La costruzione di un’autostrada offshore pone numerose difficoltà, come ad esempio sollevare e posizionare accuratamente i blocchi di calcestruzzo sul fondale marino, collocare i pilastri portanti e agevolare il collegamento con il piano stradale del ponte. Jeroen Naalden, direttore di Enerpac Integrated Solutions, in questo articolo passa in rassegna i requisiti di sollevamento e movimentazione e illustra il processo che ha consentito a Enerpac di sviluppare la gru offshore più grande del mondo.
Il consorzio francese composto da Bouygues Travaux Publics, Vinci Construction e Demathieu Bard Construction sta costruendo un’autostrada offshore per l’isola della Riunione, situata a est del Madagascar, nell’Oceano Indiano. L’autostrada costiera sarà lunga 5.400 m (Route du Littoral) e collegherà Saint Denis, capitale amministrativa dell’isola della Riunione, con La Possession. Sostituirà la strada costiera esistente, esposta a caduta di massi e inondazioni causate da mare lungo e tempeste tropicali.
Il consorzio formato da Bouygues Travaux Publics, Vinci Construction e Demathieu Bard Construction sta realizzando una chiatta di sollevamento per costruire un’autostrada offshore. A tale scopo, Enerpac ha fornito una gru a cavalletto con carroponte con una larghezza complessiva pari a 30 m e una capacità di sollevamento di 4.800 tonnellate in grado di issare, spostare e abbassare la base a gravità in calcestruzzo cemento, la testa e i segmenti dei pali. La gru appartiene alla classe A5 per quanto riguarda la struttura e alla categoria M5 per ciò che concerne il meccanismo ed è stata progettata per funzionare in un ambiente marino tropicale (IP66).
Sistema di sollevamento
L’autostrada offshore consiste in un ponte a luci multiple situato in mare aperto, a 100 – 200 m dalla costa. Ciascun pilastro del ponte è composto da vari componenti in calcestruzzo, uno dei quali sarà una base a gravità in calcestruzzo armato, posizionati sul fondale marino. Una volta che la base sarà stata fissata e stuccata, su di essa verrà posizionato un pilastro intermedio, che sporgerà dal mare. Quando l’elemento intermedio sarà stato fissato alla base, al di sopra di esso sarà sistemato un segmento del piano stradale. La distanza tra i pilastri del ponte, in totale 48 unità, è compresa tra gli 85 m e i 120 m. I segmenti del piano stradale del ponte che si estenderanno tra i pilastri saranno fabbricati sulla terraferma e verranno posizionati utilizzando le classiche tecniche di montaggio dei ponti.
Durante la costruzione dell’autostrada offshore, la gru a cavalletto Enerpac effettuerà 288 sollevamenti di carichi pesanti eseguendo 144 cicli. Ciascun ciclo comprende i seguenti passaggi:
- sulla banchina: prelievo del carico dalla banchina dedicata alla fabbricazione, spostamento nella posizione di utilizzazione sulla banchina e abbassamento sul piano della chiatta;
- nella posizione offshore prevista: prelievo dal piano della chiatta, spostamento nella posizione di spiegamento, abbassamento del carico e recupero dei ganci privi del carico.
Il principale requisito tecnico della gru a cavalletto è quello di essere in grado di sollevare, spostare e posizionare accuratamente i blocchi di calcestruzzo in un ambiente esposto alle maree. Naturalmente vi sono anche considerazioni di progetto e commerciali, come ad esempio il peso della gru, la velocità della movimentazione, il rapporto tempo/costo della nave, il costo dei sistemi di sollevamento e il costo di proprietà.
Selezionare le tecnologie delle gru
Le tecnologie delle gru che risultano più adatte a questo progetto sono i martinetti a trefolo o i verricelli per issare e abbassare e i sistemi a scorrimento o carrello per spostare i blocchi. La forma dei blocchi è tale da richiedere quattro punti di sollevamento. Pertanto, il sollevamento richiederà l’impiego simultaneo di 8 martinetti a trefolo oppure 8 verricelli.
I martinetti a trefolo rappresentano la scelta più ovvia e comune, poiché offrono un metodo di sollevamento semplice, conveniente e leggero, nonché una tecnologia comprovata con svariate migliaia di unità utilizzate per importanti progetti di sollevamento negli ultimi 20 anni. Tuttavia non rappresentano la scelta migliore per questo progetto specifico. Il movimento alternato dei martinetti può provocare uno spostamento incrementale del carico. Inoltre, il calo di velocità subito dai martinetti una volta posato il carico può ritardare il sollevamento successivo. I martinetti a trefolo richiedono numerosi interventi di manutenzione, in particolare per quanto riguarda i cunei e il trefolo.
La vita utile di un trefolo non è legata al numero di solchi lasciati dai cunei, quanto al ridotto residuo di trefolo che viene “raschiato via” dai cunei ogni volta che il trefolo passa attraverso il martinetto. Questo “raschiamento” contamina le griffe finché i “denti” di queste ultime non si riempiono completamente di residui di trefolo. Di conseguenza esiste il rischio che il trefolo scivoli nelle griffe. A questo punto è necessario sostituire i cunei. Calcolando una sostituzione ogni circa 10 sollevamenti, i costi e le interruzioni del sollevamento diventano significativi.
D’altro canto, i verricelli risultano più adatti per la sequenza di sollevamento, spostamento e abbassamento. Rispetto al movimento alternato del carico che si ottiene con i martinetti a trefolo, i verricelli offrono un movimento del carico migliore e più agevole. Inoltre, sebbene i cavi in fili d’acciaio sui verricelli con tamburo richiedano interventi di manutenzione e sostituzioni, specialmente se esposti all’aria salmastra di mare per due anni, in questa applicazione specifica è sufficiente lubrificare normalmente i cavi.
Enerpac ha selezionato un sistema a verricelli sospesi formato da 8 verricelli con tamburo scanalato e una forza di trazione pari a 500 kN sullo strato esterno. La capacità del tamburo è di 800 metri con un cavo da 52 mm. I verricelli selezionati presentano un tamburo scanalato conforme al “brevetto Lebus” per un avvolgimento ottimale.
Un vantaggio significativo dei verricelli in questa applicazione è la possibilità di regolare la velocità del verricello. Il circuito idraulico del verricello è basato su un sistema a ciclo chiuso con “flusso controllato dal carico”. Questo significa che quando il carico viene rilasciato dal gancio, la velocità del verricello può essere raddoppiata, riducendo il tempo transizione tra i sollevamenti dei blocchi.
Sistema a scorrimento o a carrelli?
Una volta sollevato, ciascun blocco deve essere spostato nella giusta posizione. Per lo spostamento longitudinale del cavalletto è necessario scegliere tra un sistema a scorrimento e uno a carrelli. Lo scorrimento comporta un’azione combinata di spinta e traino che viene svolta mediante cilindri idraulici, mentre la gru a cavalletto si sposta lungo una guida di piastrelle di scivolamento in PTFE laminato. Inevitabilmente utilizza uno spostamento incrementale conforme alla corsa del cilindro spinta-traino e così facendo rischia di generare inutili ondeggiamenti del carico. È inoltre necessario tenere conto dell’usura e della sostituzione delle piastrelle in PTFE in fase di pianificazione del progetto e durante il calcolo del costo di proprietà.
Per il progetto dell’isola della Riunione, Enerpac ha optato per un sistema a carrelli che offre alcuni vantaggi evidenti. Il movimento del blocco è continuo e la velocità è variabile; questo consente il posizionamento ad alta velocità una volta scaricata la gru. I costi di manutenzione sono decisamente inferiori a quelli di un sistema a scorrimento.
Il sistema a carrelli comprende due carrelli per bilancino, per un totale di 4 carrelli per due bilancini. Ciascun carrello dispone di 4 ruote, due delle quali sono azionate da motori idraulici e riduttori epicicloidali. Le ruote procedono lungo due guide parallele imbullonate alle travi della pista della chiatta.
La lunghezza longitudinale (rotaia per carrelli moniti di ruote) è di 80 metri. La velocità media degli OHTC (carrelli) sulla struttura va da 0,0 cm/min a:
- 100 cm/min con carico;
- 200 cm/min senza carico.
Tutte le posizioni delle gru vengono inserite nel controllore logico programmabile (PLC) del sistema; l’accuratezza dei posizionamenti arriva fino a 1 millimetro. Lo spostamento laterale del cavalletto che effettua sollevamenti con movimento continuo è ottenuto per mezzo di cilindri a lunga corsa.
In generale, optando per la configurazione con verricelli e carrelli, la gru a cavalletto Enerpac offre una movimentazione più agevole degli elementi in calcestruzzo. Consente inoltre di accelerare le operazioni di sollevamento e abbassamento. Utilizzando alcune tecnologie di modellazione informatica, Enerpac ha dimostrato che con i martinetti a trefolo e lo scorrimento ci vorrebbero 6 ore per completare un intero ciclo di sollevamento e posizionamento di un blocco. Con un sistema dotato di verricelli e carrelli ci vogliono solo 3 ore.
Requisiti di potenza
La differenza tra i requisiti di potenza idraulica della configurazione formata da martinetti e scorrimento e di quella composta da verricelli e carrelli è notevole. La distinzione principale è data dalla potenza installata. Per raggiungere la velocità di sollevamento richiesta, un verricello necessita di 55 Kw, mentre un martinetto a trefolo ha bisogno di 110 kW. Lo stesso vale per il sistema idraulico nel caso dell’opzione a scorrimento o dei carrelli. Il sistema a spinta-traino richiede il doppio del volume di olio per raggiungere la stessa velocità del sistema a carrelli.
Sebbene la potenza installata sul sistema a scorrimento e martinetti a trefolo sia pari al doppio, la differenza di prezzo è minima. La ragione principale è da ricercare nel fatto che i componenti del sistema idraulico (pompe e valvole) necessari per verricelli e carrelli sono molto più costosi, a causa del sistema a ciclo chiuso e delle valvole proporzionali, rispetto ai componenti richiesti per la versione a scorrimento e martinetti a trefolo.
Funzionamento sincronizzato dei verricelli
Enerpac utilizza un sistema di controllo basato su PLC, 8 verricelli sincronizzati con 4 ganci della gru e cilindri a spostamento laterale sulle travi per garantire un controllo e un posizionamento adeguati dei carrelli idraulici. Insieme, gli 8 verricelli offrono una capacità di sollevamento pari a 4.800 tonnellate. Senza carico funzionano a una velocità compresa tra 0,0 cm/min e 100 cm/min, mentre con il carico offrono una velocità compresa tra 0,0 cm/min e 40 cm/min (sollevamento e abbassamento).
Forte della propria esperienza nel posizionamento di ponti e pilastri per turbine eoliche offshore, Enerpac sta inoltre sviluppando un sistema di posizionamento per le sezioni in calcestruzzo dei pilastri del ponte. Tecnicamente, il funzionamento della gru a cavalletto si basa sulla sincronizzazione di otto verricelli, due per ciascun angolo dei componenti in calcestruzzo. Il software di controllo del verricello consente di configurare e monitorare il carico, la velocità, i parametri minimi e massimi e gli allarmi di sincronizzazione. In questo modo è possibile programmare i verricelli per garantire sollevamenti sicuri ed efficaci.
Insegnamenti chiave
Gli insegnamenti chiave che possiamo trarre dal sistema con gru per il sollevamento di carichi pesanti sviluppato da Enerpac includono:
- Essere aperti ad approcci alternativi
Nella maggioranza dei casi, la configurazione composta da martinetti a trefolo e scorrimento è l’ideale per i progetti di sollevamento di carichi pesanti. In questo caso, la posizione offshore e i limiti di tempo hanno reso necessario un approccio diverso. La soluzione con verricelli e carrelli ha consentito un sollevamento più agevole e veloce dei componenti prefabbricati in calcestruzzo. - Tenere conto del costo di proprietà
Inizialmente la configurazione con verricelli e carrelli risulta più costosa rispetto al sistema con martinetti a trefolo e scorrimento. Tuttavia, se si considerano i costi di sostituzione e manutenzione dei cunei dei martinetti a trefolo e della guida con piastrelle in PTFE del sistema a scorrimento, la soluzione con verricelli e carrelli risulta più conveniente nel corso dell’intero progetto.
Non trascurare i requisiti di potenza e il costo energetico complessivo
Il sistema a scorrimento e martinetti a trefolo richiede una potenza idraulica nettamente superiore rispetto alla configurazione con verricelli e carrelli. In questo caso, la differenza di prezzo è stata pareggiata dal costo maggiore dei componenti idraulici necessari per verricelli e carrelli.
