Eventi

MASTER
GESTIONE DEI SERVIZI PORTUALI
GESTIONE DELLE INFRASTRUTTURE
PORTUALI E MARITTIME
FRANCESCO GRANATA
1
Organizzazione del Corso
Idraulica Marittima
Infrastrutture Portuali e Marittime
2
Idraulica marittima
3
Finalità dell’Idraulica marittima
L’idraulica marittima tratta i più importanti fenomeni che
avvengono in mare:
Maree
 Correnti marine
 Moto ondoso
 Trasporto di sedimenti
 Azioni delle onde sulle strutture

Ai fini del dimensionamento delle opere portuali e della
difesa costiera
4
Idraulica marittima
In idraulica marittima interessa soprattutto ciò che accade in
zone di bassa profondità.
Gli alti fondali sono di interesse esclusivamente per la
genesi del moto ondoso.
Nei bassi fondali le onde risentono dell’attrito del fondo e
subiscono la rifrazione.
In presenza di ostacoli che implichino trasferimento laterale
di energia si verifica la diffrazione.
Quando un’onda investe un ostacolo possono verificarsi due
fenomeni: la riflessione o il frangimento.
5
Rifrazione
6
Diffrazione
7
Riflessione
8
Frangimento
9
Equilibrio dei litorali
Il litorale, inteso come elemento
geofisico di grandi dimensioni, è quella
parte di territorio a diretto contatto con il
mare e che si trova in equlibrio
dinamico con esso.
Le cause di modificazione dell’equilibrio
di un litorale sono di due tipi:
- naturali
- antropiche
Un tratto di litorale che si comporti
autonomamente rispetto ai tratti limitrofi
nei riguardi del trasporto solido si
definisce unità fisiografica.
10
Maree
Si indicano con il nome di maree le
oscillazioni più o meno periodiche del
livello del mare, dovute a varie cause.
E’ possibile distinguere:
- Una marea astronomica
- Una marea “meteorologica”
Nel Mediterraneo le maree possono
essere definite come delle onde di
oscillazione di piccola ampiezza e di
lungo periodo.
11
Correnti marine
Le correnti marine sono movimenti delle particelle liquide del mare, di
cui interessano soprattutto quelli orizzontali, prodotti dalle seguenti
cause:
- maree;
- differenti temperature dell’acqua alle varie profondità;
- differenti condizioni di salinità;
- situazioni di forte evaporazione in certe zone
Una classificazione delle correnti basata sulla causa determinante le
suddivide in:
1.
Correnti di marea
2.
Correnti di densità
3.
Correnti di deriva
12
Venti
I venti sono movimenti orizzontali di masse d’aria prodotti da differenze di
pressione atmosferica, causate dal diverso riscaldamento della superficie
terrestre e dell’aria a contatto con essa.
La genesi dei venti è la diversa temperatura che in un dato istante esiste tra la
terra e l’atmosfera, entrambe riscaldate dal sole, ma in maniera diversa. L’aria
più calda si muove verso l’alto e ciò genera una zona di pressione più bassa,
verso la quale si verifica un richiamo d’aria dalle zone circostanti.
13
Venti
La velocità del vento risulta tanto più elevata quanto maggiore è il gradiente di
pressione.
Il vento che si genera nel caso di isobare rettilinee e parallele tra loro è detto
geostrofico e la sua velocità è data da:
Ug
=
∆p
2 ⋅ ω ⋅ ρ aria ⋅ senϑ ∆n
0.52
⋅
In cui:
ρ aria
è la densità dell’aria
ω
è la velocità angolare della terra
ϑ
è la latitudine
L’attrito in superficie riduce notevolmente la velocità del vento reale rispetto al
valore teorico fornito dalla precedente equazione, che vale in aria libera.
Sulla generazione del moto ondoso ha influenza il vento che agisce a una quota
di 8-10 m sulla superficie del mare.
14
Venti
Gli elementi caratteristici del vento che rivestono interesse sono:
- la direzione di provenienza
- la velocità (intensità)
- la frequenza con cui ha spirato, in un dato arco di tempo, un certo vento
caratterizzato da una determinata direzione e intensità
15
Venti
Scala di Beaufort
16
Venti
Scala di Beaufort
17
Venti
Scala di Beaufort
18
Venti
Scala di Beaufort
19
Venti
Scala di Beaufort
20
Venti
Scala di Beaufort
21
Venti
Scala di Beaufort
22
Venti
Scala di Beaufort
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Venti
Scala di Beaufort
24
Venti
Scala di Beaufort
25
Venti
Scala di Beaufort
26
Venti
Scala di Beaufort
27
Venti
Scala di Beaufort
28
Venti
Scala di Beaufort
29
Venti
Venti di terra
Spirano dalla terra verso il mare e non
generano moto ondoso
Venti di mare
Spirano dal mare verso
generano moto ondoso
la
terra
e
Per distinguerli è necessario definire il settore di traversia di un dato
paraggio
30
Settore di traversia e Fetch
Settore di traversia: l’insieme delle direzioni da cui può provenire l’agitazione
ondosa.
31
Settore di traversia e Fetch
Settore di traversia composto
32
Settore di traversia e Fetch
Il fetch, secondo una data direzione, è la lunghezza di mare libero da ostacoli
sul quale il vento insiste, cedendogli energia
33
Settore di traversia e Fetch
Tale lunghezza può essere associata a ogni direzione interna al settore di
traversia di un dato paraggio.
Il fetch geografico, secondo una data direzione, è dato dalla distanza dal
paraggio della costa opposta, secondo tale direzione.
Non sempre il vento spira su tutto il fetch geografico: nei mari aperti il fetch
effettivamente battuto dal vento è in genere più corto del fetch geografico.
Il fetch relativo ad un punto P che si trova in mare è dato dal tratto di mare
sopravvento.
34
Settore di traversia e Fetch
Diagramma del fetch
35
Formazione del moto ondoso
Le caratteristiche del moto ondoso dipendono principalmente da:
- Velocità del vento
- Durata del vento
- Lunghezza del fetch
ai fini dello studio del fenomeno interessano i venti di mare e in particolare la
loro direzione e velocità; questi elementi vengono misurati mediante
anemometri
36
Rilevamenti anemometrici
Dal punto di vista applicativo interessa la reperibilità dei rilevamenti dei dati di
vento presso gli enti che eseguono e pubblicano tali rilevamenti:
 l’Aeronautica Militare
 l’Istituto Idrografico della Marina
 Altri enti
I dati vengono generalmente riassunti nei seguenti diagrammi
Diagramma di frequenza dei venti
Diagramma di frequenza dei venti di velocità superiore a un dato limite
Diagramma di frequenza dei venti per classi di velocità
Diagramma di Lenz (o dell’agitazione efficace)
37
Diagramma di frequenza dei venti
Permette di individuare i venti regnanti, cioè i venti che spirano con maggiore
frequenza.
38
Diagramma dei venti dominanti
Serve a determinare le direzioni dei venti che spirano con la massima intensità
(venti dominanti): si considerano solo venti con velocità superiore a un dato
limite, che dipende dalla località (ad esempio, V > 30 km/h).
39
Diagramma di frequenza dei venti per
classi di velocità
Serve a determinare le direzioni dei venti che spirano con la massima intensità
(venti dominanti): si considerano solo venti con velocità superiore a un dato
limite, che dipende dalla località (ad esempio, V > 30 km/h).
40
Diagramma di Lentz (dell’agitazione
efficace)
Serve a determinare i venti prevalenti, che sono quelli che prevalgono per
effetto dell’azione combinata della frequenza e della velocità; tale ultima
grandezza viene elevata al quadrato in quanto l’altezza delle onde generate
dipende da V2
∑
fiVi 2
41
Diagramma di Lentz (dell’agitazione
efficace)
Serve a determinare i venti prevalenti, che sono quelli che prevalgono per
effetto dell’azione combinata della frequenza e della velocità; tale ultima
grandezza viene elevata al quadrato in quanto l’altezza delle onde generate
dipende da V2
∑
fiVi 2
42
Moto ondoso generato dal vento
Le onde generate dal vento sono onde di oscillazione nelle quali, in linea di
massima, non vi è trasporto di materia.
43
Lo stato del mare
Scala descrittiva dello stato del mare dell’Organizzazione Meteorologica
mondiale
44
Boe ondametriche
45
Rete ondametrica nazionale
46
Lo stato del mare
47
Moto ondoso generato dal vento
Le onde di mare si presentano
come irregolari o random e
devono
essere
descritte
ricorrendo
a
procedimenti
spettrali o statistici quali le onde
caratteristiche (es: onda media,
significativa,
etc.)
le
quali
possono essere rappresentate da
onde regolari
La superficie ondosa del mare
reale può ritenersi come la
sovrapposizione di un certo
numero
di
treni
d’onda
elementari, regolari, uguali tra
loro; ogni strato è caratterizzato
da una sua altezza, lunghezza e
direzione.
48
Moto ondoso generato dal vento
Ogni particella liquida non si sposta orizzontalmente nel senso della propagazione
dell’onda, ma descrive un’orbita chiusa, occupando la stessa posizione dopo un periodo
T
49
Moto ondoso generato dal vento
Secondo la teoria del 1° ordine le onde marine sono considerate di piccola
ampiezza, cioè H << L. Tale ipotesi è accettabile in quanto il rapporto H/L,
detto ripidità dell’onda, può al più raggiungere il valore di 1/7.
Secondo la già citata teoria del 1° ordine, la velocità di propagazione di
un’onda è data dalla seguente espressione:
W=
gL
 2π d 
tanh 

L
2π


50
Moto ondoso generato dal vento
Onde in acque alte (d > L/2)
In questo caso si può assumere pari a 1 la tangente iperbolica nella
precedente espressione.
Si ha quindi:
W=
gLo
2π
Inoltre risulta:
=
W
gLo
Lo
=
T
2π
E quindi anche:
T=
2π Lo
g
W=
gT
2π
51
Moto ondoso generato dal vento
Onde in acque alte (d > L/2)
Come già accennato, le onde progressive di oscillazione, secondo la teoria del
1° ordine, non trasportano materia: le singole particelle descrivono, in un
periodo T, un’orbita chiusa, a forma circolare in acque alte, poiché le onde non
sono altro che una deformazione della superficie liquida che si propaga nel
tempo con una certa celerità.
La velocità orbitale U della generica particella liquida superficiale è diretta
tangenzialmente all’orbita e ha un modulo costante, dato dalla:
U=
πH
T
52
Moto ondoso generato dal vento
Energia e sviluppo delle onde
L’energia associata a un’onda è dovuta a due contributi:
- Energia potenziale, dovuta al sovralzamento del baricentro della massa
liquida
- Energia cinetica, dovuta al movimento orbitale delle particelle liquide
1
Eo = γ Lo H o2
8
δo =
Ho
Lo
Energia totale
Ripidità dell’onda
1
Eo = γ H o2
8
Wo
β=
U
Energia specifica
Età dell’onda
Velocità del vento
53
Moto ondoso generato dal vento
Le onde sopra descritte sono monocromatiche, sono cioè onde che si
susseguono sempre con le stesse caratteristiche: si tratta di onde
riproducibili solo in laboratorio.
Nella realtà, registrando il moto ondoso nel corso di una mareggiata, si osserva
che le onde risultano una diversa dall’altra, per quanto riguarda sia l’altezza H,
sia il periodo T .
Da queste considerazioni nasce l’esigenza di fare riferimento a un’onda
monocromatica che possa rappresentare il moto ondoso reale:
Tale onda prende il nome di onda significativa ed è ottenuta considerando il
valore medio delle grandezze di H e T relative al 33 % delle onde più alte.
Hs
H1/ 3
Ts
T1/ 3
54
Moto ondoso generato dal vento
Metodo di previsione del moto ondoso di Sverdrup-Munk
Tale teoria correla la velocità U, la durata t del vento e la lunghezza x
del fetch con le oscillazioni maggiormente elevate e distinte del mare,
che risultano essere le onde significative prima definite.
55
Moto ondoso generato dal vento
Metodo di previsione del moto ondoso di Sverdrup-Munk
Analizzando il grafico si evince che, per una velocità U del vento costante:
nella prima fase dello sviluppo del moto ondoso, al crescere dell’età
dell’onda e quindi della celerità Wo, della lunghezza Lo, e del periodo T, la
ripidità aumenta in modo che l’altezza Ho cresca più rapidamente della
lunghezza d’onda Lo.
Inizialmente, l’altezza d’onda cresce più rapidamente della lunghezza: si
formano onde molto ripide.
56
Moto ondoso generato dal vento
Metodo di previsione del moto ondoso di Sverdrup-Munk
Per b = 0.40 le onde raggiungono una ripidità massima (teoricamente pari a
1/7 = 0.143, in pratica, secondo Sverdrup-Munk, pari a 0.10).
Se tali onde assorbono ulteriore energia sotto forma di incremento di
altezza, frangono in alti fondali, creando problemi alla navigazione.
Se invece ciò non accade, si ha la seconda fase dello sviluppo dell’onda:
l’età dell’onda continua a crescere, mentre la ripidità diminuisce, ma non per
una diminuzione di Ho ,che in realtà continua ad aumentare, ma per effetto
di un progressivo aumento di Lo.
57
Moto ondoso generato dal vento
Metodo di previsione del moto ondoso di Sverdrup-Munk
Per b = 1.37 si raggiunge la massima lunghezza d’onda, mentre la ripidità
raggiunge il valore di 0.0216.
Le onde che raggiungono tale situazione si dicono onde a pieno sviluppo;
ciò significa che la durata del vento e la lunghezza del fetch hanno valori tali
da permettere al mare di raggiungere il massimo sviluppo possibile con una
data velocità del vento: il vento trasferisce al mare tutta l’energia possibile.
Tuttavia tale situazione si verifica raramente nei mari chiusi, a causa delle
lunghezze di fetch e delle durate del vento limitate.
58
Moto ondoso generato dal vento
Metodo di previsione del moto ondoso di Sverdrup-Munk
Tutte le grandezze caratteristiche dell’onda sono esprimibili in funzione della
velocità U del vento, dell’età b e della ripidità d dell’onda stessa, che a sua
volta dipende da b.
2πβ 2 2
Lo =
U
g
2πβ 2U 2
Ho =
δo
g
1 4π 2 β 4U 4δ o2
Eo = γ
8
g2
Se la durata t del vento e la lunghezza x del fetch avessero valori sufficienti
a consentire il pieno sviluppo del moto ondoso, tutte le caratteristiche del
moto ondoso dipenderebbero solo dalla velocità U del vento
2
2
2
π
1.37
U
L* =
U 2 11.79
=
W * = 1.37
U
g
g
2
U
H * = 0.254
g
59
Moto ondoso generato dal vento
Metodo di Sverdrup-Munk - Esempio
Mare pienamente sviluppato – U = 10 m/s
=
W * 1.37
=
U 13.7 m / s
U2
L = 11.79
 120 m
g
*
2
U
H * = 0.254
 2.60 m
g
60
Moto ondoso generato dal vento
Poiché in genere le onde, almeno nei mari chiusi, non raggiungono il pieno
sviluppo se la velocità del vento è elevata, per determinare le caratteristiche
del moto ondoso dovrà prima essere determinato il punto del grafico d =
d(b) in cui si è arrestato lo sviluppo dell’onda.
Lo sviluppo del moto ondoso risulta limitato o dalla durata t del vento
o dalla lunghezza x del fetch, come si deduce studiando il meccanismo
di trasferimento di energia dal vento al mare
61
Moto ondoso generato dal vento
Si supponga che il vento insista su tutto il fetch geografico, a partire da B,
con una certa durata t.
Quando il vento ha spirato per una durata t1 < t, il fetch x resta in genere
suddiviso in due tratti, aventi diverso regime
62
Moto ondoso generato dal vento
Il tratto BC, dipendente dalla velocità U e dalla durata t1 del vento, che si
trova in regime stazionario, in cui le onde all’istante t1 hanno già raggiunto
il massimo sviluppo possibile con i valori che hanno U e x ;
Le caratteristiche delle onde non si modificano ulteriormente al prolungarsi
della durata del vento.
L’età dell’onda b dipende solo da x e non dalla durata del vento;
procedendo da B verso C aumenta la lunghezza x del fetch e quindi
aumentano anche b e tutte le caratteristiche delle onde.
Il massimo valore di b si raggiunge nel punto C, dove x è massimo.
63
Moto ondoso generato dal vento
Il successivo tratto CA si trova in regime transitorio; in esso lo sviluppo
delle onde, ossia il valore di b, dipende solo dalla velocità U e dalla durata t
del vento, mentre è indipendente da x, per cui è uguale in tutti i punti; se la
durata del vento aumenta, le caratteristiche del moto ondoso aumentano.
Nel punto C di separazione tra le due parti del fetch, a regime stazionario e
a regime transitorio, i valori di b, determinati rispettivamente in funzione di U
e x e di U e t, devono naturalmente essere identici.
64
Moto ondoso generato dal vento
Quando invece il vento ha spirato per una durata t2 >t1 si osserva che:
 la lunghezza del fetch in regime stazionario è aumentata rispetto a quella
che si aveva all’istante t1;
 da
C a C’ le caratteristiche del moto ondoso all’istante t2 vanno
aumentando;
 da C’ ad A il fetch è in regime transitorio: le caratteristiche delle onde sono
le stesse in ogni punto, dipendendo dalla velocità e dalla durata del vento.
Tali caratteristiche sono le stesse di quelle che si hanno nel punto C’.
65
Moto ondoso generato dal vento
All’aumentare della durata del vento, il punto C si sposta verso il punto A. Quando il
vento cessa, si possono verificare due casi:
1.
La durata t del vento ha superato il valore minimo tmin necessario a mettere in
regime stazionario tutta la lunghezza del fetch;
2.
La durata t del vento è stata inferiore al valore minimo necessario a mettere in
regime stazionario tutta la lunghezza del fetch.
Nel primo caso il fetch si trova in regime stazionario e le caratteristiche del moto
ondoso dipendono da U e da x: la limitazione allo sviluppo delle onde è quindi dovuta
alla insufficiente lunghezza del fetch;
Nel secondo caso il fetch si trova in regime transitorio e le caratteristiche del moto
ondoso dipendono da U e da t: la limitazione allo sviluppo delle onde è quindi dovuta
alla insufficiente durata del vento.
66
Moto ondoso generato dal vento
Da opportuni bilanci energetici su volumi di controllo contenenti onde propagantisi
rispettivamente nella zona di mare in regime stazionario e in quella in regime
transitorio si ottengono equazioni differenziali alle derivate parziali nelle quali
compaiono l’energia, la celerità di propagazione e la lunghezza dell’onda, che
possono essere correlate alla velocità del vento U, all’età dell’onda b e alla ripidità
della stessa d.
Le due equazioni non sono integrabili analiticamente, ma solo per via numerica; la
soluzione delle equazioni conduce alla determinazione delle relazioni
b = b(U, x)
b = b(U, t)
nel fetch in regime stazionario
nel fetch in regime transitorio
Noti U, x, t, si ricavano dalle due equazioni due valori di b, tra i quali bisogna
scegliere quello minore.
C
= W= β U
U2
H = f (β )
g
f ( β ) = 2πδ ( β ) β 2
67
Moto ondoso generato dal vento
Per la soluzione pratica del problema esistono vari abachi.
Abachi di Tenani
Regime stazionario
Regime transitorio
68
Moto ondoso generato dal vento
Calcolati i valori di b e di f(b) in funzione dei raggruppamenti adimensionali
θx =
gx
U2
gt
θt =
U
Occorre sempre scegliere la coppia di valori minori.
Infatti, se i valori più piccoli sono quelli determinati in funzione di gt/U,
significa che la limitazione allo sviluppo del moto ondoso è data dalla durata
t del vento, per cui il fetch si trova in regime transitorio.
Se invece i valori più piccoli sono quelli determinati in funzione di gx/U2, la
limitazione allo sviluppo del moto ondoso è data dalla lunghezza x del fetch,
per cui questo si trova in regime stazionario.
69
Moto ondoso generato dal vento
Abaco che in funzione della velocità e della durata del vento fornisce la
lunghezza xs di fetch in regime stazionario
70
Moto ondoso generato dal vento
71
S.M.B.
72
Fetch efficace
Il vento che spira su una data superficie del
mare cede l’energia non solo secondo la
propria direzione, ma secondo tutte le
direzioni comprese in un settore di almeno
90°, centrato sulla direzione del vento stesso.
Per questo motivo, un osservatore posto nel
punto A vede giungere onde da direzioni
comprese in un settore di 90° avente come
asse la direzione del vento.
Tali onde, a seconda della loro direzione,
hanno ricevuto energia dal vento su fetch di
lunghezza diversa: è quindi necessario
determinare le caratteristiche del moto
ondoso in base al fetch efficace, ossia un
fetch medio pesato.
73
Fetch efficace
E’ ragionevole pensare che il vento ceda il massimo
di energia secondo la direzione in cui spira e che ne
ceda sempre meno a mano a mano che da questa si
allontana.
In genere si fa l’ipotesi che il peso della cessione di
energia dal vento al mare secondo una certa
direzione sia pari al coseno dell’angolo che tale
direzione forma con quella del vento.
74
Fetch efficace
75
Fetch efficace
Determinazione del fetch
efficace per il paraggio di
Genova
secondo
due
diverse direzioni.
76
Fetch efficace
Fetch geografico e fetch
efficace per il paraggio di
Genova.
77
Fetch efficace
Fetch efficace per
paraggio di Livorno.
il
78
Fetch efficace
Massima ampiezza dell’area battuta dal vento nel Mediterraneo.
79
Relazione tra velocità e durata del vento
80
Caratteristiche del moto ondoso in
funzione del periodo di ritorno
Modello di Gumbel
F= P( X ≤ x)= e
− e− α ( x−ε )

  T  
U d ,T = µU d ⋅ (1 − 0.45CV ) ⋅ 1 − K '⋅ log  ln 
 
−
1
T
 
 

ε= µ − 0.45σ
1
α
=
6
π
σ
σ
CV =
µ
1
K'=
0.4343 ⋅ ε ⋅ α
81
Caratteristiche del moto ondoso in
funzione del periodo di ritorno
Modello di Gumbel
F= P( X ≤ x)= e
− e− α ( x−ε )
Formulazione alternativa
U d ,T = ε +
1
α
y

 1  
y=
− ln  − ln 1 −   
 T  

ε= µ − 0.45σ
1
α
=
6
π
σ
82
Caratteristiche del moto ondoso in
funzione del periodo di ritorno
Possibili andamenti dell’ altezza
e del periodo delle onde
significative in funzione della
durata del vento
83
Caratteristiche del moto ondoso in
funzione del periodo di ritorno
84