Misura delle pressioni e forze estreme

Le valutazioni sulle pressioni e sulle forze sono state eseguite sulla base delle sonde di pressione collocate secondo la disposizione di Figura 4.3. Sono stati utilizzati 13 sensori di pressione sia fuori che all’interno del cassone, con lo scopo di stimare la pressione in diversi punti rappresentativi della struttura. In particolare, cinque sensori di pressione sono posti all’esterno, sulla parete frontale del sistema, gli altri sono collocati all’interno della camera, di cui tre al tetto e cinque lungo la parete posteriore.

Il segnale della pressione è stato registrato a 1000 Hz, con lo scopo di esaminare gli effetti impulsivi sulla struttura. Preliminarmente all’analisi dei dati è stato necessario “pulire” il segnale mediante filtri numerici appositamente sviluppati. In alcuni punti, il segnale di pressione presenta una forte variazione di valori

0.060 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 B/L Cr A₀/A_c=0,1% A₀/A_c=0,2% A₀/A_c=0,9% A₀/A_c=2,0%

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attorno allo zero a causa della contemporanea presenza di aria e acqua nel sensore.

I valori delle pressioni considerati nell’analisi sono valutati a partite da un treno di 1000 onde e sono ottenuti come media dei primi 4 massimi valori, in modo da effettuare un’analisi 1/250 (Cuomo et al., 2010). Tale analisi è statisticamente più attendibile rispetto alla valutazione del massimo assoluto.

Considerando i punti di pressione delle sonde, sono stati ottenuti i diagrammi delle pressioni dell’acqua e quindi dell’onda che agisce sulla struttura. La sopraelevazione dell’onda di fronte al cassone è ottenuta interpolando linearmente i valori di sopraelevazione rilevati dalle sonde resistive appositamente collocate di fronte la struttura. Integrando la pressione nell’area di influenza attribuita alla rispettiva sonda è stata ottenuta la forza 1/250 agente sulle pareti del dispositivo.

La pressione, valutata su condizioni di onda selezionate con A0/Ac=0,90%, sono

rappresentate in termini adimensionali rispetto a ρgHm0,i in funzione del livello

relativo dei trasduttori di pressione z/d e x/d.

In Figura 5.5 è riportata la pressione agente sulla parete frontale della camera valutando sia l'influenza del periodo di picco dell'onda con B/Lp che l'altezza delle

onde incidenti con Hs*. Inoltre la pressione registrata, riportata in figura con i

simboli, è confrontata con la formulazione estesa di Goda (Takahashi et al., 1994), mostrata in figura con linee spesse. Il diagramma delle pressioni è valutato dall’imboccatura della camera dell’OWC fino al punto di impatto dell’onda sulla parete frontale, in cui la pressione tende a quella atmosferica.

La valutazione dell’influenza del periodo dell’onda, per Hs*= 0,11 in

Figura 5.5 (a), mostra una buona corrispondenza tra le distribuzioni di pressione misurate con quelle stimate, con un valore massimo vicino al livello dell'acqua, cioè a z/d=0, soprattutto per B/Lp= 0,12. Si osserva una lieve sovrastima rispetto

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altezze delle onde per B/Lp = 0,12 è eseguita in Figura 5.5Errore. L'origine riferimento non è stata trovata. (b). In particolare, per piccole altezza dell’onda

(Hs*≤ 0,12) si ottiene una buona corrispondenza tra le distribuzioni di pressione

misurate con quelle calcolate. Al crescere dell’altezza delle onde, i valori misurati tendono a spostare il massimo di pressione verso l'alto z/d >0, quindi le pressioni ottenute dalla formulazione estesa di Goda sono sottostimate rispetto a quelle misurate.

Figura 5.5: Distribuzione di pressione massima adimensionale (1/250) registrata e stimata sulla parte anteriore della camera: (a) influenza del periodo di picco dell'onda mediante B/Lp per Hs*=0,12; (b) influenza dell’altezza dell’onda incidente relativa Hs*

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Le misurazioni di pressione sulla parete verticale interna sono mostrate in Figura 5.6 insieme ai valori stimati, valutando sia l'influenza del periodo di picco dell'onda con B/Lp che l'altezza delle onde incidenti con Hs*. In questo caso, la

formulazione impiegata è quella di Takahashi e Shimosako (1994) sviluppata per la valutazione dei carichi all'interno di un cassone forato. Le pressioni stimate, nonostante le differenze tra i due cassoni considerati, colgono qualitativamente bene le misurazioni: le pressioni tendono ad aumentare dal fondo verso il livello

z/d = 0 dove raggiungono il massimo e poi tendono nuovamente a diminuire verso

il tetto del cassone. Si osserva che le distribuzioni di pressione misurate e quelle stimate hanno lo stesso andamento qualitativo della parete frontale. La valutazione dell’influenza del periodo dell’onda, Figura 5.6 (a), mostra che i valori stimati sono maggiori di quelli misurati. Anche osservando l’influenza delle altezze d’onda, Figura 5.6Errore. L'origine riferimento non è stata

trovata. (b), si osserva che per Hs* ≤ 0,12 le pressioni stimate sono maggiori di

quelle misurate; la tendenza si inverte se le condizioni dell’onda diventano impulsive per Hs* ≥ 0,17, per cui i massimi valori di pressione vengono

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Figura 5.6: Distribuzione di pressione massima adimensionale (1/250) registrata e stimata sulla parte interna posteriore della camera: (a) influenza del periodo di picco dell'onda mediante B/Lp per Hs*=0,12; (b) influenza dell’altezza dell’onda incidente

relativa Hs* per B/Lp=0,12.

Le distribuzioni della pressione adimensionali sul tetto della camera sono rappresentate in Figura 5.7, rispetto alla posizione relativa delle sonde, ed in particolare è misurata l’aria compressa nella parte superiore della camera. La Figura 5.7 (a) mostra che le pressioni sono inversamente proporzionali a B/Lp, ma

poco influenzate dal periodo di picco dell'onda, dunque possono essere considerate costanti. L’influenza dell’altezza d’onda, mostrata in Figura 5.7 (b), diventa importante per Hs* > 0,12. Per Hs* = 0,12 l’andamento delle pressioni è

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posteriore del tetto. Questo è probabilmente causato dal getto d’acqua che colpisce la parete posteriore e influenza la pressione dell’aria al tetto. Tale getto è attribuibile alle turbolenze che avvengono dentro la camera e che possono causare problemi alla turbina ad aria da installare nel sistema.

Figura 5.7: Distribuzione di pressione massima adimensionale (1/250) registrata al tetto della camera. (a) influenza del periodo di picco dell'onda mediante B/Lp per Hs*=0,12;

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In definitiva, sulle pressioni ciò che maggiormente influenza l’andamento sono le altezze d’onda incidenti, soprattutto quando Hs* > 0,12 in cui si risente di valori

di pressione impulsivi.

Le forze massime misurate, definite con l’analisi 1/250 dei massimi delle forze che agiscono sul cassone, sono riportate in rapporto a quelle stimate Fmisurata/Fstimata

considerando l’influenza dell’altezza d’onda incidente Hs* e del diametro

dell’orifizio come A0/Ac.

Come per le pressioni, le forze agenti sulla parete frontale del cassone, sono state confrontate con quelle stimate dal metodo esteso di Goda (Figura 5.8). La linea continua orizzontale rappresenta la corrispondenza tra le forze misurate e quelle previste: i punti al di sotto di tale linea corrispondono ai casi in cui i valori misurati sono minori dei valori stimati; i punti sopra la linea corrispondono ai casi in cui i valori misurati sono maggiori di quelli stimati. Le forze massime sono inversamente proporzionali alla apertura dell'orifizio e maggiori per la condizione A0/Ac= 0,90%, in cui sono state testate più condizioni d’onda. L'errore

relativo è inferiore al 40% quando Hs* < 0,2, indipendentemente dall’apertura

dell'orifizio.

In particolare, la formulazione estesa di Goda sovrastima la forza misurata per

Hs*= 0,12 (Fmisurata/Fstimata <1), cioè per le onde non impulsive, in accordo con

quanto mostrato in Figura 5.5 (b). Quando aumenta Hs*, la pressione supera le

stime effettuate per mezzo della formula di Goda poiché gli effetti impulsivi sono maggiori. Per 0 < Hs* < 0,12 si mostra quindi una sottostima delle misurazioni

rispetto alle formulazioni di Goda, probabilmente legato agli effetti di scala. Tuttavia, le pressioni e le forze sulla parete frontale aumentano sempre con Hs*

e in modo particolare per Hs* > 0,2 le forze aumentano repentinamente e le stime

diventano incerte. Per la configurazione ottimale A0/Ac= 0,90% l'altezza d’onda

incidente relativa Hs* = 0,16 provoca una inversione di tendenza: per Hs* < 0,16

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misurate, mentre per Hs* > 0,16 le forze predette sottostimano quelle misurate.

Tale valore di altezza incidente si ritrova anche nelle sezioni successive e rappresenta un valore da tenere presente per il sistema.

Figura 5.8: Rapporto Fmisurata/Fstimata tra forze misurate e quelle stimate (1/250) della parete frontale esterna del cassone, influenza dell’altezza dell’onda incidente relativa

Hs* e dell’apertura dell’orifizio A0/Ac.

Nella Figura 5.9 è rappresentato il rapporto tra le forze misurate e quelle stimate rispetto alle formulazioni di Takahashi e Shimosako (1994) per la parete posteriore, anche queste in funzione dell’altezza d’onda incidente Hs* e della

variazione dell’apertura dell’orifizio A0/Ac. Le forze sono generalmente

inversamente proporzionali all’apertura dell'orifizio e le forze misurate sono generalmente maggiori rispetto a quelle stimate. In particolare, per la dimensione ottimale dell’orifizio (A0/Ac=0,90%) il metodo sovrastima i valori di forza

misurati. 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 H_s* Fm is ur at a / Fst im at a A₀ / A_c = 0 A₀ / A_c = 0,1% A₀ / A_c = 0,2% A₀ / A_c = 0,9% A₀ / A_c = 2,0%

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Figura 5.9: Rapporto Fmisurata/Fstimata tra forze misurate (1/250) e quelle stimate sulla parete interna posteriore del cassone; influenza dell’altezza dell’onda incidente relativa

Hs* e dell’apertura dell’orifizio A0/Ac.

In Figura 5.10, sono rappresentate le forze massime misurate (1/250) al tetto del cassone, valutando l’influenza di Hs* e A0/Ac. Tali forze sono rese adimensionali

rispetto all’altezza d’onda incidente significativa Hsi, la larghezza della camera B

e quella trasversale Bt. L’andamento è generalmente crescente al crescere di Hs*.

L'apertura dell'orifizio ottimale sembra avere carichi interni significativamente inferiori per Hs* < 0,16, rispetto alle altre aperture dell’orifizio testate. Inoltre, il

valore maggiore si ha con apertura dell’orifizio maggiore tra quelli testati, piuttosto che in condizioni di orifizio chiuso. Questo potrebbe essere dovuto al fatto che in condizioni di orifizio chiuso c'è poco movimento dell'acqua all'interno della camera. Tale condizione contrasta la formazione di getti d’acqua che causano i massimi di pressione e forza sul lato posteriore del tetto della camera.

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 H_s* Fm is ur at a / Fst im at a A₀ / A_c = 0 A₀ / A_c = 0,1% A₀ / A_c = 0,2% A₀ / A_c = 0,9% A₀ / A_c = 2,0%

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Figura 5.10: Forze massime misurate (1/250) adimensionali al tetto del cassone, influenza dell’altezza dell’onda incidente relativa Hs* e dell’apertura dell’orifizio

A0/Ac).

In definitiva, l'influenza dell’altezza d’onda Hs* è significativa per le pressioni e

diventa particolarmente importante per le forze esterne agenti sulla parete frontale e per il tetto del cassone. In particolare, per Hs* = 0,16 si ha il valore che indica

un cambio di tendenza nel comportamento del sistema. La dimensione dell'orifizio ha più influenza sulle forze interne e sul tetto della camera, piuttosto su quelle esterne all’OWC.