2) Determinazione della portata nera prodotta dall insedimanento scolasticoresidenziale

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1 COMUNE DI DESENZANO D/G PROVINCIA DI BRESCIA COMMITTENTE SOCIETÀ AGRICOLA TREZZA Studio idraulico preliminare per lo smaltimento delle acque reflue del piano integrato- PII Grezze RELAZIONE TECNICA GIUSTIFICATIVA DEI DIMENSIONAMENTI DELLE OPERE 1) Premesse 2) Determinazione della portata nera prodotta dall insediamento scolastico-residenziale 3) Verifica idraulica delle condotte a gravità 4) Determinazione del diametro della condotta di mandata e conseguente calcolo delle perdite 5)) Scelta della pompa da adottare un funzione della portata da sollevare e della prevalenza 6) Dimensionamento della camera di aspirazione PROGETTISTA: TIMBRO E FIRMA: DATA: AVANZI ING.G.PIETRO PRATICA: GIUGNO 2010 Via Nestore Baronchelli, Gavardo (BS) Tel Fax info.studioavanzigpalice.it

2 1) Premessa Lo studio di seguito viene condotto con l intento di definire le dimensioni teoriche da assegnare all impianto fognario a servizio dell interno PII Grezze che fa capo alla stazione di sollevamento localizzata presso la rotatoria stradale posta a quota 93 m s.l.m che poi con tubazione di mandata dedicata scarica le acque reflue nel collettore comunale di via Grezze. 2) Determinazione della portata nera prodotta dall insedimanento scolasticoresidenziale La valutazione dei reflui prodotti e il dimensionamento delle opere idrauliche viene condotta a partire dalla popolazione insediabile all interno dell insediamento. La popolazione gravitante per ciascuna area servita dalla fognatura, è stata determinata in base a considerazioni desunte dalla densità abitativa media del comune, dalle previsioni del piano regolatore, e dal piano integrato in oggetto, stabilendo la popolazione residente e fluttuante considerando la presenza della struttura scolastica. Sulla scorta di quanto definito in precedenza si è stabilito pertanto: o popolazione residente 297 abitanti o popolazione fluttuante 700 abitanti Le dotazioni idriche specifiche valutate per la situazione futura (all anno 2016) nel giorno di massimo consumo sono state assunte pari a 260 litri/abitante giorno per la popolazione residente, e pari a 200 litri/abitante giorno per la popolazione fluttuante; come indicato dal P.R.R.A. e consigliato dalla letteratura tecnica del settore, la portata da collettare in fognatura è stata assunta pari all 80% della portata erogata dall acquedotto comunale, per cui la portata nera media annua risulta: RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 1

3 Pop D. I α Q nm = dove: Pop = popolazione insediata c D.I = dotazione idrica α= coefficiente di riduzione della portata Sostituendo i dati sopra definiti si ottiene: ,8 Q nm_residente = = 0,715 l / s (portata media annua, per popolazione residente) ,8 Q nm_fluttuante = = 1,29 l / s (portata media annua, per popolazione fluttuante) Dato che la rete fognaria si progetta sulla portata massima di punta si deve provvede in prima analisi alla determinazione della portata media del giorno di massimo consumo Q mdmax assunta pari ad 1,5 volte la portata media annua: Q mdmax =1,5xQ nm per cui: Q mdmax-residenzilae =1,07 l/s (portata massima di punta per popolazione residente) Q mdmax-fluttuante =1,94 l/s (portata massima di punta per popolazione fluttuante) Per il calcolo della portata oraria di punta nel giorno dell anno di massimo consumo, si applica il coefficiente moltiplicativo C p = 1,5 P 0,2 C p-residenziale = 1,5 297 = 4, 68 0,2 C p-fluttuante = 1,5 700 = 5, 56 dalla quale si ottiene: Q p = C p Q md max 0,2 RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 2

4 Q p-residenziale =3,35 l/s Q p-fluttuante =7,17 l/s La portata di diluizione massima accettabile da quanto stabilito alla legge Regionale n 62 e al P.R.R.A equivale a 1000 litri per abitante al giorno, così che la portata nera di massima diluizione si calcola come : Q nd = 1000 * P / (l/s) Ai fini del calcolo si è confrontata quest ultima portata con quella di punta oraria e, nei casi in cui la Q nd risulta superiore la si utilizza per le successive verifiche idrauliche. Q nd = 1000 * 997 / 86400=11,5 l/s Valutata la portata che deve essere convogliata si deve provvedere al dimensionamento e alla verifica dei componenti idraulici. Ai fini delle successive verifiche idrauliche si è calcolata per ciascun ramo del collettore, la portata minima notturna, assunta pari al 50% della portata media annua: Q nd = 0,5 Qnm Q nd_residente = 0,5 0,715 = 0,357 l / s (portata notturna, per popolazione residente) Q nd_fluttuante = 0,5 1,29 = 0,645 l / s (portata notturna, per popolazione fluttuante) 3) Verifica idraulica delle condotte a gravità La verifica idraulica delle condotte, è stata eseguita in condizioni di moto uniforme, verificando la portata massima convogliabile ed il rapporto di riempimento delle RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 3

5 stesse in condizioni di convogliamento della portata massima prevista nei tratti di tubazione caratterizzati da minore pendenza. La portata di massimo riempimento Q r, è stata valutata attraverso la relazione di Chezy-Strikler in condizioni di moto uniforme: Q r = A r * K * R (2/3) r * i 1/2 ( l/s) Dove : o Q r è la portata al riempimento del collettore o A r è l area della sezione liquida al riempimento del collettore; A r = πd 2 /4, essendo D il diametro interno della condotta ; o K è l indice di scabrezza di Glauker-Stickler, assunto prudenzialmente per le tubazioni in oggetto pari a 70 o R r è il raggio idraulico della sezione al riempimento e pari a D/4; o i è la pendenza di fondo del condotto (la minima pendenza del tratto in verifica) La tubazione si ritiene verificata innanzitutto se la portata al massimo riempimento Q r risulta superiore alla portata Q p da convogliare nel tratto di fognatura calcolata in precedenza: Q r > Q max Una seconda verifica che si deve condurre riguarda il grado di riempimento della condotta, valutato attraverso la relazione sopra citata per successivi tentativi, fino a determinare il valore della altezza idrica h della corrente che, con i corrispondenti valori dell area bagnata A, del contorno bagnato C e del raggio idraulico R ( R = A/C), consente di ottenere una portata esattamente coincidente con la portata Q p da RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 4

6 convogliare, in funzione del livello h si ricava il rapporto di riempimento h/d, che normalmente si ritiene accettabile se inferiore al valore-guida del 70%: r = h/d < 70% Si deve inoltre verificare la velocità di scorrimento della corrente nei diversi tratti delle condotte, ricalcolando, per ciascun di essi la portata Q p e portata minima Q min, per poi passare una volta assegnato il diametro alla valutazione della velocità massima V max e della velocità minima V min in corrispondenza delle pendenze massime e minime del tratto di collettore in esame; normalmente si ritengono accettabili i seguenti limiti: V min > 0,40 (m/s) (Ben sapendo che in alcune ore notturne o di minor consumo la portata e la conseguente velocità può scendere a zero) V max < 4,50 m/s La velocità massima deve essere tale da impedire l erosione della superficie interna dovuta al trasporto di sabbia e di particelle abrasive, mentre, la velocità minima deve essere tale da impedire ristagni delle acque luride e da ovviare, per quanto possibile, le incrostazioni che sono sempre da evitare. In dette circostanze, si è supposto di effettuare la verifica per un tratto di condotta interessato dalla portata massima e valutata pari ad Q max =3,35+7,17=10,52 l/s=0,010 m 3 /s. In condizioni cautelative e per un tratto caratterizzato da una pendenza pari ad p=0,3%, si evidenzia il diametro da attribuire alla tubazione oggetto di verifica. RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 5

7 Come è possibile osservare, per convogliare le portate definite precedentemente nel totale rispetto dei limiti prescritti è necessario realizzare una tubazione in pvc caratterizzata da un diametro D=200 mm. 4) Determinazione del diametro della condotta di mandata e conseguente calcolo delle perdite di carico Un dato fondamentale di un impianto di sollevamento è la prevalenza della pompa usualmente indicata con il simbolo H; essa è definita come la differenza tra il carico totale della corrente alla flangia di uscita di uscita della pompa e quello alla sua flangia di entrata. La determinazione della prevalenza comporta quindi la nozione di tutte le caratteristiche dell impianto vale a dire: 1. Carico totale all estremità di monte e a valle dell impianto 2. Andamento plano-altimetrico delle condotte 3. Lunghezze diametri, scabrezze dei diversi tronchi di tubazione 4. Forme degli imbocchi, degli sbocchi e dei cambi di sezione e di direzione 5. Portata da sollevare 6. Caratteristiche idrauliche delle apparecchiature di sicurezza, controllo e misure presenti nelle condotte In queste circostanze si ha che la prevalenza totale si calcola sommando alla differenza dei carichi totali degli estremi di valle H v e di monte H m dell impianto tutte le sue perdite di carico Y: H= H v - H m +Σy RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 6

8 Essendo presenti all estremità dell impianto due camere d aspirazione con pelo libero a pressione atmosferica, la differenza dei carichi totali alle estremità è rappresentata dalla differenza tra la quota del pelo libero di monte e, rispettivamente quella del pelo libero del serbatoio di valle: H v - H m =z v -z m =H geod La valutazione delle dimensioni della tubazione di mandata, è stata eseguita nell ipotesi di moto uniforme; essendo nota la portata da convogliare all interno del nuovo tronco da realizzare, si tratta di formulare delle ipotesi sul campo di velocità che si intende raggiungere, in quanto il problema idraulico risulta essere indeterminato, in quanto tale portata può essere convogliata con infinite sezioni e velocità. Essendo una condotta in pressione è conveniente mantenere delle velocità limitate in modo tale da evitare eccessiva usura della condotta minimizzando quindi lo sforzo alla parete; vista la particolare tipologia della tubazione e di liquido defluito all interno di essa si è assunto che la velocità assuma un valore pari ad 1 m/s. La presenza di brevi raccordi tra una condotta cilindrica e la successiva, di elementi di regolazione e chiusura determina delle situazioni di dissipazione di energia che in tali circostanza viene definita con il termine di perdite localizzate a cui vanno aggiunte quelle continue manifestate dalla resistenza opposta al movimento dalla parete. Le perdite continue sono quindi determinate dalla relazione: Y = L J dove: J, rappresenta la cadente dei carichi valutabile tramite la relazione di Darcy- Weisbach: RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 7

9 dove: λ= resistenza della condotta v = velocità della corrente fluida g = accelerazione di gravità D = diametro della condotta di mandata 2 λ v J= 2 g D La resistenza, λ, si ottiene o dall abaco do Moody o attraverso una relazione nota nella letteratura comune con il nome di Coolebroke-White, definita dalla seguente espressione: dove: R e = numero di Reynolds = 1 2,51 ε = 2log + λ Re λ 3,71D v D υ con υ = m / s ε= scabrezza della condotta che, essendo la condotta realizzata in PEAD si assume pari ad 0,1 mm (tale valore tiene già conto dello stato d usura della tubazione). Ipotizzato che il moto sia assolutamente turbolento e quindi indipendente dal numero di Reynolds, si ottiene che la resistenza λ è data dalla seguente relazione: 1 = 2log ε λ 3,71D Imposto che la velocità del deflusso all interno della tubazione sia all incirca pari ad una v=1,0 m/s si ottiene che la dimensione del tubo di mandata deve essere pari ad: RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 8

10 Supponendo di dimensionare la condotta di mandata con la portata di diluizione delle nere scaricabile a lago Q nd =11,5 l/s ed imposto una velocità del deflusso pari ad v=1 m/s si perviene alla determinazione del diametro della condotta di mandata della pompa 4 Q 4 0,0115 D= = = 0,137 m = 13,7 cm v π 1,0 π Supposto di utilizzare una tubazione PEAD PN=10, si individua che la condotta commerciale che soddisfa le nostre esigenze risulta caratterizzata dai seguenti parametri: φ esterno =160 mm φ interno =141,0 mm s(spessore)=9,5 mm Stabilito il diametro commerciale della condotta, attraverso le relazioni elencate precedentemente si ottengono quindi i seguenti valori: 1 0,1 = 2log = λ 3,71 141,0 da cui si ricava quindi λ=0,0180 per cui si ha 2 0,0180 1,0 J= = 0, ,81 0,141 Sulla base dell andamento plano-altimetrico del tratto considerato e sulla base degli elementi di regolazione inseriti si è valutata una perdita di carico concentrata assimilabile ad 0,28 m e quindi pari all incirca a 2m/km. Localizzati i punti in cui s intende posizionare le due stazioni di sollevamento, si sono valutati le lunghezze RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 9

11 delle tubazioni, in modo tale da definirne le perdite continue (tramite la relazione 4.3). Dalla documentazione di riferimento di ha quindi: L= 200 m lunghezza della condotta di mandata relativa alla prima stazione dei pompaggio Da cui si ottiene: Y= 200 0,0065 = 1,3m Da cui ne consegue che le perdite totali valgono: Y tot =1,3+0,28=1,58 m Sulla scorta di quanto affermato precedentemente la determinazione della prevalenza delle due pompe prevede la stima di un parametro indipendente dalla portata ed in stretta correlazione con il livello del fluido assunto nelle due camere d aspirazione e noto comunemente con la locuzione di prevalenza geodetica H geodetica che nella nostra particolare circostanza si assume pari ad H geodetica =9,00 m La prevalenza da fornire alla pompa vale pertanto H=1,58 m+9,00 m=10,58 m 5) Scelta della pompa da adottare in funzione della portata da sollevare e della prevalenza da fornire al liquido da sollevare La scelta della pompa da impiegare è essenzialmente determinata in funzione della portata da sollevare, dalla prevalenza richiesta dall impianto e dalla tipologia del liquido da pompare, nonché da altri fattori che possono influenzare la scelta come quello economico. Essendo reflui civili, si è pensato di utilizzare delle pompe centrifughe, in quanto maggiormente versatili ed in quanto il loro campo di applicabilità risulta essere maggiormente esteso rispetto ad altre. Per il caso preso in esame vista la natura dei reflui, si opta per l utilizzo di una pompa del tipo C3085 HT RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 10

12 6) Dimensionamento della camera di aspirazione Il dimensionamento della camera di aspirazione deve soddisfare delle particolari esigenze: 1. Deve limitare entro valori accettabili per i motori il numero degli avviamenti e degli arresti che si producono considerato che il pozzo ha una funzione di accumulo e di compenso delle portate in arrivo; 2. Deve garantire che il flusso del fluido all imbocco della pompa sia il più uniforme possibile, eliminando quindi la presenza di vortici e senza trascinamento in ingresso di aria nella tubazione o nella pompa. In prima battuta si fa fronte con un volume di compenso adeguato, per poi sagomare opportunamente la camera disponendo in modo corretto gli ingressi della tubazione. Normalmente il numero degli avviamenti varia normalmente tra 12 e 4 in stretta dipendenza del tipo di pompa e della sua potenza diminuendo il numero degli attacchi con l aumentare della potenza. Nello studio preso in esame si è supposto che la pompa effettui 8 attacchi/ora; per quanto affermato si ottiene che il volume della camera di aspirazione è dato: T Q V= p 4 dove: V = volume della vasca T = tempo di svuotamento Q p = portata della pompa posta pari a 0,0115 m 3 /s Il tempo di svuotamento è determinato dalla seguente relazione: Si ipotizza di considerare un numero di avviamenti pari ad s T= = 720 s n avviamenti RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 11

13 Da cui si ottiene un volume minimo pari ad V=2,00 m 3 Alla luce dei calcoli effettuati è conveniente dimensionare la vasca con un volume utile maggiore comportando minori partenze nell unità di tempo e quindi una minor sollecitazione della pompa e tempi di residenza dei liquami accettabili. In fase esecutiva, per sopperire ad eventuali rotture del sistema di pompaggio, si impone di attrezzare la stazione di sollevamento con due pompe uguali, in modo tale da garantirne la continuità. La camera di aspirazione, sarà opportunamente realizzata in modo tale da evitare l accumulo di materiale grossolano proveniente dalla fognatura all interno della zona occupata dalla pompa. Al riguardo si prevede la realizzazione di una piccola soglia che consenta il deposito del materiale grossolano proveniente dallo scarico a monte delle pompe. Di seguito si evidenzia uno schema tipo della camera di aspirazione da realizzare, la quale verrà definita con un maggiore livello di dettaglio nel corso della redazione del progetto esecutivo delle opere da costituenti l interno del comparto. Desenzano D/G, li Il tecnico Avanzi ing.gian Pietro RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 12

14 RELAZIONE TECNICA-SMALTIMENTO ACQUE REFLUE-PROGRAMMA INTEGRATO D INTERVENTO-PII GREZZE 13

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