Maurizio Giugni Titolo della lezione Reti di distribuzione idrica

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1 Maurzo Gugn Ttolo della lezone # Lezone n. Parole chave: Sstem acquedottstc. Ret d dstrbuzone. Corso d Laurea: Ingegnera per l Ambente e l Terrtoro Insegnamento: Infrastrutture Idraulche Emal Docente: Inserre testo A.A La rete d dstrbuzone drca urbana è costtuta dall nseme delle condotte, delle apparecchature e de manufatt mess n opera n un centro abtato per almentare le utenze prvate e servz pubblc. La rete è munta qund d dervazon per l almentazone d: - utenze prvate - utenze pubblche - drant antncendo - fontanelle stradal - drant da nnaffamento - dspostv per l lavaggo delle fognature Talvolta centr abtat sono dotat d ret d dstrbuzone che erogano acque d dfferent caratterstche per l soddsfacmento d rcheste d dversa natura (ret dual). Nella cttà d Roma, ad esempo, alcun quarter sono servt, oltre che dalla rete potable, da una rete d servzo destnata all nnaffamento e al lavaggo delle strade e all rrgazone del verde pubblco. La Zona Tecnca Altala dell Aeroporto Leonardo da Vnc (Fumcno) è servta da tre ret d dstrbuzone: rete potable (almentata dalla rete acquedottstca d Roma), rete ndustrale e rete antncendo (almentate da acque captate per sollevamento dal fume Tevere). 1

2 Per servre n modo adeguato tutte le utenze sul terrtoro, la rete d dstrbuzone drca ha n genere un artcolazone puttosto complessa e ramfcata. Rete con serbatoo d testata L acquedotto esterno almenta drettamente l serbatoo, che serve la rete medante la condotta d avvcnamento. L almentazone del serbatoo è, pertanto, caratterzzata da una portata costante, l erogazone dal serbatoo da una portata varable. Rete con serbatoo d testata Rete con serbatoo d estremtà L acquedotto esterno almenta, a sbocco lbero, un torrno pezometrco, che consente la dsconnessone de carch. Dal torrno derva l sstema d dstrbuzone, mentre all estremo opposto della rete è ubcato l serbatoo. Rete con serbatoo d estremtà 2

3 Tpologa delle ret d dstrbuzone drca - Ret ramfcate aperte o a connessone semplce: l percorso possble dal serbatoo a qualsas nodo è unco - Ret chuse o a connessone multpla: l percorso possble da un nodo a qualsas altro non è unco - Ret mste: costtute da un nseme chuso e da ram apert La massma elastctà ed effcenza d funzonamento ne confront dell nterruzone d un tratto è garantta dalle ret a magle chuse. Rete aperta Rete a magle chuse Rete msta Nelle ret d dstrbuzone a magle chuse possono ndvduars: una condotta d avvcnamento, che collega l serbatoo alla rete (a volte s mettono n opera due condotte d avvcnamento n parallelo); una o pù magle prncpal; uno o pù ordn d magle secondare d mnor dametro; condotte mnor per l allaccamento alle utenze. Escludendo eventual ram ad antenna, dett: - m : numero delle magle elementar - n : numero d nod - l : numero de lat vale la seguente relazone topologca: l m n 1 3

4 La dstrbuzone dell acqua alle utenze prvate vene effettuata medante dramazon, la cu parte vertcale è detta montante, che collegano le tubazon prncpal e secondare della rete a contator volumetrc nstallat presso tutte le utenze servte. Tal dramazon, soprattutto ne centr urban, sono talmente numerose che spesso, per l calcolo draulco de lat della rete, s rcorre allo schema d condotta con erogazone unformemente dstrbuta lungo l percorso. In aggunta alle erogazon dstrbute, sono d solto present erogazon concentrate n corrspondenza d nod della rete (ad esempo nod da qual s dpartono ram ad antenna). Portata unformemente dstrbuta lungo l tratto Portata concentrata ne nod La rete drca funzona n realtà n condzon d moto varo. La varabltà del sstema, però, rsulta estremamente graduale, per cu nella pratca s può fare rfermento a due condzon estreme, corrspondent al moto permanente nell ora d punta (a serbatoo vuoto) e nell ora d mnor consumo (a serbatoo peno). Pezometrche nell ora d punta e d mnor consumo per rete con serbatoo d testata 4

5 Pezometrche nell ora d punta e d mnor consumo per rete con serbatoo d estremtà Una rete d dstrbuzone drca adeguatamente dmensonata deve asscurare: nelle ore d punta del servzo e al mnmo lvello drco nel serbatoo, almeno 10 m d carco sulla copertura degl edfc; nelle ore d mnmo consumo (ore notturne) e al massmo lvello nel serbatoo, un carco sulle tubazon della rete ovunque nferore a 70 m; l contenmento delle oscllazon del celo pezometrco n rete durante l eserczo entro un lmte d m; n caso d ncendo, un carco sul pano stradale non nferore a 5 m e l erogazone all utenza dell 80% della portata meda gornalera; n caso d nterruzone d uno o pù tronch della rete, l erogazone della portata meda gornalera. 5

6 Frazonamento n pù sub ret Se l centro abtato è d dmenson rlevant, può accadere che l andamento del terreno non consenta l rspetto delle condzon ndcate. S può rcorrere allora al frazonamento della rete n pù sub ret ndpendent, eventualmente provvste d torrno e d valvole rduttrc d pressone n corrspondenza de punt d nterconnessone, cascuna delle qual serve una certa area urbana. Le sub ret possono essere almentate rfornendo ndpendentemente serbato a servzo delle vare zone ovvero rempendo n cascata l serbatoo della rete pù bassa o drettamente dal serbatoo o dalla rete della zona pù alta. Frazonamento n pù sub ret 6

7 La rete drca è soggetta nell arco della gornata a varazon d portata d notevole enttà, n funzone della rchesta dell utenza. All uopo nel progetto e nella verfca delle ret s tene conto della sola varabltà gornalera rspetto alla portata meda. S defnsce, qund, un coeffcente d punta oraro, c p, che consente d valutare le portate erogate nell ora d massmo consumo, potzzando convenzonalmente che durante l ora d punta tutte le erogazon s ncrementno del fattore c p rspetto alla meda. c p Q Q h max 20 N 0.20 ab Q hmax : portata orara massma Q : portata meda gornalera N ab : numero d abtant servt dalla rete drca Per valutare le erogazon mede gornalere s procede, n va approssmata, all ndvduazone nel PRG del centro abtato d zone urbanstcamente omogenee e alla valutazone della denstà abtatva. Esempo d zone urbanstcamente omogenee CENTRO STORICO denstà abtatva d1 ZONE DI ESPANSIONE denstà abtatva d2 SERBATOIO LIMITE COMUNALE AREE AGRICOLE denstà abtatva d3 7

8 Determnazone portate erogate A B C In base alla geometra della rete s attrburanno a lat delle magle prncpal le rspettve aree d nfluenza e, qund, gl utent servt. Le aree d nfluenza possono essere ndvduate n modo semplfcato o con maggor precsone consderando gl effettv percors delle tubazon secondare. SERBATOIO A D A3 D A4 A1 A2 A8 G A9 A7 B E E A6 A5 H C F F I LIMITE COMUNALE CONDOTTA DI ADDUZIONE RETE PRINCIPALE RETE SECONDARIA Schematzzazone delle erogazon SERBATOIO G H I LIMITE COMUNALE DIRAMAZIONI AD ANTENNA Dmensonamento delle ret d dstrbuzone drca Il dmensonamento d una rete d dstrbuzone a magle chuse rappresenta un problema complesso e con un elevato grado d ndetermnazone algebrca. In fase d dmensonamento, nfatt, sono da rteners not soltanto coeffcent d scabrezza delle tubazon, le lunghezze de lat della rete e l enttà delle erogazon dstrbute lungo lat e/o concentrate ne nod, con rfermento alla condzone d funzonamento consderata (n genere la condzone d punta, ovvero d massmo consumo). Sono ncognt dametr delle tubazon, le quote pezometrche ne nod e le portate (o le portate equvalent) defluent lungo lat. 8

9 Dmensonamento delle ret d dstrbuzone drca In un problema d progetto per una rete d dstrbuzone drca, qund, le ncognte sono L dametr delle tubazon, L-1 portate o portate equvalent, N-1 quote pezometrche ne nod. Pertanto, n aggunta alle N-1 equazon d contnutà lnearmente ndpendent e alle L-1 equazon del moto ndpendent, sono necessare altre L relazon. Tal relazon possono essere rcavate rcercando la dstrbuzone d dametr cu corrsponda l mnmo costo della rete. Dmensonamento delle ret d dstrbuzone drca Il crtero d dmensonamento d Foltz presuppone l applcazone d dsconnesson fttze per rendere aperta la rete (n numero par al numero d magle m): s vengono così ad ndvduare de percors che congungono una dsconnessone con un nodo a quota pezometrca nota. A B C A B B' CONDOTTA DI ADDUZIONE C C' RETE PRINCIPALE D E F D E' E F' F RETE SECONDARIA SERBATOIO G H I G LIMITE COMUNALE DIRAMAZIONI AD ANTENNA H I Dsconnessone fttza d una rete 9

10 Dmensonamento delle ret d dstrbuzone drca All estremtà d cascun percorso s mpone che la portata sa nulla. È così possble determnare, applcando le equazon d contnutà a nod a partre da cascuna dsconnessone, le portate d estremtà e, qund, le portate equvalent. Nell potes che cost delle tubazon crescano lnearmente con dametr e che le legg d resstenza adottate sano del tpo: Q Y k L D è possble applcare le equazon d mnmo costo nella seguente forma: Y H c L 3 Q eq La costante d proporzonaltà c, dversa per cascun percorso, può essere determnata osservando che la perdta d carco totale H è nota, n quanto nel nodo d orgne del percorso la quota pezometrca è assegnata (ad esempo la quota nel nodo d mmssone della condotta d avvcnamento), mentre n corrspondenza della dsconnessone s mpone che essa sa tale da consentre l almentazone delle utenze del pano pù alto. Dmensonamento delle ret d dstrbuzone drca Una volta determnata la costante d proporzonaltà è possble calcolare le cadent pezometrche per tutt lat del percorso e, da queste, dametr. I dametr così ottenut vanno ovvamente sosttut con dametr commercal, escludendo dametr nferor agl 80 mm (per l servzo antncend) e mpegando possblmente nella rete un numero non elevato dametr dvers. E opportuno evdenzare che dsconnettere le magle della rete equvale ad assegnare punt ne qual la portata s annulla ( cosddett punt d nversone del moto), ne qual la quota pezometrca è mnma. Per questo motvo n corrspondenza delle dsconnesson s mpone che la quota pezometrca sa suffcente a garantre l almentazone delle utenze pù sfavorte. 10

11 Dmensonamento delle ret d dstrbuzone drca La scelta della localzzazone delle dsconnesson, pertanto, va operata con attenzone, n quanto condzona l funzonamento della rete cu dametr s vanno a calcolare e, d conseguenza, le dmenson stesse de dametr. Al fne d evtare che lungo percors s verfchno condzon d nsuffcenza della quota pezometrca, è mportante che le dsconnesson sano localzzate da un lato mponendo che l acqua segua l percorso d mnma resstenza (coè quello pù breve), dall altro ne punt pù sfavort della rete, che andranno rcercat tra pù lontan dal serbatoo, o tra quell post a quota pù elevata o, ancora, tra quell ne qual gl edfc raggungono la massma altezza. Dmensonamento delle ret d dstrbuzone drca Per l dmensonamento d una rete d dstrbuzone drca s può fare rfermento anche ad approcc alternatv, qual, ad esempo: - metodologe d ottmzzazone vncolata del sstema: assegnata la topologa della rete, le portate da erogare e le quote pezometrche rcheste ne nod, defnt opportun vncol d carattere draulco e meccanco, s rcercherà la dstrbuzone de dametr per la quale l costo d realzzazone sa mnmo (funzone obettvo); - metodologe progettual volte alla mnmzzazone de cost e alla massmzzazone dell affdabltà draulca e meccanca del sstema drco. 11

12 Verfche delle ret d dstrbuzone drca Una volta dmensonata la rete, è necessaro procedere alle verfche rcheste dalla normatva vgente. Tal verfche prevedono la schematzzazone d tre condzon d funzonamento convenzonal: verfca n condzon d punta verfca antncendo verfca a rottura d uno pù tratt della rete Le verfche consstono nella determnazone delle portate defluent lungo lat e delle quote pezometrche ne nod. Queste ultme dovranno asscurare la regolare erogazone delle portate rcheste. Verfca alla punta La verfca del funzonamento della rete drca n condzon d punta va effettuata consderando tutte le erogazon mede gornalere moltplcate per l coeffcente d punta oraro. Una volta svluppato l calcolo della rete n tale condzone, occorre verfcare che n tutt nod della rete l carco draulco super d almeno 10 m la copertura degl edfc. Qualora la verfca alla punta non rsultasse soddsfatta, bsognerà modfcare adeguatamente dametr delle condotte e rpetere l calcolo fnché la verfca non rsult soddsfatta. 12

13 Verfca a rottura La verfca del funzonamento della rete drca n occasone della rottura d un tronco prncpale vene effettuata potzzando che l guasto abba luogo nella sezone pù crtca: d solto s rompe uno de tratt adacent al nodo n cu la condotta d avvcnamento s mmette n rete. La verfca consste nel controllare che l nterruzone del tratto consenta la regolare erogazone della portata meda gornalera, con un carco draulco ovunque superore d 10 m alla copertura degl edfc. Verfca antncendo La verfca antncendo consste nel garantre, durante lo spegnmento d un ncendo, la regolare erogazone d una portata par almeno all 80% della portata meda gornalera e l corretto funzonamento degl drant che, con un carco d almeno 5 m sul pano stradale, saranno n grado d erogare 15 l/s, asscurando l almentazone delle autopompe de Vgl del Fuoco (munte d lance). A tal proposto è buona norma che gl drant stradal sano ubcat n rete ad una dstanza non superore a m. A fn dello svolgmento della verfca, la portata antncendo andrà poszonata nel punto della rete nel quale l erogazone d una notevole portata concentrata comport maggor problem d funzonamento (se l ndvduazone del punto pù crtco non è unvoca, la verfca dovrà essere rpetuta pù volte). Una volta svolto l calcolo della rete, occorre verfcare che l carco draulco sa ovunque superore d 10 m alla copertura degl edfc e che, n corrspondenza degl drant n funzone, sa superore d almeno 5 m al pano stradale (condzone necessara anche per evtare rtorn n rete). 13

14 Verfca delle ret d dstrbuzone drca La verfca d una rete d dstrbuzone drca consste, qund, nel determnare, per un assegnato nseme d erogazon, le portate defluent lungo lat e le quote pezometrche ne nod. Nel caso n cu la rete sa almentata da un unco serbatoo d testata, è mmedato rconoscere che è nota la quota pezometrca nel punto n cu la condotta d avvcnamento s mmette n rete. È noltre possble rconoscere che, poché la somma delle portate erogate deve eguaglare la portata mmessa n rete, una delle portate defluent lungo lat è d automatca determnazone. Sono pertanto ncognte n-1 quote pezometrche e l-1 portate o portate equvalent. Verfca delle ret d dstrbuzone drca Le equazon a dsposzone sono d due tp: equazon d contnutà a nod, equazon del moto lungo lat. Le equazon d contnutà stablscono che la somma delle L portate Q entrant e uscent dal generco nodo, comprese le eventual erogazon E o mmsson I concentrate, deve essere nulla: L Q 1 I E 0 Le equazon del moto esprmono le perdte d carco lungo lat n funzone della portata equvalente: Y Y k k j Q D j j L j 14

15 Verfca delle ret d dstrbuzone drca Solo n-1 equazon d contnutà sono lnearmente ndpendent, così come lo sono solo l-1 equazon del moto. Il problema, pertanto, è algebrcamente determnato, n quanto sono dsponbl tante equazon quante sono le ncognte (n+l-2). La rsoluzone del sstema è complcata dalla non lneartà delle equazon del moto. S può rcorrere, pertanto, a metod teratv che ad ogn terazone rsolvono una forma lnearzzata del problema. Tra quest possono dstnguers metod d blancamento delle portate, che ndvduano come ncognte fondamental le portate crcolant ne tratt e s rconducono alla classca mpostazone d Hardy Cross (1936), e metod d blancamento de carch a nod, che ndvduano come ncognte fondamental le quote pezometrche per ogn nodo della rete. Verfca delle ret d dstrbuzone drca Per l applcazone del metodo d Cross s assume una dstrbuzone d portate d prmo tentatvo che soddsf la contnutà a nod (congruenza). In generale, essendo la dstrbuzone d portate assunta congruente ma non equlbrata, per ogn magla rsulterà: m Q k D 0 o, come suol drs, la rete rsulterà sblancata rspetto a carch. Per soddsfare le equazon d blancamento de carch, occorre ntrodurre una portata correttva Q, costante per tutt tronch della stessa magla, n modo da annullare lo sblancamento: Q 2 m k Q D m k Q D 15

16 L operazone d blancamento va effettuata per tutte le magle: ovvamente blancando una magla s ntroduce, attraverso lat comun, uno sblancamento delle magle gà corrette. S rende, qund, necessaro terare l procedmento: n genere l processo è rapdamente convergente e bastano poche terazon per consegure rsultat suffcentemente approssmat dal punto d vsta tecnco. In pratca le portate correttve Q tendono rapdamente a zero e l approssmazone potrà essere valutata sa n base a valor della Q che degl squlbr complessv d magla. IPPOLITO, G., Appunt d Costruzon Idraulche, Lguor Edtore, Napol Materal d studo MILANO, V., Acquedott, Hoepl Edtore 16