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7 CARAMIA SALOMONE RIZZO .pdf



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Title: salomone-caramia-rizzo_Layout 1
Author: g.pesola

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PANORAMICA TECNICO-PROFESSIONALE

Le sovrastrutture navali
e il requisito stealthness
La nuova frontiera del
«materiale su misura»

I

più importanti cambiamenti nell’ambito delle costruzioni navali si sono registrati dalla Rivoluzione
Industriale in poi e hanno riguardato in generale tre
grandi innovazioni: l’introduzione della propulsione
meccanica, l’avvento di propulsori sempre più efficienti
e performanti e l’uso di materiali di costruzione metallici con tecniche di giunzione sempre più avanzate.
Negli ultimi due secoli i primi due fattori hanno avuto
un grande numero di evoluzioni e varianti (dal motore
a vapore al motore Diesel, dalla ruota a pale all’elica,
all’elica di superficie e all’idrogetto). Per quanto concerne il materiale di costruzione, invece, il passaggio
dal legno al ferro e poi all’acciaio ha visto dalla fine dell’Ottocento fino alla metà del secolo scorso un’affermazione quasi totale di quest’ultimo. Quale potrebbe
essere il materiale in grado di superare tecnologicamente l’acciaio come esso fece con il legno?

Il cacciatorpediniere lanciamissili Classe
«Orizzonte» (DDGH) ANDREA DORIA,
una delle unità più moderne e tecnologicamente avanzate della Marina Militare,
durante un’esercitazione in mediterraneo.

Dalla metà del secolo scorso fino agli anni Settanta
le navi militari sono state costruite con sovra-strutture
in lega leggera, in grado di far risparmiare peso nonostante la grande quantità di materiali isolanti usati per
sopperire alla scarsa protezione passiva offerta dall’alluminio contro gli incendi. All’inizio degli anni Ottanta,
però, durante la guerra delle Falkland, nove navi britanniche furono attaccate e affondate dall’aviazione argentina e i media suggerirono che le imbarcazioni furono
perse proprio perché l’alluminio aveva preso fuoco.
Oggigiorno, a distanza di più di trent’anni, l’uso della
lega leggera nelle costruzioni navali ha nuovamente
preso piede, in particolar modo nel campo mercantile e
diportistico ma anche in quello militare per quanto concerne soprattutto le sovrastrutture. Nel ramo militare,
infatti, si registra tra il 2005 e il 2007 il varo delle due
unità cacciatorpediniere lanciamissili della classe «Orizzonte» con alcune sovrastrutture in lega leggera.
Dall’ultima decade del secolo scorso in poi, una
nuova tipologia di materiali ha fatto la sua comparsa
nello scenario dei materiali da costruzione navale: i
compositi.
In ambito Marina Militare è possibile trovare alcuni
esempi d’uso dei materiali compositi in alcune unità
come per esempio i cacciamine della classe«Lerici» e
il pattugliatore Comandante Foscari, ultima delle quattro unità della classe «Comandanti».

Antonio Caramia (*) Giovanni Salomone (**)
Cesare Mario Rizzo (***)

Uno studio sulla «progettazione del materiale»

(*) Sottotenente di Vascello del Genio per la Marina, nato a Taranto nel 1992. Ha frequentato lÊAccademia Navale tra il 2011 e
il 2015, conseguendo nel Giugno 2015 il premio di studio ÿFondazione Guido PaneraiŸ. Attualmente prosegue il suo iter di studi,
in Ingegneria Navale, presso lÊUniversità ÿFederico IIŸ di Napoli.
(**) Sottotenente di Vascello del Genio per la Marina, nato a Salerno nel 1988. Ha frequentato lÊAccademia Navale tra il 2011 e
il 2015. Attualmente prosegue il suo iter di studi, in Ingegneria
Civile ed Ambientale nel ramo Strutture, presso lÊUniversità di
Genova e ha conseguito da ottobre 2015 a giugno 2016 il Master
BIM Management presso AMC3.
(***) Laureato in Ingegneria Navale presso lÊUniversità di Genova,
ha ottenuto il dottorato di ricerca nel 2004 presso la stessa
Università con una tesi sullo sviluppo di regolamenti armonizzati
per la costruzione navale. ˚ stato ispettore di società di classifica e
consulente per armatori e industrie. Attualmente è professore associato di Costruzioni ed Impianti Navali e Marini dellÊUniversità di
Genova. ˚ referente del Marine Structures Testing Lab. ˚ autore di
oltre 130 pubblicazioni scientifiche tra le quali due capitoli del libro
Condition Assessment of aged structures e delle dispense utilizzate
nei corsi di Costruzioni Navali anche presso lÊAccademia Navale.
˚ membro di vari comitati tecnici nazionali e internazionali.

Come deve ragionare un progettista navale? E perché
dovrebbe optare per un materiale diverso dall’acciaio?
Al progettista si presenta oggi un campo di possibilità sempre più ampio e crescente in cui le scelte dei
materiali e dei processi di trasformazione possono
combinarsi dando luogo a quella che è stata definita
come una iperscelta: per un dato prodotto non c’è più
un solo materiale che si impone come scelta quasi obbligata ma esistono diversi materiali in concorrenza tra
di loro. Solo un’analisi approfondita e allargata all’intero processo produttivo, ed eventualmente anche alla
vita successiva del prodotto, può portare a individuare
la soluzione più soddisfacente.
Il punto di arrivo di questa ricerca di prestazioni
complesse e sempre più vicine a un campo di impiego

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Rivista Marittima Aprile 2018

Rivista Marittima Aprile 2018

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Le sovrastrutture navali e il requisito stealthness
particolare è un materiale appositamente messo a punto
per un determinato impiego: non si tratta più di scegliere ma di progettare il materiale.
I materiali compositi si inseriscono in questa categoria di materiali da progettare dei quali probabilmente rappresentano l’archetipo. Per materiali
compositi (Figura 1) si intende quella categoria di
materiali in cui una delle fasi (parti n.d.r.), detta rinforzo, è disposta in modo opportuno all’interno dell’altra fase detta matrice. Alla prima sono
principalmente demandate le proprietà meccaniche
del materiale (da cui dipende per esempio la resistenza del materiale), la seconda ha la funzione di tenere insieme le fibre e di realizzare la forma del
pezzo. La percentuale di rinforzo presente nella matrice è un indice qualitativo delle proprietà meccaniche complessive del materiale.
In questo articolo sono sinteticamente presentati i risultati di uno studio che ha avuto come obiettivo la determinazione dei vantaggi e degli svantaggi della scelta
di un materiale diverso dall’acciaio per la costruzione
delle sovrastrutture delle navi militari.
Lo studio, che fornisce risultati del tutto generali e
applicabili alla maggioranza delle unità militari, prende
come riferimento una nave della Marina Militare italiana: il cacciatorpediniere lanciamissili Andrea Doria,
una delle unità più moderne e tecnologicamente avanzate della Flotta. Nello specifico, i risultati presentati
in questo articolo sono stati ricavati dal dimensionamento della sovrastruttura più importante delle navi
militari in relazione alla funzione e a causa delle apparecchiature che essa ospita: l’albero o, con termine anglosassone, il mast.

Figura 1 - Le componenti di un materiale composito (Fonte: Tesi Caramia A.)

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Le sovrastrutture navali e il requisito stealthness

La tecnologia Stealth

I materiali radar assorbenti

Ancora non è chiaro, però, per quale motivo si dovrebbe optare per un materiale diverso dall’acciaio
come per esempio la vetroresina. Per poter chiarire
questo punto è necessario definire quali siano le caratteristiche peculiari più importati nella progettazione di
un albero per poter poi verificare come rispondono i
diversi materiali a tali richieste progettuali.
Il mast di una nave militare ha una struttura scatolare atta a contenere tutte le apparecchiature elettroniche di cui l’unità Navale dispone per la scoperta
marina e aerea dei bersagli, per la guerra elettronica,
per limitare la segnatura elettromagnetica, ecc... Questa caratteristica fa sì che l’albero debba essere costituito di materiale quanto più trasparente possibile
alle radiazioni elettromagnetiche in modo da garantire alle apparecchiature in esso contenute di funzionare con la massima copertura radar. La struttura,
altresì, deve soddisfare al meglio i requisiti di stealthness indispensabili per una nave militare e, quindi,
dovrà essere sviluppata in modo da fornire la minima
segnatura elettromagnetica e Radar Cross Section
(che è proprio un indice delle proprietà di stealthness
dell’unità) ponendo particolare attenzione alle geometrie e ai materiali utilizzati.
Per tecnologia stealth si intende l’insieme di accorgimenti, di varia natura (tattica, tecnica e tecnologica),
che permettono di diminuire la propria evidenza all’osservazione da parte nemica. Più che una scienza precisa, si tratta di una vera e propria «filosofia», perché
essa è in genere posta al di sopra della tecnologia, che
viene applicata per concretizzare il senso del concetto,
essenzialmente tattico, d’essere visti il meno possibile
per non soccombere all’azione di
eventuali nemici. Con l’introduzione
dei radar nei sistemi di combattimento navali e aerei, si è pensato inizialmente che nessun oggetto
potesse sfuggire alle capacità di rilevamento di questi dispositivi; nel
tempo, però, ci si è resi conto che
anche questi apparati sono ingannabili con le tecniche dette di guerra
elettronica.

Allo stato dell’arte, le tecniche per ottenere una nave
stealth mediante la progettazione del materiale sono un
argomento poco approfondito dalla letteratura tecnico
scientifica: in questo studio si è cercato di rifarsi alle esperienze già maturate in ambito nazionale e internazionale.
La navi stealth più note attualmente sono le fregate
classe «La Fayette» in servizio presso la Marine Nationale francese (Figura 2). Esse hanno fatto scuola per
i progetti di nuova generazione, in quanto rappresentano lo stato dell’arte di nave stealth caratterizzata da
una bassa osservabilità elettromagnetica e acustica.
La loro ridotta sezione radar è stata ottenuta grazie
al progetto di una sovrastruttura molto pulita rispetto
alle soluzioni tradizionali, con lati inclinati e paratie
esterne costruite in materiale radar assorbente, un composito leggero e maggiormente resistente al fuoco rispetto ai materiali compositi usuali. Merita una
particolare nota il fatto che queste sovrastrutture presentino i rinforzi interni in acciaio e solo i fasciami
esterni in materiale composito.
Considerando che il principio di funzionamento dei
radar si basa sull’individuazione di un segnale che rimbalza dall’oggetto osservato, è evidente che esso sia influenzato dalla forma dell’oggetto stesso e dal tipo di
materiale di cui è composto. Lavorando perciò sulla
forma dei sistemi d’arma, si è cercato di ridurre il segnale di ritorno con superfici opportunamente inclinate.
Nello stesso tempo, sono stati messi a punto materiali
radar assorbenti, chiamati RAM (Radar Ab-sorbent
Material), in grado di «catturare» parte dell’energia che
li colpisce; essi sono in generale re-sine con particelle
di ferrite in sospensione, ma non mancano altri tipi basati su principi di assorbimento diversi.

Rivista Marittima Aprile 2018

Figura 3 - Principio di funzionamento delle iron ball paint, un tipo di RAM
(Fonte: Tesi Caramia A.).

I materiali radar assorbenti sono utilizzati per nascondere un veicolo, una nave o una struttura dal rilevamento radar; in Figura 3 è rappresentato il principio
di funzionamento di una tipologia di RAM. È bene specificare che un RAM non può assorbire perfettamente
onde radar a qualsiasi frequenza: a ciascuna particolare
composizione corrisponde una maggiore capacità di assorbire onde a una determinata frequenza. Tuttavia, un
materiale radar assorbente è in grado di ridurre in modo
significativo la Radar Cross Section di un oggetto.
Se il progettista vuole abbassare la RCS applicando
sulle pareti esterne della nave strutture capaci di assorbire le frequenze radar, è inevitabile l’uso dei materiali
compositi in quanto sarà necessaria la presenza di una
matrice polimerica in cui inserire particelle (per esempio
di ferrite o di carbonio) che se opportunamente distribuite nella matrice di un composito sono perfettamente
efficaci alle frequenze di interesse delle navi militari.
In Marina Militare, l’unico esempio di nave avente
le sovrastrutture in materiale composito è quello di
nave Comandante Foscari, ultima unità della classe
«Comandanti». Una raffigurazione di questa unità è
mostrata in Figura 4.

Descrizione della nave modello e dimensionamento del mast in 3 materiali
Figura 2 - Capoclasse della Classe «La Fayette».

Rivista Marittima Aprile 2018

Come anticipato, per eseguire lo studio è stata scelta una
nave della nostra flotta: nave Andrea Doria (Figura 5) è la
prima delle due unità della classe «Orizzonte» commis-

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Le sovrastrutture navali e il requisito stealthness

Figura 4 - Nave COMANDANTE FOSCARI.

Figura 5 - Vista longitudinale di Nave ANDREA DORIA.

sionate a Fincantieri dalla Marina Militare con contratto siglato nell’ottobre 2000; nella Tabella 1 sono
elencate le caratteristiche principali della nave modello.
Nave Andrea Doria è capace di raggiungere una velocità di 29 n, 18 con i soli diesel in moto, e ha un’autonomia di 7.000 miglia a 18 n e 3.500 miglia a 24 n.
Per poter effettuare un buon confronto tra le diverse
scelte di materiale che si presentano al progettista, la
Tabella 1 - Caratteristiche di Nave Andrea Doria.

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Le sovrastrutture navali e il requisito stealthness

struttura dell’albero di prora (Figura 6) di
nave Andrea Doria è stata ridimensionata
(1) in acciaio, lega leggera e in vetroresina.
Inoltre il dimensionamento in materiale
composito è stato eseguito per due diversi
valori della percentuale di rinforzo presente
nella matrice: 40% e 50% (GC=0,4 e
GC=0,5 secondo le indicazioni del regolamento per la costruzione degli scafi in plastica rinforzata del RINA).
Risulta molto interessante valutare il peso
complessivo della struttura in ciascuna delle
varianti di materiale analizzate. In Figura 7
sono riportati i risultati di tali calcoli con
l’aggiunta di una configurazione che prevede la struttura del mast in acciaio fino al
ponte 06 e in lega leggera sopra tale ponte.
Questo tipo di configurazione è proprio
quella scelta da Fincantieri per la nave modello. Come ci si aspetta la scelta dell’acciaio come materiale di costruzione del mast è quella meno vantaggiosa
in termini di peso, seguita dalla configurazione acciaio
+ lega leggera che risulta essere un buon compromesso.
I risultati più interessanti, però, si hanno dai pesi relativi alle configurazioni totalmente in lega leggera e
vetroresina: in contrasto
con quelle che erano le
aspettative iniziali, la
struttura in lega leggera
ha un peso inferiore rispetto alla stessa struttura
in materiale composito
con Gc = 0,4. La soluzione in vetroresina con
Gc = 0,5 invece fornisce
dei risultati soddisfacenti
dato che il peso della
struttura risulta essere
circa 2,5 volte più piccolo di quello della stessa
struttura in acciaio e di
poco inferiore a quello
della stessa struttura in Figura 6 - Modello 3D del mast
(Fonte: Tesi Caramia A.).
lega leggera.

Rivista Marittima Aprile 2018

Figura 7 - Pesi varie tipologie di struttura
(Fonte: Tesi Caramia A.).

Confronto dei pesi dei diversi dimensionamenti
A questo punto si hanno a disposizione abbastanza
dati per poter giungere alle opportune conclusioni di
questo lavoro.
È evidente che, per quanto concerne il risparmio di
peso, la differenza maggiore si ha tra acciaio e lega leggera/materiale composito mentre non si registrano
grandi differenze tra i pesi del mast in questi ultimi due
materiali. Nello specifico è sorprendente, almeno apparentemente, il fatto che l’albero costruito interamente
in vetroresina con Gc=0,4 risulti più pesante della soluzione in lega leggera. Questo risultato è un chiaro indice del fatto che per risparmiare peso con i materiali
compositi sia necessario un approccio di verifica molto
avanzato (servendosi di software di calcolo agli elementi finiti) e che, invece, un approccio di tipo «regolamentare» (come quello usato in questo studio) non
permetta di sfruttare appieno i vantaggi di un materiale
composito. Altro risultato interessante è sicuramente il
fatto che variando la tipologia di laminazione (e quindi
passando a un Gc di circa 0,5) si ottenga una struttura
sensibilmente più leggera e quindi più performante dal
punto di vista della stabilità complessiva della nave.
In questo lavoro, inoltre si è deciso di lasciare inalterato il layout della struttura portante del mast nel passaggio dalla progettazione in acciaio/alluminio al
materiale composito: gli intervalli tra i rinforzi in vetroresina sono rimasti quelli delle strutture metalliche.

Rivista Marittima Aprile 2018

Questa scelta è sicuramente penalizzante al fine di
esprimere al meglio le potenzialità del materiale composito dato che i cantieri operanti nel settore hanno ben
in evidenza che per ottenere reali vantaggi dall’introduzione a bordo di materiali compositi non sia sufficiente «sostituire» semplicemente il materiale
tradizionale, ma che occorra riprogettare opportunamente anche la configurazione strutturale. Infine, ottime prestazioni potenziali possono essere vanificate
dalla necessità di coefficienti di sicurezza relativamente
elevati che il calcolo di tipo regolamentare impone. Da
tali considerazioni scaturisce il fatto che la scelta del
materiale debba essere fatta anche tenendo conto di fattori come la possibilità di ottimizzare il progetto con
tecniche di calcolo avanzate.

I requisiti operativi
Dal punto di vista meramente strutturale, dunque,
facendo un confronto tra il materiale composito e degli
altri considerati, probabilmente la soluzione migliore
risulta essere quella di progettare le sovrastrutture in
lega leggera visti i buoni risultati in termini di peso risparmiato, la relativa semplicità progettuale e il costo
inferiore rispetto a quello del composito.
Dato che la nave di riferimento per il presente studio
è una nave militare, è evidente che le considerazioni da
fare per la scelta del materiale di costruzione non possano essere solo economiche: il profilo di missione di
una nave militare impone scelte di carattere espressa-

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Le sovrastrutture navali e il requisito stealthness
mente tattico e, come detto, il requisito di stealthness
è una di queste ed è evidente in questo senso che i materiali compositi forniscano un decisivo contributo nel
tentativo di rendere furtiva l’unità.
Un altro aspetto di cui tenere conto nell’ambito delle
costruzioni navali militari è sicuramente quello della
sicurezza e, nello specifico, delle difesa passiva contro
i fenomeni di incendio a bordo. Da questo punto di
vista sia la lega leggera che i materiali compositi presentano notevoli problematiche; per quanto riguarda
proprio i compositi queste problematiche sono state
confermate dagli episodi che si sono registrati negli
anni ai danni di navi mercantili. Si cita solo a titolo di
esempio l’incidente avvenuto il 19 Novembre 2002 sul
MCMV Orkla della Royal Norwegian Navy, incidente
durante il quale nel giro di 26 minuti (dal segnale di
«fuoco a bordo») l’unità è stata persa per collasso della
sovrastruttura costruita interamente in vetroresina.
Tuttavia con i moderni sistemi di difesa passiva
anche le strutture in lega leggera e/o materiale composito possono raggiungere buoni standard di resistenza
al fuoco e assicurare una sufficiente sicurezza nei confronti dell’incendio a bordo.

Conclusioni
Provando a tirare le somme, si giunge alla conclusione che probabilmente la scelta della Marina francese
di realizzare in vetroresina solo i fasciami esterni delle
sovrastrutture adottando per i rinforzi un approccio tradizionale in acciaio, sia molto interessante. In definitiva,
nel caso della nave modello presa in esame, si potrebbe
procedere progettando completamente in vetroresina le
parti alte della struttura come i mast (compreso quello

Figura 8 - Modello 3D di Nave ANDREA DORIA (Fonte: Tesi Caramia A.).

del radar tridimensionale a lunga portata) in modo da
sfruttare appieno il risparmio di peso in alto e quindi i
miglioramenti in termini di stabilità. Per quanto riguarda le parti più basse della sovrastruttura, invece, si
potrebbe pensare di procedere al dimensionamento dei
rinforzi in acciaio e all’adozione di laminati in materiale
composito, di qualità e opportunamente coibentato, per
le paratie esterne.
Una configurazione di questo tipo può essere efficacemente riassunta come in Figura 8 nella quale è rappresentato un modello tridimensionale di nave Andrea
Doria in cui sono evidenziate le parti completamente
in materiale composito (in blu) e quelle con i rinforzi
in acciaio e le paratie esterne in vetroresina (in verde).
Nell’ipotesi di scegliere questo tipo di configurazione
si riuscirebbe a unire al risparmio di peso nelle parti
alte il soddisfacimento del requisito di stealthness con
una buona sicurezza dal punto di vista della tenuta al
fuoco visto che, essendo le strutture portanti in acciaio
non ci sarebbe il rischio di assistere a fenomeni di collasso totale della sovrastruttura in caso di incendio. 8

NOTE
(1) In ingegneria, nell’ambito della progettazione, per dimensionamento si intende l’individuazione dei parametri di natura geometrica, fisica ecc.. che caratterizzano
l’opera da realizzare e che ne garantiscono al tempo stesso la piena funzionalità e le prestazioni secondo le specifiche tecniche del progetto nonché la sua affidabilità
e sicurezza durante l'intero tempo di vita operativa o di esercizio dell’opera stessa.
BIBLIOGRAFIA
Antonio Caramia, Progettazione della struttura e del materiale delle sovrastrutture delle navi militari, relatore Prof. Ing. Cesare M. Rizzo, Accademia Navale, Livorno 2015.
Andrea Corvi, Il progetto con i materiali compositi, Università degli studi di Firenze.
Alberto Marinò, Costruzioni navali in composito, 2014, Università degli studi di Trieste.
Merrill I. Skolnik, Radar handbook - 3rd edition, New York, 2008, McGraw-Hill.
Norman Friedman, Stealthy Warships - Theory & Practice, Armada International, Aug/Sep 2002.
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Appunti per il corso di Costruzioni navali a cura del prof. Rodolfo Tedeschi e del prof. Ing. Cesare Mario Rizzo.
Dimensionamento strutturale delle imbarcazioni da diporto a cura del prof. Rodolfo Tedeschi e del prof. Ing. Cesare Mario Rizzo.
Alberto Marinò, Tecnologia della nave, Università degli studi di Trieste.
Mauro Caciolai, L’uso dell’alluminio nelle costruzioni: problemi connessi con la sicurezza antincendio.
Appunti per il corso di Tecnologie di chimica applicata del prof. Giuseppe Siracusa dell’Università degli studi di Catania.

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