Comuni di: Almenno S. Bartolomeo Barzana Bonate Sotto Brembate di Sopra Bonate Sopra

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1 Comuni di: Almenno S. Bartolomeo Barzana Bonate Sotto Brembate di Sopra Bonate Sopra Mapello Palazzago Ponte S. Pietro Presezzo (capofila) STUDIO IDROGEOLOGICO E PROGETTAZIONE PRELIMINARE A SCALA DI SOTTOBACINO IDROGRAFICO DEI TORRENTI LESINA, BREGOGNA E AFFLUENTI ELABORATO 3 DATA: COD. 107/1 SETTEMBRE 2010 RELAZIONE IDRAULICA (capogruppo) SERGIO TACCOLINI FABIO GAGNI Via Zambonate, 81-BERGAMO-Tel./Fax Prof. Ing. UGO MAJONE BEATRICE MAJONE ALESSANDRO BALBO GIACOMO GALIMBERTI Via Inama, 7 MILANO Tel Fax PIER GIUSEPPE FENAROLI Via Crocefisso, 37/F-BERGAMO - Tel./Fax CARLO PEDRALI Via Borfuro, 2 - BERGAMO - Tel./Fax

2 INDICE 1. PREMESSA IL CODICE DI CALCOLO HEC-RAS IMPLEMENTAZIONE DEL MODELLO MATEMATICO TORRENTE LESINA Descrizione geometrica del reticolo idrografico Coefficienti di scabrezza Condizioni al contorno Aree di esondazione TORRENT Descrizione geometrica del reticolo idrografico Coefficienti di scabrezza Condizioni al contorno Aree di esondazione ANALISI DEI RISULTATI: STATO DI FATTO TORRENTE LESINA Descrizione delle aree esondabili Analisi dei manufatti interferenti TORRENT Descrizione delle aree esondabili Analisi dei manufatti interferenti ASSETTO DI PROGETTO CRITERI GENERALI DESCRIZIONE DEGLI INTERVENTI Adeguamento dei manufatti di attraversamento Realizzazione di difese di sponda Vasca di laminazione in derivazione da 250'000 mc VERIFICA IDRAULICA DELL ASSETTO DI PROGETTO Ricostruzione geometrica dell assetto di progetto Analisi dei risultati ANALISI SOLUZIONI ALTERNATIVE _Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 2 di 42

3 1. PREMESSA Partendo dalle informazioni di carattere idrologico riportate nella Relazione Idrologica è stato implementato un modello idraulico per simulare il funzionamento dei torrenti Lesina e Bregogna mediante l utilizzo del codice di calcolo HEC-RAS elaborato dall'u.s. Army Corps of Engineers. Detto codice, che è oggi ampiamente utilizzato in campo nazionale ed internazionale nello studio dei problemi di idraulica fluviale, a partire dalla conoscenza della geometria dell alveo, dei valori di scabrezza e della portata di riferimento, restituisce il profilo di corrente monodimensionale, corrispondente al passaggio del sopra detto valore della portata di riferimento. È stato quindi simulato il funzionamento del corso d acqua nell assetto attuale al fine di individuare le criticità esistenti per i tempi di ritorno pari a 50 e 200 anni. Allo scopo sono state redatte delle planimetrie in cui vengono riportate le aree esondabili per i suddetti tempi di ritorno e l analisi idraulica dei manufatti di attraversamento. Successivamente sono state analizzate diverse alternative di progetto dal punto di vista tecnico, idraulico ed economico. Dalla comparazione di diverse alternative è stato individuato un assetto di progetto complessivo in grado di mettere in sicurezza il territorio in concomitanza con eventi corrispondenti ad un tempo di ritorno pari a 200 anni. 03_Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 3 di 42

4 2. IL CODICE DI CALCOLO HEC-RAS Per la definizione del profilo di corrente ci si è avvalsi di uno specifico codice di calcolo denominato HEC-RAS, elaborato dall'u.s. Army Corps of Engineers. Detto codice, che è oggi ampiamente utilizzato in campo nazionale ed internazionale nello studio dei problemi di idraulica fluviale, a partire dalla conoscenza della geometria dell alveo, dei valori di scabrezza e della portata di riferimento, restituisce il profilo di corrente monodimensionale, corrispondente al passaggio della portata di riferimento. Il codice di calcolo in questione è basato sostanzialmente sull'integrazione, in termini finiti, dell'equazione dell'energia di una corrente: E = i j S dove: E = variazione dell'energia della corrente tra due sezioni di calcolo; S = distanza tra le due sezioni di calcolo; i = pendenza del fondo alveo; j = cadente della linea dell'energia. In particolare HEC-RAS utilizza lo "standard step method" per integrare la precedente equazione discretizzata nella forma seguente: Z 2 + α 2V 2 g 2 2 = Z α1v 1 2 g + H dove: Z 2 (m) = quota assoluta del pelo libero nella sezione 2 (incognita); α 2 = coefficiente di velocità alla sezione 2 (incognito); V 2 (m/s) = velocità media nella sezione 2 (incognita); g (m/s 2 ) = accelerazione di gravità; H (m) = perdita di carico tra le sezioni 1 e 2; 03_Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 4 di 42

5 le grandezze con pedice 1 hanno analogo significato, ma con riferimento alla sezione 1 e sono tutte quantità note. Quando la sezione trasversale che descrive la geometria dell alveo è costituita da un unico canale (ovvero non vi è la presenza di aree golenali come nel caso attuale), il coefficiente di velocità α è assunto pari a 1. Viceversa, quando il flusso della corrente si suddivide tra il canale principale e le aree golenali, il coefficiente di velocità α è calcolato in base alla conveyance totale della sezione (k t ) risolvendo la seguente equazione: dove: α = ( A ) t 2 * ( ksx ) ( A ) - A t = area bagnata totale della sezione; sx 3 2 ( kch ) + ( Ach ) ( k ) 3 t ( kdx ) ( A ) - A sx, A ch, A dx = aree bagnate rispettivamente della golena sinistra, del canale principale e della golena destra; - k t = Q t /(i)(1/2) = conveyance totale della sezione; - k sx, k ch, k dx = conveyance rispettivamente della golena sinistra, del canale principale e della golena destra. dx 3 2 Il termine H rappresenta la perdita di carico che si genera nella corrente tra una sezione e l'altra ed è calcolato come somma del termine relativo alle perdite distribuite e del termine relativo alle perdite concentrate per contrazione o espansione dovute alla variazione di geometria della sezione trasversale: dove: α V H = LJ + K 2g α 1V 1 2g L (m) = distanza fra le due sezioni; J (m/m) = cadente della linea dell'energia; K = coefficiente di espansione o contrazione. 2 03_Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 5 di 42

6 La cadente J è calcolata utilizzando la ben nota espressione di Chézy: V C 2 J = 2 che, utilizzando per l'indice di resistenza "C" la forma proposta da Manning, si trasforma nella: R dove: J = n n = coefficiente di scabrezza secondo Manning; V (m/s) = velocità media nella sezione; R (m) = raggio idraulico della sezione. 2 V R Per il coefficiente K di contrazione e di espansione si sono utilizzati i valori riportati nella tabella seguente, con riferimento alla situazione di graduale variazione di larghezza tra una sezione e l'altra e a quella di variazione generalmente più brusca dovuta alla presenza di ponti con pile in alveo. Contrazione Espansione Variazione graduale Ponti Tabella 1 Coefficienti di contrazione ed espansione utilizzati nel modello 03_Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 6 di 42

7 3. IMPLEMENTAZIONE DEL MODELLO MATEMATICO 3.1 Torrente Lesina Descrizione geometrica del reticolo idrografico Il tratto oggetto di simulazione ha una lunghezza totale di circa 14 km e risulta compreso tra il comune di Almenno San Bartolomeo e la confluenza in Brembo nel territorio comunale di Bonate Sotto. Lungo il suo corso il torrente, da monte verso valle, attraversa rispettivamente i territori comunali di Almenno San Bartolomeo, Barzana, Brembate Sopra, Ponte San Pietro, Presezzo, Bonate Sopra ed infine Bonate Sotto. La geometria del canale è stata descritta attraverso l inserimento di 263 sezioni trasversali rilevate con apposito rilievo topografico fornitoci dal Consorzio di Bonifica della Media Pianura Bergamasca ed eseguito nel Gennaio 2002 nell ambito dello Studio di sistemazione idraulica e naturalistica del torrente Lesina. Il rilevo è stato integrato in alcuni punti nel mese di Maggio Con tale integrazioni sono state aggiornate le informazioni relative alla tombinatura interna alla Ditta Personeni in comune di Almenno San Bartolomeo e allo scolmatore da essa realizzato. Si è inoltre rilevato il nuovo ponte di via delle Viole in comune di Brembate Sopra ed infine si sono battute alcune quote in corrispondenza del ponte di via Tresolzio sempre in territorio comunale di Brembate. Tutte le informazioni topografiche e le indagini conoscitive sono riassunte negli allegati A1 e A2 del presente studio Atlante planimetrico delle indagini conoscitive e Atlante delle sezioni topografiche. Le informazioni topografiche dal punto di vista altimetrico risultano concordi con le cartografie aereofotogrammetriche comunali, sulla base delle quali le sezioni inserite nel modello sono state allungate in alcuni punti in cui si è reso necessario valutare le aree di esondazione. Le sezioni rilevate coprono dunque l intero tratto oggetto di studio, ma in corrispondenza di alcune singolarità quali ponti, tombini, traverse e repentini cambiamenti di sezione (allargamenti e restringimenti) si è reso necessario duplicare alcune sezioni per descrivere al meglio la geometria delle diverse strutture presenti 03_Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 7 di 42

8 lungo il torrente. In particolare è stata inserita la geometria di tutti i manufatti di attraversamento presenti lungo il corso d acqua. Il funzionamento di questi manufatti è stato schematizzato mediante quattro sezioni di calcolo, che si rifanno alla geometria rilevata topograficamente. Di queste quattro sezioni, partendo da valle verso monte, la prima descrive la sezione naturale posta a valle del ponte, con andamento del terreno pari a quello del canale in corrispondenza del manufatto; la seconda e la terza sezione descrivono, rispettivamente, la faccia di valle e la faccia di monte del ponte e sono poste ad una distanza fra loro pari alla larghezza dell impalcato; la quarta, infine, descrive la sezione naturale a monte del manufatto, anch essa con andamento del terreno pari a quello del canale sotto al ponte. In sintesi per l implementazione del modello idraulico sono state utilizzate 286 sezioni e sono stati inseriti i seguenti manufatti: 25 manufatti di attraversamento; 1 tombinatura (interna alla Ditta Trasporti Personeni); 3 salti di fondo in corrispondenza della confluenza Coefficienti di scabrezza Il torrente Lesina nel tratto oggetto di studio risulta caratterizzato sia tratti naturali in cui le sezioni risultano coperte da una vegetazione più o meno spontanea che da tratti artificiali, soprattutto all interno dei centri abitati, in cui sia il fondo che le sponde risultano rivestiti o in calcestruzzo (in diverse condizioni di usura) o da muri in pietrame. Le scabrezze sono state valutate attentamente sulla base delle indicazioni fornite in letteratura, assegnando valori differenti per i diversi tratti caratterizzati dal tipo di copertura vegetale e dalla tipologia del rivestimento ove presente. In particolare si è fatto riferimento alle indicazioni fornite da U.S. Department of Agricoltura- Techinical Bulletin n 129, - Novembre 1929, n Febbraio 1934 e quelle fornite dalle tabelle dei testi Ven Te Chow, Ph. D - Open - Channel Hydraulics, Mc Graw - Hill International Editions 1973, M. Hanif Chaudhry - Open Channel Flow, Prentice Hall 1993 ed altri testi di letteratura. Sono stati dunque considerati i seguenti valori della scabrezza di Strickler: alveo naturale con vegetazione spontanea (tratto di monte): 30 03_Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 8 di 42

9 alveo naturale: 35; alveo naturale con muri: 45 50; alveo con sponde e fondo rivestiti in calcestruzzo: Condizioni al contorno Nella sezione di monte (sezione 263) è stato immesso l idrogramma di piena (per i tempi di ritorno simulati pari a 50 e 200 anni) relativo al bacino di monte chiuso alla sezione LS1 e derivante dalla trasformazione afflussi deflussi (vedi elaborato 1 Relazione Idrologica ). Sottobacino LS1 T Q [mc/s] Tempo [ore] Figura 1 Idrogramma di monte T50 immesso nel modello 03_Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 9 di 42

10 Sottobacino LS1 T Q [mc/s] Tempo [ore] Figura 2 Idrogramma di monte T200 immesso nel modello Come già ribadito nella Relazione Idrologica, per simulare il corretto funzionamento del corso d acqua durante gli eventi di piena non si sono utilizzare direttamente le portate determinate nell analisi idrologica, ma si è operata una trasformazione afflussi-deflussi atta a determinare delle onde di piena relative ai sottobacini residui ovvero a quelle porzioni di bacino comprese tra due sezioni di chiusura contigue. Tali idrogrammi sono stati immessi nel modello utilizzando la condizione Uniform Lateral Inflow in modo tale da simulare l apporto del bacino non come immissione concentrata (in una sezione ben precisa), ma distribuita omogeneamente lungo l asta del torrente, tenendo quindi conto dei tempi di corrivazione e di propagazione dell onda stessa. In corrispondenza della confluenza con il torrente Bregogna e del rio Rino (3 impluvio) sono stati inseriti invece gli idrogrammi di piena derivanti relativi all intero bacino idrografico e derivanti anch essi dalla trasformazione afflussi deflussi descritta nella Relazione Idrologica. 03_Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 10 di 42

11 Nella tabella seguente si riporta un quadro riassuntivo delle condizioni al contorno considerate nel modello idraulico dove si riporta la sezione di riferimento, il tipo di immissione (distribuita o concentrata) e le portate al colmo relative ai tempi di ritorno considerati nell analisi idraulica (T50 e T200). Sezione Tipo di immissione Bacino di riferimento Portata al Colmo T50 [mc/s] Portata al Colmo T200 [mc/s] Naturale concentrato Naturale distribuito Naturale distribuito Naturale distribuito Naturale concentrato Naturale concentrato Naturale distribuito Naturale distribuito Naturale distribuito Bacino di monte chiuso alla sezione LS1 Sottobacino Compreso tra sez, LS1-LS2 Sottobacino Compreso tra sez, LS2-LS3 Sottobacino Compreso tra sez, LS3-LS Bacino Bregogna (sez. BR3) Rio Rino Sottobacino Compreso tra sez, LS4-LS5 Sottobacino Compreso tra sez, LS5-LS6 Sottobacino Compreso tra sez, LS6-LS Tabella 2 Condizioni al contorno utilizzate nel modello Come noto il torrente Lesina confluisce in Brembo nel territorio comunale di Bonate Sotto; come condizione di valle nel modello si è imposto il livello di piena del fiume Brembo corrispondente ad un tempo di ritorno duecentennale. Tale livello è stato desunto sulla base delle informazioni riportate nella tabella dei profili di piena allegata alla Direttiva 2 del PAI Piano per Assetto Idrogeologico dell Autorità di Bacino del Fiume Po, adottato con deliberazione del Comitato Istituzionale n. 18 del 16/04/2001. Il livello di piena considerato è pari m s.l.m. ed è concorde con il piano quotato del rilievo topografico e con le informazione desunte dalle cartografie aereo fotogrammetriche fornire dai comuni. 03_Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 11 di 42

12 3.1.4 Aree di esondazione La definizione delle aree allagabili in seguito al transito di onde di piena è stata effettuata confrontando i livelli idrici definiti dal modello idraulico nelle sezioni di calcolo con le quote delle sommità arginali ove questi ultimi sono presenti, ovvero con le quote dei limiti morfologici del letto di magra nei tratti in cui i corsi d acqua di interesse non sono arginati. Non è stato possibile estendere semplicemente la quota idrica individuata nelle diverse sezioni fino ad intersecare la corrispondente isoipsa del terreno circostante. Viceversa, in corrispondenza delle sezioni in cui si verifica il sormonto degli argini, mediante il modello idraulico è stato necessario valutare il volume di esondazione. Avendo inoltre a disposizione la cartografia di base in scala adeguata (in genere i rilievi aerofotogrammetrici comunali in scala 1:2.000, altrimenti la Carta Tecnica Regionale della Lombardia 1:10.000) delle zone adiacenti ai corsi d acqua sono state definite, sulla base delle quote del terreno e degli elementi antropici e- sistenti, le aree soggette ad allagamento in seguito al transito delle onde di piena per i tempi di ritorno simulati. Allargando le sezioni oltre le aree spondali fino a coprire l area di possibile esondazione la fuoriuscita di acqua è stata simulate mediante l utilizzo delle cosiddette Lateral Structure che simulano il funzionamento di uno stramazzo a larga soglia su cui possono essere impostate reali condizioni di deflusso. Dal punto di vista i- draulico la connessione tra alveo e golena è schematizzata con uno stramazzo dall equazione: q = h 2 g h. Le caratteristiche geometriche dello stramazzo vengono assegnate mediante la compilazione di una tabella in cui si specificano la larghezza dello stramazzo, la forma e la quota di sfioro. Questo tipo di struttura è stata introdotta esclusivamente nei tratti in cui il corso d acqua risulta esondabile e dove i volumi fuoriusciti non contribuiscono più al deflusso di piena, ma vengono persi definitivamente. Laddove invece parte dell esondazione rientra nel corso d acqua per cui l onda di piena viene parzialmente laminata, si è ricorsi all utilizzo delle cosiddette Storage 03_Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 12 di 42

13 Area Questo tipo di approccio è basato su una schematizzazione del territorio a aree di invaso connesse direttamente all alveo inciso mediante elementi governati dalle medesime leggi di scambio precedentemente illustrate. 3.2 Torrente Bregogna Descrizione geometrica del reticolo idrografico Il tratto esaminato ha una lunghezza totale di circa 7 km; lungo il suo corso il torrente Bregogna, da monte verso valle, attraversa rispettivamente i territori comunali di Palazzago, Barzana e Brembate Sopra, dove confluisce nel torrente Lesina. La geometria del canale è stata descritta attraverso l inserimento di 144 sezioni trasversali rilevate con apposito rilievo topografico, eseguito nel periodo Aprile- Maggio L ubicazione delle sezioni rilevate è riportate nell allegato A1 Atlante planimetrico delle indagini conoscitive, mentre il dettaglio della geometria è illustrato nell allegato A2 Atlante delle sezioni topografiche. Le informazioni topografiche dal punto di vista altimetrico risultano ragionevolmente concordi con le cartografie aereofotogrammetriche comunali; controllando specificamente alcuni punti riconoscibili sulle cartografie comunali si sono comunque stimati i seguenti dislivelli medi tra quote del rilievo topografico di dettaglio e quote aerofotogrammetrico comunale : Palazzago:... Z rilievo Z AFG 0.5 m Barzana:... Z rilievo Z AFG 0.4 m Brembate di Sopra:... Z rilievo Z AFG 0.0 m Sulla base di tali valutazioni, le sezioni rilevate sono state opportunamente estese laddove si è reso necessario per meglio valutare livelli di piena ed aree di esondazione. Le sezioni rilevate coprono l intero tratto oggetto di studio; in particolare è stata ricostruita la geometria di tutti i manufatti di attraversamento presenti lungo il corso d acqua. Il funzionamento di questi manufatti è stato schematizzato mediante quattro sezioni di calcolo, che si rifanno alla geometria rilevata topograficamente. Di queste quattro sezioni, partendo da valle verso monte, la prima descrive la se- 03_Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 13 di 42

14 zione naturale posta a valle del ponte, con andamento del terreno pari a quello del canale in corrispondenza del manufatto; la seconda e la terza sezione descrivono, rispettivamente, la faccia di valle e la faccia di monte del ponte e sono poste ad una distanza fra loro pari alla larghezza dell impalcato; la quarta, infine, descrive la sezione naturale a monte del manufatto, anch essa con andamento del terreno pari a quello del canale sotto al ponte. In sintesi l implementazione del modello idraulico si è basato sull impiego di: 144 sezioni trasversali 19 manufatti di attraversamento; Coefficienti di scabrezza Il torrente Bregogna nel tratto oggetto di studio risulta per la maggior parte caratterizzato da sezioni coperte da una vegetazione più o meno spontanea. L intervento antropico, soprattutto all interno dei centri abitati, riguarda soprattutto le sponde che in alcuni sono costituite da scogliere o rivestite da muri in calcestruzzo (in diverse condizioni di usura) o da muri in pietrame. Sono invece sostanzialmente trascurabili i casi di fondo rivestito, che si limitano ad alcuni brevi tratti all interno dei tratti di attraversamento dei centri abitati. Le scabrezze sono state valutate attentamente sulla base delle indicazioni fornite in letteratura; in particolare si è fatto riferimento alle indicazioni fornite da U.S. Department of Agricoltura- Techinical Bulletin n 129, - Novembre 1929, n Febbraio 1934 e dai testi Ven Te Chow, Ph. D - Open - Channel Hydraulics, Mc Graw - Hill International Editions 1973, M. Hanif Chaudhry - Open Channel Flow, Prentice Hall 1993 ed altri testi di letteratura. Considerate le caratteristiche osservate durante i sopralluoghi si è in definitiva deciso di considerare la seguente scabrezza per l intero corso del T.Bregogna: alveo naturale con vegetazione spontanea: K di Strickler = Condizioni al contorno Dopo aver esaminato la configurazione del torrente Bregogna, anche attraverso specifici sopralluoghi, per il calcolo delle massime altezze idriche si è fatto riferimento alla condizione di moto permanente, ipotizzando per ogni sezione di calcolo un valore della portata pari alla massima di progetto, considerando accettabile si- 03_Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 14 di 42

15 mulare il comportamento idraulico del corso d acqua durante il passaggio di un onda di piena (moto vario) come una successione di fasi di moto permanente a portata costante per ciascuna di esse. Le verifiche idrauliche sono state effettuate utilizzando il software HecRAS, le cui caratteristiche sono state descritte nel Cap.2, e considerando le portate al colmo stimate nelle sezioni di chiusura dei 3 sottobacini in cui è stato suddiviso il bacino idrografico del Bregogna (vedi elaborato 1- Relazione Idrologica e Tav.1 - Corografia dei bacini idrografici ). Sottobacino Q 50 (mc/s) Q 200 (mc/s) Torrente Bregogna a Palazzago (BR1) Torrente Bregogna a Grumello (BR2) Torrente Bregogna alla confluenza (BR3) Tabella 3: Portate al colmo nelle sezioni di chiusura dei principali sottobacini del Bregogna Come condizioni al contorno si è ipotizzato lo stato di moto uniforme nella sezione di monte e lo stato critico nella sezione di valle (determinati sulla base della geometria delle sezioni e della pendenze dei rispettivi tratti, iniziale e terminale ) Aree di esondazione La definizione delle aree allagabili in seguito al transito di onde di piena è stata effettuata confrontando i livelli idrici definiti dal modello idraulico nelle sezioni di calcolo con le quote delle sommità arginali ove questi ultimi sono presenti, ovvero con le quote dei limiti morfologici del letto di magra nei tratti in cui i corsi d acqua di interesse non sono arginati. Nei punti in cui i livelli di piena sono risultati superiori alla quota massima della sezione rilevata, il possibile interessamento delle aree limitrofe al corso d acqua è stato valutato considerando le quote riportate sulle cartografie comunali ed applicando i fattori correttivi descritti nel precedente paragrafo _Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 15 di 42

16 4. ANALISI DEI RISULTATI: STATO DI FATTO 4.1 Torrente Lesina Assegnate le condizioni al contorno descritte sopra e note quindi le portate transitanti, mediante il modello idraulico sono stati ricostruiti i profili di piena, in condizioni di moto vario, del torrente Lesina per i tempi di ritorno considerati. I risultati sono riportati nella tabella seguente. Sezione Fondo Livello T50 Livello T100 Livello T200 m s.l.m. m s.l.m. m s.l.m. m s.l.m _Relazione Idraulica-R01-DB-PGF3.doc Pagina 16 di 42

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