Obiettivi formativi
Conoscenze e capacità di comprendere:
Alla fine del percorso dell’insegnamento lo studente deve conoscere ed essere in grado di comprendere i concetti base e l’utilizzo di alcuni software di largo impiego nel campo dell’ingegneria idraulica con particolare riferimento alle reti di drenaggio urbano e di distribuzione idrica e alla modellazione bidimensionale dei corsi d’acqua.
Deve, inoltre, acquisire conoscenza delle potenzialità ma anche dei limiti e delle approssimazioni che possono risultare dall’applicazione di modelli numerici a casi reali.
Competenze:
Alla fine del corso, e dopo aver superato l’esame, lo studente deve essere in grado di identificare i principali parametri e componenti che governano i complessi sistemi idraulici affrontati durante l’insegnamento. Deve quindi essere abile nell’applicare gli adeguati modelli numerici per verificare le suddette infrastrutture idrauliche. Al contempo, lo studente deve essere in grado di analizzare e verificare i risultati dei software e di gestire i problemi che si incontrano nella modellazione numerica. Infine, lo studente deve possedere familiarità con la terminologia tecnica, in lingua inglese, utilizzata dai software impiegati.
Autonomia di giudizio:
Lo studente deve possedere gli strumenti per applicare in maniera critica e autonoma i software oggetto dell’insegnamento a problemi reali. Lo studente dovrà acquisire autonomia nel valutare le elaborazioni prodotte da terzi mediante i software oggetto dell’insegnamento o similari.
Capacità comunicative:
Lo studente dovrà possedere l’abilità di presentare in maniera chiara e con la terminologia corretta i risultati dei modelli numerici mediante l’utilizzo di testi, tabelle e grafici.
Prerequisiti
Non sono richieste propedeuticità ma è utile avere conoscenze nel campo dell’idraulica e dell’idrologia. È utile avere familiarità e dimestichezza con i computer e con le funzionalità di base dei programmi Microsoft Word e Excel.
Contenuti dell'insegnamento
L’insegnamento risponde alla crescente domanda dell’utilizzo di modelli numerici nel campo dell’ingegneria idraulica. In particolare, si analizzeranno nel dettaglio alcuni software, a distribuzione gratuita, che trovano largo impiego negli studi professionali nazionali e internazionali.
Nello specifico saranno trattati i seguenti temi:
1. Analisi e dimensionamento dei sistemi di fognatura e drenaggio urbano, con particolare attenzione ai dispositivi di laminazione delle portate e alle tecniche di intervento a basso impatto LID (Low Impact Development). Si farà anche cenno alle stazioni di pompaggio. Si utilizzerà il software SWWM sviluppato dall’Environmental Protection Agency (EPA) statunitense.
2. Dimensionamento e verifica di reti idriche in pressione (acquedotti, impianti di irrigazione, impianti antincendio). Alla simulazione idraulica delle condotte in pressione saranno affiancati gli aspetti legati alla qualità modellando nel contempo l’età dell’acqua in tutta la rete. Si affronteranno i problemi di gestione della rete introducendo regole di controllo più o meno complesse dei componenti che la costituiscono. Si utilizzerà il software EPANET sviluppato dall’EPA statunitense.
3. Modellazione idraulica secondo uno schema bidimensionale (2D) di corsi d’acqua naturali e artificiali in condizioni di moto vario. La modellazione 2D, oltre a descrivere la dinamica fluviale, risulta particolarmente utile nella simulazione di scenari di allagamento e nella definizione delle aree inondabili. Si introdurrà il recente software HEC-RAS 2D sviluppato dallo United States Army Corps of Engineers (USACE) e sempre più utilizzato negli studi professionali.
Durante il corso verranno richiamati gli aspetti teorici alla base dei fenomeni modellati e saranno illustrati i principali componenti dei software. Al contempo si applicheranno i modelli numerici a casi di studio reali.
Programma esteso
Software per l’ingegneria idraulica
Programma dettagliato
Modulo 1 – EPANET
• Campi di applicazione del software
• Potenzialità nella modellazione idraulica e della qualità dell’acqua delle reti idriche in pressione
• Componenti fisici delle reti in pressione (nodes e links)
• Componenti non fisici della rete (curves, time patterns e controls)
• Modellazione di nodi a portata assegnata, nodi in cui la portata è funzione della pressione (emitters), serbatoi a livello costante e variabile
• Simulazione, in EPANET, delle perdite di carico distribuite nelle condotte (formule di Hazen-Williams, Darcy-Weisbach, Chezy-Manning)
• Simulazione, in EPANET, delle perdite di carico concentrate
• Simulazione di impianti di pompaggio e valvole limitatrici di pressione e portata
• Utilizzo dei time pattern per la distribuzione nel tempo delle portate e delle regole di controllo e gestione dei componenti della rete
• Approcci per la modellazione idraulica delle reti di distribuzione idrica (demand driven, pressure driven)
• Metodo di risoluzione numerica delle equazioni di continuità ai nodi e del moto nelle condotte adottato da EPANET
• Analisi della qualità dell’acqua: teoria del trasporto in EPANET (trasporto di base e mescolamento nei nodi)
• Reazioni di crescita e decadimento di una sostanza reattiva che si muove nella rete
• Simulazione dell’età dell’acqua all’interno delle reti di distribuzione
Esercitazione (utilizzo del software da parte degli studenti): definizione di una rete acquedottistica in ambiente GIS, importazione della rete in EPANET, dimensionamento di massima della rete, verifica idraulica della rete (con serbatoi, valvole, impianti di pompaggio e regole di gestione e controllo dei componenti). Simulazione della qualità e dell’età dell’acqua.
Modulo 2 – SWMM
• Campi di applicazione del software
• Modellazione afflussi-deflussi e propagazione idraulica all’interno delle reti di drenaggio
• Componenti del software (pluviometri, sottobacini, nodi, condotti, scaricatori, sistemi di laminazione)
• Metodi di depurazione delle piogge (infiltrazione nel suolo: metodo di Horton e del Curve Number, immagazzinamento nelle depressioni superficiali)
• Schematizzazione della trasformazione afflussi deflussi mediante serbatoio non lineare in SWMM
• Propagazione idraulica all’interno della rete (equazioni e metodo di soluzione adottato da SWMM)
• Schematizzazione di impianti di pompaggio, scaricatori e vasche di accumulo e laminazione delle portate
• Tecniche di progettazione a basso impatto (Low Impact Development): Bio-retention cells, tetti verdi, trincee di infiltrazione, pavimentazioni permeabili, ecc.)
Esercitazione (utilizzo del software da parte degli studenti): modellazione della rete di drenaggio delle acque meteoriche di un comparto assegnato. Modellazione ante-edificazione e post-edificazione nel rispetto del principio dell’invarianza idraulica. Modellazione dei dispositivi di laminazione della portata e delle tecniche di progettazione a basso impatto.
Modulo 3 – HEC-RAS
• Campi di applicazione del software
• Modellazione idraulica di corsi d’acqua naturali e artificiali secondo uno schema bidimensionale
• Costruzione della mesh di calcolo in HEC-RAS 2D
• Definizione delle condizioni iniziali e al contorno
• Simulazione idraulica e visualizzazione dei risultati
• Equazioni risolutive per la simulazione 2D (equazioni bidimensionali delle acque basse e cenni al metodo di soluzione adottato da HEC-RAS)
Esercitazione (utilizzo del software da parte degli studenti): modellazione bidimensionale di un tratto di corso d’acqua, definizione della mesh computazionale, definizione delle condizioni iniziali e al contorno, pre-processing dei dati e simulazione idraulica. Visualizzazione ed esportazione dei risultati anche in formato compatibile con un software GIS.
Bibliografia
Copia elettronica delle slides utilizzate durante il corso. Traccia delle esercitazioni svolte nei laboratori informatici. Il materiale sarà messo a disposizione sulla piattaforma didattica on-line “elly”.
Fondamenti di costruzioni idrauliche, Becciu G., Paoletti A. (2010), Utet Scienze Tecniche.
Storm Water Management Model User's Manual Version 5.1, Rossman L.A. (2015), U.S. Environmental Protection Agency.
Epanet 2 - Users Manual, Rossman L.A. (2000), U.S. Environmental Protection Agency.
HEC-RAS River Analysis System, 2D Modeling User’s Manual, Vers. 5 (2016), US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Center.
Metodi didattici
Il corso è strutturato in due parti: una teorica e una di esercitazioni che prevede l’utilizzo dei software da parte degli studenti.
La parte teorica del corso verrà illustrata mediante lezioni frontali avvalendosi della proiezione di slide; verranno richiamati gli aspetti teorici alla base dei fenomeni modellati. Per la parte di esercitazioni pratiche condotte dagli studenti ci si avvarrà delle aule informatiche e dell’utilizzo di computer; ove necessario le esercitazioni saranno anticipate da nozione teoriche in cui verranno illustrati i principali componenti dei software che si utilizzano.
Modalità verifica apprendimento
La verifica dell’apprendimento è basata sulla redazione di un progetto e una verifica orale.
Il progetto (eventualmente redatto in gruppi di studenti) prevede l’utilizzo di uno dei software oggetto dell’insegnamento e sarà in parte sviluppato con l’aiuto del docente durante le lezioni e poi terminato in autonomia dagli studenti.
La verifica è così pesata: 40% redazione del progetto (corretta analisi dei dati e chiarezza nell’esposizione dei risultati); 60% verifica orale (domande teoriche, discussione del progetto, applicazione delle conoscenze a problemi originali e proprietà di esposizione).
Il voto sarà attribuito applicando una scala espressa in trentesimi, dove il minimo per il superamento dell’esame è 18 e il massimo è 30 e lode.
Altre informazioni
È vivamente consigliata la frequenza del corso.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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