Paniere completo (multiple e aperte) Idraulica e Costruzioni marittime

Lezione 21

L'idrosfera

L'idrosfera comprende: le acque disposte nella parte superficiale del nostro pianeta.

Le dorsali

Sono rilievi sottomarini lunghi e stretti con pendenze elevate.

Un regime microtidale

È caratterizzato dalla presenza di piccole maree.

Densità dell'acqua di mare

La densità dell'acqua di mare è pari a 1025 kg/m³.

I canyons

Sono zone ad elevata profondità.

Morfologia dei fondali marini

Conoscere la morfologia del fondo marino è importante ai fini conoscitivi della navigazione, della propagazione delle correnti, delle maree e del moto ondoso. Fino al 1920 le conoscenze del fondo marino erano limitate ad una fascia di stretto interesse per la navigazione, di profondità non superiore a 150÷200 m. Grazie alle strumentazioni sviluppate oggi si è in possesso di rilievi batimetrici molto precisi, riferiti al livello medio marino (L.M.M.) di tutti gli oceani e i mari.

In particolare distinguiamo, in funzione della profondità, una zona definita piattaforma continentale, compresa fra 0 e 200 m di profondità che contorna quasi tutti i continenti. Ha una pendenza ridotta e presenta una morfologia piuttosto accidentata, con terrazze, rilievi, fosse e depressioni, e una zona detta scarpata continentale compresa fra i 200 e i 3000 m che conduce a zone a maggiori profondità, dette zone abissali, comprese fra i 3000 e i 6000 m. L’origine delle piattaforme continentali è dovuta alle azioni combinate di deposito e di erosione da parte del moto ondoso ed hanno estensione variabile.

Tra le altre possibili configurazioni del fondale marino, vi sono quelle risultanti dal corrugamento della crosta terrestre, ovvero rilievi sottomarini e depressioni marine. A sua volta, i rilievi sottomarini sono suddivisi in dorsali, rilievi lunghi e stretti con pendenze più elevate delle ondulazioni, ovvero rilievi lunghi ed estesi con fianchi a pendenza dolce, e montagne sottomarine, ovvero rilievi isolati.

Lezione 3

Onda con lunghezza elevata

Un'onda con una lunghezza L molto elevata implica un numero d'onda k basso.

Alte e basse maree

In una giornata di 24 h, quante alte o basse maree si possono tipicamente avere? 2 (Gli altri valori sono 5/50/1)

In una giornata di 24 h, quante alte e basse maree si possono tipicamente avere? 2 (Gli altri valori sono 4/10/1)

Ondulazione vicino alla riva

Un'onda a pochi metri dalla riva può essere in condizioni di acque basse, intermedie o profonde.

Onde di vento

Onde di vento molto grandi si generano in zone di mare molto estese. Al di fuori dell'area di generazione, la direzione delle onde di vento è ben definita.

Classificazione delle onde

Le onde di mare possono essere classificate a seconda del periodo d’onda T in:

• Onde di gravità di breve periodo, per T < 30 sec, come le onde di vento.
• Onde di gravità di lungo periodo, per 30 sec < T < qualche ora, come gli tsunami.
• Maree, il cui valore di T è superiore ad alcune ore e si attesta attorno ad un valore medio tipico di 12 h, dovute alle azioni gravitazionali degli astri rispetto alla Terra.

Lezione 4

Campo di moto sotto onde sinusoidali

Nel problema della determinazione del campo di moto sotto l'azione di onde sinusoidali si cerca una soluzione periodica.

Equazione di base per onde sinusoidali

L'equazione di base per lo studio di un'onda sinusoidale è quella di Laplace.

Lezione 5

Elevazione d'onda

All'interno di un periodo d'onda, l'elevazione d'onda presenta media nulla nel tempo e nello spazio.

Calcolo della lunghezza d'onda

Per determinare il valore della lunghezza d'onda L in maniera semplice, nel 1990, è stata introdotta da Fenton e McKee una relazione di validità generale (acque intermedie, profonde e basse), una relazione che permette di approssimare il valore di L, modellando la formula di dispersione lineare.

Lezione 6

Velocità delle particelle d'acqua

La velocità delle particelle d'acqua in corrispondenza di una cresta di un'onda sinusoidale è massima.

Lunghezza d'onda in acque profonde

In acque profonde (d/L > 0.5), la lunghezza d'onda dipende dal solo periodo d'onda.

Orbite delle particelle d'acqua

Una particella d’acqua che ha posizione media in un punto sarà spostata, al passaggio di un’onda sinusoidale, in una nuova posizione istantanea. L’andamento generico della traiettoria di una particella d’acqua sotto un’onda sinusoidale di piccola ampiezza, varia a seconda che si tratti di acque basse, intermedie o profonde. Nello specifico:

• In condizioni di acque basse (d/L < 0.04), la traiettoria delle particelle descriverà un’orbita di tipo ellittica.
• In condizioni di acque profonde (d/L > 0.5), le traiettorie delle particelle sotto onde progressive risultano essere cerchi con raggio decrescente esponenzialmente con la profondità, ovvero allontanandosi dal L.M.M.

Lezione 7

Celerità delle onde

La celerità di un gruppo di onde è pari alla celerità della singola onda in acque basse.

Flusso di energia

Il flusso di energia aumenta in modo direttamente proporzionale alla celerità di gruppo.

Determinazione dell'energia di un'onda

L’energia complessivamente contenuta in un’onda si compone di un’energia potenziale, derivante dalla sopraelevazione della superficie liquida rispetto allo stato di quiete (L.M.M.), e di un’energia cinetica, dovuta al fatto che le particelle fluide sono dotate di movimento. La determinazione dell’energia e le sue modalità di propagazione risultano essere particolarmente importanti nel campo dell’idraulica marittima.

L’energia potenziale Ep è pari a: Eptot= 1/2 pgd² + 1/16 pgH². E volendo ricavare l’energia potenziale dovuta solo alla presenza dell’onda, Epm, bisognerà effettuare la differenza tra l’energia potenziale totale e quella in assenza dell’onda (in condizioni di quiete), Eps, ovvero: Epm= Eptot-Es= 1/16 pgH².

Per quanto riguarda l’energia cinetica, Ec, essa è associata al movimento delle particelle fluide ed è data da: Ecm= 1/16 pgH². In definitiva, l’energia totale media per unità di superficie di un’onda sarà quindi data dalla somma dell’energia potenziale e dell’energia cinetica. Chiamando con E detta quantità, si ottiene: E= Epm + Ecm = 1/8 pgH².

Lezione 8

Formazione di onde enoidali

In base all'abaco di Le Méhauté, per bassi fondali e basse altezze d'onda si possono formare onde enoidali.

Lezione 11

Altezza d'onda significativa

L'altezza d'onda significativa Hs risulta essere maggiore dell'altezza d'onda media.

Tecnica dello zero-crossing

La metodologia dello zero-crossing viene utilizzata per l’individuazione delle onde irregolari secondo un approccio statistico. In un moto ondoso irregolare, ogni singola onda, caratterizzata da un proprio valore i-esimo di H e T, viene individuata con il criterio dello zero-crossing, in cui vengono distinte le tecniche dello zero-upcrossing e dello zero-downcrossing. Tale metodologia si effettua partendo con l’assumere come linea dello zero il Livello Medio del Mare (L.M.M) e si procede cercando il punto dove il profilo dell’onda di superficie η incrocia, salendo o scendendo il L.M.M., e considerando tale punto come inizio di un’onda singola. Si procede seguendo il profilo irregolare della superficie libera fino al successivo punto di incrocio dopo che il profilo è andato già prima sotto o sopra il L.M.M. definendo così il punto di zero-upcrossing o zero-downcrossing che definisce il termine della prima onda e l’inizio della seconda.

La distanza tra due punti di zero-crossing definisce il periodo, se l’ascissa è il tempo, o la lunghezza d’onda, se l’ascissa è la distanza orizzontale. La distanza verticale tra il punto più alto e il punto più basso compresi tra due punti adiacenti di zero-upcrossing (o zero-downcrossing) è l’altezza d’onda. Attraverso l’approccio statistico dello zero-crossing, è possibile ricavare i valori di altezza d’onda di zero-upcrossing, Hu, che rappresenta la distanza tra i punti corrispondenti al valore massimo, ηmax, e minimo, ηmin, che l’elevazione d’onda η assume tra i predetti due successivi attraversamenti e del periodo dell’onda di zero-upcrossing Tu che è l’intervallo di tempo che intercorre tra i due successivi attraversamenti, tramite le relazioni: Hu= ηmax - ηmin e Tu= ti-1 - ti dove: l’indice i fa riferimento ad una singola onda e l’indice i+1 a quella successiva.

Lezione 12

Periodo di picco

Il periodo di picco per un moto ondoso irregolare è associato alla massima densità di energia in uno spettro.

Altezza d'onda massima

In un gruppo di onde alte in mare, l'altezza d'onda massima è circa il doppio dell'altezza d'onda significativa.

Lezione 13

Statistica degli eventi estremi di moto ondoso

La statistica degli eventi estremi di moto ondoso permette di ricavare l'onda di progetto a prefissato tempo di ritorno.

Metodo di Goda per onde di progetto

Nella valutazione delle onde di progetto col metodo di Goda, occorre determinare la distribuzione di probabilità che meglio si adatta ai dati di mareggiata considerati.

Lezione 15

Fenomeno della riflessione

Il fenomeno della riflessione è particolarmente accentuato quando si è in presenza di una parete verticale priva di attrito.

Effetto della diffrazione

L'effetto della diffrazione avviene in corrispondenza di strutture marittime.

Onde stazionarie

Pure onde stazionarie si verificano quando la riflessione è totale.

Aumento dell'altezza delle onde

Se la distanza fra raggi d'onda contigui tende ad aumentare, l'altezza delle onde aumenta.

Ondulazione in acque profonde

Nella condizione di acque profonde, le onde non subiscono gli effetti di shoaling e rifrazione.

Lezione 16

Effetti di shoaling e rifrazione

Le modifiche delle caratteristiche ondose durante la propagazione verso riva in acqua bassa sono indotte essenzialmente dai fenomeni di rifrazione e di shoaling dovuti al fondale marino. Quando si trovano nella condizione di acque profonde le onde non risentono dell’effetto del fondale marino e non mutano le loro caratteristiche. Quando invece le onde si trovano nella condizione di acque intermedie e basse, esse cominciano ad essere influenzate dal fondale. Diventano così più lente, corte e ripide e tale processo è detto di shoaling e rappresenta la deformazione dell’onda nella sua propagazione da largo a sottocosta per effetto della variazione del fondale.

Il parametro che determina il fenomeno dello shoaling è il coefficiente di shoaling Ks. Nello specifico se Ks ≈ 1, nel caso cioè di acque profonde non si hanno deformazioni sostanziali dell’altezza d’onda poiché l’onda non “sente” il fondo. Per acque intermedie, Ks < 1, e per acque basse, Ks > 1. Il fenomeno della rifrazione consiste invece nella rotazione dei fronti d’onda con conseguente variazione di altezza d’onda lungo di essi. Il termine che influenza tale fenomeno è il coefficiente di rifrazione ed è indicato con Kr. Anch’esso come Ks mostra una propria variabilità.

Se Il valore di Kr > 1 (caso di un promontorio o di una secca) l’altezza d’onda H aumenta perché si ha una diminuzione della distanza fra due raggi d’onda contigui e un conseguente aumento di energia dell’onda. Se invece Kr < 1 (caso di una baia o di un canyon) l’altezza d’onda H diminuisce perché i raggi d’onda contigui tendono a divergere. Non a caso, è facile comprendere che una conformazione di spiaggia caratterizzante una baia risulta un’area di più tranquilla rispetto alle potenziali forti agitazione ondose che si osservano in prossimità di punti aggettanti in mare come i promontori.

Lezione 17

Ondulazione sottocosta

Sottocosta le onde frangono perché l'altezza d'onda è dell'ordine di grandezza della profondità del fondale.

Coefficienti di trasmissione

Se la cresta di un frangiflutto è molto bassa, il coefficiente di trasmissione non dipende dalla posizione della cresta di un frangiflutto / è alto.

Lezione 18

Frangimento sottocosta

Dopo l'inizio del frangimento sottocosta, l'altezza delle onde tende a diminuire.

Lezione 20

Correnti costiere

Prima del frangimento, le correnti costiere sono trascurabili.

Celle di ricircolo dell'acqua

Celle di ricircolo dell'acqua indotte da correnti a getto si formano solitamente a monte di opere di difesa costiera / in corrispondenza dei varchi delle opere di difesa costiera.

Lezione 21

Escursioni di marea

Escursioni diverse di marea nel mondo possono dipendere dall'inerzia della massa fluida che compone i mari.

Descrizione delle maree

Le maree sono agitazioni che avvengono in mare, esse possono essere di tipo astronomico, dovute cioè all’attrazione gravitazionale fra astri (terra-luna e/o terra-sole), o di tipo meteorologico, i cui singoli fenomeni sono l’effetto barico inverso, il sovralzo d’onda o set-up e il sovralzo di vento. Le maree, astronomiche o meteorologiche presentano delle importanti implicazioni a livello ingegneristico.

Infatti, l’innalzamento o l’abbassamento del livello assunto dalla superficie marina implica l’esposizione delle coste a onde di altezza maggiore o minore. Le maree astronomiche rappresentano oscillazioni di lungo periodo, con periodo d’onda dell’ordine di circa 12 h. Gli elementi che costituiscono le maree sono la cresta dell’onda di marea che è rappresentata dall’alta marea, il cavo dalla bassa marea, mentre il dislivello cavo-cresta rappresenta l’escursione di marea.

Per quanto riguarda le maree di tipo astronomico quando si ha luna nuova o piena, cioè il sole e luna sono allineati o in congiunzione, si hanno le maggiori escursioni di mare, dette maree sigiziali, quando invece la luna è nel primo e nell’ultimo quarto, cioè sole e luna disposti ad angolo retto, si hanno le minori escursioni di marea, dette maree in quadratura.

Lezione 22

Significato di tsunami

La parola tsunami significa: onda nel porto.

Lezione 25

Unità fisiografiche

Un'unità fisiografica non ha scambi di trasporto solido all'esterno di essa.

Linea di riva

La scala spaziale delle variazioni della linea di riva in un anno è dell'ordine di 1000 m.

Litorali

I litorali non comprendono i laghi.

Lezione 26

Antropizzazione dei litorali

L'antropizzazione dei litorali ha comportato un aumento dei tratti banchinati.

Erosione litorale

Un tratto litoraneo è in erosione se arretra la linea di riva.

Altezza di chiusura di una spiaggia

L'altezza di chiusura di una spiaggia si trova poco più al largo della zona dei frangenti.

Erosione e avanzamento delle spiagge

Uno tsunami, traduzione di Onda nel porto, rappresenta un’onda in mare caratterizzata da una lunghezza d’onda L molto grande. Si genera da un improvviso evento naturale come un forte terremoto, una frana sottomarina o sopra il L.M.M., un’esplosione vulcanica o dalla caduta di un grande corpo solido in acqua come una meteorite. Nel caso di terremoti la generazione dello tsunami dipende dal senso del movimento. Infatti in questo caso gli tsunami sono per lo più generati da spostamenti verticali con sollevamento o sprofondamento del fondale marino. Nel caso di eruzioni vulcaniche la generazione dello tsunami è dovuta allo scorrimento di colate di materiale di grandi dimensioni che entrando in mare generano lo spostamento rapido di masse d’acqua consistenti. Lo stesso meccanismo di generazione si ha con movimenti franosi di qualsiasi origine, purché di grandi massa e velocità.

Come accennato uno tsunami ha una lunghezza d’onda molto elevata può arrivare infatti, nella fase di propagazione, ad un valore compreso fra 30 km/h a 60 km/h sotto costa, con altezze d’onda fra 1 m e 2 m al largo fino ad arrivare a circa 30 m sotto costa. La ragione di tale caratteristica, ovvero lunghezze (o periodi) d’onda elevati al largo e bassi sotto costa, e, di contro, aumento dell’altezza d’onda via via che lo tsunami si propaga da largo a sotto costa, è dovuta al fatto che un’onda di tsunami si trova sempre nella condizione di acque basse.

Unità fisiografica

Gli spazi costieri costituiscono un ambiente fra i più complessi e fragili: sono entità in continua evoluzione dinamica coinvolte in una molteplicità di usi, dove si possono risentire gli effetti di interventi umani avvenuti anche a parecchi chilometri di distanza. Una unità fisiografica è un tratto di costa che non ha scambi di sedimenti con i tratti limitrofi.

In virtù di queste considerazioni si è proceduto ad una prima suddivisione dei litorali del territorio italiano in Unità Fisiografiche, in base alla considerazione di determinati parametri riguardanti la morfologia emersa e sommersa e l’orientamento della linea di riva. Prendiamo ad esempio le coste alte e rocciose che sono morfologicamente accidentate e articolate, con pareti ripide e parallele alla linea di riva. L’azione delle forzanti meteomarine, in prevalenza quella del moto ondoso, produce abrasione e corrosione sulle coste alte e rocciose, con possibilità di scalzamento al piede ed eventuale crollo ed arretramento. Nel caso di coste basse e sabbiose invece, il moto ondoso produce la modellazione del litorale, con elevate velocità di trasformazione.

Lezione 27

Formazione di berme e mare morto

In presenza di forti mareggiate si può formare la berma di tempesta.

In presenza di onde di mare morto, l'interno della spiaggia emersa è parzialmente saturo.