Insegnamento IDRAULICA E INFRASTRUTTURE IDRAULICHE URBANE

Corso
Ingegneria edile-architettura
Codice insegnamento
70CU8610
Curriculum
Comune a tutti i curricula
Docente
Renato Morbidelli
CFU
10
Regolamento
Coorte 2020
Erogato
2022/23
Tipo insegnamento
Obbligatorio (Required)
Tipo attività
Attività formativa integrata

IDRAULICA

Codice 70016005
CFU 5
Docente Caterina Capponi
Docenti
  • Caterina Capponi
Ore
  • 45 ore - Caterina Capponi
Attività Affine/integrativa
Ambito Attività formative affini o integrative
Settore ICAR/01
Tipo insegnamento Obbligatorio (Required)
Lingua insegnamento ITALIANO
Contenuti Equazioni fondamentali in forma locale Caratteri degli sforzi e metodi di analisi del campo di moto. Equazione locale di continuità. Equazione indefinita dell'equilibrio dinamico. Equazione di stato.

Casi particolari Idrostatica. Fluidi perfetti (Equazione di Eulero e Teorema di Bernoulli).

Correnti gradualmente variate. Equazione fondamentale della foronomia. Estensione del teorema di Bernoulli ad una corrente di sezione finita.

Equazioni e grandezze globali

Teorema del Trasporto e sue applicazioni (equazione globale di continuità, equazione globale dell'equilibrio dinamico, significato energetico del carico idraulico totale). Equazione di continuità per una corrente.

Moto dei fluidi reali

Estensione del teorema di Bernoulli alle correnti di liquidi reali. Esperienza di Reynolds: moto laminare e moto turbolento. Formule di resistenza e loro rappresentazione.

Brevi condotte: problemi di verifica

Lunghe condotte: problemi di verifica e progetto

Correnti a pelo libero in moto permanente

Moti di filtrazione
Testi di riferimento Utile supporto è rappresentato dal classico volume:

D. Citrini, G. Noseda: IDRAULICA, casa editrice Ambrosiana, Milano.

Ad integrazione, gli studenti possono fare riferimento ai seguenti testi di esercizi:

Brunone, B., Ferrante, M., Berni, A. Esercizi di Idraulica – parte I. Morlacchi Editore, Perugia.

Brunone, B., Ferrante, M., Meniconi, S., e Almandori, C.. Esercizi di Idraulica – parte II. Morlacchi Editore, Perugia.

curati dai docenti del corsi e nei quali tutti gli esercizi sono risolti completamente e per ciascun argomento è proposta una sintesi dei principali concetti.

Durante il corso agli studenti viene fornito, su supporto elettronico, il fascicolo:

C. Montuori: Le equazioni globali della meccanica dei fluidi e l'interpretazione energetica del carico idraulico.

Al fine di migliorare la comunicazione fra studenti e docenti - non solo per lo scambio di materiale didattico ma anche per l'organizzazione delle sedute di esame e di lezioni suppletive – è stato istituito un gruppo Telegram “IdraEA”.
Obiettivi formativi Il corso di IDRAULICA rappresenta il primo insegnamento nel filone che si interessa alle risorse idriche. Esso vuole fornire allo studente le conoscenze fondamentali per una analisi quantitativa di tutti i problemi che interessano il ciclo delle acque. Il primo obiettivo del corso è quello di tradurre i principi fondamentali della meccanica (principio di conservazione della massa e seconda equazione della dinamica) in equazioni nelle quali compaiano esplicitamente le grandezze che caratterizzano i processi di moto tipici dell'Idraulica. In tale contesto vengono seguiti sia l'approccio locale - che porta ad equazioni valide in un volume infinitesimo - sia quello globale - che porta ad equazioni valide per volumi finiti. Particolare attenzione viene quindi dedicata al caso delle correnti che rappresenta il carattere peculiare dell'Idraulica rispetto alla Meccanica dei Fluidi: è infatti il concetto di corrente che consente di semplificare i problemi rendendo possibile l'analisi di problemi relativi ad impianti e sistemi idrici facendo uso di limitate risorse di calcolo.

Le principali conoscenze acquisite saranno:

- "traduzione" in forma di equazione dei principi fondamentali della meccanica, sia in termini locali sia globali;

- schematizzazione dei processi di moto in correnti, eventualmente gradualmente variate;

- caratteri fondamentali delle correnti in pressione e a pelo libero;

- definizione della dipendenza o meno dal tempo delle grandezze che caratterizzano i processi di moto;

- definizione dei problemi di verifica e progetto in termini di grandezze rispettivamente note e incognite;

- definizione dei caratteri principali dei moti turbolenti;

- inquadramento dell'apporto sperimentale allo sviluppo della disciplina;

- consapevolezza nell'impiego di relazioni di origine sperimentale.
Prerequisiti Al fine di comprendere e saper applicare i più importanti concetti illustrati e discussi nell'ambito dell'insegnamento di IDRAULICA è necessario che lo studente abbia superato i corsi di Meccanica Razionale e Analisi Matematica II. In particolare è necessario che lo studente abbia dimestichezza con: i concetti di funzione continua, limite, derivata e integrale (semplice, di superficie e di volume) - non solo dal punto di vista dell'analisi matematica ma soprattutto da quello della Meccanica - le funzioni esponenziale e trigonometriche, le equazioni fondamentali della Meccanica (principio di conservazione della massa, equazione di Newton e teorema della quantità di moto). Con riferimento alle applicazioni numeriche, che costituiscono parte importante del corso, è necessario che lo studente sia in grado di risolvere numericamente equazioni implicite mediante le più elementari tecniche dell'analisi numerica (ad esempio: metodo della bisezione).
Metodi didattici Il corso prevede lezioni di teoria ed esercitazioni.

Le lezioni di teoria riguardano tutti gli argomenti del programma. L'approccio seguito prevede la derivazione delle equazioni nel caso più generale e la loro successiva specializzazione con riferimento a casi particolari. Ad esempio, ricavata l'equazione locale dell'equilibrio dinamico, il caso dei liquidi in quiete (Idrostatica) e quello dei fluidi perfetti vengono affrontati come casi particolari dell'equilibrio dinamico.

Nel corso delle lezioni di teoria, a completamento delle trattazioni analitiche, vengono proposti e risolti qualitativamente dei problemi, spesso di diretto interesse ingegneristico. Nelle lezioni dedicate alle esercitazioni, la soluzione dei problemi viene spinta fino al raggiungimento del risultato numerico, anche al fine di fornire agli allievi i necessari ordini di grandezza.

Utile completamento alla preparazione è rappresentato dalle visite ed esercitazioni svolte presso il laboratorio di Ingegneria delle Acque del Dipartimento di Ingegneria delle Acque, struttura dotata di alcune delle più importanti installazioni sperimentali nel campo delle correnti in pressione. Informazioni sul laboratorio di Ingegneria delle Acque si possono trovare al seguente indirizzo:

http://www.ing1.unipg.it/laboratori/sede-principale/laboratorio-di-ingegneria-delle-acque

Si tiene inoltre un ciclo di lezioni sull'impiego del codice EPANET e sul dispositivo AQUALIBRIUM, strumenti molto utili per comprendere il funzionamento di sistemi complessi di condotte in pressione. Informazioni su EPANET e AQUALIBRIUM si possono trovare, ad esempio, rispettivamente ai seguenti indirizzi:

http://epanet.de/

http://www.aqualibriumcompetition.net/joomla/
Altre informazioni Visite sono effettuate presso il Laboratorio di Ingegneria delle Acque del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale per meglio illustrare i caratteri delle correnti in pressione, in moto stazionario, e di quelle a pelo libero. Un ciclo di lezioni è dedicato all'utilizzo congiunto del software EPANET e del dispositivo AQUALIBRIUM, quest'ultimo allestito presso il laboratorio.
Modalità di verifica dell'apprendimento A completa discrezione dello studente, l'esame può svolgersi secondo due differenti modalità: in due soluzioni o in un'unica soluzione.
Modalità "due soluzioni" - In questo caso l'esame prevede due prove scritte - da sostenersi nella pausa didattica del primo semestre e alla fine del corso. Le prove scritte consistono nel rispondere in maniera dettagliata (ossia citando chiaramente tutte le ipotesi di partenza, gli sviluppi analitici e le implicazioni di tipo applicativo) ad alcune domande (tipicamente tre) sugli argomenti trattati durante la prima e la seconda parte del corso; la prima parte del corso comprende gli argomenti dalle equazioni fondamentali in forma locale alle brevi condotte; la seconda parte comprende gli argomenti dalle lunghe condotte ai moti di filtrazione. La prima prova prevede un esercizio di idrostatica o di verifica brevi condotte. Per lo svolgimento della prova scritta gli studenti hanno a disposizione 1.5 ore. Il voto complessivo riflette un giudizio di sintesi delle due prove.
Modalità "unica soluzione" - In questo caso l'esame consiste unicamente in una prova orale - della durata di circa un'ora - durante la quale allo studente vengono proposte domande relative all'intero programma. Nella discussione verrà valutata la capacità dello studente di illustrare le ipotesi di partenza, gli sviluppi analitici e le implicazioni di tipo applicativo con riferimento a mediamente tre argomenti di carattere teorico. La domanda conclusiva consiste in un'applicazione su uno degli argomenti di carattere applicativo affrontati durante il corso (distribuzione idrostatica delle pressioni; spinta idrostatica su pareti piane e curve; verifica di brevi e lunghe condotte; profili di corrente). La valutazione della prova orale si basa anche sulla capacità di espressione e di discutere in autonomia esibite dallo studente.
Per entrambe le modalità di esame, premialità derivano dagli esiti della AQUALIBRIUM competition svolta al termine del corso fra gli studenti divisi in gruppi.

Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa
Programma esteso Equazioni fondamentali in forma locale
Definizione di fluido e liquido: principali differenze fra essi e rispetto ai solidi. I fluidi come sistemi continui. Principali unità di misura. Tensioni in un mezzo fluido. Teorema del tetraedro di Cauchy. Legge di Newton e definizione di fluido newtoniano. Equazione di stato. Approccio lagrangiano e approccio euleriano. Regola di derivazione euleriana. Grandezze caratteristiche del campo di moto. Equazione locale di continuità. Equazione indefinita dell'equilibrio dinamico.

Idrostatica
Equazione indefinita dell'equilibrio statico. Legge di Stevin. Distribuzione idrostatica delle pressioni. Spinta su pareti piane. Formula di Mariotte. Applicazioni.

Fluidi perfetti
Equazione di Eulero. Teorema di Bernoulli. Correnti gradualmente variate. Estensione del teorema di Bernoulli ad una corrente di sezione finita.

Equazioni e grandezze globali
Teorema del Trasporto e sue applicazioni al principio di conservazione della massa (equazione globale di continuità) e al teorema della quantità di moto (equazione globale dell'equilibrio dinamico; Flusso della quantità di moto per una corrente gradualmente variata). Cenni sul significato energetico del carico idraulico totale. Equazione di continuità per una corrente. Applicazioni.

Moto dei fluidi reali
Estensione del teorema di Bernoulli alle correnti di liquidi reali. Esperienza di Reynolds: moto laminare e moto turbolento. Ricerche sperimentali per la definizione delle leggi di resistenza (abaco di Moody, formule monomie).

Brevi condotte: problemi di verifica
Brusca espansione in una corrente in pressione. Valutazione delle perdite di carico concentrate. Perdita di carico concentrata provocata da una valvola. Linea piezometrica e linea dei carichi per una condotta breve. Definizione di brevi e lunghe condotte. Applicazioni.

Lunghe condotte: problemi di verifica e progetto
Verifica e progetto di sistemi di condotte (ad esempio: condotta semplice, funzionamento di un sistema a tubi nuovi e a tubi usati, verifica di una condotta con erogazione concentrata, principio di economia al nodo, condotta con punto alto,...). Impianti di sollevamento: verifica con individuazione delle condizioni limiti di funzionamento e progetto in condizioni di moto uniforme (criterio economico). Applicazioni. Utilizzo di software per la verifica dei sistemi complessi di condotte (EPANET). Competizione AQUALIBRIUM.

Correnti a pelo libero
Caratteri delle correnti a pelo libero. Equazione del moto delle correnti a pelo libero gradualmente variate. Equazione del moto uniforme per le correnti a pelo libero. Scala delle portate (sezioni aperte, chiuse e banchinate). Legame fra carico idraulico specifico, tirante idrico e portata. Condizione di stato critico. Alvei a debole e forte pendenza. Profili di corrente in alvei a debole e forte pendenza. Risalto idraulico. Spinta totale di una corrente. Localizzazione del risalto. Esempi di profili di corrente (effetto di una variazione di scabrezza, della pendenza di fondo, ...). Applicazioni.

Moti di filtrazione
Schematizzazione dei moti di filtrazione. Legge di Darcy. Emungimento mediante pozzo da falda artesiana e freatica.

INFRASTRUTTURE IDRAULICHE URBANE

Codice 70CU8605
CFU 5
Docente Renato Morbidelli
Docenti
  • Renato Morbidelli
Ore
  • 45 ore - Renato Morbidelli
Attività Affine/integrativa
Ambito Attività formative affini o integrative
Settore ICAR/02
Tipo insegnamento Obbligatorio (Required)
Lingua insegnamento Italiano
Contenuti 1. IDROLOGIA E CICLO IDROLOGICO
2. ACQUEDOTTI
3. FOGNATURE
Testi di riferimento •G. BECCIU, A. PAOLETTI, Esercitazioni di costruzioni idrauliche, CEDAM, Padova, 1999;
•L. DA DEPPO, C. DATEI, Fognature, Cortina, Padova, 2004;
•G. IPPOLITO, Appunti di costruzioni idrauliche, Liguori Editore, Napoli, 2000 ;
•R. K. LINSLEY, J. B. FRANZINI, D. L. FREYBERG, G. TCHOBANOGLOUS, Water resources engineering, McGraw-Hill, New York, 1992;
•L. MAYS, Y. K. TOUNG, Hydrosystems engineering and management, McGraw-Hill, New York, 1992;
•Dispense del docente disponibili sulla piattaforma APE-LEARNING o su UNISTUDIUM.
Obiettivi formativi Il modulo tratta dei principali processi dell’idrologia di base, della formazione della precipitazione, del processo di infiltrazione e di formazione della pioggia effettiva, della determinazione dell’idrogramma di portata; descrive strumenti di misura delle grandezze coinvolte e metodi di stima di variabili di progetto come la portata di massima piena; fornisce strumenti per la progettazione di infrastrutture idrauliche. Gli obiettivi formativi sono i seguenti.

Il primo obiettivo riguarda l'acquisizione delle principali conoscenze relative a:
•variabili idrologiche principali, processi idrologici di base alla scala locale e di bacino idrografico, quali l’infiltrazione di acqua nel suolo, la generazione della pioggia effettiva e la sua trasformazione in portata diretta, nonché strumenti e tecniche di misura disponibili;
•metodologie di base che quantificano i processi idrologici descritti (il metodo SCS-CN per la stima della pioggia effettiva, l’integrale di convoluzione mediante idrogramma unitario istantaneo o il modello della corrivazione per la stima della portata diretta);
•differenti approcci (diretto e indiretto) per la stima della portata di progetto necessaria nella progettazione di opere idrauliche;
•fabbisogno idrico, consumi idrici, fonti di approvvigionamento, opere di adduzione, reti di distribuzione;
•principi generali sulle reti di fognature e metodi di dimensionamento.

Un secondo obiettivo è relativo all'acquisizione delle principali abilità riferite alla capacità di:

•selezionare, applicare e interpretare strumenti e tecniche di misura delle principali grandezze idrologiche;
•selezionare e applicare modelli di base di formazione della pioggia effettiva e di trasformazione pioggia effettiva-portata diretta per la simulazione di un idrogramma atteso in una fissata sezione fluviale di interesse, sulla base delle informazioni disponibili;
•selezionare e applicare un metodo appropriato per la stima della portata di progetto in una sezione fluviale al fine di progettare un’opera idraulica;
•selezionare una rete di distribuzione e applicare un metodo appropriato per il suo dimensionamento e la sua verifica;
•progettare e dimensionare un serbatoio di compenso;
•progettare e verificare un impianto di sollevamento;
•selezionare e applicare un metodo appropriato per dimensionare una fognatura;
•selezionare e dimensionare le opere accessorie per il funzionamento di una rete fognaria (sifoni, scaricatori, caditoie, pozzetti, impianti di sollevamento).
Prerequisiti Al fine di comprendere e saper applicare i più importanti concetti illustrati e discussi nell'ambito dell'insegnamento è:
• necessario che lo studente abbia superato gli esami di Analisi Matematica II e di Meccanica Razionale e Statica;
• opportuno che conosca gli argomenti trattati nei corsi di Geometria e Fisica Generale;

In particolare è necessario che lo studente abbia dimestichezza con: i concetti di funzione continua, limite, derivata e integrale (semplice, di superficie e di volume) - non solo dal punto di vista dell'analisi matematica ma soprattutto da quello della Meccanica - le funzioni esponenziale e trigonometriche, le equazioni fondamentali della Meccanica (principio di conservazione della massa, equazione di Newton e teorema della quantità di moto). Con riferimento alle applicazioni numeriche, che costituiscono parte importante del corso, è necessario che lo studente sia in grado di risolvere numericamente equazioni implicite mediante le più elementari tecniche dell'analisi numerica (ad esempio: metodo del dimezzamento).
Metodi didattici Il Modulo è organizzato in:
•lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti del programma con confronto con gli studenti;
•esercitazioni in aula svolte nella modalità classica (alla lavagna).
Altre informazioni Dati statistici relativi alle votazioni d'esame conseguite dagli studenti
Campione costituito da 395 studenti (dall'a.a. 2012/2013 all'a.a. 2020/2021).
Votazione media: 26,51/30; deviazione standard: 3,01/30.
Percentuale di studenti che hanno conseguito una valutazione nell'intervallo indicato (estremi compresi)
18 - 21 7,6%
22 - 24 13,7 %
25 - 27 37,4 %
28 - 30 34,7 %
30 e lode 6,6 %
Modalità di verifica dell'apprendimento La verifica degli obiettivi formativi dell’insegnamento prevede una prova orale.
La prova orale consiste in una discussione della durata di circa 45 – 60 minuti finalizzata ad accertare: i) il livello di conoscenza dei contenuti teorico-metodologici relativi alle Infrastrutture Idrauliche, ii) il livello di competenza nell’esporre le possibili soluzioni tecniche di problemi di modellazione idraulica e idrologica, di dimensionamento e verifica delle componenti strutturali ed idrauliche delle infrastrutture idrauliche urbane e delle opere ad esse complementari, iii) l’autonomia di giudizio nel proporre l’approccio più opportuno per ciascun ambito applicativo, con piena consapevolezza delle ipotesi semplificative adottate nelle diverse modellazioni, del significato fisico delle grandezze coinvolte, del livello di indeterminazione dei risultati conseguiti. Le prove orali hanno anche l’obiettivo di verificare la capacità dello studente di esporre con proprietà di linguaggio i temi proposti dalla Commissione, di sostenere un rapporto dialettico durante la discussione e di riassumere i risultati applicativi delle teorie studiate.
La valutazione finale verrà effettuata dalla Commissione in trentesimi.

Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

Nel caso in cui lo studente intenda anticipare l’esame in un anno precedente a quello programmato nel piano di studio, si raccomanda di frequentare il ciclo delle lezioni e
di sostenere l’esame nel primo appello utile dopo che le lezioni medesime siano terminate, nel rispetto quindi del semestre di programmazione dell’insegnamento.
Programma esteso Il Modulo affronta la descrizione dei principali processi dell’idrologia di base, la formazione della precipitazione, il processo di infiltrazione e di formazione della pioggia effettiva, la determinazione dell’idrogramma di portata; descrive strumenti di misura delle grandezze coinvolte e metodi di stima di variabili di progetto come la portata di massima piena; fornisce strumenti per la progettazione di infrastrutture idrauliche. Il programma del Modulo è strutturato nelle seguenti Unità didattiche:
1. IDROLOGIA E CICLO IDROLOGICO
Il ciclo naturale delle acque. Il bacino idrografico. La formazione e la misura della precipitazione. Elaborazione statistica dei dati. Variabili casuali e probabilità. Densità di probabilità. Distribuzione normale, lognormale e di Gumbel. Linee segnalatrici di possibilità pluviometrica. Stima delle perdite. Il calcolo dell'infiltrazione. La relazione di Philip. Il metodo CN-SCS. Idrogramma di piena. Trasformazione della pioggia in portata. Portata diretta in termini di IUH. Metodo dell'invaso. Metodo della corrivazione.
2. ACQUEDOTTI
Fabbisogno idrico. Orizzonte progettuale. Consumi idrici. Fonti di approvvigionamento. Acque superficiali e sotterranee. Opere di adduzione. Reti di distribuzione. Rete unica. Reti separate. Dimensionamento e verifica. Serbatoi di compenso. Progetto e verifica. Regola del filo teso. Impianti di sollevamento. Tubazioni in ghisa, acciaio, materiale plastico e lapideo. Approvvigionamento idrico negli edifici.
3. FOGNATURE
Principi generali sulle fognature. Disposizione delle reti. Gli spechi di fognatura. Calcolo delle portate di massima piena. Formula razionale tradizionale. Metodo cinematico. Metodo dell'invaso lineare. Dimensionamento e verifica delle condotte. Condizioni di funzionamento. Sifoni e scaricatori di piena. Caditoie stradali. Pozzetti di ispezione. Impianti di sollevamento di acque bianche e nere.
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