SPETTRI D'ONDA DIREZIONALI: CALIBRAZIONE DELLA FUNZIONE DI DISTRIBUZIONE DIREZIONALE DI MITSUYASU SU DATI MISURATI.

This thesis is part of a project having the aims to create statistical analysis systems of the wave spectra starting from measured data. A number of sea states measured at two specific sites has been analysed, the first site is located east of the Mediterranean Sea near the Nile Delta, the second site is located in the Barents Sea. The main targets of this work are two. The first one is to create and obtain a graphic representation of the directional spectrum of a sea state that provides useful information both for the understanding of the complexity of the sea state and for the installation of submarine pipelines. From measured data by directional buoys, expressed in terms of development Fourier series components for each location, the directional spectra of each selected sea state were represented. From this graphic representation is possible to evaluate the intensity of spectral density in the frequency and direction domains. Informations about directional spectra are really important in the pipeline installation. Seakeeping is the reason why we make this methodology. Seakeeping is the ability to seaworthiness, that is the response of the vessels for pipelines installation during the extreme sea conditions. Generally, vessel’s answer to sea waves is essentially based on one-directional sea but, using a more complex and complete description of a sea state, which provides directional distribution of the associated energy, it is possible to appreciate a significant reduction at the peak frequency and direction. Thanks to this methodology in installation the analysis, is possible to consider the environmental loads as much as possible similar to reality. The second target of this thesis is to appreciate how much the measured data are well described by the relationships that are usually used to calculate the design parameters. In particular, a comparison between Directional Spreading Function by measured data and Directional Spreading Function by Mitsuyasu et al is made. The aim is to obtain a Directional spreading Function having the structure of that of Mitsuyasu et al, where the parameter s minimizes the difference between the two functions. From this methodology it is possible to identify the trend of s values as a function of the ratio between frequency and peak frequency. A comparison between s values trend and Goda and Sukuzi equations has been made and it is possible to say that for frequencies lower than peak frequency Goda and Suzuky equation does not well represent the distribution of measure values, while it is a good representation for frequencies higher than the peak one. A better approximation of the measured data can be obtained by making an iterative process on the s parameter. This process led to the definition of an optimal range of applicable values of the s parameter. At the end, the results obtained were correlated with the synthetic data of each analysed sea states, through the graph s_max-H_0⁄L_0 proposed by Goda and Sukuzi and generally used for the definition of the design parameters. It is possible to notice that the curve proposed by Goda and Sukuzi is a sort of upper bound extreme.

Questo lavoro di tesi si inserisce all’inizio di un progetto finalizzato alla realizzazione di sistemi di analisi statistica degli spettri d’onda partendo da dati misurati. Vengono pertanto analizzati una serie di stati di mare misurati in due siti specifici, il primo a est del Mar Mediterraneo in prossimità del Delta del Nilo, il secondo nel Mare di Barents. Gli obiettivi che si pongono in questo lavoro di tesi sono principalmente due. Il primo è quello di costruire e ottenere una rappresentazione grafica dello spettro direzionale di uno stato di mare che fornisca informazioni utili sia alla comprensione della complessità dello stesso, sia al campo dell’installazione delle condotte sottomarine. A partire dai dati misurati da boe direzionali espressi in termini di componenti di uno sviluppo in serie di Fourier per ciascuna località, sono stati ricostruiti gli spettri direzionali di ogni stato di mare selezionato. Questa ricostruzione ha permesso di valutare l’intensità della densità spettrale nei domini di frequenza e direzione. La costruzione dello spettro direzionale è di fondamentale importanza nel campo dell’installazione delle condotte. Il seakeeping è la premessa che giustifica lo sviluppo della metodologia. Per seakeeping si intende la capacità di tenuta al mare, cioè la risposta dell’imbarcazione preposta all’installazione, alle condizioni estreme di mare. In linea generale la risposta della nave al moto ondoso è essenzialmente basata su mare unidirezionale ma, se si utilizza una descrizione più complessa ed esauriente di uno stato di mare, che consideri la distribuzione direzionale dell’energia ad esso associata, è possibile apprezzarne una significativa riduzione in corrispondenza della frequenza e direzione di picco. Questo approccio permette la realizzazione di analisi di installazione che considerino un carico ambientale quanto più simile alla realtà e dunque un’ottimizzazione della stessa. Il secondo obiettivo è quello di valutare quanto i dati misurati vengano descritti correttamente da relazioni che vengono utilizzate nella pratica comune per definire i parametri di progetto. In particolare, viene confrontata la Funzione di Distribuzione Direzionale costruita a partire dai dati misurati con la formulazione proposta di Mitsuyasu et al. L’obiettivo è quello di ottenere una Funzione di Distribuzione Direzionale nella formulazione di Mitsuyasu et al avente il parametro s che minimizzi lo scostamento tra le due funzioni. Da questo procedimento è stato possibile identificare l’andamento del parametro s in funzione del rapporto tra frequenza e frequenza di picco. Questo è stato quindi confrontato con la relazione di s proposta da Goda e Suzuki per valutare quanto la stessa fosse rappresentativa dell’andamento estrapolato da dati misurati. Dai risultati si evince che la relazione di Goda e Sukuzi non fornisce una soddisfacente rappresentazione dei punti per frequenze minori alla frequenza di picco mentre è ragionevolmente accettabile l’andamento dei punti per frequenze maggiori alla frequenza di picco. Al fine di ottenere dei risultati che meglio descrivessero l’andamento ottenuto sulla base di dati misurati, è stato intrapreso un procedimento iterativo sul parametro s della formulazione di Goda e Sukuzi. Questo processo ha condotto alla definizione di un intervallo ottimale di valori applicabili del parametro s. Infine, è stato messo in correlazione quanto ottenuto con i parametri sintetici relativi agli stati di mare analizzati, attraverso il grafico s_max-H_0⁄L_0 definito da Goda e Sukuzi e generalmente impiegato per la definizione dei parametri di progetto. I punti rappresentativi degli stati di mare analizzati e riportati su tale grafico tendono a posizionarsi tutti al di sotto di esso; pertanto l’andamento proposto da Goda e Suzuki, può essere considerato come l’estremo superiore dei casi considerati.