Obiettivi formativi
Conoscenze e capacità di comprensione:
Nell’ambito dell’insegnamento lo studente apprenderà nozioni complementari e avanzate relative alla meccanica delle onde di gravità, al trasporto solido, all’Idraulica delle correnti a superficie libera.
Competenze:
Lo studente maturerà la capacità di applicare la modellistica matematica a problemi tipici dell'ingegneria civile e ambientale, quali quelli di progettazione e verifica di opere di protezione delle coste e di opere fluviali e di ingegneria idraulica.
Autonomia di giudizio:
Lo studente acquisirà strumenti avanzati e svilupperà una capacità critica adeguati per analizzare ed affrontare in maniera autonoma problemi inerenti alla morfpdinamica delle coste, alle correnti a superficie libera.
Capacità comunicative:
Al termine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di esporre le conoscenze acquisite e i risultati delle analisi con adeguata padronanza e buona proprietà di linguaggio.
Prerequisiti
Conoscenze di base di Analisi, Meccanica Razionale, Idraulica.
Contenuti dell'insegnamento
Nell’insegnamento di Idraulica Ambientale e Costiera (I modulo) si affronta lo studio delle onde per quanto attinente alla dinamica dei litorali, estendendo l’analisi alla generazione di correnti, al trasporto solido, alla morfodinamica.Nel II modulo si approfondisce lo studio delle correnti a superficie libera con particolare riguardo a problemi applicativi che rivestono notevole importanza nello studio della dinamica dei sistemi ambientali.
Programma esteso
I modulo
ASPETTI IDRAULICI DI BASE. Richiami di idraulica. Equazione di continuità ed equazione del moto. Moti irrotazionali. La fascia costiera. Oscillazioni del livello marino: definizioni e concetti. Rappresentazione del moto ondoso. Onde regolari ed irregolari. Equazioni di continuità e del moto in forma differenziale. Condizioni al contorno. Moti a potenziale. Integrazione dell’equazione del moto. Integrale di Cauchy-Lagrange e teorema di Bernoulli per moti vari irrotazionali.
TEORIE D’ONDA REGOLARE. Dominio reale. Equazione di continuità ed equazione del moto in funzione del potenziale di velocità. Condizioni al contorno. Teoria lineare. Equazioni del moto semplificate. Soluzione delle equazioni semplificate. Relazione di dispersione. Celerità di propagazione delle forme d’onda. Andamento delle velocità euleriane e della pressione lungo la verticale. Traiettorie delle particelle. Onde in acque profonde, in acque di transizione ed in acque basse. Verifica delle ipotesi di linearizzazione delle equazioni del moto. Gruppi d’onda. Celerità di gruppo e celerità di fase. Energia potenziale, energia cinetica ed energia meccanica. Propagazione dell’energia meccanica. Teorie d’onda di ampiezza finita. Non linearità del sistema risolutivo e cenni ai metodi perturbativi. Teorie d’onda di Stokes. Soluzione come successione di funzioni iterative. Teoria di Stokes al secondo ordine. Trasporto di massa. Parametro di Ursell. Cenni alle teorie d'onda cnoidale e solitaria.
PROPAGAZIONE DEL MOTO ONDOSO - FONDO. Shoaling. Shoaling lineare. Rifrazione. Legge di Snell e cenni ai metodi differenziali. Coefficiente di rifrazione. Rifrazione diretta e rifrazione inversa. Frangimento. Criterio di Stokes. Frangimento tipo spilling, plunging e collapsing-surging.
INTERAZIONE MOTO ONDOSO - STRUTTURE Riflessione. Onda stazionaria. Oscillazioni del pelo libero e distribuzione della pressione lungo la verticale. Riflessione in bacini chiusi. Diffrazione. Principio di Huygens. Equazioni di Helmholtz. Coefficiente di diffrazione. Soluzioni grafiche per barriere semi-infinite.
IL MOTO ONDOSO REALE. Statistica a breve termine. Metodo zero-crossing. Distribuzione Gaussiana delle oscillazioni del pelo libero e distribuzione Rayleighiana delle altezze d’onda. Altezze d’onda. Periodi caratteristici. Metodo spettrale. Spettro di ampiezza e spettro di energia. Densità spettrale di energia. Momenti spettrali e correlazioni con le analisi zero-crossing e Rayleighiana. Spettri parametrici: JONSWAP e Pierson-Moskowitz. Cenno agli spettri direzionali Statistica a medio termine. Distribuzioni congiunte "altezze d'onda - direzioni". Statistica a lungo termine. Onde estreme e distribuzioni asintotiche. Stime dei parametri. Periodo di ritorno e pericolosità idraulica. Onda di progetto. Misura del moto ondoso. Misure a vista. Misure strumentali e misure a distanza. La rete ondametrica italiana.
RICOSTRUZIONE DEL MOTO ONDOSO. Processi di generazione. Equazione dell’energia. Il modello di Phillips ed il modello di Miles. I modelli spettrali. Fetch geografico, fetch effettivo e fetch efficace. Stima dei venti. Il metodo SMB.
PROCESSI COSTIERI. Fattori ambientali: onde, correnti, maree e vento. Parametri che caratterizzano un litorale e velocità di caduta dei sedimenti. Effetti del moto ondoso sui litorali. Onde e trasporto dei sedimenti. Fattori che determinano il clima del moto ondoso in prossimità della linea di costa. Principio di conservazione della quantità di moto mediato sul periodo d’onda. Conservazione della spinta totale. L’eccesso di spinta indotto da una perturbazione ondosa ovvero il radiation stress. Il tensore radiation-stress. Equazioni bidimensionali di continuità e della quantità di moto mediate lungo la verticale (2DH). Set-down e Set-up d’onda. Correnti cross-shore. Correnti long-shore indotte dal moto ondoso, dalle maree e dal vento. Resistenze al fondo. Correnti long-shore indotte dal moto ondoso. Richiami sul trasporto solido dei sedimenti. Il trasporto solido long-shore. Formule del CERC. Il modello di Deigaard e Fredsøe. Il trasporto solido cross shore. Profili di equilibrio.
PROTEZIONE DELLE COSTE. Il problema dell'erosione dei litorali. Interventi rigidi ed interventi morbidi. Le opere di difesa. Pennelli. Aspetti idraulici e criteri di progetto. Barriere frangiflutti. Aspetti idraulici. Formazione di tomboli. Stima del coefficiente di trasmissione. Aspetti tecnico-costruttivi. Modalità di collasso. Stabilità delle opere a gettata. Formula di Hudson. Formule di Van der Meer. Parametri di progetto. Criteri di dimensionamento. Ripascimenti artificiali. Criteri generali. Stima dei volumi. Modelli ad una linea.
II modulo
Complementi di moto uniforme delle correnti a superficie libera.
Richiami sulle equazioni del moto uniforme. Formule di resistenza. Richiami sulle caratteristiche energetiche del moto. Numero di Froude. Scala delle portate di moto uniforme per sezioni compatte e composite. Calcolo della scabrezza equivalente per sezioni con scabrezza variabile lungo il contorno.
Complementi di moto permanente delle correnti a superficie libera. Equazioni del moto permanente in alveo prismatico. Richiami sui profili del pelo libero. Condizioni di moto non lineare indotte dalla presenza di singolarità: corrente su salto di fondo; corrente attraverso un restringimento. Misuratori di portata nei canali: canale Venturi. Effetti di imbocco e di sbocco nei canali; problema di determinazione della portata defluente. Cambi di direzione: corrente in curva. Calcolo idraulico di una confluenza. Correnti a portata variabile lungo il percorso: canali di gronda e sfioratori laterali.
Complementi di moto vario delle correnti a superficie libera. Equazioni del moto vario. Problema di dam-break. Onde di traslazione a fronte ripido; trasformazione del fronte d’onda provocata da una discontinuità della sezione del canale; propagazione di un’onda a fronte ripido su alveo pendente; attenuazione di un’onda a fronte ripido lungo una soglia sfiorante.
Similitudine nelle correnti a pelo libero. Modelli a fondo fisso.
Bibliografia
Longo, S., 2011. Appunti di Idraulica Marittima – Parte 1. Eliofototecnica Barbieri Parma, ISBN 978-88-64450-18-6
Tomasicchio, U., 1998. Manuale di Ingegneria Portuale e Costiera, BIOS, ISBN 88-7740-243-1
V. T. Chow. “Open Channel Hydraulics”. McGraw-Hill, New York (1959).
F. M. Henderson. “Open Channel Flow”. MacMillan Publishing Co., New York (1966).
Mechanics of coastal sediment transport – Deigaard R. & Fredsøe J., Advanced Series on Ocean Engineering, World Scientific, Singapore, 1992.
Random seas and design of maritime structures – Goda Y., Advanced Series on Ocean Engineering, World Scientific, Singapore, 2000.
Materiale didattico:
Diapositive proiettate durante le lezioni e materiale didattico vario (scaricabili dalla pagina web del corso sul portale elly.dicatea.unipr.it).
Metodi didattici
I modulo:
La parte teorica del corso verrà illustrata mediante lezioni frontali avvalendosi di un PC tablet connesso a videoproiettore, utilizzato come lavagna elettronica. Le lezioni frontali saranno integrate da video educational. Una parte del corso è riservata alle esercitazioni analitiche e numeriche.
II modulo:
Il corso si articola principalmente in lezioni frontali alla lavagna (con l'ausilio eventuale della proiezione di diapositive) per la presentazione degli aspetti teorici e dei temi di approfondimento. Nel corso delle esercitazioni (al calcolatore) vengono affrontati numericamente problemi di interesse applicativo. Tipicamente è prevista una visita tecnica ad un'opera di ingegneria idraulica affinché lo studente maturi una consapevolezza diretta della valenza applicativa della materia.
Modalità verifica apprendimento
L’esame consiste in una prova orale.
Elementi di valutazione:
- domande teoriche (conoscenza, comprensione);
- applicazioni della teoria/esempi applicativi (competenza, autonomia di giudizio);
- proprietà di esposizione (capacità comunicativa).
Altre informazioni
E’ vivamente consigliata la frequenza del corso
