PROGETTO DEFINITIVO Relazione di calcolo Fognatura ... · Relazione di calcolo Fognatura piazzale A10b Centro di CostoCodice Budget G225-5509-001 G225-5509-002 ... Il calcolo idraulico

AUTONOMIA IDRICA ISOLA D’ELBA LOTTO I: IMPIANTO DI

DISSALAZIONE IN LOC. MOLA DA 80 L/S E OPERE

ACCESSORIE A TERRA E A MARE

PROGETTO DEFINITIVO Relazione di calcolo Fognatura piazzale

A10b Codice Budget

G225-5509-001 G225-5509-002 G225-5509-003

Codice Commessa

AII0116 ARI0075 ARI0076

Centro di Costo

AI5318 AR5004 AI5001

Data

29/05/2017

L’Assistente

Progettazione e DL

Geom. Gabriele Bertoni

Il Responsabile

Operativo Progettazione e DL

Ing. Antiniska Marchini

Il Project Manager

Ing. Camillo Palermo

Il Responsabile del

Progetto

Ing. Fabrizio Pacini

Il Progettista esterno

Dott.Ing. Nicola Croce

Il collaboratore esterno

Ing. Alessandra Galli

Il Dirigente

Programmazione e Gestione Investimenti

Ing. Fabrizio Pacini

Studio di Ingegneria Studio Croce srl – via Carducci, 47 56017 Ghezzano (PI) [email protected]

1

RELAZIONE CALCOLO FOGNATURA


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Indice

1. PREMESSA ..................................................................................................................................................... 3 2 - STUDIO IDROLOGICO ................................................................................................................................ 3 3 – SCENARI DI AFFLUSSO .............................................................................................................................. 3 4 - DETERMINAZIONE DEGLI IDROGRAMMI DI PIENA ................................................................................. 4 5. IDROGRAMMI DI PIENA ............................................................................................................................... 7 6. PROCEDURE E METODI USATI PER LE VERIFICHE IDRAULICHE ............................................................ 8 7. VERIFICHE IDRAULICHE ........................................................................................................................... 10 8. VERIFICHE STATICHE ................................................................................................................................ 11


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1. PREMESSA

La rete fognaria di scolo delle acque pluviali è costituita da una condotta principale in PVC SN8

DN 355 (Di 334) che raccoglie le acque di piazzale e dei discendenti del fabbricato e poi le recapita

nel fosso Aiali tramite un tratto di condotta sottostrada.

Fig. 1 – planimetria

Per motivi di compensazione idraulica vi è una vasca di 120 mc scavata nel terreno che ha la

funzione di laminazione degli eventi duecentennali.

Il calcolo idraulico della rete fognaria viene condotto, però, sulla base degli eventi pluviometrici

trentennali; la differenza di portata viene laminata dalla suddetta cassa.

2 - STUDIO IDROLOGICO

I dati di pioggia sono desunti dalle curve di possibilità pluviometrica LSPP della Regione Toscana

come già indicato nella relazione idrologico-idraulica; si ha:

Tr30: a=54,51 mm; n=0,270;

3 – SCENARI DI AFFLUSSO

TR30

1 ora 30 min 15 min

54,51 45,20 37,49

Piogge (mm)


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4 - DETERMINAZIONE DEGLI IDROGRAMMI DI PIENA

Per la determinazione degli idrogrammi di piena in corrispondenza dei vari scenari, sia per lo stato

attuale che per quello modificato, si è utilizzato un modello matematico idrologico-idraulico

SWMM Storm Water Management Model (sviluppato da EPA United States Environmental

Protection Agency).

SWMM è un programma che consente lo studio e la modellazione del fenomeno della

trasformazione afflussi-deflussi che avviene in un bacino idrografico.

Il risultato della modellazione è la costruzione dell'idrogramma di piena in uno o più punti della rete

idraulica in esame.

La modellazione viene fatta mediante la simulazione dei vari processi fisici che avvengono nel

bacino, ognuno dei quali può essere simulato per mezzo di uno o più metodi matematici.

I processi fisici che vengono simulati consistono sostanzialmente nella depurazione delle piogge per

tenere conto della quota parte di pioggia che viene perduta per intercettazione da parte della

vegetazione, per detenzione nelle depressioni superficiali e per infiltrazione, e nella conseguente

trasformazione della quota parte di pioggia residua (pioggia netta) in deflusso superficiale sulle

pendici del bacino e nel reticolo idrografico.

Il programma provvede alla determinazione, partendo da uno ietogramma di progetto, che

rappresenta l’andamento temporale dell’intensità di pioggia, alla determinazione dello ietogramma

netto (depurato delle perdite), che rappresenta la pioggia disponibile per il deflusso

Nel caso specifico è stato adottato, per simulare le perdite di bacino, il metodo SCS-CURVE

NUMBER, che è basato sulle curve di precipitazione e perdita cumulate ed in cui in funzione del

tipo di suolo, del suo uso e del grado di imbibizione dello stesso, calcola istante per istante il

quantitativo di pioggia che va a produrre il deflusso.

Tale metodo è molto diffuso, soprattutto grazie alla notevole mole di dati reperibili in letteratura per

la sua applicazione, esso permette di calcolare l’altezza di pioggia persa fino ad un dato istante

attraverso la valutazione dell’altezza di pioggia massima immagazzinabile nel suolo a saturazione

(S), il cui valore viene determinato attraverso un parametro detto CN (Curve Number) il quale è

funzione della natura del terreno, del tipo di copertura vegetale dello stesso del corrispondente

grado di imbibizione.

La classificazione dei suoli secondo la natura del terreno è riportata nella seguente Tabella 4.1, una

volta definito il tipo di suolo si determina il valore del CN corrispondente al grado di copertura

attraverso l'uso della Tabella 4.2.

I valori riportati nella Tabella 4.2 sono relativi a condizioni di umidità del terreno antecedenti

l’evento medie definite attraverso il valore della precipitazione totale nei cinque giorni precedenti

l’evento stesso (Antecedent Moisture Condition classe II - che in sigla viene indicata come AMC

II).

CLASSIFICAZIONE DEI SUOLI SECONDO S.C.S.

Tipo CARATTERISTICHE DEI SUOLI

A

(Ruscellamento di modesta entità). Suoli con alte velocità

d’infiltrazione anche se completamente bagnati; suoli formati

da strati sabbiosi e ghiaiosi di spessore eleva-to, ben drenati,

caratterizzati da alti coefficienti di permeabilità.

B

Suoli con moderate velocità di infiltrazione anche se

completamente bagnati, di spessore abbastanza elevato,

abbastanza drenati; suoli di tessitura da moderatamente

grossolana a moderatamente fine, caratterizzati da un moderato

coefficiente di per-meabilità.


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C

Suoli con basse velocità d’infiltrazione anche se completamente

bagnati; principal-mente costituiti da uno strato che ostacola la

percolazione dell’acqua nel terreno sot-tostante; suoli di

tessitura da moderatamente fine a fine, caratterizzati da bassi

coef-ficienti di permeabilità.

D

(Ruscellamento di notevole entità). Suoli con modestissime

velocità d’infiltrazione; principalmente suoli argillosi

rigonfiabili oppure suoli situati poco al di sopra di una falda

permanente; suoli con strati o lenti argillose in prossimità o in

superficie; suoli di piccolo spessore con materiale

impermeabile sottostante. Suoli caratterizzati da bassissimi

coefficienti di permeabilità.

Tabella 4.1

TIPO DI SUOLO

Valori di CNII in funzione delle classi idrologiche dei suoli, del tipo di copertura e della morfologia

della superficie. I valori riportati corrispondono alla classe di umidità II definita nella tab. 2.10

(fonte U.S.D.A. - S.C.S.).

A B C D

Terreno coltivato

Senza trattamenti di conservazione

72 81 88 91

Con interventi di conservazione

62 71 78 81

Terreno da pascolo

Cattive condizioni 68 79 86 89

Buone condizioni 39 61 74 80

Praterie

Buone condizioni 30 58 71 78

Terreni boscosi o forestati

Terreno sottile sottobosco povero

senza foglie 45 66 77 83

Sottobosco e copertura buoni

25 55 70 77

Spazi aperti, prati rasati, parchi

Buone condizioni con almeno il 75%

dell’area con copertura erbosa

39 61 74 80

Condizioni normali con copertura erbosa

intorno al 50% 49 69 79 84


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Aree commerciali (impermeabilità 85%)

89 92 94 95

Distretti industriali (impermeabilità 72%)

81 88 91 93

Aree residenziali

impermeabilità media 65%

77 85 90 92

38% 61 75 83 87

30% 57 72 81 86

25% 54 70 80 85

20% 51 68 79 84

Parcheggi impermeabilizzati, tetti

98 98 98 98

Strade

Pavimentate, con cordoli e fognature

98 98 98 98

Inghiaiate o selciate con buche

76 85 89 91

In terra battuta (non asfaltate)

72 82 87 89

Tabella 4.2

PRECIPITAZIONE TOTALE NEI 5 GIORNI PRECEDENTI (mm)

CLASSE AMC STAGIONE DI

RIPOSO

STAGIONE DI

CRESCITA

I < 12.7 < 35.5

I 12.7 -- 28.0 35.5 -- 53.3

III >28.0 > 53.3

Tabella 4.3

Tabella 4.4

CLASSE AMC CLASSE AMC

I II III I II III

100 100 100 40 60 78

87 95 98 35 55 74

78 90 96 31 50 70

70 85 94 22 40 60

63 80 91 15 30 50

57 75 88 9 20 37

51 70 85 4 10 22

45 65 82 0 0 0


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L’individuazione della classe AMC viene effettuate con i valori riportati in Tabella 4.3, mentre la

Tabella 4.4 rappresenta la tabella di conversione dal valore del CN valido per AMC II (valore

determinato attraverso la Tabella 4.2 ) ai valori corrispondenti per AMC I o AMC III.

Per la valutazione dell’uso del suolo si è fatto riferimento alla cartografia regionale.

Per quanto riguarda la classe AMC da adottare per la determinazione dell’idrogramma di piena è

stata scelta la classe AMCII.

Si sono assunti i seguenti valori di CN: 65 per il terreno permeabile adibito a giardino, 90 per i

viali e 98 per la copertura del fabbricato.

Schema idrologico - SWMM:

5. IDROGRAMMI DI PIENA

Il picco di piena si ha per eventi di 30 minuti, ottenendo: 100 l/s;


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Idrogrammi Tr 30

Per eventi di durata inferiore la quasi totalità del volume integrale di deflusso viene invasato nella

cassa di compenso pertanto le portate interessanti la fognatura sono di modestissima entità; per

durate superiori a 30 minuti si hanno portate inferiori.

6. PROCEDURE E METODI USATI PER LE VERIFICHE IDRAULICHE

Per la determinazione delle portate ed i livelli idrici si è utilizzato il software EPA Storm Water

Management Model (SWMM) - versione 5, che permette di eseguire calcoli e simulazioni sia di

tipo idrologico che idraulico, strutturato per gestire e modellare i deflussi urbani e/o fognari.

Da un punto di vista idrologico è possibile lanciare simulazioni di eventi critici di pioggia che

vanno a sollecitare il bacino idrografico, che può essere suddiviso in diversi sottobacini, ciascuno

caratterizzato in maniera differente. Per la simulazione delle perdite di bacino possono essere

adottati vari schemi: Horton, Green-Ampt o Curve Number; quest’ultimo, detto metodo CN, è il più

diffuso ed è stato utilizzato nel presente studio come descritto nei paragrafi precedenti.

Lo scorrimento superficiale è schematizzato con un deflusso lungo una superficie piana inclinata,

rappresentata dalla dimensione trasversale del bacino idealizzato di forma rettangolare.

Schematizzazione del bacino - Subcatchment


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Il modello permette , inoltre, la modellazione dei ristagni nelle depressioni naturali del terreno,

mediante un’altezza d’acqua. L’acqua così immagazzinata è soggetta, ad infiltrazione (ed

evaporazione).

Da un punto di vista idraulico SWMM adotta una schematizzazione monodimensionale in

condizioni di moto vario, e fornisce il valore dei battenti idrici grazie alla risoluzione e integrazione

numerica in forma completa delle equazioni di De Saint Venant su una rete di canali o condotte,

interessata da fenomeni meteorici:

0

l

T qx

Q

t

A

0

fS

x

zAg

x

QV

t

Q

dove:

1. AT = area liquida;

2. Q= portata liquida;

3. z = carico idraulico totale;

4. Sf = cadente piezometrica.

Schematizzazioni di bacino e rete idraulica effettuate con SWMM.

Lo schema monodimensionale è applicabile nel caso di corsi d’acqua con un alveo a sezione

semplice (channel), privo cioè delle aree golenali laterali (floodplain). Tale schema viene,

comunque, applicato anche al caso di alvei a sezione composta considerando le aree golenali al di

fuori del canale come un’unica area di accumulo o di espansione che scambia acqua con il canale,

mentre il flusso in tali aree è considerato come flusso in un canale separato.

Per i due flussi separati vengono scritte le equazioni di continuità e di conservazione della quantità

di moto, per semplificare il problema si ipotizza che la superficie dell’acqua sia definita da un’unica

superficie orizzontale in ogni sezione normale alla direzione del flusso, in maniera tale che lo

scambio di quantità di moto tra il canale e le aree laterali sia trascurabile e la portata sia distribuita

secondo l’intera sezione


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Le precedenti equazioni possono essere semplificate grazie all’adozione, da parte di SWMM, di

schemi più semplici come il Kinematic Wave che non tiene conto dei fenomeni di rigurgito della

rete ma calcola il livello idrico in ogni singolo tronco della rete mediante l’equazione del moto

uniforme.

Il software SWMM permette di modellare opere e sistemi idraulici compresi quelli di regolazione

quali sfioratori, paratoie o valvole, ecc., come indicato nello specchietto riepilogativo degli elementi

idraulici modellati.

Elementi idraulici modellati

In fase di output il programma permette di visualizzare i profili longitudinali lungo i canali o

condotti e li ideogrammi di piena sia in forma grafica che numerica.

7. VERIFICHE IDRAULICHE

Tramite l’equazione di manning è possibile verificare la tubazione di scarico:

il tratto più critico è quello sotto strada ove la pendenza motrice è di circa 0,5% considerando che lo

scarico è nel fosso Aiali e si garantisce un ricoprimento di 80 cm sopra l’estradosso della tubazione:


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Si ha:

Qmax = 103,3 l/s

Quindi superiore all’afflusso calcolato. Il tratto di condotta interno al lotto ha capacità di deflusso

maggiore dato il maggior gradiente idraulico disponibile (>0,6%).

8. VERIFICHE STATICHE

Verifica statica per tubazioni interrate – calcolo della deformazione diametrale

Lo scopo del calcolo statico applicato alle tubazioni interrate è quello di determinare la

deformazione diametrale a breve e medio termine, di un tubo flessibile interrato soggetto a

carichi esterni quali il peso del terreno, i carichi mobili derivanti da traffico e la presenza di

falda. L’esperienza fissa i valori ammessi per le deformazioni, ovvero:

.

Nelle tubazioni destinate al trasporto in pressione di fluidi i carichi esterni sono compensati

ampiamente dalle sollecitazioni di segno opposto derivanti dalla pressione idrostatica interna, è

intuitivo che il calcolo statico abbia quindi significato per le tubazioni destinate alla fognature a

pelo libero dove il riempimento del tubo è sempre parziale, o per le tubazioni interrate destinate al

trasporto di fluidi in pressione che possono temporaneamente trovarsi non in esercizio (in assenza

di pressione interna) o svuotarsi.

CALCOLO DEL CARICO ESTERNO

Il carico esterno q per unità di superficie (espresso in kg/m2) è dato dalla somma dei contributi:

1. qt carico del terreno

2. qm carichi mobili (traffico)

3. qf carico di falda


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Il carico esterno Q per unità di lunghezza (espresso in kg/m) è dato q*De dove De è il diametro

esterno nominale della tubazione espresso in m.

Per la trincea sono definiti i parametri:

B = larghezza della trincea in metri ovvero distanza delle pareti della trincea in corrispondenza

della generatrice superiore del tubo;

H = profondità dell’interro ovvero la distanza fra la generatrice superiore del tubo e il piano di

calpestio.

Carico del terreno

1. Trincea stretta dove si verifica B 3De B H/2

il carico del terreno qt1 è dato dalla formula:

qt1 = C * * B con

(a)

C= (1 - e –2 * K tg * H/B

) / 2 * K tg

K = tg2(/4 - /2)

dove:

= peso specifico del terreno [kg/m3]

= angolo di attrito tra materiale di riempimento e pareti della trincea

= angolo di attrito interno del materiale di riempimento

Si assumono i valori:

Tipo di terreno di riempimento Peso specifico [kg/m3]

Terreni asciutti e ghiaia 1800

Terreno bagnato, argille limose 2000

Terreno sabbioso, sabbia argillosa 1900

(°) k

32 0.307

38 0.238

34 0.283

(°) tg

35 0.726

30 0.577

33 0.649

2. Trincea infinita o terrapieno B 10De B H/2

Il carico è dato dall’espressione (a) dove C assume il valore costante di 1.


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Carico mobile

Per la determinazione del contributo del carico da traffico è usata l’espressione:

qm = 3/2 * P * / (H+ De/2)2

dove :

De = diametro esterno nominale della tubazione [m]

H = altezza del riempimento misurato dalla generatrice superiore del tubo [m];

= coefficiente correttivo pari a

1+ 0,3/H per i soli mezzi stradali,

1 + 0,3/H per i soli mezzi ferroviari nel caso il tubo non sia incamiciato da un tubo di

acciaio così come previsto dalle normative di legge vigenti.

P = 3000 kg per Tipo traffico Agricolo (autovetture e autocarri di cantiere),

6000 kg per Tipo traffico Medio (autovetture e autocarri leggeri),

10000 kg per Tipo traffico Pesante (autovetture e autotreni pesanti).

Carico di falda

Per la determinazione del carico di falda (eventuale), è usata l’espressione:

qf = H2O * ( H-H1 + De/2)

dove:

H2O = peso specifico dell’acqua di falda [kg/m3] che per semplicità si assume uguale a 1;

H = altezza del riempimento misurato dalla generatrice superiore del tubo [m];

H1 = altezza del riempimento misurato a partire dal livello dell’acqua di falda [m];

De = diametro nominale esterno della tubazione [m].

CALCOLO DELLE INTERAZIONE TUBO / TERRENO

Il metodo adottato per la determinazione delle interazioni tubo terreno è quello di Spangler.

Si assume per semplicità che il carico sovrastante sia distribuito sull’intera semisezione, siamo nel

caso di tubi lisci e al tempo t=0 la formula di Sapngler applicata è:

x = y = (0.125 * Q ) / (E * (s/De)3 + 0.0915* E1)

dove :

x = y = deformazione diametrale, differenza tra il diametro del tubo a riposo e il diametro

dopo la deformazione;

Q = carico complessivo [kg/m] derivante dai contributi peso del terreno, traffico ed

eventuale falda;

E = modulo di elasticità del tubo (PE o PVC-U) [kg/m2];

s = spessore della tubazione, nel caso di pareti struttura è lo spessore equivalente [m];

De = diametro esterno della tubazione [m];

E1 = modulo di elasticità del terreno [kg/m2].


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Il modulo di elasticità del terreno cui è proporzionata la controspinta del terreno stesso sulle pareti

laterali della tubazione è dato dalla espressione:

E1 = (9*104) * (H + 4) / ’

dove:

’ = fattore numerico che dipende dalla compattazione (vedi tab. seguente)

H = altezza del riempimento a partire dalla generatrice superiore del tubo [m].

Per la determinazione della deformazione diamtrale a lungo termine si utilizza la stessa formula

introducendo un fattore correttivo T:

x = y = (0.125 *T* Q ) / ((E/T) * (s/De)3 + 0.0915* E1)

dove :

T = 2 (valore raccomandato)

Compattazione Proctor % ’

95 1.0

90 1.5

85 1.52

80 1.53

75 1.24

Per il calcolo della deformazione percentuale è applicata la formula:

Def% = (x / De) * 100

Si ha:


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I valori di deformazione attesa rientrano nei limiti previsti.

Ghezzano, Maggio 2017 Ing. Nicola Croce

Matteo

Timbro trasparente

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