Maurizio Giugni » 23.Sistemi integrati di smaltimento dei reflui: aspetti esecutivi e tecnologici

Scelta del tracciato

Il problema del tracciato da assegnare ad una condotta di scarico sul fondo marino assume particolare rilievo, in quanto occorre assicurare, sia in fase di varo che di esercizio, l’integrità della tubazione ed il corretto funzionamento dell’impianto.
La determinazione del profilo del fondo marino e della sua natura, mediante adeguati rilievi topografici e geologico-geotecnici, rappresenta quindi un’importante fase preliminare alla progettazione di una condotta sottomarina.
Per i rilievi ci si avvarrà dei mezzi d’indagine più evoluti: sistemi superficiali di ecoscandaglio, osservazione visiva e registrazione con telecamere dei fondali, carotaggi indisturbati eseguiti da mezzi in superficie o subacquei.
Lo studio dettagliato dei fondali è necessario per individuare eventuali accidentalità morfologiche lungo la sede prevista della condotta, che potrebbero dar luogo a discontinuità del suo appoggio sul fondale e/o rendere difficile la formazione di una trincea o di un letto di posa secondo la configurazione prefissata.

Scelta del tracciato (segue)

La conoscenza della consistenza del fondo è necessaria anche ai fini della stabilità dell’opera relativamente all’attrito fondale-condotta: una consistenza diseguale può causare affondamenti differenziali ed incurvamenti del manufatto, con conseguenti sollecitazioni; inoltre potrebbe non essere possibile utilizzare le tecniche di posa per trascinamento a causa del probabile infangamento della condotta.
E’ opportuno, inoltre, evitare convessità verso l’alto, al fine di impedire possibili accumuli d’aria durante l’esercizio, mentre spuntoni di roccia di notevoli dimensioni potrebbero obbligare a traiettorie curve.
La disposizione planimetrica dell’asse della tubazione dovrà altresì tenere conto dei fenomeni meteomarini e, precisamente, degli effetti provocati dall’interazione del moto ondoso con la condotta. Al fine di ridurre al minimo i suddetti effetti, l’andamento planimetrico di essa dovrebbe essere tale da presentare al moto ondoso la sezione di minima resistenza, per cui potrebbe essere opportuno disporre l’asse della condotta parallelamente alle incidenze modali massime dell’onda.

Materiali

Nell’ambito della progettazione di una condotta di scarico sottomarino la scelta del materiale da adottare riveste particolare importanza, attesa la notevole influenza sul costo dell’impianto e sulle tecnologie di varo da adottare. La scelta, inoltre, non può prescindere da considerazioni relative alle sollecitazioni cui la condotta sarà sottoposta, in quanto esse – se non adeguatamente valutate – potrebbero rendere necessari frequenti interventi di manutenzione se non addirittura la sostituzione del manufatto degradato.
Attualmente i materiali più frequentemente adottati per l’immissione in mare di acque reflue sono: l’acciaio, la ghisa, il polietilene ad alta densità (PEAD), il poliestere rinforzato con fibra di vetro (PRFV) ed anche, soprattutto per grandi scarichi, il conglomerato cementizio armato.
Appare, quindi, evidente l’ampiezza del campo di scelta a disposizione del progettista, il quale dovrà propendere per l’utilizzo del materiale che, nel caso specifico, possa soddisfare al meglio una serie di requisiti di carattere sia tecnico che economico.

Tecniche di varo

Il varo di una condotta sottomarina e la sua posa sul fondo rappresentano operazioni di particolare difficoltà a causa dei numerosi inconvenienti che possono presentarsi.
Le tecniche di varo attualmente in uso sono numerose, ma sostanzialmente derivano da tre metodologie principali:

• tiro continuo
• galleggiamento controllato
• varo da pontone

La scelta della tecnica di varo è funzione della natura del fondo marino, dell’eventuale presenza di correnti, delle caratteristiche geometriche e della tipologia della condotta, dei mezzi a disposizione nel cantiere di varo.

Verifiche statiche (segue)

I suddetti schemi sono stati risolti nell’ipotesi di piccoli spostamenti (Pistilli), introducendo le seguenti semplificazioni:

• non vi sia reazione orizzontale sulla condotta nei punti di appoggio (cioè il natante non tiri o spinga la condotta)
• il fondo marino sia orizzontale nel punto di contatto con la condotta
• si trascuri il peso del tratto di tubazione fuor d’acqua
• il peso medio della condotta per unità di lunghezza sia costante

ed ottenendo le relazioni seguenti.

Schema a) Trave appoggiata alle estremità, di lunghezza l e gravata uniformemente dal carico q:

• σ: sforzi nella tubazione
• r: raggio esterno della condotta
• q: peso medio del tubo immerso per unità di lunghezza
• h: profondità di varo
• E: modulo elastico del materiale della tubazione
• J: momento d’inerzia della condotta

Verifiche statiche (segue)

Schema b) Trave incastrata (sul pontone) ed appoggiata (a fondale), di lunghezza l e caricata uniformemente

E’ evidente dalle relazioni precedenti che al decrescere del peso unitario q si riducono gli sforzi σ nella tubazione; essi, inoltre, diminuiscono anche al crescere del momento d’inerzia della condotta, mentre aumentano all’incrementarsi della profondità di posa.
Si può, quindi, concludere che le tensioni massime in fase di varo della tubazione si possono contenere entro limiti accettabili riducendo il peso della condotta in acqua, mediante l’uso di galleggianti.
Il campo di validità dell’ipotesi di piccoli spostamenti può ritenersi limitato ai casi in cui il rapporto h/l (tra la profondità di varo e la distanza orizzontale tra il punto di appoggio della tubazione sul natante e quello a fondale) sia contenuto entro valori modesti. Nel caso di varo per profondità elevate, invece, sarà necessario analizzare il comportamento della tubazione in regime di spostamenti finiti, mediante metodi di discretizzazione (ad esempio quello agli elementi finiti) o utilizzando l’equazione della linea elastica della condotta.

Verifiche statiche (segue)

Fenomeni d’instabilità elastica per effetto della pressione esterna

Fenomeni d’instabilità elastica possono verificarsi a condotta vuota, in particolare quando la tubazione è posata sul fondo. La pressione esterna, infatti, non essendo equilibrata da quella interna del fluido convogliato, può ingenerare uno stato di compressione di entità tale da provocare l’instabilità dell’equilibrio elastico, con conseguente ovalizzazione del tubo (buckling) e possibile propagazione della deformazione ad interi tratti della condotta.
L’instabilità dell’equilibrio elastico delle pareti della tubazione può essere analizzata mediante la classica relazione:

in cui:

• q_cr: pressione critica di ovalizzazione
• γ_w: peso specifico dell’acqua marina
• h_cr: massima profondità di posa ammissibile
• s: spessore della tubazione
• R: raggio medio della tubazione
• E: modulo di Young (in direzione circonferenziale) del materiale della tubazione
• ν: coefficiente di Poisson del materiale della tubazione

Verifiche statiche (segue)

Interazione tra moto ondoso e condotta sottomarina

Le azioni idrodinamiche indotte dal moto ondoso su una condotta sottomarina costituiscono la risultante degli sforzi normali e tangenziali agenti in un dato istante sulla superficie esterna della tubazione.
Con riferimento ad un moto ondoso monocromatico, i suddetti fenomeni idrodinamici sono caratterizzati mediante:

• il numero di Reynolds, Re=U_max·D/ν, che fornisce una misura degli effetti della turbolenza (U_max è il valore massimo della componente orizzontale della velocità in corrispondenza del baricentro della sezione trasversale della condotta, D il diametro della tubazione e ν la viscosità cinematica)
• il numero di Keulegan-Carpenter, Kc= U_max·T/D (T è il periodo del moto ondoso), che costituisce una misura della periodicità del campo di moto intorno ad un ostacolo immerso in un liquido oscillante

Verifiche statiche (segue)

Nell’ipotesi che il campo di moto non venga perturbato dalla presenza dell’ostacolo – ossia che il diametro D della condotta sottomarina sia molto piccolo rispetto all’altezza H ed alla lunghezza L dell’onda – la forza orizzontale complessiva per unità di lunghezza della tubazione, F₀, verrà valutata mediante la relazione seguente, in cui F_d e F_lo rappresentano rispettivamente la forza di drag e la forza d’inerzia:

La forza verticale di lift, Fl, viene invece fornita dall’espressione:

Nelle relazioni precedenti si è indicato con:

• ρ: densità dell’acqua marina
• D_e: diametro esterno della condotta sottomarina
• U: componente orizzontale della velocità in corrispondenza del baricentro della sezione trasversale della condotta
• C_d: coefficiente di drag
• C_m: coefficiente d’inerzia
• C_l: coefficiente di lift

Verifiche statiche (segue)

L’attendibilità delle relazioni precedenti è fortemente influenzata da una scelta appropriata dei coefficienti idrodinamici, di natura tipicamente sperimentale, che dipendono da molteplici parametri, tra cui il numero di Reynolds, il numero di Keulegan-Carpenter, la scabrezza relativa della superficie esterna della condotta, la distanza relativa dal fondo, H’/D (essendo H’ la distanza dal fondale della generatrice inferiore della tubazione), l’angolo di incidenza tra il fronte d’onda e l’asse della condotta.
La stabilità della condotta sottomarina è verificata quando le forze orizzontali non superano le forze di attrito, che possono valutarsi moltiplicando la risultante delle forze verticali per un coefficiente di attrito, f, funzione delle caratteristiche geotecniche del fondale:
Fo < F_v · f
Ovviamente la verifica di stabilità potrà mettere in evidenza la necessità di uno zavorramento della tubazione, al fine di contrastare efficacemente le azioni dinamiche del moto ondoso.