Indice. Premessa... 1 Contesto, finalità dell intervento e bisogni da soddisfare.... 1 Rispondenza del progetto al Progetto Definitivo.... 1 Criteri seguiti per trasferire le scelte progettuali sul piano contrattuale.... 1 Opera in Progetto: descrizione e scelte progettuali.... 2 Dimensionamento Opere in Progetto.... 7 Dimensionamento della rete di adduzione, calcolo idraulico e verifica delle portate.... 7 Verifica tempo di detenzione... 18 Dimensionamento dell impianto di sollevamento, calcolo idraulico e verifica delle portate.... 18 Dimensionamento della camera di aspirazione e schema di funzionamento delle pompe.... 21 Dimensioni della vasca di carico.... 22 Dimensionamento del volume utile.... 24 Calcolo di verifica delle pressioni e del colpo d ariete.... 25 Calcolo delle dilatazioni termiche nella condotta di adduzione.... 27 Calcolo delle dilatazioni termiche nella condotta di mandata.... 28 Calcolo di verifica delle tubazioni alle forze ovalizzanti.... 29 Condizioni di calcolo... 30 Normativa di riferimento.... 39 Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu
Premessa. Il presente documento rappresenta la relazione del Progetto Esecutivo delle Opere fognarie lungo il Km. 123 della ex Strada Statale 125, affidato dal Comune di Cardedu al Raggruppamento Temporaneo di Professionisti formato dall Ing. Nicola Cucca e dall Ing. Matteo Piras. Tale relazione, conformemente alle vigenti disposizioni legislative sui LL.PP., descrive pertanto le caratteristiche dell intervento in progetto e riferisce in merito alle scelte progettuali esecutive relative ai particolari costruttivi ed al conseguimento dei prescritti livelli qualitativi e di sicurezza oltre a illustrare le scelte effettuate per trasferire sul piano contrattuale e sul piano costruttivo le soluzioni proposte nel Progetto Definitivo. Contesto, finalità dell intervento e bisogni da soddisfare. L Amministrazione Comunale, considerando l edificazione esistente lungo il Km. 123 della ex Strada Statale 125, ha deliberato di intervenire mediante la realizzazione di un prolungamento della rete fognaria attuale al fine di consentire agli abitanti residenti appena fuori il centro abitato di poter usufruire del servizio pubblico di raccolta acque nere, a completamento degli interventi di urbanizzazione ad oggi eseguiti. Altresì, il presente progetto può intendersi come un primo stralcio funzionale in previsione di un futuro ed eventuale proseguimento lungo il Km. 122 della suddetta rete fognaria. Rispondenza del progetto al Progetto Definitivo. Il presente Progetto Esecutivo rispetta, in linea di massima 1, le previsioni del Progetto Definitivo approvato e, nella sostanza, non ne altera le scelte ivi effettuate. Pertanto, si può affermare che il Progetto Esecutivo risulta conforme al Progetto Definitivo e recepisce tutte le prescrizioni fornite dagli Enti competenti (sia dall Amministrazione Comunale che dall Ente Gestore Abbanoa s.p.a.). Criteri seguiti per trasferire le scelte progettuali sul piano contrattuale. Le scelte circa la modalità di stipulazione del contratto sono orientate verso la tipologia contrattuale A MISURA in quanto per la maggior parte delle lavorazioni, quali soprattutto quelle che interessano la realizzazione dei servizi a rete e i relativi movimenti terra, per le indeterminazioni legate al sottosuolo, non è possibile, se non mediante un dispendioso incremento di indagini preventive, una quantificazione tale da escludere modifiche in fase esecutiva dei lavori. 1 L unica sostanziale difformità riguarda la rete di mandata, in pressione, che, così come richiesto dall Ente Gestore Abbanoa s.p.a., sarà realizzata con tubi in ghisa sferoidale al posto di quelli in polietilene ad alta densità previsti nel Progetto Definitivo. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 1
Criteri seguiti per trasferire le scelte progettuali sul piano costruttivo. Le problematiche costruttive riscontrabili in fase progettuale nell eseguire le opere previste riguardano le eventuali interferenze con i servizi esistenti. Pertanto, prima dell esecuzione dei lavori in progetto, dovranno essere nuovamente interpellati gli Enti Gestori per tracciare l esatta posizione dei servizi presenti. Il Comune ha ottenuto le liberatorie dei proprietari dei terreni contigui all area d intervento per poter effettuare i lavori. Opera in Progetto: descrizione e scelte progettuali. La rete fognaria esistente ha termine con un pozzetto in prossimità del centro abitato all angolo tra via Tola e via Josto (Foto 1). Foto 1 Come si evince dagli elaborati grafici in allegato, l intervento prevede il prolungamento della condotta fognaria per circa 400 metri in direzione San Paolo con una rete di adduzione delle acque nere costituita da tubazioni funzionanti a pelo libero, per gravità, in polietilene strutturato ad alta densità PEAD, DE 350, tipo ECOPAL, corrugato esternamente e con parete interna liscia tipo B, che dall intorno del Km. 123.600 (Foto 2) prosegue sino al Km. 123.200 circa, terminando in un impianto di sollevamento fognario composto da n. 2 elettropompe sommergibili per liquami fognari. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 2
Foto 2 Da tale punto (Foto 3, 4 e 5) il sistema convoglierà i reflui, con una rete di mandata costituita da tubazioni funzionanti per pressione, in ghisa sferoidale DN 80 PFA 40, per circa 545 metri per poi terminare, convogliando a gravità, per ulteriori 35 metri circa, con tubi in polietilene strutturato, DE 350, tipo ECOPAL, fino all esistente rete fognaria lungo via Tola (Foto 6, 7). Foto 3 Foto 4 Foto 5 Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 3
In merito all impianto di sollevamento fognario, per ovviare a eventuali interruzioni della fornitura di energia elettrica con conseguente arresto delle pompe, si prevede la realizzazione, in corrispondenza del suddetto impianto, di un locale destinato all alloggiamento di un opportuno gruppo elettrogeno. Come da accertamenti catastali, si è potuto evincere che la stazione di pompaggio verrà realizzata sul tracciato della vecchia S.S. 125, porzione di terreno che ad oggi ricade nelle proprietà del Comune di Cardedu. Analogamente, tutte le infrastrutture costituenti la rete fognaria verranno realizzate nell area di esproprio della ex S.S. 125 ora di competenza comunale. Foto 6 Foto 7 La rete fognaria sarà dotata di tredici pozzetti da realizzarsi in opera in cls, a base quadrata da 1,60 mt, tutti ispezionabili al fine, in caso di necessità, di poter intervenire nella porzione del ramo in cui possa verificarsi un malfunzionamento. I pozzetti d ispezione verranno posizionati ad una distanza reciproca in funzione del diametro interno del tubo di innesto (Φ < 600 mm; D = 30 50 m) e, in ogni caso, in presenza di un cambio di diametro, di direzione, di livelletta ed in corrispondenza della sezione iniziale di tutti i tronchi di testa. A consentire agevolmente gli allacci alla nuova porzione di rete fognaria, saranno previsti in progetto ulteriori otto pozzetti di allaccio di tipo prefabbricato, in calcestruzzo vibrocompresso, pedonabili o carrabili, dimensioni interne b = 60 cm, l = 60 cm ed altezza variabile da 60 cm a 150 cm, posati ad una quota superiore all estradosso della condotta. Gli allacci privati avverranno tramite tubazione in polietilene strutturato ad alta densità PEAD, DE 160, tipo ECOPAL, corrugato esternamente e con parete interna liscia tipo B. Dalle prime indagini effettuate in loco, si è evinta la necessità, salvo casi specifici esaminati di seguito, di realizzare la rete fognaria in progetto alle spalle del muro di contenimento in c.a., a monte della ex Strada Statale 125. Infatti, a valle, sono già presenti, sotto quota, i cavi dell impianto di illuminazione pubblica e di telecomunicazione. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 4
In prossimità del Km 123.380, la rete viaria prevede un attraversamento di un ruscello (Foto 8) il cui letto si trova ad una quota dal piano di campagna circostante di circa 1.50 mt. Poiché l attraversamento del corso d acqua non può essere realizzato ponendo in opera le tubazioni lungo la carreggiata stradale del ponte, in quanto non è possibile garantirne il ricoprimento minimo senza dover procedere ad una parziale demolizione della soletta in c.a. che ne costituisce la struttura, tale attraversamento potrebbe essere eseguito esternamente al ponte, staffando lungo il fianco della soletta un tubo camicia in acciaio DN 500 all interno del quale far scorrere le due condotte in progetto. Dovendo però garantire un ricoprimento minimo delle tubazioni lungo tutto il tracciato planimetrico di almeno 1.00 mt., onde garantirne la verifica alle forze ovalizzanti, si predilige la soluzione di far passare le condotte in progetto ad una quota inferiore a quella del corso d acqua. Pertanto, avendo la necessità di posare le tubazioni ad una quota di scavo che, in corrispondenza dell attraversamento del corso d acqua, raggiunge i 2.50 mt. dal piano di campagna circostante e dovendo garantire, lungo tutto il tracciato planimetrico, un ricoprimento minimo di almeno 1.00 mt., le condotte fognarie, sia di adduzione che di mandata, verranno disposte ad una profondità di scavo variabile fino ad un massimo di circa 3.00 mt. dal piano di campagna, imponendo necessariamente l impiego di un sistema di pompaggio per rimuovere le acque di falda dal fondo scavo e di sbadacchiature o altro sistema di contenimento del fronte scavo per garantire lo svolgimento in sicurezza delle lavorazioni. Foto 8 Le due condotte, sia di adduzione che di mandata, verranno opportunamente sfalsate, sia planimetricamente che altimetricamente, in modo da agevolare gli eventuali interventi di manutenzione. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 5
Analogamente, attestata la presenza della rete di distribuzione di acqua potabile, entrambe le condotte dovranno essere posate al di sotto della rete idrica in modo da garantire che tra l estradosso della condotta più superficiale e la generatrice inferiore della rete dell acquedotto vi sia un franco di almeno 0.30 mt. Inoltre, si dovrà prevedere l accortezza di mantenere la condotta idrica planimetricamente distanziata da quelle in progetto di almeno 0.70 mt. A seguire, in prossimità dei Km. 123.450 e Km. 123.550 (Foto 9), si prevede una ramificazione della condotta di adduzione con conseguente taglio stradale per consentire l allaccio fognario anche ai fabbricati disposti a valle della ex Strada Statale 125. La condotta di mandata avrà termine in prossimità del Km. 123.750 (Foto 10) da cui i reflui convoglieranno, attraverso allaccio in un pozzetto ispezionabile da realizzarsi ad hoc, con successivo recapito alla esistente rete fognaria lungo via Tola mediante funzionamento a gravità. Foto 9 Foto 10 Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 6
Dimensionamento Opere in Progetto. Dimensionamento della rete di adduzione, calcolo idraulico e verifica delle portate. Per il dimensionamento della rete fognaria delle acque nere e della stazione di sollevamento si è considerato il numero di 250 abitanti equivalenti che potenzialmente ne usufruiranno, assegnando una dotazione idrica pro-capite di 400 litri*abitante/giorno (pari a 0.28 l*ab/min) e prevedendo sia l eventuale ulteriore prolungamento della suddetta rete sia il probabile incremento demografico/edilizio nella zona di intervento, in maniera tale che non si necessiti, in futuro, di un adeguamento dimensionale. Il potenziale afflusso idrico che si può presentare nella stazione di pompaggio è così calcolato in funzione dei seguenti parametri: - Abitanti serviti (N): espressa in abitanti equivalenti (A.E.), previsione della popolazione da servire durante la vita nominale della fognatura (40 50 anni). Si considerano un numero di abitanti convenzionali pari a 250 A.E., stimati valutando anche eventuali futuri prolungamenti della rete fognaria in progetto oltre a probabili incrementi demografici ed edilizi potenzialmente previsti nell area di intervento. - Dotazione idrica procapite (d): espressa in l*ab/g, rappresenta normalmente la quantità di acqua individuale che deve essere garantita mediamente durante l'anno. Nel caso in esame si è assunta una dotazione idrica dell acquedotto nel giorno di massimo consumo pari a 400 l/g per abitante, pari a 0.28 l/min per abitante. La dotazione idrica procapite è stata desunta maggiorando opportunamente, sulla base anche dell indeterminatezza relativa al tipo di attività che in seguito potrà andare ad insediarsi nel comparto in esame, il valore delle previsioni contenute nel Piano Regolatore Generale degli acquedotti della Sardegna, relativamente ai fabbisogni idropotabili legati al raggiungimento degli obiettivi al 50 anno di gestione (anno 2041), per comuni con popolazione residente inferiore a 5000 abitanti (Tabella 1). - Coefficiente di massimo consumo (β) o di maggiorazione per l ora di punta: rappresenta il rapporto tra la portata di punta Q p nel giorno di massimo consumo annuo e la portata media annua Q. Per tale coefficiente di norma si assume un valore pari a 2.50. - Coefficiente di riduzione per perdite (α): coefficiente che tiene conto dell'effettiva aliquota di acqua potabile distribuita che, dopo l'utilizzo, viene scaricata nella fognatura. Per tale coefficiente, di regola, si assume un valore variabile tra 0.7 e 0.8. Tenuto conto delle perdite che si determinano nel trasferimento del liquido, tra cui quelle derivanti dall evaporazione e dirottamento sulla fognatura bianca, si potrebbe valutare la portata nera che perviene alla fogna pari all 80% di quella erogata dall acquedotto. A vantaggio della sicurezza, considerando la possibilità di eventuali maggiori afflussi di varia e indeterminata origine, si assume un valore unitario. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 7
Tabella 1 Per cui la portata massima da smaltire in fogna (portata nera di punta) è: Qn = (α*β*n*d) = (1,0*2,5*250*0,28) = 175 l/min = 2.92 l/sec = 0.00292 mc/sec La condotta fognaria di adduzione delle acque nere sarà realizzata con una rete di tubazioni in polietilene strutturato ad alta densità PEAD, DE 350, tipo ECOPAL corrugato esternamente e con parete interna liscia tipo B, diametro interno pari a 300 mm, pendenza media di circa l 1.60%, con successivo recapito nell impianto di sollevamento fognario. In considerazione del fatto che, ad oggi, non è possibile conoscere quale tipo di attività andrà ad insediarsi nel comparto in esame e/o prevedendo un potenziale incremento demografico/edilizio nella zona di intervento, non si è ritenuto di optare per un diametro interno inferiore ai 300 mm, mentre si è rivelata praticamente obbligata la scelta del materiale (polietilene) adottato e delle pendenze (pendenza variabile tra l 1.25% e l 1.85%) sulle tratte in oggetto, stante la necessità di ottenere velocità accettabili anche ai fini della autopulizia delle tubazioni. La verifica viene effettuata considerando un valore di h/d (percentuale di riempimento della tubazione) pari al 50%, scelto adeguatamente per consentire una buona aerazione del tubo ed il corretto funzionamento a pelo libero delle condotte. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 8
Il dimensionamento del tubolare di adduzione dei reflui è stato eseguito secondo le modalità riguardanti il moto uniforme nelle condutture con funzionamento per gravità a pelo libero ed è stato così ricavato (Figura 1): Diametro Nominale: DN = 0.30 mt Coefficiente di riempimento: k = 0.50 Pendenza media: p = 1.60 % Coefficiente di Scabrosità (di Kutter): m = 0.55 Raggio Idraulico: R = 0.0750 mt Coefficiente di attrito (di Chèzy): c = 33.24 ( formula di Chèzy- Kutter) Area di deflusso: S = 0.0353 mq Contorno Bagnato: C = 0.4712 mt Velocità deflusso: V = 1.15 mt/sec Portata massima prevista: Q max = 0.041 mc/sec = 41.00 l/sec. A vantaggio della sicurezza, si è ritenuto opportuno ammettere una elevata scabrosità della pareti interne. La verifica della portata consiste nel confronto: Portata massima prevista (Q max) > Portata nera di punta (Q n) 0.041 mc/sec > 0.00292 mc/sec VERIFICATO Analogamente, si procede considerando la pendenza, rispettivamente minima e massima, presente lungo il tracciato (Figura 2 e 3), mantenendo invariate le altre condizioni: Pendenza minima: p = 1.25 % Velocità deflusso: V = 1.02 mt/sec Portata massima prevista: Q max = 0.036 mc/sec. Pendenza massima: p = 1.85 % Velocità deflusso: V = 1.24 mt/sec Portata massima prevista: Q max = 0.044 mc/sec. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 9
Figura 1 Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 10
Figura 2 Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 11
Figura 3 Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 12
Allo stesso modo si procede per valutare la portata media oraria da smaltire in fognatura in funzione delle ore di consumo acqua prevedibili. Presumendo un numero ore di consumo acqua pari a 8, un numero di abitanti convenzionali pari a 250 A.E. ed una dotazione idrica pari a 400 l/g per abitante, la portata media oraria Qmed, 8 da smaltire in fognatura sarà pari a: Qmed, 8 = 400*250/8= 12 500 litri/ora = 12.5 mc/ora = 0.0035 mc/secondo Inoltre, stante il fatto che nelle ore notturne la portata prodotta è molto ridotta rispetto a quelle diurne, la portata media oraria sarà calcolata dividendo la portata idrica giornaliera per un numero di ore pari a 18. Considerando le ipotesi fatte finora, il valore della portata media oraria Qmed, 18 si determina con la seguente espressione: Qmed, 18 = 400*250/18= 5 555 litri/ora = 5.55 mc/ora = 0.0015 mc/secondo Stabilita la Qmed, 8 è possibile calcolare, presumendo un consumo acqua pari a 8 ore, la portata di punta nera Qpn, 8 e la portata massima 2 ammessa Qmax, 8 con le seguenti espressioni: Qpn, 8 = β * Qmed, 8 = 2.5 * 0.0035 mc/sec = 0.00875 mc/sec Qmax, 8 = 6 * Qmed, 8 = 6 * 0.0035 mc/sec = 0.021 mc/sec La portata massima prevista Q max verifica sia la portata di punta nera Qpn, 8 sia la portata massima ammessa Qmax, 8 calcolate in riferimento ad un consumo giornaliero di 8 ore. Stabilita la Qmed, 18 è invece possibile calcolare, presumendo un consumo acqua pari a 18 ore, la portata minima Qmin, 18 con le seguente espressione: Q min, 18 = 0.3 * Q med, 18 = 0.3 * 0.0015 mc/sec = 0.00045 mc/sec Per il calcolo delle velocità di afflusso si ammette un coefficiente di scabrosità pari a m = 0.12 (tubi con lievi incrostazioni): Pendenza media: d (mm) h/d (%) p (%) m Q = Q (mc/sec) V (m/sec) 300 10.08 1.60 0.12 Qmed, 8 0.00350 0.94 300 6.85 1.60 0.12 Qmed, 18 0.00150 0.71 300 15.50 1.60 0.12 Qpn, 8 0.00875 1.25 300 23.73 1.60 0.12 Q max, 8 0.02100 1.64 300 3.99 1.60 0.12 Q min, 18 0.00045 0.48 Si verifica che la velocità relativa alla portata di punta non dovrà essere superiore a 4.00 m/sec. Si verifica che la velocità relativa alla portata media non dovrà essere inferiore a 0.50 m/sec, ritenuta la minima per riprendere in sospensione i solidi sedimentati. 2 Stante la necessità di scaricare la portata massima di progetto della fognatura, pari ad almeno 6 volte la portata media nera in tempo secco, al fine di salvaguardare l integrità e la funzionalità delle parti costruttive e di non sovraccaricare l impianto di sollevamento fognario con portate che si potrebbero formare durante piogge intense. In ogni caso si preclude l allaccio di scarichi di acque meteoriche alla condotta in progetto. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 13
Tenuto conto dell'evidente sovradimensionamento della condotta, si omette la valutazione della velocità relativa alla possibile portata minima per la verifica del rispetto del limite di 0.50 m/sec. E' chiaro infatti che, durante le 24 ore, la portata e quindi la velocità scenderà anche sotto tale valore, ma si ritiene sia sufficiente che almeno una volta al giorno si verifichi una portata tale da determinare un lavaggio della condotta assicurando il regolare deflusso evitando la formazione di depositi. Adottando un coefficiente di scabrosità m = 0.007, più idoneo al tipo di tubazione adottata in fase progettuale, le velocità relative alle possibili portate verificherebbero tutte il rispetto dei limiti: d (mm) h/d (%) p (%) m Q = Q (mc/sec) V (m/sec) VERIFICA 300 7.54 1.60 0.007 Qmed, 8 0.00350 1.44 SI 300 4.93 1.60 0.007 Qmed, 18 0.00150 1.16 SI 300 12.01 1.60 0.007 Qpn, 8 0.00875 1.82 SI 300 18.91 1.60 0.007 Qmax, 8 0.02100 2.26 SI 300 2.72 1.60 0.007 Q min, 18 0.00045 0.85 SI Considerando altresì la variazione di velocità di flusso e di portata in funzione della percentuale di riempimento (h/d) della tubazione, si ricava, rispettivamente per m = 0.120 e per m = 0.007: d (mm) h/d (%) h (mm) p (%) m Q (mc/sec) V (m/sec) VERIFICA VELOCITÀ 300 10 30 1.60 0.120 0,0034 0,93 SI 300 20 60 1.60 0.120 0,0148 1,48 SI 300 30 90 1.60 0.120 0,0334 1,87 SI 300 40 120 1.60 0.120 0,0575 2,18 SI 300 50 150 1.60 0.120 0,0851 2,41 SI 300 60 180 1.60 0.120 0,1142 2,58 SI 300 70 210 1.60 0.120 0,1421 2,69 SI 300 80 240 1.60 0.120 0,1658 2,73 SI 300 90 270 1.60 0.120 0,1809 2,70 SI 300 100 300 1.60 0.120 0,1703 2,41 SI d (mm) h/d (%) h (mm) p (%) m Q (mc/sec) V (m/sec) VERIFICA VELOCITÀ 300 10 30 1.60 0.007 0,0061 1,66 SI 300 20 60 1.60 0.007 0,0234 2,32 SI 300 30 90 1.60 0.007 0,0496 2,78 SI 300 40 120 1.60 0.007 0,0824 3,12 SI 300 50 150 1.60 0.007 0,1194 3,38 SI 300 60 180 1.60 0.007 0,1578 3,56 SI 300 70 210 1.60 0.007 0,1947 3,68 SI 300 80 240 1.60 0.007 0,2264 3,73 SI 300 90 270 1.60 0.007 0,2476 3,70 SI 300 100 300 1.60 0.007 0,2388 3,38 SI Reiterando la formula di Chèzy-Kutter per tentativi, si determina l altezza idrica (h) della corrente, quale valore di altezza di riempimento della condotta tale per cui almeno uno dei due parametri di verifica (portata e velocità) non verifichi. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 14
Tale valore, calcolato sulla base della condizione peggiore, in cui m = 0.55, è h 50.00 mm con pendenza media pari all 1.60%. Il grado di riempimento (h/d) si calcola dividendo l altezza idrica per il diametro interno della condotta per cui: h/d = 50/300 = 1/6. Si ritengono accettabili risultati inferiori a 2/3, per cui: h/d 2/3. Avendo posto a priori un valore di h/d = 1/2, corrispondente alla percentuale di riempimento della tubazione del 50% e scelto adeguatamente per consentire una buona aerazione del tubo ed il corretto funzionamento a pelo libero delle condotte, si verifica la relazione di cui sopra. Con le modalità precedentemente esposte, si ripetono i calcoli con le pendenze, minima e massima, presenti lungo il tracciato: calcolo delle velocità di afflusso. Si ammette un coefficiente di scabrosità pari a m = 0.12 (tubi con lievi incrostazioni): Pendenza minima: d (mm) h/d (%) p (%) m Q = Q (mc/sec) V (m/sec) 300 10.68 1.25 0.12 Qmed, 8 0.00350 0.86 300 7.24 1.25 0.12 Qmed, 18 0.00150 0.66 300 16.44 1.25 0.12 Qpn, 8 0.00875 1.15 300 25.24 1.25 0.12 Qmax, 8 0.02100 1.50 300 4.22 1.25 0.12 Q min, 18 0.00045 0.44 Pendenza massima: d (mm) h/d (%) p (%) m Q = Q (mc/sec) V (m/sec) 300 9.75 1.85 0.12 Qmed, 8 0.00350 0.99 300 6.62 1.85 0.12 Qmed, 18 0.00150 0.75 300 14.97 1.85 0.12 Qpn, 8 0.00875 1.32 300 22.89 1.85 0.12 Qmax, 8 0.02100 1.72 300 3.87 1.85 0.12 Q min, 18 0.00045 0.50 Si verifica che la velocità relativa alla portata di punta non dovrà essere superiore a 4.00 m/sec. Si verifica che la velocità relativa alla portata media non dovrà essere inferiore a 0.50 m/sec, ritenuta la minima per riprendere in sospensione i solidi sedimentati. Tenuto conto dell'evidente sovradimensionamento della condotta si omette la valutazione della velocità relativa alla possibile portata minima per la verifica del rispetto del limite di 0.50 m/sec nei tratti di pendenza minima pari all 1.25%. E' chiaro infatti che, durante le 24 ore, la portata e quindi la velocità scenderà anche sotto tale valore, ma si ritiene sia sufficiente che almeno una volta al giorno si verifichi una portata tale da determinare un lavaggio della condotta assicurando il regolare deflusso evitando la formazione di depositi. Adottando un coefficiente di scabrosità m = 0.007, più idoneo al tipo di tubazione adottata in fase progettuale, le velocità relative alle possibili portate verificherebbero tutte il rispetto dei limiti: Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 15
Pendenza minima: d (mm) h/d (%) p (%) m Q = Q (mc/sec) V (m/sec) VERIFICA 300 8.03 1.25 0.007 Qmed, 8 0.00350 1.32 SI 300 5.25 1.25 0.007 Qmed, 18 0.00150 1.06 SI 300 12.79 1.25 0.007 Qpn, 8 0.00875 1.66 SI 300 20.18 1.25 0.007 Qmax, 8 0.02100 2.06 SI 300 2.89 1.25 0.007 Qmin, 18 0.00045 0.77 SI Pendenza massima: d (mm) h/d (%) p (%) m Q = Q (mc/sec) V (m/sec) VERIFICA 300 7.27 1.85 0.007 Qmed, 8 0.00350 1.52 SI 300 4.76 1.85 0.007 Qmed, 18 0.00150 1.22 SI 300 11.57 1.85 0.007 Qpn, 8 0.00875 1.92 SI 300 18.21 1.85 0.007 Qmax, 8 0.02100 2.39 SI 300 2.62 1.85 0.007 Qmin, 18 0.00045 0.89 SI Considerando altresì la variazione di velocità di flusso e di portata in funzione della percentuale di riempimento (h/d) della tubazione, si ricava, rispettivamente per m = 0.120 e per m = 0.007: Pendenza minima: d (mm) h/d (%) h (mm) p (%) m Q (mc/sec) V (m/sec) VERIFICA VELOCITÀ 300 10 30 1.25 0.120 0,0030 0,83 SI 300 20 60 1.25 0.120 0,0131 1,30 SI 300 30 90 1.25 0.120 0,0295 1,65 SI 300 40 120 1.25 0.120 0,0508 1,92 SI 300 50 150 1.25 0.120 0,0752 2,13 SI 300 60 180 1.25 0.120 0,1009 2,28 SI 300 70 210 1.25 0.120 0,1256 2,38 SI 300 80 240 1.25 0.120 0,1465 2,42 SI 300 90 270 1.25 0.120 0,1599 2,39 SI 300 100 300 1.25 0.120 0,1505 2,13 SI d (mm) h/d (%) h (mm) p (%) m Q (mc/sec) V (m/sec) VERIFICA VELOCITÀ 300 10 30 1.25 0.007 0,0054 1,47 SI 300 20 60 1.25 0.007 0,0206 2,05 SI 300 30 90 1.25 0.007 0,0438 2,46 SI 300 40 120 1.25 0.007 0,0728 2,76 SI 300 50 150 1.25 0.007 0,1055 2,99 SI 300 60 180 1.25 0.007 0,1395 3,15 SI 300 70 210 1.25 0.007 0,1721 3,26 SI 300 80 240 1.25 0.007 0,2001 3,30 SI 300 90 270 1.25 0.007 0,2189 3,27 SI 300 100 300 1.25 0.007 0,2110 2,99 SI Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 16
Pendenza massima: d (mm) h/d (%) h (mm) p (%) m Q (mc/sec) V (m/sec) VERIFICA VELOCITÀ 300 10 30 1.85 0.120 0,0037 1,00 SI 300 20 60 1.85 0.120 0,0160 1,59 SI 300 30 90 1.85 0.120 0,0359 2,01 SI 300 40 120 1.85 0.120 0,0618 2,34 SI 300 50 150 1.85 0.120 0,0915 2,59 SI 300 60 180 1.85 0.120 0,1228 2,77 SI 300 70 210 1.85 0.120 0,1528 2,89 SI 300 80 240 1.85 0.120 0,1783 2,94 SI 300 90 270 1.85 0.120 0,1945 2,90 SI 300 100 300 1.85 0.120 0,1831 2,59 SI d (mm) h/d (%) h (mm) p (%) m Q (mc/sec) V (m/sec) VERIFICA VELOCITÀ 300 10 30 1.85 0.007 0,0066 1,79 SI 300 20 60 1.85 0.007 0,0251 2,50 SI 300 30 90 1.85 0.007 0,0533 2,99 SI 300 40 120 1.85 0.007 0,0886 3,36 SI 300 50 150 1.85 0.007 0,1284 3,63 SI 300 60 180 1.85 0.007 0,1697 3,83 SI 300 70 210 1.85 0.007 0,2094 3,96 SI 300 80 240 1.85 0.007 0,2428 4,00 SI 300 90 270 1.85 0.007 0,2663 3,97 SI 300 100 300 1.85 0.007 0,2567 3,63 SI In base a quanto sopra esposto, non saranno previsti opportuni sistemi di lavaggio delle tubazioni. Pertanto la tubazione della condotta di adduzione in polietilene strutturato di diametro interno pari a 300 mm risulta essere abbondantemente verificata per l utilizzo progettuale. A riguardo degli allacci privati alla condotta di adduzione, previsti in fase progettuale, si verifica, come sotto esposto, il rispetto del limite inferiore della velocità di afflusso (0.50 m/sec) con una pendenza minima dello 0.50%, coefficiente di scabrosità delle tubazioni pari a m = 0.007, al variare della percentuale di riempimento (h/d): d (mm) h/d (%) h (mm) p (%) m V (m/sec) VERIFICA VELOCITÀ 135 10 13,50 0.50 0.007 0,61 SI 135 20 27,00 0.50 0.007 0,86 SI 135 30 40,50 0.50 0.007 1,03 SI 135 40 54,00 0.50 0.007 1,15 SI 135 50 67,50 0.50 0.007 1,25 SI 135 60 81,00 0.50 0.007 1,32 SI 135 70 94,50 0.50 0.007 1,37 SI 135 80 108,00 0.50 0.007 1,39 SI 135 90 121,50 0.50 0.007 1,37 SI 135 100 135,00 0.50 0.007 1,25 SI Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 17
In conclusione, si verifica la compatibilità idraulica tra le nuove portate immesse ed il collettore fognario ricettore: le reti esistenti risultano essere in grado di recepire gli scarichi dovuti alla rete in progetto e pertanto non si dovrà prevedere alla sostituzione delle condotte esistenti con altrettante di diametro adeguato. Verifica tempo di detenzione Per evitare che si verifichino fenomeni anaerobici e di setticemia, con formazione di prodotti come metano e acido solfidrico dannosi per le strutture, si deve verificare che l'acqua reflua non rimanga troppo tempo dentro al collettore. In fase di progetto si è garantita la pendenza minima per lo scorrimento della portata media nera con sufficiente velocità, tuttavia è necessario verificare il tempo durante il quale la portata di minima nera permane dentro ai collettori con velocità molto basse (inferiori a 0,50 m/s), ovvero il tempo di detenzione dentro ai collettori. Tale valore, che è fornito dal rapporto tra la lunghezza del collettore e la velocità alla quale scorre la portata minima nera Qmin,18, con pendenza media pari all 1.60%, è pari a: 400 metri 0,48 m/sec = 833 sec = 14min < 30 min tempo sufficientemente basso per evitare suddetti fenomeni. Dimensionamento dell impianto di sollevamento, calcolo idraulico e verifica delle portate. Il dimensionamento dell impianto di sollevamento è stato eseguito considerando la prevalenza e le perdite di carico indotte dal sistema di tubazioni costituenti gli impianti stessi (in condizioni di tubi usati). Le perdite di carico totali nelle condotte prementi, in pressione, sono date dalla somma di quelle distribuite, indotte dalla scabrezza interna, e di quelle concentrate, indotte dalla presenza di deviazioni angolari, eventuali bruschi allargamenti e restringimenti. Il calcolo delle perdite di carico distribuite lungo la condotta in pressione è stato eseguito utilizzando la formula di Darcy-Weisbach che esprime il gradiente idraulico (J) come: dove: J è il gradiente idraulico; D è il diametro interno della condotta [m]; U la velocità dell acqua [m/s]; g è l accelerazione di gravità [m/s 2 ]; λ è il coefficiente adimensionale di attrito, funzione del diametro, del numero di Reynolds (Re) e della scabrezza delle pareti della condotta ε [mm]. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 18
Il coefficiente di attrito λ è stato valutato per mezzo della formula di Colebrook-White (valida in regime di moto turbolento, Re > 4000): dove: λ è il coefficiente adimensionale di attrito; Re è il numero di Reynolds,, che caratterizza il regime di moto e dipende dalla velocità del flusso U, dalla densità ρ e dalla viscosità dinamica µ ( : viscosità cinematica del fluido); D è il diametro interno della condotta [mm]; ε è l altezza equivalente della rugosità del tubo o scabrezza omogenea equivalente [mm]. Nota la lunghezza L della condotta, è possibile ricavare la perdita di carico distribuita: A tali perdite di carico distribuite devono essere aggiunte anche le perdite di carico concentrate che possono essere calcolate con la seguente formula: dove ξ è un coefficiente che dipende dal tipo di discontinuità e U è la velocità della corrente. Il valore delle perdite di carico totali si determina sommando fra loro le perdite di carico continue e localizzate. Va evidenziato, però, che il valore così ottenuto non è un valore certo, perché risulta influenzato dall indeterminazione con cui diversi parametri entrano nei calcoli. Di norma, comunque, quando si sceglie una elettropompa, non è necessario incrementare le perdite di carico totali calcolate teoricamente. L indeterminazione dei parametri sopra richiamati rientra, infatti, nelle normali tolleranze che caratterizzano il calcolo di qualsiasi impianto. Pertanto, stabilita la portata nell'ora di punta, si è identificata la pompa tenendo conto della velocità di scorrimento nella tubazione, successivamente si determina il volume del pozzetto. Si identifica una pompa con una portata superiore a quella in afflusso (pari ad almeno 1,5 volte) e un rapporto con il serbatoio tale da avere frequenze di avviamento non inferiori ai minimi suggeriti. Il volume utile di accumulo si è calcolato per un tempo compreso tra i 6 e i 15 minuti di afflusso (si sceglie un tempo di afflusso pari a 10 minuti): 2.92 l/sec x 600 s = 1 752 litri Il dimensionamento delle pompe di mandata è stato ottenuto considerando il regime normale in cui operi una singola pompa alla volta 3. Date le modeste portate in gioco, si è considerato l'utilizzo di 1 sola pompa più 1 riserva. 3 Si dovrà comunque prevedere l installazione delle pompe in modo che operino alternativamente in regime normale e contemporaneamente in caso di eccezionale afflusso. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 19
A vantaggio della sicurezza, i tubi all interno delle vasche di carico, in acciaio inox AISI 304 per resistere all aggressività delle acque reflue, vengono equiparati ai tubi in ghisa sferoidale DN 80. Portata nera nell'ora di punta: 2,92 l/sec Volume utile pozzetto raccolta: calcolato empiricamente = 1 752 litri Tempo di riempimento a pompe spente: Dislivello geodetico: 8.00 m 1752 litri 2,92 l/sec = 600 sec = 10 min Lunghezza tubazione di mandata: 545.00 m Tubazione: ghisa sferoidale DN 80 PFA 40 Diametro interno: 80.0 mm Scabrezza: ε = 0.2 mm (in condizioni di tubi usati) La portata da sollevare e la velocità del flusso saranno quindi: Portata di progetto della pompa: 6.00 l/sec Velocità del flusso nella condotta: 1.20 m/sec La perdita di carico sarà così ricavata: Coeff. di resistenza λ (calcolato con la formula di Colebrook-White): λ = 0.02639 Numero di Reynolds: Re = 94 923 Perdita di carico (calcolato con la formula di Darcy-Weisbach): J = 0.02397 m/m Perdita di carico della tubazione: 0.02397 m/m * 545 m = 13.00 m Perdita di carico di curve, raccordi e valvole (computata come lunghezza di tubazione equivalente: 65.00 m): 0.02397 m/m * 65 m = 1.50 m Prevalenza totale: (8.00 m + 13.00 m + 1.50 m) = 22.50 m Tempo di svuotamento della vasca: 1752 litri = 569 sec 10 min l/sec ( 6,00-2,92) Intervallo tra gli avviamenti nell ora di punta: riempimento 10 min + svuotamento 10 min = 20 min Tempo del ciclo = 20 min pari a 3 avviamenti/ora Pertanto, si garantisce un tempo di detenzione nella vasca di accumulo tale da minimizzare la possibilità di sedimentazione e di fermentazione. Nel caso in esame si è considerata una detenzione massima in vasca non superiore ai 30 minuti ed il rispetto della prescrizione di un massimo di 8 avviamenti/ora. Il diametro della tubazione di mandata deve ovviamente essere ben superiore al passaggio libero della pompa; la velocità ottimale del flusso pompato non risulta essere inferiore a 0,7 0,8 m/s (per evitare depositi) e non superiore a 1,5 m/s. Qualora le due pompe funzionino contemporaneamente, in tale situazione la velocità non deve superare i 2.0 2.3 m/s. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 20
Per l impianto di sollevamento suddetto si utilizzerà un impianto gemellare con 2 elettropompe sommergibili per liquami fognari con le seguenti caratteristiche idrauliche nel punto di lavoro: portata da 6.00 l/sec e prevalenza da 22.50 m per ogni pompa. Le pompe dovranno essere a 4 poli, come da specifica richiesta dell Ente Gestore Abbanoa s.p.a. Dimensionamento della camera di aspirazione e schema di funzionamento delle pompe. La camera di aspirazione, detta anche vasca di carico, deve essere dimensionata in modo tale da ottimizzare, sia dal punto di vista economico che dal punto di vista operativo, il funzionamento dell impianto. La scelta delle dimensioni ottimali è inoltre vincolata dalle dimensioni delle pompe e dalle prescrizioni geometriche connesse alla loro installazione oltre che dalla disposizione di prevedere sia l eventuale ulteriore prolungamento della rete in progetto sia il potenziale incremento demografico/edilizio nella zona di intervento, in maniera tale che non si necessiti, in futuro, di un intervento di adeguamento dimensionale della suddetta camera di aspirazione. Poiché la portata che affluisce dalla fognatura alla vasca non coincide in generale con quella che sollevano le pompe, il livello idrico nella vasca di carico non sarà costante. La quota minima della vasca non dovrà essere troppo bassa per evitare di approfondire eccessivamente gli scavi e per contenere la prevalenza dell impianto ma dovrà comunque essere tale da mantenere sull ingresso alle pompe un carico sufficiente ad impedire la formazione di vortici con entrata d aria; questo valore di sommergenza minima dipende dalle caratteristiche della pompa e sarà fornito dai costruttori. Quando il funzionamento delle pompe è ciclico, per consentire un buon funzionamento dei sensori di livello, occorre che la distanza verticale tra i livelli idrici corrispondenti ai diversi segnali sia almeno uguale ad un valore H in base al numero massimo di avviamenti orari fornito dal costruttore. Nel progetto tale valore è stato posto pari ai 7,00 cm. Si supponga che affluisca alla camera di carico dell'acqua reflua una portata costante e che inizialmente il livello idrico sia il minimo e la pompa ferma. Il livello crescerà fino a quando non viene raggiunto il valore del volume Vo. A questo punto un sensore avvia la pompa che sarà in funzione del tempo necessario per lo svuotamento di un volume pari a Vo. A svuotamento ultimato un sensore arresta la pompa. Il ciclo si ripete ma in questo caso si avvierà la seconda pompa perché è previsto un uso ciclico. Per evitare una eccessiva usura dei contatti elettrici, i costruttori di pompe prescrivono che il tempo tra due successivi avvii di una stessa pompa siano maggiori di un valore minimo in funzione del numero di avviamenti orari consentiti (Tabella 2). Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 21
Tabella 2 La norma UNI EN 12056-4 suggerisce (non prescrive) una durata minima di funzionamento di: - 2,2 sec. per pompe fino a 2,5 kw - 5,5 sec. per pompe oltre i 2,5 kw ed un pompaggio minimo di 20 litri. In modo più restrittivo i costruttori di pompe suggeriscono: - massimo 12 avviamenti/ora per pompe fino a 50 kw - massimo 8 avviamenti/ora per pompe oltre 50 kw. I due diversi criteri potrebbero essere compatibili tra loro in funzione del tempo di funzionamento. Nel caso in esame il valore massimo di avvii orari per una pompa con installazione annegata e potenza del motore fino a 7.50 kw è 30 avviamenti/ora. A scopo cautelativo è stato fissato un valore massimo di 12 avviamenti orari. Si supponga che affluisca alla camera di carico una portata costante Q 1 <Q<Q 2. Come nel caso precedente si parte dalla condizione iniziale di livello idrico minimo e pompa non in funzione. Il livello idrico crescerà fino a quando non viene raggiunto il valore del volume Vo in corrispondenza del quale un sensore avvia la prima pompa che entrerà in funzione. Poiché la portata sollevata (Q 1 ) è inferiore a quella in arrivo (Q 2 ), il livello idrico continuerà a salire fino a quando il volume non diventa tale da richiedere la messa in funzione della seconda pompa. Da questo momento il pelo libero nella vasca scenderà fino a raggiungere una quota posta a distanza H dalla sommergenza minima, le pompe si spengono. A questo punto, essendo nuovamente la portata affluita maggiore di quella sollevata, il livello idrico nella vasca ricomincerà a salire e il ciclo si ripete. Dimensioni della vasca di carico. Per il calcolo delle dimensioni della vasca per acque reflue ci si riferisce a schemi prestabiliti nei quali sono indicati le distanze da rispettare, tabellate in funzione della portata nominale della singola pompa (Tabella 3). Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 22
I principi da adottare nella progettazione di una vasca di carico sono illustrati in manuali 4 contenenti regole pratiche frutto di una estesa serie di dati acquisiti con test su modelli in scala. Nel seguito si farà riferimento, a solo titolo chiarificatore di quanto detto precedentemente, al pozzo standard riprodotto nella Figura 4. Dall abaco delle dimensioni della camera di aspirazione sono state ricavate le seguenti dimensioni 5 e, considerando l'area pari a Area = (A + Ingombro + Diametro) * (C + D + (n*b)), si ricavano le dimensioni minime per una vasca di carico (Tabella 4). Tabella 3 Abaco delle dimensioni della camera di aspirazione Figura 4 Schema di una camera di aspirazione Tramite il rapporto tra il volume utile e l'area della vasca si ottiene l'altezza massima raggiungibile dalla superficie libera rispetto al fondo della vasca: 3 Volume utile in previsione futura 1,752 m Hmax, reflui = = 2 Area totale vasca di carico 6,355 m 0,30 m 4 American Hydraulic Institute e British Hydromechanics Research Association. 5 Le dimensioni minime vengono lette in corrispondenza di pompe con portata di 100 l/s. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 23
Considerando un franco di sicurezza rispetto al collettore di almeno 30 cm (in modo da garantirsi da eventuali fenomeni di rigurgito), si considerano come altezza minima della vasca: Hmin, vasca = 0,60 m Dimensioni della vasca acque reflue: mm A 1 600 B 680 C 330 D 215 E 1 100 F 650 Ingombro pompa: 670 Diametro piede d'accoppiamento: 255 Numero di pompe p: 2 n = p 1 1 Area totale (valore calcolato) [m 2 ] 3.093 Area totale (valore scelto) [m 2 ] 6.355 Tabella 4 Dimensioni minime per vasca acque reflue Dimensionamento del volume utile. Premesso quanto affermato precedentemente, soprattutto in riguardo ai sovradimensionamenti in previsione futura, dovendo dimensionare il volume utile in modo da essere il minore possibile sia per ridurre i costi di realizzazione della vasca di carico sia per mantenere meno possibile il liquame stagnate, si dovrà procedere al calcolo del volume minimo in funzione del numero di avviamenti/ora consentiti dalla pompa. Pertanto, si ha: Portata nera nell'ora di punta: 2,92 l/sec Numero avviamenti/orari: 12 avviamenti/ora Tempo del ciclo: Tc = 5 min = 300 sec Tempo di riempimento a pompe spente: Tr = Tempo di svuotamento della vasca: Calcolo del volume utile minimo: Ts = X litri 2,92 l/sec X litri ( 6,00-2,92)l/sec Volume utile, min Volume utile, min Tc = Tr + Ts = + = 300sec l/sec ( 6,00-2,92) l/sec ( 2,92) Volume utile pozzetto raccolta: Volume utile, min = 450 litri pari a 0.45 metri cubi Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 24
Calcolo dell altezza utile minima: 3 Volume utile, min 0,450 m H utile, min = = = 0,07 m 2 Area totale vasca di carico 6,355 m L altezza utile minima è stata calcolata considerando il regime normale, in cui operi una singola pompa alla volta, e date le modeste portate in gioco, per cui si è previsto l'utilizzo di 1 sola pompa più 1 riserva. Premesso quanto sopra, verranno previsti 4 set point ciascuno distanziato dal precedente di 7,00 cm: di arresto delle pompe, di avvio della prima pompa, di avvio della seconda pompa, di allarme. In particolare, la vasca di carico in cui saranno alloggiate le pompe sarà a base rettangolare ed avrà dimensioni interne pari a 2.05 m x 3.10 m. Adiacente ad essa verrà realizzato un pozzetto profondo 1.30 m a base rettangolare (dimensioni interne: 1.30 m x 1.50 m) nel quale saranno installati i pezzi speciali (raccordi ghisa-acciaio, curve e raccordi a ti) e le apparecchiature (valvole di non ritorno e saracinesche). Come già indicato le condotte di mandata saranno in ghisa sferoidale DN 80 PFA 40 ad eccezione dei tratti posti all interno delle vasche di carico che saranno in acciaio inox AISI 304 per resistere all aggressività delle acque reflue. Calcolo di verifica delle pressioni e del colpo d ariete. Variazioni di portata dovute, per esempio, all apertura/chiusura di una saracinesca o all accensione/spegnimento di una pompa, generano sovrappressioni (o depressioni) che possono raggiungere valori critici per la condotta. Se queste variazioni sono repentine il fenomeno che si determina è detto colpo d ariete. La sovrappressione creata dal colpo d ariete dipende dal tempo di manovra della saracinesca, dalla velocità e dalle caratteristiche del liquido trasportato ed infine dalla deformabilità elastica del tubo. Le sovrappressioni dinamiche di colpo d ariete ( p), indipendentemente dalla tipologia delle tubazioni impiegate, dovranno essere contenute nei limiti prestabiliti in funzione dei valori della pressione idrostatica. Pertanto, per una pressione idrostatica fino a 6 bar, si prevede un limite massimo di sovrappressione ammissibile pari a 3 bar, a norma del D.M. LL. PP. del 12/12/1985 (Tabella 5). La pressione idrostatica di esercizio valutata per il caso in esame è pari a circa 2.50 bar. A questa, in caso di brusche variazioni di portata, si dovrà prevedere un colpo d ariete pari a 1.47 bar. Tabella 5 Sovrappressioni di colpo d ariete ammissibili. Scelta, per la condotta di mandata in pressione, una tubazione con pressione di funzionamento ammissibile (PFA), al netto del valore della sovrappressione, pari a 40 bar ed una pressione massima ammissibile (PMA), comprensiva dell aliquota del colpo d ariete, pari a 1.2*PFA = 48 bar, si verifica quanto sopra. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 25
Per il calcolo della sovrappressione o depressione ( h), espressa in metri di colonna d acqua, si è fatto uso della formula di Allievi: dove: c = velocità di propagazione della perturbazione in m/s ; g = accelerazione di gravità 9,81 m/s 2 ; Vo = velocità dell acqua prima della chiusura in m/s (posto pari a 1,20 m/s); C = velocità del suono nell acqua a 15 C (1 420 m/s circa); ε = modulo di elasticità dell acqua (2 10 8 kg/m 2 ); E = modulo di elasticità del materiale costituente il tubo in kg/m 2 ; D = diametro esterno del tubo in m (pari a 0,098 m); s = spessore del tubo in m (pari a 0,009 m). Il valore del modulo di elasticità E per tubi in ghisa è 1,2 10 10 kg/m 2 mentre il rapporto ε/e è 0,017. Procedendo ai calcoli si ricava: c = 1 306,40 m/s; h = 159,80 m.c.a. ovvero: p = 15,67 bar (1 bar = 10,198 m.c.a.). La sovrappressione massima si genera quando il tempo di manovra (Tm) è inferiore o uguale alla durata della fase, ossia al tempo critico (Tcr) di propagazione della perturbazione pari a: = 0,84 sec dove: Tcr = durata critica in secondi; L = lunghezza della condotta per il tratto considerato in m. Il tempo critico così ricavato permette pacificamente di escludere l eventualità di una manovra brusca. Nel caso in cui la durata della manovra Tm sia superiore alla durata critica Tcr (manovra non brusca) la sovrappressione che si genera è inferiore e può essere interpolata sul grafico di Figura 5. Qualora invece si considerasse l arresto di una pompa, il tempo di manovra Tm viene ricavato in funzione della velocità dell acqua Vo (in m/s), della lunghezza del condotto L (in m) e del carico idrostatico H (in m) mediante le espressioni di Mendiluce (Figura 6). Nel caso in esame, per H/L 0,20 ed L 2000 m, posto Vo = 1,20 m/s ed H = 25 m, si ha un tempo di manovra 6 pari a: Tm = 5,60 sec che risulta essere maggiore del tempo critico Tcr e pertanto il colpo d ariete sarà pari a: h = 0.6 H = 15.00 m.c.a. ovvero: p = 0.6 2.50 1.47 bar (1 bar = 10.198 m.c.a.). Vo L con φ = = 4, 67 H Tm 6 Il termine di tempo di manovra si riferisce al tempo di apertura/chiusura di una saracinesca mentre quello di tempo di arresto della pompa si riferisce al tempo durante il quale la girante continua a girare ed erogare portata per inerzia nonostante, per svariati motivi, la pompa si dovesse spegnere. Nel caso in esame, i due tempi vengono considerati coincidenti. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 26
Figura 5 Grafico della sovrappressione relativa in funzione della durata della manovra per Tm > Tcr. Figura 6 Formule per il calcolo del tempo di arresto della pompa. Calcolo delle dilatazioni termiche nella condotta di adduzione. Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 27
Le dilatazioni termiche sono calcolate ed espresse in mm con la formula seguente: L t = α t Lo dove: α = coefficiente di dilatazione termica lineare per il PEAD, posto pari a 0,20 mm/m C; t = scarto termico in C, pari a ± 20 C, quale valore assoluto più grande, calcolato considerando: temperature estreme raggiungibili: 5 C + 30 C; temperatura di posa: +15 C; t 1 = +30 (+15) = ±20 C t 2 = +30 (+15) = ±15 C t = max { t 1; t 2 } = ±20 C Lo = lunghezza del tratto di condotta considerato (valore medio), pari a 30 m. Nel caso in esame, si ricava che la dilatazione termica lineare è pari a: L t = 120 mm. Nonostante il polietilene presenti un coefficiente di dilatazione α elevato e quindi variazioni in lunghezza elevate, le sollecitazioni che si generano all interno della parete del condotto non risultano alte, in merito al fatto che il modulo di elasticità del PEAD è relativamente basso (pari a E = 1000 1400 MPa). Inoltre, il polietilene ha una grande capacità di assorbire le dilatazioni a livello intermolecolare e questo consente di installare le tubazioni bloccandole completamente impedendone le dilatazioni. A quanto sopra esposto, si ricordi che la condotta di adduzione è prevista interamente entro terra. Pertanto, non si ritiene necessario l adozione di opportuni giunti di dilatazione atti a compensare le deformazioni lineari. In conclusione, si prescrive che i collegamenti avvengano tramite bigiunto e guarnizione ovvero mediante bicchiere e guarnizione, evitando piuttosto la saldatura di testa, in condizioni climatiche temperate (temperatura di posa ~ +15 C). Calcolo delle dilatazioni termiche nella condotta di mandata. Le dilatazioni termiche sono calcolate ed espresse in mm con la formula seguente: L t = α t Lo dove: α = coefficiente di dilatazione termica lineare per la ghisa, posto pari a 0,011 mm/m C; t = scarto termico in C, pari a ±20 C, quale valore assoluto più grande, calcolato considerando: temperature estreme raggiungibili: 5 C + 30 C; temperatura di posa: +15 C; Progettisti: Dott. Ing. Nicola Cucca - Dott. Ing. Matteo Piras Committente: Comune di Cardedu 28