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IDRAULICA AMBIENTALE E COSTIERA (1° MODULO)
Obiettivi formativi
Conoscenze e capacità di comprendere:
Alla fine del percorso dell’insegnamento lo studente dovrà conoscere i principali aspetti teorici per lo studio dei processi costieri.
Competenze:
Lo studente dovrà essere in grado di descrivere il processo fisico con l’uso dell’analisi matematica; di individuare i parametri del processo separandoli dalle variabili; di risolvere i casi applicativi, eseguendo le verifiche a vantaggio di sicurezza.
Autonomia di giudizio:
Lo studente dovrà possedere gli strumenti per valutare in maniera critica l’applicabilità dei modelli acquisiti o la necessità di ricorrere a modelli più avanzati e dettagliati.
Capacità comunicative:
Lo studente dovrà possedere l’abilità di presentare in maniera chiara i risultati dell’analisi, sia oralmente che in forma scritta, anche mediante l’utilizzo di tabelle e grafici.
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.
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 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.
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 Idraulica, Analisi matematica, Geometria, Meccanica Razionale, Fisica.
Conoscenze di base di Analisi, Meccanica Razionale, Idraulica.
Contenuti dell'insegnamento
Il corso fornisce allo studente concetti avanzati di Idraulica e di Meccanica dei Fluidi nei processi costieri. L’allievo viene messo in grado di risolvere alcuni problemi tecnici di Idraulica Ambientale, con l'applicazione di modelli concettuali, modelli numerici e fisici. Sono previste cinque esercitazioni numeriche allo scopo di dimostrare concretamente alcuni aspetti degli argomenti trattati. E' prevista una visita al laboratorio di Idraulica.
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.
Programma esteso
6 CFU comuni agli Allievi di Ingegneria Civile (I modulo) e di Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio, totale 42 h di lezione frontale
Lezione 1: Capitolo 1 - Oceanografia fisica, 1.1 Nozioni generali, 1.2 ldrosfera, 1.2.1 Livello del mare, 1.2.2 Determinazione del livello medio del mare, 1.2.3 Rilievo del fondo del mare, 1.3 L'acqua del mare, 1.4 Le Carte Nautiche (13 pp.)
Lezione 2: Capitolo 2 - Generazione e caratteristiche del venti –Traversie, 2.1 lntroduzione, 2.2 Definizioni, 2.3 Generazione del venti, 2.4 Vento geostrofico. Vento di gradiente. Vento reale, 2.5 Vento in superficie per Ia previsione delle onde, 2.5.1 Andamento della velocità lungo Ia verticale, 2.5.2 Correzione per differenza di temperatura aria-mare, 2.6 Fattore di forza del vento (14 pp.)
Lezione 3: Capitolo 3 - Le informazioni sui venti e sulle onde, 3.1 Premessa, 3.2 Campo di vento sull'area di generazione del moto ondoso Definizione di fetch, 3.3 Valutazione del campo di vento, 3.3.1 Direzione del vento, 3.3.2 Velocità del vento, 3.3.3 Durata del vento, 3.3.4 Lunghezza del fetch, 3.4 Sulla valutazione delle caratteristiche del vento, 3.5 I dati di vento e di mare in ltalia, 3.5.1 La raccolta dei dati anemologici, 3.6 Reperibilità dei dati ondametrici (15 pp.)
Lezione 4: Capitolo 4 - Le onde generate dal vento, 4.1 Formazione delle onde da vento, 4.2 Superficie ondosa del mare, 4.3 Funzione di distribuzione delle altezze d'onda, 4.4 Funzione di distribuzione del periodo d'onda (12 pp.)
Esercitazione 1: calcolo del fetch, del fetch efficace. Calcolo dell’altezza d’onda sulla base dei dati di vento. Ricostruzione della statistica delle onde e dei venti: vento dominante, regnante.
Lezione 5: 4.5 Spettro di energia dell'onda (analisi nel dominio delle frequenze), 4.6 Spettri di energia comuni, 4.7 Spettro d'onda direzionale (12 pp.)
Lezione 6: Capitolo 5 - Descrizione e analisi del moto ondoso, 5 1 Premesse, 5 1 1 Metodi a scala puntuale, 5 1 2 Metodi a scala globale, 5 2 La trasposizione geografica dei dati del clima ondoso, 5 2 1 Applicazione del metodo con trasposizione dei dati del clima ondoso dalla boa di Crotone al paraggio di Taranto (12 pp.)
Lezione 7: Capitolo 6 - Statistica dei valori estremi delle altezze d'onda, 6.1 Clima ondoso media annuale, 6.2 Clima ondoso estremo, 6.2.1 Analisi dei valori estremi delle altezze significative (11 pp.)
Lezione 8: 6.2.2 II metodo di Goda, 6.2.3 Previsione degli stati di mare in tempi lunghi mediante il concetto di mareggiata triangolare equivalente, 6.3 Vita di progetto e probabilità di accadimento, 6.4 Utilizzo dello spread parameter in paraggi poveri di dati ondametrici (12 pp.)
Lezione 9: Capitolo 7 - Meccanica del moto ondoso regolare, 7.1 lntroduzione, 7.2 Classificazione delle onde, 7.3 Equazione fondamentale del moto vario a potenziale, 7.3.1 Le condizioni al contorno, 7.4 Teoria dell'onda progressiva di piccola ampiezza, 7.5 Relazione di dispersione lineare (onda progressiva), 7.6 La profondità relativa (13 pp.)
Lezione 10: 7.7 L'onda stazionaria, 7.8 Gruppi d'onda, 7.9 L'energia dell'onda, 7.10 II flusso media di energia o potenza dell'onda, 7.11 Teoria dell'onda di ampiezza finita - Teoria non lineare, 7.11.1 Teoria di Stokes di ordine superiore, 7.11.2 La teoria dell'onda lunga (L/H»1) (12 pp.)
Esercitazione 2: analisi zero-crossing, statistica delle creste e dei cavi, statistica dei periodi, calcolo del mean water level.
Lezione 11: Capitolo 8 - Trasformazione delle onde nella propagazione, 8.1 Premessa, 8.2 Processi a cui è soggetta l'onda, 8.3 Lo shoaling, 8.4 La rifrazione, 8.4.1 II caso delle batimetriche rettilinee e parallele, 8.4.2 II caso delle batimetriche irregolari, 8.4.3 Costruzione grafica del piano d'onda (14 pp.)
Lezione 12: 8.5 La diffrazione, 8.6 Diffrazione e rifrazione combinate, 8.7 Frangimento (13 pp.)
Lezione 13: 8.7.1 Funzione di distribuzione nella zona dei frangenti, 8.8 Set-down e set-up, 8.9 Radiation stress, 8.10 Riflessione, 8.10.1 Riflessione di
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 traspo
Bibliografia
Tomasicchio, U., 1998. Manuale di Ingegneria Portuale e Costiera, BIOS, ISBN 88-7740-243-1
Approfondimento:
Longo, S., 2011. Appunti di Idraulica Marittima – Parte 1. Eliofototecnica Barbieri parma, ISBN 978-88-64450-18-6
Longo, S., 2011, Analisi Dimensionale e Modellistica Fisica – Principi e Applicazioni alle Scienze Ingegneristiche. Springer & Verlag Italia, Collana UNITEXT Ingegneria. ISBN 978-88-470-1871-6
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
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.
Metodi didattici
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.
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.
Modalità verifica apprendimento
L’esame consiste in una prova orale su tutti gli argomenti del programma. La durata della prova è >= 0.5 h con almeno tre domande su argomenti differenti.
Elementi di valutazione: domande teoriche (conoscenze e comprensione), 50%; applicazione della teoria o esempi applicativi (competenze, autonomia di giudizio), 35%; proprietà di esposizione (capacità comunicativa), 15%.
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
E’ vivamente consigliata la frequenza del corso
Attività Mutua
Attività Padre
Altri insegnamenti
ANNO DI CORSO: 1
ANNO DI CORSO: 2

