Un approccio di simulazione CEL per il livellamento per penetrazione delle fondazioni multi-cupola che incorpora il metodo dell'analogia termica

Mantenere le torri marine in piedi dritte

Parchi eolici offshore e piattaforme si affidano a fondazioni solide ancorate in sedimenti marini teneri. Quando queste fondazioni si inclinano durante l'installazione, la loro capacità portante e la sicurezza diminuiscono, e correggere tale inclinazione in mare è costoso e difficile da testare. Questo studio mostra come le simulazioni al calcolatore possano prevedere in modo economico e affidabile come un tipo speciale di fondazione, costituito da diverse grandi “cupole”, si assesta e si livella sul fondale, compreso il movimento dell’acqua di mare attraverso la sabbia durante il processo.

Perché le fondazioni multi-cupola contano

Invece di infissionare numerosi lunghi pali nel fondale, gli ingegneri possono impiegare fondazioni multi-cupola, che somigliano a un grappolo di lattine capovolte collegate da una struttura. Questi sistemi sono interessanti perché si installano più rapidamente, possono talvolta essere riutilizzati e disturbano il fondale meno rispetto ai metodi tradizionali. Tuttavia, condizioni del fondale disomogenee o variazioni locali della resistenza del terreno possono far inclinare l’intera fondazione mentre si insacca. Le norme per le strutture offshore limitano questa inclinazione a pochi gradi, perciò gli operatori devono controllare con attenzione come ogni cupola viene fatta penetrare nel fondale mediante suction, un vuoto lieve applicato all’interno delle cupole. Finora, la maggior parte delle indicazioni su come procedere derivava da esperimenti in vasca piccoli e dispendiosi in termini di tempo.

Usare il flusso come il calore in un sandbox digitale

Simulare questo processo è difficile perché il terreno attorno alle cupole si deforma molto mentre l’acqua di mare percola attraverso i pori. Gli strumenti numerici standard faticano quando la maglia del terreno si allunga e si torce e molti non gestiscono direttamente il flusso d’acqua con grandi deformazioni. Gli autori usano una tecnica chiamata metodo accoppiato Euleriano-Lagrangiano (CEL), in cui il terreno è lasciato “scorrere” attraverso una griglia fissa mentre le cupole d’acciaio si muovono al suo interno. Per catturare il movimento dell’acqua senza elementi fluidi dedicati, sfruttano una coincidenza matematica: le equazioni che descrivono la percolazione stazionaria attraverso il terreno hanno la stessa forma di quelle per la diffusione del calore in un solido. Trattando la pressione dell’acqua come se fosse temperatura e il flusso come se fosse flusso di calore, possono tracciare la percolazione usando il modulo di trasferimento di calore del software.

Verificare l’analogia e il modello

Prima di affidarsi a questa scorciatoia, il team la verifica su due problemi classici: acqua che scorre attraverso una colonna alta di sabbia e acqua che si muove attorno a una parete impermeabile sepolta nel terreno. In entrambi i casi, le simulazioni basate sulla “temperatura” corrispondono ai calcoli convenzionali di percolazione in termini di tensioni, variazione di pressione e pattern di flusso, dimostrando che l’analogia è valida per flussi lenti e saturi. Successivamente costruiscono una versione virtuale dettagliata di una fondazione a quattro cupole già testata in laboratorio. Sintonizzando solo pochi parametri del terreno entro limiti realistici, la simulazione riproduce la profondità raggiunta per gravità propria, la forza aggiuntiva necessaria per spingere la fondazione fino a una profondità target e quanto inclinazione viene corretta quando si applica un vuoto lieve alla cupola più alta.

Guardare dentro il fondale durante il livellamento

Con fiducia nel modello, gli autori usano l’analogia termica per scrutare il terreno durante il livellamento, cosa non possibile in laboratorio. Bloccano il moto delle cupole in diversi istanti chiave e calcolano il pattern di percolazione stazionaria attorno a una coppia di cupole. I risultati mostrano che le variazioni di pressione interstiziale sono concentrate sotto e vicino alla cupola dove si applica il vuoto, diffondendosi più in profondità che lateralmente. Le velocità d’acqua più elevate si osservano al bordo della cupola, soprattutto lungo la parete interna, mentre il flusso nell’area centrale interna alla cupola è molto più lento. Man mano che le cupole penetrano più a fondo, queste velocità di percolazione diminuiscono gradualmente, suggerendo che un’incassamento maggiore consente l’uso di un vuoto leggermente più intenso senza innescare il cedimento del terreno.

Cosa significa per la progettazione offshore

In termini pratici, lo studio fornisce un modo rapido e applicabile per eseguire prove virtuali di strategie di livellamento per fondazioni multi-cupola su computer invece di affidarsi soltanto a costosi test in vasca. Nei limiti considerati — condizioni lente, sature e un modello di terreno semplificato — l’approccio può prevedere quanto si muoverà una fondazione inclinata quando si regola il vuoto e dove nella sabbia la percolazione è più intensa. Questo offre agli ingegneri uno strumento per perfezionare i piani di installazione, ridurre il rischio di inclinazioni eccessive o di erosione locale del terreno e comprendere meglio come questi raggruppamenti di cupole interagiscano col fondale man mano che l’eolico offshore e altre strutture marine si spingono in acque più profonde.

Citazione: Gao, K., Cheng, Z., Yu, K. et al. A CEL simulation approach for penetration-leveling of the multi-bucket foundation incorporating the temperature analogy method. Sci Rep 16, 16165 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45440-1

Parole chiave: fondazioni eoliche offshore, fondazione multi-cupola, percolazione del suolo, simulazione numerica, ingegneria del fondale marino