Relazione di fine tirocinio

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1 Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile per la Protezione dai Rischi Naturali Relazione di fine tirocinio Realizzazione di una vasca di simulazione del moto ondoso con generatore di onde manuale per la simulazione di fenomeni macroscopici nella realizzazione di porti in scala 1:200 Tirocinante Chiara Viola Tutor Prof. Giorgio Bellotti a.a. 2017/2018

2 Sommario Premessa... 3 Introduzione... 3 Apparato sperimentale... 4 Vasca... 4 Generatore... 5 Muri di banchina... 7 Massi naturali... 8 Riproduzione dei porti ed esperimenti... 8 Porto di Ostia... 9 Porto di Nettuno Porto di Santa Marinella Porto del Circeo Conclusioni Sviluppi futuri

3 Premessa La seguente relazione descrive le attività svolte nell ambito del tirocinio interno presso il Laboratorio di Idraulica Marittima del Dipartimento di Ingegneria dell Università degli Studi di Roma Tre. Le attività sono state svolte sotto la supervisione del docente Prof. Giorgio Bellotti nel periodo compreso tra il 20 luglio 2018 e il 16 novembre 2018, per un totale di 150 ore. Introduzione L attività di tirocinio descritta nella presente relazione si è incentrata sulle attività volte alla realizzazione di una vasca di dimensioni ridotte destinata alla simulazione del moto ondoso tramite un generatore di onde manuale. Per poter svolgere le attività all interno del laboratorio sono state prima spiegate le norme di sicurezza da rispettare e illustrate le attrezzature e la strumentazione presenti ed il loro funzionamento. Lo scopo della realizzazione della vaschetta è la riproduzione a livello macroscopico di determinati fenomeni fisici presenti naturalmente vicino alle strutture costiere quali diffrazione, riflessione e correnti di rip. Inoltre grazie alla trasparenza del materiale è possibile osservare il profilo della superficie idrica ed il continuo modificarsi del profilo spaziale delle onde. Una volta completata la realizzazione della vasca, è stato possibile riprodurre in scala opportuna alcune configurazioni dei porti del litorale laziale potendo quindi verificare lo stato di calma dello specchio liquido all interno del porto e il verificarsi dei fenomeni fisici già detti. L obiettivo di questo strumento è di fornire un supporto alle attività didattiche per poter permettere agli studenti dei corsi di Ingegneria Costiera e Progettazione di Porti ed Opere Marittime di comprendere meglio i fenomeni fisici che intervengono in ambito costiero. Contestualmente la vasca è stata adoperata anche per promuovere la Facoltà di Ingegneria Civile di Roma Tre ed il nuovo polo di Ingegneria del Mare di Ostia negli incontri di orientamento universitario sia all interno della facoltà sia durante il Salone dello Studente tenutosi a Fiera di Roma dal 13 al 15 novembre Inoltre la vasca è stata illustrata ed utilizzata anche durante l International Project Week (IPW) tenutasi dal 29 al 31 ottobre 2018 in cui si è vista una partecipazione e collaborazione con alcuni studenti danesi della Technical University of Denmark Figura 1: Dimostrazione agli studenti di Ingegneria Costiera 3

4 (DTU) arrivati a Roma per un progetto di scambio tra i dipartimenti di Ingegneria di diverse università europee. Figura 2: Dimostrazione al Salone dello Studente Apparato sperimentale Vasca La realizzazione della vasca è stata effettuata tramite l unione di lastre di plexiglass fissate insieme da silicone trasparente. Le dimensioni della vasca sono: larghezza di cm, lunghezza di cm e altezza di 30.5 cm. Nella lastra rappresentante il fondale è stata tracciata una griglia a maglie quadrate di 10 cm x 10 cm che rappresentano nella realtà una superficie di 20 m x 20 m in quanto la scala del fondo della vasca è di 1:200. Per evitare problemi di scala nella direzione verticale, si è scelto di utilizzare una scala diversa per il tirante idrico ed è stata affissa in un angolo, su una parete verticale, una scala graduata che relazioni il tirante idrico reale (scala prototipo) con il tirante adeguato nella vasca (scala modello). Per fornire maggior robustezza all apparato si sono inseriti elementi di rinforzo lungo il perimetro inferiore e superiore. La vasca è stata inoltre dotata di uno scarico e di un tappo per consentire un agevole vuotatura ed evitare il ristagno di acqua torbida a causa della non perfetta pulizia dei materiali usati per realizzare le opere di difesa portuale. 4

5 Figura 3: Vasca sperimentale Figura 6: 4: Griglia a maglie quadrate Figura 5: Tappo e scarico della vasca Generatore Per la creazione del moto ondoso è stato costruito un generatore tramite una pala realizzata da una lastra di perspex di dimensioni 1.00 m x 0.20 m con spessore di 1 cm. Dopo alcuni tentativi in cui la pala era incernierata in basso e veniva movimentata in alto, ottenendo come risultato onde poco regolari, si è deciso di progettare un sistema di utilizzo 5

6 più comodo e che consentisse un miglior controllo sulla generazione delle onde, ottenendo quindi onde più regolari e più precise. Figura 7: Inizio della sperimentazione Quindi si è utilizzato un tubo di acciaio a cui si sono incernierate due staffe distanti 0.50 m che poi successivamente sono state ancorate inferiormente alla pala tramite 2 viti per ciascuna staffa. L estremo superiore delle staffe è stato sfruttato come impugnatura che consente maggior controllo nella creazione dello stato ondoso. Per poi utilizzare il generatore evitando lo scivolamento dell asta cilindrica sul supporto orizzontale montato sul perimetro superiore delle pareti laterali, si è deciso di incollare con il silicone, sulla parete verticale, due blocchettini di perspex per ogni lato. In questo modo si è riusciti a creare una guida della dimensione giusta per il diametro del tubo e permettere una rotazione senza traslazione. Figura 9: Pala generatrice di onde con impugnature Figura 8: Dettaglio della guida Una volta inserito il generatore nelle sue guide si può iniziare a simulare l agitazione ondosa tramite piccoli movimenti dei polsi, afferrando saldamente le impugnature. A seconda dell entità e della frequenza dei movimenti oscillatori sarà possibile ricreare treni d onda più o meno regolari con periodi d onda brevi o lunghi. In tal modo è possibile osservare a livello 6

7 macroscopico i vari fenomeni fisici che intervengono quando un onda entra a contatto con degli ostacoli di superfici più o meno riflettenti. È importante osservare che in questo modello le onde generate sono monodirezionali, quindi nella realizzazione delle diverse configurazioni portuali sarà necessario un opportuno orientamento delle strutture in modo da rappresentare i fenomeni in modo più possibile simile alla realtà, individuando la corretta direzione delle onde per i singoli siti riprodotti. Muri di banchina In alcune configurazioni portuali è stato necessario realizzare dei muri di banchina per ottenere i fenomeni fisici tipici delle onde impattanti su delle pareti verticali totalmente riflettenti. I muri di banchina sono stati riprodotti fuori scala in modo da poter ottenere un risultato più evidente e per avere maggiore versatilità nel loro riutilizzo. Essi sono stati costruiti in laboratorio mediante una gettata di cemento a presa rapida e scasserati dopo circa minuti dal getto. Dopodiché prima di immergerli in acqua si è preferito aspettare una giornata per una migliore essiccazione. Per la realizzazione delle casseforme dei muri di banchina si sono utilizzate delle lastre di perspex fissate da morsetti così da poterle riutilizzare per i successivi getti. La cassaforma è stata progettata in modo tale che per ogni gettata di cemento sia stato possibile ottenere 3 moduli di calcestruzzo di dimensioni 10 cm x 5 cm x 8 cm così da ricavare più muri di banchina in minor tempo possibile e con una dimensione adatta a diverse geometrie dei porti. Figura 11: Cassaforma Figura 10: getto di cemento a presa rapida 7

8 Figura 12: Moduli di calcestruzzo scasserati Massi naturali Per la riproduzione delle dighe foranee è stato necessario scendere a compromessi a causa dei problemi legati alla scala dei materiali. Infatti si è preferito riprodurre in scala l altezza e l area occupata in pianta, sacrificando il livello di dettaglio nei riguardi del peso e delle dimensioni dei massi naturali. Così facendo non è stato possibile riprodurre gli elementi costituenti la diga come il nucleo, il filtro e la mantellata. Considerando lo scopo didattico della vasca è stato ritenuto sufficiente utilizzare della ghiaia di piccole dimensioni e con bordi arrotondati per simulare elementi porosi ed assorbenti come la spiaggia e del pietrisco (di colore scuro) con spigoli vivi e dimensioni medie di circa 3-4 cm per simulare i massi naturali della mantellata. Nessuno dei due elementi è stato selezionato tramite setacciatura in quanto l obiettivo era l osservazione qualitativa dei fenomeni a livello macroscopico. Ovviamente, a causa di questa scelta, i fenomeni che risultano più evidenti con dighe foranee più impermeabili in questo modello saranno semplicemente accennati a causa della difficoltà di ricreare un adeguato gradiente idrico dal lato del porto, fornito proprio dalla minore permeabilità del nucleo. Per questo motivo, ad esempio, per ricreare le correnti di rip si è riscontrata una certa difficoltà ed è stato necessario inserire all interno delle dighe piccoli elementi laterizi che fornissero un minimo di impermeabilità sotto lo strato dei massi naturali. Riproduzione dei porti ed esperimenti Per la riproduzione dei porti nel litorale laziale è stato prima necessario effettuare una scrematura e selezionare solo alcuni tra tutti quelli esistenti nel territorio così da poterli riprodurre scalati al meglio, considerando anche le difficoltà presenti con la scala scelta per il fondale e per i materiali usati per la costruzione delle dighe foranee. 8

9 Sono stati selezionati 4 porti turistici che risultano essere: - Porto di Ostia (a moli convergenti, con avamporto) - Porto di Nettuno (a moli convergenti, con avamporto) - Porto di Santa Marinella (a bacino) - Porto del Circeo (a bacino, con pennello) Per procedere con la riproduzione dei singoli porti è stato necessario, prima di tutto reperire la planimetria di ognuno tramite Google Earth; poi una volta fissata la scala, sono state disegnate le griglie rappresentanti il fondo della vasca. Così facendo è stato possibile ricreare in modo più agevole il modello dal momento che la griglia evidenzia un preciso posizionamento del porto all interno dell area di interesse. Di seguito sono illustrati i porti nella loro rappresentazione reale e come sono stati riprodotti nel modello. Porto di Ostia La marina di Ostia è un classico esempio di schema portuale a moli convergenti. Lo specchio acqueo interno risulta essere completamente protetto grazie alla realizzazione di un avamporto con due moli di sottoflutto il cui asse corrisponde al settore di traversia principale; la realizzazione dell avamporto migliora la navigabilità, l assorbimento del moto ondoso ed i problemi di erosione e sedimentazione. La presenza della spiaggia disposta di fronte all accesso permette un ulteriore assorbimento delle onde e consente uno stato di calma aggiuntivo nel bacino interno. Figura 13: Porto di Ostia osservato dal satellite e porto riprodotto in laboratorio 9

10 Porto di Nettuno La marina di Nettuno risulta avere uno schema portuale a moli convergenti ma non completamente simmetrici. Sul retro di un molo di sottoflutto sono presenti muri verticali per una migliore protezione delle banchine da eventi tracimanti. Nella configurazione ricreata nella vasca sperimentale sono state inserite anche delle banchine di ormeggio disposte verso una zona più interna del porto. Figura 14: Porto di Nettuno osservato dal satellite e porto riprodotto in laboratorio Porto di Santa Marinella Il porto turistico di Santa Marinella ha una classica configurazione di un porto a bacino. Essi sono costituiti da un molo di sopraflutto che è destinato a proteggere un bacino interno dalle onde provenienti dalla traversia principale e da un molo di sottoflutto destinato a proteggere dalle onde provenienti dal settore di traversia secondaria. È possibile notare che, per favorire l ingresso delle navi, il molo di sopraflutto è stato ruotato verso maggiori fondali e prolungato per ottenere lo stesso grado di protezione di un molo rettilineo. 10

11 Figura 15: Porto di Santa Marinella osservato dal satellite e porto riprodotto in laboratorio Porto del Circeo Il porto turistico del Circeo è dotato di uno schema portuale a bacino sul cui molo di sopraflutto è disposto un breve pennello più o meno di fronte all estremità del molo di sottoflutto. La presenza del pennello è utile per ostacolare la propagazione lungo il lato interno del molo delle onde diffratte intorno alla testata del molo secondario. È interessante notare che la presenza del pennello, ortogonale alla linea di costa, posticipa nel tempo l interrimento che è un fenomeno di cui soffrono tipicamente i porti realizzati con questo schema. Figura 16: Porto del Circeo osservato dal satellite e porto riprodotto in laboratorio 11

12 Conclusioni La riproduzione di tutti i porti selezionati ha permesso di evidenziare la calma dello specchio liquido interno al porto rispetto all area foranea. Ciò è stato possibile grazie al posizionamento di due galleggianti ancorati sul fondo e posizionati di volta in volta nei posti in cui si voleva verificare lo stato di agitazione. In particolar modo è stato possibile constatare la differenza nell entità della trasmissione ondosa nei posti vicino l imboccatura, sul retro delle dighe murarie, vicino alle banchine e esternamente al porto. I fenomeni che sono stati osservati durante le simulazioni sono: la diffrazione attorno le testate delle dighe, la riflessione delle onde su ostacoli come le banchine e le pareti della vasca e la pala, le correnti di rip. La diffrazione è un fenomeno che si verifica quando le onde incidenti incontrano un ostacolo emergente dal livello marino e le dimensioni trasversali dell ostacolo sono inferiori o uguali all ordine di grandezza della lunghezza delle onde incidenti. La propagazione dell onda non risulta più nella direzione incidente ma subisce una deviazione della traiettoria di propagazione (rotazione dei fronti d onda), raggirando l ostacolo e propagando anche nella zona d ombra. In questo modo parte dell energia delle onde riesce a penetrare e quindi si ottiene una agitazione ondosa residua all interno dello specchio d acqua. Figura 17: Diffrazione nel modello del porto di Ostia 12

13 Figura 18: Diffrazione e specchio d'acqua interno di un porto a bacino La riflessione invece avviene quando un onda incontra un ostacolo che non può attraversare e viene rinviata indietro verso la sorgente individuata in questo caso dalla pala generatrice di onde. Quando l onda viene riflessa essa viene capovolta e se non vi è assorbimento essa trasporta la stessa quantità di energia dell onda incidente. Figura 19: Riflessione su pareti riflettenti Le correnti di rip sono correnti localizzate dirette verso il mare aperto. Questo è un fenomeno molto pericoloso per i bagnanti in quanto si tratta di un flusso intenso causato da gradienti idraulici che si creano in prossimità della spiaggia. L accumulo di acqua lungo la costa 13

14 provoca un aumento di pressione che deve essere compensato da un flusso di ritorno che si dirige dalla riva verso il mare aperto. Questo flusso possiede un elevata velocità ed è capace di trascinare con sé tutto ciò che incontra. È stato possibile ricreare questo fenomeno tramite l utilizzo di due barriere impermeabili, identificate in pezzi di laterizio dalle dimensioni contenute, parallele al moto ondoso e ricoperte dai massi rappresentanti la mantellata delle dighe foranee. La configurazione prevede uno strato di spiaggia abbastanza spesso che permetta la riflessione delle onde incidenti e due dighe foranee parallele alla costa e che costituiscano un apertura abbastanza contenuta nel mezzo. Iniziata la generazione delle onde, è stato posizionato un galleggiante abbastanza vicino alla spiaggia e abbastanza vicino all asse dell apertura del porto. Si è quindi potuto notare che dopo un po di tempo il galleggiante si è spostato sempre più verso il centro e poi sempre più in direzione dell imboccatura e del mare aperto, riuscendo poi ad uscire dal porto. Figura 20: Diffrazione e riflessione durante la simulazione della corrente di rip Sviluppi futuri La realizzazione di questa vasca sperimentale risulta essere un valido aiuto alla didattica dei corsi di Ingegneria Costiera e Progettazione di Opere Marittime in quanto oltre a rappresentare la realtà permette di vedere dal vivo i fenomeni fisici che intervengono in ambito costiero. Ovviamente osservazioni migliori potrebbero essere fatte ricorrendo all utilizzo di traccianti colorati che evidenziano meglio aspetti come la diffrazione e le correnti di rip. Questa vasca potrebbe essere un ottimo spunto per successivi sviluppi futuri nel caso si provvedesse a realizzare un generatore di onde automatizzato in modo tale da intervenire con più precisione nella generazione di determinate altezze e periodi d onda. Inoltre 14

15 fornendo un supporto visivo sarebbe anche possibile ricostruire serie d onde e sviluppare studi più approfonditi sul moto ondoso e sulle serie storiche delle altezze d onda significative. La particolarità di questa vasca, infatti, è la dimensione trasversale che, a differenza dei canali presenti in laboratorio, permette di investigare fenomeni in più larghe scale. Un suggerimento, quindi, è quello di realizzare una vasca retraibile che possa quindi variare lunghezza e, soprattutto, larghezza a seconda della necessità. 15