Infrastrutture di trasporto e grandi rischi

Infrastrutture di trasporto e grandi rischi Seconda Parte: i rischi ordinari

Università di Roma Tre Facoltà di Ingegneria Laurea Specialistica in Ingegneria delle Infrastrutture Viarie e dei Trasporti Andrea Benedetto

La tutela idraulica del corpo stradale e ferroviario I rischi connessi all’azione dell’acqua sull’infrastruttura possono essere ricondotti a:

1. rischi che comportano danni strutturali alle opere erosione dei rilevati, collasso delle pile di viadotti, crolli agli imbocchi di gallerie

2. rischi che comportano conseguenze sull’esercizio viario e ferroviario riduzione dell’aderenza disponibile, aquaplaning

2

Le strategie di tutela Le strategie di tutela del corpo stradale e ferroviario sono essenzialmente articolate secondo i tre seguenti obiettivi prioritari:

A. Allontanare l’acqua rapidamente dalla sede stradale e dalla piattaforma ferroviaria B. Evitare che le acque di ruscellamento dei versanti possano interferire con il corpo stradale e ferroviario C. Assicurare il deflusso di piena dei corpi idrici (fiumi, torrenti, fossi) eventualmente intercettati 3

I presidi per la tutela A. Allontanare l’acqua rapidamente dalla sede stradale e dalla piattaforma ferroviaria a1. pendenza trasversale della piattaforma stradale, drenaggio del piano di posa dei binari a2. cunette longitudinali alla sede infrastrutturale a3. caditoie per l’allontanamento delle acque verso ricettori finali a4. pavimentazione drenante ad elevate prestazioni superficiali

B. Evitare che le acque di ruscellamento dei versanti o di pioggia possano interferire con il corpo stradale e ferroviario b1. fossi di guardia b2. gallerie parapioggia

C. Assicurare il deflusso di piena dei corpi idrici (fiumi, torrenti, fossi) eventualmente intercettati c1. tombini c2. ponticelli c3. viadotti

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Il problema di progetto Il problema di progetto si articola in estrema sintesi nei seguenti passi: 1. definizione di uno standard di accettazione del rischio (standard di sicurezza o di sufficienza delle opere, tempo di ritorno per l’evento critico) 2. valutazione quantitativa della forzante pluviometrica e idrometrica su base idrologica, in riferimento allo standard di accettazione del rischio adottato 3. calcolo delle portate idrauliche e dei tiranti 4. dimensionamento delle opere di presidio 5

Il problema della verifica Il problema della verifica deve prevedere: 1. la verifica idraulica del sistema di presidio nelle condizioni eccezionali ed ordinarie, sia in riferimento all’efficacia di funzionamento, sia in riferimento alle perturbazioni introdotte sui regimi idraulici (p.es. sovralzo del profilo di corrente) 2. le verifiche strutturali dei manufatti (p.es. galleggiamento, scalzamento delle pile) 3. le verifiche ambientali (p.es. portate minime, trasporto solido, pendenza, erosione, sistemazioni locali di sponda)

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a1. Pendenza trasversale della piattaforma stradale La normativa di progettazione stradale (Norme funzionali e geometriche per la costruzione delle strade DM 5/11/2001) prevede che la pendenza trasversale di una piattaforma stradale in tratti rettilinei sia pari almeno al 2.5% Pendenza geodetica In curva, per ragioni connesse all’equilibrio dinamico del veicolo al sistema di forze esterne, la pendenza trasversale è maggiore o uguale al 2.5% La maggiore criticità si riscontra in corrispondenza delle curve di transizione (clotoidi) in cui la sagoma della piattaforma stradale ruota e per alcuni tratti la pendenza geodetica può risultare inferiore alla minima pari a 2.5%; la succitata norma impone un valore minimo per la pendenza longitudinale del ciglio che si solleva pari a ∆imin [%] = 0.1 Bi in cui Bi è la distanza [m] tra l’asse di rotazione e l’estremità della carreggiata Sagoma stradale in rotazione

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a2. Cunette Le cunette sono canali idraulici di modeste dimensioni perlopiù a sezione triangolare o trapezia che si sviluppano longitudinalmente ai bordi della sede pavimentata. Sezione tipica in trincea e in rilevato Particolare di cunetta e fosso di guardia Raccolgono le acque meteoriche che cadono sulla sede stradale e le incanalano sino ad un ricettore o ad un sistema di drenaggio attraverso manufatti di caditoia. La direzione di deflusso delle acque nelle cunette è quella individuata dalla pendenza longitudinale della sede stradale. Presidio in rilevato con arginello e scivolo ad embrici Raccordo tra fosso di guardia e cunetta

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a3. caditoie per l’allontanamento delle acque verso ricettori finali L’acqua meteorica raccolta nelle cunette defluisce attraverso le caditoie verso i sistemi di drenaggio sotterraneo per essere recapitata al ricettore finale

Le principali caditoie stradali Sistemazione di una caditoia al piede di un rilevato Esempio di caditoia inserita lungo una cunetta Il dimensionamento: scala delle portate per una caditoia a fessura alimentata solo da un lato Il dimensionamento: scala delle portate di caditoia a griglia e di caditoia a bocca di lupo in avvallamento 9

a4. pavimentazione drenante ad elevate prestazioni superficiali Il rischio di perdita di aderenza a causa della formazione di un velo idrico sulla superficie di contatto può essere contrastato adottando pavimentazioni ad elevata rugosità e con proprietà drenanti. Questo aspetto è di rilevante importanza non solo nel caso stradale ma anche in quello aeroportuale. Alcuni risultati ottenuti recentemente in simulazione numerica Benedetto, A. 2002 Transportation Research A, “A Decision Support System for the safety of the airport runways. The case of the heavy rainstorms”

Analogamente il problema è stato studiato per il caso stradale con l’obiettivo di individuare le priorità per interventi di manutenzione e riabilitazione della pavimentazione, come criteri di progetto, finalizzati all’incremento della sicurezza dell’esercizio Alcuni risultati recentemente ottenuti per il caso stradale Benedetto, A., Angiò, C. 2003 Proc. 3rd International Symposium on Maintenance and Rehabiltation of Pavement, “Macrotexture effectiveness maintenance for aquaplaning reduction and road safety improving” 10

b1. fossi di guardia I fossi di guardia sono canali di modeste dimensioni realizzati al fine di captare le acque di ruscellamento superficiale prima che esse possano raggiungere la sede dell’infrastruttura. In genere la sezione del fosso di guardia è trapezia, in terra o rivestita. Sono realizzati in linea pressoché longitudinale rispetto all’asse dell’infrastruttura subito a monte dell’impronta delle opere di sedime. Il deflusso delle acque nei fossi di guardia è quello individuato dalla pendenza del fosso che coincide con quella del terreno ove esso trova sede e non necessariamente tale deflusso ha il medesimo verso del deflusso delle acque di cunetta.

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b2. gallerie parapioggia In alcuni rari casi in cui l’infrastruttura si trovi depressa rispetto al piano campagna e non sia possibile attraverso le cunette allontanare l’acqua di pioggia, poiché l’infrastruttura ha un punto di minimo, può risultare necessario proteggere la sede con una idonea copertura artificiale. Tale copertura è costituita da una volta di galleria che prende il nome di galleria parapioggia. Sulla linea ferroviaria ad Alta Velocità nella tratta Roma Napoli è prevista una soluzione in galleria parapioggia nella zona bonificata del Regi Lagni, in approccio al nodo ferroviario di Napoli.

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c1. tombini Gli attraversamenti idraulici di modesta dimensione (fossi, torrenti, incisioni) sono realizzati con manufatti prefabbricati o realizzati in opera che prendono il nome di tombini.

Tombino circolare

Meccanismi idraulici di funzionamento dei tombini

Particolare dell’imbocco

Identificazione del funzionamento idraulico

Collocazione altimetrica dei tombini Schemi planimetrici Modifica di tracciato di un corso d’acqua

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c2. ponticelli Gli attraversamenti idraulici di luce tale da non poter essere coperta con un manufatto tipo tombino possono essere risolti con opere di maggior impegno costruttivo quali i ponticelli

Esempio di ponticello

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c3. viadotti In termini di rischio ordinario i due aspetti di attenzione riguardano: Ø il sovralzo del profilo di corrente (profilo di rigurgito) Ø lo scalzamento della fondazione delle pile in alveo

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Criterio di dimensionamento






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macrotexture

wavelenght

L’A D

ER

microtexture

LE

MA 9, 4mi − 38 0 , 72 4,25 w0 ,1e (0 ,14 m a )

OB

Aircraft type Tupolev TU-134A Boeing B-727-225 Boeing B-727-282 Fokker F-28 Fellowship 1000 Boeing B-707-437 BAC-1-11 516FP Airbus A320-211 McDonnell Douglas MD-82 Tupolev TU-134A McDonnell Douglas MD-82

PR

Fatal 78 115 131 26 90 1 2 2 16 11

EN

SN40 =

Abroad 83 124 164 28 90 98 70 80 80 145

IL

Location Rijeka, Yugoslavia JFK Airp. New York, USA Madeira, Portugal Branti Airp., Indonesia Bombay, India Manila, Philippines Warsaw, Poland Fuzhou, China Lagos, Nigeria Little Rock, Arkansas, USA

ZA

Date 05-23-1971 06-24-1975 11-19-1977 03-20-1982 06-22-1982 07-21-1989 09-14-1993 10-26-1993 06-24-1995 06-01-1999

80 η = 0 mm

70 60

η = 0.1 mm

SN 50

η = 0.5 mm 40 η = 1 mm

30 20

η = 1.5 mm v [km/h]

10 20

40

60

80

100

120

avanti

140

35

70

Wheel

0.25

40

0.25 0.5

Pavement

20

MO

30

SN (three points) SN (linear)

10

IL

SN (logarithmic)

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.2

rain intensity i [mm/h] Return period T =10 years Milan (Italy)

δ = 30 min δ = 60 min

0.1

LA VA RIA IDR BIL OL E OG ICA

δ = 10 min

0.15

∂(ΩU ) ∂s

+

∂Ω ∂t

= qin − qout

q U + + + in = − j ∂s g ∂s g ∂t gΩ

∂h

idf curve

0.05

DE IDR LL AU LIC O O

Water

MO

Tractive 50

IL

DE DI LL AD O ER EN ZA

Sinkage Transition

60

U ∂U

1 ∂U

rain duration δ [hour] 0 0

0.5

Location USA URSS Australia Rome (Italy) Milan (Italy) Florence (Italy)

1

1.5

2

1 minute 0.13 -

2.5

3

5 minute 0.26÷0.32 0.26÷0.37 0.30 0.278 0.32 0.431

(

3.5

4

4.5

15 minute 0.53÷0.61 0.49÷0.61 0.57 0.537 0.60 0.618

)

5

30 minute 0.75÷0.83 0.71÷0.87 0.78 0.758 0.81 0.858

{ [

120 minute 1.17÷1.31 1.20÷1.40 1.24 -

2 2 q n j = j ( ma ) = j ( n) = 10 3 η

]

SN = SN η , m , m , w = SN η n(m a ), s max , Lmax , k , i (δ c , T ) , mi , m a , w i a

}

36

avanti

5.E-03 60

10 9

4-5

5-6

40

6

6-7 8-9

7-8 9-10

30

5 4 3

t = 40 s 1.E-03

t = 320 s

10 9

40 36

η [mm]

8

32

7

28

6

Spessori d’acqua e caduta di aderenza

IR ISU LT AT I

Formazione del velo idrico

ma=0.127

60

50-60

d=0 d=1 min d=5 min d=15 min d=30 min d=60 min

0

ma=0.065

50

ma=0.480

40

ma=0.247

30

ma=1.822

20

ma=0.936

10

ma=6.913

0

ma=3.549

0.E+00

30-40

40-50

10 d=0 d=1 min d=5 min d=15 min d=30 min d=60 min

0

runway section [m]

10-20

20-30

20

2 1

ma=0.127

t = 240 s 2.E-03

0-10

ma=0.065

t = 80 s

50

7

ma=0.480

3.E-03

8

ma=0.247

t = 200 s

1-2 3-4

ma=1.822

t = 160 s

0-1 2-3

ma=0.936

t = 120 s

ma=6.913

4.E-03

ma=3.549

η [m]

60 SN D0 50

D1 D2

40

D3 DRY

24

5

20

30

SN 4

16

Spessore d’acqua e aderenza (pioggia critica)

3

12

2

η (1) η (3)

η (2) η (4)

1

SN (1) SN (3)

SN (2) SN (4)

20

Aderenza in pavimentazioni drenanti (pioggia critica)

8 10 4 m a [mm]

m a [mm] 0

0 0.065

0.127

0.247

0.480

0.936

1.822

3.549

6.913

0 0.01

0.1

1

1037

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ico

(L ⋅10 ⋅ i ) η = 0.15

Rain B

Rain A 0.014

0.012

0.012

am

0.014

  − ma 

de

0.59

mo

⋅ L ⋅i s 0.42 0 .43

Ap

pro

cci

ot

rad

izio

na

le e

0.11

llo

din

s max1 5

 m η = 0.01485 a 

0.016

0.016

12

−1

0.010

0.010

0.008

0.008

ηR N = 5.8 mm ηT N = 5.7 ηR M = 5.1mm mm ηR L = 4.2 mm ηT M = 4.1 mm

0.006 0.004

ηT N = 10.1 mm ηR N = 9.2 mm ηR M = 8.0 mm ηT M = 7.4 mm ηR L = 6.7 mm ηT L = 4.9 m m

0.006 0.004

ηT L = 2.6 m m

0.002

0.002 0.000

0.000 0

50

100

150

200

250

0

300

0.016

50

100

150

200

250

300

0.018 Rain C

Rain D

0.014

ηT N = 13.9 mm

0.016

ηT N = 15.4 mm

0.012

ηR N = 11.9 mm

0.014

ηR N = 13.0 mm

ηR M = 10.3 mm

0.012

ηT M = 10.2 mm ηR L = 8.6 mm

0.010

ηT M = 11.4 mm ηR M = 11.3 mm ηR L = 9.4 mm

ηT L = 6.8

0.008

ηT L = 7.6 mm

0.010 0.008

m m

0.006

0.006

0.004

0.004

0.002

0.002

0.000

0.000 0

50

100

150

200

250

300

0

50

100

150

200

250

300

The macrotexture dimension ma seems to be the most important parameter. Quantitatively table 7 (column M) and table 8 put in light that if the macrotexture is greater than 7 mm (tab. 8) SN never decreases to 50 %, also in the case of very intense rainstorm. Differently if ma is about 0.5 mm SN always decreases more than 50 %, also for not intense rainstorm (tab. 7). The hydraulic conductivity has a significant impact on aquaplaning risk reduction. The effectiveness of the hydraulic conductivity is relevant until the rainstorm intensity is not too high. Table 9, in comparison to the column M of table 7, shows that only in the case A (low rain intensity) and in the case B, but only for high conductivity, the benefit is not negligible. In the other cases SN dramatically decreases and the aquaplaning risk is relevant. 38

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Luce di sbocco sommersa e tombino idraulicamente lungo Condotta in pressione

v2 2 gL v 2 v 2 ∆h = k i + 2 43 + 2g Ks ℜ 2g 2g k i = 0 .1 ÷ 0. 15 K s = 0. 15 ÷ 0. 2 Q = CA 2 g∆ h 39

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Luce sottobattente

C = 0.45 ÷ 0.75 Q = CA 2 g∆h

40

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Attraversamento delle condizioni critiche

3 3 Q2 H − ∆H i = yc = 3 2 2 2 b g yc max = D Q = bD gD = 0.707bD 2 gD

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Stramazzo rigurgitato

2 Q = c1by2 2 gy1 + c2by1 2 gy1 3 battente stramazzo c1 = 0.59 c 2 = 0.66 y1 + y 2 = H y2 max = D

H ≤ 1.2 ÷ 1.5D

Q = Cq A 2 gD Cq = 0.3 ÷ 0.57 42

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