2015/2016 Appunti di Costruzioni Idrauliche Riassunti delle lezioni ed integrazione dalle seguenti fonti : Slides Prof. Pianese Acquedotti – Guida alla progettazione Valerio Milano Appunti di Costruzioni Idrauliche – G. Ippolito Sistemi di fognatura – Manuale di progettazione Idraulica – Citrini Noseda Relazioni dei progetti La presente dispensa vuole riassumere i concetti fondamentali appresi dalle fonti sopra citate, allo scopo di avere uno schema concettuale ordinato ed evitare di dover passare continuamente da un libro all'altro durante la preparazione dell'esame; ovviamente, tali fonti fungono da riferimento in caso di eventuali errori materiali presenti in questa dispensa o qualora ci fosse la necessità di approfondire determinati argomenti. N.B: In molti punti, si farà riferimento ai progetti realizzati da un gruppo di ragazzi per un particolare Centro Urbano. Ovviamente qualsiasi altro progetto avrà le proprie peculiarità, per cui i vari passaggi numerici presenti non hanno validità assoluta; essi rappresentano soltanto una base da cui partire per la realizzazione dei progetti ma ciascuna fase progettuale dovrà, in ogni caso, essere concordata con il Prof. o i suoi assistenti.
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Appunti di
Costruzioni Idrauliche
Riassunti delle lezioni ed integrazione dalle seguenti fonti :
Slides Prof. Pianese
Acquedotti – Guida alla progettazione Valerio Milano
Appunti di Costruzioni Idrauliche – G. Ippolito
Sistemi di fognatura – Manuale di progettazione
Idraulica – Citrini Noseda
Relazioni dei progetti
La presente dispensa vuole riassumere i concetti fondamentali appresidalle fonti sopra citate, allo scopo di avere uno schema concettualeordinato ed evitare di dover passare continuamente da un libroall'altro durante la preparazione dell'esame; ovviamente, tali fontifungono da riferimento in caso di eventuali errori materiali presenti inquesta dispensa o qualora ci fosse la necessità di approfondiredeterminati argomenti.
N.B: In molti punti, si farà riferimento ai progetti realizzati da ungruppo di ragazzi per un particolare Centro Urbano. Ovviamentequalsiasi altro progetto avrà le proprie peculiarità, per cui i varipassaggi numerici presenti non hanno validità assoluta; essirappresentano soltanto una base da cui partire per la realizzazione deiprogetti ma ciascuna fase progettuale dovrà, in ogni caso, essereconcordata con il Prof. o i suoi assistenti.
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Programma dettagliato 2015/2016
1. Argomenti affrontati nell’ambito delle lezioni del corso:
1.1 Ciclo integrato delle acque - Schematizzazione concettuale del sistema costituito, nell’ordine: dalle fonti di alimentazione e dalle relative opere di captazione; dal sistema di adduzione; dalle vasche ubicate in prossimità dell’utilizzazione; dei Centri di utenza; del sistema di distribuzione delle acque; del sistema di raccolta delle acque reflue e di origine meteorica, del sistema depurativo, con scarico nel corpo idrico ricettore costituente, a sua volta, una nuova possibile fonte di alimentazione;
1.2 Fonti di alimentazione – Loro distinzione in “superficiali” e “profonde”. Tipologie e loro caratterizzazione in relazione sia ai quantitativi d’acqua prelevabili e alla loro variabilità intra-annuale e inter-annuale, sia alle loro caratteristiche di qualità e alla variabilità intra-annuale e inter-annuale di queste ultime;
1.3 Opere di captazione: loro tipologie costruttive in relazione alle possibili fonti di alimentazione e relativi criteri di progettazione
1.4 Sbarramenti artificiali: Indicazioni sulle normative in vigore; tipologie funzionali e costruttive: cenni sulle Dighe e sulle traverse fluviali;
1.5 Sistemi di adduzione: Criteri di scelta tra sistemi a pelo libero o in pressione; Tipologie costruttive – Tubazioni in commercio e relativi criteri di scelta; Analisi dei fabbisogni idrici per utenze civili, irrigue, industriali ed idroelettriche, e loro analisi comparativa. Dotazioni idriche e loro variabilità – Indicazioni fornite dal PRGA sulle fonti di alimentazione da utilizzare in relazione ai fabbisogni individuati per uso civile; validità del PRGA anche in relazione alla sua emanazione; aggiornamenti del PRGA – Fabbisogni attuali e futuri e loro modalità di valutazione anche in relazione ai dati acquisibili presso gli Uffici comunali e agli strumenti urbanistici vigenti o in itinere; criteri di dimensionamento delle opere di adduzione – scelta dei tracciati – interferenza dei tracciati con il reticolo idrografico, con altre opere antropiche a rete (ferrovie, strade, autostrade, metanodotti e gasdotti, reti fognarie, altri acquedotti), con aree classificate, dalle Autorità di Bacino competenti per territorio, come “a pericolosità” e “a rischio” (per frane e/o alluvioni), con aree interessate da terreni aggressivi o con presenza di falda, con aree denudate esposte a forti variazioni termiche, etc. – Principali opere d’arte: scarichi, sfiati, saracinesche di sezionamento, valvole di regolazione del flusso e/o della pressione – valvole motorizzate e non – Misuratori di portata- misuratori di pressione
1.6 Impianti di sollevamento per acquedotti: Finalità degli impianti di sollevamento - Schema funzionale,principali parti che li costituiscono e loro funzione - Criteri di progettazione degli impianti di sollevamentosecondo criteri di minimizzazione del costo e di riduzione dei fenomeni di moto vari. - Pompe: tipologie eloro modalità di funzionamento Campi di impiego delle diverse tipologie di pompe - Sistemi costituiti da pompe semplici, da pompe in serie e da pompe in parallelo - Curve caratteristiche delle pompe : curva Prevalenza-portata; curva rendimento-portata (o potenza-portata), curva NPSH-portata; NPSH di unapompa e sua utilizzazione ai fini della determinazione della posizione della pompa rispetto al pelo liberonella vasca di aspirazione - Concetto di diametro di minimo costo e sua pratica utilizzazione - Fenomeni di moto vario - riferimenti normativi relativi - Organi di attenutazione dei fenomeni di moto vario e loroprincipi di dimensionamento e verifica: Pozzi e tubi piezometrici; Volani - Casse d'aria - Campi diapplicazione dei diversi organi di attenuazione dei fenomeni di moto vario negli impianti di sollevamento
1.7 Serbatoi per acquedotto: Funzioni dei serbatoi: di riserva, di compenso e antincendio, di carico (minimo e massimo) e di sconnessione. Valutazione delle volumetrie da assegnare ai serbatoi cittadini in relazione alle loro funzioni; forme planimetriche e relativi criteri di scelta; Posizionamento plano-altimetrico del serbatoio anche in relazione a problemi gelogici, geotecnici, costrittivi, manutentivi, paesaggistici ed ambientali. Modalità di funzionamento dei serbatoi – Funzione di eventuali pozzetti “di shuntaggio”- Camere di manovra e loro progettazione.
1.8 Reti di distribuzione idrica interne ai centri urbani: Finalità. Tipologie (magliate/ramificate/miste); Criteri di progettazione. Percorsi. Tipologie di tubazioni utilizzabili e relativi criteri di scelta; Criteri di
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dimensionamento dei vari tratti; Necessità delle verifiche idrauliche e loro finalità. Metodi di verifica delle reti idriche in pressione con riferimento a condizioni stazionarie: Metodo di Cornish, e sua implementazione sia con riferimento a portate richieste fissate a priori (approccio “demand driven”) che con riferimento a portate aloro vilta variabili in funzione delle pressioni esistenti in rete (approccio “pressure driven”); Necessità di dover eseguire diverse “famiglie” di verifiche, con riferimento a condizioni di funzionamento “ordinarie” (alla punta), “extra-ordinarie” (con uno o componenti elettromeccanici temporaneamente esclusi dal servizio) o “straordinarie” (all’incendio). Principali organi e opere d’arte presenti in rete.
1.9 Sistemi per la raccolta e il successivo smaltimento delle acque reflue e delle acque di origine meteorica - Sistemi “statici” e “dinamici”: tipologie e relativi criteri di scelta. Sistemi “statici”: Pozzetti di raccolta e impianti di depurazione a servizio di piccole comunità – Sistemi dinamici: fognature a sistema “separato” (per la raccolta, rispettivamente, delle acque reflue e di quelle di origine meteorica) e “unitarie” (cosiddette “miste”), per la raccolta e il successivo convogliamento sia delle acque reflue che di quelle di origine meteorica: Vantaggi e svantaggi delle due tipologie, e relativi criteri di scelta. Dimensionamento delle reti fognarie a sistema separato e misto. Metodo della corrivazione (semplificato secondo la Scuola Tedesca)– Metodo dell’invaso (non lineare). Dati di input per il dimensionamento/verifica dei condotti. Curve di probabilità pluviometrica: loro significato e possibilità di ottenimento. Vasche per la raccolta delle acque di prima pioggia: vantaggi, svantaggi, modalità costruttive e problemi gestionali; scaricatori di piena: descrizione delle tipologie principali e dei loro campi di impiego. Princiapli opere d’arte presenti nelle fognature urbane
2. Laboratorio esercitativo
2.1 Esercitazioni esplicate, a livello di gruppo, con riferimento a:
- progettazione (a livello di Studio di fattibilità) di un acquedotto a servizio di uno o più comuni;
- progettazione (a livello di progettazione preliminare) di una rete urbana di distribuzione idrica;
- progettazione (a livello di studio di fattibilità/progetto preliminare) di una rete fognaria a servizio di uncomune
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ACQUEDOTTO
Col termine acquedotto si intende quel complesso di opere necessarie per la captazione, il trasporto,
l’accumulo e la distribuzione dell’acqua per usi civili, industriali, rurali e idroelettrici.
A seconda della natura delle acque utilizzate e della fonte di approvigionamento verrà effettuata una
captazione di diverso tipo ; A valle della captazione viene realizzata un’opera di convogliamento (opera di
adduzione)che può essere in pressione o molto raramente a pelo libero con sezione chiusa, il cui compito è
quello di trasportare l’acqua in prossimità del centro d’utenza, e più precisamente in un opera di accumulo,
ossia un serbatoio, in grado di contenerla in attesa che venga prelevata dalle utenze.
La distribuzione viene realizzata mediante condotte in pressione alle quali si allacciano le varie utenze.
Esistono diversi tipi di utenza, questi differiscono tra di loro sia per la quantità che per la qualità dell’acqua
di cui necessitano. Distinguiamo utenze
CIVILI (Private e pubbliche);
INDUSTRIALI;
RURALI;
IDROELETTRICHE.
Generalmente al termine acquedotto viene associato il concetto di potabilità dell’acqua; in effetti per scopi
pubblici, industriali, rurali ecc. potrebbe anche essere utilizzata acqua non potabile ma dal punto di vista
economico sarebbe sconveniente realizzare due distinte reti di alimentazione, per cui generalmente tutti i
fabbisogni vengono soddisfatti con acqua potabile. Quando invece occorre servire degli insediamenti
industriali o agricoli ben separati dal tessuto urbano, allora è possibile realizzare degli acquedotti appositi
che trasportino acqua non potabile.
L’acqua necessaria per le utenze domestiche dipende soprattutto dal grado di civiltà degli abitanti; a rigore,
per uso di bevanda e per uso di cucina basterebbero pochi litri al giorno a persona, mentre per la pulizia la
quantità d’acqua varia in modo notevole in base all’uso del bagno (infatti per una doccia ci vogliono 40-50
litri e per un bagno in vasca 200 litri circa). Mediamente possiamo ritenere che per tutti gli usi domestici
(quindi anche la pulizia dell’abitazione, il lavaggio della biancheria ecc ecc) non si va al di sotto di 150-180
litri per abitante per giorno. A questi fabbisogni vanno aggiunti quelli per usi pubblici: scuole, caserme,
ospedali, lavaggio strade ecc. Quindi nel complesso, una dotazione di circa 200 litri per abitante per giorno
è appena sufficiente (Napoli ha un consumo di 300 litri per abitante per giorno).
E’ possibile diagrammare la portata richiesta QR durante la giornata. Essa risulta variabile nel corso delle 24
ore a causa delle diverse richieste da parte della popolazione, per cui non conviene assumere 𝑄𝑅(t) come
portata di progetto in quanto la variazione di 𝑄𝑅 provocherebbe oscillazioni della piezometrica e quindi
variazioni di pressione che potrebbero ledere la corretta tenuta dei giunti con conseguenti perdite d’acqua.
Pertanto, per ovviare a tale problema si inserisce, tra l’opera di adduzione e la rete interna, una vasca che
abbia principalmente funzione di accumulo ma che funga da sconnessione idraulica in maniera che la
condotta d’adduzione non risenta degli effetti della richiesta di valle. Si definisce quindi la portata media
quella particolare portata tale che il volume sotteso sia proprio uguale al volume che calcolerei integrando
la funzione 𝑄𝑅(𝑡). Sappiamo che 24 ore sono pari a 86400 secondi, quindi :
𝑸𝒎 =∫ 𝑸𝑹(𝒕)𝒅𝒕
𝟖𝟔𝟒𝟎𝟎
𝟎
𝟖𝟔𝟒𝟎𝟎=
𝑽𝒈
𝟖𝟔𝟒𝟎𝟎= 𝒇 =
𝒅 ∙ 𝑵
𝟖𝟔𝟒𝟎𝟎
Per cui il primo passo è sicuramente quello di definire la dotazione idrica giornaliera “d”, attraverso la
quale arriveremo a definire il fabbisogno idrico “f” (ossia la portata media). Fino a qualche decennio fa,
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ogni centro abitato provvedeva in modo indipendente alla ricerca di acqua potabile e lo Stato forniva i
mezzi per la costruzione di opere a servizio delle singole comunità. Il criterio con cui veniva scelta una fonte
di alimentazione era sostanzialmente la vicinanza al centro abitato (in modo che le opere di trasporto
fossero le più economiche) e le caratteristiche organolettiche (limpidezza, colore, odore ecc.) prescindendo
talvolta dalla sicurezza igienica. Quindi piuttosto che definire prima i fabbisogni e successivamente cercare
una fonte di alimentazione adeguata, spesso si trovava prima la fonte di alimentazione e ci si accontentava
di portare all’abitato la massima portata che poteva fornire. In questo modo alcuni comuni garantivano
dotazioni nettamente superiori di quanto fosse necessario e di quanto fosse consentito a comuni che ne
avevano maggior bisogno e viceversa. Nel corso degli anni si è fatta avanti prima l’idea di acquedotti
consortili a servizio di più comuni fino poi ad arrivare alla soluzione dei grandi acquedotti a servizio di un
gran numero di centri abitati. Infatti nel secondo dopoguerra si ha la trasformazione da una società agricola
a società industriale, per cui i quantitativi d’acqua necessari iniziano ad aumentare. Ad opera della Cassa
del Mezzogiorno (Ente pubblico che finanziava iniziative industriali nel meridione che fu soppresso negli
anni 80 quando iniziano a subentrare le Regioni) vengono realizzati grossi acquedotti regionali (ad esempio
l’acquedotto Campano). Nel 1967 viene pubblicato su gazzetta ufficiale il PRGA (Piano regolatore generale
degli acquedotti), il quale inquadra ogni comune nello schema di un grande acquedotto stabilendo il
fabbisogno idrico necessario (ossia la portata media) con previsioni fino all’anno 2015. (Ci sono stati anche
dei Progetti speciali PS3 con lo scopo di diminuire l’inquinamento nel golfo di Napoli e PS29 che riguardava
la necessità di realizzare un certo numero di acquedotti per la regione Campania).
Oggi non possiamo avvalerci delle previsioni del PRGA che come già abbiamo detto arrivavano fino all’anno
2015, per cui dobbiamo innanzitutto prevedere la popolazione futura dopo un periodo di almeno 40-50
anni e successivamente definire la dotazione idrica. La previsione della popolazione può essere effettuata
attraverso lo studio dell’andamento della popolazione negli ultimi 10 anni (censimenti ISTAT, ufficio
anagrafe del comune ecc.) ed estrapolare un possibile numero di abitanti presenti al 50esimo anno
attraverso una regressione lineare. Fatto questo si valuta la dotazione idrica d la quale è somma di 2
aliquote : 𝒅 = 𝒅′ + 𝒅′′ in cui
d’ è la quantità di acqua necessaria al singolo individuo per giorno per uso personale e domestico (120-
130 l/g ab);
d’’ si è visto essere funzione del numero di abitanti perché dipende dai servizi offerti ed è la quantità
necessaria per abitante per giorno per usi non domestici.
E più precisamente :
𝒅′ =𝑽𝒈′
𝑷= [
𝒍/𝒈
𝒂𝒃] 𝒅′′ =
𝑽𝒈′′
𝑷= [
𝒍/𝒈
𝒂𝒃]
Dove Vg’ è il volume giornaliero necessario per gli usi domestici mentre Vg” è legato ai servizi offerti agli
abitanti e varia appunto in funzione degli abitanti con andamento più che lineare (sistema autorganizzante
e autolimitante) ed ovviamente 𝑉𝑔 = 𝑉𝑔′ + 𝑉𝑔′′.
Si calcola la popolazione attuale e la popolazione futura, da cui risaliamo alla dotazione attuale e futura e si
progetta il sistema nella condizione più critica (Se prevedo che la popolazione va diminuendo prendo come
dotazione più critica quella attuale).
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Calcolo Vg moltiplicando la dotazione per il numero di abitanti :
𝑽𝒈 = 𝒅 ∙ 𝑵
Definita la dotazione (ad esempio 200 litri per abitante e per giorno), calcolata la popolazione dopo 50 anni,
calcolato quindi Vg, posso calcolare il fabbisogno f (cioè la portata media) :
𝒇 = 𝑸𝒎 =𝑽𝒈
𝟖𝟔𝟒𝟎𝟎
A questo punto conosco la portata (costante) che circolerà nell’opera di adduzione. Bisogna dimensionare
l’opera di adduzione. Per tale dimensionamento si individuano un diametro minimo (imponendo una
velocità massima di 2 m/s in modo da evitare vibrazioni eccessive) e un diametro massimo (imponendo una
velocità minima di 0,5 m/s in modo da evitare che l’acqua permanga per troppo tempo nella
tubazione, cosa che potrebbe far variare le caratteristiche organolettiche tipo la temperatura e quindi la
freschezza).
Più precisamente sappiamo che :
𝑸 = 𝒗 ∙ 𝝈 = 𝒗 ∙ 𝝅 ∙𝑫𝟐
𝟒
Da cui ricavo che :
𝑫𝒎𝒂𝒙 = √𝑸
𝝅∙𝒗𝒎𝒊𝒏𝑫𝒎𝒊𝒏 = √
𝑸
𝝅∙𝒗𝒎𝒂𝒙
A questo punto, una volta calcolati i diametri TEORICI non mi resta che scegliere i diametri COMMERCIALI
che avranno un certo Diametro Nominale e determinati diametri interni (che sono quelli che entrano nei
calcoli). Una volta scelti i diametri commerciali, bisogna verificare il corretto funzionamento a tubi usati,
quindi scelgo un coefficiente di invecchiamento pari ad esempio a Ci = 1,5 e calcolo le perdite di carico, che
avvengono nella condotta di adduzione, attraverso una formula di resistenza ad esempio potrei usare Darcy
(generalizzata); tale formula di resistenza quindi risulta una formula di verifica e non di progetto vero e
proprio in quanto il progetto viene effettuato valutando il range di diametri necessari a garantire certi
valori della velocità. Quindi :
∆𝑯 = 𝑪𝒊 ∙ 𝜷 ∙𝑸𝒎
𝑫𝒏∙ 𝑳
Più precisamente nel mio progetto, avendo utilizzato tubazione in acciaio ho utilizzato la formula di
Scimemi – Veronese in cui ,m ed n hanno determinati valori assegnati. In tale formula Q è nota, D è nota, 𝜷
è nota una volta scelto il diametro e il materiale, Ci lo sceglie il progettista (ad esempio pari a 1,5), L lo devo
valutare tracciando il percorso della condotta d’adduzione e ∆𝐇 è l’incognita. Bisogna calcolare questo ∆𝐻
e confrontarlo con quello effettivamente disponibile; alla fine la verifica sarà soddisfatta se :
∆𝑯 = 𝑪𝒊 ∙ 𝜷 ∙𝑸𝒎
𝑫𝒏∙ 𝑳 ≤ ∆𝑯 𝒅𝒊𝒔𝒑𝒐𝒏𝒊𝒃𝒊𝒍𝒆
Quindi prima di tutto devo valutare quanto vale il ∆𝑯 𝒅𝒊𝒔𝒑𝒐𝒏𝒊𝒃𝒊𝒍𝒆, in particolare tale dislivello è quello
che si verifica tra l’inizio della condotta di adduzione e il serbatoio supponendo il serbatoio al massimo
livello (più precisamente ci si mette alla sezione di sbocco, ossia 0,80-1,00 metri al di sopra del livello di
massimo invaso).
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Quindi per poter effettuare la verifica bisogna :
1) Fissare il serbatoio ;
2) Tracciare il percorso della condotta di adduzione per poter conoscere L .
SERBATOIO
Prima di tutto valutiamo la quota minima (serbatoio vuoto) e la quota massima(serbatoio pieno) del
serbatoio.
La quota minima del serbatoio è quella in grado di garantire 15 metri circa di colonna d’acqua circa rispetto
al punto più elevato del centro abitato, in questo modo se pure il serbatoio dovesse essere vuoto ci
sarebbe un dislivello a sufficienza tale da vincere le seguenti perdite di carico :
Lungo condotta di avvicinamento a valle del serbatoio (2 – 5 m);
Nella rete di distribuzione interna (15 – 20 m);
Nei contatori (Contatore classico 3 – 5 m, Contatore ad ultrasuoni 0,20 m);
Lungo le montanti;
Oltre a tener conto dell’altezza media del fabbricato (valutabile con le norme urbanistiche in vigore) e un
sufficiente carico residuo per rubinetti e sciacquoni dell’ultimo piano (servono 5 metri circa). Quindi la
quota minima sarà pari alla quota massima geodetica del centro abitato + 15 metri circa.