Dalla selezione del parafango all'ottimizzazione strutturale: tendenze nella progettazione moderna del sistema buffer del molo

1. Introduzione: L'importanza dei sistemi buffer di banchina per la sicurezza dell'ormeggio

Nei porti moderni e nella costruzione di strutture offshore, i pali di ormeggio e le scanalature di ormeggio sono componenti chiave che proteggono le navi e le strutture del molo dai danni da collisione. Con l’espansione del trasporto marittimo globale, il potenziamento dei porti e la proliferazione di navi di grande tonnellaggio, i sistemi buffer sono ora soggetti a esigenze più elevate in termini di prestazioni, durata, manutenibilità e intelligenza. Il vecchio approccio basato esclusivamente sulla selezione empirica e su margini di sicurezza eccessivi viene gradualmente sostituito da nuovi metodi che combinano modellazione affidabile, ottimizzazione strutturale, materiali sostenibili e monitoraggio intelligente.

2. Principi di selezione del parafango: da 'Può sopportare il carico?' a 'Adeguamento delle prestazioni'

Nella fase di selezione del parafango, è necessario seguire una serie di principi e standard per garantire che il sistema di ammortizzazione non sia né eccessivamente conservativo né sottoprogettato.

2.1 Norme e documenti di riferimento

（1）In Cina, JTJ 297-2001 : Specifiche tecniche per le strutture ausiliarie del molo è un riferimento ampiamente utilizzato, che definisce definizioni, tipi di parabordi, spaziatura, criteri di carico e regole di progettazione.

（2）A livello internazionale, le ultime linee guida sui parabordi di PIANC (ad esempio le linee guida sui parabordi WG 33 / PIANC) forniscono metodi raffinati per il calcolo dell'energia dell'ormeggio, la simulazione del processo di ormeggio e un approccio di progettazione olistico.

（3）Per i parafanghi in gomma, le norme di settore come HG/T 2866 e gli standard associativi (ad esempio T/CANSI 31-2020) offrono ulteriori indicazioni sulla selezione e sull'installazione.

Questi standard forniscono criteri fondamentali (ad esempio assorbimento di energia di progettazione, compressione massima consentita, limiti di forza di reazione, ecc.) e definiscono vincoli di progettazione (ad esempio pressione massima frontale, capacità di taglio, fattori di sicurezza).

2.2 Valutazione energetica dell'ormeggio e domanda di buffer

Il nocciolo della scelta è valutare l’ effettiva energia di collisione che deve essere assorbita dal sistema buffer durante l’ormeggio della nave:

（1）In base alla massa della nave, alla velocità di avvicinamento, al pescaggio, al disallineamento della direzione di attracco, alla rigidità strutturale del molo, ecc., calcolare l'energia di collisione

（2）Conto dei contributi ambientali: maree, correnti, onde, movimento delle navi indotto dal vento che generano ulteriori impatti

（3）Includere il margine di sicurezza: la capacità di assorbimento totale dei parafanghi dovrebbe superare l'energia di collisione di progetto, considerando il degrado delle prestazioni nel corso della vita utile

Dalla valutazione energetica è possibile determinare il tipo, le dimensioni, il numero e la disposizione appropriati del parafango.

2.3 Tipi di parafanghi e scelta dei materiali

I tipi comuni di parafanghi includono:

(1) Parabordi in gomma piena (fissi/non flottanti)

(2) Parabordi in gomma galleggianti (ad es. pneumatici, riempiti)

(3) All'interno dei parafanghi in gomma: tipo D, tipo O, tipo W, cono, arco, tipo V, ecc.

(4) Parafanghi per pneumatici/Combinazioni di pneumatici , spesso utilizzati nei porti più piccoli

(5) Parafanghi in acciaio/metallico o parafanghi in poliuretano/composito , per elevata resistenza all'usura, lunga durata o applicazioni speciali

Al momento della scelta, è necessario confrontare le prestazioni complessive in termini di assorbimento di energia / forza di reazione / distribuzione della pressione / facilità di installazione / costi di manutenzione / durata.

Ad esempio, i parafanghi di tipo ad arco (o stile 'arco') spesso raggiungono un maggiore assorbimento di energia con forze di reazione inferiori rispetto alle semplici configurazioni di tipo V con la stessa compressione nominale.

2.4 Strategia di layout e progettazione della spaziatura

Anche con un parafango selezionato correttamente, una disposizione inadeguata può portare al guasto del buffer:

(1) Disposizione multistrato verticale / zonizzazione in base al livello dell'acqua : nei porti con un'ampia escursione delle maree, posizionare i parabordi a diversi livelli verticali in modo che a diversi livelli dell'acqua siano ancora in contatto con lo scafo

(2) Spaziatura orizzontale : lo spazio tra parabordi adiacenti deve garantire che, quando i parabordi vengono sottoposti a compressione di progettazione, nessuna sezione esposta della parete del molo rimanga vulnerabile

(3) Distribuzione lungo il bordo anteriore : i tipi di molo (muro di banchina, molo su palo, molo a traliccio) richiedono strategie di layout diverse

(4) Protezione estremità/angoli : le regioni terminali possono richiedere parafanghi più densi o rinforzati per gestire le concentrazioni di stress locali

(5) Layout sovrapposti / di riserva : per un'ampia gamma di dimensioni di imbarcazioni, prendere in considerazione la sovrapposizione o i parabordi di riserva per gestire eventi di ormeggio estremi

2.5 Limiti di sicurezza/Pressione frontale/Vincoli di taglio

Nella progettazione dei parafanghi è necessario controllare rigorosamente:

(1) Pressione frontale massima consentita : la pressione sullo scafo della nave non deve superare i valori consentiti

(2) Capacità di taglio : soprattutto in caso di ormeggio inclinato o inclinato, il parafango deve resistere alle forze di taglio

(3) Controllo della forza di reazione : le forze di reazione non devono essere troppo elevate per evitare danni al molo o alla struttura della nave

(4) Ridondanza/fattore di sicurezza : fattore di degrado del materiale e condizioni estreme in modo che il progetto mantenga un margine

3. Strategie di ottimizzazione strutturale: dall'empirico alla simulazione

La scelta del parafango è solo il primo passo. L'ottimizzazione strutturale è più cruciale per migliorare le prestazioni, ridurre i costi e prolungare la durata.

3.1 Progettazione a livello di sistema anziché componenti isolati

Gli approcci progettuali moderni enfatizzano la considerazione del parafango come parte di un sistema tampone piuttosto che trattare il parafango, la struttura di ancoraggio, il telaio di supporto e le fondamenta come elementi isolati:

（1）Le linee guida PIANC (WG 33) / più recenti sottolineano che la progettazione dovrebbe integrare il parafango, la struttura del molo e il comportamento di ormeggio piuttosto che trattare il parabordo in modo isolato

(2) Ad esempio, la rigidità della struttura di ancoraggio, delle connessioni di supporto e delle parti integrate dovrebbe corrispondere alle prestazioni di bufferizzazione per evitare guasti di mancata corrispondenza

3.2 Simulazione numerica/Analisi non lineare/Calcoli dinamici accoppiati

Con i progressi nella simulazione, i progettisti possono utilizzare l'analisi degli elementi finiti (FEA), modelli di accoppiamento dinamico, analisi di contatto-impatto, ecc., per simulare le complesse interazioni tra lo scafo della nave, il parafango e la struttura del molo.

Ad esempio, i ricercatori hanno utilizzato modelli non lineari agli elementi finiti del sistema 'scafo-parafango-molo' per simulare le risposte dinamiche durante l'intera sequenza di attracco. I risultati spesso mostrano che all'aumentare della velocità di avvicinamento, l'efficienza di assorbimento del parafango diminuisce, portando a un limite superiore della velocità di avvicinamento sicuro (ad esempio 2–2,5 nodi in un dato caso).

Attraverso tale modellazione, è possibile esaminare l'evoluzione in serie temporale di sollecitazioni, deformazioni ed energia assorbita durante le fasi di contatto, compressione, scarico e rimbalzo, quindi ottimizzare il profilo del parafango, la distribuzione del materiale e lo schema di ancoraggio.

3.3 Ottimizzazione della topologia/Ottimizzazione partizionata/Ottimizzazione multi-obiettivo

Soprattutto per i parafanghi grandi o ad alte prestazioni, si può considerare:

(1) Ottimizzazione della topologia : ottimizza la struttura interna o il supporto scheletrico per ridurre peso e materiale preservando le prestazioni

(2) Design modulare/basato su unità : dividere i parafanghi di grandi dimensioni in unità modulari per facilitare la fabbricazione, il trasporto e la sostituzione

(3) Ottimizzazione multi-obiettivo : ottimizza contemporaneamente l'assorbimento di energia, la forza di reazione, il costo, il peso e la durata di servizio

3.4 Innovazione dei materiali e ottimizzazione della durabilità

La selezione dei materiali e la durabilità sono fondamentali nell'ottimizzazione strutturale:

(1) Gomma/compositi/materiali potenziati con polimeri ad alte prestazioni : riducono il peso migliorando la resistenza alla fatica e le prestazioni di invecchiamento

(2) Strati superficiali o rivestimenti resistenti all'usura : per mitigare l'usura localizzata

(3) Strutture composite (es. telaio metallico + rivestimento in elastomero) : per bilanciare rigidità e capacità di deformazione

(4) Integrazione del sensore/materiali di autodiagnostica : per fornire dati per il monitoraggio successivo

Nella progettazione, è necessario tenere conto del degrado ambientale (esposizione ai raggi UV, corrosione salina, cicli di temperatura, biofouling) che degradano le proprietà dei materiali nel tempo.

3.5 Strutture di ancoraggio, modalità di connessione e progetto di manutenibilità

Anche le strutture oltre il parafango stesso hanno un potenziale di ottimizzazione:

(1) I metodi di ancoraggio (barre di ancoraggio, incasso, giunti bullonati, saldatura) devono bilanciare costruibilità e sicurezza strutturale

(2) I connettori/telai di supporto devono essere ridondanti e facili da sostituire

(3) Le parti integrate/fondamenta devono corrispondere alla capacità di carico del molo

(4) Facilità di manutenzione/sostituzione : progettazione per protezione dalla corrosione, rimozione rapida, sostituzione modulare

Nella fase di pianificazione e progettazione, dovrebbero essere previste disposizioni per la futura manutenzione e sostituzione per evitare insidie ​​'parafango eccellente ma impossibile da sostituire'.

4. Tendenze attuali di progettazione nei sistemi buffer dei moli

Oltre alla selezione e all’ottimizzazione strutturale, nella progettazione moderna dei sistemi buffer stanno emergendo le seguenti tendenze:

4.1 Sistemi modulari, personalizzati e flessibili

Con gamme più diversificate di dimensioni delle navi e condizioni di ormeggio, il tradizionale parafango 'taglia unica' viene sostituito da design modulari e personalizzati:

(1) I produttori di parafanghi offrono più unità modulari che possono essere assemblate per adattarsi alle condizioni dell'ormeggio

（2）Parafanghi regolabili o parafanghi con rigidità o altezza regolabili

（3）Alcuni fornitori ora offrono strumenti di selezione online integrati con le specifiche del parafango + palo di ormeggio (ad esempio gli strumenti di progettazione di Trelleborg)

Questa tendenza consente ai progettisti di allocare in modo flessibile le risorse buffer, ridurre i costi di inventario e adattarsi ai futuri cambiamenti delle navi.

4.2 Monitoraggio intelligente, rilevamento dello stato e funzionamento e manutenzione integrati

L’intelligence è una direzione importante nelle infrastrutture portuali e i sistemi buffer non fanno eccezione:

（1）Incorporamento di sensori (estensimetri, sensori piezoelettrici, sensori wireless di pressione/spostamento, accelerometri) per monitorare deformazione, sollecitazione e usura in tempo reale

（2）Utilizzo dell'IoT, delle piattaforme cloud o delle tecnologie dei gemelli digitali per collegare le condizioni dei parabordi ai sistemi operativi portuali

（3）Utilizzo dei dati di monitoraggio per favorire la manutenzione predittiva, la stima della durata e l'allarme precoce

Secondo ricerche di mercato, il mercato dei parafanghi valuta sempre più l’integrazione dei sensori e le capacità di monitoraggio delle condizioni come motore di crescita.

4.3 Design verde e materiali sostenibili

Date le crescenti richieste ambientali e di basse emissioni di carbonio, la progettazione del sistema buffer si sta spostando verso direzioni più verdi e sostenibili:

（1）Utilizzo di materiali durevoli, anti-invecchiamento, riciclabili o riutilizzabili

（2）Ottimizzazione per ridurre l'utilizzo di materiale

（3）Processi di produzione rispettosi dell'ambiente per ridurre le emissioni di carbonio

（4）Considerare i costi dell'intero ciclo di vita (materiali, manutenzione, sostituzione) piuttosto che il semplice costo iniziale

4.4 Design raffinato attraverso la simulazione del comportamento di ormeggio

La progettazione di prossima generazione si basa maggiormente sulla simulazione a grana fine e sull'analisi statistica del comportamento di attracco:

(1) Utilizzare i dati AIS/VTS (sistema di identificazione automatica/servizio di traffico navale) per raccogliere le velocità effettive di avvicinamento all'ormeggio, la distribuzione del tipo di nave, il disallineamento, l'angolo di offset, ecc.

(2) Introdurre l'analisi dell'incertezza (Monte Carlo, analisi di sensibilità) nella progettazione

(3) Tenere conto delle condizioni estreme (tempesta, attracco distorto, attracco con corrente elevata) e garantire che i sistemi buffer si adattino

Un design così raffinato aiuta a evitare una progettazione eccessiva garantendo al tempo stesso la sicurezza in diversi scenari.

4.5 Integrazione con attrezzature di ormeggio/layout unificato

I sistemi buffer non sono più autonomi: vengono co-progettati con pali di ormeggio, scanalature di ormeggio, layout di corde di ormeggio , ecc.:

(1) Considerando l'influenza delle forze della linea di ormeggio sul comportamento dei respingenti

(2) Coordinazione delle posizioni relative, della rigidità e dei percorsi di carico tra parabordi e briccole

(3) Durante l'ormeggio, il solco di ormeggio, i dispositivi di guida della fune e i campi d'impatto dei respingenti possono interagire e accoppiarsi

Questa visualizzazione integrata garantisce prestazioni del sistema più affidabili e una manutenzione/un funzionamento più semplici.

5. Casi di studio e lezioni apprese

Di seguito sono riportati due casi illustrativi o studi di ricerca e i relativi approfondimenti per la selezione dei parafanghi e l'ottimizzazione strutturale.

Caso 1 : Simulazione accoppiata dinamica e limitazione della velocità di attracco

In uno studio intitolato 'Simulazione dinamica della collisione nave-parafango-molo', gli autori costruiscono un modello non lineare agli elementi finiti del sistema scafo-parafango-molo e simulano l'intera sequenza di ormeggio. I risultati indicano che all’aumentare della velocità di avvicinamento, l’efficienza di assorbimento del parafango diminuisce; nel caso studiato, la velocità massima di attracco sicuro è stata di circa 2,5 nodi, con una velocità sicura consigliata di ~2,0 nodi.

Implicazione : anche se la scelta del parafango è appropriata, se la velocità effettiva di attracco è troppo elevata, le prestazioni del buffer potrebbero peggiorare o fallire. Pertanto, il controllo della velocità deve far parte della progettazione.

Caso 2 : Tendenza del mercato nella modularizzazione e integrazione intelligente

Secondo ricerche di mercato, il mercato dei parafanghi si sta spostando verso soluzioni I produttori di parafanghi stanno incorporando sensori di monitoraggio delle condizioni, offrendo strumenti di progettazione online e schemi di combinazione modulare per soddisfare le diverse esigenze portuali. modulari, personalizzabili e integrate con sensori .

Implicazione: nella produzione di apparecchiature e nella progettazione di sistemi, è saggio riservare spazio al layout dei sensori, agli standard di interfaccia modulare e ai percorsi di aggiornamento, in previsione di futuri miglioramenti.

6. Sfide e raccomandazioni

Nel passaggio dalla selezione del parafango all'ottimizzazione strutturale, i progettisti devono affrontare diverse sfide:

1. Incertezze sul comportamento di attracco

La velocità di avvicinamento, l'angolo di disallineamento, l'assetto e il movimento dell'imbarcazione sono estremamente casuali. I progetti dovrebbero incorporare modelli statistici o Monte Carlo per gestire questa incertezza.

2. Degrado dei materiali e previsione della vita a fatica

I materiali in gomma e polimeri si degradano nel tempo a causa dei raggi UV, della nebbia salina, dei cicli termici, del biofouling, della fatica meccanica, ecc. La previsione della durata e la progettazione dei margini sono essenziali.

3. Vincoli costruttivi e di installazione

Le parti incassate nel molo, le fondazioni di ancoraggio, i telai di supporto devono rispettare i vincoli del sito (profondità, struttura su pali, forma strutturale del molo). La progettazione deve garantire la costruibilità.

4. Complessità dell'accoppiamento del sistema

L'interazione tra parabordi, briccole, corde e scanalature può essere complicata. Potrebbero essere necessari simulazioni congiunte e modelli di accoppiamento iterativi.

5. Bilanciare prestazioni, costi e manutenzione

I parafanghi ad alte prestazioni con sensori intelligenti sono più costosi. La scelta deve bilanciare prestazioni, costi, manutenzione e spese del ciclo di vita.

6. Lacune negli standard e adattamento alla localizzazione

Sebbene esistano standard (ad esempio JTJ, PIANC), molti progetti devono adattarsi al clima locale, all'idrologia, al mix di navi e ai vincoli legali/normativi.

7. Conclusione e prospettive

Dalla selezione del parafango all'ottimizzazione strutturale è al centro della progettazione del sistema buffer del molo. Guardando al futuro, la progettazione dei sistemi buffer si affiderà sempre più a strumenti di simulazione, pensiero a livello di sistema, innovazione dei materiali e monitoraggio intelligente. La personalizzazione modulare, il rilevamento dello stato e la progettazione sostenibile sono direzioni emergenti. Nel frattempo, i progettisti devono continuare ad affrontare le incertezze relative al comportamento di attracco, all’invecchiamento dei materiali, ai vincoli di costruibilità, all’accoppiamento dei sistemi e alle preoccupazioni sui costi dell’intera vita.