Preliminare. Progetto. Provincia di PESARO e URBINO. Provincia di ANCONA

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1 Provincia di ANCONA Provincia di PESARO e URBINO Oggetto: Progetto Preliminare DEMOLIZIONE E RICOSTRUZIONE DEL PONTE SUL FIUME CESANO, AL CONFINE TRA LE PROVINCE DI PESARO-URBINO ED ANCONA. U.O.S. di : Senigallia Comuni : Corinaldo (An) e Mondavio (PU) Data Red: Aprile 01 1 Agg. Nov. 013 Agg. D.1. Modello idraulico Gruppo progettazione Prov. AN Ing. Giacomo Dolciotti Ing. Alessandro Berluti Ing. Monica Ulissi Gruppo progettazione Prov. PU Ing. Alberto Paccapelo Ing. Stefano Marescalchi Arch. Donatella Senigalliesi Geom. Paolo Gennari Geom. Raffaella Rossini Dis. Giovanna Aiudi R.U.P. (Prov. AN) Ing. MASSIMO SBRISCIA Coordinatore LL.PP. Prov. PU Ing. RANIERO DE ANGELIS 1

2 PROVINCIA DI PESARO E URBINO PROVINCIA DI ANCONA LAVORO: PROGETTO DI DEMOLIZIONE E RICOSTRUZIONE DEL PONTE SUL FIUME CESANO, AL CONFINE FRA LE PROVINCE DI PESARO-URBINO E ANCONA, NEI COMUNI DI MONDAVIO (PU) E CORINALDO (AN) PROGETTO PRELIMINARE ELABORATO: OGGETTO: IDR_0 MODELLO IDRAULICO RIFER: 364/11 TIMBRO E FIRMA: DATA.: LUGLIO 011 AGGGIORNAMENTO: NOVEMBRE 013 Studio Tecnico Associato Geologi Specialisti Enrico Gennari Donato Mengarelli Federico Biagiotti Via Montello Pesaro tel fax P.I.: info@consulenzaeprogetto.it Opera dell ingegno riproduzione vietata ogni diritto riservato art. 99 L.633/41

3 DESCRIZIONE DEL MODELLO DI CALCOLO Il modello di calcolo utilizzato per l analisi idraulica del corso d acqua è stato sviluppato dall Hydrologic Engineering Center dell U.S. Army Corps of Engineers; attualmente è aggiornato alla versione 3.1. Il software fa parte di un sistema che nella sua versione definitiva comprenderà 3 moduli di analisi idraulica monodimensionale: (1) analisi del moto permanente, () analisi del moto vario, (3) analisi del trasporto solido in letto mobile. Tutti e tre i moduli utilizzeranno gli stessi dati geometrici e le stesse routines per i calcoli geometrici e idraulici. L attuale versione supporta solo il calcolo dei profili di moto permanente gradualmente vario (steady gradually varied flow) ed è in grado di gestire un intera rete di canali naturali o artificiali, un sistema ad albero o un singolo ramo simulando le condizioni di deflusso in regime di corrente lenta, in corrente veloce o regime misto. Il programma si basa sulla soluzione dell equazione monodimensionale dell energia valutando le perdite di carico dovute all attrito (tramite l equazione di Manning) e quelle causate dalle repentine variazioni di sezione (per mezzo di un coefficiente di contrazione o di espansione che moltiplica la variazione dell altezza cinetica). In condizioni di regime misto, nei tratti del canale ove il profilo subisce brusche variazioni dovuti alla presenza di risalti idraulici, di ponti, briglie o eventuali confluenze di più rami viene utilizzata l equazione della quantità di moto. Questo modulo permette di valutare: gli effetti provocati dalla violazione delle zone golenali, le modifiche al profilo causate da migliorie apportate al canale e dall inserimento di arginature. Permette inoltre di effettuare analisi di più configurazioni geometriche contemporaneamente; calcoli di più profili (profili multipli); analisi idrauliche in corrispondenza di ponti e/o sottopassi ad aperture multiple. Per creare un modello idraulico è necessario introdurre i dati riguardanti la geometria del corso d acqua tramite sezioni trasversali evidenziando le opere d arte presenti, stabilire i dati di portata da inserire (l utente ha la possibilità di variare la portata in qualsiasi sezione lungo un ramo), occorre inoltre inserire le condizioni al contorno necessarie per stabilire il livello del pelo libero all estremità del sistema (in funzione del regime di corrente in cui ci troviamo la condizione al contorno necessaria sarà quella di monte se la corrente è veloce, quella di valle se la corrente è lenta, entrambe se il regime è misto). Il software permette di visualizzare e stampare le sezioni trasversali, i profili, le scale di deflusso, la prospettiva dell intero corso d acqua o di una parte di esso, le tabelle numeriche dei risultati relativi ad alcune o a tutte le sezioni trasversali. Il calcolo del profilo parte da una sezione dove sono state definite le condizioni al contorno (boundary conditions) e prosegue, con una procedura iterativa alle differenze finite chiamata Standard Step Method, ricercando la quota del pelo libero della sezione a valle, nel caso di corrente veloce, o della sezione a monte nel caso di corrente lenta. La quota del pelo libero (WS= water surface profile) o tirante idrico di una sezione viene calcolata risolvendo la seguente equazione: V 1V1 Y + Z + = Y 1 + Z h g g e (1) dove : Y 1,Y = altezze geometriche del pelo libero calcolate rispetto alla quota di fondo della propria sezione, Z = altezze geometriche del fondo della sezione rispetto ad una quota di riferimento, = velocità media nelle due sezioni (in funzione di Q/A), = coefficiente di Coriolis Z1 V1 V 1 g = accelerazione di gravità h e = perdita di carico totale

4 1 V g Y Energy Grade Line Water surface h e V g 1 1 Channel bottom Y 1 Z Z DATUM 1 La perdita di carico totale comprende la perdita di carico dovuta all attrito e quelle dovute a brusche variazioni di sezione tramite un coefficiente di contrazione o di espansione. L equazione della perdita di carico totale è la seguente: dove : h e V 1V1 = LS f + C - g g L = distanza calcolata come media pesata del corso d acqua compreso tra le sezioni 1 e S f = pendenza della linea dei carichi per attrito tra due sezioni C = coefficiente di perdita di carico per rapida contrazione o espansione La distanza L intesa come media pesata del tratto compreso tra due sezioni in funzione della portata media che si verifica nei tratti: - laterale destro argine/golena (rob right overbank), - centrale (ch asse canale), - laterale sinistro argine/golena(lob left overbank), si calcola come: L Q Q Q = L + L + L lob ch rob Q + Q + Q lob ch rob lob ch rob () dove: Llob, Lch, Lrob = lunghezza del tratto compreso tra due sezioni in funzione della portata media rispettivamente a sinistra, al centro e a destra Qlob, Qch, Qrob = media aritmetica della portata tra due sezioni rispettivamente per la golena sinistra, per il canale principale e per la golena destra. Per determinare la capacità di trasporto totale ed il coefficiente di Coriolis in una sezione occorre dividerla in parti caratterizzate ciascuna da una velocità di deflusso tendenzialmente uniforme; il metodo utilizzato da HEC-RAS consiste

5 nel suddividere la sezione in aree aventi lo stesso coefficiente di Manning utilizzando cioè i valori di n come base per la suddivisione della sezione trasversale. n 1 n n ch n 3 AP 1 1 AP A P ch ch AP 3 3 K lob = K + K 1 K rob = K 3 La capacità di trasporto (conveyance) viene calcolata per ognuna delle zone suddivise in base ai valori del coefficiente di Manning : dove : K n A R Q = KS f 1/ K = 1.4 n AR / 3 = capacità di trasporto della singola zona suddivisa = coefficiente di Manning dell area = area di deflusso della zona = raggio idraulico della zona (definito dal rapporto tra l area A ed il perimetro bagnato) K ch Il programma somma tutte le capacità di trasporto ottenute dalla suddivisione delle golene fino ad ottenere una capacità di trasporto per la golena sinistra e una per la golena destra. La capacità di trasporto del canale principale viene normalmente calcolata come singolo contributo senza cioè essere suddiviso. La capacità di trasporto totale della sezione trasversale si ottiene sommando i tre contributi forniti dalla golena sinistra, dal canale principale e dalla golena destra. Per ciò che concerne il coefficiente di Coriolis (velocity coefficient) si può definire in termini di capacità di trasporto e area bagnata secondo la seguente equazione : = A t K 3 3 K lob K ch K + + A A A rob lob ch rob t 3 3 dove :

6 A t = area bagnata totale della sezione Alob, Ach, Arob = area bagnata rispettivamente della golena sinistra, del canale principale e della golena destra K t = capacità di trasporto totale della sezione Klob, Kch, Krob = capacità di trasporto rispettivamente della golena sinistra, del canale principale e della golena destra Le perdite di carico per attrito sono calcolate da HEC-RAS come prodotto di S f ed L dove L viene calcolato con l equazione L Q Q Q = L + L + L lob ch rob Q + Q + Q lob ch rob alternative derivate dall equazione di Manning S f = lob ch rob mentre per S f il programma può optare tra quattro equazioni Q K : capacità di trasporto media S f = pendenza piezometrica media S f = Q 1 + Q K + K S f S media geometrica della pendenza S = S f1. S media armonica della pendenza S f f = S S f 1 f1 f f. S f + S f Il metodo di calcolo per la definizione della quota del pelo libero segue una procedura iterativa (0 iterazioni sono il valore di default) utilizzando le equazioni (1) e (). La sequenza dello Standard Step Method risulta essere questa: 1. essendo note le condizioni al contorno della sezione di partenza viene assunto un valore per l altezza del pelo libero nella sezione di monte ( o in quella di valle se ci troviamo in regime di corrente veloce);. in funzione dell altezza del pelo libero assunta si determina la capacità di trasporto e la velocità; 3. con i valori trovati ai punti 1 e, viene calcolata la pendenza piezometrica S f e la perdita di carico dovuta a brusche variazioni della sezione risolvendo l equazione (); 4. con i valori trovati ai punti e 3 viene risolta l equazione (1) per WS ; 5. il valore di WS trovato viene comparato con il valore assunto al punto 1, se lo scarto supera il valore prefissato di default uguale a m (questo valore può essere modificato a piacimento dall utente) il programma ripete i passi di calcolo da 1 a 5 fino a che la condizione venga soddisfatta. La determinazione dell altezza critica WS di ogni sezione segue una procedura iterativa combinando due metodi: quello parabolico e quello secante.

7 H = WS + V g dove : H = carico totale WS = altezza del pelo libero Water Surface Elevation WS crit H min Total Energy H Nei punti dove l altezza del pelo libero attraversa l altezza critica l equazione (1) non è più applicabile. Questa infatti risulta valida solo nelle situazioni di moto permanente gradualmente vario mentre nelle situazioni di passaggio da corrente veloce a lenta e viceversa cioè in presenza di risalti idraulici, brusche variazioni della sezione trasversale, variazioni di pendenza significanti, restringimenti dovuti a ponti, briglie, confluenze di rami, HEC-RAS adotta l equazione del momento derivata dalla seconda legge di Newton : Forza = Massa x Accelerazione F x = ma Applicando la seconda legge di Newton (teorema della quantità di moto) al volume di acqua compreso tra due sezioni tracciate nei punti 1 e si può scrivere : P - P + W - F = Q V 1 x f x dove : P = spinta idrostatica nei punti 1 e = componente longitudinale della risultante delle forze di massa W x F f Q V x = risultante degli sforzi d attrito = portata = densità dell acqua = differenza di velocità dal punto al punto 1 lungo l asse delle X

8 1 P y W x W F f y 1 P 1 L Z Z 1 X La spinta idrostatica lungo l asse delle X è : Datum P = AYcos assunto che la spinta idrostatica è valida solo per pendenze minori di 1:10, dato che il cos per una pendenza di 1:10 (circa 6 gradi) è uguale a e la pendenza nei canali ordinari è molto minore di 1:10, la correzione cos può essere portata uguale a 1. Per cui la spinta idrostatica nelle sezioni 1 e sarà : P = A 1 Y e P = A Y 1 1 La componente longitudinale della risultante delle forze di massa è : W = sen = z - z L A 1 + A L W x = W. sen 1 La risultante degli sforzi d attrito è : = S W = A 1 + A LS 0 x 0 F f = PL dove : = sforzo di taglio P = media del perimetro bagnato tra le sezioni 1 e = RS dove : R = media del raggio idraulico R = A f P F f = A A 1 + A S f PL e quindi : Ff = S f L P

9 La quantità di moto della massa fluida è : ma = Q dove : V x = e V = g V - V x 1 1 = Q V = Q g quindi ma V - V x 1 1 I limiti del modulo in uso derivano dal fatto che il programma HEC-RAS.1 utilizza una portata costante, con moto permanente gradualmente vario, che le condizioni di deflusso sono monodimensionali, con pendenza del canale bassa (meno di 1:10 = 0.1% = 6 ).

10 PLANIMETRIA SEZIONI Cesano Ce sano

11 1071 RELAZIONE IDROLOGICO-IDRAULICA - Allegato 1 - Modello Idraulico 10.66* 11.5* 1.33* 13.16* * * 083.* 09.83* 04.* * * 053.5* 19.66* * * * * * 1965.* * * * * 18.56* 17.1* 17.68* 1.4* * * * * * * * PLANIMETRIA SEZIONI TRATTO OGGETTO DI INTERVENTO * 167.7* * * * * * * 1509.* * 141.* 1433.* 1445.* 1457.* * 11.08* * 10.3* * 10.39* 19.46* * * * * 174.* * 1318.* 1330.* * * 138.8*

12 CONFRONTO PROFILI LONGITUDINALI (PROFILI: mc/s) Scenario solo ponte Scenario progetto 01

13 CONFRONTO VARIABILI IDRAULICHE Froude # Chl Froude # Chl soloponte Froude # Chl progetto01 SCENARI: soloponte - progetto 01 PROFILO: 600 mc/sec VARIABILI: Numero di Froude - Velocità canale principale Vel Chnl (m/s) Vel Chnl soloponte Vel Chnl progetto Main Channel Distance (m) Main Channel Distance (m)

14 SCENARIO: progetto 01 PROFILO: 600 mc/sec

15 RS = RS = RS =

16 94 9 RELAZIONE IDROLOGICO-IDRAULICA - Allegato 1 - Modello Idraulico RS = RS = BR RS = 1403 BR

17 94 9 RELAZIONE IDROLOGICO-IDRAULICA - Allegato 1 - Modello Idraulico RS = RS = RS = 1350 IS

18 RS = RS = RS =

19 87 RELAZIONE IDROLOGICO-IDRAULICA - Allegato 1 - Modello Idraulico RS = 190 IS RS = RS =

20 HEC-RAS Locations: User Defined River Reach River Sta Profile Plan Q Total Min Ch El W.S. Elev Crit W.S. E.G. Elev E.G. Slope Vel Chnl Flow Area Top Width Froude # Chl (m3/s) (m) (m) (m) (m) (m/m) (m/s) (m) (m) Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano 1403 Bridge Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto Cesano Cesano soloponte Cesano Cesano progetto