Introduzione
La progettazione di strutture offshore e nearshore richiede una valutazione accurata delle forze idrodinamiche dovute a onde e correnti. ANSYS Mechanical offre un modulo dedicato, il Modulo Offshore, che consente agli ingegneri di simulare questi effetti direttamente nell’ambiente di analisi strutturale.
Il modulo Offshore, basato sulla libreria di comandi OCEAN APDL, è accessibile dalla barra degli add-on di ANSYS Mechanical (Figura 1). Supporta le teorie delle onde lineari e non lineari, consentendo la simulazione delle interazioni onda-corrente su geometrie 3D complesse senza dover ricorrere a software CFD specializzati.
Figura 1: Modulo Offshore in ANSYS Mechanical
In questo studio, le capacità del modulo Offshore sono state dimostrate attraverso l’analisi del carico d’onda su una struttura a camicia immersa nel lago di Ginevra, lo specchio d’acqua più vicino agli uffici di DAES.
Nota: l’effetto del getto d’acqua non è stato preso in considerazione!
Figura 2: Modello utilizzato per calcolare le onde
Impostazione del caso di studio
Descrizione del sito
Il lago di Ginevra è un caso di studio interessante per la sua geometria, l’esposizione al vento e la batimetria. La sua profondità massima è di circa 307 m nella zona centrale. Il vento prevalente proviene da nord-est, allineato con l’asse principale del lago, che incanala le onde verso la baia di Ginevra, più stretta e meno profonda, favorendone l’amplificazione (vedi Figura 3).
Figura 3: Batimetria del Lago di Ginevra e zoom vicino a Ginevra
Per questo esempio, consideriamo che la struttura si trova in questa baia, nel punto in cui il lago sfocia nel Rodano, che aggiunge una corrente significativa.
Descrizione della struttura
Come illustrato nella Figura 2, la struttura studiata è una giacca a quattro gambe che misura :
- 7 m di altezza (di cui 2 m sopra il livello medio dell’acqua)
- 4 m di larghezza
Ipotesi di modellazione :
- Tipo di elemento : BEAM188
- Profondità dell’acqua: 5 m
- Asse verticale globale: asse z
- Condizioni al contorno: completo incorporamento alla base delle gambe (nessuna interazione terreno-palo per semplicità)
Sebbene ANSYS possa modellare l’interazione palo-suolo (utile per le fondazioni profonde), questa funzione non è stata utilizzata in questo caso per semplificare lo studio.
Definizione di condizioni d’onda
Il modulo Offshore viene aggiunto al ramo Solution del modello (vedi Figura 6). Alcuni parametri vengono impostati automaticamente, ma la scelta della teoria delle onde e delle condizioni ambientali deve essere fatta con attenzione dall’utente.
Esistono due approcci principali:
- Onda regolare (singola): per analisi allo stato limite ultimo (ULS)
- Spettro d’onda: per rappresentare stati del mare casuali (fatica)
In questa analisi, le condizioni estreme sono state estratte dal database Swisslake.net per un periodo di ritorno di 50 anni nel Golfo di Ginevra:
- Altezza massima dell’onda: Hmax = 1,25 m
- Periodo d’onda: T = 4,4 s
Figura 4: Condizioni estreme nel Golfo di Ginevra
Dato il
una profondità e dei parametri d’onda, si applica il regime di profondità intermedia. Le teorie adattate sono :
- Funzione corrente del 5° ordine
- Stokes di ordine 3
Figura 5: Area di validità delle teorie ondulatorie
La simulazione viene quindi effettuata utilizzando la teoria della funzione di corrente, con uno spostamento di fase di 180° per catturare completamente il picco dell’onda (ciclo completo di depressione, picco e depressione).
È inoltre importante verificare che la lunghezza d’onda superi la larghezza della struttura in modo che sia completamente soggetta al movimento dell’onda.
Figura 6: Definizione dei parametri delle onde
Attuale
In assenza di misurazioni locali, si ipotizza una velocità della corrente superficiale di 1 m/s, che rappresenta gli effetti combinati del vento e del flusso del Rodano.
Si presume che la corrente sia allineata con l’onda (orientamento NE), ma un disallineamento può essere facilmente modellato.
Esistono parametri avanzati (coefficienti idrodinamici, masse aggiunte, ecc.) ma non sono trattati in questa sede.
Viene eseguita un’analisi transitoria su un intero periodo d’onda(4,4 s).
Risultati e post-elaborazione
Il modulo Offshore fornisce diversi parametri idrodinamici tramite uscite personalizzate:
- velocità del fluido
- accelerazione
- pressione dinamica
- ampiezza dell’onda
- forze idrodinamiche
(Tabella 1: variabili disponibili – mantenute così come sono)
Elevazione dell’onda
La Figura 7 mostra l’evoluzione della superficie libera nel tempo.
L’onda non lineare ha :
- una cresta a +720 mm
- un avvallamento a -530 mm
L’altezza totale corrisponde a :
H = 720 – (-530) = 1250 mm = 1,25 m
L’onda viene quindi riprodotta correttamente.
Profili di velocità
La Figura 8 mostra la distribuzione della velocità delle particelle d’acqua:
- Profilo “solo corrente”: da 1 m/s in superficie a 0 m/s in basso
- Profilo “onda + corrente”: velocità massima ≈ 2,2 m/s sulla cresta → interazione costruttiva tra onda e corrente
Forze idrodinamiche e risposta strutturale
Le forze idrodinamiche tangenziali (Fx) sugli elementi della trave sono riportate nella Figura 9.
Risultati :
- variazione periodica in base al carico d’onda
- valori massimi e minimi tracciati su un ciclo
Spostamento della struttura
La Figura 10 mostra lo spostamento totale (amplificato ×4,3 per la visualizzazione).
La modalità di deformazione corrisponde al comportamento di flessione previsto in caso di carico combinato di onde e corrente.
Vincoli
La Figura 11 mostra le sollecitazioni combinate nelle travi.
Risultato:
- sollecitazione massima ≈ 250 MPa alla base incorporata
→ La struttura resiste all’evento estremo se è realizzata in acciaio con un limite superiore a 250 MPa.
Conclusioni
Questo studio dimostra l’uso del modulo Offshore di ANSYS Mechanical per simulare le forze idrodinamiche dovute alle onde su una struttura offshore immersa nel lago di Ginevra.
Punti chiave:
- La teoria della funzione di corrente modella efficacemente le onde non lineari in un ambiente lacustre
- Il modulo Offshore fornisce risultati dettagliati (velocità, accelerazioni, pressioni, forze) senza dover ricorrere alla CFD.
- L’interazione onda-corrente genera una velocità superficiale massima di circa 2,2 m/s, che ha una forte influenza sulla risposta strutturale.
Questo flusso di lavoro può essere esteso a :
- interazione palo-suolo
- analisi della fatica
- ottimizzazione dei progetti offshore e nearshore
