INTRO - COSA E’ EPANET Epanet (Environmental Protection Agency Net) è un Programma destinato alla simulazione del comportamento idraulico all'interno dei sistemi di reti di distribuzione. Esso fornisce informazioni circa: - Portata d’acqua defluente in ogni tubo - Pressione in ogni nodo della rete acquedottistica - Livello d’acqua nei serbatoi - Concentrazione di una certa sostanza nella rete di distribuzione idrica (non interessa) Il programma Epanet simula il funzionamento della rete idrica osservandone il comportamento ad intervalli temporali prefissati. Il codice fornisce un editing dei dati d'input e dei risultati in vari formati tra cui grafici e tabelle che sono esportabili in formati più consoni come blocco note o autocad. UTILIZZO EPANET NELLA ESERCITAZIONE PROGETTUALE Nella esercitazione Epanet verrà utilizzato in fase di verifica della rete interna. Il primo passo è stato quello di dimensionare la condotta di avvicinamento, la quale, per come è stato posizionato il serbatoio di accumulo, non dovrebbe risultare più lunga di 1 km. Solitamente, si sceglie di realizzare tale condotta in acciaio o, eventualmente, in materiale plastico se c’è necessità di contenere le perdite di carico nel caso in cui la zona attraversata sia molto pendente. Noti il materiale, la lunghezza e la portata (è la portata di punta QP = QM * cp = QM * 20*Nab^-0,2 in cui Nab non va espresso in migliaia ma in termine assoluto), si impone la perdita di carico (5-8 m) e si calcola il diametro della condotta. Bisogna ora disegnare la rete interna, avvalendosi della cartografia allegata alla traccia (solitamente 1:5000), e successivamente dimensionare le tubazioni della rete interna. Dopo aver disegnato la rete, essa va sconnessa risultando trasformata da multimagliata chiusa ad aperta. Si tenga presente che, nei punti in cui la rete interna viene sconnessa, si sta implicitamente ipotizzando che la portata sia nulla e che, quindi, la quota piezometrica sia minima. Per questo motivo, poi, imponendo che la perdita di carico totale sia non superiore a 15 m, ci si assicura che in tali punti la quota piezometrica sia comunqe sufficiente a garantire l’approvvigionamento idrico delle utenze più sfavorite. All’atto pratico, per dare vita ad un dimensionamento che possa poi superare le verifiche, è necessario sconnettere la rete in corrispondenza dei punti maggiormente critici, ad esempio quelli più lontani dal serbatoio di accumulo e quelli posti a quota più elevata. Per ogni tratto, va calcolata prima la portata che la singola condotta è chiamata ad erogare in maniera continua (q = Azona serv. * Dens * dot.idr. * cp / 86400), e poi la portata equivalente che restituisce le stesse perdite di carico (Q eq = 0,57*q + QOUT). Risalendo da valle verso monte devono essere calcolate le portate defluenti in tutti i tratti; dopodichè si applica il METODO DI FOLTZ che, nota la perdita di carico totale pari a 15-20 m, consente di calcolare la costante economica e da lì le perdite di carico tratto per tratto e di conseguenza il diametro. N.B.: Il diametro commerciale scelto non deve essere mai inferiore ai 100-150 mm ed è bene non scegliere più di 4-5 serie commerciali. - Verifica della rete Si tratta adesso di verificare il funzionamento della rete idrica modellata, in tale fase, come realmente si presenta ovvero come una rete pluriconnessa. Le verifiche da effettuare sono 3: 1. VERIFICA ALLA PUNTA Quando in ogni tratto della rete defluirà una portata pari alla portata media moltiplicata per il coefficiente di punta bisogna verificare che il cielo piezometrico sulla rete sia adeguato ovvero non tagli gli edifici. Quindi il carico dovrà necessariamente superare di 10 m la copertura degli edifici. Per inserire facilmente il coefficiente di punta in epanet possiamo andare in: Project → Default → hydraulics → demand multiplier 2. VERIFICA ANTI-INCENDIO Qualora nel centro abitato si sviluppi un certo numero di incendi bisogna assicurare in tale situazione che la rete sia in grado di erogare la portata necessaria al loro spegnimento e contemporaneamente l’80% della portata media, con un intervallo di pressioni adeguato tale che nei punti di erogazione della portata anti-incendio la pressione non sia inferiore a 15 m sul piano stradale e nel centro abitato la pressione rispetto alla copertura degli edifici non sia inferiore ai 10 m. Sapendo che per estinguere un incendio servono 12 l/s (2 montanti di 6 l/s ciascuna), si calcola la portata anti-incendio utilizzando la formula del Conti, secondo cui Q = [6*(Nab/1000)^0,5], la quale va successivamente divisa per 12 l/s; in tal modo, è possibile ricavare il numero di incendi (approssimato all’intero maggiore) che probabilmente potrà verificarsi contemporaneamente nel centro abitato in base all’entità della popolazione. Se ad esempio n = 2, vanno previsti nella rete 2 punti in cui vi saranno delle erogazioni concentrate di 12 l/s (le erogazioni devono essere localizzate nei punti più a valle della rete). In questi punti vanno collocati gli idranti stradali, i quali in linea generale non devono essere collocati ad una distanza superiore ai 50-100 m l’uno dall’altro. 3. VERIFICA ROTTURA Si ipotizza che vada fuori-servizio una delle tubazioni più importanti della rete (ad esempio una di quelle che ha per nodo iniziale l’intersezione tra la condotta di avvicinamento e la rete interna; in generale si deve ipotizzare che risulti fuoriservizio la tubazione che presenta la maggiore resistenza idraulica). Quindi, all’interno del codice EPANET, in “properties” il tratto considerato viene fissato come closed ed in tale condizione si verifica che, in presenza della portata media giornaliera, si instauri un adeguato cielo piezometrico tale che il carico sopra la copertura degli edifici non sia inferiore a 10 m. IMPOSTAZIONI INIZIALI EPANET Il primo passo è creare un nuovo file di progetto Epanet e modificare alcune tra le impostazioni iniziali più importanti. Quindi: (1) FILE → NEW (2) PROJECT → DEFAULTS SI apre una finestra di dialogo in cui interessa principalmente la sezione “Hydraulics”, al cui interno va fissato il sistema di misura della portata (LPS ovvero litri e secondi che porta poi a ragionare nell’ambito del sistema di misura internazionale e non americano) e la formula di resistenza che il programma utilizzerà (H-W ovvero Hazen-Williams, D-W cioè Darcy-Weisbach e C-M ovevro Chezy-Manning). Si tenga presente che Epanet calcola la perdita di carico per attrito all’interno della generica condotta secondo la formula generica hL = a*qb in cui hL è la perdita di carico, a il coefficiente di resistenza e b l’esponente della portata; coefficiente ed esponente cambiano a seconda della formula di resistenza utilizzata ed Epanet consente di scegliere tra le seguenti relazioni: Hazen-Williams, Darcy-Weisbach, Chezy-Manning. Per caratterizzare i coefficienti da utilizzare a seconda della formula adottata, è possibile aprire la guida di Epanet ed estrarre la particolare espressione del coefficiente di resistenza, oltre al coefficiente di scabrezza ed al particolare esponente della portata. Si tenga presente che nella guida i valori dei coefficienti di scabrezza sono eccessivamente “generosi” e, quindi, sarebbe opportuno ricavare tali valori da fonti bibliografiche più autorevoli. Epanet consente anche di imporre eventualmente perdite di carico concentrate in particolari punti della rete come curve, valvole o contatori. In “Properties” ci sono invece le caratteristiche geometriche che verranno assegnate di default ad ogni tubazione che verrà disegnata. Il passo successivo è adesso decidere le opzioni di visualizzazione degli elementi della rete idrica che sarà disegnata. Allora: (3) VIEW → OPTIONS Si apre una finestra di dialogo in cui è possibile decidere la grandezza del pallino che contraddistingue il generico nodo e della linea che rappresenta il tratto, stabilire se per ogni nodo e tratto il programma debba mostrare anche il suo id e/o il suo valore. In “background” viene impostato il colore dello sfondo. Infine, le Flow arrows sono le freccette indicative del verso di percorrenza della portata. L’ultima operazione preliminare è costituita dall’impostazione dei parametri di scala della rete. Quindi: (4) VIEW → DIMENSIONS Nella finestra che appare sono indicate le dimensioni della mappa di lavoro, dove sarà disegnata la rete, mentre sotto in “Map units” viene definita l’unità di riferimento della dimensioni della mappa. Impostare metri. SCHEMATIZZAZIONE RETE IDRICA La rete idrica considerata va vista come composta da archi o connettori, chiamati Links nel programma, connessi poi tra di loro da nodi (Nodes): 1) I links possono essere costituiti da tubi ma anche da pompe o valvole. Nel caso in esame i links saranno costituiti da condotte, che nel programma sono indicate specificamente col nome Pipes. Ciò che caratterizza il moto di un fluido all’interno di un tubo è naturalmente l’entità della portata e la direzione del flusso, la quale naturalmente va dall’estremità a carico maggiore a quella a carico minore. 2) I nodes rappresentano i punti di giunzione tra i vari links. Quando verrà costruita la rete idrica sarà necessario assegnare ad ogni nodo la sua quota geometrica rispetto al livello del mare, in maniera tale che il programma possa poi calcolare la quota piezometrica in ogni nodo. Si tenga presente che sono considerati nodi anche le costerne (Tanks) ed i serbatoi (Reservoirs). I primi sono a livello variabile, i secondi a livello costante. Quindi il serbatoio di accumulo dovrà appunto essere rappresentato come un Reservoir, in quanto nodo di estremità iniziale della rete costituito da un serbatoio a livello invariabile. 3) Epanet ipotizza che qualunque condizione di funzionamento della rete resti costante per un intervallo di tempo chiamato hydraulic time-step (da default fissato pari ad un’ora ma in ogni caso modificabile). Si tenga presente che la rete idrica interna si presenta, da un punto di vista topologico, come una rete pluriconnessa, cioè una rete multi-magliata chiusa con l’eventuale presenza di tratti ad antenna che hanno inizio dai nodi d’estremità della nostra rete. Si ricorda, a tal proposito, che è conveniente disegnare una rete interna in maniera che le tubazioni principali corrino lungo le strade più importanti del centro abitato e facendo attenzione a limitare a 5-6 il numero di maglie interne. E’ chiaro, poi, che dalla rete principale avrà poi inizio la rete secondaria ovvero il sistema di condotte che serve direttamente le singole utenze. Vale: L – M + 1 = N. DISEGNO DELLA RETE Per disegnare la rete utilizziamo il mouse ed i comandi che appaiono nella barra sopra (per far uscire la barra andare su VIEW → TOOLBARS → MAPS). Dunque, è possibile anzitutto inserire il serbatoio di accumulo, premendo su Reservoir. Poi, utilizzando il comando “add junction” vengono di volta in volta inseriti i nodi. In base a quanto impostato inizialmente, vicino al serbatoio ed a ogni nodo comparirà l’ID. Successivamente vanno disegnate le tubazioni, utilizzando il comando “add pipe” ed il mouse per collegare i due nodi desiderati. E’ possibile eventualmente cliccare col tasto sinistro su un nodo per spostarlo nel nuovo punto desiderato oppure, premendo il comando “add label”, inserire una casella di testo che riporta la label dell’elemento (ad esempio una particolare specifica relativa il serbatoio di accumulo) che poi può essere spostata premendo sulla freccetta “add object”. Tutti gli elementi inseriti, siano essi pipes, junctions o labels, sono riportati nel finestra browser a destra. N.B.: Conviene, al momento del tracciamento della rete, disegnare ogni tratto con il suo relativo punto medio. DATI INIZIALI DI IMPUT Dato il centro abitato i dati di imput necessari sono: - Diametro, lunghezza e coefficiente di scabrezza di tutti i tubi - Quota geometrica di tutti i nodi - Livello idrico nel serbatoio di accumulo (Reservoir) - Popolazione del centro abitato - Portata richiesta tubazione per tubazione Per calcolare le portate da erogare in maniera continua e puntuale nella rete, il dato inizialeè costituito dalla popolazione. Il valore del numero di abitanti è frutto di una proiezione cinquantennale ISTAT e, verosimilmente, nel centro abitato da servire potrebbero esserci anche aree agricole. Allora, al numero totale di abitanti vanno sottratte la aliquota frutto della proiezione che sarà assegnata ad un’eventuale area di espansione e l’aliquota costituita dalla popolazione residiente nelle aree rurali. Allora, dividendo per le rispettive superfici, si ottengono i 3 valori della densità abitativa. A questo punto ci sono essenzialmente due situazioni: 1) CENTRO ABITATO: si divide il centro in varie fasce secondarie d’utenza, ognuna delle quali è servita da una tubazione principale. Moltiplicando la densità del centro per la superficie di una certa fascia si ottiene il numero di abitanti che a sua volta, moltiplicato per la dotaz. idrica e diviso per 86400, fornisce la portata da fornire. Per modellare l’erogazione della portata all’interno del programma, si utilizza la portata concentrata che viene assegnata come erogazione puntuale nel punto medio di ogni tratto. 2) AREA AGRICOLA o AREA DI ESPANSIONE: dalla conoscenza delle due frazioni di numero di abitanti si ricavano la corrispondente portata che viene considerata alla stregua di una erogazione concentrata da un nodo della rete. Naturalmente queste portate vanno moltiplicate anch’esse per il corrispondente coefficiente di punta. DEFINIZIONE PROPRIETA’ OGGETTI Vanno adesso definite le caratteristiche di ciascun elemento. Per farlo è possibile: - Cliccare due volte sull’elemento; - Cliccare col tasto destro e selezionare “properties” - Selezionare l’elemento dalla finestra di browser e cliccare due volte sullo stesso - Selezionare l’elemento dalla finestra di browser e cliccare in basso sul comando edit In tutti i casi, apparirà la finestra di dialogo delle proprietà. Le proprietà cambiano a seconda dell’elemento: - - - NODO: - elevation: quota geometrica del nodo - base demand: portata nel nodo considerato che può essere positiva (se è una portata da fornire) o negativa (se si tratta invece di una portata immessa dall’esterno nella rete). LINK - lenght: lunghezza del tratto in metri (SI) - diameter: diametro in millimetri (SI) - roughness: coefficiente di scabrezza - status: infatti una tubazione può essere open, closed o CV (nel qual caso il tratto è caratterizzato dall’installazione di una valvola di controllo e quindi il verso di percorrenza del fluido nella tubazione risulta imposto). Successivamente, si vedrà che l’opzione “status” servirà al momento di effettuare la verifica in cui una o più tubazioni sono fuoriservizio. RESERVOIR - Total head: quota del pelo libero nel serbatoio N.B.: dopo aver inserito ogni proprietà premere INVIO SALVATAGGIO ed APERTURA PROGETTI Per salvare il progetto: NEW → SAVE oppure SAVE AS. Per aprire il file successivamente è preferibile aprire il programma Epanet e poi aprire il file da FILE → OPEN. SINGOLA ANALISI E VISIONE RISULTATI Per far girare la singola analisi premere PROJECT→ RUN ANALYSIS oppure cliccare sul comando “run” (il simbolo è il fulmine). La analisi può avere avuto esito positivo (“run was successful”) o negativo (“run was unsuccessful”). Nel secondo caso appare una finestra di report dove sono indicati i problemi riscontrati dal codice di calcolo (ad esempio, tubazioni per le quali non è stato specificato il diametro o il coefficiente di scabrezza) . Nel primo caso invece si può procedere ad una visione dei risultati secondo uno tra i seguenti modi: - Nella finestra browser: MAP → NODES → PRESSURE ed appaiono i nodi colorati secondo quella che è la classificazione pressione-colore definita dalla legenda. Per definire tala classificazione e quindi modificare la legenda: VIEW → LEGENDS → MODIFY →NODES oppure cliccare col tasto destro sulla legenda che appare sullo schermo. - Cliccare sull’elemento e nella lista delle sue proprietà sono rintracciabili quelle che sono le caratteristiche calcolate alla fine della lista, riportate in colore giallo. - E’ possibile anche creare una lista dei risultati andando su REPORT → TABLE oppure cliccando sul comando Table che c’è nella barra dei comandi. In entrambi i casi, compare la finestra in cui nella sezione Type si definisce se si desidera visionare i risultati relativi alle caratteristiche calcolate per i nodi o per i link, in columns sono scelte le informazioni che si intende far comparire ed in filters eventuali vincoli che possono caratterizzare i dati in output (per esempio, non si vuole che compaiano quote inferiori a “tot” metri). - I risultati possono anche essere visionati su grafico a colori. In questo caso bisogna andare su REPORT → GRAPH. Appare una finestra in cui nella sezione “graph type” si decide che tipo di grafico ricavare (ad esempio il contour plot è proprio il grafico a colori) mentre nella sezione “object type” si sceglie se il grafico si deve riferire alla caratterizzazione di una delle proprietà dei nodes o dei links. Le proprietà che, preferibilmente, vanno visualizzate sono: pressure (altezza piezometrica), elevation (quota geometrica), demand (portata richiesta), head (carico). ESPORTAZIONE Per esportare i risultati andare su: FILE → EXPORT → - MAP: da qui è possibile esportare direttamente in formato metafile oppure in dxf (che poi può essere aperto con AUTOCAD) uno snapshot di ciò che è visionato nella network map. - SCENARIO: si esporta un file che poi può essere aperto col blocco note in cui è possibile selezionare i parametri da inserire tra: nodal demands; pipe diameters; pipe roughness; reaction coefficients; initial quality e controls. - NETWORK: si esporta un file che poi può essere aperto col blocco note in cui sono inseriti per ogni nodo e tratto le principali caratteristiche geometriche ed idrauliche. FORMULARIO Scimemi-Veronese → J H 1.82 0.00145 Qp D 4.71 → ACCIAIO L Coefficiente di invecchiamento compreso tra 1,1 ed 1,5 Darcy-Weisbach → J H 5 Qp 2 → GHISA L D Coefficiente di invecchiamento pari a 2 Gauckler-Strickler → V kst J 1/ 2 Rh 2/ 3 Vedi tabella per il Kst Darcy-Weisbach con Blasius → J 0, 00079 Qp1,75 D4,79 → MATERIALI PLASTICI Coefficiente di invecchiamento pari a 1,1-1,2 FORMULE DI EPANET: J H A QB L Hazen-Williams →J H 4, 727 C 1,852 Q1,852 D 4,871 C è adimensionale L Chezy-Manning →J H 4, 66 n2 Q 2 D 5,33 n è adimensionale L Darcy-Weisbach →J H 0, 0252 f ( ,Re) Q 2 D 5 D L ε NON è adimensionale ma è valutato in Epanet in [piedi] Scabrezza in sabbia equivalente (tratto da Richter 1971) Tipo di tubazione e materiale Condizioni delle pareti e note particolari [mm] Tubazioni trafilate in rame o ottone, tubi di vetro Tecnicamente lisce; condizione valida anche per parete rivestita o trattata (rame, nickel, cromo) Tubazioni plastiche Nuove Tubazioni in acciaio senza giunti trafilate nuove Rivestimento normale per centrifugazione Con ruggine Senza ruggine Acciaio inox prodotto per fusione Zincatura Zincatura commerciale 0.02 - 0.06 Tubazioni in lamiera saldata, nuove Rivestimento normale per centrifugazione Bitumate Rivestimento cementizio Galvanizzato, per condotte in pressione 0.04 - 0.10 0.00135 0.00152 0.0015 - 0.0070 0.03 - 0.04 0.03 - 0.06 0.08 - 0.09 0.07 - 0.10 0.10 - 0.16 0.01 - 0.05 ≈ 0.18 ≈ 0.008 Tubazioni in acciaio, usate Ruggine con tubercolizzazione ≈ 0.15 uniforme Lievemente arrugginita, con leggere incrostazioni 0.15 - 0.40 Significative incrostazioni ≈ 0.15 Fortemente incrostata 2-4 Ripulita dopo lungo periodo di 0.15 - 0.20 esercizio Bitumate, parzialmente degradate, ≈ 0.1 con ruggine In uso corrente da molti anni ≈ 0.5 Presenza di depositi stratificati ≈ 1.1 25 anni di servizio, tubercolizzazione diffusa e presenza ≈ 2.5 di depositi Tubazioni in ghisa Nuove, con rivestimento normale 0.2 - 0.3 Nuove, con rivestimento bituminoso 0.1 - 0.13 Usate, con ruggine 1 - 1.5 Con tubercolizzazione diffusa 1.5 - 4 Ripulita dopo lungo periodo di 0.3 - 1.5 esercizio Canalizzazioni fognarie ≈ 1.2 Fortemente incrostate 4.5 Tubazioni in cemento Nuove, prefabbricate, ben lisciate Nuove, prefabbricate, mediamente scabre Nuove, prefabbricate, scabre Nuove, rivestimento cement. centrifugato ed intonacato 0.3 - 0.8 1-2 2-3 0.1 - 0.15 Nuove, rivestimento cement. centrifugato non intonacato 0.2 - 0.8 Valore medio per raccordi con giunti 0.2 Valore medio per raccordi senza 2.0 giunti Tubazioni in cemento amianto Nuove, lisce Tubazioni in gres Nuove, collettori fognari Nuove, realizzati con mattoni d’argilla 0.03 - 0.10 ≈ 0.7 ≈9 Scabrezza in sabbia equivalente (tratto da Idel’cik 1979) Gruppo Tipo di materiale I II III Caratteristiche della superficie e condizione di esercizio Tubazioni trafilate di ottone e rame tecnicamente lisce alluminio tecnicamente lisce Tubi trafilati in nuove acciaio ripulite dopo alcuni anni di esercizio Senza giunti saldati con rivestimento bituminoso tubazioni per acqua calda tubazioni per oleodotto, condizioni normali presenza di ruggine con depositi oleosi acquedotto in uso corrente con depositi e/o incrostazioni superfici fortemente incrostate Tubi in acciaio nuovi o usati, in buone condizioni, saldati presenza di saldature o chiodature nuove, rivestimento bituminoso in servizio corrente, lieve tubercolizzazione in serv. corrente, tubercolizzazione diffusa saldature poco intrusive, ma con superfici in condizioni precarie [mm] 0.0015-0.01 0.015-0.06 0.02-0.10 fino a 0.04 fino a 0.04 0.20 0.20 ≈ 0.40 1.2-1.5 ≈ 3.0 ≥ 5.0 0.04-0.10 ≈ 0.05 ≈ 0.10 ≈ 0.15 0.3-0.4 Scabrezza in sabbia equivalente (tratto da ASCE 1969) Materiale TUBAZIONI cemento amianto mattoni ghisa sferoidale calcestruzzo, gettato in opera Condizioni/Note nuove, sfoderate nuove, con rivestimento bituminoso nuove, con rivestimento cementizio tecnicamente lisce tecnicamente scabre calcestruzzo, prefabbricato tubazioni corrugate tecnicamente scabre Con rivestimento del fondo Rivestite con catrame tubazioni plastiche tecnicamente lisce tubazioni in terracotta e gres 1/3 -1 [mm] 1/n [m s ] 0.3 - 3 1.5 - 6 0.25 0.12 67 - 91 58 - 77 – – 0.3 - 3 67 - 91 0.3 - 1.5 70 - 83 1.5 - 6 0.3 - 3 30 - 60 10 - 30 0.3 - 3 3 0.3 - 3 58 - 67 67 - 91 38 - 45 45 - 55 67 - 90 70 - 90 70 - 90 1/3 –1 Coefficienti di scabrezza 1/n [m s ] ( Chow 1959) Tipo di tubazione ghisa, senza rivestimento ghisa, con rivestimento acciaio gres ceramico calcestruzzo calcestruzzo intonacato muratura mattoni muratura intonacata rivestimento in calcestruzzo muratura a pietra viva muratura a secco ALTRE TABELLE COEFFICIENTE DI SCABREZZA Condizione della parete buona normale degradata 85 90 75 90 85 90 75 85 90 85 60 40 70 85 65 75 65 85 65 65 75 65 50 30 65 75 60 65 60 75 60 60 65 55 35 25
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