Fondamenti di Tenuta della Nave al Mare. Radoslav NABERGOJ

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1 Fondamenti di Tenuta della Nave al Mare Radoslav NABERGOJ

2 Copyright c 2010 Radoslav NABERGOJ. All rights reserved. Questo documento può essere riprodotto e distribuito in tutto o in parte, con ogni mezzo fisico o elettronico, purché questo avviso di copyright sia mantenuto su tutte le copie. La ridistribuzione commerciale non è permessa. Ogni traduzione, lavoro derivato o comprendente questo documento deve contenere questo stesso avviso di copyright: per esempio, non si possono produrre lavori derivati da questo documento ed imporre restrizioni aggiuntive sulla sua distribuzione. Per ulteriori informazioni si prega di contattare l autore all indirizzo nabergoj@units.it. This document may be reproduced and distributed in whole or in part, in any medium physical or electronic, as long as this copyright notice is retained on all copies. Commercial redistribution is not allowed. All translations, derivative works, or aggregate works incorporating this document in whole or in part must be covered under this copyright notice. That is, you may not produce a derivative work from this document and impose additional restrictions on its distribution. For further information please contact the author at nabergoj@units.it. Trieste, 2010

3 Indice Prefazione Nomenclatura ix xi 1 Generalità Introduzione Nota storica I Onde Marine 9 2 Teoria delle onde Introduzione Onde regolari piane Teoria potenziale Onde di piccola ampiezza Acqua profonda Acqua poco profonda Caso intermedio Onde stazionarie Smorzamento delle onde progressive Effetto Doppler Angolo di rotta Frequenza d incontro Condizioni sfavorevoli per i moti nave Onde oceaniche Generazione delle onde Analisi statistica delle onde irregolari Analisi di Fourier Spettro di energia Momenti spettrali Spettri particolari Spettri teorici Spettro di Pierson-Moskowitz Spettro di Bretschneider Spettro JONSWAP Spettro delle pendenze iii

4 4.9 Propagazione delle onde Raccomandazioni ITTC Statistica delle onde oceaniche Introduzione Osservazioni visuali Stato del mare Altezza e periodo osservato Atlanti delle onde Ossevazioni visuali Ricostruzioni Osservazioni strumentali Raccomandazioni ITTC II Moti Nave 69 6 Problema dinamico Introduzione Assi e definizioni Equazioni del moto Forze agenti su una nave Equazioni lineari Moti in acqua tranquilla Forze idrostatiche di richiamo Forze idrodinamiche in un fluido illimitato Forze idrodinamiche in un fluido con superficie libera Moti in onde regolari Nave con simmetria laterale Moti nave in acqua tranquilla Introduzione Equazioni dei moti disaccoppiati Oscillazioni libere Oscillazioni libere non smorzate Oscillazioni libere smorzate Formule approssimate per i momenti d inerzia Momento d inerzia longitudinale Momento d inerzia trasversale Momento d inerzia centrifugo Formule approssimate per i periodi naturali Sussulto Beccheggio Metodo di Tasai Rollio Soluzione del problema idrodinamico Strip theory Calcolo bi-dimensionale Forme di Lewis Coefficienti idrodinamici iv

5 9 Moti nave in onde regolari Introduzione Funzioni di trasferimento Moti nave in onde regolari di prora Moti nave in onde regolari di poppa Moti simmetrici in onde regolari oblique Moti nave in onde regolari al traverso Moti antisimmetrici in onde regolari oblique Moti assoluti Moto relativo nave-onda Velocità ed accelerazioni Lateral Force Estimator Nonlinearità Moti nave in onde irregolari Introduzione Spettro delle onde d incontro Spettro di energia dei moti Metodi equivalenti per il calcolo dei moti Accoppiamento tra spettro dell eccitazione e funzione di trasferimento Moti in mare a cresta corta Moti nonlineari Effetti indesiderati Introduzione Probabilità di occorrenza Slamming Premessa Prove di impatto Prove su modelli Pressione di slamming Imbarco d acqua Superamento del bordo libero Effetto delle forme di prora Efficienza operativa Introduzione Area e stagione Velocità e rotta Calcolo dell efficienza operativa Seakeeping nel progetto Introduzione Carena madre Effetto delle dimensioni principali Effetto della forma Rapporto immersione/lunghezza Rapporto larghezza/lunghezza Coefficiente di pienezza del galleggiamento prodiero Conclusioni v

6 14 Resistenza addizionale per cattivo tempo Introduzione Resistenza addizionale in onde regolari Resistenza addizionale in onde irregolari Metodi approssimati di previsione Effetti dei moti nave sui passeggeri ed equipaggio Introduzione Motion Sickness Incidence Moto soggettivo Motion Induced Interruptions Prove al vero Introduzione Misura delle onde Misura dei moti nave Misura delle altre risposte Esecuzione delle prove Prove su modelli Introduzione Prove all aperto Prove in laboratorio Ondogeni e spiagge Ondogeni Spiagge Strumentazione Sussulto e beccheggio Onde Moto relativo Imbarco d acqua e slamming Materiale di costruzione Allestimento Prove in onde regolari Prove in onde irregolari Effetti della riflessione Interferenza con le pareti III Appendici 251 A Elementi di probabilità e statistica 253 A.1 Introduzione A.2 Analisi di una serie temporale A.3 Istogrammi A.4 Funzione densità di probabilità A.5 Distribuzione di Gauss A.6 Distribuzione di Rayleigh A.7 Statistica del moto ondoso A.8 Probabilità congiunta vi

7 B Trasformazione di coordinate 267 B.1 Premessa B.2 Angoli di Eulero navali B.3 Approssimazione lineare C Moti oscillatori 273 C.1 Premessa C.2 Moto armonico semplice C.3 Moto armonico smorzato C.4 Moto armonico forzato D Analisi dimensionale e similitudine dinamica 285 D.1 Premessa D.2 Grandezze fisiche e loro misura D.3 Grandezze fondamentali e grandezze derivate D.4 Cambiamento di unità di misura D.5 Teorema Π D.6 Similitudine dei moti fluidi D.7 Modellazione del comportamento in mare D.7.1 Similitudine del modello D.7.2 Similitudine delle onde D.7.3 Similitudine delle velocità D.7.4 Moti in onde regolari D.7.5 Moti in onde irregolari Bibliografia 307 Elenco delle Figure 322 Elenco delle Tabelle 323 vii

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9 Prefazione Il presente volume tratta gli argomenti di maggior interesse per gli studenti del Corso di Laurea in Ingegneria Navale che frequentano il corso di Tenuta della Nave al Mare, tenuto dall autore presso la Facoltà di Ingegneria dell Università di Trieste. Il libro può servire come sussidio didattico per la formazione dei laureati iscritti al Dottorato di Ricerca che intendono specializzarsi nei settori dell Idrodinamica e della Progettazione Navale. Inoltre, esso deve intendersi come testo di riferimento per tutti gli ingegneri navali che vogliono accrescere il loro bagaglio culturale su uno degli argomenti più affascinanti ed impegnativi della loro professione, specialmente ai fini della progettazione e dell analisi specialistica di mezzi navali ad alto contenuto tecnologico. Purtroppo, non è possibile spiegare la teoria dei moti nave senza far riferimento ai Principi della Fluidodinamica e della Teoria dei Processi Stocastici. Infatti, nelle applicazioni di ingegneria navale relative al comportamento della nave in mare ondoso, il problema dei moti e quello dell operatività del mezzo appaiono talmente connessi che è necessario affrontarli simultaneamente. Per questo, a differenza dei sussidi didattici su specifici argomenti di Teoria della Nave, nel presente volume vengono introdotti sia gli elementi fondamentali di teoria idrodinamica dei moti nave sia i principali problemi connessi con la progettazione ottimale di navi operanti in condizioni meteomarine ostili. La loro trattazione e la contemporanea volontà di mantenere limitata l estensione del libro, hanno comportato la necessità di condensare al massimo le spiegazioni di molti degli argomenti trattati, essenzialmente con l esclusione delle particolarità a carattere teorico. È necessario osservare che la Teoria dei Moti Nave ha avuto, negli ultimi decenni, uno sviluppo particolarmente intenso a dimostrazione delle aumentate esigenze del mercato industriale e quindi necessariamente della maggiore sensibilità da parte dell ingegnere progettista. Alcuni problemi hanno ricevuto nuove soluzioni per mezzo di metodi più rigorosi e molto è stato fatto anche in campo sperimentale. L autore si è perciò preoccupato di presentare gli argomenti del testo utilizzando soprattutto materiale consolidato, di significativo interesse applicativo. Tuttavia, questo intento non sempre è riuscito nel migliore dei modi. Resta comunque al lettore la facoltà di esprimere il giudizio finale e di formulare, laddove necessario, suggerimenti o consigli. Così, il metodo perturbativo, che occupa ormai una posizione consolidata nella Teoria dei Moti Nave per la soluzione dei problemi nonlineari, non ha trovato alcuna ripercussione sulle pagine del libro. Alla luce dell impossibilità di presentarlo con i necessari particolari, nel caso specifico ci si è limitati soltanto ad un breve accenno. Nel libro non viene illustrata la teoria degli strumenti impiegati per la sperimentazione su modelli o al vero in quanto ciò richiederebbe l introduzione di elementi di elettronica e di analisi dei segnali, senza tener conto del fatto che spesso si tratta di strumentazione progettata ad hoc e quindi unica nel suo genere. Nel capitolo sulla teoria dei moti viene utilizzata la suddivisione classica delle forze idrodinamiche, ma non sono spiegati in dettaglio i metodi matematici per il loro calcolo. Analogamente si è proceduto anche nella presentazione di molti altri problemi. In questi casi l autore si è limitato alla enunciazione delle ipotesi fondamentali indicando, laddove possibile, la tendenza degli sviluppi futuri, ma senza entrare nei particolari. Come esempio è possibile ricordare la presentazione delle problematiche sui moti nonlineari e sulla risonanza parametrica. ix

10 Come riferimenti principali per la stesura del libro, visto che sugli argomenti trattati ben poco o nulla è stato finora scritto in questo Paese a livello didattico, sono stati largamente utilizzati i principali testi classici sui problemi di Tenuta della Nave al Mare, quali Blagoveščenskij (1954), Korvin- Kroukovsky (1961), Bhattacharrya (1978), Borodaj e Necvetaev (1982), Lloyd (1989). Quando possibile, si è fatto riferimento anche ai risultati conseguiti da alcuni fra i numerosi studiosi che si sono occupati del problema, le citazioni dei quali si trovano nel libro. Inoltre, è stata messa a frutto l esperienza acquisita dall autore nella pluriennale attività di ricerca nel settore, svolta a livello internazionale. Si vogliono perciò ricordare con piacere le molteplici permanenze presso i laboratori del KSRI (Krylov Shipbuilding Research Institute) di St. Petersburg che, dopo la caduta del muro, sono servite a conoscere e scoprire una realtà di persone e mezzi rimasti per troppo tempo sconosciuti. A questi colleghi e amici, che molto hanno contribuito alla formazione dell autore, viene rivolto il più sincero ringraziamento. x