Costruzioni idrauliche

COSTRUZIONI IDRAULICHE

1.​ Quadro normativo

La prima normativa caratterizzante il settore delle acque risale al 1865. Tra le due guerre

mondiali si ha una maggiore coscienza dei problemi relativi alla qualità dell’acqua, mentre

nel secondo dopoguerra vengono costruiti i primi acquedotti regionali (ad esempio quello

campano).

Il piano regolatore generale degli acquedotti (2015):

-​ accerta la consistenza delle risorse idriche presenti

-​ definisce il fabbisogno necessario per ogni comune

-​ definisce dotazioni idriche dei comuni

I fabbisogni idrici possono essere divisi in:

●​ consumo idrico pro capite: quantitativo d’acqua utilizzato da ogni utente

●​ fabbisogno idrico pro capite: quantità d’acqua che ogni utente necessita

●​ dotazione idrica pro capite: fabbisogno complessivo d’acqua per tutti gli usi

La dotazione può essere definita come la quantità di acqua assegnata all'utente al lordo

delle perdite (l/ab*d). Nota la popolazione e la dotazione si può ricavare la portata

.

= ( * )/86400

La legge 183/89:

-​ identifica i bacini idrografici

-​ assicura la difesa del suolo e il risanamento delle acqua

-​ suddivide i bacini idrografici in bacini: di interesse, interregionali e regionali

La legge Galli (36/94):

-​ ha l’obiettivo di unificare la gestione del ciclo idrico (ciclo idrico integrato)

-​ riorganizza i servizi idrici attraverso ATO (ambiti territoriali ottimali) -> per gestione

ottimale si intende la ripartizione equilibrata degli usi nel rispetto del bilancio idrico

-​ introduce il piano d’ambito

2.​ Schemi acquedottistici

Per acquedotto si intende l’insieme delle opere di captazione, trattamento, adduzione,

stoccaggio e distribuzione delle acque. Distinguiamo:

-​ acquedotto urbano

-​ // rurale

-​ // irriguo

-​ // industriale

I sistemi acquedottistici si distinguono in

-​ sistemi di produzione ed adduzione

-​ sistema di distribuzione

Bisogna tener presenta la mobilità dell’acqua all’interno dei sistemi idrici, atta a portare una

portata più elevata verso le zone caratterizzate da maggior domanda perciò occorre

pervenire ad una gestione corretta, sostenibile e integrata delle risorse idriche del territorio

rispettando le disponibilità idriche.

Il Sistema ABC ( Acqua Bene Comune Azienda speciale Napoli), è dotato di 4 diverse fonti

di approvvigionamento, 300 km di tubazioni di adduzione, 2000 km di tubazioni di

distribuzione cittadina. Per far raggiungere l’acqua ai 130 comuni, l’acquedotto della

Campania Occidentale parte dal Lazio e attraversando il Molise poi arriva alla città di Napoli,

all’incirca 65 km di condotte. L’acquedotto della Campania Occidentale parte dalla centrale

di Cassino fino ad arrivare a San Prisco e nel mentre si riunisce con l’acquedotto Campano

così da garantire il globale fabbisogno della cittadinanza. 1

3.​ Acquedotto esterno

Per quanto riguarda gli acquedotti esterni, ne esistono due tipologie:

-​ a pelo libero

-​ a pressione: si preferisce per motivi igienico-sanitari, di sicurezza e poiché è meno

limitato dalle caratteristiche del terreno

Una condotta si definisce lunga se L/D>1000

Per definire il tracciato (layout orizzontale) si deve tener conto di vari criteri:

-​ dal punto di vista economico conviene realizzare il tracciato più breve tra due punti,

ma si deve tener conto anche del profilo del terreno (può far aumentare i costi)

-​ se l’acquedotto è molto lungo si consiglia di dividerlo in più sifoni

-​ si devono fare analisi di pressioni, di caratteristiche geologiche, ecc

-​ è consigliato mantenersi vicini a infrastrutture stradali

-​ si deve considerare anche il posizionamento del serbatoio: deve essere ubicato più

vicino possibile all’abitato, deve garantire un carico superiore a 5-6 m al rubinetto più

alto e deve imporre un carico statico superiore a 70 m nel punto più basso della rete

idrica Il dimensionamento va effettuato a tubi

USATI -> per dissipare il carico a tubi nuovi

si può introdurre una valvola (per evitare

rischio di ingresso di aria nella condotta).

-​ velocità massime 1,5-3 m/s onde evitare vibrazioni a seguito di colpo di ariete

( idraulico che si presenta in una condotta quando un flusso di liquido in movimento

fenomeno ;

al suo interno viene bruscamente fermato dalla repentina chiusura di una valvola il colpo

d’ariete è proporzionale al quadrato della

)

velocità

-​ velocità minime 0,4-0,6 m/s per evitare

riscaldamento delle acque, tempi di

consegna elevati e stagnamento acque

Possiamo avere due schemi: 2

-​ sollevamento-gravità

-​ gravità-sollevamento

Poiché abbiamo più incognite che equazioni si va ad utilizzare il criterio economico (si

scelgono i diametri che inducono un costo minore -> a partire da v e v si ricava

min max

D )

comerciale

Velocità:

-​ Gravità: 0,5≤v≤2,5

-​ Sollevamento: 0,5≤v≤1,5

2

π

Ricorda che .

= 4

a.​ Criterio economico (1.1)

Nel nostro progetto abbiamo considerato una scala deformata per AUTOCAD (H 1:1000, L

1:10000) e abbiamo considerato profondità di posa pari a 1,5 m (

la tubazione non può essere

troppo superficiale per problemi di escursione termica, ma non può essere troppo profonda per motivi

). Abbiamo utilizzato l’acciaio (poiché ha resistenza a pressioni elevate, ed è più

economici

economico della ghisa). Abbiamo utilizzato quindi la formula di

Scimemi-Veronesi:

Si sono calcolate le

cadenti

piezometriche

= Δ/

All'arrivo nel

serbatoio, in maniera cautelativa, si sono

considerati 5 m di carico residuo

Il calcolo del criterio economico è: , dove r è il tasso di ammortamento pari a

= +

, con n=vita utile dell’opera=50 anni e i=tasso di interesse

= ((1 + ) )/8(1 + ) − 1)

annuale=2-3%

Il costo di acquisto e posa in opera della condotta , cioè costo della tubazione

= *

per la sua lunghezza; dove , con s lo spessore; il peso specifico della

≃ πγ γ

condotta e espresso in €/kg

Il costo di esercizio è , cioè il prodotto tra potenza, numero di ore di

= * * ℎ

funzionamento e costo dell’energia elettrica. La potenza si calcola come

3

⎡⎢ ⎤⎥

* ; eta è il rendimento della pompa, pari a

= (γ * * )/η = = * *

3

⎣ ⎦

70%; Hm è la prevalenza manometrica pari a Hm=Hg+J*L, cioè la somma tra prevalenza

geodetica e perdite di carico.

4.​ Materiali metallici

I criteri di scelta delle tubazioni dipendono da vari fattori:

-​ materiali sul mercato

-​ Caratteristiche della condotta ovvero, struttura (peso specifico…), diametro e

spessore, lunghezza della canna, giunti e rivestimenti interni ed esterni.

-​ criteri di scelta ovvero, destinazione d’uso (adduzione, distribuzione, drenaggio),

pressioni d’esercizio, caratteristiche geomorfologiche e meccaniche dei terreni di

posa, caratteristiche chimiche e biologiche del liquido che ci passa.

-​ criticità d’uso

-​ interventi in funzione delle condizioni ambientali 3

Le tubazioni in acciaio resistono ad elevate pressioni, lo

spessore di utilizzo più frequente si chiama spessore della

serie normale, invece lo spessore minimo caratterizza la serie

leggera. Su di essi vengono svolte prove di pressione in officina

con pressione maggiorate per stare in range di sicurezza. La

criticità sarebbe la necessità di un’efficace protezione contro la

corrosione tramite rivestimenti oppure protezione catodica.

Il processo Mannesmann: è stato brevettato un laminatoio a cilindri obliqui che serve per la

realizzazione di un tubo in acciaio senza saldatura. Con questo metodo si laminano tubi da

50-650 mm, con l’accoppiata di altre lavorazioni a caldo si raggiungono diametri fino a

900mm. Invece per le lunghezza variano da 8m a 13.5 m.

I tubi a saldatura longitudinale vengono prodotti con macchine continue da lamiere.

I tubi a saldatura elicoidale sono ottenuti da nastri di acciaio, i diametri di produzione sono

tra 300 mm e 3000 mm.

Per perfezionare la saldatura elettrica si utilizzano dei giunti saldati, abbiamo:

-​ giunti a bicchiere saldato per DN<=125 mm (oggi utilizzato raramente)

-​ a bicchiere sferico o di testa

per DN>=150 mm

Le giunzioni a flangia sono utilizzate

all’interno dei manufatti dove è

necessario l'assemblaggio di questi

sulla condotta.

Altri giunti speciali sono:

-​ giunto Victaulic

-​ giunto Gibault

-​ giunto di

smontaggio

-​ giunto sferico tipo

irrigazione

Per rivestimenti esterni,

abbiamo:

-​ rivestimento bituminoso di tipo normale o pesante

-​ rivestimento esterno in polietilene

-​ rivestimento con nastri di polietilene applicati a freddo

-​ rivestimento esterno in poliuretano

Il rivestimento interno svolge la funzione di ridurre fortemente la scabrezza sulla sup.

interna, riducendo così le resistenze al moto e le perdite di carico. Abbiamo:

-​ rivestimento cementizio

-​ rivestimento con vernici epossidiche

La reazione della corrosione dà luogo alla ruggine, il livello catodico di protezione è il valore

potenziale sotto il quale l’acciaio non si può corrodere.

La protezione passiva è l’insieme dei provvedimenti atti ad isolare le tubazioni elettricamente

e meccanicamente dall’ambiente e dalle altre strutture estranee presenti. Gli scopi sono:

-​ impedire la corrosione

-​ rendere possibile la protezione attiva

Le caratteristiche che il rivestimento deve avere per assolvere la funzione, sono: 4

-​ elevata resistenza d’isolamento

-​ elevata resistenza meccanica

-​ minima permeabilità al vapor d’acqua e all’ossigeno

La protezione attiva(catodica) si basa sul fornire elettroni alla struttura metallica per impedire

la dissoluzione del metallo. Esistono 2 metodi:

-​ sistema ad anodi galvanici, ha una struttura metallica

-​ sistema a corrente impressa, solitamente utilizzati per i sistemi idrici di adduzione

essendo che ci sono meno probabilità di interferenza con altre tubazioni

Le tubazioni in ghisa hanno DN compresi tra 40 e 2000 mm, pressioni di esercizio tra 30 e

40 atm, vengono utilizzati giunti a bicchiere con anello elastoplastico per la tenuta, i tubi

sono rivestiti internamente con malta cementizia ed esternamente con vernici bituminose.

La ghisa grigia vista al microscopio mostra il carbonio sotto forma di lamelle, che

rappresentano degli inviti alla rottura ovvero che rendono il materiale fragile.

Nel 1950,si è notato che aggiungendo alla ghisa fusa piccole quantità di magnesio si ottiene

la ghisa sferoidale.Le caratteristiche meccaniche risultano molto simili a quelle dell’acciaio

per tubazioni, in questo caso il carbonio si cristallizza sotto forma di piccole sfere.

Nelle tubazioni in ghisa sferoidale, il rivestimento interno è la malta cementizia applicata con

la centrifugazione, invece il rivestimento esterno con zinco e vernice così da prevenire la

corrosione (in alcuni casi si usa zinco +alluminio essendo che l’alluminio ha la funzione di

prolungare l’azione protettiva dello zinco e quindi la durata del tubo).

5.​ Materiali lapidei

I materiali lapidei e ceramici possono essere utilizzati sia a pressione (cemento armato) che

a pelo libero (calcestruzzo, gres, polimeri e cemento).

Da ricordare i tubi in cemento amianto, utilizzati in passato sia a pelo libero che a pressione

(non vengono più utilizzati). Le proprietà dell’amianto sono: ignifugo, isolante, refrattario,

resistente, ecc. Nel 2005 però è stato bandito a causa della sua pericolosità nell’ambito

sanitario.

-​ I tubi in cemento armato ordinario sono formati da conglomerato cementizio e

armature metalliche che formano un conglomerato che ha elevata resistenza a

trazione. Può essere fabbricato come calcestruzzo vibrato o come calcestruzzo

centrifugato. Questo materiale viene impiegato per grandi adduzioni, si utilizzano

giunti maschio e femmina o a bicchiere. Il suo punto debole sono gli effetti di colpo

d’ariete. (D =600)

min

-​ I tubi in cemento armato precompresso (armature di precompressione) hanno una

maggiore resistenza a flessione rispetto ai precedenti. Vengono utilizzati giunti a

bicchiere con guarnizioni di gomma.

-​ I tubi in cemento armato ad armatura diffusa (TAD) hanno un’elevata resistenza a

trazione e spessori ridotti. Si utilizzano giunti a bicchiere con guarnizione di gomma o

a manicotto.

-​ Tubi in calcestruzzo sono resistenti ad abrasione e all’aggressione chimica. Si

possono utilizzare: giunti a bicchiere o a manicotto.

-​ Il tubo in calcestruzzo a sezione ovoidale viene utilizzato per piccole portate,

e quindi velocità elevate.

-​ possono essere rivestiti in grés (a mezzo spessore) per aumentare resistenza

all’abrasione, all’aggressione chimica e aumentare le velocità.

-​ I tubi in grès non si possono usare per fognature cittadine poiché il diametro

massimo è di 800 mm. Il grès è un materiale fragile ma ha una resistenza notevole 5

all’abrasione e agli attacchi chimici. Il materiale è idraulicamente liscio e la lunghezza

delle barre non è elevata, di conseguenza si devono utilizzare elevati giunti.

-​ Tubi in CPC (materiale composito polimeri e cemento) hanno elevata compattezza e

durezza, discreta resistenza agli agenti aggressivi, bassa resistenza agli urti,

superficie interna liscia e poco porosa.

6.​ Materiali plastici

Le caratteristiche principali sono:

-​ leggerezza

-​ elasticità (possibilità di adattare la condotta alle caratteristiche del terreno)

-​ ridotte resistenze al moto (tubi lisci)

-​ ridotte valori della celerità di colpo d’ariete

Le caratteristiche idrauliche:

-​ le resistenze al moto risultano minori rispetto a quelle dei materiali tradizionali

-​ non invecchiano anche dopo lunghi periodi di esercizio

-​ il convogliamento delle acque reflue potrebbe dar luogo a fenomeni di incrostazione

-​ il dimensionamento idraulico potrà risultare più sensibile agli effetti

localizzati(giunzioni).

Il comportamento delle tubazioni plastiche è interpretato dalla legge di Darcy.

CELERITà:

Per valori di celerità ridotti si hanno degli effetti

contrastanti:

-​ riduzione delle sovrappressioni ΔH per

manovra brusca

-​ incremento del ritmo

della tubazione

Per i materiali viscoelastici

corrisponde una

deformazione elastica

istantanea, una deformazione

elastica ritardata nel tempo e

una deformazione ritardata viscosa

il comportamento viscoelastico può essere

simulato mediante un modello meccanico alla Kelvin-Voigt.

Le tubazioni in PVC a pressione sono costituiti da questa nuova lega PVC-A che offre

un'elevata resistenza alla propagazione della cricca, che rappresenta la principale causa di

rottura durante l’esercizio. Si utilizzano giunzioni a bicchiere con anello elastomerico

●​ Tubazioni in PEAD=polietilene ad altà densità

●​ Tubazioni in PEBD=polietilene a bassa densità

Le tubazioni in PRFV (polietilene rinforzato da fibre di vetro), la vetroresina è un materiale

composito costituito da una fase continua che

ingloba una fase fibrosa di vetro. Hanno molte

tipologie di impiego:

-​ a pressione 6

-​ a pelo libero

e nei settori:

-​ acqua potabile

-​ acque reflue -​ irrigazione

-​ prodotti chimici

Con il processo Filament winding, sullo strato

esterno si ha resina pura non rinforzata così si

ha una protezione dall’abrasione

La tecnologia del tubo a parete strutturata

consente di utilizzare il PE o il PVC per produrre

tubazioni di notevole diametro e caratterizzate

da elevata rigidezza circonferenziale. Utilizzate

per fognature poiché stanno più in basso del

piano di campagna.

7.​ Pezzi speciali Gli elementi che caratterizzano una

valvola sono:

-​ perdita di carico puntuale a

valvola aperta -​ tenuta a valvola

chiusa

-​ regolarità del

flusso a valle per

assegnato grado di

apertura

-​ facilità di

manovra 7

Le saracinesche sono delle valvole di intercettazione pura, adatte cioè per essere

completamente chiuse o aperte, perciò hanno modeste perdite di carico. Le

saracinesche, usate come valvole di regolazione, causano forte turbolenza. Per le

valvole di grandi misure o per elevate pressioni è prevista l’installazione di un

by-pass per equilibrare le pressioni sulle due facce del cuneo.

Le valvole a farfalla (anch’esse valvole di intercettazione) sono adatte per le grandi

portate, presentando ampie sezioni di passaggio con cadute di pressione quasi

trascurabili. A completa apertura danno origine a

perdite di carico non nulle per la presenza del

disco di flusso. In sintesi fanno variare la portata.

Le valvole di regolazione sono valvole riduttrici di

pressione, hanno il compito di mantenere

prefissati i valori di portata a valle regolando la

sezione di efflusso. Abbiamo:

-​ valvola di regolazione a fuso

-​ // // // autoazionante

Come organi di regolazione troviamo:

-​ valvole di non ritorno(Clapet)

-​ // // // a fuso

-​ // // // a palla

-​ valvole a galleggiante

Gli Sfiati eliminano le quantità d