ambiente marino ed equazioni di previsione del fenomeno
3.8 Riferimenti per il progetto della protezione
3.8.1 Stabilità dei massi secondo Shields
In entrambe i casi di protezione il criterio più usato per determinare le dimensioni dei massi stabili sotto l‟azione delle onde e delle correnti di progetto è quello di Shields nel quale vengono comparate le forze destabilizzanti in gioco sulla roccia dovute al trascinamento e alla turbolenza, con quelle stabilizzanti dovute al peso della stessa sommersa. In questo caso un parametro fondamentale è la variazione dello stress di fondo attorno alla struttura che non è di facile determinazione.
I valori utilizzati per la determinazione della buca erosa sono gli stessi che si usano per il disegno di progetto della protezione:
Profondità dell‟acqua; Altezza d‟onda e periodo; Velocità della corrente; Direzione della corrente;
Velocità orbitale delle onde (U presa secondo m H o s Hmax);
Secondo il criterio di Shields le dimensione dei massi vengono ottenute dalla formula:
max max 50 ) 1 ( g wg s D (eq.3.10)
Dove 𝜏𝑚𝑎𝑥 è il massimo stress di fondo.
3.8.2 Stabilità dei massi secondo Isbash
Secondo il criterio di Isbash, le dimensioni dei massi sono date da:
N s g V D g c ) 1 ( 2 50 (eq.3.11)
dove i nuovi parametri sono:
84 Numero stabilizzante N= 2
2E , con E coefficiente di Isbash pari a 0.86 e 1,2, rispettivamente per sedimenti in sospensione e per sedimenti depositati.
Il vantaggio di questo metodo è di fare riferimento alla velocità direttamente misurabile senza entrare in merito allo stress di fondo che, come già detto, è di difficile determinazione.
Entrambi questi metodi sono nati per condizioni di flusso che non presentino ostruzioni e necessitano quindi di una correzione nel caso della presenza di un struttura come un palo, in quanto, come visto, essa cambia le condizioni del flusso circostante a cui è soggetta. A tal proposito si usa correggere la velocità di avvicinamento di un fattore 1,5, considerando che la velocità attorno al palo è 1,5 volte maggiore alla velocità media. Facendo riferimento allo stress di fondo, anche esso viene aumentato e tale amplificazione può essere definita da
0 max f f V V
, cioè il rapporto tra stress di fondo locale e stress di fondo per fondale senza ostruzioni. Si nota tuttavia che, nel caso di protezioni dinamiche, sia la velocità che lo stress di fondo sotto al livello del fondale sono minori e quindi la velocità di avvicinamento per il calcolo delle dimensioni dei massi deve essere corretta di un fattore minore.
3.8.3 Estensione e volume della protezione
Per le protezioni statiche, la quantità di rocce necessaria e il tempo per la posa dipendono fortemente dall‟estensione orizzontale della protezione stessa che a sua volta dipende dall‟ampiezza massima della buca erosa che si svilupperebbe nelle condizioni specifiche e può includere un fattore di sicurezza β. Il volume di erosione viene generalmente calcolato considerando un tronco di cono intorno al monopalo dal cui conteggio viene escluso il cono del palo. Si devono anche tenere conto i cambiamenti del fondale dovuti alle variazioni stagionali. In caso di progettazione statica l‟estremità collasserà (che ci siano o meno variazioni del fondale), dando un “effetto a grembiule”.
Nel caso di protezione dinamica, invece, la buca parzialmente erosa viene riempita dai massi. Non è necessario che essa sia completamente riempita, è sufficiente che venga colmata per una frazione. Il volume di rocce necessarie viene calcolata assumendo la buca erosa come un tronco di cono escludendo il cilindro che è il palo della turbina.
3.8.4 Motivi che possono portare al fallimento della protezione
La protezione attorno ai pali delle turbine eoliche può essere soggetta a fallimento a causa dei seguenti meccanismi:
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Movimento dei sassi che devono resistere al flusso. Il meccanismo può essere facilitato dal posizionamento troppo elevato dei massi che saranno quindi soggetti a gradienti di velocità maggiori.
Il materiale sottostante la protezione viene spazzato via da intramezzo i massi a causa dei vortici che creano le buche intorno alla protezione. Un materiale più grosso come filtro previene il problema.
Scivolamento di un numero eccessivo di massi ai limiti della protezione come conseguenza di un errore di calcolo nell‟aumento dello stress di fondo attorno alla protezione stessa.
Nel caso di regime di trasporto solido, i cambiamenti delle caratteristiche del fondale possono essere tutto altro che trascurabili per il corretto funzionamento della protezione. Lauchlan e Melville (2001) hanno studiato il fenomeno e hanno trovato che più in profondità vengono posti i massi di protezione, meno sono esposti alle variazioni del fondale e migliore è la protezione.
I massi possono affondare nel fondale a causa di assenza di filtro o geo-tessuto o per liquefazione o per erosione attorno ai singoli massi.
In generale si ricorda che è indispensabile monitorare nel corso del tempo la buca di erosione e/o la protezione al fine di individuare in tempo eventuali fallimenti e porvi rimedio. Tale esercizio va inserito a pieno titolo nei costi di manutenzione dell‟opera.
Il criterio per la stabilità per i massi di protezione attorno alla fondazione si esplica nel rapporto tra le forze destabilizzati e stabilizzanti agenti su di essi; i valori accettabili per questo tipo di rapporto saranno più piccoli ( e quindi le dimensioni dei massi saranno maggiori) nel caso in cui non si accetti nessun movimento degli elementi progettati per la protezione. Per questo motivo deve essere definito il danno accettabile .
Un esempio di definizione di danno non accettabile per protezioni statiche e dinamiche ci viene da Van Oord:
Si considera che una protezione statica abbia fallito quando una sezione dello strato superiore è scomparsa completamente esponendo il geo-tessuto o il filtro per un‟area corrispondente ad almeno 4DxD.
Poiché la precedente definizione non è applicabile ( la protezione dinamica non ha uno strato filtro o un geo-tessuto), si assume che la protezione dinamica fallisca quando
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scompaia un volume di rocce pari a quello che determinerebbe il fallimento della protezione statica.