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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.

Tecniche di varo (segue)

Tiro continuo

Tale metodo di posa in opera prevede l’installazione di un cantiere a terra, in un’area adiacente alla costa, ove si provvede all’assemblaggio delle tratte di tubazione, della maggiore lunghezza possibile consentita dalle dimensioni del cantiere. Al limite della spiaggia sono ubicate le stazioni per la giunzione e per il controllo dei rivestimenti e la prova dei giunti.

Metodo del tiro continuo

Metodo del tiro continuo


Tecniche di varo (segue)

Metodo del tiro continuo
In corrispondenza della testata della prima colonna di varo viene saldato un cavo di acciaio, collegato ad un argano sito su un pontone posto sulla sezione di approdo, avente la funzione di effettuare il tiro della colonna. Quest’ultima, mediante il cavo d’acciaio precedentemente saldato, viene “tirata” fino a quando l’altra sua estremità raggiunge la stazione di giunzione, dove il tiro si arresta e si esegue la giunzione della successiva colonna. Quindi, dopo avere eseguito il controllo della giunzione e del rivestimento, riprendono le operazioni di tiro.
Ovviamente, nel corso del varo il pontone, quando necessario, viene trainato da un rimorchiatore più al largo ed ivi nuovamente ancorato, per riprendere le operazioni. L’allineamento delle colonne viene controllato a mezzo di apparecchiatura laser posta sul pontone o a terra.
Con questa tipologia di varo il problema principale è di evitare eccessivi sovraccarichi sul fondo, che implicherebbero sforzi di tiro molto rilevanti: all’uopo si può prevedere l’eventuale alleggerimento della condotta mediante galleggianti.

Metodo del tiro continuo

Metodo del tiro continuo


Tecniche di varo (segue)

Galleggiamento controllato

Questa tipologia di varo consente di effettuare in mare, su un pontone appositamente attrezzato, le operazioni di giunzione nonché la posa delle colonne di varo. Queste, infatti, vengono approntate a terra in cantiere, con dimensioni compatibili con quelle del natante.
La prima colonna varata è quella dell’estremità di terra, dalla quale via via il pontone si allontana, procedendo con le giunzioni ed il varo di nuove colonne.
Il tratto di condotta già varato poggia quasi totalmente sul fondo marino, eccetto un’ultima parte mantenuta in semigalleggiamento.

Metodo del galleggiamento controllato

Metodo del galleggiamento controllato


Tecniche di varo (segue)

Il limite principale di questo metodo è che in fondali profondi il tratto finale della condotta già varata viene sottoposto ad una curvatura e, quindi, ad una sollecitazione, notevole.
Il pregio è, invece, quello di poter sopperire alla mancanza di spazio a terra per l’installazione di un cantiere.

Metodo del galleggiamento controllato: trascinamento in superficie

Metodo del galleggiamento controllato: trascinamento in superficie

Metodo del galleggiamento controllato: assemblaggio e posa

Metodo del galleggiamento controllato: assemblaggio e posa


Tecniche di varo (segue)

Varo da pontone

Questo metodo, attualmente largamente impiegato, utilizza un pontone semovente di dimensioni adeguate a consentire lo stivaggio di una sufficiente quantità di tubazioni ed a trasportare l’insieme delle attrezzature occorrenti per le giunzioni e gli altri interventi.
La condotta abbandona il pontone man mano che esso avanza lungo il tracciato; anche in questo caso assume notevole importanza la configurazione della tubazione tra il fondo e la sezione in cui è vincolata al pontone.
In genere si fa ricorso ad un sistema di correzione della deformata della condotta, costituito da una rampa deformabile (stinger) che sporge dall’estremità del pontone, accompagnando la condotta per un certo tratto ed imponendole una determinata curvatura, determinata di solito mediante l’assistenza di software dedicato.

Varo mediante pontone e rampa

Varo mediante pontone e rampa


Stabilità a fondale

Individuato il tracciato ottimale e la tecnica di varo per la condotta sottomarina, occorre assicurarne, una volta posta in opera, la stabilità.
La migliore soluzione è costituita dall’interramento, magari integrato da uno zavorramento supplementare. L’individuazione della profondità minima di interramento è influenzata ovviamente da una serie di variabili: natura e granulometria del fondale, potenziale di liquefazione, caratteristiche del moto ondoso e delle correnti litoranee.

Altri sistemi di stabilizzazione e di protezione della condotta sottomarina cui si può fare ricorso sono lo zavorramento, continuo o discontinuo.

Zavorramento mediante anelli in calcestruzzo

Zavorramento mediante anelli in calcestruzzo


Stabilità a fondale (segue)

Altri sistemi di stabilizzazione e di protezione della condotta sottomarina cui si può fare ricorso sono:

  • particolari collari ancorati al fondo
  • elementi flessibili prefabbricati (materassi) da poggiare sulla tubazione varata seguendo la conformazione del fondale che, oltre ad appesantire e stabilizzare la condotta, la proteggono da eventuali urti accidentali
Collari ancorati al fondo

Collari ancorati al fondo

Materassi

Materassi


Stabilità a fondale (segue)

Altri sistemi di stabilizzazione e di protezione della condotta sottomarina cui si può fare ricorso sono:

  • rete in ferro zincato larga 3-4 m, poggiata sulla condotta e tesa sui due lati mediante ganci annegati in blocchi di calcestruzzo, dimensionati tenendo conto della spinta di galleggiamento
  • barriera costituita da cavi d’acciaio tesati ai lati della sede della condotta ad una certa distanza da questa, e mantenuti ad opportuna altezza dal fondo mediante ancoraggi e boe
Protezione della condotta sottomarina mediante rete zincata

Protezione della condotta sottomarina mediante rete zincata

Protezione della condotta sottomarina con massi di ancoraggio e boe

Protezione della condotta sottomarina con massi di ancoraggio e boe


Verifiche statiche

Verifiche di stabilità della condotta sottomarina – Sollecitazioni indotte nel corso della posa in opera
La fase di varo di una condotta sottomarina è di estrema delicatezza ai fini strutturali, a causa delle sollecitazioni che possono ingenerarsi durante le operazioni. Con particolare riguardo al caso del varo da pontone, assume notevole importanza la configurazione assunta dalla tubazione tra il fondale (ove poggia) e la sezione di vincolo (al pontone o alla sua rampa).
Possono configurarsi due condizioni tipiche:
a) condotta con l’estremità sostenuta dal natante in corrispondenza della superficie marina
b) condotta con l’estremità ammorsata alle carrucole del natante

Sollecitazioni in fase di varo: schema a)

Sollecitazioni in fase di varo: schema a)

Sollecitazioni in fase di varo: schema b)

Sollecitazioni in fase di varo: schema b)


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:

\sigma = 0.613 \cdot r \cdot \sqrt {{q \cdot h \cdot {\frac E J}}}

  • 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

\sigma = r \cdot \sqrt {2 \cdot q \cdot h \cdot {\frac E J}}

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:

q_{cr} = \gamma_w \cdot h_{cr} =\frac {E \cdot {(s/R)^3}} {4 \cdot {(1- \nu^2)}}

in cui:

  • qcr: pressione critica di ovalizzazione
  • γw: peso specifico dell’acqua marina
  • hcr: 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)

La relazione precedente, dedotta nelle ipotesi di validità della legge di Hooke sino all’instabilità, di deformazione del tipo “a due lobi” e di contrazione trasversale impedita, consente di valutare la pressione critica di ovalizzazione, cioè il valore della pressione oltre il quale la condotta può subire un collasso per schiacciamento.
Un pericolo di non trascurabile importanza è costituito, altresì, dalla possibilità che una deformazione accidentalmente impressa alla condotta si propaghi, anche per lunghi tratti, lungo l’asse della tubazione. Il suddetto fenomeno di arresta nel momento in cui la pressione esterna risulta inferiore ad un valore limite, funzione delle caratteristiche geometriche e meccaniche del tubo, detto pressione di soglia di propagazione Pp.
Ipotizzando che il fenomeno di propagazione si sviluppi interamente in campo plastico e che la deformazione sia concentrata in quattro cerniere plastiche, collegate da altrettanti tratti rigidi, è stata desunta (Palmer) la seguente relazione:

P_p = \gamma_w \cdot h_p = \pi \cdot \sigma \cdot {\frac s {D^2}}
in cui σ è la tensione di snervamento della tubazione ed hp la profondità di propagazione, ossia la profondità in corrispondenza della quale si registra la pressione di soglia della propagazione.

Modalità del collasso

Modalità del collasso


Verifiche statiche (segue)

La valutazione della pressione di soglia della propagazione è evidentemente essenziale ai fini della scelta del materiale e dell’assegnazione dello spessore. In pratica possono verificarsi tre casi:

  1. h < hp < hcr : in tal caso un eventuale imbozzamento non potrà propagarsi, rimanendo localizzato
  2. hp < hcr< h : essendo la profondità di varo maggiore della massima profondità di posa ammissibile occorrerà modificare le scelte progettuali effettuate
  3. hp< h < hcr : in teoria l’ovalizzazione si propaga lungo la condotta, sia a monte che a valle della sezione in cui si è prodotta, sino a quando la pressione esterna non risulti inferiore a quella di propagazione

Nel caso in cui non si ritenga opportuno incrementare lo spessore della condotta sottomarina, si potrà ricorrere ad anelli di irrigidimento (buckling arrestors).

Anelli di irrigidimento

Anelli di irrigidimento


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=Umax·D/ν, che fornisce una misura degli effetti della turbolenza (Umax 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= Umax·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)

Di norma la risultante degli sforzi di pressione e tangenziali sulla condotta viene scomposta in due componenti:

  • una orizzontale, che rappresenta l’effetto delle resistenze al moto (drag) e dell’inerzia
  • una verticale (lift), da ascriversi alla dissimetria della distribuzione delle componenti verticali delle pressioni
Forze idrodinamiche agenti sulla condotta

Forze idrodinamiche agenti sulla condotta


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 Fd e Flo rappresentano rispettivamente la forza di drag e la forza d’inerzia:

F_0 = F_d + F_{l0} = 0.50 \cdot C_d \cdot \rho \cdot D_e \cdot U{{^2} {_{max}} + 0.25 \cdot C_m \cdot \rho \cdot \pi \cdot {D{_e} {^2}} \cdot ({\frac {dU} {dt})_{max}}

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

F_l = 0.50 \cdot C_l \cdot \rho \cdot D_e \cdot {U{^2}{_{max}}}

Nelle relazioni precedenti si è indicato con:

  • ρ: densità dell’acqua marina
  • De: diametro esterno della condotta sottomarina
  • U: componente orizzontale della velocità in corrispondenza del baricentro della sezione trasversale della condotta
  • Cd: coefficiente di drag
  • Cm: coefficiente d’inerzia
  • Cl: 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 < Fv · 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.

I materiali di supporto della lezione

Ippolito, G., Appunti di Costruzioni Idrauliche, Liguori Editore.

AA. VV., Sistemi di fognatura. Manuale di Progettazione, Centro Studi Deflussi Urbani, Hoepli Editore.

De Martino G., D'Elia E., Giugni M., Perillo G., Criteri d'impostazione al calcolo degli scarichi a fondale di acque reflue. 2a parte, Associazione Idrotecnica Italiana, Quaderno n. 3.

Pistilli G., Acquedotti sottomarini per le isole di Capri, Procida ed Ischia, Ingegneria Sanitaria, n. 1/2, 1954.

Pistilli G., Acquedotto sottomarino per Trieste, Istituti Idraulici, Università degli Studi di Napoli, 1970.

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