Università degli Studi Roma Tre
Dipartimento di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Civile per la Protezione dai Rischi Naturali
RELAZIONE DI FINE TIROCINIO
“Onde incrociate su parete verticale”
Candidato: Tutor Universitario:
Yuri Pepi Prof. Leopoldo Franco
Anno Accademico 2017/2018
Sommario Indice figure ............................................................................................................................................................ 2
1. Introduzione ................................................................................................................................................... 3
2. Le onde incrociate .......................................................................................................................................... 3
3. Obiettivi .......................................................................................................................................................... 5
4. Importanza della ricerca ................................................................................................................................. 5
5. Stato dell’arte ................................................................................................................................................. 7
6. Descrizione modello ....................................................................................................................................... 9
7. Parametri idraulici ........................................................................................................................................ 12
8. Strumenti per la misurazione della tracimazione ......................................................................................... 12
9. Conclusioni ................................................................................................................................................... 14
10. Bibliografia ................................................................................................................................................ 17
Indice figure
Figura 1 Opera a mare esposta ad attacco multidirezionale di onde ___________________________________________ 3 Figura 2 Tracimazione ondosa, nella foto sopra il porto di IJmuiden (Olanda), il marina di San Remo Il porto di Ostia
(Italia) (fonte: (EurOtop (2016)) ________________________________________________________________________ 4 Figura 3 Spettro d'onda davanti il porto di Civitavecchia (fonte: (Artelia (2012)) _________________________________ 5 Figura 4 Spettro d'onda ricavato con il modello ARPEGE davanti la costa portoghese (fonte: Trulsen et al. (2015)) ______ 5 figura 5 Spettro direzionale d'onda simulato dalle registrazioni metereologiche nel sud‐est della costa brasiliana. (fonte:
(Alves & Melo – 1999)) _______________________________________________________________________________ 6 figura 6 Esempio di argini usati nel Nord Europa per difendersi dal mare. Rotterdamse Hoek ‐ Olanda ________________ 7 Figura 7 Esempio di diga a scogliera, Diga a massi artificiali. Scheveningen ‐ Olanda ______________________________ 8 Figura 8 Diga a parete verticale, diga del porto di Civitavecchia – Italia ________________________________________ 8 Figura 9 Test di mare incrociato nel Delta basin al Deltares ‐ Olanda. (fonte: (Van der Werf e Van Gent (2017)) ________ 9 Figura 10 Test di mare incrociato con onde multidirezionali nel Delta basin al Deltares ‐ Olanda. (Bruce et al. (2018)) __ 10 Figura 11 Vasca del Delta basin asciutta. Si vedono sul lato frontale e destro i due generatori di onde e le rispettive palette
________________________________________________________________________________________________ 11 Figura 12 Setup di prova del Delta basin per il progetto Hydralab+ “CROSSOVER” (fonte: (Bruce T.et al. (2018)) _______ 11 Figura 13 Vasche per la raccolta dell'acqua tracimata _____________________________________________________ 12 Figura 14 Sonda per identificare le onde tracimanti _______________________________________________________ 13 Figura 15 Sonde e pompa poste all'interno della vasca N° 4 _________________________________________________ 13 Figura 16 Sezione di una diga a parete inclinata simili a quella usata durante i test a Deltares (fonte: (EurOtop (2016)) _ 14 Figura 17 Sezione di una diga a parete verticale che sarà utilizzata per realizzare i test (fonte: (EurOtop (2016)) _______ 15
1. Introduzione
In questa relazione è descritta l’attività svolta durante il tirocinio presso il laboratorio di Idraulica del
Dipartimento di Ingegneria, incentrato sulla raccolta e analisi delle misurazioni di onde marine e sotto la
supervisione del Prof. Leopoldo Franco, e presso il laboratorio dell’istituto “Deltares” nella città di Delft in
Olanda, nel quale sono state svolte delle prove su modello fisico. Il periodo di attività del tirocinio è durato: in
Italia tra il 22/01/2018 e il 10/04/2018; in Olanda tra il 11/04/2018 e 26/05/2018.
2. Le onde incrociate
In mare aperto, per azione del vento, si possono generare onde che si propagano per lunghe distanze verso la
costa. Tali onde libere sono dette onde di mare morto (swell) e sono caratterizzate da periodi maggiori rispetto
alle onde di mare vivo (wind sea), forzate localmente dal vento. Si è osservato che in natura c’è la possibilità
che questi due stati di mare possano coesistere e quando ciò accade si hanno condizioni di “mare bimodale” e
quando le direzioni dei due treni d’onda non coincidono si parla di “mare incrociato” (Fig. 1). È possibile che la
combinazione tra questi due stati di mare produca condizioni più sfavorevoli per la risposta idraulica di un’opera
marittima. Queste strutture, che possono essere muri verticali o pareti inclinate più o meno impermeabili, sono
realizzate per proteggere aree come porti o città dall’impatto delle onde. In particolare nel progetto di una diga
frangiflutti uno dei parametri fondamentali per la scelta dell’altezza dell’opera è la portata di tracimazione
ondosa sulla cresta, in quanto ha effetti sulla stabilità, sulla trasmissione d’onda, sulla sicurezza dell’ormeggio
e del transito di pedoni o veicoli sulla parte retrostante della
diga (Fig. 2). Peraltro esistono pochissimi studi sulla interazione
tra stati di mare incrociati e strutture, data la complessità del
fenomeno e la difficoltà di riproduzione in un laboratorio
idraulico.
La stima della portata di tracimazione sotto specifiche
condizioni è incerta perché il fenomeno è complesso. Per
strutture con una geometria piuttosto semplice è possibile
utilizzare le formule riportate nel manuale EurOtop (2016)
mentre per geometrie più complesse si può utilizzare la Rete
Neurale Artificiale (ANN) CLASH (Van Gent et al. ‐ 2007). La
ANN è uno strumento di calcolo basato sulla banca dati del
progetto CLASH, composta da circa 10000 misure di
tracimazione condotte in 163 serie di test in laboratorio (Van
der Meer et al. – 2007), che però non include tutte le possibili
Figura 1 Opera a mare esposta ad attacco multidirezionale di onde
condizioni di mare che possono presentarsi nella realtà sotto costa, tra cui i “mari incrociati”. Anche i nuovi
modelli numerici non sono ancora abbastanza robusti per simulare l’azione di mari incrociati su strutture.
Figura 2 Tracimazione ondosa, nella foto sopra il porto di IJmuiden (Olanda), il marina di San Remo Il porto di Ostia (Italia) (fonte: (EurOtop (2016))
3. Obiettivi
I metodi esistenti per il calcolo della tracimazione e delle forze sulla struttura richiedono altezza, periodo e
direzione di un singolo stato di mare. Non sono ancora disponibili metodi di calcolo della tracimazione ondosa
e di tali forze in condizione bimodale. Lo scopo di questa ricerca è quello di:
• Studiare i diversi effetti di un singolo stato di mare, vivo o morto, su opere di difesa costiera rispetto
a una condizione di mare incrociato
• Valutare la tracimazione ondosa su dighe a parete inclinata per mari incrociati;
4. Importanza della ricerca
In letteratura ci sono degli studi che dimostrano come la compresenza di onde di mare vivo e morto sia un
fenomeno presente sia a livello oceanico (Alves & Melo – 1999; Trulsen et al. – 2015) sia in mari semichiusi
quali il Mar Mediterraneo (Artelia – 2012).
Le opere di difesa costiera sono opere necessarie per proteggere le aree che si trovano in prossimità del
mare. Queste aree sono a rischio inondazione per tracimazione. Si prevede che tale rischio aumenterà
nel prossimo futuro per l’innalzamento statico del livello del mare, come evidenziato nel 5th Synthesis Report
del IPCC (Intergovermental Panel on Climate Change) del 2014 “dal 1950 sono stati osservati cambiamenti
Figura 4 Spettro d'onda ricavato con il modello ARPEGE davanti la costa portoghese (fonte: Trulsen et al. (2015))
Figura 3 Spettro d'onda davanti il porto di Civitavecchia (fonte: (Artelia (2012))
durante molti eventi estremi atmosferici e climatici. Alcuni di questi cambiamenti sono legati all’influenza
dell’uomo e tra questi c’è l’aumento del livello del mare in alcune regioni del mondo”. È anche riportato che
“l’oceano continuerà a surriscaldarsi e il livello globale medio del mare aumenterà”.
Tra le soluzioni proposte per mitigare gli effetti di tale innalzamento del livello e dei sormonti ondosi ci sono le
opere di difesa costiera, che dovranno essere rinforzate e sollevate. Nel report è evidenziato che “molto
probabilmente [con probabilità tra il 66 e il 100%] i livelli estremi di mare (per esempio, come osservato
durante le mareggiate) sono aumentati sin dal 1970 e sono probabilmente legati all’aumento del livello
medio del mare. A causa della carenza di studi e dalla difficoltà di distinguere qualsiasi impatto da altre
modifiche del sistema costiero, sono disponibili prove limitate dell’impatto dovuto all’aumento del livello
marino”.
Per tali ragioni questa ricerca è importante nell’ambito dell’ingegneria costiera, perché:
Il costo delle nuove strutture di protezione costiera è fortemente legato all’elevazione della cresta
ed alla accuratezza progettuale nella pressione del sormonto.
Ad oggi esistono metodi di calcolo solo nel caso di mare unimodale mentre per i mari incrociati
non ci sono ancora metodi validi.
figura 5 Spettro direzionale d'onda simulato dalle registrazioni metereologiche nel sud‐est della costa brasiliana. (fonte: (Alves & Melo – 1999))
5. Stato dell’arte
Lungo le coste di Olanda, Danimarca, Germania e Inghilterra la costruzione di argini è una delle opzioni
più utilizzate per la difesa dal mare (Fig. 6). Queste opere proteggono le zone urbane dal rischio di
tracimazione ondosa sono caratterizzate da deboli pendenze, generalmente sono realizzate in materiale
argilloso e la superficie esposta al mare può essere in cemento oppure ricoperta da vegetazione. Un
altro tipo di struttura sono le dighe a scogliera, realizzate con materiale sciolto, naturale o artificiale, posto
su più livelli con dimensione crescente verso l’esterno (Fig. 7). Nel Mar Mediterraneo le strutture
maggiormente utilizzate sono dighe a parete verticale (Fig. 8), a causa della notevole profondità dei fondali in
prossimità della costa e della piccola escursione di marea, spesso del tipo a cassoni, utilizzati comunemente
per proteggere un’area portuale.
Per tutte queste opere la stima della tracimazione ondosa è molto importante, sia per l’efficienza della
struttura stessa, sia per il rischio della vita: il caso dei Paesi Bassi, dove due‐terzi del territorio è al di sotto
del livello del mare, o alcune zone dell’Inghilterra, ne sono un esempio. In questi due stati le norme sono
piuttosto stringenti in Inghilterra le nuove aree urbane devono essere difese dal rischio inondazione con
tempi di ritorno pari a 200 anni, mentre in Olanda per aree densamente popolate fino a 100.000 anni.
Ad oggi esistono modelli robusti e validati per la stima dalla tracimazione ondosa, soprattutto basati su test
su modelli fisici, anche nel caso di attacchi d’onda obliqui, ma è quasi sconosciuto il caso di due treni d’onda
provenienti da direzioni differenti (mari incrociati).
figura 6 Esempio di argini usati nel Nord Europa per difendersi dal mare. Rotterdamse Hoek ‐ Olanda
Figura 7 Esempio di diga a scogliera, Diga a massi artificiali. Scheveningen ‐ Olanda
Figura 8 Diga a parete verticale, diga del porto di Civitavecchia – Italia
6. Descrizione modello
Questo è un tema mai esplorato fino ad oggi, solo recentemente sono stati condotti dei test su modello fisico sui
mari incrociati presso il laboratorio Deltares a Delft in Olanda da Van der Werf e Van Gent (2018) e Bruce T. et al.
(CROSSOVER ‐ 2018).
Test Deltares (Van der Werf & Van Gent – 2018)
Configurazione Note Struttura: muro inclinato 1:3 Lab: Deltares, Delta-basin. Due
generatori ondosi multidirezionali. Profondità acqua = 0,90 m Hs = 0,205 m mare 0,091 m mare morto
vivo; Conclusioni: È stata proposta una formula per la tracimazione di mari incrociati a cresta lunga (monodirezionali).
Tp = 1,74 s 4,84 s mare morto
mare vivo;
Dir. Media = 45 ° mare vivo; +/- 45° mare morto
Spettro d’onda = JONSWAP Spreading = 0°
Nel primo esperimento sono stati effettuati solo 20 test su mari incrociati (Fig. 9), in particolare si sono studiate
le condizioni “mare morto + mare vivo perpendicolari” (45 ° e ‐45°) e “mare vivo + mare vivo perpendicolari” (45
° e ‐45°) quindi solo con un angolo fra le due direzioni di 90°. Questi risultati sono utili per una prima analisi del
fenomeno ma insufficienti per la realizzazione di modelli validi.
Questo tipo di test possono essere condotti in laboratori all’avanguardia quali il Deltares olandese e richiedono
costi elevati. Infatti la comunità europea ha finanziato il progetto di ricerca “CROSSOVER” di Hydralab+
Figura 9 Test di mare incrociato nel Delta basin al Deltares ‐ Olanda. (fonte: (Van der Werf e Van Gent (2017))
(Bruce T.et al. ‐ 2018), relativo alla tracimazione ondosa per mari incrociati, con oltre 150.000 €.
Le prove si sono svolte tra aprile e maggio 2018 nel Delta basin della Deltares su una parete inclinata
impermeabile con pendenza 1:3 (Fig. 12). All’interno del bacino, per la misura delle onde, ci sono 3 sonde direzionali
e 8 sonde per l’elevazione ondosa, in particolare il GRSM1 di fronte il nuovo generatore ondoso e il GRSM2 davanti
quello più vecchio mentre il GRSM3 in prossimità della diga. Questa è stata costruita nel centro del bacino con una
inclinazione di 30° rispetto il nuovo generatore ondoso e con un altezza di 1,15m rispetto il fondo. Tale bacino è una
vasca di 50X50 (Fig. 10) m dotata di due generatori ondosi multidirezionali, uno con 100 palette e l’altro con
80, posti perpendicolarmente l’uno all’altro (Fig. 11).
Questi generatori sono in grado di riprodurre efficacemente la situazione di mare incrociato e permettono
uno studio su modello fisico in scala ridotta. Durante il progetto CROSSOVER sono state studiate molte
combinazioni di sia di mare singolo che bimodale, in particolare sono stati riprodotti treni d’onda incrociati con
scarti tra le due direzione da 30 ° a 130 ° per un totale di circa 170 test, fornendo risultati più dettagliati rispetto
a quelli di Van der Werf e Van Gent.
Figura 10 Test di mare incrociato con onde multidirezionali nel Delta basin al Deltares ‐ Olanda. (Bruce et al. (2018))
Figura 11 Vasca del Delta basin asciutta. Si vedono sul lato frontale e destro i due generatori di onde e le rispettive palette
Figura 12 Setup di prova del Delta basin per il progetto Hydralab+ “CROSSOVER” (fonte: (Bruce T.et al. (2018))
7. Parametri idraulici
La profondità nel bacino è costante e durante i test sono usati due valori, 0.90m e 0,95m. L’altezza d’onda per le
onde di mare vivo varia tra 0.065m e 0.090m, per le onde di mare morto tra 0.050m a 0,090m. Alcuni test sono
stati condotti con altezze ancora maggiori arrivando a 0,12m. L’elevazione della parete rispetto all’altezza d’onda
(Rc/Hm0) varia tra 1,7 e 5,0. Il periodo delle onde di mare vivo varia tra 1,0s e 1,4s mentre per quelle di mare
morto tra 2,5s e 3,5s. L’angolo di attacco dell’onda, relativamente alla diga, varia tra 0° e 85° e lo spreading è 10°
per le onde di mare morto e 30° per quelle di mare vivo. Sono stati condotti anche alcuni test con onde a cresta
lunga, cioè con spreading pari a 0°.
8. Strumenti per la misurazione della tracimazione
La portata di tracimazione e i volume sono stati misurati raccogliendo l’acqua all’interno di 6 vasche poste dietro
la struttura (Fig. 13), all’interno delle quali c’è una pompa per svuotarle per permettere di misurare i volumi più
grandi e una sonda per misurare il livello dell’acqua immagazzinata. Solo la vasca n°4 ha tre sonde, due poste
all’interno (Fig. 15) e una davanti lo scivolo per identificare il numero di onde tracimanti (Fig. 14).
Figura 13 Vasche per la raccolta dell'acqua tracimata
Figura 14 Sonda per identificare le onde tracimanti
Figura 15 Sonde e pompa poste all'interno della vasca N° 4
9. Conclusioni
I pochi test svolti hanno indagato la risposta idraulica di pareti inclinate, opera di difesa costiera comunemente
usata del Nord Europa, trascurando pareti verticali o dighe a gettata. Il prossimo passo sarà quello di estendere
lo studio ai muri verticali, struttura invece tipica delle coste italiane. Un ulteriore ambito da studiare sarà la
differenza di risposta idraulica tra onde incrociate frangenti e non frangenti, perché per treni d’onda singoli è
noto che la tracimazione aumenta nel caso di onde frangenti (EurOtop – 2016). Oltre che la tracimazione sarà
anche necessario studiare la stabilità e le forze indotte sulle strutture dall’azione idrodinamica delle onde
incrociate.
Questa ricerca servirà a colmare le lacune presenti in letteratura e nei manuali sull’interazione tra un’opera
marittima e i mari incrociati e di individuare un fattore da inserire nell’attuale formulazione per includere la
presenza di mari incrociati. Nei futuri test andranno riprodotte onde con caratteristiche simili ai precedenti
esperimenti per poter confrontare i risultati.
Nelle prove svolte presso al Deltares è stata misurata per una diga a parete inclinata (Fig. 16) la sola
tracimazione, trascurando l’azione delle onde sulla struttura. In un’opera la stabilità e le forze indotte
dall’impatto delle onde sono aspetti importanti tanto quanto la tracimazione. Nelle prove svolte da
Figura 16 Sezione di una diga a parete inclinata simili a quella usata durante i test a Deltares (fonte: (EurOtop (2016))
Franco L. & Franco C. (1999) è stata studiata l’interazione tra dighe a parete verticale sotto l’attacco di onde
oblique multidirezionali (cresta corta) non frangenti. In questo esperimento è stato osservato che onde a
cresta lunga e onde a cresta corta danno risultati diversi, in particolare le condizioni peggiori si hanno
per onde monodirezionali con direzione tra 0° e 30°. Le caratteristiche del modello in scala e il
posizionamento dei sensori di pressioni o dei dinamometri per i nuovi test farà riferimento a queste prove,
infatti sarà utilizzata una diga a parete verticale (Fig. 17) con fondale orizzontale profondo in modo che
non ci siano onde frangenti variando anche l’altezza della cresta durante le varie prove, questa
configurazione è quella che meglio rappresenta la realtà presente nelle coste italiane. Lungo la parete
esposta al moto ondoso saranno posizionati dei sensori di pressione o dei dinamometri per registrare
l’impatto delle onde sulla diga. Le forze, o pressioni, misurate sulla parete permetteranno di estendere la
formula di Goda, valida per il calcolo di tali forze per onde singole oblique o perpendicolari, al caso di
mari incrociati, fornendo uno strumento utile per la progettazione. Un altro aspetto che sarà tenuto in conto
è la riflessione sulla struttura perché influenza la generazione delle onde. Nel caso della parete inclinata
questo fenomeno è ridotto mentre per la parete verticale è più rilevante. La riflessione sarà compensata
dagli ondogeni perché sono in grado di assorbire attivamente le onde riflesse smorzandole.
Figura 17 Sezione di una diga a parete verticale che sarà utilizzata per realizzare i test (fonte: (EurOtop (2016))
In particolare saranno studiate onde a cresta lunga e cresta corta con altezze di mare vivo tra 0.10 e
0.15 m mentre per le onde di mare morto tra 0.05 e 0.10 m. Per quanto riguarda la direzione dei treni
d’onda è appropriato considerare un intervallo di angoli il più ampio possibile, ragionevolmente da 0°,
attacco perpendicolare alla costa, sino a 90°, attacco parallelo alla costa. La campagna sperimentale
comprenderà una parte di test con mari singoli per la calibrazione e per confrontare i risultati con i modelli
attualmente esistenti, una seconda parte di prove sui mari incrociati che saranno utili per lo studio di tale
fenomeno.
La serie di test saranno organizzate in questa maniera:
Configurazione Descrizione Caratteristiche
Mare vivo o mare
morto
Solo un treno d’onda. Calibrazione e
confronto con EurOtop
β=0 ÷ 90 °
Hs=0.05 ÷ 0.15 m
Tm=1,0 ÷ 3,5 s
σ = 0, 30 ° Vivo + morto obliqui Due treni d’onda, a cresta lunga e corta,
provenienti da direzioni differenti.
10. Bibliografia
Alves, J.H.G.M. & Melo, E. (1999), On the measurement of directional wave spectra at the southern Brazil
coast, Appl. Ocean Res.
Artelia (2012), Diga di Civitavecchia, Etude de la digue en modèle physique, rept. date 31.7.2012
Bruce T., Franco L., Menendez M., Reis M. T., Van der Meer J. (2018), Wave overtopping of coastal defences
under directionally bimodal wave attack. CROSSOVER project by Hydralab+
EurOtop (2016), Manual on wave overtopping of sea defences and related structures. An overtopping
manual largely based on European research, but for worldwide application. Van der Meer, J.W., Allsop,
N.W.H., Bruce, T., De Rouck, J., Kortenhaus, A., Pullen, T., Schüttrumpf, H., Troch, P. & Zanuttigh, B.
www.overtopping‐‐‐manual.com.
Franco, C. & Franco, L. (1999), Overtopping formulas for caisson breakwaters with nonbreaking 3d waves,
J. Waterway, Port, Coastal, Ocean Eng.
Top Related