Lo scafo di una nave è l’entità strutturale più notevole della nave. Per definire lo scafo, si può dire che è l’involucro stagno della nave, che protegge il carico, i macchinari e gli spazi di alloggio della nave dalle intemperie, dalle inondazioni e dai danni strutturali. Ma questo da solo non basta alle nostre esigenze di capire tutti gli aspetti dello scafo di una nave.
In questo articolo, vedremo come lo scafo di una nave è progettato per vari fattori presi in considerazione durante l’intera vita della nave, e come il design dello scafo di una nave gioca il ruolo più importante nell’intero progetto di progettazione e costruzione navale.
Nomenclatura dello scafo
Figura 1: Nomenclatura dello scafo.
La figura precedente mostra il profilo schematico dello scafo di una nave convenzionale. Comprendere il significato e le applicazioni delle nomenclature relative ad esso costituisce la base per comprendere la progettazione e la tecnologia delle costruzioni navali.
Prua e Poppa: Il profilo più avanzato dello scafo della nave è chiamato prua, e quello più a poppa, la poppa. Il tronco è la parte più avanzata della prua.
Perpendicolare in avanti: Se si traccia una perpendicolare nel punto in cui la prua interseca la linea di galleggiamento, questa linea perpendicolare immaginaria è chiamata perpendicolare avanti. Per la maggior parte dei calcoli idrostatici, la perpendicolare avanti è usata come riferimento anteriore dello scafo.
Perpendicolare di poppa: A seconda del progettista, la perpendicolare di poppa può essere la perpendicolare tracciata attraverso il lato poppiero dell’asta del timone o attraverso la linea centrale dei cardini del timone. La perpendicolare di poppa è la linea di riferimento a poppa per tutti i calcoli idrostatici.
Lunghezza tra le perpendicolari: La lunghezza tra le perpendicolari di prua e di poppa è la lunghezza tra le perpendicolari. La LBP è un parametro molto importante in tutti i calcoli di stabilità, quindi il calcolo della LBP a vari pescaggi diventa un passo importante nell’esecuzione delle analisi di stabilità.
Sheer: La curva verso l’alto formata dal ponte principale con riferimento al livello del ponte a metà nave, è chiamata sheer. Di solito è data per permettere il flusso di acqua verde dalle estremità di prua e di poppa verso la mezzanave e permettere il drenaggio delle sentine. Lo sheer di prua è di solito più dello sheer di poppa per proteggere il macchinario di ancoraggio di prua dalle onde.
Linea di carico estiva: La linea di carico estiva è la linea di galleggiamento della nave in acqua di mare quando è al suo peso di progetto e alle condizioni di zavorra. E’ anche chiamato draft di progetto; questo forma il riferimento per tutte le altre linee di carico della nave.
Lunghezza della linea di galleggiamento: La lunghezza dello scafo della nave alla linea di carico estiva è la lunghezza della linea di galleggiamento della nave. Questa lunghezza gioca un ruolo importante nel calcolo dell’idrostatica della nave, così come nei calcoli di progettazione dell’elica.
Lunghezza totale: La lunghezza tra il punto più a prua e quello più a poppa dello scafo della nave è la sua lunghezza fuori tutto. Questa lunghezza gioca un ruolo importante nella progettazione dei piani di attracco e di sgancio della nave. Nei cantieri navali dove sono disponibili più bacini di costruzione, la lunghezza complessiva, il baglio e la profondità della nave è un fattore decisivo nella scelta di un blocco di costruzione adatto per la nave.
Linee e forma dello scafo
Il primo passo nella progettazione dello scafo di una nave è la progettazione della sua forma. La forma dello scafo della nave è stimata per mezzo di vari coefficienti di forma, discussi come segue:
Coefficiente di blocco: Il coefficiente di blocco è il rapporto tra il volume subacqueo della nave e il volume del rettangolo immaginario che racchiude la parte subacquea dello scafo. Poiché la lunghezza, la larghezza e l’altezza di questo rettangolo racchiudente sarebbero la lunghezza tra le perpendicolari, il Fascio Massimo e il Pescaggio della nave, il coefficiente di blocco è espresso come segue:
Il valore del coefficiente di blocco è uno per una nave a sezione rettangolare. Quindi, per la forma tipica dello scafo di una nave, sarebbe meno di uno. Più alto è il coefficiente di blocco, più piena è la forma dello scafo (es. petroliere, portarinfuse). Le forme di scafo più fini hanno coefficienti di blocco più bassi (es. navi container, navi da guerra).
Coefficiente di mezzana: Il coefficiente di mezzanave è il rapporto tra l’area sommersa della sezione di mezzanave e il rettangolo circostante. Si esprime quindi come:
Ci sono una serie di altri coefficienti di forma come il coefficiente prismatico, il coefficiente volumetrico, ecc. che sono fondamentalmente i parametri utilizzati per definire la distribuzione volumetrica dello scafo della nave sulla sua lunghezza. Una volta arrivati a questi coefficienti, da studi statistici, si sviluppano le linee dello scafo.
Il piano delle linee dello scafo di una nave comprende tre viste. Per capire il piano delle linee, dobbiamo prima sapere cosa sono le natiche e le linee d’acqua.
Quando lo scafo di una nave viene tagliato in più sezioni longitudinalmente, cioè se si taglia lo scafo della nave ogni due metri partendo da babordo a tribordo, si producono sezioni longitudinali ogni due metri. Il contorno di ogni sezione longitudinale è chiamato linea di cintura, e questo è esattamente ciò che è rappresentato nel piano di profilo, come mostrato qui sotto. Le linee di riferimento per la vista di profilo sono le stazioni (linee verticali della griglia, che denotano la posizione longitudinale) e le linee di galleggiamento (linee orizzontali, che denotano le posizioni verticali).
Figura 2: Linee di galleggiamento. Poiché lo scafo di una nave è simmetrico rispetto alla linea centrale, prevale una pratica comune in cui la curva è disegnata su entrambi i lati della linea centrale, e questa vista è chiamata piano del corpo o piano di mezza larghezza della nave.
Figura 3: Piano di mezza larghezza: La forma delle linee d’acqua (nel piano di mezza larghezza) gioca un ruolo decisivo nella forma della poppa e nell’efficienza dell’elica. Nella figura precedente, le linee d’acqua si allontanano dalla linea centrale della nave con l’aumento dell’altezza sopra la linea di base. Cioè, la curva più interna è la linea di galleggiamento più bassa. Notate come le linee d’acqua si raddrizzano a poppa mentre ci spostiamo verso l’alto dalla chiglia. Questo mostra che la nave ha una poppa di poppa. Allora perché si preferisce la poppa di poppa? La risposta sta nella forma delle linee d’acqua a poppa. La direzione longitudinale delle linee d’acqua a poppa assicura il flusso d’acqua a poppa in una direzione quasi perpendicolare al disco dell’elica. Questo assicura un flusso incrociato minimo all’elica, garantendo così la massima efficienza dell’elica.
Se lo scafo della nave viene tagliato per formare una sezione in ogni stazione, otteniamo il piano del corpo, come mostrato qui sotto. La pratica tipica di disegnare il body plan è quella di indicare tutte le mezze sezioni (a causa della simmetria dello scafo). Le sezioni a prua della mezzanave sono disegnate sul lato destro della linea centrale, e tutte le sezioni dalla mezzanave alla poppa sono disegnate sul lato sinistro.
Figura 4: Body Plan.
Il piano del corpo è la rappresentazione più utile delle linee dello scafo della nave. Le linee di riferimento nel piano del corpo sono le natiche (linee verticali della griglia), e le linee d’acqua (linee orizzontali della griglia). Il body plan, insieme alle linee di riferimento, può essere usato in modo autosufficiente per sviluppare il piano di profilo e il piano di mezza larghezza della nave. È anche utile per sviluppare la curva di area sezionale e le curve di bonjean della nave.
Il piano delle linee completo di una nave è organizzato mettendo la vista di profilo in alto, con il piano di mezza larghezza appena sotto, e il piano del corpo alla sua destra, come mostrato sotto. Il piano delle linee fornisce il fondamento per sviluppare non solo il modello tridimensionale dello scafo, ma anche per sviluppare i disegni strutturali del telaio, la disposizione generale e i disegni del loft in cantiere.
Figura 5: Piano delle linee di una nave.
Struttura e resistenza dello scafo
La progettazione strutturale dello scafo di una nave ammonta a circa il 70% della progettazione strutturale totale della nave. Le fasi della progettazione della struttura dello scafo sono le seguenti:
Step 1: Calcolo dei carichi sullo scafo: È qui che entrano in gioco le regole della società di classificazione. I regolamenti hanno formule specializzate per il calcolo dei carichi delle onde sullo scafo della nave. Il momento flettente dell’acqua calma, il momento flettente dell’onda e le forze di taglio devono essere calcolati usando queste formule. Questi valori di carico agiscono come punti fissi nell’intero processo di progettazione strutturale.
Step 2: Calcoli per il Midship: Le dimensioni di tutti i membri strutturali della nave (piastre, irrigidimenti, travi, pilastri, ecc.) sono chiamati collettivamente scantling. I carichi calcolati nel passo 1 sono usati per arrivare agli scantling, e questo è calcolato per i membri strutturali ad ogni telaio.
Step 3: Modulo della sezione centrale: Il disegno strutturale della sezione di mezzanave è preparato secondo gli scantling calcolati. Questo è seguito dalla localizzazione dell’asse neutro della sezione centrale e dal calcolo del modulo di sezione della sezione centrale. Due criteri devono essere soddisfatti in questa fase:
- La sezione mediana ottenuta deve essere uguale o superiore al valore minimo del modulo di sezione ottenuto dalla formula empirica nel libro delle regole.
- Le sollecitazioni di flessione sul ponte e sulla chiglia sono calcolate, e si controlla se i valori delle sollecitazioni sono entro il fattore di sicurezza richiesto.
Figura 6: Disegno della sezione mediana di una nave passeggeri. Il grafico delle sollecitazioni di flessione è disegnato con l’asse neutro come riferimento (origine), e le estremità più in alto e più in basso del grafico denoterebbero i valori delle sollecitazioni rispettivamente sul ponte e sulla chiglia, come mostrato nel grafico delle sollecitazioni qui sotto.
Figura 7: Diagramma delle sollecitazioni di flessione della sezione centrale della nave.
Perché pensi che sia importante progettare la struttura della sezione centrale della nave prima di qualsiasi altra sezione? Leggi questo articolo per scoprire cosa rende la sezione centrale della nave la regione strutturalmente più importante.
Step 4: Calcolo dell’incastro dei telai: Una volta che gli scantling a metà nave soddisfano i criteri, vengono calcolati gli scantling per i membri strutturali in ogni telaio, e vengono preparati i corrispondenti disegni strutturali per telaio. Formule speciali sono applicate per le sezioni di prua e di poppa, e le paratie, e i disegni sono preparati per le stesse.
Step 5: Calcolo del peso dell’acciaio: Gli scantling ottenuti sono usati per calcolare il peso dell’acciaio della nave. Qui inizia l’iterazione. Se il peso dell’acciaio calcolato si trova al di fuori dei valori ottenuti empiricamente e statisticamente, il progettista potrebbe dover guardare all’uso di acciaio più leggero nelle regioni adatte o prendere altre decisioni per mantenere il peso della nave entro i limiti.
Step 6: Sviluppo del modello strutturale 3D e analisi FEA: Con i disegni strutturali di ogni telaio, viene preparato un modello strutturale tridimensionale per l’intero scafo. Questo processo richiede il tempo più lungo perché l’accuratezza di questo modello avrebbe un impatto diretto sui risultati delle analisi a elementi finiti che seguiranno. La mesh tridimensionale viene effettuata sul modello 3D, seguita da analisi agli elementi finiti per varie condizioni. È sulla base dei risultati di queste analisi che le società di classificazione oggi approvano il progetto strutturale di una nave, poiché producono dati più affidabili di quelli prodotti dai calcoli lineari.
Stabilità di rotta dello scafo
L’altro aspetto importante dello scafo della nave è la sua performance direzionale o di tenuta di rotta in mare. In altre parole, la sua manovrabilità. Per valutare la manovrabilità dello scafo nudo, valutiamo i seguenti aspetti:
- Stabilità in linea retta: Se una nave che si muove in linea retta è soggetta ad una perturbazione esterna, e cambia la sua direzione ma continua a muoversi in linea retta lungo la nuova direzione, senza l’aiuto del timone, allora si dice che lo scafo ha stabilità in linea retta.
- Stabilità direzionale: Se una nave che si muove in linea retta è soggetta a una perturbazione esterna, e continua a muoversi lungo un nuovo percorso che è parallelo alla direzione iniziale, si dice che la nave ha stabilità direzionale. La stabilità direzionale non è possibile senza l’aiuto di una superficie di controllo (ad esempio il timone), ma avere una stabilità in linea retta rende facile raggiungere la stabilità direzionale.
- Stabilità di rotta: Se una nave che si muove in linea retta viene disturbata dall’esterno, e continua a muoversi lungo la stessa traiettoria (dopo alcune oscillazioni), si dice che ha la stabilità di rotta. La stabilità di rotta, come la stabilità direzionale, può essere raggiunta solo se si raggiunge la stabilità in linea retta.
Figura 8: stabilità di rotta dello scafo di una nave.
L’obiettivo di progettazione durante lo sviluppo dello scafo di una nave è, quindi, quello di raggiungere la stabilità in linea retta. Per questa vasca, si effettuano prove in bacini modello e si misurano i coefficienti idrodinamici per lo scafo nudo. Questi coefficienti idrodinamici sono le proprietà caratteristiche delle capacità di mantenere la rotta dello scafo, e in caso di risultati indesiderati, si decide di cambiare la forma o la geometria dello scafo. Per esempio, uno skeg viene spesso aggiunto allo scafo in fasi successive di progettazione per migliorare la sua stabilità in linea retta, dopo aver ottenuto i risultati dei test del bacino modello.
Interazione scafo-superstruttura
È stato osservato che la presenza di una sovrastruttura sul ponte principale riduce lo stress di flessione sul ponte dal valore di stress previsto dalla teoria della flessione della trave. Ciò è dovuto all’interazione delle sollecitazioni di taglio con le sollecitazioni di flessione alle estremità delle sovrastrutture. Tuttavia, questo porta a deformazioni alle estremità della sovrastruttura. Quindi, in altre parole, se una sovrastruttura è efficiente, deve essere in grado di assorbire una certa parte della sollecitazione di flessione al ponte. La misura in cui assorbe lo sforzo di flessione determina la sua efficienza, che i progettisti preferiscono chiamare Efficienza della sovrastruttura. Può essere espressa come:
Dipende dal progettista se progettare una sovrastruttura che assorba lo stress di flessione dallo scafo, o se progettarne una che sia libera da qualsiasi interazione con lo scafo. Progettare una sovrastruttura efficiente al 100% sarebbe possibile, ma avrebbe il costo di paratie profonde e pesanti alle estremità della sovrastruttura per evitare gravi distorsioni dovute al taglio. Tuttavia, per aumentare l’efficienza della sovrastruttura, la maggior parte delle navi hanno sovrastrutture collegate allo scafo per mezzo di paratie trasversali sotto il ponte, e reti che corrono continuamente dallo scafo alle sovrastrutture alle sue estremità a prua e a poppa.
Altri aspetti della progettazione dello scafo di una nave
Ci sono altri aspetti dello scafo di una nave che giocano un ruolo importante nelle prestazioni della nave in mare. Il calcolo della resistenza dello scafo nudo è un passo importante per determinare l’efficienza energetica dello scafo. I metodi per calcolare la resistenza dello scafo nudo sono stati discussi in dettaglio in questo articolo.
Un altro aspetto vitale dello scafo della nave è la sua integrità stagna. Per garantire questo, il progettista deve assicurare la stabilità intatta e danneggiata della nave. Per conoscere gli aspetti di stabilità dello scafo di una nave, si consiglia di leggere gli articoli sulla stabilità intatta e sulla stabilità danneggiata di una nave. L’articolo sulla suddivisione dello scafo di una nave discute come il numero e la posizione delle paratie stagne vengono decisi durante la progettazione dello scafo di una nave.
Le vibrazioni e la risposta dinamica dello scafo di una nave sono un fattore che determina non solo le prestazioni della nave ma anche la sua longevità in mare. Tra tutte le diverse vibrazioni di una nave, la vibrazione della trave dello scafo di una nave è di grande preoccupazione. Una nave con livelli indesiderati di vibrazioni potrebbe essere un progetto da rottamare proprio nei suoi anni iniziali. Leggi questo articolo per saperne di più sui tipi di vibrazioni sullo scafo di una nave, le fonti di eccitazione e le misure di progettazione adottate per ridurre al minimo il livello di vibrazioni dello scafo a bordo.
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