Giunti flessibili per strutture galleggianti modulari in mare aperto

Risultato della ricerca:

La ricerca che si intende avviare a valorizzazione riguarda il tema delle strutture galleggianti di grandi dimensioni, su cui è stato recentemente dedicato uno sforzo significativo in termini di ricerca scientifica. L’utilizzo del mare è una delle principali sfide del XXI secolo. Sebbene sia sfruttato fin dall’inizio della civiltà umana, il mare presenta innumerevoli potenzialità non ancora valorizzate. L’utilizzo di strutture galleggianti, finora limitato principalmente agli ambiti portuali e petroliferi, sta già conoscendo uno sviluppo significativo, p.e. per la produzione di energia rinnovabile tramite turbine eoliche galleggianti, e le previsioni indicano una crescita esponenziale negli anni a venire.

Le funzionalità delle strutture galleggianti possono essere molteplici: produzione di energia rinnovabile (da onde, vento, sole, correnti, maree, etc.), desalinizzazione delle acque, piscicoltura, infrastrutture e svolgimento di attività ad alto rischio sono solo alcuni esempi. Il settore è di notevole interesse persino per lo sviluppo urbano, in quanto consentirebbe la colonizzazione di nuove aree.

I vantaggi delle strutture galleggianti rispetto a quelle tradizionali on-shore sono molteplici: riduzione dell’impatto ambientale ed architettonico delle opere, utilizzo di nuovi spazi a disposizione, presenza di risorse energetiche più elevate, protezione naturale da sisma, etc. Tuttavia, allo stesso tempo l’ambiente presenta notevoli sfide ingegneristiche, relative alla realizzazione di strutture idonee a sopportare i maggiori carichi dovuti ad onde, vento e correnti e al collegamento con la terraferma. Una delle più significative, è la realizzazione di strutture galleggianti di grandi dimensioni. Esse sono particolarmente idonee ad assolvere le funzioni sopra descritte, ma la loro progettazione è allo stesso tempo estremamente complessa dal punto di vista tecnico-economico. Infatti, al crescere delle dimensioni, i costi di costruzione diventano non sostenibili e i carichi interni dovuti alle sollecitazioni ambientali troppo elevati. Una delle soluzioni proposte dalla ricerca scientifica per ovviare a questo inconveniente è la realizzazione di strutture modulari, con giunti interni flessibili, in grado di limitare carichi interni e moti strutturali entro limiti accettabili.

Il risultato della ricerca oggetto della presente proposta è riferito a giunti flessibili per strutture galleggianti modulari. Tali componenti rappresentano infatti l’elemento più critico di questa categoria strutturale e devono essere idonei per sopportare le dovute sollecitazioni ambientali. In particolare, i giunti sviluppati si propongono di conseguire resistenza a corrosione e fatica ottimali, oltre che di lavorare in condizioni di carico tridimensionali, tipiche in mare aperto. La dimostrazione in mare, a grande scala e per periodi prolungati, della tecnologia in oggetto è necessaria per completare il suo sviluppo industriale e consentirne la produzione e commercializzazione.

Il risultato afferisce all’Area di innovazione “Ambiente e rischi naturali”, traiettoria tecnologica “Tecniche, prodotti e dispositivi per l’analisi e valutazione del rischio idrogeologico e degli altri rischi ambientali” ma apporta contributi anche ad altre traiettorie, p.e. “nuove tecnologie energetiche” e “per ridurre l’impatto ambientale”. I giunti flessibili consentiranno di realizzare strutture modulari galleggianti di medie e grandi dimensioni, i cui molteplici usi possono apportare benefici su un’ampia gamma di settori. Essi saranno utilizzabili immediatamente, p.e. per opere di protezione costiera in aree esposte, ma troveranno ulteriori applicazioni in opere altamente innovative, come strutture galleggianti multi-funzionali, mirate p.e. alla produzione di energia rinnovabile. La promozione di strutture galleggianti contribuirà infine ad una significativa riduzione dell’impatto ambientale delle opere marittime, rispetto a quelle fisse al suolo o alle opere civili a terra.

Riferimento a finanziamenti precedenti:

Il risultato della ricerca oggetto della presente proposta non è stato oggetto di precedenti bandi di finanziamento. Il gruppo proponente partecipa invece a prestigiosi progetti internazionali su strutture galleggianti multifunzionali. In particolare, è stato coordinatore del progetto europeo Marie Curie “Large Multipurpose Platforms for Exploiting Renewable Energy in Open Seas” (PLENOSE) e partecipa al progetto europeo H2020 “The Blue Growth Farm”, ancora in corso. Entrambi hanno riguardato lo sviluppo di grandi strutture galleggianti, prive però di giunti interni flessibili, e hanno incluso attività di sperimentazione in mare a cura del gruppo proponente, presso il laboratorio NOEL.

Il risultato della ricerca che si intende valorizzare è del tutto indipendente ed alternativo rispetto alle proposte sviluppate in tali progetti, ma si avvale anche dell’esperienza sviluppata, circa lo studio di strutture galleggianti di grandi dimensioni e necessità di riduzione dei carichi interni.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

Il campo ingegneristico delle strutture galleggianti è in continua crescita ed evoluzione. Ad oggi, gran parte dei concetti proposti per piattaforme di medio-grande dimensione riguarda strutture a corpo unico o con moduli giuntati rigidamente. Soluzioni modulari con giunti flessibili sono considerate in ambito portuale, p.e. per pontili, ma limitatamente al caso di strutture monodimensionali, installate in ambiente protetto. L’estensione del concetto di giunto flessibile a strutture modulari tridimensionali in mare aperto comporta un notevole grado di innovazione ed apre la strada a nuove tipologie strutturali, più efficienti ed economiche.

Rispetto a quanto esistente, i giunti si differenzierebbero principalmente per tre aspetti fondamentali. Il primo riguarda la risposta a carichi ambientali e operativi significativi, caratteristici dei siti di installazione in mare aperto. In queste condizioni molto gravose, l’insieme dei giunti che collegano i moduli galleggianti deve garantire un comportamento strutturale dinamico opportuno, in termini di carichi interni e spostamenti. In secondo luogo, le stesse condizioni di carico sarebbero pienamente tridimensionali, in grado di sollecitare dunque i giunti lungo vari assi. Infine, i giunti devono garantire ottima resistenza a fatica-corrosione, essendo l’ambiente marino molto aggressivo ed i cicli di carico molteplici. Lo sviluppo industriale di opportuni sistemi di giunti flessibili favorirebbe quello di strutture galleggianti modulari di grandi dimensioni, delle quali i giunti stessi costituiscono l’elemento strutturale più delicato. Iniziative orientate a questo scopo sono in corso di svolgimento in ambito scientifico e industriale da parte di molti soggetti, tuttavia non si è ancora affermata sul mercato alcuna tecnologia specifica e in grado di garantire i tre aspetti fondamentali sopra illustrati.

Le principali criticità legate allo sviluppo di giunti flessibili per strutture modulari galleggianti di grandi dimensioni sono legate alla complessità del comportamento dinamico di tali strutture e all’aggressività dell’ambiente marittimo. Le strutture galleggianti tradizionali hanno generalmente un comportamento strutturale di tipo rigido, cioè rispondono ai carichi dinamici ambientali attraverso spostamenti nei sei gradi di libertà (tre traslazionali e tre rotazionali), senza deformazioni significative. Ciò richiede che tali moti siano compatibili con sicurezza e/o operatività della struttura nelle condizioni ambientali di interesse e che tutte le sezioni strutturali siano in grado di sopportare gli sforzi interni da esse indotte. Solitamente, ciò si ottiene dimensionando opportunamente geometria e caratteristiche inerziali, in modo che le sei frequenze naturali di vibrazione relative ai moti rigidi siano lontane da quelle delle sollecitazioni e che l’insieme strutturale sia sufficientemente robusto. Al crescere delle dimensioni strutturali, tuttavia, crescono sia le forze esterne, per via della maggiore superficie esposta, che i rispettivi bracci, rendendo questa tipologia costruttiva inadeguata. Al contrario, le strutture modulari con giunti flessibili sono in grado di “seguire l’onda”, deformandosi attraverso gli spostamenti relativi dei moduli e abbattendo dunque gli sforzi interni. Tuttavia, l’analisi di questo tipo di sistemi risulta molto complessa, per effetto del consistente numero di gradi di libertà, proporzionale al numero dei moduli. Inoltre, l’importanza delle non linearità e tridimensionalità delle onde di mare risulta particolarmente significativa per definire lo stato tensionale dei giunti. Infine, è estremamente difficile effettuare delle previsioni sul comportamento a fatica-corrosione dei giunti nel tempo, in quanto la complessità di tale fenomeno ne ostacola la modellazione numerica.

Titoli di proprietà intellettuale:

Non è stata ad oggi effettuata alcuna richiesta di brevetto per lo allo sfruttamento industriale del risultato della ricerca.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

Il risultato della ricerca è destinato all’applicazione in aziende che appartengono alla filiera delle strutture galleggianti. Tale filiera è molto diversificata e include vari soggetti, a partire dalle piccole imprese di produzione della componentistica strutturale (principalmente relativamente alla lavorazione dell’acciaio), fino ai grandi soggetti industriali, responsabili della costruzione e messa in opera delle strutture galleggianti. Sebbene l’applicazione principale dei giunti flessibili proposti sia relativa a grandi strutture galleggianti modulari, installate in mare aperto, essi troverebbero applicazioni di interesse immediato già nel campo delle strutture galleggianti esistenti. Il primo settore è ad oggi in fase di sviluppo e le previsioni di mercato europee e internazionali ne indicano la crescita esponenziale nel medio periodo come molto probabile. Lo sviluppo di una tecnologia efficiente di giunto flessibile ne accelererebbe ulteriormente la crescita, grazie alla dimostrazione di fattibilità tecnica ed economica di soluzioni modulari. Alcuni esempi applicativi relativi a tale settore riguardano: piattaforme galleggianti multi-funzionali, p.e. per la produzione e lo stoccaggio di energia da fonti rinnovabili, e le cosiddette “Very Large Floating Structures”, intese come passaggio imprescindibile per la colonizzazione del mare. Il secondo settore riguarda principalmente le grandi opere infrastrutturali e di difesa costiera. Sebbene infatti queste ultime siano limitate principalmente a siti marini protetti, si registra la necessità di sviluppare soluzioni avanzate per rendere economicamente fattibile la realizzazione di opere in aree più esposte. Alcuni esempi di particolare attualità e rilevanza, anche con riferimento alla realtà calabrese sono: frangiflutti galleggianti per difesa costiera e porti offshore, pontili galleggianti per approdi al di fuori di aree portuali, ponti e aeroporti galleggianti, etc.

Il mercato di riferimento è estremamente ampio. Dal punto di vista geografico, esso si estende a tutti i paesi mondiali interessati allo sviluppo nei settori costieri e offshore. Studi recenti indicano come quasi la metà della popolazione di paese industrializzati abiti in zone costiere. Lo sviluppo verso il mare aperto è dunque ritenuto inevitabile. Alcuni paesi tra cui i Paesi Bassi, il Giappone, Singapore, Dubai e il Principato di Monaco hanno già iniziato il processo di colonizzazione del mare, per espandere il proprio territorio, con finalità non soltanto industriali ma anche prettamente di sviluppo urbanistico. Molti altri importanti paesi hanno intrapreso percorsi di finanziamento per lo sviluppo in ambito marino, p.e. ai fini di produzione di energia rinnovabile, piscicoltura. Grande interesse in questa direzione si registra da parte di Cina e Stati Uniti, ma anche dell’Unione Europea, che ha dedicato alla “Blue Growth” una delle traiettorie del programma H2020 e sta moltiplicando gli sforzi di finanziamento per lo sviluppo industriale del settore.

La realizzazione di grandi strutture galleggianti, efficienti in termini tecno-economici, è imprescindibile per il conseguimento di questi obiettivi e l’utilizzo di strutture modulari appare la soluzione più realistica, soprattutto in ottica di medio-lungo periodo. I giunti flessibili in oggetto avrebbero dunque la possibilità di inserirsi in questo mercato sterminato, risultando peraltro già di interesse per i settori di mercato già floridi ed ampiamente sviluppati, della portualità e delle opere di difesa costiera. Si rimarca infine come questi ultimi siano di estremo interesse in Italia e particolarmente in Calabria, caratterizzate da un imponente sviluppo costiero (circa 8000 e 700 km, rispettivamente) da cui traggono immensi benefici, p.e. in ambito turistico, e al tempo stesso ingenti rischi naturali.

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

Il risultato della ricerca proposto è attualmente ad uno stadio di livello intermedio (TRL 4). I principi fisici alla base del suo funzionamento sono infatti ben noti e il loro funzionamento è stato anche accertato sia dal punto di vista numerico che sperimentale. In particolare, ciò riguarda la nozione di giunto flessibile ed il suo utilizzo in ambiente marino su strutture galleggianti in ambiente protetto (p.e. portuale). L’ulteriore sviluppo necessario è relativo all’utilizzo dei giunti per la modularizzazione di strutture in ambiente non controllato (mare aperto), a causa della maggiore importanza dei carichi estremi, a fatica e della loro tridimensionalità.