Infrastrutture di trasporto e grandi rischi

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1 Infrastrutture di trasporto e grandi rischi Seconda Parte: i rischi ordinari Università di Roma Tre Facoltà di Ingegneria Laurea Specialistica in Ingegneria delle Infrastrutture Viarie e dei Trasporti Andrea Benedetto

2 La tutela idraulica del corpo stradale e ferroviario I rischi connessi all azione dell acqua sull infrastruttura possono essere ricondotti a: 1. rischi che comportano danni strutturali alle opere erosione dei rilevati, collasso delle pile di viadotti, crolli agli imbocchi di gallerie 2. rischi che comportano conseguenze sull esercizio viario e ferroviario riduzione dell aderenza disponibile, aquaplaning 2

3 Le strategie di tutela Le strategie di tutela del corpo stradale e ferroviario sono essenzialmente articolate secondo i tre seguenti obiettivi prioritari: A. Allontanare l acqua rapidamente dalla sede stradale e dalla piattaforma ferroviaria B. Evitare che le acque di ruscellamento dei versanti possano interferire con il corpo stradale e ferroviario C. Assicurare il deflusso di piena dei corpi idrici (fiumi, torrenti, fossi) eventualmente intercettati 3

4 I presidi per la tutela A. Allontanare l acqua rapidamente dalla sede stradale e dalla piattaforma ferroviaria a1. pendenza trasversale della piattaforma stradale, drenaggio del piano di posa dei binari a2. cunette longitudinali alla sede infrastrutturale a3. caditoie per l allontanamento delle acque verso ricettori finali a4. pavimentazione drenante ad elevate prestazioni superficiali B. Evitare che le acque di ruscellamento dei versanti o di pioggia possano interferire con il corpo stradale e ferroviario b1. fossi di guardia b2. gallerie parapioggia C. Assicurare il deflusso di piena dei corpi idrici (fiumi, torrenti, fossi) eventualmente intercettati c1. tombini c2. ponticelli c3. viadotti 4

5 Il problema di progetto Il problema di progetto si articola in estrema sintesi nei seguenti passi: 1. definizione di uno standard di accettazione del rischio (standard di sicurezza o di sufficienza delle opere, tempo di ritorno per l evento critico) 2. valutazione quantitativa della forzante pluviometrica e idrometrica su base idrologica, in riferimento allo standard di accettazione del rischio adottato 3. calcolo delle portate idrauliche e dei tiranti 4. dimensionamento delle opere di presidio 5

6 Il problema della verifica Il problema della verifica deve prevedere: 1. la verifica idraulica del sistema di presidio nelle condizioni eccezionali ed ordinarie, sia in riferimento all efficacia di funzionamento, sia in riferimento alle perturbazioni introdotte sui regimi idraulici (p.es. sovralzo del profilo di corrente) 2. le verifiche strutturali dei manufatti (p.es. galleggiamento, scalzamento delle pile) 3. le verifiche ambientali (p.es. portate minime, trasporto solido, pendenza, erosione, sistemazioni locali di sponda) 6

7 a1. Pendenza trasversale della piattaforma stradale La normativa di progettazione stradale (Norme funzionali e geometriche per la costruzione delle strade DM 5/11/2001) prevede che la pendenza trasversale di una piattaforma stradale in tratti rettilinei sia pari almeno al 2.5% Pendenza geodetica In curva, per ragioni connesse all equilibrio dinamico del veicolo al sistema di forze esterne, la pendenza trasversale è maggiore o uguale al 2.5% La maggiore criticità si riscontra in corrispondenza delle curve di transizione (clotoidi) in cui la sagoma della piattaforma stradale ruota e per alcuni tratti la pendenza geodetica può risultare inferiore alla minima pari a 2.5%; la succitata norma impone un valore minimo per la pendenza longitudinale del ciglio che si solleva pari a imin [%] = 0.1 B i in cui B i è la distanza [m] tra l asse di rotazione e l estremità della carreggiata Sagoma stradale in rotazione 7

8 a2. Cunette Le cunette sono canali idraulici di modeste dimensioni perlopiù a sezione triangolare o trapezia che si sviluppano longitudinalmente ai bordi della sede pavimentata. Sezione tipica in trincea e in rilevato Particolare di cunetta e fosso di guardia Raccolgono le acque meteoriche che cadono sulla sede stradale e le incanalano sino ad un ricettore o ad un sistema di drenaggio attraverso manufatti di caditoia. La direzione di deflusso delle acque nelle cunette è quella individuata dalla pendenza longitudinale della sede stradale. Presidio in rilevato con arginello e scivolo ad embrici Raccordo tra fosso di guardia e cunetta 8

9 a3. caditoie per l allontanamento l delle acque verso ricettori finali L acqua meteorica raccolta nelle cunette defluisce attraverso le caditoie verso i sistemi di drenaggio sotterraneo per essere recapitata al ricettore finale Le principali caditoie stradali Sistemazione di una caditoia al piede di un rilevato Esempio di caditoia inserita lungo una cunetta Il dimensionamento: scala delle portate per una caditoia a fessura alimentata solo da un lato Il dimensionamento: scala delle portate di caditoia a griglia e di caditoia a bocca di lupo in avvallamento 9

10 a4. pavimentazione drenante ad elevate prestazioni superficiali Il rischio di perdita di aderenza a causa della formazione di un velo idrico sulla superficie di contatto può essere contrastato adottando pavimentazioni ad elevata rugosità e con proprietà drenanti. Questo aspetto è di rilevante importanza non solo nel caso stradale ma anche in quello aeroportuale. Alcuni risultati ottenuti recentemente in simulazione numerica Benedetto, A Transportation Research A, A Decision Support System for the safety of the airport runways. The case of the heavy rainstorms Analogamente il problema è stato studiato per il caso stradale con l obiettivo di individuare le priorità per interventi di manutenzione e riabilitazione della pavimentazione, come criteri di progetto, finalizzati all incremento della sicurezza dell esercizio Alcuni risultati recentemente ottenuti per il caso stradale Benedetto, A., Angiò, C Proc. 3rd International Symposium on Maintenance and Rehabiltation of Pavement, Macrotexture effectiveness maintenance for aquaplaning reduction and road safety improving 10

11 b1. fossi di guardia I fossi di guardia sono canali di modeste dimensioni realizzati al fine di captare le acque di ruscellamento superficiale prima che esse possano raggiungere la sede dell infrastruttura. In genere la sezione del fosso di guardia è trapezia, in terra o rivestita. Sono realizzati in linea pressoché longitudinale rispetto all asse dell infrastruttura subito a monte dell impronta delle opere di sedime. Il deflusso delle acque nei fossi di guardia è quello individuato dalla pendenza del fosso che coincide con quella del terreno ove esso trova sede e non necessariamente tale deflusso ha il medesimo verso del deflusso delle acque di cunetta. 11

12 b2. gallerie parapioggia In alcuni rari casi in cui l infrastruttura si trovi depressa rispetto al piano campagna e non sia possibile attraverso le cunette allontanare l acqua di pioggia, poiché l infrastruttura ha un punto di minimo, può risultare necessario proteggere la sede con una idonea copertura artificiale. Tale copertura è costituita da una volta di galleria che prende il nome di galleria parapioggia. Sulla linea ferroviaria ad Alta Velocità nella tratta Roma Napoli è prevista una soluzione in galleria parapioggia nella zona bonificata del Regi Lagni, in approccio al nodo ferroviario di Napoli. 12

13 c1. tombini Gli attraversamenti idraulici di modesta dimensione (fossi, torrenti, incisioni) sono realizzati con manufatti prefabbricati o realizzati in opera che prendono il nome di tombini. Tombino circolare Particolare dell imbocco Collocazione altimetrica dei tombini Schemi planimetrici Modifica di tracciato di un corso d acqua Meccanismi idraulici di funzionamento dei tombini Identificazione del funzionamento idraulico 13

14 c2. ponticelli Gli attraversamenti idraulici di luce tale da non poter essere coperta con un manufatto tipo tombino possono essere risolti con opere di maggior impegno costruttivo quali i ponticelli Esempio di ponticello 14

15 c3. viadotti In termini di rischio ordinario i due aspetti di attenzione riguardano: il sovralzo del profilo di corrente (profilo di rigurgito) lo scalzamento della fondazione delle pile in alveo 15

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33 Criterio di dimensionamento Criterio di dimensionamento Criterio di dimensionamento Criterio di dimensionamento Criterio di dimensionamento Criterio di dimensionamento indietro 33

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35 Date Location Abroad Fatal Aircraft type Rijeka, Yugoslavia Tupolev TU-134A JFK Airp. New York, USA Boeing B Madeira, Portugal Boeing B Branti Airp., Indonesia Fokker F-28 Fellowship Bombay, India Boeing B Manila, Philippines 98 1 BAC FP Warsaw, Poland 70 2 Airbus A Fuzhou, China 80 2 McDonnell Douglas MD Lagos, Nigeria Tupolev TU-134A Little Rock, Arkansas, USA McDonnell Douglas MD-82 IL PROBLEMA macrotexture microtexture SN 40 wavelenght = 9,4mi ,1 ( 0,14 m 4,25w e 0, a ) L ADERENZA η = 0 mm 60 SN η = 0.1 mm 50 η = 0.5 mm η = 1 mm η = 1.5 mm v [km/h] avanti 35

36 SN (three points) SN (linear) SN (logarithmic) Water Sinkage Transition Pavement Tractive Wheel rain intensity i [mm/h] δ = 10 min δ = 30 min δ = 60 min rain duration δ [hour] Return period T=10 years Milan (Italy) idf curve LA VARIABILE IL MODELLO DI ADERENZA Location 1 minute 5 minute 15 minute 30 minute 120 minute USA URSS Australia Rome (Italy) Milan (Italy) Florence (Italy) IDROLOGICA IL MODELLO ( ΩU ) s h + s j = U g + U s IDRAULICO Ω t + = g q in 1 U t j( m ) = j( n) = a q out q U + in gω 2 2 q n 10 3 η = j SN = SN ( ) η m, m, w = SN η n( ), s L k, i ( δ, T ) { [ ],,, }, m a max, max, c m i m a w i a 36 avanti

37 5.E-03 η [m] 4.E-03 t = 120 s t = 160 s t = 200 s 3.E-03 t = 80 s t = 240 s 2.E-03 t = 40 s 1.E-03 t = 320 s runway section [m] 0.E Formazione del velo idrico ma=6.913 ma=3.549 ma=1.822 ma=0.936 ma=0.480 ma=0.247 ma=0.127 ma=0.065 d=0 d=1 min d=5 min d=15 min d=30 min d=60 min Spessori d acqua e caduta di aderenza ma=6.913 ma=3.549 ma=1.822 ma=0.936 ma=0.480 ma=0.247 ma=0.127 ma=0.065 d=0 d=1 min d=5 min d=15 min d=30 min d=60 min η [mm] I RISULTATI SN D0 D1 D2 D3 DRY η (1) η (2) η (3) η (4) 8 SN (1) SN (2) SN (3) SN (4) 4 m a [mm] SN Spessore d acqua e aderenza (pioggia critica) Aderenza in pavimentazioni drenanti (pioggia critica) 10 m a [mm] indietro

38 η = ( L 10 i) s 1 5 max ma L i η = m a s η R N = 5.8 mm η T N = 5.7 η R M = 5.1 mm mm η R L = 4.2 mm η T M = 4.1 mm η T L = 2.6 m m η T N = 13.9 mm η R N = 11.9 mm η R M = 10.3 mm η T M = 10.2 mm η R L = 8.6 mm η T L = 6.8 m m Approccio tradizionale e modello dinamico RainA RainC η T N = 10.1 mm η R N = 9.2 mm η R M = 8.0 mm η T M = 7.4 mm η R L = 6.7 mm η T L = 4.9 m m η T N = 15.4 mm η R N = 13.0 mm η T M = 11.4 mm η R M = 11.3 mm η R L = 9.4 mm η T L = 7.6 mm RainB RainD The macrotexture dimension ma seems to be the most important parameter. Quantitatively table 7 (column M) and table 8 put in light that if the macrotexture is greater than 7 mm (tab. 8) SN never decreases to 50 %, also in the case of very intense rainstorm. Differently if ma is about 0.5 mm SN always decreases more than 50 %, also for not intense rainstorm (tab. 7). The hydraulic conductivity has a significant impact on aquaplaning risk reduction. The effectiveness of the hydraulic conductivity is relevant until the rainstorm intensity is not too high. Table 9, in comparison to the column M of table 7, shows that only in the case A (low rain intensity) and in the case B, but only for high conductivity, the benefit is not negligible. In the other cases SN dramatically decreases and the aquaplaning risk is relevant. 38 indietro

39 Luce di sbocco sommersa e tombino idraulicamente lungo Condotta in pressione h = k i K s k i v 2 2g + = K = gL 2 s R 4 3 v 2 2g + v 2 2g Q = CA 2g h 39 indietro

40 Luce sottobattente C Q = = CA 2g h 40 indietro

41 Attraversamento delle condizioni critiche H y Q H c max = = bd i D = 3 2 gd y c = Q 2 b g = 0.707bD 2gD 41 indietro

42 42 42 indietro D 1.2 H 0.66 c 0.59 c stramazzo battente max = = = = + = = + = q q C gd A C Q D y H y y gy by c gy c by Q Stramazzo rigurgitato

43 43 avanti

44 44 indietro

45 45 indietro