Esercitazioni Costruzioni idrauliche Excel

L₁ L₂ J₁

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Reti di distribuzione idrica

La rete di distribuzione idrica urbana è costituita dall’insieme delle condotte, delle apparecchiature e dei

manufatti messi in opera in un centro abitato per alimentare le utenze private ed i servizi pubblici.

La rete è munita di derivazioni per l’alimentazione di:

 utenze private

 utenze pubbliche

 idranti antincendio

 fontanelle stradali

 idranti da innaffiamento

 dispositivi per il lavaggio delle fognature

Talvolta i centri abitati sono dotati di reti di distribuzione che erogano acque di differenti caratteristiche per

il soddisfacimento di richieste di diversa natura (reti duali).

Rete con serbatoio di testata

Per servire in modo adeguato tutte le utenze sul territorio, la rete di distribuzione idrica ha in genere

un’articolazione piuttosto complessa e ramificata. L’acquedotto esterno alimenta direttamente il serbatoio,

che serve la rete mediante la condotta di avvicinamento. L’alimentazione del serbatoio è, pertanto,

caratterizzata da una portata costante, l’erogazione dal serbatoio da una portata variabile.

Rete con serbatoio di estremità

L’acquedotto esterno alimenta, a sbocco libero, un torrino piezometrico, che consente la disconnessione

dei carichi. Dal torrino deriva il sistema di distribuzione, mentre all’estremo opposto della rete è ubicato il

serbatoio.

Tipologia delle reti di distribuzione idrica

 Reti ramificate aperte o a connessione semplice: il percorso possibile dal serbatoio a qualsiasi

nodo è unico

 Reti chiuse o a connessione multipla: il percorso possibile da un nodo a qualsiasi altro non è unico

 Reti miste: costituite da un insieme chiuso e da rami aperti

La massima elasticità ed efficienza di funzionamento nei confronti dell’interruzione di un tratto è garantita

dalle reti a maglie chiuse.

Reti a maglie chiuse

Nelle reti di distribuzione a maglie chiuse possono individuarsi:

 una condotta di avvicinamento, che collega il serbatoio alla rete (a volte si mettono in opera due

condotte di avvicinamento in parallelo)

 una o più maglie principali

 uno o più ordini di maglie secondarie di minor diametro

 condotte minori per l’allacciamento alle utenze

Escludendo eventuali rami ad antenna, detti:

 m : numero delle maglie elementari

 n : numero di nodi

 l : numero dei lati

Vale la seguente relazione topologica:

Reti di distribuzione idrica

La distribuzione dell’acqua alle utenze private viene effettuata mediante diramazioni, la cui parte verticale

è detta montante, che collegano le tubazioni principali e secondarie della rete ai contatori volumetrici

installati presso tutte le utenze servite.

Tali diramazioni soprattutto nei centri urbani sono talmente numerose che spesso, per il calcolo idraulico

dei lati della rete, si ricorre allo schema di condotta con erogazione uniformemente distribuita lungo il

percorso.

In aggiunta alle erogazioni distribuite, sono di solito presenti erogazioni concentrate in corrispondenza di

nodi della rete (ad esempio i nodi dai quali si dipartono i rami ad antenna).

Portata concentrata nei nodi

Portata uniformemente distribuita lungo il tratto

Reti di distribuzione idrica

La rete idrica funziona in condizioni di moto vario. La variabilità del sistema, però, risulta estremamente

graduata, per cui nella pratica si può fare riferimento a due condizioni estreme, corrispondenti al moto

permanente nell’ora di punta (a serbatoio vuoto) e nell’ora di minor consumo (a serbatoio pieno).

Piezometriche nell'ora di punta e di minor consumo per rete con serbatoio di testata

Reti di distribuzione idrica

Una rete di distribuzione idrica adeguatamente dimensionata deve assicurare:

 nelle ore di punta del servizio ed al minimo livello idrico nel serbatoio, almeno 10 m di carico sulla

copertura degli edifici

 nelle ore di minimo consumo (ore notturne) ed al massimo livello nel serbatoio, un carico sulle

tubazioni della rete ovunque inferiore a 70 m

 il contenimento delle oscillazioni del cielo piezometrico in rete durante l’esercizio entro un limite di

20÷30 m

 in caso di incendio, un carico sul piano stradale non inferiore a 5 m e l’erogazione all’utenza

dell’80% della portata media giornaliera

 in caso di interruzione di uno o più tronchi della rete, l’erogazione della portata media giornaliera

Frazionamento in più sub reti

Se il centro abitato è di dimensioni rilevanti, può accadere che l’andamento del terreno non consenta il

rispetto delle condizioni indicate. Si può ricorrere allora al frazionamento della rete in più sub reti

indipendenti, eventualmente provviste di torrino e di valvole riduttrici di pressione in corrispondenza dei

punti di interconnessione, ciascuna delle quali serve una certa area urbana.

Le sub reti possono essere alimentate rifornendo indipendentemente i serbatoi a servizio delle varie zone

ovvero riempiendo a cascata il serbatoio della rete più bassa o direttamente dal serbatoio o dalla rete della

zona più alta.

Variazioni di portata

La rete idrica è soggetta nell’arco della giornata a variazioni di portata di notevole entità, in funzione della

richiesta dell’utenza.

All’uopo nel progetto e nella verifica delle reti si tiene conto della sola variabilità giornaliera rispetto alla

portata media. Si definisce, quindi, un coefficiente di punta orario, c , che consente di valutare le portate

p

erogate nell’ora di massimo consumo, ipotizzando convenzionalmente che durante l’ora di punta tutte le

erogazioni si incrementino del fattore cp rispetto alla media.

 Q : portata oraria massima

hmax

 Q : portata media giornaliera

 N : numero di abitanti serviti dalla rete idrica

ab

Zone urbanisticamente omogenee

Per valutare le erogazioni medie giornaliere si procede, in via approssimata, all’individuazione nel PRG del

centro abitato di zone urbanisticamente omogenee ed alla valutazione della densità abitativa.

Determinazione portate erogate

In base alla geometria della rete si attribuiranno ai lati delle maglie principali le rispettive aree di influenza

e, quindi, gli utenti serviti.

Le aree di influenza possono essere individuate in modo semplificato o con maggior precisione

considerando gli effettivi percorsi delle tubazioni secondarie.

Dimensionamento delle reti di distribuzione idrica

Il dimensionamento di una rete di distribuzione a maglie chiuse rappresenta un problema complesso e con

un elevato grado di indeterminazione algebrica. In fase di dimensionamento, infatti, sono da ritenersi noti

soltanto i coefficienti di scabrezza delle tubazioni, le lunghezze dei lati della rete e l’entità

delle erogazioni distribuite lungo i lati e/o concentrate nei nodi, con riferimento alla condizione di

funzionamento considerata (in genere la condizione di punta, ovvero di massimo consumo).

Sono incogniti i diametri delle tubazioni, le quote piezometriche nei nodi e le portate (o le portate

equivalenti) defluenti lungo i lati. In un problema di progetto per una rete di distribuzione idrica, quindi, le

incognite sono L diametri delle tubazioni, L‐1 portate o portate equivalenti, N‐1 quote piezometriche nei

nodi. Pertanto, in aggiunta alle N‐1 equazioni di continuità linearmente indipendenti ed alle L‐1 equazioni

del moto indipendenti, sono necessarie altre L relazioni. Tali relazioni possono essere ricavate ricercando la

distribuzione di diametri cui corrisponda il minimo costo della rete.

Il criterio di dimensionamento di Foltz presuppone l’applicazione di disconnessioni fittizie per rendere

“aperta” la rete (in numero pari al numero di maglie m): si vengono così ad individuare dei percorsi che

congiungono una disconnessione con un nodo a quota piezometrica nota.

All’estremità di ciascun percorso si impone che la portata sia nulla. È così possibile determinare, applicando

le equazioni di continuità ai nodi a partire da ciascuna disconnessione, le portate di estremità e, quindi, le

portate equivalenti. Nell’ipotesi che i costi delle tubazioni crescano linearmente con i diametri e che le leggi

di resistenza adottate siano del tipo:

è possibile applicare le equazioni di minimo costo nella seguente forma:

La costante di proporzionalità c, diversa per ciascun percorso, può essere determinata osservando che la

perdita di carico totale H è nota, in quanto nel nodo di origine del percorso la quota piezometrica è

assegnata (ad esempio la quota nel nodo di immissione della condotta di avvicinamento), mentre in

corrispondenza della disconnessione si impone che essa sia tale da consentire l’alimentazione delle utenze

del piano più alto.

Una volta determinata la costante di proporzionalità è possibile calcolare le cadenti piezometriche per tutti

i lati del percorso e, da queste, i diametri. I diametri così ottenuti vanno ovviamente sostituiti con diametri

commerciali, escludendo diametri inferiori agli 80 mm (per il servizio antincendi) ed impiegando

possibilmente nella rete un numero non elevato di diametri diversi.

E’ opportuno evidenziare che disconnettere le maglie della rete equivale ad assegnare i punti nei quali la

portata si annulla (i cosiddetti punti di inversione del moto), nei quali la quota piezometrica è minima. Per

questo motivo in corrispondenza delle disconnessioni si impone che la quota piezometrica sia sufficiente a

garantire l’alimentazione delle utenze più sfavorite.

La scelta della localizzazione delle disconnessioni, pertanto, va operata con attenzione, in quanto

condiziona il funzionamento della rete i cui diametri si vanno a calcolare e, di conseguenza, le dimensioni

stesse dei diametri. Al fine di evitare che lungo i percorsi si verifichino condizioni di insufficienza della quota

piezometrica, è importante che le disconnessioni siano localizzate nei punti più sfavoriti della rete, che

andranno ricercati tra i più lontani dal serbatoio, o tra quelli posti a quota più elevata o, ancora, tra quelli

nei quali gli edifici raggiungono la massima altezza.

Per il dimensionamento di una rete di distribuzione idrica si può fare riferimento anche ad approcci

alternativi, quali, ad esempio:

 metodologie di ottimizzazione vincolata del sistema: assegnata la topologia della rete, le portate da

erogare e le quote piezometriche richieste nei nodi, definiti opportuni vincoli di carattere idraulico

e meccanico, si ricercherà la distribuzione dei diametri per la quale il costo di realizzazione sia

minimo (funzione obiettivo)

 metodologie progettuali volte alla minimizzazione dei costi ed alla massimizzazione dell’affidabilità

idraulica e meccanica del siste