Appunti teoria, spiegazione progetti ed esercizi Costruzioni idrauliche

Opera di adduzione (acquedotto esterno)

1. Acquedotto esterno → lavora con una portata costante, dalla captazione mando l'acqua a un serbatoio che poi deve essere distribuita →

2. Acquedotto interno lavora con una portata variabile poiché dipende dall'erogazione di ognuno di noi.

L'acquedotto esterno può funzionare in due modi: →

• A pelo libero funziona solo se la quota piezometrica dell'opera di presa è maggiore di quella del serbatoio, poiché l'acqua naturalmente defluisce dalla quota piezometrica maggiore a quella minore.
• In pressione → mi svincolo dalla dipendenza delle caratteristiche altimetriche del tracciato e posso portare l'acqua da una quota piezometrica minore a una maggiore.

Scelta del tracciato

Come scelgo il tracciato? Converrebbe sicuramente scegliere il percorso più breve tra presa e serbatoio, ma dobbiamo tenere in conto:

• Cerchiamo di tenerci vicino alle strade che sono zone già espropriate.
• Cerchiamo di evitare zone rocciose poiché lo scavo sarebbe complesso.
• Cerchiamo di non effettuare attraversamenti fluviali, ferroviari, stradali.

Attraversamenti stradali

Attraversamenti stradali: ➢ → tecnica spingitubo si realizza una perforazione orizzontale, contemporaneamente viene posato il tubo e viene evacuato il terreno grazie al fatto che la testa di perforazione è provvista di una coclea.

È buona norma predisporre dei pozzetti alle due estremità della strada muniti di valvola di intercettazione, per isolare il tratto, e scarico, per svuotare la tubazione.

➢ → realizzare un cunicolo praticabile, praticabile cioè alto almeno 2 m, e il tubo viene disposto in un angolo di questa galleria.

In entrambi i casi la tubazione deve essere contenuta all'interno di un tubo di protezione di maggior diametro, tubo guaina.

Attraversamenti ferroviari

Attraversamenti ferroviari: possono essere ➢ → interrati sotto i binari, si usa obbligatoriamente la tecnica dello spingitubo per non interrompere il traffico ferroviario. Le condotte devono essere contenute in un tubo di protezione di acciaio di un diametro maggiore.

La direzione della condotta deve essere normale all'asse del binario, 90° tra l'asse della condotta e i binari; se questo non è possibile è consentito un angolo maggiore di 45°.

• Anche qui devo predisporre due pozzetti di ispezione a destra e a sinistra a una distanza di almeno 10 m dai binari.
• La pendenza del tubo deve essere almeno del 2 x 1000 = 0,002 nella direzione del pozzetto di arrivo.
• Il tubo deve trovarsi ad almeno 2 m di profondità dai binari.

➢ → superiori in questo caso l'attraversamento avviene sopra i binari a una distanza maggiore di 7 m.

Possiamo avere condotte con struttura portante propria che devono essere realizzate senza utilizzare strutture metalliche e devono prevedere un passaggio pedonale per la manutenzione, oppure possiamo appoggiarci su altri manufatti non metallici.

In entrambi i casi, la condotta deve essere contenuta in un tubo di protezione di diametro maggiore, tubo guaina, e la direzione del tubo deve essere quanto più possibile normale ai binari.

Attraversamenti fluviali

Attraversamenti fluviali possono essere:

• Subacquei scavati sotto l'alveo e protetti da un tubo guaina, devo garantire una pendenza del 5 per mille.
• Aerei sfruttando le strutture dei ponti esistenti. Blocco di ancoraggio.

Oppure creare delle strutture di sostegno sfruttando comunque la capacità autoportante della condotta.

Il tracciato visto in pianta, è caratterizzato da tratti rettilinei individuati mediante punti fissi detti picchetti.

I picchetti sono dei punti particolari dati dall'intersezione del tracciato con le curve di livello; infatti, in corrispondenza di ogni picchetto conosciamo la quota del terreno.

Scelta del materiale e della tipologia delle tubazioni

1. Scelta del materiale e della tipologia delle tubazioni.

Si è scelto di adottare tubi in acciaio senza saldatura, con rivestimento esterno bituminoso pesante, secondo norme UNI-ISO 5256/87 e bitumatura interna conforme al D.M. n.174 del 06/04/2004.

Un tubo in acciaio senza saldatura viene realizzato partendo da un massello di acciaio, una barra di acciaio piena a sezione circolare, che viene riscaldata a 1300°. Questa barra piena passa in mezzo a 2 cilindri rotanti e viene perforata da un mandrino.

Una volta ottenuta la tubazione vuota all’interno, dato che la temperatura è ancora elevata, questo passa attraverso altri 2 cilindri ruotanti che ne riducono lo spessore.

Processo Manesmann.

Abbiamo scelto una tubazione senza saldatura poiché rispetto alle tubazioni saldate, a saldatura longitudinale o elicoidale, resistono a pressioni più elevate dato che la saldatura rappresenta comunque un elemento di discontinuità del tubo → tubi saldati si parte da una lamiera di acciaio, gli si dà una forma e si passa alla saldatura.

Scegliamo l’acciaio per l’opera di adduzione?

Perché l’acciaio difatti garantisce:

• Una maggiore resistenza e quindi minore fragilità, a cui corrisponde una probabilità di rottura della tubazione molto bassa.
• Maggiore resistenza specifica del metallo a trazione, che consente quindi l’utilizzo di spessori minori e quindi tubi più leggeri e più economici.
• Una maggiore adattabilità ad eventuali cedimenti del terreno per effetto dei quali altre tipologie di tubi, come quelli in ghisa, cedono più facilmente.
• Una maggiore lunghezza dei tubi, anche di 13.5 m fino a DN 900, contro una lunghezza massima dei tubi in ghisa di 6 m per DN<500, che consente di ridurre notevolmente il numero di giunti.

➔ Il rivestimento interno ha principalmente la funzione di ridurre la scabrezza della superficie interna della tubazione, riducendo così le resistenze al moto e, quindi, le perdite di carico.

Il rivestimento esterno viene protetto tramite l’applicazione di ➔ latte di calce la cui funzione è preservare la tubazione dall’azione dei raggi UV durante le fasi di stoccaggio e movimentazione.

Le tubazioni saranno interrate ad una profondità di 1.5 m per far fronte al problema delle escursioni termiche e delle sollecitazioni trasmesse dal piano stradale.

Ove è stato possibile, per risparmiare l’utilizzo di pezzi speciali, si è usata una singola livelletta, pendenza costante della tubazione, non superando comunque 2.20 m di profondità, nel picchetto 13, profond. 1,30 m.

Come sono state giuntate le tubazioni?

I tubi sono stati collegati con giunti saldati a bicchiere tipo sferico, con camera d’aria, è una giuntura utilizzata per tubi di DN >=200.

Altri tipi di giunzioni sono.

Caratteristiche geometriche ed idrauliche del sistema

2. Caratteristiche geometriche ed idrauliche del sistema.

L’opera di adduzione è stata dimensionata per una comunità di 9000 abitanti con dotazione idrica pro-capite di 242 l/(ab∙g).

La portata Q è stata calcolata come segue:

Si sono fissate le seguenti velocità per l’acqua in tubazione:

La velocità minima non può essere inferiore a 0.50 m/s per evitare fenomeni di ristagno dell’acqua che possono inficiare sulle caratteristiche organolettiche dell’acqua.

Inoltre, una velocità troppo bassa potrebbe comportare un accumulo di depositi grossolani in condotta e tempi di consegna troppo elevati, portando a elevati costi di impianto.

La velocità massima nel tratto a sollevamento corrisponde a 1.50 m/s.

Essa, a vantaggio di sicurezza, risulta minore rispetto al tratto a gravità per via del fenomeno del colpo d’ariete, altamente dannoso e pericoloso in tratti a sollevamento.

Il fenomeno di colpo d’ariete consiste infatti in un'onda d'urto di pressione che si origina a causa dell'inerzia di una colonna di liquido in movimento che impatta contro una parete, ad esempio quella di una valvola chiusa in maniera improvvisa, a seguito di un blackout.

L'intensità del colpo ed il valore della pressione dell'onda possono raggiungere livelli tali da minare l’integrità delle condotte.

Questa sovrapressione è proporzionale alla:

• Celerità = velocità di propagazione delle onde di pressione.
• Velocità iniziale, che dipende dalla portata.

Come calcoliamo la celerità?

Eguaglio i dW che ho trovato.

Tutto questo è riferito al fluido, infatti ε è il coefficiente di comprimibilità dell'acqua e ρ la densità dell'acqua.

Per capire se tubi di materiali diversi hanno celerità diversa dobbiamo considerare al denominatore di questa formula il modulo di Young, che indica la rigidezza del materiale.

Ma comunque celerità acciaio > celerità PVC poiché il modulo di Young dell'acciaio è maggiore di quello del PVC.

Il PVC essendo deformabile, l'onda di pressione non viaggia solo nella direzione del flusso ma anche nelle direzioni trasversali, infatti, il tubo tende a gonfiarsi diminuendo così la velocità di propagazione dell'onda nella direzione del flusso.

Per quanto riguarda la velocità massima nel tratto a gravità, essa è pari a 2.50 m/s per limitare ed evitare sia gli effetti derivanti da fenomeni di colpo d’ariete, sia le vibrazioni e le azioni abrasive connesse ad eccessive velocità.

Difatti elevate velocità producono forti vibrazioni nelle tubazioni, e ciò potrebbe comportare enormi problemi alle giunzioni.

Dopo aver fissato le velocità di progetto, si ricavano i diametri minimi associati alla velocità massima ed il diametro massimo associato alla velocità minima, ottenendo un range di diametri per i due diversi tratti. = Dalla teoria sappiamo che: σ 2.

Con intendiamo tutta la superficie circolare del tubo perché esso è in pressione; = 42= Poiché 4 possiamo ricavare i diametri massimi, uguali per sollevamento e gravità, e minimi associati rispettivamente 4 4 = ; = √ √ alla velocità minima e massima.

Andiamo a selezionare i diametri commerciali che ricadono nel nostro range che però a loro volta devono soddisfare anche la velocità minima e la velocità massima; quindi, scarteremo:

• Diametri troppo piccoli poiché darebbero una velocità max troppo elevata.
• Diametri troppo grandi poiché darebbero una velocità min troppo bassa.

A rigore, i calcoli idraulici sono da effettuare in funzione del diametro interno, ottenuto come Dext -2*s, essendo s lo spessore, ma poiché per l'acciaio per valori del diametro nominale fino a 300 mm, il DN < Dint, a vantaggio di sicurezza, si eseguono i calcoli con il DN così da sovrastimare le effettive perdite di carico.

Per calcolare le perdite di carico relative ai diametri scelti si è utilizzata la formula di Scimemi–Veronese: hp. acciaio ∆ = ∙ ∙ ∙

Dove: − α=13 per tubi nuovi − − = [ ] portata ∆ = perdite di carico [m] − α=1.25 per tubi usati − − = coefficiente di invecchiamento [-] = diametro [m] − − = coefficiente di scabrezza [-] = lunghezza del tratto [m].

Progettiamo sempre a tubi usati, perché quella condotta deve funzionare per molto tempo, metto quindi un =1,25 → coefficiente di invecchiamento facendo così sovrastimo le perdite di carico e quindi nei primi anni di vita della condotta avrò un carico maggiore che devo dissipare con una saracinesca.

Il DN100 non è compatibile poiché la velocità risulta troppo elevata, oltre i limiti imposti in precedenza.

D’altro canto, nemmeno il DN300 è compatibile poiché provoca velocità troppo basse.

Il DN125 non viene considerato poiché riportando in AutoCAD la piezometrica corrispondente, ci si accorge come essa non vada ad intersecare la condotta in nessun punto poiché molto sopra l’asse.

Ciò potrebbe risolversi considerando in quel punto un serbatoio pensile, ma economicamente non conviene poiché vi sono altre alternative meno dispendiose.

Avere infatti una pompa che dovrebbe portare l’acqua ad un dislivello manometrico maggiore, comporterebbe un significativo aumento dei costi, soprattutto considerando che la pompa è l’elemento più oneroso dell’impianto dal punto di vista economico.

Quindi, i diametri che si considerano sono DN150, DN200 e DN250, sia per sollevamento che per gravità.

Si procede alla stesura del criterio economico per capire quale combinazione di diametri è la più efficiente.

Criterio economico e scelta della tubazione

3. Criterio economico e scelta della tubazione. NB → per la posa della tubazione si considera una profondità di 1,20 - 2,20 m.

Dobbiamo definire il tracciato, avevamo 2 possibili situazioni rispetto al terreno.

Sollevamento-gravità

Sollevamento-gravità.

Dalla quota piezometrica del serbatoio di arrivo, che coincide con la quota di sfioro del serbatoio poiché siamo in idrostatica e vige pressione atmosferica, mi alzo di 5 m considerando così le perdite di carico locali che si hanno all'ingresso del serbatoio.

Infatti, io sto in ipotesi di lunghe condotte cioè L>1000 D sto trascurando le perdite di carico locali poiché avendo condotte molto lunghe, le perdite di carico continue sono predominanti su quelle locali.

Trascurando le perdite di carico locali, sto trascurando il termine V²/2g poiché le perdite di carico locali si calcolano  V²/2g, dove  è un coefficiente che cambia a seconda della perdita di carico locale, brusco restringimento, allargamento.

→ Trascurando il termine V²/2g, ho che la linea piezometrica coincide con la linea dei carichi totali, infatti per Bernoulli la distanza tra la piezometrica e la linea dei carichi totali è proprio l’altezza cinetica V²/2g.

Abbiamo individuato dei diametri da utilizzare per il tratto a gravità e dei diametri da utilizzare per il tratto a sollevamento. Partiamo dal tratto a gravità e tracciamo le piezometriche, partendo da quei 5 metri di carico, di tutti i diametri. Arriveremo a intersecare la condotta in un punto, lì avremo la vasca di sconnessione.

• Definisce un piano dei carichi idrostatici.
• Funge da sfiato per far uscire l'aria presente in condotta.
• Permette un eventuale funzionamento discontinuo delle pompe, perché funge da serbatoio di accumulo, si preferisce avere un funzionamento 24 ore su 24 della pompa per evitare aggravi economici, infatti occorrerebbero pompe di maggiore potenza, tubazioni di mandata di diametro maggiore e vasche di compenso dove l'acqua si accumula quando l'impianto è spento.
• Limita l’intensità di eventuali colpi d’ariete poiché abbiamo 2 tratti più corti e non 1 lungo → il colpo d’ariete è infatti proporzionale alla lunghezza del tratto.

→ → tracciamo tutte le piezometriche nel tratto a gravità, in funzione dei diametri sfruttabili trovati, troviamo le → possibili vasche di sconnessione, alziamo la piezometrica di altri 5 m sopra la vasca di sconnessione, anche qui ho → delle perdite di carico in ingresso che sto trascurando, tracciamo tutte le piezometriche nel tratto a gravità, in funzione dei diametri sfruttabili trovati. Per tracciare la piezometrica.

Gravità-sollevamento

Gravità-sollevamento.

Qua partiamo dal serbatoio in A, tracciamo tutte le possibili piezometriche, con i diametri individuati per il tratto a gravità, individuiamo la vasca di sconnessione garantendo comunque quei 5 m di carico per tener conto delle perdite di carico locali. Poi dal serbatoio B, ci alziamo di 5 m e tracciamo le possibili piezometriche, con i diametri individuati per il tratto a sollevamento.

Noi abbiamo sollevamento gravità.

A questo punto ho 7 combinazioni di diametri che posso utilizzare e ne sceglieremo 1 utilizzando un criterio economico, cioè per ogni combinazione di diametri vado a calcolare un costo totale e scelgo la combinazione che mi dà il costo totale minore.

C tot = C esercizio + C acquisto e posa in opera.

• C esercizio è il costo £/anno per il funzionamento della pompa. Il dislivello manometrico Hm è dislivello geodetico + i 5 m di carico residuo da lasciare nella vasca di sconnessione in modo da tener conto delle perdite di carico locali + le perdite di carico nel tratto di mandata, cioè dalla pompa alla vasca di sconnessione. NB → le perdite di carico nel tratto di aspirazione, cioè dal serbatoio A alla pompa sono trascurabili poiché la pompa è disposta molto vicino al serbatoio A, quindi la L è molto piccola.
• C acquisto e posa in opera lo possiamo trovare in 2 modi diversi. Se ho costo della tubazione £/m. Se ho costo della tubazione £/kg. In entrambi i casi mi esce £, → quindi i due costi non sono sommabili moltiplico il costo di acquisto e posa in opera per tasso di interesse “r”.

Il tasso di interesse mi spalma il costo di acquisto e posa in opera per tutta la durata della vita utile dell’opera che è di 50 anni; però il criterio economico mi restituisce il diametro che minimizza il costo.

Teoria. Il criterio economico si basa nel trovare un diametro che mi restituisca un cos