METODI DI CALCOLO DELLA STABILITÀ E DELLA ROBUSTEZZA LONGITUDINALE NEI SOFTWARE DI BORDO

I metodi di calcolo per il controllo della stabilità e della robustezza longitudinale si dividono in due gruppi principali, che possiamo chiamare “metodi per interpolazione” e “metodi per calcolo diretto”.

- Metodi per interpolazione.

Quando i computer non avevano ancora le attuali potenzialità, era importante poter disporre di software in grado di effettuare i calcoli richiesti con pochi byte di memoria e con processori lenti. Non era quindi possibile eseguire calcoli diretti partendo dalla geometria della carena e delle stive ed arrivando ad informazioni precise sul reale assetto eccentrico della nave. Ci si accontentava di ricavare informazioni più o meno approssimate sulla sola inclinazione longitudinale. Per fare ciò si utilizzavano metodi di interpolazione fra i risultati di calcoli precedentemente elaborati e memorizzati nell’archivio di base della nave.

Il procedimento, in generale, era il seguente. Si effettuavano i calcoli del Bonjean, delle carene diritte e delle cross-curves; ciò ovviamente solo per un certo numero di dislocamenti e di inclinazioni trasversali (con inclinazione longitudinale costante). Spesso tali calcoli non si eseguivano, ma si utilizzavano quelli disponibili che si trovavano nel materiale di progetto della nave, il più delle volte eseguendo rilievi manuali sui relativi diagrammi.

Le informazioni riguardanti le stive, le cisterne e le casse si ricavavano dal piano di capacità: volumi massimi, ascissa e quota del baricentro a cassa piena, massimo specchio liquido libero.

Tutti questi dati erano poi memorizzati nei file dei dati di base della nave. Per trovare l’assetto della nave il software di bordo procedeva quindi a determinarne il dislocamento e il baricentro e a calcolarne le informazioni idrostatiche interpolando i dati a disposizione. Tale procedimento risultava molto veloce perché non prevedeva un effettivo calcolo dell’assetto, ma portava a risultati approssimati, validi solo per piccoli angoli di inclinazione longitudinale; inoltre non era in grado di verificare l’assetto trasversale della nave, che doveva essere supposta pressoché diritta trasversalmente. Infine, i dati relativi ai carichi liquidi imbarcati erano anch’essi approssimati, non essendo possibile calcolare la reale posizione del liquido all’interno della cassa, quindi assumendo baricentri e specchi liquidi peggiorativi.

Le valutazioni relative ai diagrammi di stabilità si ottenevano interpolando i dati a disposizione ricavati dalle cross-curves calcolate con assetto longitudinale costante, quindi sempre più lontani dalla realtà all’aumentare dell’inclinazione trasversale.

Ancor più approssimate risultavano infine tutte quelle valutazioni di stabilità previste dai Regolamenti, come ad esempio i criteri meteorologici, gli assembramenti di passeggeri, gli spostamenti di carichi alla rinfusa, etc.. Poteva infatti accadere che, a causa delle approssimazioni fatte, un criterio imposto dai Regolamenti non fosse soddisfatto e che quindi la relativa condizione di carico fosse vietata; con un calcolo più accurato, come quello diretto, la stessa condizione avrebbe potuto soddisfare tutti i requisiti ed essere quindi accettata. Ciò deriva dal fatto che le approssimazioni del metodo per interpolazione sono sempre state fatte in senso peggiorativo, al fine di garantire in ogni caso la sicurezza della nave.

Non erano comunque possibili valutazioni attendibili degli effetti del vento sulle strutture ad esso esposte e era impossibile il calcolo degli assetti in caso di falla.

In pratica, questi software della vecchia generazione non facevano altro che automatizzare i procedimenti di calcolo manuale che si usavano prima dell’avvento dei calcolatori elettronici; ciò fu un grosso passo avanti, perché diede la possibilità di effettuare molti calcoli in poco tempo e, soprattutto, di poterli effettuare a bordo, ma oggi questi metodi appaiono obsoleti di fronte alle attuali potenzialità di un normale personal computer.

L’unica situazione in cui si potrebbe pensare all’uso di un software di questo tipo è quella in cui non si abbiano più a disposizione i disegni o i tabulati del piano di costruzione della carena e della geometria delle casse, ma si disponga solo delle tavole dei calcoli idrostatici e del piano di capacità.

- Metodo per calcolo diretto.

Questo metodo, ormai di uso comune per tutti i software di buon livello, non prevede calcoli precedenti, ma è in grado di determinare con precisione il reale assetto eccentrico della nave comunque caricata, di trovare la reale posizione dei liquidi e dei carichi alla rinfusa che si saranno mossi all’interno delle casse a seconda dell’inclinazione assunta dalla nave, di simulare con precisione attendibile gli effetti del vento sulle strutture esposte, di trovare l’assetto anche in condizioni di falla, di determinare i diagrammi di stabilità reali in qualsiasi condizione e sotto qualsiasi azione cui sia sottoposta la nave (falla, vento, etc.).

I file dei dati di base della nave contengono in questo caso il modello matematico della nave (carena, stive, cisterne, casse, zone di carico, volumi esposti al vento, punti critici che determinano l'allagamento della nave); con tali dati il software è in grado di determinare il reale assetto della nave, tenendo conto della posizione effettiva che i carichi liquidi e quelli alla rinfusa assumono all’inclinarsi della nave, sia trasversalmente sia longitudinalmente, cioè in maniera eccentrica. I diagrammi di stabilità terranno conto dell’inclinazione reale e di tutte le azioni in atto sulla nave e forniranno informazioni dettagliate ed attendibili sulla stabilità residua, in accordo con quanto richiesto dai Regolamenti.

Tutto ciò è ovviamente possibile grazie alle capacità di memoria e di velocità degli odierni personal computer.

Si tenga presente che gli stessi Regolamenti richiedono oggi verifiche che solo con l’ausilio di un buon software possono essere svolte (si pensi ad esempio alle norme relative ai carichi alla rinfusa, o a quelle sugli allagamenti asimmetrici).

METHODS OF CALCULUS OF THE STABILITY AND THE LONGITUDINAL STRENGTH IN THE ON BOARD SOFTWARE

The methods of calculus for the control of the stability and the longitudinal strength are divided into two main groups, which can be named "method by interpolation" and "method by direct calculus".

- Methods by interpolation.

When the computers did not have the actual potentialities, it was important to have software capable to perform the calculi using a little amount of memory and with slow processors. So it was not possible to make calculi starting from the geometry of the hull and the holds, reaching detailed information about the real eccentric trim of the ship. We were satisfied with approximated information about the only longitudinal trim. To do so it were used methods of interpolation between results of calculi previously performed and memorized in the database of the ship.

The proceeding, in general, was the following one. The calculi of Bonjean, curves of form and cross-curves were performed, obviously only for a certain number of displacements and transversal heeling angles (with constant longitudinal trim). Often such calculi were not performed directly, but were used those ones available found in the documentation of the ship, sometimes reading the values on the diagrams.

The information about the holds and the tanks were obtained from the capacity plan: maximum volume, abscissa and height of the centre of gravity of the full tank, maximum free surface inertia.

All these data were then memorized in the database of the ship.  The trim was found calculating the displacement and the centre of gravity, entering with those data in the database and interpolating between the available values. Such procedure was very fast because there was not a real calculus of the trim, but the results were approximate and valid only in a little range of longitudinal trim; moreover the ship was supposed without any transversal heel. At last, also the data about the liquid cargo were approximate because it were not possible to calculate the real position of the liquids in the tanks; therefore assumed centres of gravity and free surfaces were pejorative.

The evaluations about the curves of stability were obtained interpolating the data of the cross-curves; these ones were calculated with a constant longitudinal trim, therefore much more distant from the reality going up with the transversal heel.

Some more approximate were all those evaluations about the stability imposed by the Registers, such as, for instance, the meteorological criteria, the crowding of passengers, the shifting of bulk cargo, etc.. It possible, in fact, for the approximations assumed, to find a load condition that did not satisfy the rules; with a more careful calculus, like the direct one, the same load condition could satisfy the rules. This is because all the approximations must be assumed in the pejorative sense, in order to warrant the safety of the ship.

It were not possible reliable evaluations about the effects of the wind on the exposed structures and it was not possible the calculus of the damaged conditions.

Practically, these software of the old generation did not do other than to automate the manual calculi which were used before the coming of the computers; it was a great step forward, because many calculi were performed in a short time and, above all, they were done on board, but today these methods appear obsolete in front of the actual potentiality of a normal personal computer.

The only case in which it can be used a software of this type is when the drawings or the offsets of the hull are not more available, but the hydrostatic calculi and the capacity plan still exist.

- Method by direct calculus

This method, by now in everyday use for all the software of good level, does not provide previous calculi, but it is able to meet with great precision the real eccentric trim of the ship in any load condition, to find the real position of the liquids and the bulk cargo which will move in the tanks according to the trim and the heel, to simulate with reliable precision the effects of the wind on the exposed structures, to find the trim also in damaged conditions, to determine the real curves of stability in any load condition and under any action to which the ship is subject (damage, wind, etc.).

In this case the database of the ship contains the mathematical model of the ship (hull, holds, tanks, zone of cargo, volumes exposed to the wind, critical points which determine the flooding); with these data the software is able to determine the real trim of the ship, taking into account the effective positions that the liquid and bulk cargo assume when the ship heel and trim. The stability curves will take into account the real heel and all the actions acting on the ship and will give detailed and reliable information about residual stability, according with the Rules.

Obviously this is possible thanks to the memory capacity and the speed of the today's personal computers.

Must be taken into account that today the Rules request verifications which can be done only with a good software (think, for instance, to the rules about the bulk cargo or the asymmetric flooding).