RISCHIO IDRAULICO DI MANUFATTI DI ATTRAVERSAMENTO

Alluvione del Fiume Po (Ottobre 2000) Alluvione del Fiume Po (Ottobre 2000). Ponte sormontato a Polesine Parmense al momento del transito del colmo dell’onda di piena.

Alluvione in Piemonte (Ottobre 2000) Alluvione in Piemonte (Ottobre 2000). Collasso del ponte sul Torrente Chisone a San Germano Chisone (TO).

Inadatte le strutture precedenti il 1985 18000/584318 ponti “critici” FHWA (USA) Inadatte le strutture precedenti il 1985 18000/584318 ponti “critici” 100000 privi di informazione sulle strutture in alveo 60% di 823 ponti caduti dopo il 1950 per erosione Mediamente ogni anno cadono 50-60 ponti

Cause di danneggiamento Ballio et al. 1998 (Italia) 400 ponti investiti da 8 diversi eventi alluvionali Elementi strutturali danneggiati Cause di danneggiamento primario

3 TIPOLOGIE DI EROSIONE Erosione Generalizzata (General scour) Erosione Localizzata (LocalScour) Erosione nella sezione ristretta (Contraction Scour)

Ponte sul Fiume Po a Boretto (RE) Magra dell’estate 2003 Esempio di marcato abbassamento del fondo d’alveo in seguito ad erosione generalizzata (general scour)

Ponte sul Fiume Po a Boretto (RE) Magra dell’estate 2003 Esempio di marcato abbassamento del fondo d’alveo in seguito ad erosione generalizzata (general scour)

Esempio di marcato abbassamento del fondo d’alveo in seguito ad erosione generalizzata (general scour).

Crollo del ponte della Pedemontana sul T. Orco, che ha interrotto il collegamento fra l’autostrada A4 Torino – Milano e l’autostrada per Aosta

Ponte sul Torrente Sangone a Giaveno (TO) Piena dell’ottobre 2000. Esempio di erosione localizzata che ha condotto al collasso della pila.

Effetto della migrazione dell'alveo Fattori influenzanti Effetto della migrazione dell'alveo sull'erosione alla base delle fondazioni del ponte

Effetto della presenza di detriti Fattori influenzanti Effetto della presenza di detriti sull’erosione localizzata alla base delle pile dei ponti

(clear water-live bed conditions) Fattori influenzanti Evoluzione temporale dell’escavazione alla base delle pile dei ponti, in condizioni di presenza e assenza di trasporto solido (clear water-live bed conditions)

Fattori influenzanti Effetto della coesione sulla profondità di scavo: test di laboratorio su argille e sabbie

EROSIONE LOCALIZZATA INTORNO ALLE PILE

EROSIONE LOCALIZZATA 1.Flusso diretto verso il basso 2.Vortici “a ferro di cavallo” 3.Vortici di superficie 4.Wake Vortex

Rappresentazione schematica del campo di moto e del processo di Erosione Localizata attorno alle pile Rappresentazione schematica del campo di moto e del processo di escavazione localizzata in corrispondenza di una pila di ponte

Rappresentazione schematica del campo di moto Erosione Localizzata attorno alle pile Rappresentazione schematica del campo di moto e del processo di escavazione localizzata in corrispondenza di una pila di ponte

Evoluzione nel tempo dello scavo localizzato intorno alla pila Erosione Localizzata attorno alle pile Evoluzione nel tempo dello scavo localizzato intorno alla pila

Considerando una singola pila in un canale ampio e rettangolare, con una corrente monodimensionale, uniforme e costante, e sedimenti al fondo non coesivi, la profondità di erosione dipende dalle caratteristiche del -Fluido ( densità ρ e viscosità ν) -Sedimenti(densità ρs, diametro caratteristico d, velocità critica Vc , dispersione del diametro dei grani σg ) -Flusso (tirante idrico y, velocità media V o d’attrito u*, accelerazione di gravità g, parametro G che tiene conto della forma della sezione trasversale e degli effetti della distribuzione laterale) -Geometria del ponte (larghezza o diametro delle pile B, parametro che tiene conto della forma delle pile/spalle Sh, e parametro che tiene conto dell’allineamento del flusso rispetto alle pile/spalle Al) -Tempo(t).

ds /B = f(V/Vc , y/B,B/d50, σg ,Sh, Al, G ,Vt/B, V/( gB)1/2) ds = f( ρ, ν ; ρs, d50, Vc , σg ; y, V, u*, g, G ; B,Sh, Al,t ) Supponendo costanti e trascurabili la densità del fluido, la densità dei sedimenti, la viscosità del fluido, l’ espressione precedente in forma adimensionale diventa ds /B = f(V/Vc , y/B,B/d50, σg ,Sh, Al, G ,Vt/B, V/( gB)1/2) V/Vc = flow intensity y/ B = flow shallowness B/d50 = sediment coarseness σg = sediment nonuniformity Sh = fattore di forma Al = fattore di allineamento G = fattore di geometria Vt /B = scala temporale dell’erosione = numero di Froude

V/Vc = flow intensity In assenza di trasporto solido, la profondità di erosione locale nei sedimenti uniformi cresce quasi linearmente con la velocità, fino a raggiungere il massimo nelle condizioni limite (threshold peak). Non appena la velocità supera quella critica, la profondità di erosione comincia a calare, per poi ricrescere fino a raggiungere un secondo picco di altezza minore (live-bed peak). Questo massimo relativo corrisponde, a livello fisico, alla presenza di forme di fondo molto allungate e di altezza trascurabile.

y/ B = flow shallowness tipo di fondazione classe B/y Dipendenza dello scavo strette B/y<0.7 dsprop B pile medie 0.7<B/y<5 dsprop (By)0.5 ampie B/y>5 dsprop y corte L/y<1 dsprop L spalle 1<L/y<25 dsprop (Ly)0.5 lunghe L/y>25 SHALLOW FLOWS:Vortici di superficie dominanti sui vortici a ferro di cavallo INTERMEDIATE FLOWS DEPTHS: Entrambi i sistemi di vortici influenzano lo scavo. Se interagiscono tra loro lo scavo dipende da y/b DEEP FLOWS: Vortici e flusso verso basso dipendono dalla dimensione dell’ostacolo

Al = fattore di allineamento Effetto dell’allineamento delle fondazioni La profondità di erosione locale per le pile non cilindriche dipende in modo marcato dall’allineamento fra flusso e fondazione, ovvero da α, l’angolo di attacco della corrente. Man mano che tale angolo aumenta, infatti, anche l’erosione aumenta a causa dell’effettiva larghezza frontale maggiore. E’ importate ricordare che l’angolo α può variare significativamente durante un fenomeno di piena; può essere vantaggioso utilizzare pile circolari, con cui è garantito l’allineamento. L’influenza dell’angolo di attacco si riduce notevolmente nel caso delle spalle.

Sh = fattore di Forma Effetto della forma delle pile Ogni tipo di fondazione va ad ostruire il flusso diversamente e, quindi, va a influenzare diversamente la profondità di erosione. Tale influenza viene espressa attraverso un fattore moltiplicativo che annulla le differenze rispetto alla forma standard. Per quanto riguarda le pile uniformi, cioè quelle con sezione costante al variare della profondità, diversi studiosi hanno cercato di proporre fattori correttivi adeguati. Il sistema diviene più complesso nel caso delle pile non uniformi.Una pila del tipo “downwards-tapering”, cioè a cono rivolto verso il basso, provoca un’erosione maggiore rispetto a una pila cilindrica di pari larghezza; le pile fondate su piattaforme poste al di sotto del letto dell’alveo, registrano un’ erosione ridotta, in quanto lo scavo si ferma al basamento in calcestruzzo. Al contrario, se il limite superiore della piattaforma si trova a livello del fondo, o, addirittura, lo supera, allora l’erosione è sicuramente incrementata.

EROSIONE LOCALIZZATA NELLA SEZIONE RISTRETTA

Erosione dovuta al restringimento della sezione Erosione Localizzata sezione contratta Erosione dovuta al restringimento della sezione Accelerazione locale della corrente Erosione Localizzata tra le pile

MODELLI DI STIMA DELLA PROFONDITA’ DI EROSIONE Empirico-Concettuali Numerici

VELOCITA’ CRITICA della corrente!!!!! Erosione Localizzata attorno alle pile Selezione di equazioni per la valutazione della profondità di scavo localizzata attorno alle pile ds=0.000223(Vb/n)0.0619 V, velocità media della corrente b, diametro della pila n, viscosità cinematica dell’acqua VELOCITA’ CRITICA della corrente!!!!!

ds=KybKIKdKsKq Erosione Localizzata attorno alle pile Selezione di equazioni per la valutazione della profondità di scavo localizzata attorno alle pile ds=KybKIKdKsKq Kyb,rapporto tra altezza idrica indisturbata e diametro pila KI, carattersitiche della corrente, V/Vc Kd, fattore dipendente dalla granulometria del materiale d’alveo Ks, forma della pila Kq, angolo di attacco della corrente

Equazione di Manning (Resistenza al moto) Erosione Localizzata sezione contratta Straub, 1934: Equazione di Manning (Resistenza al moto) + Equazione di Du Boys (trasporto solido) hr, altezza d’acqua sezione indistrubata hm, altezza d’acqua sezione ristretta tc, esercitata dalla corrente tm, in corrispondenza della sezione ristretta

Modelli monodimensionali Scavo di contrazione Modelli bidimensionali Modelli Numerici Risoluzione delle equazioni del campo di moto e dei fenomeni di trasporto di sedimenti DISACCOPPIAMENTO: risolvere le equazioni separatamente, ad ogni passo temporale viene definito il campo di moto e poi il trasporto di materiale. Questo modifica la geometria dell’alveo che influisce sul campo di moto al passo successivo Approcci sempre più sofisticati per la soluzione delle equazioni, al diminuire della scala temporale e spaziale di riferimento Scavo generalizzato Modelli monodimensionali Scavo di contrazione Modelli bidimensionali Scavo localizzato alle pile Modelli tridimensionali

Modelli monodimensionali Modelli Numerici Scavo generalizzato Modelli monodimensionali (Soluzione equazioni di De Saint-Venant, con metodi alle differenze finite) Scavo di contrazione Modelli bidimensionali Scavo localizzato alle pile Modelli tridimensionali (Descrizione dei fenomeni di turbolenza)

APPLICAZIONE SCAVO NELLA LOCALIZZATO ATTORNO ALLE PILE SCAVO NELLA SEZIONE RISTRETTA MODELLO EMPIRICO MODELLO IDRAULICO TERRENO COESIVO TERRENO COESIVO STATI DI MOTO PERMANENTE STATI DI MOTO PERMANENTE