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. 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. 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.
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.
Strumenti Software Utilizzati
InfoWorks WS Pro
InfoWorks WS Pro è un software per la simulazione idraulica delle reti di acquedotto. L’ambiente InfoWorks è di facile uso, agile e intuitivo. L’interfaccia permette visualizzazioni planimetriche, grafiche e tabulari, e dei profili longitudinali.
- Rappresentazione di un ciclo giornaliero o multi-giornaliero della distribuzione delle pressioni, delle portate e dei volumi accumulati negli invasi di rete.
- Possibilità di rappresentare la domanda come dipendente (totalmente o solo in parte) dalla pressione in rete.
HEC-RAS (River Analysis System)
HEC-RAS (River Analysis System) è un software per lo studio idraulico dei sistemi fluviali. Il programma consente di eseguire modelli unidimensionali e bidimensionali di flusso al moto permanente ed al moto vario, anche in presenza di condizioni a contorno piuttosto particolari (ad esempio presenza di ghiaccio, ecc.). In parole povere è in grado di simulare il flusso idraulico all'interno di un determinato alveo, oppure su una intera piana alluvionale a seguito di una esondazione, di cui sono stati precedentemente definiti dal modellatore i parametri morfo metrici ed i coefficienti d'attrito, oltre che la presenza di eventuali opere idrauliche (costruzione del modello geometrico).
È progettato per simulare il moto dell'acqua in corsi d’acqua naturali o canali artificiali e fornisce un insieme completo di strumenti per l'analisi e la previsione del moto delle correnti a pelo libero. Consente inoltre di modellare fenomeni idraulici complessi, come la propagazione delle piene, il trasporto solido, e i fenomeni di inondazione.
In HEC-RAS è possibile effettuare simulazioni in diversi regimi di moto, tra cui il moto uniforme, moto permanente e moto vario. Avremo così informazioni molto precise, di carattere tempo-spaziale, sulle quote del tirante idrico, che ci consentiranno una verifica delle sezioni d'alveo e/o della luce di eventuali opere idrauliche, e sulle velocità del flusso, in modo da poter verificare la possibilità di erosione del letto e delle sponde. La modellazione del moto, nelle versioni di HEC-RAS attuali (6.x) può essere realizzata con una schematizzazione sia monodimensionale (1D) sia bidimensionale (2D). HEC-RAS ci consente inoltre di realizzare modelli di trasporto solido e modelli di temperatura e/o qualità dell'acqua.
Il più diffuso di tali programmi è senz'altro HEC-RAS (fig. HEC-RAS viene pubblicato nel 1996 dall' Hydrologic Engineering Center for the US Army Corps of Engineers (HEC), il Corpo degli ingegneri dell'esercito degli Stati Uniti, un ente nato con lo scopo dichiarato di "fornire servizi vitali di ingegneria pubblica e militare; collaborare alla pace e alla guerra per rafforzare la sicurezza della nostra nazione, stimolare l'economia e ridurre i rischi di disastri".
Storm Water Management Model (SWMM)
Storm Water Management Model (SWMM) è uno dei software più utilizzati per la modellazione del deflusso delle acque meteoriche in reti di canali e condotte in ambito urbano. Grazie ai toolbox MatSWMM e pySWMM siamo in grado di integrare il motore di simulazione di SWMM in altri software o applicazioni personalizzate o precedentemente sviluppate. Si utilizzerà il software SWWM sviluppato dall’Environmental Protection Agency (EPA) statunitense.
EPANET
Si utilizzerà il software EPANET sviluppato dall’EPA statunitense. Environmental Protection Agency (EPA) che consente il dimensionamento e la verifica delle reti di condotte in pressione. 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. In EPANET le reti, che possono anche avere una topologia complessa, vengono rappresentate come un insieme di tratti e di nodi. Il software simula sia il moto idraulico che la qualità delle acque all’interno delle condotte, calcolando le grandezze caratteristiche in ogni singolo tratto e nodo.
Si affronteranno i problemi di gestione della rete introducendo regole di controllo più o meno complesse dei componenti che la costituiscono.
Applicazioni Pratiche e Aree di Studio
Nel campo dell'ingegneria idraulica, l'utilizzo di modelli numerici è sempre più richiesto. Questi modelli sono utilizzati per:
- 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.
- Dimensionamento e verifica di reti idriche in pressione (acquedotti, impianti di irrigazione, impianti antincendio).
- 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.
Esercitazioni Pratiche
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.
- 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).
- 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 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.
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