strutturale analisi strutturrale ABSTRUCTURES Dal progetto all oggetto a cura di Marco Ballerio Sovrapposizione tra il modello matematico di calcolo e l imbarcazione in fase di navigazione Lo studio di ingegneria Abstructures è responsabile del Progetto Strutturale degli scafi del Team Ericsson, che sta collezionando successi nella Volvo Ocean Race Nell ottobre 2008, dal porto di Alicante, si sono aperti i giochi della Volvo Ocean Race, l evento velico che compie il giro del mondo, la cui notorietà è seconda solo alla Coppa America. Gli equipaggi internazionali di otto barche sfidano gli oceani del globo mettendo a estrema prova non solo le proprie capacità di marinai, ma anche le performance e la resistenza strutturale dei loro veloci bolidi a vela di 70 piedi. Ancor prima di gareggiare negli oceani, la sfida nasce sulla carta, dove ingegneri e progettisti strutturali dei vari team sono impegnati a realizzare con moderne tecnologie e speciali materiali compositi, il 70 piedi più leggero e al tempo stesso più resistente, con l obiettivo di garantire per tutta la regata, la miglior velocità con la massima affidabilità. Al termine della prima tappa, a Cape Town, una barca, l Ericsson 4, fa subito parlare di sé. Dopo 20 giorni di navigazione senza scalo, Ericsson 4 taglia per prima il traguardo, conquistando il record mondiale di velocità nelle 24 ore, percorrendo 598 miglia alla media entusiasmante di oltre 25 nodi. Merito degli uomini dell equipaggio di Torben Grael, ma anche dell affidabilità delle strutture in composito avanzato dello scafo, che conferiscono un rapporto di leggerezza-resistenza tale da mantenere velocità elevate fino al traguardo della tappa. 54 APRILE 2009
Tra i protagonisti del team che hanno contribuito al successo di Ericsson 4, emergono due realtà tutte italiane, le cui maestranze vantano una prestigiosa esperienza nel progetto, nell analisi strutturale e nella realizzazione di strutture in composito, con un curriculum di tutto rispetto, come più campagne in Coppa America nel team di Luna Rossa. Stiamo parlando di Abstructures, studio di ingegneria specializzato nella progettazione e analisi strutturale, che vanta esperienza e profonda conoscenza nell ottimizzazione di strutture in materiali compositi avanzati, e in fibra di carbonio, e di RE Fraschini S.p.A, azienda che si occupa della realizzazione di manufatti in materiale composito, con innovativi processi produttivi, spaziando dalle applicazioni aerospaziali, all offshore racing nel mondo della nautica. Seguendo i significativi risultati del Team Ericsson, abbiamo incontrato Andrea Avaldi e Fabio Bressan, responsabili del progetto e dell analisi dimensionale delle strutture in materiale composito di Ericsson 3 e 4, nonché i fondatori di Abstructures, i quali ci hanno concesso un interessante intervista. Ingegner Avaldi, come nasce lo studio di progettazione strutturale Abstructures e in cosa si caratterizza? «L idea dello studio Abstructures nasce dal sodalizio professionale con Fabio Bressan. Si tratta di una realtà tutta italiana con una sede a Casalpusterlengo, in provincia di Milano, e l altra a Udine. Una caratteristica di Abstructures riguarda il fatto che le nostre esperienze partono da strade differenti: io ho seguito tre campagne di Coppa America come responsabile strutture con il team di Luna Rossa (Prada) e ho progettato barche di attraversata transoceanica, mentre Bressan si è occupato maggiormente del settore dell auto, delle formule sportive, e bici da corsa, collaborando con realtà come la Colnago e la Ferrari, dedicandosi negli ultimi anni anche al settore nautico. Il filo conduttore che ci unisce è la scelta di progettare le strutture con i materiali compositi avanzati, attraverso tecnologie innovative stabilendo contatti e relazioni importanti come la collaborazione con Re Fraschini S.p.A. Il continuo coinvolgimento e il contatto con gli aspetti produttivi e la percezione del progetto finale, sono i punti di forza che caratterizzano i lavori realizzati da Abstructures.» Come nasce l idea di un progetto strutturale? «La ricetta per un ottimo progetto strutturale deve sempre considerare tre ingredienti fondamentali: la passione che stimola l intuito; lo spirito pratico necessario per valutare in ogni istante quanto costa l idea della forma che si sta elaborando; e la teoria, e quindi la profonda conoscenza dei metodi ingegneristici e delle caratteristiche dei materiali a disposizione. Il tutto va sempre condito con fantasia e capacità di lavorare in team.» La passione, quanto può incidere? Come può essere percepita a progetto ultimato? «La passione è la cosa che non ti fa dormire la notte, è il motore della motivazione a fare meglio e ci spinge ogni giorno a superare gli ostacoli. A nostro parere è la ragione per la quale molto spesso siamo contattati in progetti apparentemente irrealizzabili; ci piace pensare che la sfida tecnologica sia un privilegio per coloro che ci credono veramente.» Ingegner Bressan, la pratica e la teoria sono certamente aspetti importantissimi, come avete costruito il vostro bagaglio di esperienza? «Prima di incontrarci abbiamo seguito percorsi scolastici e professionali non molto differenti e abbiamo sviluppato modus operanti similari. Andrea Avaldi, ingegnere aeronautico, laureato a Milano, Ericsson 4 in navigazione durante l attuale edizione della Volvo Ocean Race APRILE 2009 55
strutturale analisi strutturrale ABSTRUCTURES ha iniziato il proprio lavoro in CRF (Centro Ricerche Fiat) e in seguito ha vissuto il rapporto con Prada passando ore davanti al PC ma altrettante in cantiere. La responsabilità di una struttura di quel tipo non è cosa da poco! Io mi sono laureato in ingegneria meccanica a Udine e dopo un breve periodo a Torino in Lingotto, ho formato la mia esperienza sui materiali compositi nel settore delle formule sportive, supercar e bici da corsa. In questi mesi sono in attesa di discutere la tesi di dottorato in metodi numerici per il calcolo di strutture meccaniche presso l università di Udine. Insieme abbiamo lavorato in Coppa America e siamo i responsabili per le strutture delle Ericsson 3 e 4, che stanno attualmente gareggiando nella Volvo Ocean Race, raccogliendo risultati di successo.» distanza che intercorre tra Udine e Casalpusterlengo (MI). Grazie a un infrastruttura di telecomunicazione è possibile condividere le informazioni e lavorare in modo globale allo stesso progetto, coinvolgendo contemporaneamente sulla stessa scrivania virtuale, maestranze di tutto il globo. Questo metodo condiviso e implementato da Abstructures ha permesso di raggiungere importanti risultati. Per quanto riguarda gli strumenti tecnologici di progettazione e analisi strutturale, nonostante i mezzi informatici messi a disposizione dal mercato dei software agli elementi finiti, il nostro approccio oscilla tra un ricco lavoro manuale di calcoli e disegni (a mano libera), a sofisticati sistemi di calcolo che prevedono metodi di riduzione del peso, attraverso ottimizzazioni strutturali di tipo topologico.» Le prime idee nascono da un foglio, una matita, e schizzi di assieme Di quale tecnologia disponete per l analisi e la progettazione delle strutture? «Innanzitutto la più preziosa è il cervello: hardware e software che assieme a un foglio di carta e una matita per ora lavorano meglio di un calcolatore. In seconda battuta disponiamo di una buona base informatica: workstation con software per il CAD e per il calcolo agli elementi finiti. In realtà fin dai primi progetti svolti insieme, abbiamo cercato di sviluppare delle metodologie tradotte in fogli di calcolo che permettessero un approccio rapido alla progettazione, riducendo al minimo gli errori, e garantendo sistemi dove più utenti possano lavorare contemporaneamente. Non ci dimentichiamo che la nostra scrivania è lunga quasi 350 km, la Bressan, ci può dare una spiegazione approfondita del concetto di ottimizzazione strutturale topologica? «Spesso ci capita di dover disegnare una struttura completamente nuova. Prendendo l esempio della Ericsson, una volta ricevute le linee d acqua di carena e la forma della pelle esterna dello scafo, ad Abstructures è stato chiesto di creare il corpo della barca con le migliori performance di velocità e affidabilità, cioè realizzare la struttura interna più leggera possibile, e al tempo stesso con la massima rigidità e resistenza (rispettando il regolamento Volvo Ocean Race). Con i materiali compositi si lavora su due piani differenti: si ottimizzano le geometrie globali e contemporaneamente si lavora sulla sequenza di laminazione (orientazione e strati di materiale). Infatti un materiale composito, possiede l incredibile qualità di poter modulare le caratteristiche elastiche a seconda degli spessori e dell orientazione delle fibre; esige pertanto una conoscenza accurata della teoria dell elasticità ortotropa e dei criteri di rottura, attraverso i quali si prevede il limite strutturale del laminato in composito. Il calcolo di ottimizzazione topologica è una procedura molto complessa ulteriormente complicata dal fatto che i carichi in gioco in un im- 56 APRILE 2009
barcazione non sono sempre prevedibili e definiti con precisione. Una volta fissati gli obiettivi di peso e prestazione, è possibile impostare un calcolo agli elementi finiti attraverso un approccio di tipo topologico. Partendo da una regione geometrica piena, si chiede al programma di ottimizzazione di estrarre le forme geometriche essenziali che garantiscano le prestazioni desiderate. Purtroppo è più facile a dirsi che a farsi. Infatti utilizzando i compositi, come ho accennato precedentemente, si lavora su due piani differenti: l ottimizzazione della forma, e al tempo stesso su ogni punto del materiale in questione. In questi anni abbiamo sviluppato un metodo che ci permette di ottenere geometrie ad alte prestazioni. La tecnica presenta diverse componenti innovative ed originali. La collaborazione con l Altair, software-house multinazionale, che ci fornisce la piattaforma di modellazione e calcolo HyperWorks, è stata fondamentale per il raggiungimento di questi risultati. Il nostro lavoro è quello di fornire la definizione della disposizione geometrica e di materiale della struttura, dati gli ingombri e la disposizione di supporti e vincoli: quello che noi chiamiamo design space.» Composite Structural Topology Optimization Che materiali avete impiegato per il progetto Ericsson? «Per quanto riguarda i materiali compositi, la struttura è in sandwich con core Honeycob in Kevlar di 20 o 30 mm di spessore con 0,04 kg/dm 3 di densità. Le parti in fibra di carbonio sono in tessuto unidirezionale del tipo preimpregnato, con matrice in resine epossidiche. La qualità del materiale composito è garantita da fornitori del calibro di SP e ACG (Advanced Composites Group), che vantano esperienza anche nelle applicazioni avanzate del settore aeronautico. Alcune delle caratteristiche meccaniche che contraddistinguono i materiali compositi sono la leggerezza, il modulo di elasticità e la resistenza. Nel caso dei materiali utilizzati, come il prepreg VTM 260/CFM003 da 200 gsm, prodotto da ACG (Advanced Composites Group), è possibile ottenere alte prestazioni di rigidezza con un modulo di Young pari a circa 113 GPa e limiti di rottura alla trazione prossimi ai 2500 MPa.» L immagine riportata rappresenta la sequenza logica con la quale si procede all ottimizzazione strutturale di una paratia in materiali compositi. Più in generale l ottimizzazione strutturale di tipo topologico è una tecnica di calcolo numerico agli elementi finiti di tipo non lineare. È possibile, a seguito di un attività di calcolo e progettazione dell imbarcazione, procedere a una ulteriore fase di miglioramento del progetto, cercando di ridurre al minimo il peso e garantendo prestazioni strutturali di resistenza e rigidezza. È possibile in alcuni casi sfruttare l approccio topologico anche in fase di definizione delle geometrie principali. Naturalmente ogni progetto è condizionato da vincoli tecnologici o più semplicemente vincoli dovuti alla gestione dello spazio interno all imbarcazione che richiedono revisioni della definizione delle forme ottimizzate. Queste fasi sono effettuate in tempi molto rapidi e con il coinvolgimento trasversale di molti componenti del team. Quali sono le condizioni strutturali a cui sono sottoposte le imbarcazioni durante la Volvo Ocean Race? «Le imbarcazioni che solcano gli oceani del globo nella Volvo Ocean Race misurano 70 piedi in lunghezza (circa 21 metri) che, comprendendo APRILE 2009 57
strutturale analisi strutturrale ABSTRUCTURES Il metodo di calcolo strutturale agli elementi finiti (FEM) è in grado di replicare le condizioni di navigazione più estreme e permette di apprezzare la deformazione e lo stato di tensione della struttura in ogni sua parte A B S T R U C T U R E S il bompresso di prua, diventano circa 23 metri. Svettano sull acqua a 31,5 metri di altezza e si spingono sotto di essa con una chiglia di 4,5 metri. Considerando che a pieno carico il dislocamento raggiunge le 18 tonnellate, il peso delle strutture in fibra di carbonio delle imbarcazioni, che conferisce la resistenza a carichi e sollecitazioni, è inferiore alle 2,5 tonnellate (appena un settimo del peso totale della barca). Le sollecitazioni e le condizioni di carico a cui sono sottoposti continuamente le strutture dello scafo, sono notevoli: basti pensare che gli stralli, anch essi in fibra di carbonio o PBO, con i quali sono fissate le vele e tenuto in posizione l albero, È un moderno studio di ingegneria specializzato nella progettazione di strutture in materiale composito avanzato e fibra di carbonio, avvalendosi di sofisticati sistemi di calcolo agli elementi finiti con analisi e ottimizzazioni strutturali di tipo topologico. Si tratta di una realtà tutta italiana con una sede a Casalpusterlengo, in provincia di Milano e l altra a Udine. Nasce dal sodalizio professionale tra Andrea Avaldi e Fabio Bressan, in grado di coniugare Andrea Avaldi e Fabio Bressan, con ingegno creativo ed originalità, le loro soci fondatori di Abstructures esperienze. Il continuo coinvolgimento e il contatto con gli aspetti produttivi, la percezione del progetto finale con la profonda conoscenza delle proprietà dei materiali compositi avanzati, sono i punti di forza che caratterizzano i successi dei loro progetti strutturali. possono raggiungere valori di trazione vicini a 40.000 kg. Questi monocarena di 70 piedi devono sopportare continui impatti con la massa d acqua delle onde oceaniche, che possono raggiungere anche 9 metri d altezza, e devono resistere ad accelerazioni di carico verticale di circa 3 G. Le condizioni di carico che devono sopportare gli scafi, sono spesso imprevedibili e d intensità continuamente variabile. I venti oceanici riescono a far raggiungere a questi bolidi a vela velocità medie di 30-40 nodi. Si pensi che normalmente essi navigano a velocità superiore a quelle del vento e sono molte le tonnellate di acqua che impattano con violenza lo scafo mettendo a dura prova la resistenza e l affidabilità delle strutture.» I materiali compositi: l intervista con Piero Re Fraschini Dal legno al carbonio: come si conciliano tradizione e innovazione? «Essere all avanguardia oggi non significa dimenticare il passato su cui sono state costruite le fondamenta del presente, ma al contrario è la tradizione del passato che getta le basi per uno slancio del presente verso il futuro. Il legno di allora ha lasciato spazio a materiali nuovi, quali i compositi, che presentano caratteristiche tecniche differenti; nulla però è cambiato nella manualità della lavorazione. l carbonio di oggi è il legno di allora, ed i processi di lavorazione si sono sviluppati in parallelo. Se un tempo le appendici delle barche erano in legno, oggi sono realizzate in materiale composito, leggere e resistenti alla forza del vento e dell acqua. La bellezza del legno ha lasciato il posto all eleganza del carbonio e alla sua perfezione tecnologica.» Qual è la chiave del vostro successo oggi? «Nel settore dei materiali compositi, in cui operiamo da anni, bisogna essere competitivi offrendo al cliente immediatezza di esecuzione con una tecnologia sempre all avanguardia, massima precisione ed esclusività. Per fare questo cerchiamo di relazionarci al meglio con i nostri clienti, di condividere con loro ogni 58 APRILE 2009
fase di lavorazione, cooperando fianco a fianco e proponendo le soluzioni ottimali alle esigenze costruttive. Non siamo semplicemente fornitori o tool makers, ma partner esclusivi in ogni contesto, mettendo tutto il nostro know-how tecnologico a servizio del cliente, per vincere insieme la sfida che ci accomuna.» E il vostro segreto? «I segreti, in quanto tali, non si possono rendere pubblici! Uno dei nostri punti di forza è la complementarità di officina e reparto compositi, che riescono a cooperare in tempo reale alla realizzazione di prodotti, anche complessi, che richiedono contemporaneamente fresatura e laminazione. Un solo project manager, che resta l unico referente esclusivo del progetto, coordina tutte le fasi di lavorazione, e il cliente riceve il prodotto finito, pronto all assemblaggio e all uso, senza perdere tempo nella trasmissione delle informazioni tra un officina meccanica e una differente azienda di lavorazione dei materiali compositi.» Eligio Re Fraschini S.p.A. Fondata nel 1946 come modelleria meccanica per stampi in legno per fonderia, la Eligio Re Fraschini S.p.A. si pone oggi come una tra le aziende italiane all avanguardia nel settore di lavorazione dei materiali compositi a livello internazionale. Grazie alla versatilità tecnica dello staff altamente qualificato e alla produttiva interazione dei diversi reparti che la compongono (ufficio tecnico, officina, reparto compositi, finitura e laboratorio di controllo), il core business della Eligio Re Fraschini oggi è la produzione di master ed attrezzature in metallo e composito per parti strutturali di altissima qualità e performance, applicate nel settore della competizione automobilistica e nautica. La vostra tradizione nautica è consolidata ormai da grandi successi internazionali, ci racconta la vostra esperienza? «L esperienza nel settore nautico si apre nel 1988 con la collaborazione con il team del Moro di Venezia per l America s Cup del 1992, ma dopo qualche anno si aprono le porte anche per la collaborazione con il team di Prada Luna Rossa, per le America s Cup degli anni seguenti: 2000, 2003 e 2007. Interessante e significativa la collaborazione con Soldini per la realizzazione del suo catamarano. Oggi seguiamo con grande emozione le imprese degli equipaggi di Ericsson 3 e 4, e in contemporanea anche le imprese di sopravvivenza di Marc Guillemot del team Safran della Vendée Globe, per cui abbiamo realizzato molte parti ed appendici. Da non dimenticare la realizzazione del bulbo della barca dell oro olimpico di Pechino di Iain Percy ed Andrew Simpson e, proiettati verso successi futuri, la recente collaborazione con il team Alinghi.» Lo staff Re Fraschini e la chiglia di Ericsson Ci parli della realizzazione della chiglia per il Team Ericsson... «Sì, questa è l ultima, last but not least, delle nostre imprese per la Volvo Ocean Race: abbiamo realizzato in sole tre settimane per il Team Ericsson 3, la chiglia di sostituzione, che è arrivata a Cape Town prima ancora dell arrivo dell imbarcazione. Davvero un grande successo, che ci è costato impegno e fatica, ma ricambiato anche da un maggiore coinvolgimento emotivo di tutto il nostro staff, nonostante i turni di lavoro continui concentrati in un tempo record, per noi senza precedenti.» APRILE 2009 59