciamento. Tramite un sistema biella-bilanciere il moto è trasmesso ad un albero scanalato la cui estremità, rivolta al flap, è collegata al doppio giunto cardanico. Per problemi correlati alla realizzazione pratica della brocciatura del profilo scanalato sul bilanciere, lo stesso è stato ricavato su un manicotto con profilo esterno poligonale unificato che a sua volta è stato posizionato in una sede ricavata sul bilanciere stesso (fig. 3B). Il sistema di forze agenti sugli elementi che compongono il meccanismo dipende dalle diverse configurazioni geometriche assunte dal cinematismo durante il suo funzionamento. Da studi fluidodinamici relativi al sostentamento del battello risulta che la condizione di carico più severa è quella relativa a una posizione angolare del flap pari a -10 (fig.4). In questa configurazione sul meccanismo agisce un momento torcente massimo di Nm, applicato sull asse di rotazione del flap. Figura 4: Angolo di inclinazione del flap e relativo momento torcente nella configurazione di carico più gravosa 4 luglio

118 Per lo sviluppo di tale sistema di comando si è dovuto tener conto della criticità legata alla necessità di trasmettere elevate azioni torcenti avendo a disposizione uno spazio limitato per posizionamento delle componenti del sistema di trasmissione. Infatti, l esigenza di ottimizzare i flussi idrodinamici nella zona di collegamento delle ali al pilone centrale allo scopo di ridurre le resistenze al moto, ha imposto di progettare un giunto cardanico (fig. 5) di ridotto ingombro radiale. L impossibilit{ di utilizzare un giunto cardanico di tipo tradizionale ha condotto inoltre alla progettazione e realizzazione di un giunto cardanico smontabile in cui le crociere possono essere facilmente rimosse grazie all allontanamento dei bulloni. Il corpo centrale dell albero cardanico è costituito da un innesto maschio-femmina tenuto in posizione da un collegamento bullonato precaricato. Figura 5: Vista esplosa del corpo centrale del doppio giunto cardanico. Al fine di valutare il comportamento meccanico del sistema in esame è stato necessario progettare un opportuno telaio di prova attraverso il quale simulare le reali condizioni di carico in esercizio. Il sistema di prova (fig. 6) è costituito da un telaio inferiore, da un componente di collegamento tra gli assi cardanici, da una piastra di supporto per le boccole a strisciamento che guidano lo spostamento assiale delle aste di comando. 4 luglio

119 Figura 6: Modello cad del sistema di prova Attraverso la particolare configurazione di prova è possibile testare contemporaneamente due sistemi di azionamento i quali generano due momenti torcenti di uguale modulo ma di asse-verso opposto. I due meccanismi sono alloggiati in sedi distanziate in modo conforme al reale posizionamento all interno dell aliscafo. 5. MATERIALI UTILIZZATI I componenti del meccanismo di movimentazione del flap dell ala sono realizzati interamente in acciaio inossidabile ad eccezione dei cuscinetti a strisciamento del giunto cardanico, delle guide dell asta del meccanismo e del doppio giunto cardanico. L albero scanalato, il manicotto scanalato e il doppio giunto cardanico sono stati progettati e realizzati in acciaio inossidabile AISI 420 [6], temprato e rinvenuto con tensione di snervamento superiore a 1200 MPa. L acciaio AISI 420 infatti presenta, tra i martensitici, le migliori caratteristiche di resistenza alla corrosione allo stato temprato e disteso a bassa temperatura, con superfici lucidate a specchio. Il bilanciere, i perni del manovellismo, l asta di biella e l asta di azionamento sono stati progettati e realizzati in acciaio inossidabile austenitico tipo AISI 316 [7]. 4 luglio

120 Le boccole di strisciamento utilizzate per la guida per l asta del meccanismo e per l albero di trasmissione del moto sono state previste in materiale composito con armatura in acciaio e strato superficiale di bronzo sinterizzato; presentano strato di copertura di PTFE con additivi antiattrito (5-30 μm) e sono utilizzate nelle applicazioni caratterizzate da ridotte velocit{ o limitati movimenti angolari. I cuscinetti a strisciamento del giunto cardanico sono previsti in bronzo UNS Il telaio di prova è realizzato in acciaio C45 (ss = 530MPa) ad eccezione del componente di collegamento tra gli assi cardanici per il quale è stato selezionato un acciaio C50 trafilato a freddo con tensione di snervamento pari a 579 MPa. 6. ANALISI NUMERICHE Le analisi strutturali sono state condotte in ambiente ANSYS WorkBench. La modellazione solida è stata realizzata mediante il software SOLIDWORKS. L intero meccanismo è stato discretizzato con elementi esaedrici. Le superfici accoppiate del meccanismo sono state modellate utilizzando opportuni elementi di contatto. Sono stati utilizzati contatti di tipo bonded [8] tra gli elementi per i quali non è previsto movimento relativo e contatti di tipo frictional nel caso di componenti tra i quali è possibile il contatto di strisciamento. Per ridurre i tempi di calcolo, l analisi del sistema è stata effettuata prendendo in considerazione tre diversi sottosistemi: 1. Sistema biella-bilanciere-albero scanalato; 2. Sistema di prova; 3. Giunto cardanico. Per ciascun sistema sono state definite opportunamente le condizioni di carico e vincolo. Il primo sottosistema (fig.7) è vincolato tramite l imposizione di spostamenti e rotazioni nulle sulle superfici esterne delle boccole; è stato inoltre bloccato lo spostamento assiale dell asta. Il momento torcente di 3000Nm è stato direttamente applicato alla flangia dell albero scanalato. Il secondo sottosistema (fig. 6) è stato vincolato attraverso l'imposizione di spostamenti e rotazioni nulle sia in prossimità della base del telaio inferiore sia in prossimità della piastra superiore. Al fine di evitare moti rigidi della struttura sono stati imposti spostamenti assiali nulli in prossimità dell accoppiamento tra albero scanalato e manovella. Il momento torcente massimo è stato applicato sulle flange degli alberi scanalati. Il componente di collegamento degli assi cardanici è stato studiato a parte imponendo spostamenti e rotazioni nulle in prossimità di un foro poligonale e il momento torcente applicato sul foro opposto. Il terzo sottosistema (fig. 7B) prevede che il giunto cardanico sia vincolato sulle facce dell albero poligonale ed il carico sia applicato alla flangia. Nella Figura 8 sono mostrati i particolari della discretizzazione adottata per alcuni componenti. 4 luglio

121 Figura 7: Particolari della discretizzazione: (A) meccanismo, (B) giunto cardanico. Le figure 8-10 mostrano, in particolare, gli andamenti delle tensioni di Von Mises e gli spostamenti massimi per i componenti più sollecitati dei tre sottosistemi in studio: bilanciere (fig.8), albero scanalato del meccanismo (fig.9), telaio inferiore del sistema di prova (fig.10). Figura 8: Andamento delle tensioni di Von Mises sul bilanciere 4 luglio

122 Figura 9: Andamento delle tensioni di Von Mises sull albero scanalato Figura 10: Andamento delle tensioni di Von Mises sul telaio di prova In riferimento alle fig. 8-9, i punti di concentrazione delle tensioni di Von Mises si presentano in prossimità del raggio di raccordo alla base del profilo poligonale del bilanciere e del raggio di raccordo alla base del dente del profilo scanalato, comunque di circa 10 volte inferiore al valore della tensione di snervamento per il materiale selezionato. Lo stato tensionale sul telaio inferiore del sistema di prova è di modesta entità con valore massimo di circa 16 volte inferiore alla tensione di snervamento. Relativamente all analisi effettuata sul doppio giunto cardanico, le parti maggiormente sollecitate sono quelle in corrispondenza del raccordo di base del corpo centrale femmina (Fig.4). La tensione massima, sebbene prossima al limite di snervamento del materiale selezionato (AISI 420 bonificato con tensione di snervamento ss = 1200 MPa), si localizza in un area limitata del raccordo, alla base 4 luglio

123 del corpo centrale femmina, caratterizzata da elevata concentrazione di tensione. Nella figura 11 sono mostrate le zone del giunto cardanico caratterizzate da valori di tensione di Von Mises superiore a 800 MPa. Fig.11: Aree del cardano caratterizzate da tensioni di Von Mises superiori a 800 MPa Le tensioni di contatto sui cuscinetti a strisciamento assumono valore inferiore alle tensioni ammissibili del materiale con cui sono realizzate le boccole. Dall analisi effettuata, si evince che la struttura si comporta globalmente in maniera uniforme. È prevista l esecuzione di uno studio sperimentale per confermare i risultati numerici. 7. PROVE SPERIMENTALI Lo studio numerico condotto per la progettazione del sistema di comando ha giustificato, in ragione delle precedenti considerazioni, la realizzazione del meccanismo del quale si riportano i principali componenti in fig luglio

124 Figura 12: (A) Doppio giunto cardanico;(b) Bussola scanalata; (C) Bilanciere; (D) Albero scanalato Diverse prove statiche iniziali sono state condotte su una macchina di prova servo-idraulica tipo MTS con cella di carico da 100KN. Le prove sperimentali hanno permesso di valutare la risposta del sistema secondo tre distinte condizioni di carico, corrispondenti all applicazione di un momento torcente sull asse del doppio giunto cardanico rispettivamente pari a 1500Nm, 2000Nm e 2500Nm. La configurazione di prova è mostrata in figura 13: Figura 13: Layout di prova 4 luglio

125 Al raggiungimento di un momento torcente pari a circa 2000 Nm il doppio giunto cardanico è sopraggiunto a rottura per effetto della propagazione di due difetti che si sono originati in prossimit{ del raggio di raccordo dell innesto femmina (Fig. 14). Figura 14: Modalità di rottura del corpo centrale del doppio giunto cardanico La soluzione progettuale proposta non garantisce quindi i requisiti resistenziali richiesti. Il corpo centrale del giunto cardanico è stato completamente riprogettato, sia per quanto riguarda la scelta del materiale sia per quanto riguarda la configurazione geometrica. L acciaio scelto presenta elevato limite elastico (>720 MPa) e una maggiore deformazione a rottura. In ragione dell elevata concentrazione delle tensioni in prossimit{ dell'elemento centrale femmina, che ha causato la nascita di difetti che hanno condotto alla rottura del componente, è stato necessario prevedere un più ampio raggio di raccordo in prossimità della base dello scavo. E stata inoltre prevista una più elevata superficie di contatto tra l'elemento femmina ed il corrispondente sopporto maschio che ha consentito di ridurre la pressione di contatto durante la trasmissione del momento torcente. Il raggio di raccordo alla base del supporto femmina è pari a 1.5 mm, tre volte maggiore di quello previsto nell innesto iniziale. L altezza del profilo del supporto maschio è pari a 17.5 mm, due volte maggiore dell analogo del profilo originale. L'ingegnerizzazione del componente ha condotto quindi a ridefinire le nuove superfici di accoppiamento così come mostrato in fig luglio

126 Figura 15: Riprogettazione del corpo centrale dell albero cardanico. L analisi numerica mostra che il componente si comporta globalmente in maniera uniforme, con uno stato tensionale inferiore a quello determinato nella precedente configurazione. La nuova configurazione consente infatti di ridurre del 50% l entit{ del valore massimo delle tensioni di Von Mises rispetto a quelle evidenziate nel componente originario e si localizza in un area limitata del raggio di raccordo. Nella fig. 16 sono mostrate le zone del giunto cardanico caratterizzate da valori di tensione di Von Mises superiore a 700 MPa. Figura 16: Aree del cardano caratterizzate da tensioni di Von Mises superiori a 700 MPa 4 luglio

127 Le prove sperimentali, condotte al variare della forza assiale massima applicata in prossimità della traversa superiore in modo tale da generare un momento torcente in prossimità del doppio giunto cardanico rispettivamente pari a 2000, 2500 e 3000 Nm, non hanno evidenziato anomalie di funzionamento del sistema di azionamento. In particolare, al termine di ciascuna prova è stato effettuato sia un controllo funzionale del doppio giunto cardanico sia un ispezione mediante liquidi penetranti. Diverse prove sperimentali cicliche sono state condotte a una frequenza di 1Hz con rapporto di carico R= Pmin/Pmax =0.1. Il valore massimo del carico applicato è pari a P=12.5 KN, corrispondente all applicazione di un momento torcente pari a 3000 Nm sull asse del giunto cardanico. La prova è stata condotta imponendo un numero massimo di cicli di carico pari a N= Dall'analisi del ciclo d'isteresi, come mostrato in fig. 17, non si rilevano variazioni apprezzabili della rigidezza del sistema al crescere del numero di cicli di azionamento. Dal controllo funzionale finale e da un ispezione mediante liquidi penetranti non sono state riscontrate anomalie tali da compromettere il regolare funzionamento del sistema in esercizio. Figura 17: Cicli di isteresi rilevati nel corso delle prove cicliche 4 luglio

128 8. CONCLUSIONI L analisi degli interventi manutentivi su battelli a sostentamento alare ha posto in evidenza la notevole criticità rappresentata dal sistema di comando dei flap. Tale criticità è essenzialmente dovuta all attuale posizionamento in acqua degli attuatori oleodinamici. Tale considerazione giustifica lo studio condotto per la progettazione e realizzazione di un innovativo sistema di comando al fine di risolvere radicalmente le problematiche dei sistemi attuali. Infatti, la soluzione progettuale proposta consente di raggiungere un importante obiettivo di salvaguardia ambientale poiché elimina ogni possibilità di inquinamento in mare per fuoriuscita di liquido del circuito oleodinamico. Il nuovo sistema di comando, che prevede l impiego di materiali speciali e particolari trattamenti termici, è stato validato dal punto di vista strutturale tramite analisi agli elementi finiti e per mezzo di prove sperimentali statiche e a fatica condotte, contemporaneamente, su due prototipi del sistema stesso. Dalle prove cicliche, condotte alla frequenza di 1Hz per cicli di applicazioni del carico pulsatorio, non si rilevano variazioni apprezzabili della rigidezza del sistema al crescere del numero di cicli di azionamento. Dal controllo funzionale finale e da un ispezione mediante liquidi penetranti non sono state riscontrate anomalie tali da compromettere il regolare funzionamento del sistema in esercizio. BIBLIOGRAFIA [1] Lewis, Edward V., The Society of Naval Architects and Marine Engineers, Principles of Naval Architecture III, Jersey City, New York (1989). [2] Regolamento RINA HSC (2002). [3] Odd M. Faltinsen, Hydrodynamics of High-Speed Marine Vehicles, Cambridge University Press (2005). [4] A. Moland, S. Turnock, Marine rudders and control surface, Butterworth-Heinemann, Oxford (2007). [5] ENEA, Analisi tridimensionale del campo fluidodinamico relativo al T-Foil durante la navigazione, Dipartimento FIM (2007). [6] IMS S.p.A., (AISI 420). [7] IMS S.p.A., (AISI 316). [8] ANSYS Inc., ANSYS Workbench User s Guide. 4 luglio

129 13. Stabilizzazione attiva mediante giroscopi di uno yacht di 77 m: vantaggi e svantaggi V. Ruggiero DICECII, Università di Messina Sommario Il problema della stabilizzazione attiva dei moti nave assume particolare importanza nel caso delle navi da diporto o comunque delle navi passeggeri, in quanto il valore commerciale della nave è direttamente correlato al comfort del carico trasportato inteso come sollecitazioni indotte sulle stesso dai moti nave di beccheggio e rollio, con particolare attenzione al rollio, date le caratteristiche geometriche dell'oggetto nave. Se nel carico di un carico composto da cose, si può assumere come limite progettuale un carico di rottura meccanica o comunque di cedimento strutturale, nel caso appunto delle navi che trasportano persone, è necessario prevedere dei valori delle sollecitazioni molto più bassi dei "limiti di rottura" in quanto il disagio può essere inaccettabile per il passeggero o il personale di bordo, anche se tale disagio non provoca danni permanenti. Sono note ed ampiamente dibattute in sedi opportune le patologie relative ai disturbi indotti sugli esseri umani dai moti di rollio e beccheggio, e pertanto esse non costituiscono oggetto del lavoro, ma si segnala e sottolinea comunque che la tipologia di nave in esame non prevede la presenza a bordo di solo personale specificamente addestrato, ma bensì di una varietà eterogenea, che si può ritenere ragionevolmente più sensibile agli effetti disturbanti per l'essere umano dei moti nave. Il lavoro prenderà in considerazione quindi gli aspetti tecnici relativi all'adozione, su una nave da diporto da 77 m, dei due principali sistemi di stabilizzazione attiva: pinne antirollio e stabilizzatore giroscopico. In particolare, il lavoro si è sviluppato effettuando una analisi comparata dei vantaggi e svantaggi derivanti dall'uso dell'una o dell'altra soluzione, esaminando tutti gli aspetti progettuali derivanti da ciascuna scelta, sia dal punto di vista tecnico, quindi dell'analisi delle eventuali modifiche richieste in termini strutturali e delle variazioni nelle prestazioni della carena conseguenti all'uso dell'una o dell'altra soluzione, sia dal punto di vista economico, spaziando ai differenti costi di acquisto ed installazione di ciascun sistema ai successivi costi di manutenzione, esercizio nave. Ulteriore elemento di interesse è costituito dal fatto che, allo stadio attuale, l'installazione di stabilizzatori giroscopici su Navi da diporto di queste dimensioni è ancora pioneristica in quanto, come noto, la soluzione tecnica ed i suoi principi erano noti ed applicati sin dagli anni 30 del secolo scorso, ma solo recentemente l'avvento dell'elettronica ha consentito di risolvere determinati problemi, legati principalmente alla velocità di risposta del sistema giroscopico, per renderlo competitivo. Sinora si è quindi assistito all'adozione di tali sistemi solo su dislocamenti e dimensioni abbastanza limitati ( t o m di L.o.a.) che richiedevano giroscopi di dimensioni abbastanza contenute. 4 luglio

130 Ma l'installazione presa in esame, una delle prime installazioni su navi di queste dimensioni, si distingue in quanto prevede l'uso di un giroscopio singolo, con rotore di 20 t di peso circa, che dovrebbe coprire tutte le esigenze di stabilizzazione della nave, comprese quelle di stabilizzazione all'ancora, pertanto le varie problematiche tecniche sorte durante lo studio di una possibile installazione hanno, come già anticipato, interessato vari settori :dalla posizione del baricentro nave e relativi problemi di stabilità, alla modifica all'impianto elettrico, alla ridefinizione di alcuni spazi interni. Lo studio ha condotto comunque alla conclusione che seppur a fronte di una maggior costo iniziale, tale soluzione può ritenersi competitiva rispetto a quella di un sistema tradizionale con pinne stabilizzatrici attive. 1. INTRODUZIONE Oggetto dello studio è la stabilizzazione dei moti di rollio di uno Yacht da diporto di 77.7 m mediante un sistema di stabilizzazione giroscopico, in sostituzione di un tradizionale sistema con superfici portanti, (pinne), e la conseguente analisi dell'impatto sul progetto e dei vantaggi ottenuti. Le caratteristiche principali dello Yacht sono: Lunghezza f.t m Larghezza max 13 m Altezza di costruzione : 7 m Immersione 4.1 m Dislocamento a pieno carico: 1410 t Velocità 16.5 kn Lloyd Register of Shipping (LRS), 100 A1,PASSENGER YACHT +LMC, LMC, UMS, ECO La caratteristica principale da cui ha avuto origine lo studio di una soluzione mediante giroscopio è il ridotto coefficiente di finezza della Sezione Maestra, come sarà possibile vedere in seguito dalle immagine mostranti il posizionamento delle pinne. Questo perché lo Yacht si basa sulla trasformazione, per scelte armatoriali, di una carena esistente. La ridotta volumetria disponibile nella zona del ginocchio avrebbe ridotto il momento applicato da un sistema tradizionale a pinne, obbligando tali pinne ad avere dimensioni particolarmente elevate, con conseguenti problematiche inerenti l'ormeggio e la navigazione in acque ristrette, condizioni d'uso non rare per questo tipo di nave. Infatti si ritiene utile richiamare il principio di funzionamento di un sistema con pinne: 4 luglio

131 Figura 1 Δ = dislocamento nave GM = altezza metacentrica L = braccio della coppia raddrizzante Dove abbiamo: Vediamo adesso la sistemazione a bordo di una coppia di pinne di dimensioni adeguate: Figura 2 : Sistemazione pinne Come si può vedere, e come gi{ detto, l installazione risulterebbe piuttosto invasiva, le pinne sporgerebbero al di fuori della larghezza massima e pertanto la stabilizzazione all ancora, qualora la nave fosse ormeggiata in spazi ristretti o in banchina, potrebbe presentare complicazioni. Anche l utilizzo di un sistema di pinne retrattili telescopicamente non risolverebbe il problema, in quanto appunto rimarrebbe il problema delle elevate dimensioni trasversali. 4 luglio

132 La soluzione con due coppie di pinne non era attuabile sulla nave in oggetto, a causa delle ridotte larghezze delle zone di prua e poppa e della mancanza di disponibilità di spazi. Inoltre, il fatto che fosse già esistente la compartimentazione del doppio fondo ed i requisiti sulla stabilità in allegamento imposti dalla normativa adottata, (infatti la Nave otterrà lo Yacht Passenger code del LR EMEA) hanno richiesto un'approccio particolare alla stabilità in allagamento, ad esempio il dovere tenere in considerazione, nei vari casi, dello sbandamento trasversale dato dall'estroflessione delle imbarcazioni di salvataggio, necessarie ad evitare il soddisfacimento dell'allagamento con due compartimenti allagati. Ricapitolando: il sistema con pinne presentava le seguenti caratteristiche: Lunghezza pinne ca 3 m Peso sistema completo 23.7 t Perdita di carena dovuta ai cassoni stagni: 5.3 mc Potenza assorbita in normali condizioni operative: 28 kw Si è quindi presa in considerazione la possibilità di installare un unico sistema giroscopico, di dimensioni rilevanti, infatti il peso del singolo volano è di circa 20 t, installato a centro nave, al fine di garantire la necessaria stabilizzazione sia in navigazione che all'ancora. I parametri principali, come noto, della stabilizzazione mediante giroscopio possono essere descritti dalla seguente equazione: T = I ωἀ cosἀ Dove : T = coppia del giroscopio I = Inerzia del rotore ω = velocità di rotazione del rotore ἀ = velocit{ di precessione Cos α = componente della precessione lungo l asse di rollio E la conseguente sistemazione del giroscopio, poteva essere ipotizzata come in figura: Figura 3 : Vista in pianta sistemazione giroscopio 4 luglio

133 Figura 4 : Sezione trasversale sistemazione giroscopio Il sistema giroscopico proposto, avrebbe le seguenti caratteristiche: Peso rotore = 20t. Peso totaleimpianto: 23 t. Velocità di rotazione: 200 rpm Potenzarichiestaall avvio: 75 kw Potenza richiesta in stand by: 35 kw Potenzarichiestanormaleutilizzo: 50 kw A questo punto, dato che nominalmente, secondo i costruttori, i due sistemi offrivano prestazioni equivalenti in termini di riduzione del rollio, si è voluto procedere ad una valutazione che tenesse conto degli aspetti idrodinamici, al fine di valutare se la variazione di configurazione dell'opera viva, dal punto di vista delle appendici e di un eventuale dislocamento, avrebbe potuto subire cambiamenti significativi. Analoga attenzione è stata prestata alla valutazione degli aspetti inerenti la statica della nave, per investigare gli effetti connessi ad una eventuale variazione del baricentro nave e/o dell'altezza metacentrica e si sono valutati gli impatti sul bilancio elettrico, conseguenti all adozione di uno o dell altro sistema. 2. VALUTAZIONE FUNZIONALITA DEI SISTEMI: Stima posizione baricentro nave: Con giroscopio: Nave vacante 1200 t. VCG = m rispetto alle Pinne. Con pinne: Nave vacante: 1210 t. GMT nave p.c. (1410 t.) : 1.07 m con giroscopio Una volta verificati questi valori, si sono stimate le resistenze al moto, con o senza le appendici rappresentate dalle pinne antirollio, utilizzando i dati relativi alle prove in vasca. 4 luglio

134 Figura 5 : Foto modello utilizzato per prove in vasca Si è proceduto ad incrociare i suddetti dati con i dati disponibili dalle prove in vasca, al fine di verificare il comportamento della carena. Stima variazioni resistenza al moto: Incremento per pinne : 12 nodi : 6 % 14 nodi : 5.6 % 16 nodi : 5.5 % Quindi, riportando tali valori in potenze effettivamente richieste per l avanzamento: Variazioni su potenza : stima con valore medio Pe = 12 nodi = 497 kw + 30 kw Pe = 14 nodi = 837 kw + 41 kw Pe = 16 nodi = 1349 kw + 67 kw Ovviamente queste sono Pe, il rendimento propulsivo globale stimato è circa 0.56, quindi le potenze richieste ai motori e relativi consumi variano di conseguenza. Variazioni su potenza elettrica: Le pinne hanno un assorbimento minore, pari a circa 28 kw in navigazione, mentre per il giroscopio è necessario prevedere circa 75 kw di potenza di picco, che deve essere fornita da uno dei 3 GG.EE. Installati. 4 luglio

135 3. CONCLUSIONI In questa applicazione la stabilizzazione mediante giroscopio offre il vantaggio di poter ottenere un risparmio nella potenza richiesta per l avanzamento che compensa il maggior assorbimento di energia richiesto dal funzionamento del giroscopio, con il vantaggio di poter effettuare una stabilizzazione all ancora più fruibile, in quanto si è liberi dal problema dell ingombro delle pinne. BIBLIOGRAFIA [ 1 ] Tsuyoshi Kawazoe, Shingo Nishikido, Yojirou Wada, "Effect of Fin Area and Control Methods on reduction of Roll Motion with Fin Stabilizers.", Bulletin of the M.E.S.J. Vol. 22, No 1, Pagg [ 2 ] GuilhemGaillarde "Dynamic behaviour and operational limits of stabilizer fins ", IMAM [ 3 ] John Shiju, Kareem Khan, P.C. Praveen, Manu Korulla, P.K.Panigrahi, "Ship hull appendages: a case study, International journal of innovative research and development. Vol. 1 Issue 10, pagg luglio

136 14. Design di un impianto di recupero di cascami termici di un motore nautico per la produzione di freddo a bordo di un imbarcazione V. Palomba a, A. Frazzica a, A. Freni a, G. Bono b, F. Urbani a, A. Galvagno c, S. Freni a a Istituto di Tecnologie Avanzate per l Energia Nicola Giordano b Istituto per l Ambiente Marino Costiero, CNR, Mazara del Vallo c DIECII, Università di Messina Sommario In questa memoria viene presentato il design di un innovativo impianto per la produzione di acqua refrigerata atta al raffrescamento di una cella frigorifera per lo stoccaggio di prodotto fresco su un motopeschereccio. L impianto proposto si propone di sopperire alle criticit{ degli impianti attualmente esistenti, in particolare facendo utilizzo come sorgente termica dei cascami termici del propulsore dell imbarcazione. Il bilancio energetico ha mostrato la fattibilità tecnico-economica dell impianto, di cui è stata realizzata la progettazione di massima ed esecutiva. INTRODUZIONE La sostenibilit{ ambientale di un imbarcazione rappresenta un problema critico e molto attuale, a causa anche della presenza di normative internazionali sempre più stringenti [1], richiedendo pertanto un attenta progettazione di tutti i componenti e i sistemi che costituiscono un imbarcazione dalla geometria della carena, alle sovrastrutture, agli impianti di bordo. Un ulteriore sfida nella progettazione di un imbarcazione, sia da diporto che per usi commerciali, è rappresentata dalla riduzione dei consumi durante la navigazione, sia dal punto di vista elettrico che soprattutto di combustibile, così da ridurre anche i costi per il funzionamento del sistema-imbarcazione. E stato infatti stimato che nel 2008 il consumo di carburante delle flotte di pescherecci sia stato di circa 3.7 miliardi di tonnellate per l intero pianeta, circa l 1.5% del consumo globale di combustile. E` stato inoltre considerato che la conservazione del pescato incida per il 15% del consumo totale a bordo, circa 0.7 L di carburante per ogni chilogrammo di pescato [2]. Molta ricerca è stata quindi dedicata all aumento dell efficienza energetica complessiva dell imbarcazione [3] e in particolare molto rilievo è stato dato ai sistemi di recupero e utilizzo di cascami termici dai motori. Al giorno d oggi la maggior parte delle imbarcazioni fa utilizzo di motori diesel, sia per la propulsione che per il funzionamento degli impianti ausiliari, principalmente per effetto della maggiore efficienza rispetto alle altre tipologie di propulsori presenti. Tuttavia, il rendimento di questi motori durante la navigazione si attesta intorno al 40-45% e il resto dell energia termica immessa viene scaricata in atmosfera come gas esausti o come acqua di raffreddamento dei motori elettrici di bordo[4]. Si noti, inoltre, che il funzionamento di un motore per uso marino è molto costante, anche perché spesso la velocità di navigazione si mantiene fissa per molte ore. E` quindi possibile considerare il motore primo dell imbarcazione come una sorgente di calore da poter utilizzare per l'alimentazione dei vari sistemi di bordo, in abbinamento anche alla grande disponibilità di acqua marina come mezzo di raffreddamento. Il lavoro qui presentato espone il dimensionamento e la progettazione di un impianto per la produzione di freddo a bordo di un imbarcazione di tipo commerciale mediante recupero di energia dagli 4 luglio

137 esausti del motore, che vengono adoperati per l alimentazione di una macchina ad assorbimento del tipo ammoniaca/acqua. LA PRODUZIONE DEL FREDDO A BORDO DELLE IMBARCAZIONI La refrigerazione sui pescherecci viene principalmente impiegata per la conservazione del pescato, sia surgelato che del prodotto fresco, che viene venduto in tempi più brevi [5]. Usualmente, i sistemi di refrigerazione impiegati nelle imbarcazioni sono i classici sistemi a compressione meccanica di vapore, in cui si fa compiere ad un fluido un ciclo termodinamico inverso. Tale sistema prevede la presenza di un compressore, un condensatore raffreddato ad acqua di mare ed un evaporatore, rappresentato dalla singola cella da raffreddare. Nella flotta di pescherecci italiani si fa generalmente utilizzo di un compressore che è collegato al propulsore principale e viene azionato da questo mediante un sistema di pulegge. Questa soluzione richiede però che anche ad imbarcazione ferma, per esempio in porto, sia necessario mantenere il propulsore acceso per la conservazione del pescato. L impianto frigorifero di un motopeschereccio per pesca a strascico di 28/30 m prevede generalmente tre celle per la conservazione del pesce di cui due celle da circa 45 mc cadauna possono essere utilizzate sia per lo stoccaggio dei prodotti freschi (-4 C/2 C), sia per quello dei congelati (-18 C), raffreddate mediante una serpentina. Vi è poi una cella per la surgelazione rapida, la cui temperatura è abbassata mediante aero-evaporatore a circa -35 C. L utilizzo di un singolo condensatore per tutte le celle presenta però problemi di regolazione e controllo del processo evaporativo stesso. L impianto proposto è stato dimensionato per il raffreddamento della cella di conservazione del prodotto fresco. STUDIO TERMODINAMICO DELL IMPIANTO PROPOSTO La possibilità di installare a bordo un impianto innovativo per la conservazione del pescato a recupero di cascami termici richiede la verifica di un adeguata potenza estraibile dai fumi combusti e di opportuni livelli termici per l alimentazione della macchina frigorifera. La potenza termica contenuta nei gas di scarico ammonta a circa il 28% di quella fornita dal combustibile al propulsore. Il bilancio energetico di un motore a combustione interna è riassunto in Figura 1. 4 luglio

138 Figura 1: bilancio energetico di un propulsore navale. Una delle taglie più comuni dei propulsori impiegati nei motopescherecci esaminati (28/30 m) è di 400kW, che richiedono pertanto una potenza fornita dal combustibile di circa 900kW. La quantità di potenza utilizzabile per la refrigerazione dipende dalla temperatura di alimentazione della macchina frigorifera. La scelta dell unit{ più opportuna è avvenuta sulla base di studi di fattibilità presenti in letteratura e dei modelli commerciali effettivamente disponibili. Come riportato in letteratura [6], la scelta tecnologicamente più adeguata è quella di un sistema ad assorbimento liquido del tipo ammoniaca/acqua ed è stata pertanto selezionata un unit{ commerciale della Robur S.p.A da 12 kw alimentata mediante olio diatermico a temperatura compresa tra 230 C e 250 C. La potenza estraibile dai gas di scarico è sufficiente a coprire tale richiesta, poiché è stimabile in circa 100 kw. La temperatura dell acqua raffreddata dall assorbitore è compresa in un intervallo di temperatura compreso tra -5 C e 5 C, che corrisponde a quella di progetto per le celle di stoccaggio del pesce fresco. Il raffreddamento del fluido di processo all interno dell unit{ frigorifera può avvenire con acqua di mare, presente in abbondanza, a temperature di circa C, mediante scambiatore a piastre di potenza pari a circa 33 kw. In Figura 2 sono riassunti i livelli termici e le potenze di funzionamento dell impianto. 4 luglio

139 Figura 2: analisi termodinamica dell'impianto proposto. CARATTERISTICHE E LAYOUT DELL IMPIANTO Il layout dell impianto progettato è mostrato in Figura 3. La sua caratteristica principale è quella di utilizzare come refrigerante una miscela di acqua e glicole propilenico, non tossica per gli alimenti. Poiché si tratta di una miscela liquida, avente proprietà idrauliche assimilabili a quelle dell acqua, è possibile un ottimale design della cella frigorifera, che può essere dotata di serpentine su tutte le pareti e a pavimento per garantire un uniforme distribuzione della temperatura al suo interno. Inoltre, i sistemi ad assorbimento liquido richiedono un consumo elettrico degli ausiliari molto ridotto, permettendo così di non gravare sul generatore dell imbarcazione. I criteri utilizzati per la progettazione sono stati l integrazione all interno delle imbarcazioni esistenti (evitando componenti di dimensioni notevoli o comunque non compatibili con gli spazi di un peschereccio della flotta italiana), la possibilità svolgere manutenzione in maniera rapida e di una gestione ottimale dell impianto per massimizzarne il rendimento. I componenti principali che lo compongono sono: il sistema di recupero di calore dai gas di scarico, la macchina ad assorbimento e la cella frigorifera di volume pari a circa 10 metri cubi. Il sistema di recupero dei gas di scarico è composto da una caldaia a recupero di fumi, specifica per ambito navale, dotata di bruciatore ausiliario per consentire al sistema di funzionare anche durante le soste senza necessità di mantenere attivo il propulsore. La macchina ad assorbimento è del tipo indirect fired, alimentata con olio diatermico, poiché questo fluido può essere usato a pressione atmosferica fino a temperature di circa 300 C. Le linee di processo contenenti olio sono state progettate per essere dotate di tutti i dispositivi di sicurezza e degli sfiati per evitare la presenza di aria all interno dell impianto. 4 luglio

140 Figura 3: layout dell'impianto proposto. La macchina ad assorbimento è dotata di uno scambiatore interno per il raffreddamento del fluido di processo. E` stato tuttavia previsto uno scambiatore a monte di questo per evitare la presenza di acqua marina, potenzialmente fonte di fouling e corrosione, all interno dell unit{ refrigerante. La temperatura della cella frigorifera verrà regolata mediante una valvola miscelatrice e per ottenere un maggiore controllo sulla temperatura, evitando così possibili eccessive fluttuazioni dannose per il pescato, è stato previsto un sistema di accumulo in uscita dall assorbitore. Tutte le linee sono state progettate per essere sezionate, facilitando quindi la manutenzione. In fase di progettazione esecutiva è stata previsto l utilizzo di pompe centrifughe di riserva, da installare in parallelo a quelle presenti su ogni linea, così da evitare il fermo dell impianto in caso di guasto. Inoltre, ogni linea è dotata di sistemi di visualizzazione e trasmissione dei parametri operativi principali (temperatura e portata per le linee idrauliche, livello e temperatura per i serbatoi), che saranno inviati alla sala controllo di bordo per la gestione e la regolazione delle pompe e della valvola miscelatrice. Le Figure 4, 5 e 6 mostrano le renderizzazioni 3D utilizzate per la definizione degli ingombri del sistema. Figura 4: render 3D dell'impianto 4 luglio

141 Figura 5: particolare delle connessioni dell'assorbitore. Figura 6: particolare della cella frigorifera e della macchina ad assorbimento. ATTIVITA` FUTURE L impianto proposto verr{ realizzato come pilota e sar{ installato presso il Centro Prove del CNR ITAE di Messina, dove verrà svolta una campagna di test per la funzionalità e mapparne le prestazioni in diverse condizioni di esercizio, simulando i livelli termici relativi alle possibili condizioni operative. La Figura 7 mostra la stazione di prova che verrà utilizzata per le prove di funzionamento frigorifero della macchina; si tratta di un impianto realizzato per il test di sistemi thermally driven con potenza termica fino a 35 kw. Le caratteristiche principali della stazione sono riportate in Tabella 2. La stazione è equipaggiata con sensori per la misura dei vari parametri di processo e per la misura delle cadute di carico nei circuiti e il consumo 4 luglio

142 degli ausiliari elettrici. Dai risultati ottenuti, sarà possibile un dimensionamento esatto dei vari componenti dell impianto, così da poterne estendere l applicazione anche a imbarcazioni con diverse caratteristiche in termini di dimensioni, lunghezza e richieste di carichi frigoriferi. Inoltre, verrà realizzato un sistema di movimentazione su cui verrà posta la macchina per simulare le condizioni di rollio e beccheggio di un imbarcazione, al fine di testare il corretto funzionamento di tutti gli scambiatori interni al sistema anche in presenza di oscillazioni del motopeschereccio. Figura 7: stazione di prova per sistemi "thermallydriven" fino a 35W presso il Centro Prove del CNR ITAE. Tabella 2: caratteristiche stazione di prova presso il CNR ITAE. Stazione prova capacità termica 35 kw Variazione del flusso idraulico Sensori di alta precisione Misurazione del consumo elettrico degli ausiliari Misurazione cadute di pressione Accumulo alta temperatura 1500 L Accumulo bassa temperatura 1000 L Simulazione MT fino a 50 C Test su sistemi accumulo termico CONCLUSIONI La presente memoria ha proposto il design di un impianto di produzione di freddo atto all installazione su imbarcazioni, facente utilizzo di fluidi refrigeranti ecocompatibili e, come sorgente termica, del calore recuperato dai gas di scarico del motore primo dell imbarcazione. Queste caratteristiche permettono un allineamento con le norme internazionali in termini di efficienza energetica delle imbarcazioni e consentono un risparmio sul carburante che è stimato in circa il 15%, corrispondenti ad un risparmio di circa 30 L/giorno, permettendone inoltre il funzionamento anche a motore spento. L impianto mostrato si integra inoltre con l architettura di bordo, consentendone l installazione anche su pescherecci esistenti. I componenti principali dell impianto sono stati acquisiti e si proceder{ pertanto alla fase di realizzazione ed esecuzione di test presso un apposita stazione situata nei locali del Centro Prove del CNR ITAE di Messina. 4 luglio

143 RINGRAZIAMENTI Il presente lavoro è stato svolto nell ambito del Progetto Bandiera RItMare (La Ricerca Italiana per il Mare). In particolare l attivit{ svolta si inquadra all interno del Sottoprogetto 2 Tecnologie per la pesca sostenibile, WP3 Peschereccio sostenibile. BIBLIOGRAFIA [1] International Maritime Organization, Annex VI: Regulations on energy efficiency for ships to make mandatory the Energy Efficiency Design Index (EEDI),Resolution MEPC.203(62), [2] F. Táboasa, M. Bourouisb, M. Vallès: Analysis of ammonia/water and ammonia/salt mixture absorption cycles for refrigeration purposes in fishing ships, Applied Thermal Engineering, Vol 66 Issues 1-2 (2014) [3] V. Eyring, H.W. Köhler, A. Lauer, B. Lemper: Emissions from international shipping: 2. Impact of future technologies on scenarios until 2050, Journal of Geophysical Research, 110 (2005) [4] M. Dzida, J. Mucharski: On the possible increasing of efficiency of ship power plant with the system combined of marine diesel engine, gas turbine and steam turbine in case of main engine cooperation with the gas turbine fed in parallel and the steam turbine, Polish Maritime Research, 1 (59)(vol. 16)) (2009), pp [5] H.L. Harrington et al., Marine Enginering, The society of Naval Architects and Marine Engineers, New York, ISBN , [6] S.G. Wang, R.Z. Wang: Recent developments of refrigeration technology in fishing vessels, Renewable Energy, 30 (4) (2005), pp luglio

144 15. Un sistema flessibile per misure avanzate e analisi del rumore irradiato dalle navi E. Firenze a, M. Bassetti a, T. Gaggero b a CETENA S.p.A. b University of Genova Sommario Una sempre maggiore attenzione è volta all effetto negativo che possono avere i veicoli marini come potenziale sorgente di rumore subacqueo. Sia per le navi militari, i pescherecci, le navi da ricerca, ma anche per le navi commerciali inclusi yacht e navi da crociera, la valutazione dei livelli di rumore subacqueo irradiato sta diventando un aspetto fondamentale. Pertanto la caratterizzazione delle sorgenti di rumore e quindi le misure del rumore emesso sono il primo step nella valutazione degli effetti del rumore irradiato dalle navi. Mentre nel campo militare vengono utilizzati poligoni acustici in siti dedicati, in ambito civile sono necessari sistemi portatili e più flessibili. Un sistema di questo tipo è stato messo a punto e viene presentato in questo paper. In particolare si tratta di una array di idrofoni ciascuno dotato di sensore di profondità. Un software di post-processing è stato sviluppato in Matlab ed è in grado di coprire le necessità delle normative attuali, ma anche di fornire uno spettro più grande di informazioni. 1. INTRODUZIONE Il rumore subacqueo irradiato dalle navi è diventato una problematica importante soprattutto per il possibile impatto negativo che può avere il rumore sulla vita marina, in particolare sui mammiferi marini [1]. In passato, il controllo del rumore irradiato in mare (segnatura acustica) costituiva un requisito solo per le navi militari e da ricerca. Le navi di superficie irradiano rumore subacqueo principalmente a causa dei macchinari a bordo, dei sistemi di propulsione e del flusso idrodinamico intorno allo scafo e alle appendici [2]. L Unione Europea sta lavorando per definire le direttive [3] per preservare maggiormente l ambiente marino; tali direttive (Marine Strategy Framework Directive - MSFD) hanno lo scopo di investigare e mettere a punto programmi per ottenere o mantenere il cosidetto Good Environmental Status (GES). La Direttiva dispone undici Descriptors, tra cui il Descriptor 11 Introduction of Energy (including under water noise), il cui sviluppo è affidato al Sottogruppo Tecnico (TSG) del Gruppo di Lavoro sul GES (WG GES) che ha prodotto il Report [4]. Il comitato ASA WG-47 ha lavorato per sviluppare uno standard commerciale per la misura del rumore subacqueo irradiato dalle navi e nel 2009 è stato redatto il documento ANSI/ASA S /Part1 [5]. L IMO (International Maritime Organization) con il suo comitato MEPC (Marine Environment Protection Committee) ha riconosciuto la necessità di avere uno standard internazionale per la misura del rumore subacqueo irradiato dalle navi mercantili e sia nell ambito del Comitato Tecnico ISO/TC 43 [6] che del Comitato Tecnico ISO/TC 8 si sta lavorando in questa direzione. Nel presente articolo viene descritto un sistema costituito da una array di idrofoni che risulta essere un sistema flessibile per la misura della segnatura acustica delle navi e risponde alle richieste delle normative e procedure sopra citate. Il sistema presenta geometria variabile in termini di lunghezza totale e spaziatura tra gli idrofoni, in funzione (come prevedono le 4 luglio

145 normative) della lunghezza della nave da misurare. Le tre sezioni che compongono l array hanno diversi possibili punti di connessione per gli idrofoni. Il sistema prevede l utilizzo di tre idrofoni digitali, ciascuno dotato anche di sensore di profondità. Nel seguito viene inoltre presentato il software di elaborazione che è stato appositamente sviluppato in Matlab per elaborare le uscite degli idrofoni. Lo strumento, oltre a rispondere alle necessità degli standard normativi per la misura delle emissioni tra cui [5], fornisce un ampio spettro di informazioni utili a fini diagnostici riguardanti il rumore irradiato dalla nave, comprese elaborazioni nel dominio della frequenza, direttività verticale e orizzontale. Nell articolo infine vengono investigati la fattibilità e i possibili vantaggi derivanti da tecniche di beamforming. 2. NOMENCLATURA F s frequenza di campionamento[hz] v velocità nave[m/s] angolo orizzontal e tra la nave e la stringa idrofonica angolo verticale tra la nave e gli idrofoni 1,2,3 d cpa distanzaorizzontal e tra la nave e la stringa idrofonica al puntodi minima DWL d tan 30 DWP 2 cpa DWL v intervallo temporale (T start,t end ) distanza(cpa) 3. SISTEMA DI MISURA Il sistema di misura acustica subacquea, progettato per condurre le prove di rumore irradiato in mare dalle navi, è un sistema multicanale a spaziatura e lunghezza variabili, in grado, se richiesto, di effettuare rilievi in accordo con [5]. Il sistema, calato e recuperato da una barca di appoggio, è composto da: 3 idrofoni digitali omni-direzionali che hanno frequenza massima di campionamento pari a 192 khz, ciascuno dotato di un sensore di profondità per conoscerne la posizione verticale, e di un calibratore elettronico; 1 cavo subacqueo portante, con lunghezza massima di 335 m, diviso in 3 sezioni e provvisto di 6 punti di connessione per gli idrofoni; 1 ricevitore ed elaboratore dei segnali che include un netbook per impostare i parametri e registrare i dati; 2 dispositivi GPS da posizionare rispettivamente sulla barca di appoggio su cui è posizionato il ricevitore e sulla nave bersaglio oggetto della misura. Lo schema del sistema è riportato in Figura 1. 4 luglio

146 Figura 1: Schema del sistema Le sezioni di cavo sono collegate tra loro mediante cable grip. In ogni configurazione (v. sotto) il cable grip terminale consente di collegare un peso (massimo di 5 kg) per agevolare il corretto posizionamento verticale in acqua. Ogni singolo idrofono viene fissato al cavo tramite un apposita clamp. Lo standard di misura descritto in [5] impone il posizionamento degli idrofoni a tre diverse profondità (e varie spaziature reciproche) in funzione della lunghezza della nave da misurare. Prima di calare l array in mare, si può decidere quale combinazione scegliere tra quelle riportate in Tabella 1 e dove connettere gli idrofoni lungo il cavo (v. Tabella 2). Le configurazioni descritte, in particolare quella per navi fino a 320 m, possono essere ottenute con sufficiente accuratezza calando o recuperando il cavo in acqua. Sezioni dell array Sezione I Sezione II Sezione III Tabella 1: Sezioni dell array Lunghezza e numero delle connessioni 120 m, con 3 punti di connessione 100 m, con 2 punti di connessione 135 m, con 1 punto di connessione Adatti per la misura di I: navi con lunghezza fino a 100 m I+II: navi con lunghezza fino a 100 m I+II+III: navi con lunghezza fino a 200 m Tabella 2: Geometria dei punti di connessione Lunghezza navi Fino a 100 m Fino a 200 m Fino a 300 m Profondità idrofoni 27 m; 58 m; 100 m 54 m; 116 m; 200 m 86 m; 185 m; 320 m Due dispositivi GPS sono installati uno a bordo della barca di appoggio da cui viene calata la stringa di idrofoni e l altro a bordo della nave in prova in modo da poter individuare l esatta posizione relativa dei mezzi durante i test e determinare le rispettive distanze nave-idrofoni 4 luglio

147 (è infatti noto che i livelli acustici irradiati si attenuano in ragione della distanza v. sezione 5.2). Gli idrofoni utilizzati sono sensori piezoelettrici omni-direzionali con le caratteristiche principali presentate in Tabella 3. Tabella 3: Caratteristiche degli idrofoni Parametri Valori Sensibilità (db re 1V/µPa a 10 khz) -200 (± 1) Range di frequenza ineare 5 Hz 90 khz Direttività Piano orizzontale Omni (± khz Direttività Piano verticale 240 (± 2 10 khz La curva di sensibilità in funzione della frequenza è presentata in Figura 2 ed è stata ricavata tramite misure di calibrazione effettuate in vasca. Figura 2: Curva della sensibilità dei sensori Ogni idrofono acquisisce il segnale simultaneamente su due canali con guadagni differenti regolabili via software. Questa caratteristica permette di adattare il sistema di ricezione a diverse condizioni di mare e di sorgente, grazie all ampliamento del fondo scala di acquisizione. Ogni idrofono è dotato di un sensore di profondità con le seguenti caratteristiche: Full scale: 50 bar Precisione: 1% del full scale Attraverso i sensori di profondit{ è possibile verificare l allineamento verticale degli idrofoni, e quantificare eventuali disallineamenti. 4. PROCEDURA Secondo lo standard di misura descritto in [5], che prenderemo a riferimento, la nave bersaglio effettua corse di prova rettilinee (destra e sinistra, varie condizioni operative) al traverso dell array tra l inizio e la fine della finestra di misura, definiti rispettivamente COMEX (Commence Exercise) e FINEX (Finish Exercise) per raggiungere il punto di minima distanza (CPA Closest Point of Approach). 4 luglio

148 Figura 3: Schema di misura come riportato in [5] Per caratterizzare il rumore irradiato dalla nave è sufficiente considerare la finestra temporale DWP necessaria a percorrere la DWL. Ai fini di caratterizzare in modo completo la direttività della sorgente nel piano orizzontale, invece, è importante che la durata della finestra temporale entro cui si effettua la misura sia sufficientemente lunga in modo da includere un ampio range di variazione dell angolo formato tra la linea boa-nave e la rotta della nave. Ad esempio, per una nave bersaglio lunga 100 m che naviga a 10 nodi, la dcpa è di 100 m e gli angoli +30 e -30 corrispondono ad una DWL di 115,5 m. Per percorrere DWL occorrono 22,5 secondi. Invece, per caratterizzare la direttività nel piano orizzontale della stessa nave bersaglio bisogna prendere in considerazione una finestra temporale più ampia, pari a 107 secondi. 5. ANALISI DEI SEGNALI È stato messo a punto un pacchetto software in ambiente Matlab per l elaborazione dei segnali acquisiti sia ai fini di rispondere ai requisiti delle procedure previste dalle normative che anche per fornire informazioni complementari sulla misura effettuata Parametri nave I dati che il software di analisi ed elaborazione utilizza sono i segnali GPS (stringhe NMEA) del barca di appoggio e della nave bersaglio, e i segnali dei tre idrofoni e dei sensori di profondità. Due parametri fondamentali per verificare il corretto andamento della prova sono la rotta e la velocità della nave, e vengono ricavati dai segnali GPS. Un esempio di segnali di questo genere, che possono essere assunti stabili, viene riportato in Figura 4. 4 luglio

149 Vertical angle [ ] Figura 4: Rotta e velocità della nave Altre quantità che vengono derivate dai segnali GPS sono l angolo verticale tra la nave bersaglio e gli idrofoni, l angolo orizzontale relativo e la distanza tra la nave bersaglio e la stringa idrofonica. Un esempio di queste tre grandezze viene riportato in Figura Hydrophone 1 Hydrophone 2 Hydrophone Horizontal relative angle [ ] Horizontal distance [m] Time [s] Figura 5: Angolo verticale, angolo orizzontale e distanza orizzontale nave-idrofoni 5.2. Calcolo degli spettri Time [s] Il segnale temporale acquisito dagli idrofoni e salvato sul netbook di acquisizione in volts viene prima trasformato in unità di pressione utilizzando il guadagno del canale e la curva di sensibilit{ dell idrofono. A questo punto, dal segnale temporale completo rimane opportunamente estratto un segmento di segnale, la cui durata è pari all intervallo corrispondente ad un angolo orizzontale prefissato attorno al punto di minima distanza; se l analisi viene condotta secondo [5], l angolo è tra -30 and +30. L intervallo di tempo risultante dipende dalla velocità della nave e dalla distanza orizzontale tra la nave e la stringa idrofonica. Il segmento di segnale all interno della finestra scelta viene diviso in intervalli t tipicamente pari ad 1 secondo. Questa durata implica ottenere, nella trasformazione nel dominio della frequenza, spettri con risoluzione 1 Hz. Dopo aver applicato ad ogni intervallo di 1 s la finestra di Hanning, viene calcolata la densità spettrale di potenza per ciascun campione da 1 secondo. Infine, la densit{ spettrale di potenza dell intero segnale è ottenuta mediando le densit{ spettrali di potenza dei singoli campioni di 1 s. Tipicamente si producono sia spettri con risoluzione 1 Hz che spettri in terzi di banda d ottava. 4 luglio

150 Transmission Losses [db] I livelli che si ottengono sono i livelli ricevuti agli idrofoni, e vengono poi convenzionalmente corretti per tener conto delle perdite per propagazione ed ottenere il cosiddetto livello di sorgente, ossia ad una distanza di riferimento pari ad 1 metro dalla sorgente Calcolo della Transmission Loss I principali standard indicano l utilizzo della legge di propagazione sferica per riportarsi al livello sorgente indipendentemente dalla frequenza di interesse. Tra gli scopi del software sviluppato c è anche il calcolo e l applicazione della Transmission Loss (TL) effettiva, nel caso sia previsto. Per far ciò si utilizza un algoritmo di calcolo basato sulla wave-number integration [7] per le frequenze inferiori a 1 khz e un ray tracing [8] per le frequenze superiori a 1 khz. Per quanto riguarda i parametri ambientali da utilizzare, il profilo di celerità può essere calcolato conoscendo (o misurando) le caratteristiche dell acqua di mare. Per quanto riguarda i parametri caratteristici del fondale, si utilizza il modello riportato in [9] per derivare lo spessore dei sedimenti, mentre per la composizione dei sedimenti si può sfruttare il database Deck41 [10]. Un esempio di risultati ottenibili è mostrato in Figura 6. A sinistra la TL viene rappresentata in scala di colori ed è riportata in funzione della distanza orizzontale ( Range ) e della profondit{ ( Depth ) dalla sorgente. Per una configurazione specifica dell array, si possono calcolare curve del tipo riportato nel grafico sulla destra; in questo modo i livelli ricevuti possono essere corretti per ottenere i livelli sorgente Hydrophone 1 Hydrophone 2 Hydrophone Frequency [Hz] Figura 6: Calcolo della TL nella colonna d acqua per 1 khz (sinistra); TL per diverse frequenze per ciascun idrofono per una configurazione specifica (destra) 5.4. Direttività Per calcolare la direttivit{ orizzontale della nave si sfrutta il fatto che l angolo relativo tra la nave e la stringa idrofonica varia durante la singola misura. Se la finestra di misura è sufficientemente lunga (più lunga rispetto alla finestra temporale prescritta ad esempio da [5]), questo angolo copre un ampio range di valori. Per calcolare la direttività è necessario iterare la procedura descritta al paragrafo 5.2 per ottenere i livelli per ogni secondo (intervallo scelto ad esempio in questo caso perché i valori 4 luglio

151 Directivity [db] GPS sono acquisiti ogni secondo). Si ottiene quindi un livello di rumore ad ogni secondo e ad ogni angolo corrispondente tra la nave e la stringa idrofonica. Un esempio di questo calcolo è riportato nei diagrammi polari di Figura 7. Nella figura di sinistra, l angolo 0 indica la prua, 180 la poppa. Nella figura di destra, 90 è l angolo direttamente sotto la chiglia, mentre 0 e 180 sono gli angoli che corrispondono al galleggiamento. Trattandosi di una stringa idrofonica verticale, con una procedura come quella adottata, è chiaro che risulta impossibile ottenere livelli sia a 0 che a Figura 7: Direttività orizzontale (sinistra) e verticale (destra) 5.5. Fattibilità e vantaggi che derivano da un beamforming 150 Tecniche di beamforming, ovvero di filtraggio spaziale del segnale, possono essere utilizzate per migliore il rapporto segnale rumore sfruttando l array verticale composto da più idrofoni. Con tali tecniche è possibile filtrare spazialmente il segnale selezionando una direzione principale nelle tre dimensioni, nella quale massimizzare il guadagno dell array. Nel caso delle misure di rumore irradiato in acqua da unità navali la direzione in cui puntare è determinata dalla posizione istantanea della nave durante le prove, che è individuata da due angoli, uno verticale e uno orizzontale. In Figura 8 è riportata la direttività (ossia il guadagno direzionale) calcolata ottenibile con 3 idrofoni alle varie frequenze, per due diverse tecniche di beamforming: delay&sum and filter&sum filter-and-sum beamforming robust with optimum weights delay-and-sum beamforming with uniform weights Frequency [Hz] Figura 8: Direttività orizzontale (sinistra) e verticale (destra) 4 luglio

152 6. CONCLUSIONI Il sistema per la misura del rumore subacqueo irradiato dalle navi presentato soddisfa le richieste di procedure e metodologie del tipo dello standard ANSI/ASA [5] per la misura dei livelli. Inoltre il software sviluppato in Matlab per analizzare ed elaborare i dati acquisiti è in grado di fornire informazioni aggiuntive sulla nave oggetto della misura. In particolare, le quantità riguardanti la traiettoria della nave, la rotta e la velocità sono fondamentali per verificare la qualità della prova e la sua rispondenza ai requisiti normativi. Informazioni aggiuntive riguardanti specificamente l emissione di rumore, come ad esempio la direttività orizzontale e verticale, forniscono un quadro maggiormente dettagliato delle caratteristiche delle sorgenti acustiche, ed offrono la possibilità di individuare la posizione delle fonti di rumore a bordo. Inoltre l utilizzo di più idrofoni combinato con tecniche di beamforming offre la possibilità di incrementare, già con 3 sensori, il rapporto segnale-rumore e conseguentemente definire in modo più completo le caratteristiche di irradiamento della nave. BIBLIOGRAFIA [1] M. Simmonds, S. Dolman, L. Weilgart, Oceans of Noise, a Whale and Dolphin Conservation Society report, [2] C.A.F. De Jong, Characterization of ships as sources of underwater noise, in Procs. NAG/DAGA, [3] [4] A.J. Van der Graaf, M.A. Ainslie, M. André, K. Brensing, J. Dalen, R.P.A. Dekeling, S. Robinson, M.L. Tasker, F. Thomsen, S. Werner, European Marine Strategy Framework Directive - Good Environmental Status (MSFD GES): Report of the Technical Subgroup on Underwater noise and other forms of energy, [5] ANSI/ASA S /Part 1, Quantities and Procedures for Description and Measurement of Underwater Sound from Ships Part 1: General Requirements, American National Standard, [6] ISO/PAS :2012, Acoustics Quantities and procedures for description and measurement of underwater sound from ships Part 1: General requirements for measurements in deep water, [7] M.B. Porter, The time-marched fast-field program (ffp) for modeling acoustic pulse propagation, The Journal of the Acoustical Society of America, 87(5), pagg , [8] M.B. Porter and H. P. Bucker, Gaussian beam tracing for computing ocean acoustic fields, The Journal of the Acoustical Society of America, 82(4), pagg , [9] D.L. Divins, Total Sediment Thickness of the World's Oceans & Marginal Seas, NOAA National Geophysical Data Center, Boulder, CO, [10] 4 luglio

153 16. Applicazioni di nuove tecnologie scientifiche alla nautica da diporto: spedizione Pigafetta 500 A. Bergamasco, M. Pansera, E. Tamiro, F. Decembrini, F. Azzaro, E. Crisafi Istituto per l Ambiente Marino Costiero CNR Sommario A bordo dello sloop a vela di 22 m denominato Adriatica partito nel settembre 2013 da Venezia per la circumnavigazione del globo terrestre, il CNR-IAMC Messina ha imbarcato un unit{ rilocabile per il monitoraggio costiero in grado di acquisire dati oceanografici e trasmetterli a terra in modo completamente automatico. La sperimentazione delle tecnologie sviluppate per questo progetto costituiscono il primo abbinamento tra attività nautiche diportistiche e acquisizione e raccolta dati di valenza scientifica. 1. INTRODUZIONE Il 7 settembre 2013 dall Arsenale di Venezia è partito il viaggio di Adriatica, uno sloop a vela di 22m che dopo quasi mezzo millennio ripercorrerà la rotta di Ferdinando Magellano durante la prima circumnavigazione della Terra. Il progetto è stato denominato Pigafetta 500 ( in onore appunto di Antonio Pigafetta, discendente di una nobile famiglia vicentina, il quale prese parte alla spedizione guidata dalla Trinidad dell Ammiraglio Magellano che, salpata da San Lucar de Barrameda, presso Siviglia, il 20 settembre 1519, effettuò la prima circumnavigazione del globo terrestre. Il viaggio di Adriatica è anche occasione per l effettuazione di rilevazioni scientifiche, in particolare per la raccolta in continuo di salinità e temperatura superficiali dei mari del pianeta. A bordo di Adriatica il CNR-IAMC Messina che partecipa al progetto con CNR-ISMAR Venezia, per conto del Dipartimento Terra & Ambiente del CNR, ha installato infatti una unità rilocabile di monitoraggio appositamente assemblata e configurata per acquisire dati chimico fisici in automatico nell arco di tutta la spedizione. La presente nota tecnica ha l obiettivo di descrivere le caratteristiche principali del sistema di acquisizione installato a bordo e del software sviluppato e di presentare sinteticamente i primi esempi dei dati raccolti durante il tratto iniziale del viaggio, che costituiscono il test in mare del sistema sviluppato e rappresentano pertanto la base di informazioni necessarie per valutarne operatività e affidabilità. 2. IL SISTEMA DI ACQUISIZIONE L Unit{ rilocabile di monitoraggio costiero, installata a bordo di Adriatica dal CNR IAMC Messina nell ambito delle attivit{ del Progetto RITMARE (SP3_WP4_AZ6 UO02 Allestimento e sperimentazione unità rilocabile per monitoraggio costiero ), utilizza un evoluzione di SAM BA, un architettura hardware/software e una struttura dati relazionale specificamente progettati a partire dal 2003 per la gestione e l elaborazione di dati meteo oceanografici e ambientali raccolti da piattaforme automatiche e campagne di misura ([1], [2], [3], [4], [7], [8]). Nella sua versione corrente, l hardware comprende (Fig. 1) un PC industriale dotato di 6 porte seriali connesse agli strumenti di misura, che possono essere direttamente sensori (es. 4 luglio

154 un sensore di temperatura) o strumenti più complessi (quali ad es. una sonda multiparametrica o un correntometro).l espandibilit{ hardware è immediata e trasparente per l utente finale grazie alla suddivisione dei compiti tra le diverse unità dedicate che possono essere anche geograficamente distribuite, ciascuna con un task specifico (acquisizione dai sensori a bordo; storage/query sul database, presentazione web). Fig. 1 Il sistema di acquisizione Il software è stato sviluppato dal CNR IAMC Messina su una piattaforma LINUX open source [5, 6]. La gestione di sensori/strumenti è assicurata da una struttura a plug ins completamente modulare. Il software comunica con un database PostGresSQL per l archiviazione dei dati. La frequenza di acquisizione e di storage a bordo è programmabile in base alle differenti caratteristiche dei sensori e un backup dei dati locali è mantenuto allineato su di un database remoto usando una connessione ssh. Il sistema di acquisizione e storage a bordo è al momento in grado di gestire la seguente strumentazione (uno o più unità, a una o più profondità), a) Centralina meteo Davis Vantage Pro2, che monta sensori per la misura di Temperatura, Umidità, Pressione atmosferica, Intensità e Direzione del vento, Pioggia, Radiazione solare; b) Sonda multiparametrica di classe oceanografica (SeaBird SBE-16plus V2) provvista di sensori di temperatura, conducibilità e pressione, con sensore ottico di ossigeno (SBE 63) specificamente studiato per long-term deployments; c) Sensore SBE39 per la misura della temperatura d) Fluorimetro SCUFA per la misura della clorofilla e) Fluorimetro combinato di ultima generazione (WetLabs, Mod. EcoTriplet), in grado di misurare fluorescenza e scattering in modo combinato per acquisire misure di clorofilla, 4 luglio

155 CDOM e particellato f) ADCP, correntometro NortekAquadopp, per la misura di profili verticali 3D della velocità della corrente che costituisce la configurazione di riferimento per le esigenze scientifiche dei principali progetti di ricerca nazionali e internazionali ed è congruente con gli altri siti osservativi della rete CNR, attualmente in fase di messa a punto nell ambito del Progetto RITMARE (Sottoprogetto 5, WP3; Oltre all unit{ centrale nel gavone di poppa (Fig. 2a), l allestimento strumentale installato a bordo di Adriatica per Pigafetta 500 prevede al momento un sensore SBE39 montato a scafo per la misura della temperatura a circa -2m (Fig. 2b) e un GPS Evermore SA 320 per l acquisizione dei dati di navigazione. La trasmissione dei dati a terra è assicurata dal PC di bordo tramite un router 3G Teltonika RUT500 che si autoaggancia alla rete GSM dell operatore telefonico nel sito di approdo appena l imbarcazione giunge in prossimit{ della costa. Fig. 2 (a) L hardware imbarcato nel gavone di poppa di Adriatica; (b) il sensore SBE39 a scafo. 2.1 Il database SAM-BA La gestione dei dati è realizzata da una evoluzione del database SAM-BA, adattato e ulteriormente sviluppato a partire dalla sua versione iniziale del 2004 [5]. Nell ambito del programma Cluster 10 svolto dal CNR Messina per conto del MIUR, il progetto SAM affrontò il problema del monitoraggio costiero. La gestione di dati provenienti da fonti molto diverse fu approcciata sviluppando una struttura relazionale (SAM-BA) in grado di archiviare (1) dati meteorologici e di qualit{ dell acqua, trasmessi via SMS da una rete di piattaforme costiere automatiche, (2) dati provenienti da analisi di laboratorio su campioni di acqua, sedimento e biota raccolti durante campagne interdisciplinari di misura in mare, (3) dati raccolti da sistemi di acquisizione automatica in navigazione, (4) Profili verticali CTD o sonde/sensori multiparametrici. Inoltre funzionalità di estrazione e visualizzazione on-line di dati selezionati via browser web sono state sviluppate per dare all utente maggiori possibilit{ di esplorazione e valutazione dei dati. 4 luglio

156 SAM-BA è stato sviluppato in linguaggio standard ANSISQL, cosicché il database può essere portato su una differente piattaforma RDBMS purché ANSISQL-compliant. Ciò assicura agli sviluppatori la possibilità di facile migrazione di SAM-BA verso architetture hardware/software maggiormente performanti senza dover riscrivere il codice di interfaccia verso il database. La struttura di SAM-BA è modulare (Fig. 3).L informazione fondamentale (il valore misurato) è al centro della struttura e al suo intorno esistono un insieme di informazioni ancillari che specificano ulteriori aspetti importanti per tenere traccia del ciclo di vita della misura e collegarla con altri valori nel database. Pur mantenendo un area comune in cui i valori sono archiviati e correlati (la tabella valori ), in questo modo è possibile associare a ciascun record informazioni di supporto che possono variare in relazione alla natura del record stesso (es. un record proveniente da una piattaforma automatica o una misura prodotta in laboratorio). Fig. 3 Il database SAM-BA L interrogazione del database è stata implementata come interfaccia web sul protocollo HTTPS; il linguaggio usato è il PHP accoppiato con un webserver APACHE. Oltre alla riconosciuta affidabilità di entrambi questi software, un ulteriore vantaggio è la loro ampia disponibilit{ per piattaforme hardware/software diverse. L uso del protocollo HTTPS, con uno scambio bilaterale di certificati, rende possibile la codifica delle informazioni scambiate e il tracciamento degli accessi. Un sito web per la pubblicazione in tempo quasi reale dei dati raccolti è stato sviluppato ed è attualmente disponibile per alcune delle installazioni operative o di prossima operatività. Nel caso del progetto Pigafetta500 il sito ( rende disponibili tabelle di dati grezzi e logging files orari relativi alle informazioni di navigazione (posizione, rotta, velocità). 4 luglio

157 3. IL PASSAGGIO NELLO STRETTO DI MESSINA Proveniente dal Mare Ionio e diretta a Palermo per una sosta tecnica,adriatica è transitata nello Stretto di Messina fra le 00:00 e 14:00 del 19 settembre 2013(Fig. 4), per effettuare un attivit{ di intercalibrazione fra gli strumenti di bordo e quelli installati sulla Piattaforma Kobold antistante l abitato di Ganzirri dove il CNR IAMC Messina, in collaborazione con la Fondazione Horcynus Orca sta avviando il monitoraggio in continuo dei parametri chimico fisici dell'acqua nell'ambito del progetto RITMARE Sottoprogetto 5 Sistemi Osservativi. Fig Set 2013: Transito di Adriatica nello Stretto di Messina. Sono indicati l area della sella fra Ganzirri e P.ta Pezzo e la posizione della Piattaforma Kobold. 4 luglio

158 Fig Set 2013: Intercalibrazione nello Stretto di Messina durante in transito di Adriatica. Le misure raccolte in corrispondenza della sella sono evidenziate dal cerchio verde. I dati raccolti dai due sistemi sono comparati in Fig.5. Come si rileva dagli andamenti rappresentati, le acque superficiali dello Stretto sono più fredde sia di quelle Ioniche (>26 C all imboccatura meridionale) che di quelle Tirreniche. Durante tutta la permanenza di Adriatica nello Stretto le temperature non superano i 25 C e in particolare al passaggio in prossimità della sella Ganzirri-P.ta Pezzo fra le 04:00 e le 05:00 del 19 set 2013 sono inferiori a 20 C per la presenza dei fenomeni di upwelling di acque Ioniche. I dati raccolti da Adriatica sono in ottimo accordo con quelli raccolti dalla Piattaforma Kobold (evidenziati in rosso) 4. LA PRIMA PARTE DEL VIAGGIO Dopo il transito nello Stretto di Messina, il viaggio di Adriatica è proseguito per Gibilterra (27 settembre), Isole Canarie (1 ottobre), Isole di Capo Verde, Recife e Rio de Janeiro (Brasile, 6 novembre e 25 novembre rispettivamente), Buenos Aires(Argentina, 9 dicembre) dove ha trascorso Natale e Capodanno. Attualmente(giugno 2014) Adriatica è in sosta in Uruguay (nelle vicinanze di Montevideo), dove sta attendendo dall inizio di febbraio 2014l arrivo della buona stagione nell emisfero australe per poter proseguire verso Sud in direzione dello Stretto di Magellano e doppiare Capo Horn (Fig. 6). Una prima restituzione dei dati di temperatura superficiale raccolti da Adriatica fra Palermo e Santa Cruz de Tenerife (Isole Canarie) è riportata a titolo di esempio in Fig. 7. La spedizione si concluderà a Venezia nel corso del 2016, dopo oltre 35mila miglia di navigazione. 4 luglio

159 Fig. 6 La prima parte del viaggio di Adriatica (set 2013 feb 2014). In rosso il tratto Sicilia-Tenerife (cfr. Fig.7) Sicilia (Pa)M. di Alboran Gibilterra Casablanca Tenerife Fig. 7 Pigafetta 500: Traversata Sicilia - Tenerife 4 luglio

160 5. VALUTAZIONE CRITICA DEL SISTEMA Il sistema di monitoraggio automatico di dati ambientali impiegato per la spedizione Piagafetta500 ha pienamente risposto alle specifiche esigenze di utilizzo mostrando elevate caratteristiche di autonomia ed affidabilit{. L obiettivo scientifico della campagna di misure era infatti costituito fondamentalmente dalla verifica della possibilità di impiego di strumentazione automatica a tecnologia avanzata per l acquisizione e trasmissione in tempo reale di dati ambientali (in questo caso specifico temperatura superficiale dell acqua di mare, ma estendibile ad altri parametri chimico fisici e meteorologici) su mezzi nautici utilizzati per attività diportistiche. Il sistema progettato ha consentito le misure programmate nonostante l assenza a bordo di unità di personale tecnico con competenze specifiche e, quindi, senza alcuna necessità di intervento manuale di gestione e/o manutenzione. I dati sono stati acquisiti durante l intera rotta intercontinentale e trasmessi alla banca dati con la frequenza programmata nei tratti percorsi coperti dalla rete di telefonia cellulare utilizzata. Il sistema ha consentito l interruzione della trasmissione in assenza di copertura di rete ed il ripristino automatico della funzionalità di invio in presenza della nuova copertura di rete. I risultati della ricerca consentono di prevedere agevolmente la possibilità di estendere l impiego di strumentazione per il rilevamento automatico di parametri ambientali su svariati mezzi nautici da diporto o ad uso crocieristico e commerciale per contribuire, con modesto impiego di risorse finanziarie, alla caratterizzazione delle caratteristiche ambientali dell ecosistema marino. BIBLIOGRAFIA [1] A. Bergamasco E.Crisafi F. Decembrini (2002), A new e-tool to exploit data from an integrated monitoring approach for applied research and management purposes in coastal area: the SAM project esperience in Sicily (Italy), Atti del Convegno Una rete di progetti per lo sviluppo delle Scienza e del Mare nel Mezzogiorno d'italia: primi risultati del piano ambiente marino, Bari, 26 novembre [2] Zappal{ G., Azzaro F., Bergamasco A., Caruso G., Decembrini F., Crisafi E. (2002), A new monitoring network for the integrated knowledge of marine coastal environment, Geophysical research abstracts Editor: Copernicus GmbH - Katlenburg-Lindau [3] Zappalà G., Caruso G., Azzaro F., Crisafi E. (2003), Integrated environment monitoring from coastal platforms. Proc. of the Sixth International Conference on the Mediterranean Coastal Environment, ed Ozhan E., MEDCOAST 03, Middle east Techical University: Ankara, 3: [4] F. Azzaro, G. Zappalà, E. Crisafi (2011), Luigi Sanzo: A fifteen meters fully equipped boat for coastal monitoring. MARINE RESEARCH AT CNR- Technologies Volume DTA/06. pp ISSN [5] E. Tamiro, C. Gitto, A. Bergamasco (2004), A dynamic web portal for Integrated Coastal Monitoring,Ocean BiodiversityInformatics, Hamburg: 29 November to 1 December [6] A. Bergamasco, E. Crisafi, F. Decembrini, E. Messina, E. Tamiro, G. Giunta (2011) A site for the observation of a highly-energeticcoastal marine system: the Straits of Messina, MARINE RESEARCH AT CNR- Technologies Volume DTA/06. pp ISSN luglio

161 [7] Crisafi E., Azzaro F., Zappal{ G., Magazzù G. (1994), Integrated automatic systems for oceanographic research: some applications. Proceedings "Oceans 94", Brest-France 1: [8] F. Azzaro, F. Decembrini, F. Raffa, and E. Crisafi (2007) Seasonal variability of phytoplankton fluorescence in relation to the Straits of Messina (Sicily) tidal upwelling. Ocean Science, 3, luglio

162 17. A thermodynamic Four stroke Diesel engine model for pleasure craft application M. Laviola, M. Martelli University of Genoa Abstract The increasing request for high performance yacht induces the designers to analyze the ship dynamics behavior in the early design phase. The global ship performance is affected by several factors (i.e.: displacement, hull typology and resistance, propulsion plant characteristics). In particular, as regards the propulsion plant, the performance prediction of the main engine during design and off-design conditions becomes a crucial task. In this paper, the functioning of a four stroke marine diesel engine is simulated through a methodology that refers to a single zone thermodynamic model. The diesel engine model is a part of a more complex simulation platform able to represents also the propulsion control logics, the shaft lines dynamics, the propulsors performance and the vessel surge motion. At the end of the paper, a detailed analysis of an accelerating maneuver is presented: the case study is an 85 m long mega yacht equipped with two fixed propellers driven by two high-speed four-stroke engines. 1. INTRODUCTION The study of dynamics behavior of the physical systems has become a must in the engineering field from several years. In the maritime sector, this opportunity is represented by the chance of providing to the designer a simulation tool able to assist him in the preliminary ship design. The use of simulation techniques allows to obtain time dependent information about the more interesting variables that represent the ship system. Moreover, this fundamental feature gives the possibility to investigate several possible critical situation or peculiarity of the system. The paper describes a computational model able to simulate the overall propulsion plant functioning of a mega yacht. This opportunity can provide crucial information to the designer about the behavior of the ship in the transient working condition or steady state. Engine simulation can be performed through several approaches. Different methodologies are available in scientific literature; each one fits the goal with its own merits and demerits. An analysis in this sense is reported in [0]. A very simple methodology is based on the calculation of the engine power or torque through the engine map (if it is available) as a function of the fuel flow rate and engine speed. The overtime evolution of the engine is simulated with a constant time. This approach reduces the required simulation time but it does not provide information about the main engine physical parameters. Another approach is based on the turbocharger dynamic simulation (described by the compressor and turbine performance maps and, for the turbocharger speed determination, with an appropriate shaft torques balance differential equation), and on the description of the cylinder behavior through a database that collects cylinder parameters values in several working point conditions. This method allows reducing simulation time and it takes in account the behavior of the turbocharger system but it does not provide a good accuracy of results. Furthermore, there are also more accurate simulation methods able to describe the thermodynamic physics inside the cylinder through algorithms and semi empirical correlations. Cylinder modeling 4 luglio

163 takes account of combustion effects; a single-zone model considers the homogeneity of the combustion physic process. Through this approach, the calculation of pressure and temperature inside the cylinder is possible for each step of crank angle. A two-zone model considers the volume cylinder subdivided in two different zones so the effects of combustion can be calculated separately. Through this approach the temperature flame value and the calculation of pollutant emissions (as function of gas temperature) is carried out. Simulation time stretches but it is possible to describe in form that is more detailed the physic phenomenon. Another method, truly detailed, provides for the subdivision in several cells of the cylinder volume and for each one the value of thermo physical gas properties is calculated. Simulation time becomes even greater but it is possible to reach a very good accuracy of results. The paper describes a single zone cylinder modeling because, in authors opinion, this allows to obtain reasonable accuracy of the engine dynamics inside a more complex simulation with which it must interface (propeller, shaft, hull resistance, control device), maintaining the simulation time lower or very similar to real time. 2. SHIP SIMULATOR The global vessel dynamics is evaluated trough a numerical code developed in Matlab and Simulink environment where the main propulsion components, the control system and the ship dynamics are modeled. An overview of the developed simulator is shown in Errore. L'origine riferimento non è stata trovata.. The effectiveness of the simulation techniques to assess the ship performance is already proven in [0]. Fig. 1. Simulator layout. 2.1 Propeller model The open water propeller data (evaluated through Wageningen series [0]) have been adopted for the propeller modelling. The propeller thrust Tp and required torque Qp are determined by means of the well-known equations: 𝑇𝑝 = 𝜌𝑠𝑤 𝐾𝑡 𝑛2 𝐷4 (1) 𝑄𝑝 = 𝜌𝑠𝑤 𝐾𝑞 𝑛2 𝐷5 (2) where the thrust coefficient Kt and torque coefficient KQ are both depending on the propeller advance coefficient; D is the propeller diameter, n is the propeller rotational speed and sw is the sea water density. 2.2 Shaft model During the simulation process, once propeller torque is calculated, it is possible to obtain the propeller speed n by solving the following shaft dynamics equation: 4 luglio

164 𝑄𝑝 𝑑𝑛 1 = (𝑄𝐸 𝑄𝑓 ) 𝑑𝑡 2𝜋 𝐽𝑝𝑜𝑙𝑎𝑟 𝜂𝑟 (3) where Jpolar is the total inertia polar moment of the all rotational masses (engine, gearbox and propeller plus added water mass), QE is the brake torque provided by the main engine, Qp is the open water propeller torque, r is the rotational relative efficiency and Qf represents the frictional losses (computed in terms of a percentage of the delivered engine torque). 2.3 Gearbox model The gearbox is simply modelled by the gear ratio necessary for the engines operating mode, by mechanical efficiency and inertia. Clutches are considered as Boolean variables in order to model the several propulsive modes and the pertinent inertia values of the whole drive-train for the calculation of the propeller shaft dynamics by means of equation (3). 2.4 Hull dynamics Ship dynamics is evaluated in one degree of freedom taking into account only the surge motion. Ship speed Vs is calculated by solving the differential equation representing the surge motion of the vessel: 𝑑𝑉𝑠 1 𝑅𝑡 = [𝑧𝑇𝑝 ] 𝑑𝑡 ( 𝑚𝑠 + 𝑚𝑎𝑑 ) (1 𝑡𝑝 ) (4) where ms and mad are respectively the ship mass and added water mass, Tp is the single propeller thrust, z is the number of the working propellers, tp is the thrust deduction factor and Rt is total resistance of the hull, depending on Vs in accordance with Taylor methodology. 3. ENGINE MODEL The presented engine model has been developed in Matlab -Simulink language. Engine model is described through the interaction of several computational modules, each one characterizing a specific behavior of a specific task. In Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. the overall engine model scheme is reported. Fig. 2. Overall engine simulation model Simulink scheme 4 luglio

165 The engine simulator contains the following modules: - cylinder - intercooler - exhaust gas receiver - compressor - turbine - turbocharger dynamics Each sub-model includes constant parameters, algebraic and differential equations, in order to describe the physical phenomenon represented. 3.1 Cylinder The entire physic process occurring inside the cylinder is constituted by the phases of compression, combustion, expansion, exhaust and intake. The thermodynamic properties of the fluid are assumed homogeneous. In Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. the engine cylinder model scheme is reported. The equation of ideal gas (eq. 5) describes the features of the evolving fluid inside the cylinder: 𝑝𝑉 = 𝑚𝑅𝑇 (5) Where 𝑝, 𝑉, 𝑚, 𝑇 are respectively the pressure, volume, mass and temperature of the gas inside the cylinder, and 𝑅 represents the gas constant. The first law of thermodynamics (eq. 6) describes the whole physic process involving the gas inside the cylinder. Specific enthalpy is calculated as function of gas temperature: 𝑑𝑄 𝑑𝑡 𝑑𝑊 𝑑𝑡 = 𝑑𝑚 𝑖 𝑑𝑡 𝐻𝑖 𝑑𝑚 𝑜 𝑑𝑡 𝐻𝑜 + (6) 𝑑 𝑚𝑈 𝑑𝑡 where 𝑑𝑄 represents the variation of the global heat due to burning fuel and wall cylinder exchange (as better specified in eq. 11), 𝑑𝑊 is the work produced, 𝑈 is the internal energy, 𝐻𝑖 and 𝐻𝑜 represent the inlet and outlet enthalpy, 𝑑𝑚𝑖 and 𝑑𝑚𝑜 are respectively the variation of intake and exhaust mass. Fig. 3. Engine cylinder scheme The pressure variation inside the cylinder is calculated by integrating, for each step of crank angle, the differential equation (eq. 7) derived from the equation of energy for a closed system (eq. 6), combined with the law of the ideal gas (eq. 5): 𝑑𝑝 𝑑𝑡 = 𝑘 1 𝑑𝑄 𝑉 𝑑𝑡 𝑘 𝑑𝑉 𝑉 𝑝 𝑑𝑡 + 𝑘 1 𝑑𝑚 𝑖 ( 𝑑𝑡 )𝐻𝑖 𝑉 𝑘 1 𝑑𝑚 𝑜 ( 𝑑𝑡 )𝐻𝑜 𝑉 (7) where 𝑘 is the ratio of the specific heats. The eq. 7 has been rearranged in the crank angle domain through the following equation: 4 luglio

166 d dt = ω d dθ (8) where θ is the crank angle and ω is the angular speed. The gas temperature corresponding to any state of pressure is calculated through eq. 5. The amount of air introduced in the cylinder (m a in eq. 9) is evaluated through the following equation: m a = ρ Vη V (9) where ρ and η V are respectively the gas density and volumetric efficiency. In eq. 6 the value of dq takes in account both the heat released in the combustion phase and the heat exchanged with the cylinder walls (as shown in eq. 10): dq = Q b dx b dq w (10) The combustion heat Q b is given by eq. 11. Q b = m f H f (11) where m f is the amount of fuel introduced inside the cylinder and H f is fuel lower heating value. According to the Wiebe [0] equation, the mass fraction of fuel burned x b is calculated by the following correlation (eq. 12): x b = 1 exp [ y θ θ 0 ΔΘ n+1 ] (12) The values of the parameters n and y have been determined by bibliographic research [0], and ΔΘ represents the whole duration of combustion, calculated by assuming an appropriate flame propagation speed and the resulting length. θ 0 is the initial combustion angle evaluated taking in account of the ignition delay τ a [0] through the eq. 13. τ a = v m exp (Z) (13) where v m is the mean piston speed and Z is given by the correlation (eq. 14): Z = [ 61,884 NC T p ] (14) NC is the Cetane number while T 2 and p 2 are calculated by the correlation (eq. 15 and 16): T 2 = T 1 r 0.35 (15) p 2 = p 1 r 0.35 (16) r is the cylinder compression ratio while T 1 and p 1 (temperature and pressure) refer to the thermo physical state in the intake duct. The heat exchanged dq w between gas and wall cylinder is calculated by eq. 17: dq w = h A w ω (T T w ) dθ (17) 4 luglio

167 where A w is the cylinder area involved in the heat exchanged with the cylinder wall and T w represents the cylinder wall temperature. The heat transfer coefficient h, as suggested by Woschni [0], is determined using the expression (eq. 18): h = 3.26 B 0.2 p 0.8 T 0.53 v 0.8 (18) where B is the cylinder bore. The characteristic speed v of the gas inside the cylinder was calculated in accordance with the law of Woschni [0] as reported in eq. 19: v = c 1 v m + c 2 V T ref p ref V ref (p p tr ) (19) where c 1 and c 2 are appropriate constants [0]; p ref and T ref and V ref are reference values of pressure, temperature and volume. The value of p tr is referred to the pressure inside the cylinder when the engine is dragged. The area A w involved in the heat exchange is determined by the correlation (eq. 20): A w = π B x + A co (20) A co being the head cylinder area. x is the length swept by the piston as function of the crank angle, calculated through eq. 21: x = S 2 [1 + 1 ζ cos θ 1 ζ 1 ζ 2 sin 2 θ ] (21) ζ representing the crank radius rod length ratio and S is the engine stroke. During the intake phase, the amount of air introduced into the cylinder in any working cycle is assumed entering proportionally to the volume swept by the piston. In the same phase, it is deemed that a part of burnt gas of the previous cycle is entrapped into the cylinder, and this quantity of gases may be evaluated as the same part that could be contained in the combustion chamber. As regards the flow through the exhaust valve, this phenomenon has been modelled referring to eq. 22 for compressible gas through a flow restriction dm dt = C D A R p i (RT i ) 0.5 (p o p i ) 1 k { 2k k 1 [1 (p o p i ) k 1 k ]} 0.5 (22) When the flow is choked, p o p i ( 2 k+1 ) k k 1 the appropriate equation is (eq. 23): dm dt = C DA R p i 2 k+1 (RT i ) 0.5 k1 2( k + 1 ) 2(k 1) (23) The values of p i and T i are the cylinder pressure and temperature; p o is the pressure in the exhaust duct. The value of the discharging coefficient C D is assumed equal to 0.7, as proposed by Mahmood Farzaneh-Gord [0]. The reference area A R is the valve head area. In order to work in a crank angle domain, the above equation (which is in the time domain) has been rearranged by means of eq. 9. The exhaust gas temperature is calculated through the eq. 24 suggested by Ferrari [0]. 4 luglio

168 T ex = T[1 k 1 k 1 p p ex ] (24) where p ex is the pressure in the exhaust duct. The work produced by the engine is calculated for each crank angle step by mean of the correlation (eq. 25): dw = p dv (25) Engine torque produced by engine at every working cycle is calculated through the mean effective pressure b. m. p. e. (eq. 26). b. m. p. e. = i. m. e. p. f. m. e. p, (26) i. m. e. p. is the gross indicated mean pressure calculated once known the trend of pressure in the cylinder for each working cycle. f. m. e. p. is the mean pressure loss due to friction, whose value is assessed introducing the eq. 27 suggested by Winterbone [0]. f. m. e. p. = p max n 1000 (27) where p max means the maximum pressure in the cylinder [bar] and n the engine speed [rpm]. Once known the b. m. e. p. it is possible to evaluate the engine torque Q E (eq. 28). Q E = b. m. e. p. V 1 4π (28) 3.2 Intercooler The intercooler module simulates the cooling action of the air at the compressor exit. The equation that governs this action is the following (eq. 29): T o = T i E( T i T coo ) (29) The coefficient of thermal exchange (E) is kept constant while T coo is the temperature of the coolant fluid. T o and T i are respectively the intake and exhaust air temperature through the intercooler. 3.3 Exhaust gas receiver The exhaust duct module includes the differential equation (eq. 30) to calculate the pressure variation due to the mass accumulation. dp ex dt = m i m 0 V ex R T ex (30) where V ex represents the volume of the same duct. The value m i represents the amount of gas exiting from the cylinder and m 0 is the max amount of gas entering in the turbocharger turbine. 4 luglio

169 3.4 Compressor The functioning of the compressor has been modeled through a database that collects the compression ratio and efficiency as function of the corrected volume flow rate (calculated as in eq. 31): V cc = V c T ref T a (31) and the corrected rotational speed (eq. 32): n cc = n Tc T ref T a (32) T ref is the reference temperature and T a is the air temperature. In Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. the compressor map is shown. Fig. 4. Compressor map 3.5 Turbine The turbine simulation block is developed in order to calculate the efficiency and the max quantity of gas mass supported by the turbine as function of the expansion ratio ( T =p i /p o ). 3.6 Shaft dynamics Engine and turbocharger shaft dynamics is determined by time integration of eq. 33: dω = 1 Σ Q (33) dt J TC where Σ Q TC represent the balance of the turbine and compressor torque, and J inertia of rotor. 3.7 Engine model validation 4 luglio

170 Brake Power [%] Specific fuel oil [adim] Engine model simulator has been tested to reproduce the functioning of a four-stroke diesel engine with a brake power of just over 2 MW. Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. reports the trend of the specific consumption provided from manufacturer at different specified load conditions and the results of simulation. Comparing the results obtained from the simulator calculation (at different load condition) and the ones provided by the engine manufacturer, it can be noticed a reasonable accuracy of results. 2 Specific fuel oil consumption BSFC calc 1.75 BSFC ref Brake Power [%] Fig. 5. Reference and calculated results comparison Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. shows the trend of the specific fuel consumption at different load condition. Unluckily the complete specific fuel test bed of the engine is not available, but it can be assumed that there is a credible correspondence between the results of simulation and the performance of a typical marine engine of the same size. Engine map/specific fuel oil consumption [adim] 100 BSFC/BSFC MCR Speed [%] Fig. 6. Engine map/specific fuel consumption. 4. RESULTS AND CONCLUSIONS In order to validate the proposed methodology, a displacement ship, with the main characteristic reported in Table I, has been chosen. 4 luglio

171 Power [%] Thrust [%] Lever Position Speed [%] Table I. Case study features. CHARACTERIST VALUE Length [m] 85.6 Beam [m] 14.3 Draft [m] 4.0 Max Speed [kn] 17 Engine 2x2456 kw Propulsor 2x5 blade propeller Hereinafter the time histories of the main variables defining the propulsion plant dynamics of the selected test case are shown in non dimensional form. The simulated manoeuvre is an acceleration from medium to maximum speed. Without any sea trail and based on the previously experience, in the authors opinion the results well catch the dynamics of the vessel and in particular of the propulsion plant Time [s] Automation Fig. 7 Step lever vs. Time Engine Time [s] Fig. 9 Engine Power vs. Time Shaft Time [s] Fig. 8 Shafts speed vs. Time. Propeller Setpoint Feedback Time [s] Fig. 10 Propeller thrust vs. Time. 4 luglio

172 norm. compression ratio Speed [%] P B [%] Ship Time [s] Fig. 11 Ship speed vs. Time Engine Speed [%] Fig. 122 Engine load diagram/working point. 1.6 Compressor map 1.4 Fig. 13 Compressor load diagram/working point. Nowadays, more than in the past, marine propulsion plants are very complex systems, requiring adequate techniques of investigation, often of inter-disciplinary nature, in order to optimize their performance not only at design conditions but also in off-design and dynamic conditions. From this point of view, numerical simulation can represent a valid tool for a better understanding the phenomena related to propulsion plants working in various situations and for finding solutions to the several problems involved. NOMENCLATURE A cylinder area [m 2 ] A R characteristic area of the valve [m 2 ] B bore [m] BSFC specific fuel consumption [g/kwh] C D discharge coefficient [adim.] D propeller diameter [m] h thermal conductivity [W/ m 2 K] H specific enthalpy [J/kg] H f fuel lower heating value [J/kg] K ratio of specific heats, coefficient [adim.] n/n MCR norm. volumetric mass flow 4 luglio

173 J inertia of rotor [kg m 2 ] l connecting rod length [m] m mass [kg] NC Cetane number [adim.] N cyl number of cylinder [adim.] n rotational speed [s -1 ] p pressure [Pa] Q heat [J] Q p propeller torque [Nm] Q E engine torque [Nm] Q f frictional loss torque [Nm] r compression ratio [adim.] R gas constant [J/kgK] R t ship resistance [N] S stroke [m] T temperature [K] T p Thrust [N] t time [s], coefficient U specific internal energy [J/kg] v m mean piston speed [m/s] V volume, displaced volume [m 3 ] V S ship speed [m/s] V volumetric flow rate [m 3 /s] W work [J] x piston displacement from TDC [m] x b mass fraction of fuel burned [adim.] z number of propellers Greek symbols efficiency [adim.] angular velocity [rad/s] crank angle [ ] density [kg/m 3 ] Subscripts a ad b c co coo cy C E ex f i ign MCR o p polar air, ambient, added burned corrected head cylinder coolant cylinder compressor engine exhaust gas receiver fuel, frictional inlet ignition maximum continuous rating outlet propeller polar 4 luglio

174 q r ref s sw t T TC v w torque relative rotational reference ship sea water thrust turbine turbocharger volume, volumetric wall REFERENCES [1] G. Benvenuto, U. Campora, G. Carrera, P. Casoli, A Two-Zone Diesel Engine Model for the Simulation of Marine Propulsion Plant Transients, MARIND 98, Second International Conference on Marine Industry Varna, Bulgaria, September 28 October 2, [2] Kuiper G., The Wageningen propeller series., MARIN Publication [3] Altosole M., Figari M., Martelli M., Time domain simulation for marine propulsion applications, Proceedings of the 44th Summer Computer Simulation Conference, 2012 International Simulation Multi-Conference, Genoa, Italy, July 8-11, ISBN: [4] Wiebe, I., Halbempirische Formel fur die Verbrennungs-Geschwindigkeit, Academy of Sciences of the USSR, Moscow, [5] Ferrari G Motori a combustione interna. Torino: Edizioni il capitello. [6] Stone, R., Introduction to Internal Combustion Engines, Department of Engineering Science, University of Oxford, [7] Farzaneh-Gord, M., The first and second law analysis of a spark ignited engine fuelled with alternative fuels, Archives of thermodynamics 30: 73-92, [8] D. E. Winterbone, Transient performance, in: The Thermodynamics and gas dynamics of internal combustion engines, Vol. II, Oxford University Press, Oxford, UK, luglio

175 18. Amplificatore di potenza ibrido compatto in banda X per radar marittimi di nuova generazione D. Aloisio a, A. Caddemi b, E. Cardillo a a ELEmic Laboratory b DICIEAMA, Università di Messina Sommario Il presente lavoro illustra il progetto di un amplificatore ibrido di potenza in banda X (9-10 GHz) innovativo poiché impiega un solo transistor HEMT in Nitruro di Gallio per produrre un livello di potenza massima in uscita di 36 W con un efficienza minima superiore al 30%. Tale amplificatore occupa complessivamente un area inferiore a 25 x 25 mm 2 consentendo pertanto una miniaturizzazione della strumentazione radar tradizionalmente basata sull impiego dei tubi di tipo magnetron. Il progetto è stato recentemente concluso e la realizzazione del prototipo è in corso. 1. INTRODUZIONE La progettazione di radar marittimi si è aperta a nuovi approcci tecnologici a seguito dell'introduzione della nuova regolamentazione IMO (International Maritime Organization) finalizzata all'adeguamento delle norme SOLAS (Safety of Life at Sea) che elevano gli standard dei requisiti tecnici dei nuovi sistemi radar (IEC 62388) [1]. D'altro canto, la rapida evoluzione della tecnologia a microonde e delle procedure di data processing correlate all'analisi di segnali radar sta rendendo possibile l'adozione di dispositivi di potenza a stato solido per la realizzazione di amplificatori di potenza SSPA (Solid State Power Amplifiers) ad elevate prestazioni che risultano essere estremamente compatti e affidabili rispetto ai tradizionali trasmettitori basati sull'utilizzo dei tubi a cavità (magnetron) per la generazione degli impulsi di potenza. Inoltre si consideri che, a fronte di un costo di acquisto che è il doppio rispetto a un sistema radar tradizionale, i radar di nuova generazione presentano un livello di MTFB superiore a ore (11 anni) in confronto al valore tipico di 3000 ore (6 mesi) di durata del magnetron. Negli SSPA di nuova generazione, le specifiche in termini di rivelazione di piccoli target e portata ad ampio raggio possono essere conseguite adottando protocolli di trasmissione con forme d'onda multi-impulso, elaborazione dati con tecnica Doppler coerente e usando la diversità in frequenza così da impiegare livelli ridotti di potenza emessa [2,3]. Di conseguenza, è possibile realizzare sistemi radar competitivi e ad ingombro molto ridotto caratterizzati da un notevole grado di flessibilità di impiego per allocazioni sia a bordo sia in stazioni di terra. In questo lavoro, gli autori presentano i risultati preliminari della progettazione e prototipazione di un SSPA ibrido in banda X (9-10 GHz) realizzato con un singolo stadio e un unico dispositivo attivo, di tipo HEMT in Nitruro di Gallio, che consente di ottenere livello di potenza massima di uscita pari a 36 W con un efficienza superiore al 40% nella semi-banda 4 luglio

176 inferiore (9-9.5 GHz) pienamente compatibile con applicazioni nel campo dei moderni sistemi radar marittimi. 2. MODELLIZZAZIONE DEL GAN HEMT E PERFOMANCE TEST Il progetto del nuovo amplificatore si basa sull'utilizzo del GaN HEMT TGF (processo TQGaN25 su SiC), una promettente tecnologia TriQuint per la realizzazione di transistori GaN operanti fino a 18 GHz. L'HEMT TGF presenta larghezza di gate pari a 10 mm, parametro dimensionale che è legato direttamente al livello di potenza erogabile, mentre la lunghezza di gate è pari a 0.25 m. Il produttore fornisce dettagli completi sul modello circuitale della cella base del dispositivo avente larghezza di gate pari a 1.25 mm (Unit GaN cell, UCG) [4]. Partendo da queste informazioni, il primo passo è stata la costruzione del modello dell'intero dispositivo che include 8 UCG, 9 via holes e 9 piazzuole di accesso al gate e al drain come visibile in Figura 1. Il modello complessivo è stato implementato e simulato con il software AWR Microwave Office, riscontrando un ottimo accordo con i dati sperimentali forniti dal produttore. In una seconda fase, sono state simulate le prestazioni non lineari per verificare il livello di potenza saturata in uscita e l efficienza (Power Added Efficiency, PAE) nel campo operativo di frequenza 9-10 GHz. Anche in questo caso, le prestazioni del modello sono risultate molto soddisfacenti (polarizzazione VDS = 28 V, IDQ = 500 ma). Infine, si è passati a identificare le specifiche principali dell amplificatore di seguito riportate: - Guadagno lineare: 12 ± 0.5 db - Potenza saturata: 46 ± 0.5 dbm - PAE: > 30% - Input/Output matching: RL > 10 db - Dimensioni: < 25 x 25 x 1 mm (WxLxH) 4 luglio

177 Figura 1: GaN HEMT TGF : struttura del dispositivo 3. PROGETTO DELL AMPLIFICATORE L approccio tecnologico si è orientato verso una realizzazione in microstriscia Cu/Au su allumina ( r = 9.9) per minimizzare sia le dimensioni sia le perdite che possono presentare criticità significative negli SSPA. Di fondamentale importanza negli amplificatori a microonde è il controllo della stabilità che, in questo caso, è stato condotto sulla più ampia banda possibile (0-50 GHz) per verificare che i provvedimenti addottati nel circuito per garantirla risultassero efficaci. In secondo luogo, sono state ottimizzate le reti di adattamento in ingresso e in uscita e le reti di polarizzazione. La verifica delle prestazioni è stata condotta sul circuito completo, inclusi i condensatori di filtraggio e di blocco DC. In Figura 2 si riporta l andamento della PAE e della potenza d uscita in funzione della potenza d ingresso (in scala dbm) a tre diverse frequenze (9, 9.5, 10 GHz). 50 PAE(PORT_1,PORT_2)[*,X] PAE 50 DB( Pcomp(PORT_2,1) )[*,X] (dbm) Pout 40 p2 p1 40 p1 p2 p3 30 p p1: Freq = 9 GHz p2: Freq = 9.5 GHz p3: Freq = 10 GHz Power (dbm) p1: Freq = 9 GHz p2: Freq = 9.5 GHz p3: Freq = 10 GHz Power (dbm) Figura 2: Andamento della PAE e della potenza d uscita in funzione della potenza d ingresso a 9, 9.5, 10 GHz 4 luglio

178 A conclusione della verifica delle prestazioni del circuito, è stato generato il layout dell amplificatore riportato in Figura 3. È stata ottenuta un area totale di 23.6 x 21.5 mm 2 (LxW) nel pieno rispetto delle specifiche. La realizzazione del prototipo è attualmente in corso. Figura 3: Layout finale del SSPA 4. SVILUPPI DI SSPA ALTERNATIVI Sono state analizzate, progettate e simulate strutture alternative di SSPA allo scopo di ottimizzare parametri quali costo di realizzazione (legato ai materiali e alla tecnologia), prestazioni, occupazione d area e affidabilit{. In relazione a quest ultimo aspetto è stata studiata una struttura bilanciata che impiega due dispositivi HEMT TGF in grado di produrre un livello di potenza dimezzato rispetto al TGF Utilizzando dei divisori di potenza sulla linea di ingresso e di uscita si pilotano in parallelo i due amplificatori ottenendo prestazioni anche migliori del singolo stadio, soprattutto dal punto di vista dell efficienza e dell adattamento all ingresso. La struttura ovviamente è più complessa, ma garantisce un funzionamento continuo del sistema radar con potenza ridotta in caso di guasto di uno dei due dispositivi. In Fig.4 è riportato il layout del SSPA a doppio stadio. Interessante la soluzione che ricorre ad un substrato a costante dielettrica elevata ( r = 38) per il percorso ingresso-uscita del segnale e all allumina ( r = 9) per le reti di polarizzazione, che punta alla massima riduzione delle dimensioni compatibile con le prestazioni desiderate. In questo caso si è riusciti a rientrare in un area di 12.7x19.8 mm 2 (LxW). 4 luglio

179 5. CONCLUSIONI Nel presente lavoro si riporta il progetto di un amplificatore di potenza a stato solido realizzato con uno stadio a singolo dispositivo GaN HEMT utilizzando una tecnologia ibrida su allumina. Le dimensioni del circuito sono state minimizzate e le prestazioni risultano allineate con quanto lo stato dell arte della ricerca applicata nel campo dell elettronica delle microonde ha attualmente raggiunto. L impiego ottimale di questo amplificatore è nel campo dei radar marittimi di nuova generazione, dove le dimensioni e i consumi ridotti insieme alla flessibilità di pilotaggio adottando protocolli di trasmissione basati su forme d'onda multi-impulso, e tecniche avanzate di elaborazione dati, consentono di ridurre i livelli di potenza emessa mantenendo prestazioni competitive. La realizzazione del prototipo è attualmente in corso. Sono state anche progettate e analizzate soluzioni alternative presentate sinteticamente. Figura 4: Layout finale del SSPA a doppio stadio RINGRAZIAMENTI Le attività di ricerca di cui al presente lavoro sono state finanziate dal MIUR nell'ambito del progetto PON01_01322 P.O.N. Ricerca e Competitivit{ per le Regioni di Convergenza. BIBLIOGRAFIA [1] International Electrotechnical Commission, Shipborne Radar, IEC Ed. 1.0, [2] A. Nelander, Z. Toth-Pal, "Modular system design for a new S-band marine radar", Proceedings of the IEEE Radar Conference - Surveillance for a Safer World 2009, Bordeaux, France, Oct.2009, pagg [3] S. Harman, The performance of a novel three-pulse radar waveform for marine radar systems, Proceedings of the European Radar Conference, EuRAD2008, Amsterdam, The Netherlands, Oct. 2008, pagg [4] TriQuint Datasheet: TGF , Rev A luglio

180 19. Trasporto navale mercantile e nuove tecnologie per ridurre l inquinamento: gli scrubber F. De Lorenzo, R. Pugnetti FINCANTIERI Sommario Nel presente lavoro vengono esposte le motivazioni legate soprattutto all impiego di carburanti sicuramente non ecologici ma economici, le metodologie di purificazione dei gas di scarico necessarie per rientrare nei livelli di emissioni imposte dalle normative. Particolare riguardo viene tenuto nei confronti del livello di rumore, che deve rispettare i limiti di legge o le richieste degli armatori che intendono avere imbarcazioni sempre più performanti in termini di comfort di bordo. 1. L INQUINAMENTO MARINO L attivit{ umana ha un forte impatto sull ambiente, in quanto sfruttando il fenomeno della combustione, produce anche notevoli quantità di sostanze di scarto che impattano l ambiente e la salute umana. Oggi si risconta una grande attenzione riguardo a questa problematica: in tutte le persone è aumentata la coscienza ambientale e la ricerca di condizioni di vita migliori. Ridurre l inquinamento atmosferico è molto importante ai fini della salute dell uomo: numerosi sono gli studi epidemiologici che correlano il grado di inquinamento con l insorgere o l aggravarsi soprattutto di patologie dell apparato cardio-respiratorio. Si sono studiate metodologie e tecniche per cercare una soluzione a queste problematiche. I settori della produzione industriale interessati e la collettività tutta, dovranno utilizzare al meglio le risorse energetiche che la natura ci ha messo a disposizione, evitando inutili sprechi ed usi impropri. Il settore dei trasporti ha un ruolo cruciale per quanto concerne il consumo energetico mondiale ed in particolare di quello delle emissioni inquinanti. MODALITA' DI TRASPORTO ENERGIA IMPIEGATA (EJ) PERCENTUALE Veicoli leggeri (LDV) 34,2 44,5 Camion pesanti 12,48 16,2 Aerea (Air) 8,95 11,6 Navale (Water) 7,32 9,5 Camion leggeri 6,77 8,8 Bus 4,76 6,2 Due ruote 1,2 1,6 Ferrovia (Rail) 1,19 1,5 TOTALE 76, Consumo dei vari metodi di trasporto relativi all'anno 2002 ( Fulton L. and Eads G.-2004) in Exajoule =10 18 J 4 luglio

181 Volendo riportare delle stime presentate nel rapporto Transport & infrastructure (2007) possiamo confrontare i possibili sviluppi sia in base alla modalità di trasporto che in base alle aree geografiche. Modalità di trasporto Area geografica interessata Proiezioni dell'uso di trasporti negli anni a venire suddiviso per modalità ed area. (Transport and its infrastructure. In Climate Change 2007) Dai grafici si può notare un notevole incremento dell attivit{ di trasporto con un conseguente aumento dei consumi di energia. Ogni stato è interessato a contenere tali consumi esaminando ogni singolo settore con appropriate modalità. Secondo queste proiezioni entro i prossimi 40 anni il consumo energetico è destinato a raddoppiare. Per contenere l impatto di questo incremento sar{ necessario agire in termini di risparmio energetico e sulla diminuzione del rilascio delle sostanze inquinanti nell ambiente, operando sull ottimizzazione dei motori e l introduzioni di sistemi di riduzione delle emissioni. 3. TRASPORTI MARITTIMI 4 luglio

182 La flotta mondiale conta indicativamente 80'000 navi (79'471) che bruciano più di 350 milioni di tonnellate di idrocarburi all'anno. In questo report le navi vengono ragruppate in quattro categorie: 1. Small ships da 100 GT a 499 GT 2. Medium ships da 500 GT a GT 3. Large ships da GT a GT 4. Very Large ships GT Flotta mondiale (79'471) (statistica Equasis ) Il consumo globale di combustibili per l'impiego navale viene stimato in circa 350 milioni di tonnellate annue, differenziandolo per tipo di natante e di combustibile. Riferendoci ai trasporti marittimi, in base alla tipologia di nave considerata il contributo all inquinamento è dato dai motori diesel a 4 e 2 tempi, sia propulsivi che generatori. I residui della combustione vengono infatti scaricati direttamente in aria dai fumaioli. L aria pura è una miscela eterogenea composta da gas e varie particelle di forme e dimensioni diverse. 4 luglio

183 SOSTANZA Formula Frazione molecolare AZOTO N2 78,08% OSSIGENO O2 20,95% ARGON Ar 0,934% BIOSSIDO DI CARBONIO CO2 388ppm NEON Ne 18,18ppm ELIO He 5,24ppm MONOSSIDO DI AZOTO NO 5ppm KRIPTON Kr 1,14ppm METANO CH4 0,5ppm IDROGENO H2 0,5ppm OSSIDO DI AZOTO N2O 0,5ppm XENON Xe 0,087ppm BIOSSIDO DI AZOTO NO2 0,02ppm OZONO O3 inferiore a 0,01ppm Composizione dell'aria secca non inquinata Nei motori a combustione interna il fenomeno che si verifica per la trasformazione energetica è la combustione. Questa trasformazione è una reazione chimica che effettua l'ossidazione di un combustibile da parte di un'altra sostanza chiamata comburente e che solitamente è l'ossigeno presente nell'aria. Tale reazione produce principalmente calore oltre che radiazioni luminose e in generale elettromagnetiche. Possiamo riassumere la reazione principale della combustione nei motori come reazione fra il combustibile CnHm (idrocarburo) e l'ossigeno O2 (aria): In questa reazione l'idrocarburo generico CnHm si combina con l'ossigeno O2 per produrre CO2 e vapore acqueo ma vi interviene anche l'azoto N2 che come visto è presente nell'aria in circa il 79%. Il coefficiente di bilanciamento α risulta: e rende conto dei rapporti molari n ed m. In abbondanza d'aria (ossigeno) N reagisce formando ossidi di azoto (NOx) che sono residui molto importanti quando si parla di sostanze inquinanti. Possiamo quindi osservare che dal combustibile si ottiene, oltre all'energia che verrà utilizzata per il movimento, anche delle sostanze residue ed inquinanti che vengono immesse nell aria. La quantit{ di sostanze emesse dipendono molto della purezza del combustibile utilizzato. 4 luglio

184 Combustibili di scarsa qualità implicano generalmente la presenza di sostanze impure che ritroveremo come residui nei gas di scarico. Una delle sostanze più importanti fra quelle che si ritrovano tra le impurità dei combustibili è lo zolfo. E da notare che la scelta del combustibile è molto influenzata da fattori economici, infatti quanto migliore risulta la qualità del combustibile usato, tanto maggiori risulteranno i costi in gioco. I principali prodotti inquinanti risultanti dalla combustione sono: Diossido di zolfo (SO2) Ossidi di azoto (NOx) Composti volatili organici (VOC) Materiale particolato (PM) Biossido di carbonio (CO2) I quantitativi di gas emessi dai motori marini nell'atmosfera sono direttamente correlati alla quantità di combustibile usato, oltre che da vari fattori legati al sistema di propulsione impiegato. Una combustione incompleta degli idrocarburi provoca la produzione di monossido di carbonio (CO) che viene anche prodotto per dissociazione dell'anidride carbonica (CO2). La presenza di particolato nei gas di combustione dipende dalle caratteristiche del carburante come viscosità, volatilità e contenuto di idrogeno. Inoltre nelle zone interne al cilindro con la fiamma più ricca, vengono prodotte sostanze ad elevato contenuto di carbonio, il cosiddetto particolato (PM). La loro formazione è principalmente dovuta alle elevate pressioni che generano una cattiva miscelazione e zone a diversa densità. Il particolato viene suddiviso in tre categorie a seconda del meccanismo di formazione: particolato ultrafine (UFP), con diametro < 0,1 μm e formato principalmente da residui della combustione (PM0,1) particolato formato dall'aggregazione delle particelle più piccole, compreso tra 0,1 e 2,5 μm in diametro (PM2,5) particolato formato da particelle più grossolane (> 2,5 μm) generate mediante processi meccanici da particelle più grandi. Per quanto riguarda le impurità dovute all'azoto, si indicano con il termine NOx tutti gli ossidi di azoto e le loro miscele. Nei motori a combustione interna il monossido di azoto (NO) è il componente predominante (ca. 90%), l altro componente rilevante è il biossido di azoto (NO2) che si forma a partire da NO, attraverso processi che avvengono prevalentemente dopo lo scarico dei gas combusti in atmosfera (processi fotolitici). L NOx si forma a partire dall'azoto presente in atmosfera in presenza di elevate temperature e di una grossa quantità di ossigeno, quindi specialmente nei motori a combustione interna. Va precisato che in caso di combustione ideale, i prodotti della stessa non prevedono la presenza di ossidi di azoto, visto che quest'ultimo è inerte a temperature contenute. Pertanto, proprio a causa delle elevate temperature raggiunte durante le fasi intermedie della combustione le molecole di azoto (N2) si dissociano in azoto atomico che risulta invece estremamente reattivo a contatto con ossigeno, portando alla formazione di NO. Il successivo drastico abbassamento di temperatura, riscontrabile nella fase terminale della combustione nei motori, congela la reazione sopra descritta impedendo la riassociazione dell'azoto e dell'ossigeno, scaricando quindi a valle il sottoprodotto NO. 4 luglio

185 Per descrivere la formazione di NO dall azoto atmosferico si utilizza il meccanismo di Zeldovich basato sulle tre seguenti reazioni di formazione-distruzione di NO : N2 + O NO + N N + O2 NO + O N + OH NO + H Un miglioramento delle quantità di sostanze inquinanti azotate può ottenersi controllando il processo di combustione (sul motore) e la conseguente fase di scarico. Si riassumono con il termine ossidi di zolfo (SOx) le seguenti sostanze chimiche: Il diossido di zolfo (SO2) noto anche come anidride solforosa, è un gas incolore dal tipico odore empireumatico (odore tipico dello zucchero bruciato) molto solubile in acqua e, se liquefatto, può corrodere materie plastiche. Esempio tipico di produzione industriale di anidride solforosa è la combustione di zolfo in aria : S + O2 SO2 Il triossido di zolfo (SO3) o anidride solforica è un composto corrosivo che reagendo con acqua produce acido solforico, SO3 + H2O H2SO4 Esiste in diverse forme, quello gassoso presente nell'atmosfera, rappresenta la causa primaria delle piogge acide per circa il 70%, il rimanente 30% risulta principalmente costituito dagli ossidi di azoto. Risulta chiaro che la formazione di ossidi di zolfo dipendono esclusivamente dalla presenza di questo elemento nei combustibili e non dal motore. Le sostanze organiche volatili (VOC) e gli idrocarburi policiclici aromatici (PAH) che comprendono sia idrocarburi che aldeidi, eteri, alcoli e alogenuri alchilici si trovano prevalentemente in combustibili come la benzina ed il gas naturale. I PAH si formano generalmente con combustioni incomplete e ciò indica che è importante effettuare un buon controllo del motore. Nella combustione i PAH vengono solitamente catturati nel particolato. Miljöinformation Åström & Nilsson AB, (Sweden), propongono un trend delle emissioni di NOx e di SO2 riferiti al novembre 2011 e una previsione fino al 2030, tenendo conto dell introduzione dei nuovi regolamenti. 4 luglio

186 Inquinamento dovuto a SO2 in kton dal 2000 al 2030 (stime al 2011) Inquinamento dovuto a NOx in kton dal 2000 al 2030 (stime al 2011) Da questi istogrammi si rileva che le nuove normative adottate dovrebbero portare ad una riduzione degli SO2 ed NOx inquinanti che saranno sicuramente di beneficio per l ambiente. Si rileva comunque che la tendenza dell attivit{ umana con il conseguente impatto inquinante avranno una tendenza all aumento e quindi la filosofia dell ottimizzazione dell impiego delle risorse energetiche disponibili dovrà essere sempre messa in risalto nella fase progettuale di nuovi sistemi tecnologici. Per fare un raffronto fra l'inquinamento globale (umano e naturale) con quello prodotto dall'attività navale si presentano le seguenti due tabelle riferite al totale, al naturale e al navale: EMISSIONI (migliaia di tonnellate/anno) INQUINANTE ANTROPOGENICA NATURALE SO2 1'460 3'000 H2S 3' '000 CO 304'000 33'000 NO / NO2 53'000 1'088'000 NH3 4'000 1'160'000 N2O '000 CO2 14'000'000 10'000'000'000 Idrocarburi 88' '000 4 luglio

187 Stima delle fonti dei principali inquinanti naturali e dovute all'attività dell'uomo EMISSIONI DI TUTTE LE NAVI DEL DOMINIO EMEP (migliaia di tonnellate/anno - anno 2000) Area marina SO2 NOx PMtotale MARE DEL NORD MAR NERO MEDITERRANEO MAR BALTICO NE ATLANTICO Totale 2'616 3' Emissioni di tutte le navi per area marina del dominio EMEP (IIASA-EntecUK-Met.NO 2007) Si possono analizzare inoltre in modo diversificato le emissioni in funzione del tipo di attività marina: EMISSIONI ATTIVITA' MARINE PER TIPOLOGIA (migliaia di tonnellate/anno - anno 2007) Ships 457 Offshore exploration and 20 production Ships + offshore 477 Coastal facilities 115 Ships + offshore + coastal 592 facilities Small craft activity 53 Sversamenti naturali 600 Sorgenti non note 0,2 Totale 1'245,2 Suddivisione dell'inquinamento in base alle tipologie di imbarcazioni (studio GESAMP 2007) In definitiva si stima che il traffico marittimo (80'000 navi) produce circa il 4% delle emissioni totali di CO2, cioè oltre 600 milioni di tonnellate/anno (corrispondenti al doppio di quanto rilasciato dall aviazione civile). Inoltre i combustibili utilizzati dalle navi sono i meno raffinati: gasolio, catrame, oli pesanti, carbone. Questi combustibili aumentano il gas serra e contribuiscono al riscaldamento del pianeta consumando circa 343MW. 2. NORMATIVE ANTINQUINAMENTO Il trasporto mercantile è una fondamentale componente dell'infrastruttura dei trasporti, sia nelle acque interne che in quelle marittime, ed è essenziale nel commercio mondiale, poiché è attraverso il mare che la maggior parte delle merci viaggiano tra paesi e continenti diversi. Sul trasporto navale si reggono moltissime economie nazionali ed in generale la prosperità dei paesi dotati di un accesso al mare, il quale costituisce l'accesso alla più grande via di trasporto 4 luglio

188 mondiale, attraverso il quale fluiscono carburanti, risorse naturali, prodotti chimici, prodotti agricoli e beni di consumo, provenienti da paesi produttori e diretti a paesi consumatori posti tra loro alle più disparate distanze. Ad esso si deve aggiungere il trasporto crocieristico che ad oggi può contare per la sola parte marittima, tra il mercato americano e quello europeo, su una flotta di circa 250 navi e che è destinato ad un ulteriore espansione. Data la quantità di navi presenti nella flotta mondiale, il loro contributo all'inquinamento dell'aria ha un impatto rilevante soprattutto nelle aree di interesse naturalistico e in molte aree urbane e portuali. Per questo motivo negli ultimi anni le varie organizzazioni a livello internazionale, nazionale e gli stessi Enti di Classifica si sono impegnate notevolmente nell emanazione delle normative a riguardo, costringendo le societ{ armatrici a mettere in atto dei programmi di adeguamento delle flotte per la riduzione delle emissioni in aria. Tali normative hanno dato un forte impulso alla ricerca nel settore navale di soluzioni nuove da applicare anche a navi esistenti o di navalizzazione di sistemi già utilizzati negli impianti terrestri, al fine di rendere ecologicamente sostenibile il trasporto marittimo. L intento del presente capitolo è quello di riassumere le principali normative attualmente in vigore. 2.1 Le Norme IMO: MARPOL Annex VI L International Maritime Organization (IMO) è l ente preposto dalle Nazioni Unite per tutelare e promuovere la sicurezza dell ambiente di lavoro marittimo. Venne creato dalla Conferenza Internazionale di Ginevra del 1948 e divenne attivo nel 1958, in seguito all entrata in vigore della IMO Convention, originariamente chiamata Inter-Governmental Maritime Consultative Organization, o IMCO (il nome mutò in IMO nel 1982). Attualmente fanno parte dell IMO 167 stati membri più 3 membri associati. Il lavoro dell Organizzazione riguardante le norme sull inquinamento dovuto alle navi è contenuta nell International Convention on the Prevention of Pollution from Ships, noto anche come MARPOL 73/78. Nel 1997 la MARPOL è stata emendata dal 1997 Protocol che include anche l Annex VI, intitolato Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships. L Annex VI impone i limiti sulle emissioni di NOx e SOx dei gas di scarico dei motori installati a bordo delle navi. Le norme per la prevenzione dell'inquinamento atmosferico causato dalle navi incluse nell'annesso VI della relativa convenzione internazionale del 1973, modificata secondo il protocollo del 1978 (MARPOL 73/78), sono entrate in vigore nel 2005, una data fondamentale per l'attuazione delle norme IMO a protezione dell'ambiente. A seguito di intensi sforzi profusi al fine di trovare una soluzione praticabile in una materia altamente controversa e oggetto di ampio dibattito all'interno del relativo gruppo di lavoro sull'inquinamento atmosferico, nella modifica alla norma 14 dell'annesso VI l'imo ha concordato l'attuazione di una serie di limitazioni progressive che dovrebbero portare a una significativa riduzione delle emissioni di ossidi di zolfo e particolato da parte delle navi. Gli standard IMO sulle emissioni sono chiamati TIER e vanno dall I all III. Lo standard TIER I venne stabilito nella versione del 1997 dell Annex VI, mentre gli standard TIER II e III vennero adottati nel Il 1997 Protocol della MARPOL che include l Annex VI, divenne effettivo 12 mesi dopo essere stato accettato da 15 stati membri della convenzione, i quali detenevano il 50% della flotta mercantile mondiale. Il 18 maggio 2004, con la ratifica da parte di Samoa, che si univa e Bahamas, Bangladesh, Barbados, Danimarca, Germania, Grecia, Liberia, Isole Marshal, Islanda, Norvegia, Panama, Singapore, Spagna, Svezia e Vanuatu, l Annex VI venne ratificato da parte di Stati che detenevano il 54.57% della flotta mercantile mondiale. Il 19 maggio 2005 entrò 4 luglio

189 quindi in vigore l Annex VI, applicato anche retroattivamente ai nuovi motori con potenza superiore ai 130kW installati su navi costruiti fino al 1 gennaio La norma si applica anche alle piattaforme off-shore e per esplorazione petrolifera (con l eccezione delle emissioni direttamente associate con l attivit{ di ricerca petrolifera). La regolamentazione sul limite del contenuto di emissioni di NOx dai combustibili per uso navale contenuta in questo documento è anche conosciuta come TIER I. Nell ottobre del 2008 venne adottato un emendamento all Annex VI che introdusse: - nuovi limiti sulla qualità dei combustibili impiegabili a bordo a partire dal luglio 2010; - nuovi standard sulle emissioni inquinanti di NOx per i motori di nuova costruzione (TIER II e III); - imposizione dei limiti del TIER I per i motori costruiti prima del 2000; Va chiarito che i limiti TIER I e II valgono a livello globale mentre il TIER III è in vigore solamente nelle zone a emissione controllata, le ECA (Emission Control Area). L Annex VI così revisionato entrò in vigore l 1 luglio Dall ottobre del 2008, l Annex VI è stato ratificato da ben 53 paesi, tra cui gli Stati Uniti, rappresentativi dell 81.88% della flotta mercantile. La normativa MARPOL sulle emissioni da parte dei motori marini può essere efficacemente riassunta con la seguente tabella: 2.2 Le emission control areas Come abbiamo visto, la normativa contenuta nell Annex VI è distinta in due categorie a seconda che ci si trovi in aree particolari, chiamate Emission Control Areas (ECA), o al di fuori di queste. 4 luglio

190 Le Emission Control Areas sono zone di mare particolari del pianeta, nelle quali sono imposti dei limiti più stringenti alle emissioni inquinanti da parte delle navi. Queste imposizioni ECA possono essere relative all SOx, al particolato, all NOx o a tutti questi tre tipi di emissioni. Le Emission Control Areas attualmente esistenti sono: - Mar Baltico: limiti imposti alle emissioni di SOx; adottata nel 1997 ed entrata in vigore nel 2005; - Mare del Nord: limiti imposti alle emissioni di SOx; adottata nel 2005 ed entrata in vigore nel 2006; - ECA Nord America (comprende le coste degli USA e del Canada): limiti imposti alle emissioni di SOx ed NOx; adottata nel 2010 ed entrata in vigore nel 2012; - ECA Caraibi USA (comprende Puerto Rico e le Isole Vergini): limiti imposti alle emissioni di SOx ed NOx; adottata nel 2011 ed entrerà in vigore nel 2014; - Possiamo visualizzare graficamente le aree di interesse ECA: 3. GLI SCRUBBERS Le componenti presenti nelle emissioni dei gas di scarico dei motori diesel navali comprendono: - Azoto - Ossigeno - CO2 - CO - Vapore acqueo - Ossidi d azoto (NOx) - Ossidi di zolfo (SOx) 4 luglio

191 - Idrocarburi nei vari stadi di combustione - Particolato Il particolato prodotto dalla combustione risulta composto da particelle di sostanze organiche ed inorganiche presenti in forma liquida o solida nel combustibile. Si possono suddividere a seconda della loro dimensione in particelle > 2.5 μm, e le cosiddette polveri sottili a dimensione < 2.5 μm. 3.1 Reazioni chimiche nel processo di combustione in un motore diesel: Un analisi generale della combustione che avviene all interno di un motore diesel porta a scrivere le seguenti formule di reazione: CnHm + O2 CO2 + H20 CnHm + O2 CO2 +H2O + CO + CHn CnHm +O2 + N2 CO2 + H2O + CO + CHn + NOx CnHmSp + O2 + N2 CO2 + H2O + CO + CHn + NOx + SOx N2 + O2 NOx(NO,NO2) S + O2 SOx(SO2,SO3) NOx(NO,NO2) + H2O HNO3 (SO2,SO3) + H2O H2SO4 dove n ed m rappresentano dei numeri interi positivi. Si possono inoltre riassumere le razioni che riguardano lo zolfo e l'azoto, che passano per intero nei fumi, con le seguenti: Reazioni chimiche dei fumi di un motore relative allo Zolfo: S + O2 SO2 ~ 95% (Biossido di Zolfo) SO2 + ½O2 SO3 ~ 5% (Triossido di Zolfo) Reazioni chimiche dei fumi di un motore riguardanti l'azoto N2 + O NO + N N + O2 NO + O N + OH NO + H 2NO + O2 2NO2 (Monossido d'azoto) (Monossido d'azoto) (Monossido d'azoto) (Biossido d'azoto) Tali sostanze presenti nei fumi si trasformeranno poi principalmente in acidi come H2SO4 (Acido Solforico) e Nitrati. Questi componenti hanno un impatto su: 4 luglio

192 Clima: aumento della concentrazione di CO2 in atmosfera Uomo: - effetti dannosi sull apparato respiratorio - cancro e mutazioni genetiche - Ambiente Al fine di controllare queste emissioni sono in vigore delle normative, sia a livello globale che locale. A livello globale, l I.M.O. (International Maritime Organization), mediante il suo comitato MEPC (Marine Environment Protection Committee) ha prodotto la MARPOLConvention, una regolamentazione internazionale per la salvaguardia dell ambiente marino. In particolare, l ANNEX VI della MARPOL si interessa della prevenzione dell inquinamento atmosferico. Ciò, imponendo limiti alle emissioni di Ossidi d azoto (NOx) e di Ossidi di zolfo (SOx) da parte delle navi. A livello locale, vi sono delle regioni nelle quali gli stati interessati hanno constatato che le emissioni in atmosfera hanno un particolare impatto sull uomo e sull ambiente. Sono così state create delle zone di mare nelle quali vi sono dei limiti maggiormente restrittivi alle emissioni di SOx (ECA-SOx Emission Control Areas) e di NOx (ECA-NOx Emission Control Areas). Queste zone sono presenti nel Mare del Nord, nel Mar Baltico e lungo le coste degli Stati Uniti e del Canada, con una maggior restrittività lungo la costa della California. A livello normativo l Unione Europea è intervenuta in materia con il documento EC 2005/33, mentre gli Stati Uniti con l EPA Title 40. Combustibili LNG = Liquified Natural Gas HFO = Heavy Fuel Oil (591 $ / MT) [feb 2013] MGO = Marine Gas Oil (925 $ /MT) [feb 2013] Prezzi combustibile rapportati al contenuto energetico (rif. a Rotterdam gennaio 2013) Tipo di combustibile % di S Prezzo ($/GJ) Prezzo (EURO/GJ) Prezzo ($/MT) MGO (Marine Gas Oil) < 0,1 20,4 932 LS380 1,45-:-4,5 14,7 649 IFO380 (Intermediate 1,5-:-3,5 13,9 618 Fuel Oil) HFO (Heavy Fuel Oil) (591) feb LNG (Liquified Natural Gas) 10,6-:- 16,3 570 Per dare un'idea dell'aggravio che ECA impone agli armatori ci si può riferire alle stime dei consumi di carburante con zolfo al 1% nelle regioni ECA. Baltic/North Sea/English Channel: 9.6 million mt/year North America: 2.2 million mt/year Totale: 11.8 milioni mt/year Notional incremental costs (basis 2012 Rotterdam prices) 1%S/3.5%S NW Europe: $393 million 4 luglio

193 N America: $90 million Total: $483 million 0.1%S/1.0%S NW Europe: $2.71 billion N America: $621 million Totale: 3.33 billioni di dollari 4. IL TRATTAMENTO DEI GAS DI SCARICO Analizziamo quelli che sono i metodi per la riduzione delle componenti dei gas di scarico dei motori diesel navali. L abbattimento degli inquinanti avviene seguendo la riduzione dgli ossidi di zolfo (SOx) e degli ossidi d azoto (NOx). A tal fine le possibilit{ d intervento sono: 1. RIDUZIONE SOx: utilizzo di combustibile con basso contenuto di zolfo: si può optare per utilizzare combustibili LSF (Light Sulphur Fuel) al posto di HFO (Heavy Fuel Oil); la scelta va ponderata accuratamente considerando il prezzo del combustibile più raffinato. LNG (Liquified Natural Gas): la scelta di questa tecnologia è subordinata alla scarsa disponibilità logistica di strutture di rifornimento di questo combustibile. Biofuels: valgono considerazioni analoghe a quelle fatte per l LNG. DME (Dimethyl ethere): valgono considerazioni analoghe a quelle fatte per l LNG. metanolo: valgono considerazioni analoghe a quelle fatte per l LNG. SCRUBBERS 2. RIDUZIONE NOx: SCR (Selective Catalytic Reduction) EGR (Exaust Gas Recirculation) Esistono inoltre tecniche per ridurre contemporaneamente l emissione di SOx, NOx e CO2, che utilizzano l elettrolisi e le propriet{ elettromagnetiche delle particelle. 5. SOLUZIONI ANTI-INQUINAMENTO Soluzioni tecniche per il rispetto delle normative anti-inquinamento Possiamo quindi riassumere in due categorie le opzioni disponibili agli armatori per contenere le emissioni di SOx: - Utilizzo di combustibili con basso contenuto di zolfo; - Utilizzo degli scrubber; I fattori che ne determinano la scelta sono: - Costo dei combustibili con basso contenuto di zolfo; - Costi di capitale (CAPEX) e operativi (OPEX) degli scrubber; - Operatività prevista per la nave in zone ECA-SOx; 4 luglio

194 Una indagine eseguita nel 2012 dal Lloyd Register, su 14 dei più importanti armatori mondiali, che richiedeva quale, secondo loro, potrebbe essere la soluzione al problema dell'impatto ambientale dovuto all'inquinamento dei motori navali ha evidenziato che le seguenti 4 scelte sono quelle più accettabili: Combustibili LNG Combustibili MGO Dual Fuel Scrubbers Il loro impiego inoltre risulta suddiviso nei tempi secondo la tabella riportata: Preferenza della modalità di abbattimento dell'inquinamento da parte degli armatori Si può notare che immediatamente si preferisce far ricorso agli MGO, a medio termine gli Scrubber destano più interesse, a lungo tempo (verosimilmente per le navi di nuova costruzione) c'è una leggera preferenza dei combustibili LNG rispetto agli Scrubber. 6.TECNOLOGIA DEGLI SCRUBBER Gli scrubber sono dei dispositivi utilizzati nella depurazione dei gas e delle particelle presenti nei fumi derivanti dalla combustione. Tradizionalmente ci si riferisce a scrubber quando si ha a che fare con depuratori di gas che utilizzano dei liquidi (wet) per rimuovere strofinando (to scrub) le sostanze inquinanti. Attualmente vengono intesi come scrub anche quei dispositivi di depurazione che iniettano sostanze reagenti in modalità a secco (dry). In ogni caso gli wet scrubber fanno uso di acqua, sia dolce che di mare, mentre i dry scrubber utilizzano degli agenti/composti chimici secchi. 4 luglio

195 Classificazione delle varie tpologie di Scrubbers: OPEN LOOP WET CLOSED LOOP SCRUBBER HYBRID INJECTION DRY SPRY 6.1 Wet scrubber Gli scrubber di questa categoria possono essere suddivisi, a seconda della modalità di funzionamento, in: - Wet scrubbers OPEN LOOP ( a ciclo aperto ): utilizzano acqua di mare; - Wet scrubbers CLOSED LOOP ( a ciclo chiuso ): utilizzano acqua dolce con l aggiunta di un agente chimico alcalino; - Wet scrubbers IBRIDI: possono operare in entrambe le precedenti modalità; Comprendono una classe molto vasta di sistemi filtranti il cui metodo di depurazione utilizza liquidi per catturare e separare gli elementi inquinanti. Tra le varie configurazioni si possono elencare quelle che dispongono di un tubo di Venturi oppure quelle composte da Torri di scrubbing. I sistemi di depurazione a liquido eliminano le particelle inquinanti catturandolo nelle gocce del liquido iniettato mentre l inquinante gassoso viene assorbito dal liquido stesso. La separazione fra il gas depurato ed il liquido contaminato contenente la parte inquinata dei fumi viene poi fatta per mezzo di eliminatori o separatori. Meccanismo di cattura del particolato Le particelle grossolane (particolato superiore a 1μm) nel loro fluire con i fumi di scarico entrano in collisione con le gocce di liquido immesse mediante ugelli all'interno dello scrubber. Si ha il fenomeno dell'impatto che risulta favorito dalle dimensioni delle particelle inquinanti, più piccole invece risultano le gocce spruzzate che divenendo più numerose rendono più probabile il verificarsi dell'impatto. Inoltre la velocità delle particelle aumenta la 4 luglio

196 probabilità di impatto a causa del divergersi dal flusso principale delle particelle che rimbalzano. Si ha invece la Diffusione (particelle dell'ordine di 0.1μm) quando particelle molto piccole a seguito di continui rimbalzi all'interno del fluire dei gas, non hanno un percorso definito e quindi diffondono all'interno dell'apparato. Queste particelle entrando in contatto con le gocce di liquido vengono da queste catturate. Per questo tale fenomeno viene facilitato dalla dimensione delle particelle e dalla velocità relativa rispetto le gocce spruzzate. In definitiva le caratteristiche che migliorano l'efficienza di filtraggio sono: Dimensione delle particelle Velocità relativa Altri meccanismi dovuti a metodologie diverse vengono poco utilizzati e sono quello elettrostatico, la centrifugazione e la condensazione. Meccanismo di cattura dei gas I gas inquinanti vengono inglobati nelle gocce del liquido sfruttando il fenomeno dell assorbimento. Questo è un operazione di trasferimento di massa. Tale fenomeno agisce fino a che non c è differenza di concentrazione fra liquido e gas, spostando il liquido velocemente si diminuisce la concentrazione del gas e la differenza si annulla quindi a fumi purificati. Sono importanti quindi le seguenti caratteristiche: Superficie di contatto (grande quantità di gocce) Buona miscelazione fra fumi e liquido (turbolenza) Buoni tempi di contatto fumi-liquido Solubilità Fattore comune su cui si può agire per avere un buon filtraggio è quindi la velocità relativa liquido-particolato, parametro che fisicamente viene ottenuto aumentando la pressione di immissione del liquido. I componenti degli SOx scrubbers WET sono: - SCRUBBER UNIT: è il/i componente/i che, singolarmente o a stadi per interconnessione, permette il contatto diretto tra l acqua e il gas di scarico proveniente dalla/e unit{ in cui avviene la combustione (motori diesel proncipali/ausiliari, TAG, ). Questo componente è montato all interno del fumaiolo. - TREATMENT PLANT: impianto di trattamento dell acqua per purificarla prima di scaricarla a mare. - HANDLING FACILITY FOR SLUDGE: impianto per la separazione delle scorie dall acqua. - MONITORING SYSTEM: sistema per il controllo e monitoraggio delle emissioni. Queste componenti sono interconnesse tra loro da tubolature, pompe, radiatori, cisterne, Per quanto concerne le problematiche di progettazione dobbiamo dire che: - è necessario non far scendere eccessivamente la pressione die gas di scarico in uscita dallo scrubber, nel fumaiolo (in alternativa si installa una ventola per l estrazione dei gas). 4 luglio

197 - Problematiche legate allo spazio necessario all impianto. È necessario ridurre l ingombro a bordo, riducendo così anche i costi di lavorazione ed i costi legati alle tubolature. Riducendo le dimensioni dell impianto viene a ridursi anche la potenza necessaria a far circolare l acqua nel sistema Wet Sox-scrubber open loop ciclo aperto Negli scrubbers che impiegano questa tecnologia, l acqua di mare viene pompata, filtrata e immessa nello scrubber. Ora, l acqua di lavaggio sporca, viene trattata, separandola dalle scorie (che vengono raccolte in una tanica separata) e poi scaricata a mare. L acqua di lavaggio, quindi, non ricircola. Nel sistema a ciclo aperto, il flusso dell acqua di lavaggio è approssimativamente di 45 m3/mwh. Con questo sistema, la percentuale di rimozione di SOx è circa del 98%. Ciò significa che le emissioni trattate che si hanno utilizzando un combustibile con un contenuto di zolfo del 3,5% sono equivalenti alle emissioni non trattate che si vengono ad avere utilizzando un combustibile con lo 0,1% di zolfo. Va posta poi attenzione alla temperatura dell impianto in quanto la solubilit{ dell SO2 si riduce all aumentare della temperatura dell acqua di lavaggio. 4 luglio

198 REAZIONI CHIMICHE: Come mediatore viene utilizzata l acqua di mare, contenente cloruro di sodio (NaCl). Reazioni riguardanti SOx nello Scrubber: SO2 + H2O H2SO3 (Acido Solforoso) SO3 + H2O H2SO4 (Acido Solforico) Reazioni per Open Loop Na2CO3 + H2SO3 Na2SO3 + H2O + CO2 Na2SO3 + ½O2 Na2SO4 Na2CO3 + H2SO4 Na2SO4 + H2O + CO2 (Solfito di Sodio) (Solfato di Sodio) (Solfato di Sodio) Wet Sox-scrubber closed loop ciclo chiuso Gli scrubbers SOx utilizzati a bordo delle navi (compresi quelli ibridi quando operano in modalità a ciclo chiuso) fanno uso di acqua dolce alla quale viene aggiunto come additivo alcalino l idrossido di sodio NaOH come mediatore. Così l SOx rimosso dai gas di scarico si trasforma in solfato di sodio Na2SO4. In questa modalit{ l acqua di lavaggio in uscita dallo scrubber viene immessa in una cisterna nella quale viene purificata prima di riprendere a circolare. Il flusso dell acqua di lavaggio è di 20 m3/mwh. Questo per ridurre la concentrazione di Na2SO4 in circolo nel sistema. Il solfato di sodio, infatti, può cristallizzare degradando progressivamente il sistema. La quantità di acqua dolce da rimettere in circolo dipende dalle perdite per evaporazione. Queste sono influenzate dalla temperatura dei gas di scarico (e 4 luglio

199 quindi dal carico di funzionamento del motore) e dalla temperatura dell acqua di mare che viene immessa nel sistema. Infatti, il sistema a ciclo chiuso prevede due modalità di lavoro: - scarico in mare - scarico in mare nullo Per far fronte alla perdita di acqua per scarico in mare il sistema prevede il reintegro d acqua sia dolce che di mare, dove quest ultima, come nella modalit{ open loop, prima di entrare in circolo viene filtrata e poi trattata con l aggiunta di NaOH. La modalità scarico in mare nullo, prevista quando la nave opera in zone di mare o porti sensibili, viene garantita dalla holding tank, una cassa di raccolta per l acqua non più riutilizzabile nel ciclo e non scaricabile in mare. La quantit{ di NaOH in soluzione nell acqua in circolo è del 50% con un dosaggio di 15 l/mwh per un combustibile con 2,7% di zolfo. La densità di NaOH in soluzione è di 1530 kg/m3 a 15 C. Le casse del sistema vanno progettate tenendo conto di questi dati e della corrosività di questo composto nei confronti di pompe, tubolature di alluminio, bronzo, ottone, stagno, zinco e vetro. L acciaio dolce presenta inclinazioni per corrosione ad una temperatura superiore ai 50 C mentre l acciaio inossidabile può resistere anche a temperature maggiori. L NaOH deve essere pompato alla temperatura di 20 C in quanto la viscosit{ cresce rapidamente al di sopra di questo limite. La temperatura di circolo, invece, come visto, non deve superare i 50 C. La temperatura di stoccaggio a bordo deve essere compresa tra i 20 ed i 50 C. L NaOH va comunque trattato con cautela ed attenzione, evitando in ogni modo la possibile fuoriuscita dall impianto ed il contatto con l uomo. Ha infatti un ph pari a 14 e può ustionare la pelle, danneggiare l apparato respiratorio o gli occhi. Notiamo che l impianto closed loop richiede un numero maggiore di casse: - casse per NaOH - process tank - holding tank per il funzionamento a scarico in mare nullo (le dimensioni dipendono dalle esigenze operative della nave). Il vantaggio dei sistemi a ciclo chiuso è sicuramente quello di poter operare anche quando la nave si trova in acque con un alcalinit{ insufficiente al funzionamento dello scrubber in ciclo aperto. Reazioni per Closed Loop 2NaOH + SO2 Na2SO3 + H2O Na2SO3 +SO2 +H2O 2NaHSO3 H2O+ SO3 H2SO4 NaOH + H2SO4 NaHSO4 + H2O 2NaOH + H2SO4 Na2SO4 + 2H2O (Solfito di Sodio) (Idrogeno Solfito di Sodio) (Acido Solforico) (Idrogeno Solfito di Sodio) (Solfato di Sodio Wet Sox-scrubber ibrido Gli scrubbers ibridi consentono la possibilità di operare in entrambe le modalità: ciclo aperto o ciclo chiuso. Questo consente un estrema flessibilit{: è possibile operare a ciclo chiuso (anche in modalit{ scarico in mare nullo) quando l alcalinit{ dell acqua di mare è insufficiente o le normative non permettono lo scarico in mare dell acqua di lavaggio; è possibile, invece, 4 luglio

200 operare a ciclo aperto quando non si vuole consumare NaOH o acqua dolce o si vuole preservate l impianto. Ciò avviene, però, a fronte di una maggiore complessit{ d impianto. Funzionamento ad anello aperto Funzionamento ad anello chiuso 6.2 DRY SCRUBBER I sistemi a secco, diversamente da quelli umidi, utilizzano (nella maggior parte dei casi) come alcalino i granuli di idrossido di calcio, Ca(OH)2, aventi un diametro compreso tra i 2 e gli 8 mm, al fine di avere una elevata superficie di contatto da esporre ai gas di scarico. 4 luglio

201 Possiamo comunque distinguere due categorie di scrubber secchi: gli scrubber ad iniezione e gli scrubber a Spray. Ngli scrubber ad iniezione (Dry sorbent iniection) viene aggiunto nel flusso dei fumi una sostanza alcalina (generalmente idrossido di calcio Ca(OH)2, carbonato di calcio CaCO3 o soda NaOH). Negli scrubber a Spray (Spry Dryer absorber) le sostanze alcaline vengono immesse nelle torri di assorbimento (Dryers) in cui sono convogliati anche i fumi. I componenti principali degli SOx scrubbers DRY possono essere schematizzati come: - SCRUBBER UNIT: detto anche assorbitore, permette il contatto diretto tra i fumi di scarico e la sostanza alcalina. In questo caso, a differenza di quanto avviene negli scrubbers bagnati, non si ha cessione di calore da parte dei gas, anzi, la reazione che avviene è esotermica. Ciò impone che questa tipologia di scrubbers vengano posizionati a monte del sistema di recupero del calore e dell eventuale sistema SCR presente nel fumaiolo. - CONTENITORE DEL COMPOSTO ALCALINO: è composto generalment da un silo predisposto per il caricamento da terra del materiale alcalino. - MONITORING SYSTEM: sistema per il controllo e monitoraggio delle emissioni. Regola il flusso della sostanza alcalina in funzione di questi dati in input. Al fine di rendere le emissioni di ossidi di zolfo equivalenti a quelle ottenibili con un combustibile avente un contenuto di zolfo pari al 0.1%, un generico motore diesel navale facente uso di HFO con il 2.7% di zolfo dovrebbe consumare una quantità di granuli di idrossido di calcio pari a 40 kg/mwh. Avendo questi una densità di 800 kg/m3, il volume richiesto di granuli è di 0.05 m3/mwh. Ciò significa che un motore da 20 MW richiede 4 luglio

202 approssimativamente una quantità pari a 19t di granuli al giorno, per un volume occupato di 24 m3. Da prove condotte su un motore da 3.6 MW con combustibile con un contenuto di zolfo pari al 1.8%, si è constatato che l utilizzo di uno scrubber secco, facente uso di granuli di idrossido di calcio, ha portato ad una riduzione degli SOx pari al 99%. A differenza degli scrubber bagnati, quelli secchi non richiedono un associato impianto per il trattamento dell acqua di lavaggio, con tutto il complesso di tubolature e componenti vari necessari al suo funzionamento. Questo è certamente un vantaggio in termini di semplicità d impianto, conduzione d impianto, manutenzione e costi di costruzione nave. Inoltre viengono a scomparire le restrizioni allo scarico in mare dell acqua di lavaggio. L idrossido di calcio è anch esso un alcalino estremamente pericoloso, ed il suo trattamento deve rispettare le normative riportate nel Material Safety Datasheet presente a bordo. Il rischio di questo composto è legato alle inalazioni di polvere che possono avere luogo. In ogni caso la sua pericolosit{ è considerata nettamente inferiore all idrossido di sodio liquido utilizzato dagli scrubber bagnati. Al fine di ottenere un corretto uso del sistema è inoltre necessario che i granuli di idrossido di calcio vengano stoccati a bordo all interno di contenitori che li preservino dall umidit{ e dal contatto con altre sostanze. Ciò può essere ottenuto applicando alle pareti del contenitore della vernice alcalino resistente. Generalmente gli scrubbers a secco lavorano ad una temperatura compresa tra i 240 e i 450 C. Considerando il caso dei sistemi facenti uso dei granuli di idrossido di calcio, possiamo dire che questi, all interno della scrubber unit, reagiscono con l SO2 formando, secondo varie reazioni, solfito di calcio o solfato di calcio: SO2 + Ca(OH)2 CaSO3 + H2O Ca(OH)2 + SO2 + ½ O2 CaSO4 + H2O (Solfito di Calcio) (Solfato di Calcio) Il solfito è poi ossidato ed idratato nel flusso dei gas di scarico, producendo così solfato di calcio diidrato: 2CaSO3 + O2 2CaSO4 CaSO4 + 2H2O CaSO4 2H2O (Solfato di Calcio) (Solfato di calcio diidrato) Ad alte temperature invece avviene la seguente reazione in acqua: CaO + SO2 + H2O + ½ O2 CaSO4 + H2O (Solfato di Calcio)) Similmente, nel caso dell SO3 si ha, senza e con idratazione: Ca(OH)2 + SO3 CaSO4 + H2O SO3 + Ca(OH)2 + H2O CaSO4 2H2O (Solfato di Calcio) (Solfato di Calcio diidrato) 4 luglio

203 Comparazione delle metodologie Schema di un impianto scrubber a secco WET DRY VENTURI TORRI A GOLA BAGNATA A GOLA SPRY A GOLA RETTANGOLARE CON SPINOTTO REGOLABILE A PIASTRA MOBILE A RULLI A GOMITO A JET CON PIATTI A GRIGLIA CON PIATTI AD URTO CON PIATTI A BOLLE CON PIATTI A VALVOLE A FLUSSO CONTROCORRENTE A CORRENTE TRANSVERSA CICLONE SEMPLICE AD AUTOINDUZIONE VANTAGGI: - Ingombro limitato - Assenza di fenomeni esplosivi - Eliminazione di particolato e gas tossici - Trattamento di correnti ad alta Temperatura e Umidità ORIFIZI INIEZIONE SECCA - Assenza INIEZIONE SPRAY Atomizzatore Rotativo Atomizzatore Pneumatico trattamento delle scorie SVANTAGGI: - Corrosione - Consumo di energia - Difficoltà recupero scorie - Complessità d impianto 4 luglio

204 7. CONCLUSIONI Nel presente articolo è stata fatta una panoramica ad ampio raggio sulle ultime tendenze del mercato marittimo per ridurre le emissioni inquinanti dei gas di scarico, con l intento di chiarire un po le idee sulle soluzioni che vanno proponendosi e che spesso sono tutt altro che chiare e definitive. La complessità degli impianti presentati, la loro marinizzazione e le implicazioni sia a livello di impianto che di gestione, ci fanno ritenere che queste soluzioni sono tutt altro che risolutive e consolidate per il soddisfacimento dei limiti sempre più stringenti imposti dalle norme vigenti. In quest ottica si aprono sicuramente nuove prospettive e nuovi ambiti di ottimizzazione e di studio. Su questo tema si è inserito uno studio specialistico, all interno di Fincantieri, sull attenuazione del rumore dovuto allo scrubber volto a capire le caratteristiche acustiche degli scrubber attualmente esistenti, per valutare poi possibili ottimizzazioni del sistema che tengano conto anche dei requisiti oggi garantiti dai silenziatori tradizionali. BIBLIOGRAFIA E.F.Rey : Fondamentals of environmental noise (UNIVERSAL, 2013). L.Fulton, G Eads : IEA/SMP Model Documentation and Reference Case Projection. World Business Council for Sustainable Development (WBCSD). (2004) Kahn Ribeiro, S., S. Kobayashi, M. Beuthe, J. Gasca, D. Greene, D. S. Lee, Y. Muromachi, P. J. Newton, S. Plotkin, D. Sperling, R. Wit, P. J. Zhou : Transport and its infrastructure. In Climate Change (Cambridge University Press, 2007). Øyvind Endresen, Magnus Eide: The Environmental Impacts of Increased International Maritime Shipping (2004). Wärtsilä : Wärtsilä Environmental Product Guide (2010). Equasis : The world Merchant Fleet in 2012 (2013). BRS : Annual review 2013 (Shipping & Shipbuilding Markets), (2013). Joseph G.T., Beachler D.S. Scrubber Systems, Operation Review (North Carolina State University 1998). ABS: Exhaust Gas Scrubber Systems Status and guidance. MAN: Emission Project Guide, MAN B&W Two Stroke Marine Engines (2013). Lloyd s Register: Understanding exhaust gas treatment systems (2012). Hombravella A., Kilicaslan A., Perales J, Russ C. : Study of exhaust gas cleaning systems for vessels to fulfill IMO III in 2016 (MAK Caterpillar 2011). US Departmento of Transportation : Exhaust gas cleaning systems, Selection Guide (2011). IMO Resolution A.343(IX), Recommendation on methods of measuring noise levels at listening posts (1975). ISO 2923 Acustica - Misura del rumore a bordo di navi (2006). IMO Annex VI Regulations for he Prevention of Air Pollution from Ships (May 2005) (2008). IMO RESOLUTION A.468(XII) Code on noise levels on board ships; ANNEX 1 (adopted on 19 November 1981). IMO RESOLUTION MSC.337(91) Adoption of the code on noise levels on board ships ; ANNEX 1 (adopted on 30 November 2012). 4 luglio

205 20. Tecniche avanzate di data management per la diagnostica avanzata in campo navale M. Giacobbe, M. Villari DICIEAMA, Università di Messina Sommario La quantità e l'eterogeneità dei dati acquisiti ed investigati in campo navalerichiedono tecniche sempre più avanzate e ottimizzate per la gestione, e quindi per la raccolta, l'analisi, la condivisione e la presentazione delle informazioni. In questo documento presentiamo una strategia orientata a sviluppare un catalogo intelligente, utilizzando principi di gestione della conoscenza come Case BasedReasoning (CBR) e Big Data Management (BDM). Questa strategia è basata su un paradigma dei sistemi distribuiti su larga scala: il Cloud Computing. Dopo aver introdotto una panoramica sui comuni sistemi di acquisizione e sul processo CBR, spieghiamo la nostra strategia sull adozione di un catalogo intelligente per la gestione avanzata dei dati per la diagnostica avanzata in campo navale. Inoltre, introduciamo un primo caso di studio con dati acquisiti da sensori da esperimenti di laboratorio, concludendo con possibili direzioni e scenari futuri. 1. INTRODUZIONE La complessit{ del sistema nave, visto come insieme di risorse la cui integrazione nello spazio e nel tempo consente di avere una struttura equipaggiata in grado di navigare e di fornire al suo interno, da e verso l esterno, un insieme eterogeneo di servizi, richiede molteplici conoscenze. Queste interessano indubbiamente sia le risorse tecniche sia le risorse umane disponibili, a bordo e a terra. Alla complessit{ del sistema nave contribuisce inoltre l interazione dello stesso sistema con l ambiente esterno nello spazio-tempo. Le suddette conoscenze, per concretizzarsi su base scientifica, necessitano di essere obiettive, quindi non opinabili, riconosciute e formate su grandezze misurabili. I requisiti di obiettività, riconoscimento e misurabilità sono strettamente dipendenti e necessitano di uno standard riconosciuto. A tal proposito, la guida al Project Management Body of KnowledgePMBOK [1], riconosciuta a livello internazionale, fornisce una raccolta di buone pratiche nella gestione di progetto. In particolare con la quinta edizione della guida, alle già esistenti nove aree della conoscenza è stata aggiunta una decima area rappresentata dalla Project Stakeholder Management, oltre a quattro nuovi planning processes : Plan Scope Management, Plan Scope Management, Plan Cost Management e Plan Stakeholder Management. L insieme dei suddetti requisiti costituisce la base di partenza del nostro studio, che approfondiamo nella sezione seguente, introducendo lo stato dell arte nella diagnostica in campo navale ed includendo gli approcci generalmente seguiti per le misure di laboratorio. 4 luglio

206 1.1. La diagnostica in campo navale, stato dell arte La letteratura scientifica presenta numerosi contributi sulla diagnostica in campo navale, con un forte interesse dell ingegneristica navale verso i sistemi di monitoraggio del comportamento strutturale in mare delle imbarcazioni. Come precedentemente introdotto, quello che abbiamo definito il sistema nave è un ambiente complesso, che come tale richiede un continuo arricchimento della conoscenza delle risorse tecniche ed umane, a bordo nave e a terra, per rispondere con prontezza nella gestione dei processi e delle emergenze. Nei paragrafi a seguire distinguiamo lo stato dell arte per la diagnostica di bordo dagli approcci eseguiti durante le cosiddette prove di laboratorio Diagnostica di bordo La produzione scientifica relativa ai sistemi per la diagnostica di bordo in campo navale vede più di cento lavori validati a livello internazionale a partire dai primi anni settanta, quindi non tantissimi. Lo sviluppo di dispositivi e reti di sensori ha consentito un conseguente sviluppo di piattaforme e soluzioni software indirizzate al monitoraggio di sistemi e strutture navali anche complesse [2] [3] [4]. Pertanto gli ultimi lavori in questo campo, presenti in letteratura sotto la voce Naval Sensor Integration, rappresentano una fonte di riferimento per lo stato dell arte e per future implementazioni innovative nel settore ( come smartsensorsper IoT ). In [5] gli autori presentano uno studio per ridurre i costi e la complessità nella installazione di sistemi di monitoraggio dello scafo mediante l installazione di sensori wireless e l utilizzo di una rete dati in fibra ottica, a realizzare un sistema ibrido con relativo caso d uso (venti nodi sensore e rete in fibra ottica su un FSF-1 Sea Fighter). Al duplice vantaggio di poter disporre di un sistema dotato della non invasività dei sensori wireless e della qualità della comunicazione offerta dalle connessioni in fibra ottica, non si evince tuttavia il potenziale offerto da questo sistema nella gestione dei dati acquisiti, e se e come questi siano utilizzati (in fase di elaborazione) per ricavare informazioni utili, ovvero di interesse per gli scopi perseguiti. In [6], Korczewski e Zacharewicz presentano un metodo per la diagnosi degli spazi di lavoro, applicato a tre diversi modelli di motore marino diesel a bordo di navi da guerra polacche. Tale metodo si basa su misurazioni della pressione del gas di scarico nei canali di collegamento dei cilindri con la turbina del turbocompressore. La ricerca è orientata all applicazione di una metodologia diagnostica per migliorare l affidabilit{ dei motori impiegati. Anche in questo caso, lo studio non approfondisce gli aspetti legati al management dell informazione che invece consentirebbe un ulteriore avanzamento della proposta. Una piattaforma software avanzata per la gestione di dispositivi e sensori eterogenei integrati a bordo nave è invece presentata in [7]. In particolare viene proposto un sistema intelligente non invasivo, anche con l impiego di sensori wireless, capace di operare in ambienti difficili e poco accessibili (ad esempio in sala macchine). I dati acquisiti vengono quindi raccolti ed elaborati in tempo quasi-reale realizzando una ottimizzazione nella fase di testing, la possibilità di produrre una carta di identità dell imbarcazione utile per tutto il suo ciclo di vita, e non ultimi il miglioramento nella qualità e la semplificazione delle operazioni di manutenzione. Il lavoro, pur risultando antecedente allo sviluppo e alla crescita esponenziale delle applicazioni in ambiente Cloud, presenta specifiche sufficienti per poter essere evoluto in questa direzione, dove modularità e scalabilità rappresentano due requisiti indispensabili Laboratorio All utilit{ nell impiego della sensoristica di bordo per il monitoraggio di sistemi e strutture a fini prestazionali e/o di comfort, si affianca la necessità di poter effettuare delle prove di 4 luglio

207 laboratorio soprattutto in ambito strutturale al fine di garantire livelli crescenti di sicurezza. Prove di laboratorio consentono di lavorare al raggiungimento di questi obiettivi attraverso l impiego di sensori di rilevamento collegati (via wired o wireless) alla piattaforma di elaborazione appositamente allestita. In particolare, per entrambe le tecnologie (sensoristica e piattaforma) è comune distinguere la parte hardware dalla parte software e quindi l impiego di soluzioni proprietarie (con licenza d uso commerciale) da soluzioni aperte (tipicamente riconosciute come open source, ad esempio con licenza GPL General Public Licence). Tuttavia, dal punto di vista implementativo e produttivo, la tendenza è non solo di integrare le risorse disponibili, ovvero preesistenti, con nuove risorse in un unica piattaforma integrata per la loro gestione, modulare e scalabile, bensì di fondere le risorse hardware con il software di ciascun dispositivo integrato. La virtualizzazione delle risorse ne è un esempio concreto, e peraltro presentato a seguire nella sezione Strategia, nella parte dedicata a Il Cloud Computing. A questa si aggiunge la crescita esponenziale nell interesse verso i Big Data [8] ovvero verso le più avanzate tecniche di data management Tecniche avanzate di data management La domanda che è lecito porsi di fronte alla generazione e manipolazione di dati in qualunque contesto di monitoraggio può definirsi come una mole convenzionale ( piccola ) di dati oppure piuttosto grande (Big Data). La risposta può ritenersi funzionale alle capacità di immagazzinamento, di processamento e di trasporto del sistema di gestione dell informazione impiegato per automatizzare i processi di qualunque contesto operativo in origine human based. Un dataset può presentare caratteristiche di mole e complessità tali da richiedere strumenti più evoluti, quindi non più considerati tradizionali per il loro processamento ed interpretazione. I dati diventano Big poiché sempre più trasduttori (sensori) sono capaci di fornire dati sulle grandezze fisiche da loro osservate/acquisite in un tempo sempre più ristretto. Quindi, nei giorni nostri, s innesca un meccanismo in cui sempre più sensori vengono utilizzati, con una frequenza di acquisizione dei parametri fisici sempre più alta. I calcolatori abili a determinare nuove informazioni sempre più utili diventano più complessi. Si nota come i sistemi informatici attuali capaci di ottemperare le richieste di Big Data Management sono riconducibili ad architetture hardware e software caratterizzate da due principali unità. Una unità di calcolo a bordo del veicolo/imbarcazione sotto analisi ed una unità remota posta nel Cloud Computing. La prima unità si occupa di un immagazzinamento e processamento leggero dei dati (definito in-linea), mentre la seconda unità di un processamento più pesante residente nel Cloud Computing (post processing). ConCloud Computing, la cui trattazione è approfondita nella Sezione 2.2., si intende sia la capacità di memorizzare moltissimi dati (capacità quasi illimitata) financo al loro processamento con tecniche di distribuzione del calcolo computazionale attraverso consolidate tecnologie di parallellizzazione. E l approccio che usa Google nel mantenere traccia delle informazioni carpite dai vari siti web e che vengono prontamente rese disponibili attraverso la ricerca ed interrogazione del motore di ricerca. L approccio al Cloud da adoperare è di tipo ibrido in cui l immagazzinamento e processamento di dati non sensibili avviene su un Cloudpubblico (vedi ad esempio Amazon [9], Google [10], Microsoft Azure [11]), mentre i dati con contenuto personale/privato (o di business a valore aggiunto) devono risiedere all interno di Cloudprivati predisposti dagli operatori che hanno tutto l interesse a gestire i Big Data originati dal veicolo/imbarcazione. Possiamo quindi riferirci a: 4 luglio

208 - Un Cloud privato minimale che all occorrenza scala su Cloud esterni pubblici. Questa capacità di differenziare il tipo di computazione è definita horizontalscalabilty ed elasticity of Clouds. - Un Cloud orizzontale che trasborda la sua computazione verso lidi più economici e vantaggiosi. - Un post processing dei dati come valore aggiunto nell interpretazione dei dati stessi visto sotto il profilo del risparmio di risorse a bordo (carburante, energia, acqua, ecc.), della ottimizzazione e del confort (attraverso la minimizzazione delle vibrazioni, le ottimizzazioni delle rotte, la predisposizione di aree portuali per lo stop temporaneo), di nuovi servizi (quali procedure di rescue e safety monitorabili ed aggiornabili da remoto, servizi di intrattenimento a bordo con IoTsconfigurabili dal Cloud). I Big Data vanno quindi visti nell ottica di un miglioramento dell esperienza di utilizzo di veicoli/imbarcazioni. Attraverso ilcloud, è possibile disporre di una interfaccia unica remota verso una utenza dotata di dispositivi mobile e tablet sempre connessi (vedi WiFi, HSDPA-3.5G, LTE-4G), capaci di interagire attraverso Apps sempre più sofisticate Ingegneria dell informazione, i formati XMLe JSON L acquisizione di dati grezzi, ovvero non elaborati, si presta a diverse tecniche e metodologie per la loro strutturazione. Al fine di utilizzare uno standard riconosciuto per i nostri propositi evidenziati nel presente lavoro, quindi diffuso su larga scala e sostenuto nel suo sviluppo dalla comunità scientifica, abbiamo selezionato e confrontato due soluzioni: XML e JSON. XML [12], sigla di extensible Markup Language, è un cosiddetto linguaggio marcatore, ovvero un insieme di regole che descrivono i meccanismi di rappresentazione utilizzando delle convenzioni riconosciute. Ciò consente ai proprietari di un documento o di un testo di definire e controllare il significato degli elementi in esso contenuti. XML è di tipo descrittivo, ovvero a differenza dei linguaggi marcatori procedurali presenta la caratteristica vantaggiosa di separare la struttura dalla presentazione. Tuttavia la stessa informazione potrebbe essere descritta in maniera differente rendendone difficoltosa la ricerca. JSON [13], sigla di JavaScript Object Notation, è un formato di interscambio dati basato su standard ECMAScript [14] adatto in applicazioni client-server. Rappresenta una alternativa ad XML (linguaggio di marcatura e non di interscambio) essendo peraltro particolarmente accessibile via web per via della diffusione di JavaScript. Entrambi i formatirientrano pienamente in politiche di Systems Innovation, e sono oggetto di valutazione sperimentale nelle nostre misure. 2. STRATEGIA 2.1. Il processo Case Based Reasoning (CBR) La strategia adottata nell ambito del nostro lavoro di ricerca include una metodologia di intelligenza computazionale, il cui processo base è noto come Case Based Reasoning (CBR) [15]. Tale processo consente la risoluzione di nuove problematiche basandosi sulla conoscenza ovvero sulle soluzioni di problemi antecedenti, quindi ragionando per confronto ed analogie. Il CBR si è evoluto come un potente metodo di ragionamento automatico, ma è in principio parte naturale del comportamento umano per la risoluzione di diverse problematiche nei diversi ambiti basato sulla conoscenza degli eventi. 4 luglio

209 L uso della conoscenza come strumento di indagine e di risoluzione delle problematiche di interesse richiede l attuazione di politiche e meccanismi di ricerca e riconoscimento dell informazione. Ciò lega il processo CBR all adozione del linguaggio XML per la rappresentazione delle informazioni. A tal riguardo, in [16] gli autori presentano una proposta, denominata CBR for XML Document Recommendation (CXDR) per agevolare la ricerca delle informazioni da documenti XML Il Cloud Computing Il Cloud Computing rappresenta un ulteriore evoluzione dei sistemi IT, riconosciuto come paradigma dei sistemi diffusi come Large Scale Distributed Systems. La letteratura scientifica è ricca di definizioni del Cloud e di tassonomie rivolte al suo impiego nei diversi contesti pubblici e privati, di governance o business-oriented, o piuttosto orientati alla sostenibilità energetica [17]. Un importanza crescente vanno assumendo ambienti di Cloud federati, quindi di Inter-Clouds [18] [19], particolarmente in scenari di ottimizzazione nella gestione delle risorse da sistemi (reti di sensori, oggetti, clouds) eterogenei e in quella che viene definita come Future Internet, ovvero l Internet delle Cose (Internet of Things IoT), l Internet dei Servizi (Internet of Services IoS), l Internet delle Persone (Internet of People IoP), e loro combinazioni. Lo stesso per quanto concerne il cosiddetto Cloud delle Cose (Cloud of Things CoT) [20]. Il Cloud è strettamente legato al concetto di virtualizzazione delle risorse, ovvero alla possibilità di rendere disponibili le risorse hardware al software in forma di risorse virtuali, quindi installando sistemi operativi su componenti hardware virtuali (Hard Disks, RAM, CPUs, Network Interfaces) chiamati macchine virtuali. La creazione, l allocazione e la migrazione di macchine virtuali consente una razionalizzazione quindi una ottimizzazione nella gestione delle risorse disponibili: più macchine virtuali possono girare contemporaneamente sullo stesso sistema fisico e possono essere eventualmente migrate laddove le condizioni di funzionamento (di sistema, ambientali, in termini di costi, di servizio) sono più vantaggiose. Il Cloud rappresenta quindi un ambiente avanzato per la gestione delle informazioni provenienti da reti di sensori eterogenee, introducendo un modello pay-as-you-go [21] ed un abbattimento dei costi crescente per servizi su larga scala. In particolare, la capacità di collezionare dati da sensori di diversa natura, il salvataggio e la conservazione distribuita degli stessi anche in grandi quantità e dimensioni, la disponibilità di interfacce user-friendly per l accesso ai dati e la loro gestione, e di soluzioni di business intelligence per la gestione, quindi l estrapolazione e la correlazione dei dati rappresentano indubbi vantaggi al fine di ottenere un sistema di diagnostica più avanzato rispetto ai sistemi tradizionali Diagnostica avanzata, un catalogo intelligente Attualmente i sistemi di monitoraggio, o più in generale i sistemi diagnostici a basso livello di complessità architetturale, trasmettono i dati acquisiti da reti di sensori a basso costo a sistemi di storage e di processamento, a loro volta centralizzati o distribuiti. Per un livello crescente della suddetta complessità (determinata sulla base dei fenomeni oggetto di osservazione e controllo e su scala di distribuzione) nasce l esigenza di gestire le informazioni provenienti da reti di sensori eterogenei (ovvero con caratteristiche diverse in termini di dati acquisiti e trasmessi, parametri misurati, interfaccia di comunicazione, protocolli), ancor più 4 luglio

210 in uno scenario conosciuto come Internet of Things (IoT) e con l impiego di sensori intelligenti (smartsensors). Tuttavia, nei casi in cui si richiedono tempi di risposta sufficientemente ridotti (basti pensare alla necessità di monitorare parametri la cui variazione o il cui valore risulta essere significativo in termini di gestione del rischio) è possibile prevedere la corretta interpretazione dei dati acquisiti in forma di cosiddetti tripwires diagnostici intelligenti. I tripwires diagnostici sono strumenti automatizzati impiegati per monitorare con prontezza sistemi complessi. Tali strumenti sono di supporto al Program Manager Assistant (APM), o ad analoghe figure aziendali e/o presso enti, su potenziali problemi di prontezza su fenomeni conosciuti. Questo prima che fonti identificate come causa di rischio possano causare guasti di diversa gravità (soprattutto catastrofici) in termini ambientali, umani e/o economici, aiutando a prescrivere le procedure di manutenzione in fase preventiva. In [22] gli autori presentano dieci passi per la rapida individuazione di possibili incidenti all interno di una struttura avente un proprio business. Tra questi in particolare citiamo il primo passo richiamante alla comprensione e quindi alla conoscenza del proprio business, ed il decimo in cui si richiama alla condivisione della conoscenza sebbene orientata alla metrica di sicurezza. La scelta dell utilizzo di tripwires diagnostici non è tuttavia esente da criticit{. In particolare, questi sistemi devono ottimizzare le loro prestazioni nel tempo, e per farlo devono osservare regole di apprendimento collaborativo. Le parti costituenti tali sistemi devono inoltre essere in grado di fornire, a loro volta, dati sulle medesime prestazioni, che vanno opportunamente analizzati per produrre una valutazione scientifica rigorosa e quindi obiettiva. E' inoltre opportuno richiedere ad un siffatto sistema capacità di automatismo per meglio ottemperare alla richiesta di prontezza nel supporto all'apm. Un ulteriore criticità è quindi rappresentata dalla necessità di monitorare anche i processi definiti come 'chiamate di servizio' per assicurarne la tempestività dei segnali di allerta e quindi la prontezza, come da programmazione. Ciò implica la determinazione di soglie, con la condizione che ogni eventuale scostamento significativo dalle stesse dovrà attivare una tripwire diagnostica per il sistema CBR client associato. Un sistema siffatto, con il soddisfacimento delle suddette criticità evidenziate, può quindi essere utilizzato nella gestione di flotte navali. Tale sistema consentirebbe di ridurre al minimo i tempi di inattività della flotta stessa, favorendo l'arricchimento delle conoscenze manutentive e la loro la distribuzione e condivisione tra il personale impiegato. 3. CASO DI STUDIO Il presente lavoro scientifico si inquadra come prima fase di un più ampio programma di ricerca mirato alla ottimizzazione dei processi di gestione delle informazioni acquisite tramite reti di sensori, attraverso l impiego di tecniche e metodologie proprie del Cloud ed in particolare in ambienti Cloud federati. Il caso di studio presentato rientra pienamente nell ambito gi{ introdotto nella Sezione 1 al paragrafo Come premessa ai paragrafi seguenti, è importante evidenziare come lo scenario introdotto riguarda lo svolgimento delle prove sperimentali come da procedura comunemente adottata e quindi non ottimizzata per gli obiettivi che ci proponiamo di raggiungere con le soluzioni da noi proposte. Al paragrafo 3.3 invece, dopo aver discusso le problematiche evidenziate per il suddetto scenario, proponiamo le nostre soluzioni e quindi a seguire, nella Sezione 4, introduciamo le misure eseguite per i nostri scopi Scenario 4 luglio

211 Lo scenario consiste nell ambiente di acquisizione ed elaborazione dei dati provenienti da prove sperimentali su provini di materiali correntemente impiegati per la costruzione di imbarcazioni da diporto. Le suddette prove sono state condotte in laboratorio al fine di valutare il comportamento ad impatto di due tipologie di materiale quali sandwichese laminati. In particolare sono state effettuate due tipologie di prove: penetrazione su sandwich con macchina a caduta di grave e impattatore sferico; penetrazione su laminato con macchina a caduta di grave e impattatore sferico. Specificatamente lo scenario si compone di due processi paralleli, dove la prima fase, comune ad ambedue i processi, prevede l esecuzione in laboratorio delle suddette prove sui campioni di materiale. La seconda fase si differenzia nella modalità di elaborazione dei dati acquisiti. Un primo processo prevede che i dati acquisiti vengano salvati in formato testuale sul disco rigido di un comune PC, e che i successivi passi per la loro elaborazione siano eseguiti mediante l impiego di un software con licenza commerciale e comunque senza l adozione di uno standard riconosciuto. Un secondo processo è invece oggetto della nostra soluzione proposta, che verrà principalmente discussa nella 3.2, e prevede la conversione automatica del file testuale in uno standard riconosciuto mediante l adozione di tecnologie open source, al massimo limitando l impiego di software proprietario per la sola gestione della scheda di acquisizione (nell ottica di consentire il reimpiego di sistemi già in uso in ambienti tecnologici integrati con tecnologie open source o di nuova generazione), e quindi rendendo l informazione acquisita disponibile in un formato idoneo per essere elaborata in maniera intelligente, svincolata dall adozione di un'unica tecnologia proprietaria, aperta all immediata estrapolazione e/o correlazione delle informazioni aventi origini differenti e/o provenienti da diverse tipologie di sensori, quindi eterogenee Prima fase La prima fase comune ai suddetti processi rappresentativi del nostro caso di studio prevede l impiego di accelerometri piezoelettrici ICP (modello 353 B16) con montaggio adesivo sul carrello scorrevole e sulla superficie di base, per la misurazione delle accelerazioni conseguenti alla caduta del grave ed al suo impatto sul provino di materiale utilizzato (che potrà contemporaneamente essere oggetto di indagine termografica). I sensori sono collegati via cavo ad un dispositivo per la calibrazione strumentale e quindi al dispositivo di acquisizione, montato su PC e rappresentato da una scheda National Instruments 4472 dotata di otto canali d ingresso analogici. Ogni singola prova viene gestita attraverso una interfaccia grafica appositamente realizzata per il controllo dei canali utilizzando l ambiente di sviluppo integrato LabVIEWdella National Instruments [20], nel linguaggio di programmazione visuale/grafico della stessa azienda chiamato linguaggio G. Riportiamo a seguire alcune informazioni relative alla strumentazione impiegata nelle suddette prove: Altezza macchina di prova a caduta di grave : 2.5 m; Altezza di caduta : 1 m; Velocità iniziale di impatto : 4.5 m/s ca. ; Geometria di piastre rettangolari laminati : 650 x 275 x 10 mm; Geometria di piastre rettangolari sandwiches : 1000 x 1000 x 41 mm; 4 luglio

212 Diametro sfera impattatore in acciaio : 12.5 mm; Massaimpattatore : 8 kg; Frequenza di risonanza accelerometro : 71.5 khz; Frequenza di campionamento : 5 khz* ; Numero campioni acquisiti per ogni prova : ; Analisi dei segnali accelerometrici : filtro passa-basso Chebyshevdel 1 ordine**. * affinché le caratteristiche elettro-meccaniche del sensore accelerometrico piezoelettrico non influenzino la risposta. ** definita analizzando lo spettro del segnale Seconda fase utilizzo sistema chiuso Si estende l utilizzo dell ambiente di sviluppo integrato NILabVIEWper la successiva elaborazione dell informazione acquisita dalle prove, evidenziando diverse problematiche. Il caso di studio prescelto si colloca infatti come scenario elementare nell ambito della acquisizione e del processamento dei dati provenienti da sensori, e seppur relativo alla esecuzione di prove sperimentali in laboratorio e non esteso espressamente alla diagnostica di bordo, è tuttavia molto significativo perché maggiormente diffuso nel tempo e su larga scala. Di conseguenza, l apporto di soluzioni alle problematiche evidenziate da un sistema siffatto ha un impatto positivo su più ampia scala. In particolare, il sistema impiegato per l acquisizione e l elaborazione delle informazioni nel suddetto scenario evidenzia problematiche crescenti all aumentare della quantit{ e della eterogeneit{ dei dati acquisiti, nonché di costi legati all utilizzo di tecnologia proprietaria. Quest ultimo vincolo inoltre risulta ancor più evidente allorquando vige la necessità di monitorare parametri di natura differente (eterogeneit{ dei dati) con l impiego di diverse tecnologie di sensori (eterogeneit{ dei sensori), possibilmente correlando le informazioni provenienti dai primi ed integrando le seconde. L acquisizione di dati grezzi, ovvero non ancora elaborati o che sono riportati in un formato non prontamente disponibile per estrarre le informazioni rilevanti ai fini dell'inchiesta, potrebbe comportare una gestione dei flussi informativi e dei carichi di lavoro troppo onerosa soprattutto nel processamento e quindi nella estrapolazione delle informazioni di interesse. Se a ciò aggiungiamo che un sistema siffatto non impiega uno standard nella rappresentazione dell informazione, lo stesso si presta di conseguenza ad una ridotta accessibilità. L accesso al dato nel caso di studio consente l immagazzinamento dello stesso e la sua lettura, ma è di fatto incapace di associarlo all evento. Ciò rappresenta un limite che impedisce il disporre di un sistema intelligente di apprendimento collaborativo ovvero idoneo alla risoluzione di nuove problematiche basandosi sulla conoscenza. Dal punto di vista della gestione dei costi nel comparto ricerca e sviluppo, soprattutto per aziende piccole e medio piccole (ma non solo), è importante la possibilità di poter reimpiegare in tutto o in parte le tecnologie disponibili per le misurazioni a venire. Un sistema siffatto, inoltre, vincola l utilizzatore alle risorse disponibili (in termini di storage e di processamento) in loco. Esaurite le stesse l utilizzatore non è più in grado di proseguire nel suo lavoro se non investendo economicamente in nuove risorse. Il caso di studio proposto evidenzia questi limiti e apre quindi alla necessità di adottare soluzioni modulari, aperte e altamente scalabili, capaci di un adeguato compromesso tra esigenze prestazionali e di riduzione dei costi. 4 luglio

213 3.2. Soluzione proposta In questo lavoro, al fine di rispondere alle problematiche precedentemente evidenziate, presentiamo una strategia orientata a sviluppare un catalogo intelligente. Tale strategia si basa sulla esecuzione di misure sperimentali orientate alla valutazione delle condizioni affinché, attraverso la cooperazione di ambienti Cloud federati, sia possibile l utilizzo ad un più alto livello e su larga scala dei principi di gestione della conoscenza propri del Case BasedReasoning (CBR) e di Big Data Management (BDM). I risultati delle misure sperimentali condotte e presentate nel presente lavoro consentono di valutare la bontà, in termini qualitativi e quindi numerici, delle scelte ipotizzate per costruire la base scientifica di un più ampio progetto per la diagnostica avanzata in campo navale. 4. MISURE 4.1. Procedura I dati acquisiti sono stati automaticamente salvati in formato testuale.txt, ovvero in 8 files di dimensione pari a circa 8 MB ciascuno, e processati utilizzando un IBM Blade Server LS21 [21] con 4 GB di RAM ed equipaggiato con sistema operativo Linux Ubuntu LTS Server [22] Conversione da TXT a XML E stato realizzato un applicativo per trasformare un file in formato testuale.txt, contenente i valori delle misurazioni effettuate attraverso l impiego dei sensori accelerometrici, in un file XML. Per far ciò si è deciso di utilizzare java [23], ed in particolare sono state realizzate due classi denominate TxtToXML e Converter. La prima contiene il metodo main ed ha funzioni di istanziare un oggetto di tipo converter, a cui passa il file da elaborare ricevuto tramite riga di comando, quindi di creare un file (denominato tempi.log) dove salvare il tempo di esecuzione necessario misurato in millisecondi. La seconda, ovvero la classe Converter, è quella che realmente trasforma il file. In particolare, per i nostri scopi sono state realizzate tre versioni per quest ultima classe: 1. Questa prima versione genera un file XML contenente tutte le misurazioni dei vari canali divise per esperimenti con la seguente struttura: <MISURE> <ESPERIMENTO numero="1"> <CHANNEL num="0"> </channel> <CHANNEL num="1"> </channel> </ESPERIMENTO> <ESPERIMENTO numero="2"> <CHANNEL num="0"> </channel> <CHANNEL num="1"> </channel> <CHANNEL num="2"> </channel> </ESPERIMENTO>... </MISURE> 4 luglio

214 2. La seconda versione sviluppata genera un file XML in cui le varie misurazioni vengono divise per canale. Gli esperimenti vengono separate da una stringa speciale ed un esempio della struttura è il seguente: <MISURE> <CANALE <CANALE </MISURE> 3. La terza versione è stata realizzata alla ricerca di un compromesso accettabile tra la velocità di esecuzione e la dimensione del file di destinazione. Si è deciso quindi di lasciare invariata la struttura base, distinguendo sempre le singole misurazioni, eliminando però il nodo che suddivide i vari esperimenti. La struttura finale caratteristica è quindi così determinata : <MISURE> <CHANNEL num="0"> </channel> <CHANNEL num="1"> </channel> <CHANNEL num="0"> </channel> <CHANNEL num="1"> </channel> <CHANNEL num="2"> </channel>... </MISURE> Ciascun file è stato processato con 30 misurazioni per ciascuna delle suddette versioni, ovvero per ciascun file sono state condotte 90 misurazioni quindi conversioni da.txt a.xml, valutando i risultati ottenuti in termini di tempo di esecuzione e dimensione del file.xml rapportato a quella del file.txt Conversione da TXT a JSON Analogamente a quanto effettuato per convertire contenuti.txtin XML, è stato sviluppatoun applicativo per trasformare un file.txt in un file JSON. A tal proposito sono state quindi implementate due classi in java : TxtTojSON e Converter. La prima contiene il metodo main, e le sue funzioni sono: istanziare un oggetto di tipo converter a cui passa il file da elaborare e creare un file denominato tempi.log dove salvare il tempo di esecuzione misurato in millisecondi. La classe Converter è quella che realmente trasforma il file, ovvero genera un file JSON in cui le varie misurazioni vengono divise per canale. I risultati degli esperimenti vengono inseriti in un array, ed un esempio della struttura è il seguente: "esperimenti:"{ "channel0":[" "," ",," "], "channel1":[" "," ",," "], "channel2":[" "," ",," "], "channel3":[" "," ",," "]} 4 luglio

215 tempo esecuzione (ms) Ciascun file è stato processato con 30 misurazioni, ovvero per ciascun file sono state condotte 30 conversioni da.txt a JSON, valutando i risultati ottenuti in termini di tempo di esecuzione e dimensione del file JSON rapportato a quella del file.txt. 5. RISULTATI A seguire i risultati ottenuti dalle prove condotte, e tabulati in Tabella 1 per una immediata comparazione visiva degli stessi Da TXT a XML con prove di tipo 1 Dalle prove condotte con la prima versione della classe è stato prodotto un tempo medio di esecuzione pari a circa 9 secondi e899millesimi di secondo (Figura 1). La dimensione del file XML in uscita è risultata aumentata rispetto al file.txt in ingresso di un fattore moltiplicativo pari a Figura 1: Da txt a xml con prove di tipo 1 Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Serie5 Serie6 Serie7 Serie8 t medio 5.2. Da TXT a XML con prove di tipo 2 Dalle prove condotte con la seconda versione della classe si è evidenziato come la dimensione del file XML in uscita rimanga pressoché invariata rispetto al file.txt in ingresso, quindi con un fattore moltiplicativo pari a 1. Risulta tuttavia un tempo medio di esecuzione pari a circa 2265 secondi(figura 2) e praticamente inaccettabile per i nostri scopi richiedenti tempi di elaborazione inferiori al minuto. 4 luglio

216 tempo esecuzione (ms) tempo esecuzione (ms) Serie1 Serie2 Serie Serie4 Serie Serie Serie7 Serie t medio Figura 2: Da txt a xml con prove di tipo Da TXT a XML con prove di tipo 3 In questo caso, utilizzando la terza versione della classe ottenuta dalle precedenti valutazioni condotte sulle prove di tipo 1 e 2, il tempo medio di esecuzione risulta pari a circa 5secondi e 939 millesimi di secondo (Figura 3), mentre la dimensione del file XML in uscita risulta in aumento rispetto al file.txt in ingresso di un fattore moltiplicativo pari a Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Serie5 Serie6 Serie7 Serie8 t medio Figura 3: Da txt a xml con prove di tipo 3 Tabella 3: Risultati conversioni da txt a xml Prove Tempo medio esecuzione [s] Dimensione file xml rispetto al txt [fattore moltiplicativo] Tipo 1 < Tipo Tipo 3 < luglio

217 tempo esecuzione (ms) 5.4. Da TXT a JSON Dalle prove condotte il tempo medio di esecuzione risulta essere inferiore ai2 secondi, mentre la dimensione del file JSON in uscita risulta in aumento rispetto al file.txt in ingresso di un fattore moltiplicativo pari a 1.2. Questo risultato, se confrontato con quanto prodotto a seguito delle prove di conversione da TXT a XML, risulta essere migliorativo sia in termini di tempo di esecuzione (ridotti di un fattore pari a 2 su 6, ovvero di circa il 66,67 % ) sia in termini di dimensione del file in uscita (ridotta del 65,71 % circa), come evidenziato in Tabella Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Serie5 Serie6 Serie7 Serie8 t medio Figura 4: Da txt a json Tabella 2: Risultati da comparazioni delle prove Prove Tempo medio esecuzione [s] Dimensione file uscita rispetto al txt [fattore moltiplicativo] Tipo da txt a <2 (-66.67%) 1.2 (-65.71%) json 6. CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI I risultati conseguiti dal presente lavoro scientifico dimostrano come il formato JSON sia ottimale per l applicazione di tecniche avanzate di data management, orientando lo sviluppo tecnologico versola cooperazione di ambienti Cloud federati, con l utilizzo di database NoSQL invece dei relazionali, a favorire politiche di business intelligence avanzate e consentendo l utilizzo ad un più alto livello e su larga scala dei principi di gestione della conoscenza propri del Case BasedReasoning (CBR) e di Big Data Management (BDM).Tale strategiasi presta nello sfruttare al meglio le capacità di automatismo disponibili per meglio ottemperare alla richiesta di prontezza nel supporto al personale. Al contempo risponde alla necessità di 4 luglio

218 monitorare i processi definiti come 'chiamate di servizio' garantendo prontezza e quindi tempestività dei segnali di allerta attraverso la determinazione di soglie, e rispettando la condizione che ogni eventuale scostamento significativo dalle stesse soglieattiverà una tripwire diagnostica per il sistema CBR client associato. I risultati delle misure sperimentali condotte e presentate nel presente lavoro confermano la bontà, in termini qualitativi e quindi numerici, delle scelte ipotizzate per costruire la base scientifica di un più ampio progetto per la diagnostica avanzata in campo navale. La nostra attività di ricerca nel settore attraversa un periodo di importante crescita, prospettando già a breve e medio termine ulteriori passi in avanti nella attuazione di strategie in grado di migliorare la gestione di sistemi complessi in campo navale, accompagnata dalla integrazione di nuove tecnologie di sensori intelligenti, quindi più performanti e orientati alla business intelligence per un miglioramento globale nelle attività di data management e nella diagnostica navale. Dal punto di vista dei possibili sviluppi futuri, la scelta nell utilizzo di tecnologie open source consente di aumentare notevolmente i margini di sviluppo della soluzione proposta, prestandosi a più alti livelli di scalabilità e flessibilità. La strategia proposta, supportata dall esito positivo delle misurazioni condotte, applicata alla gestione di flotte navali consentirebbe quindi di sviluppare ulteriori politiche di mitigazione dei rischi a bordo nave o nelle aree di prossimità, aumentando notevolmente la sicurezza per il personale impiegato. RICONOSCIMENTI Le misure condotte e presentate nel presente lavoro sono state effettuate con il contributo dell Ing. Antonino Galletta(Università degli Studi di Messina D.I.C.I.E.A.M.A.) cui va il nostro riconoscimento per il valido apporto fornito. BIBLIOGRAFIA [1] Project Management Institute, A Guide to the Project Management Body of Knowledge (PMBOK Guide) Fifth Edition, [2] G. Caruntu, C. Panait, The optimization of hall microsensors structures, IEEE 6 th International Conference on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems, IDAACS (2011), Vol. 1, pagg [3] C. P. Minor, K. J. Johnson, S. L. Rose-Pehrsson, J. C. Owrutsky, Data fusion with a multisensory system for damage control and situational awareness, IEEE Conference on Advanced Video and Signal Based Surveillance, AVSS (2007), pagg [4] A. J. Seman, Next Generation Navy Ship Automation Systems Engineering From Sensors to Systems, IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics (2005), Vol. 2, pagg [5] R. A. Swartz, A. T. Zimmerman, J. P. Lynch, J. Rosario, T. Brady, L. W. Salvino, H. K. Law, Hybrid wireless hull monitoring system for naval combat vessels, Structure and Infrastructure Engineering; Maintenance, Management, Life-Cycle Design and Performance, 6(3): pagg. 1-18, [6] Z. Korczewski, M. Zacharewicz, Alternative diagnostic method applied on marine diesel engines having limited monitoring susceptibility, Transactions of the Institute of Measurement and Control, SAGE Publications, 12/2012, 34(8): pagg [7] M. Giacobbe, E. Guglielmino, A. Puliafito, A Platform for Integrated Data Processing from Heterogeneous Devices in Naval Field, IEEE Symposium on Computers and Communications, ISCC (2009), pagg luglio

219 [8] Big Data, [9] Amazon, [10] Google, [11] Microsoft Azure, [12] "Extensible Markup Language (XML) ", [13] "JavaScript Object Notation (JSON) ", [14] "ECMA-404 The JSON Data Interchange Standard", [15] A. Aamodt, E. Plaza, "Case-Based Reasoning: Foundational Issues, Methodological Variations, and System Approaches", Artificial Intelligence Communications 7 (1994): 1, pagg [16] S. Vacharaskunee and S. Intakosum, "XML Document Recommendation by Using Case Based Reasoning", 11 th ACIS International Conference on Software Engineering, Artificial Intelligence, Networking and Parallel/Distributed Computing (2010), pagg [17] A. Celesti, A. Puliafito, F. Tusa, M. Villari, Energy sustainability in cooperating clouds, CLOSER (2013), pagg [18] R. Buyya, R. Ranjan, R. N. Calheiros, Intercloud: Utility-oriented federation of cloud computing environments for scaling of application services, ICA3PP (2010), pagg [19] N. Grozev, R. Buyya, Inter-Cloud architectures and application brokering: taxonomy and survey, Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com) (2012), pagg [20] S. Di Stefano, G. Merlino, A. Puliafito, Towards the Cloud of Things Sensing and Actuation as a Service, a Key Enabler for a New Cloud Paradigm, 8 th International Conference on P2P, Parallel, Grid, Cloud and Internet Computing - 3PGCIC (2013), pagg [21] A. Edlund, Cloud Computing pay-as-you-go computing explained, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm - Sweden (2009). [22] B. Honan, 10 steps for early incident detection, white paper, [23] NI LabVIEW, 4 luglio

220 21. Studio di nuove formulazioni di rivestimenti protettivi per imbarcazioni con proprietà antivegetative G. Galtieri 1, A.M. Visco 1, A. Pistone 1, D. Iannazzo 1, G. Fricano 1, F. Marino Merlo 2, C. Urzì 2, F. De Leo 2 1 DIECII, Università di Messina 1 Dipartimento di Scienze Biologiche e Ambientali, Università di Messina Sommario I prodotti antivegetativi usati nel settore della nautica devono possedere proprietà biocide, di ecocompatibilit{ con l ambiente marino e di durabilit{ meccanica. Nel presente lavoro abbiamo messo a punto dei rivestimenti protettivi (gelcoat) a base di resina poliestere additivata con lo 0,4% in peso di nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) che hanno una buona natura biocida e danno anche rinforzo meccanico al nanocomposito. L analisi dell angolo di contatto, i test meccanici statici e ad impatto, i test di adesione e di attivit{ biocida hanno mostrato che l aggiunta dei MWCNT alla matrice di resina comporta un decremento delle proprietà meccaniche a fronte di una buona adesività, un aumento del carattere idrofobo e di un ottimo potere antivegetativo del rivestimento finale. Inoltre, in confronto agli elevati livelli di tossicità riscontrati per i prodotti commerciali già in uso, i livelli minimi evidenziati per questi nuovi rivestimenti, li rendono buoni candidati biocompatibili per un loro concreto utilizzo. 1. INTRODUZIONE Col termine biofouling si intende la formazione di incrostazioni di origine biologica su superfici immerse in acqua (figura 1). Ciò causa una diminuzione dell efficienza delle imbarcazioni per il deterioramento e aumento della rugosità delle superfici causando un aumento del consumo di carburante e riducendo la manovrabilità delle imbarcazioni. Pertanto la formazione di tali incrostazioni costituisce un problema economico oltre che ambientale, quest ultimo dovuto al fatto che negli anni sono stati utilizzati potenti rivestimenti antivegetativi altamente tossici a base di organocomposti di stagno, rame, zinco, etc. allo scopo di ridurre o eliminare la formazione del fouling marino (figura 2) [1]. Il settore nautico è quindi da diversi anni alla ricerca di prodotti antivegetativi ed anti-attrito in grado di soddisfare il complesso equilibrio di requisiti quali l efficacia biocida, l ecocompatibilit{, il costo e la durabilit{ meccanica al fine di sostituire i rivestimenti tradizionali con nuove formulazioni più biocompatibili con l ambiente marino [2]. Materiali alternativi eco-friendly attualmente studiati per risolvere tale esigenza ricadono nell ambito di siliconi ( elastomeri di PDMA) o fluoro-polimeri [3]. Essi necessitano però di un primer per aderire agli scafi per la loro scarsa capacità di adesione e non sono efficienti per prevenire l adesione di alcuni organismi marini. Anche altri polimeri, come il PEG o il poliuretano sono oggetto di studio per tale applicazione [4]. 4 luglio

221 Figura 1: Immagine di una carena di una imbarcazione dopo immersione in acqua di mare con sviluppo di macrofouling In questo ambito, lo sviluppo di rivestimenti protettivi contenenti i nanotubi di carbonio può essere una valida soluzione alla problematica grazie alla natura biocida di tali filler ed alla loro funzione di rinforzo meccanico. Figura 2: Schema delle fasi di formazione del biofouling marino. Nel presente lavoro abbiamo messo a punto dei rivestimenti protettivi (gelcoat) a base di resina poliestere additivata con lo 0,4% in peso di nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) che potrebbero essere utilizzati per la prevenzione del biofouling nelle imbarcazioni. 4 luglio

222 La caratterizzazione dei materiali è stata eseguita mediante l analisi dell angolo di contatto, test meccanici statici e ad impatto, test di adesione a taglio e di pull-off. L attivit{ antivegetativa è stata valutata sperimentalmente, mediante l allestimento in laboratorio di colture di microrganismi opportunamente scelti per la loro diffusione in ambienti acquatici; è stato inoltre, analizzato il grado di biocompatibilità del rivestimento attraverso test di tossicità in vitro con colture cellulari selezionate. I risultati sperimentali fin qui ottenuti hanno mostrato che l aggiunta dei MWCNT alla matrice di resina poliestere comporta un decremento delle proprietà meccaniche a fronte di una buona adesività, un aumento del carattere idrofobo e di un ottimo potere antivegetativo del rivestimento finale. Inoltre, in confronto agli elevati livelli di tossicità riscontrati per i prodotti commerciali già in uso, i livelli minimi evidenziati per questi nuovi rivestimenti, li rendono buoni candidati biocompatibili per un loro concreto utilizzo. 2. PARTE SPERIMENTALE 2.1. Materiali Matrice: gelcoat a base di resina poliestere Maxguard MP Iso-NPG Gelcoat della Ashaland. Rinforzo: i nanotubi di carbonio a parte multipla, MWCNT, sono stati sintetizzati mediante Chemical Vapor Deposition da isobutano e su catalizzatori a base di Fe/Al2O3; la sintesi è stata condotta a 600 C in atmosfera di elio. I nanotubi di carbonio sono stati sottoposti a trattamenti di purificazione con attacchi acidi, con HCl, e basici, con NaOH, per eliminare tracce di catalizzatore o altre sostanze indesiderate ottenendo un grado di purezza > 98% in peso. I nanotubi di carbonio impiegati come rinforzo hanno un aspect ratio medio pari a 1000 presentando lunghezze e diametri medi uguali rispettivamente a 15 m e 15 nm (figura 3). Figura 3: immagine microscopica TEM a bassi e alti ingrandimenti relativa ai MWCNT impiegati come rinforzo Nanocomposito: sonicazione dei MWCNT ( 0.4% in peso) in acetone a 50 C fino a formazione di un gel; addizione del gelcoat (99.6% in peso) e miscelazione con agitazione magnetica a 50 C per 30 min. Dopo 1h a temperatura ambiente si aggiunge il 2% in peso di induritore (MEKP 4 luglio

223 Methyl Ethil Ketone Peroxide). Il nanocomposito viene quindi introdotto in uno stampo rigido in polizene di geometria: (6,5 x 1,27 x 0,42) cm (lunghezza x larghezza x spessore). Cura: I campioni di gelcoat e/o gelcoat + MWCNT (figura 4) sono stati reticolati 24 h a temperatura ambiente, in stampi e post curate in stufa a 80 C per 5h. Figura 4: fotografia di un campione di gelcoat (bianco) e di nanocomposito (grigio) 2.2. Test fisici, meccanci e biologici La bagnabilità delle resine è stata valutata mediante la misura dell'angolo di contatto, deponendo una goccia di acqua deionizzata a temperatura ambiente sulla superficie orizzontale del campione mediante una siringa calibrata da 0,5 micro-litri. Una video-camera collegata al computer consente di catturare l immagine della goccia appena adagiata sul materiale e di definire, mediante software, la misura della linea di base della goccia dalla quale sono ricavabili il raggio R e l altezza della goccia H che servono per calcolare l angolo di contatto θ mediante la seguente formula: = 2 arctg (H/R) (1) Le prove di flessione a tre punti sono state eseguite mediante una macchina di prova universale Lloyd, mod.lr10k, ed in accordo con la normativa ASTM D790 (geometria: Luce=50 mm, velocità di discesa del punzone pari a 1.25 mm/min). Le prove di impatto (Izod) sono state effettuate in base alla norma ASTM D con un CEAST RESIL dotato di mazza da 25J. La geometria dei campioni geometria è di 12.7 mm x 64 mm, 4.2 mm spessore. L intaglio profondo 2,5 millimetri è stato eseguito con un CEAST NOTCHVIS con un angolo di taglio di 45. I test di adesione comprendono analisi a taglio e test di pull-off in base alle normative ASTM - D e ASTM D4541 [5,6]. I test di adesione a taglio sono stati realizzati ponendo l adesivo (gelcoat e gelcoat+cnt) su due superfici di composito fibrorinforzato ( resina poliestere e fibre di vetro E) in modo da ottenere un giunto composito/adesivo/composito, come quello riportato in figura 5a. Il test di pull off e stato eseguito attaccando dei dollini in resina poliestere ad un substrato in composito fibrorinforzato mediante uno strato sottile di gelcoat e gelcoat+cnt, come schematizzato in figura 5b: 4 luglio

224 a) b) Figura 5: schema della configurazione geometrica per il del single lap shear test (a) e per il test di pull off (b) Le prove di attività antivegetativa sono state effettuate mediante l allestimento in laboratorio di colture di microrganismi opportunamente scelti per la loro diffusione in ambienti acquatici; è stato inoltre, analizzato il grado di biocompatibilità del rivestimento attraverso test di tossicità in vitro con colture cellulari selezionate. I ceppi batterici (Gram negativo BC 653, Pseudomonas stutzeri, e Gram positivo BC 654, Micrococcus luteus) entrambi ubiquitari e comunemente isolati sia da ambienti terrestri che da ambienti marini e acquatici, sono stati posti a contatto con i provini da testare alla concentrazione di 1.5x10 8 cell/ml per 48h alla temperatura di 28 C. I test sono stati condotti in doppio e sono stati inoltre allestiti controlli negativi (provini non trattati - Gelcoat) e controlli positivi (provini trattati con un prodotto commerciale, Attiva Marine Professional AFP). Alla fine del periodo d incubazione è stato determinato l effetto battericida del gelcoat +CNT per differenza percentuale con il controllo negativo (gelcoat). Le prove di citotossicità, ovvero il grado di mortalit{ cellulare e/o l inibizione della proliferazione cellulare, sono state eseguite mediante il saggio di esclusione al trypan blue [7] su colture di monociti umani U937 incubati a 37 C, alla concentrazione di 5x10 5 cellule e prelevate a 24h, 48h e 72h [8]. Analogamente alle prove di attività antivegetativa, sono stati allestiti controlli negativi e positivi ed è stato determinato l effetto citotossico del gelcoat +CNT per differenza percentuale con il controllo negativo (gelcoat). 4 luglio

225 Resistenza ad impatto [[J/cm^2.] Resistenza a flessione [MPa] 3. DISCUSSIONE DEI RISULTATI La misura dell angolo di contatto ha mostrato un incremento dell angolo teta da (gelcoat) a (nanocomposito) mostrando un aumento del carattere idrofobo del materiale grazie alla presenza dei nanotubi di carbonio. In figura 6 sono riportati i diagrammi a barre relativi ai risultati dei test statici a flessione ed impatto eseguiti sui campioni di gelcoat e nanocomposito ( gelcoat+ 0.4% di MWCNT) ,47 a) Δ = 42% 33, ,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Gelcoat Gelcoat Δ = 3,7% Gelcoat + CNT Gelcoat + CNT b) Figura 6: Test meccanici statici a flessione (a) e test a impatto (b) del gelcoat e del nanocomposito I dati mostrano che la presenza dei nanotubi nel gelcoat provoca un decremento apprezzabile della resistenza a flessione ( del 42%), mentre la resistenza ad impatto risulta praticamente invariata in quanto decresce solo del 3.7%, ricadendo nell intervallo del 10% previsto per l errore sperimentale. 4 luglio

226 Resistenza a taglio[mpa] Gelcoat Gelcoat + CNT a) b) Figura 7: Test meccanici statici a taglio (a) dell adesivo a base di gelcoat e di gelcoat+cnt presente nei giunti mostrati nella foto (b) secondo single lap shear test Nelle figure 7 e 8 sono riportati i diagrammi relativi ai test di adesione eseguiti sia con gelcoat che con gelcoat+cnt, in base a quanto indicato nel paragrafo 2.2. insieme alle immagini fotografiche dei provini durante i rispettivi test. I dati mostrano che la presenza dei nanotubi di carbonio mantiene praticamente inalterata la resistenza a taglio del gelcoat puro, mentre si ha un significativo incremento della capacità di adesione normale, come indicato dalla crescita del 26.4% nel test di pull off. I test di attività antivegetativa (figura 9) hanno permesso di evidenziare che il prodotto testato agisce in maniera differente sui due microrganismi: l azione del gelcoat + CNT è risultata battericida (97.3%) per il ceppo Gram positivo M. luteus, mentre sul ceppo Gram negativo Ps. stutzeri è risultato poco efficace con un effetto battericida del 3%. Il prodotto commerciale utilizzato come controllo positivo è risultato avere potere battericida per il 100% nei confronti del ceppo Gram positivo M. luteus e per il 35% nei confronti del ceppo Gram negativo Ps. stutzeri. Non sono state riscontrate differenze significative tra il numero di microrganismi isolati dal gelcoat (controllo negativo). 4 luglio

227 reistenza max [Mpa] Pull Off Gelcoat Δ = 26% Gelcoat + CNT a) b) Figura 8: Test meccanici di adesione (a) ed immagine del set-up operativo del pull-off (b) Figura 9: Percentuale di sopravvivenza dei ceppi batterici Ps. stutzeri e M. luteus nei confronti del Gelcoat+CNT, controllo negativo (gelcoat) e positivo (prodotto commerciale). Le prove di citotossicità (figura 10) hanno evidenziato, per quanto riguarda la mortalità, che l esposizione al rivestimento a base di gelcoat+cnt, non modifica i livelli fisiologici riscontrati nella coltura di controllo negativo (gelcoat). Diversamente, una elevata percentuale di 4 luglio

228 mortalità viene evidenziata dal contatto con la vernice antivegetativa commerciale (controllo positivo), in cui, già a partire da 24 h, oltre il 40 % delle cellule U937 risulta positiva al trypan blue. Figura 10. Percentuale di di mortalità in cellule U937 nei confronti del Gelcoat+CNT, controllo negativo (gelcoat) e positivo (prodotto commerciale). 4. CONCLUSIONI I risultati sperimentali hanno indicato che la presenza dei nanotubi di carbonio nel gelcoat migliora le propriet{ fisiche e biologiche, in termini di propriet{ antifouling e di bassa tossicità del rivestimento protettivo rendendolo ben adeso al substrato in composito di cui in genere ne costituisce l ultimo strato. Il peggioramento delle proprietà statiche riguarda in particolare il comportamento a flessione mentre quello ad impatto si mantiene pressocchè invariato: a tal fine sono in corso ulteriori studi per apportare miglioramenti alla formulazione del coating polimerico mediante l aggiunta di gruppi funzionali chimici sulle pareti dei MWCNT così da rendere più efficace l interazione tra il nanotubo e il gelcoat e quindi incrementare anche le propriet{ meccaniche statiche oltre che quelle antivegetative. Ulteriori studi riguarderanno l attivit{ antifouling nei confronti di altri gruppi microbici (quali alghe e funghi) anche in condizioni naturali (ambiente marino). In tal modo si mira ad un rivestimento ecocompatibile e meccanicamente performante. 4 luglio