CRITERI DI PROGETTAZIONE DI SISTEMI DI CADITOIE STRADALI NELLA CITTÁ DI BARCELLONA
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M. GÓMEZ, F. MACCHIONE, B. RUSSO – Criteri di progettazione di sistemi di caditoie stradali nella cittá di
Barcellona
CRITERI DI PROGETTAZIONE DI SISTEMI DI CADITOIE STRADALI
NELLA CITTÁ DI BARCELLONA
MANUEL GÓMEZ1, FRANCESCO MACCHIONE2, BENIAMINO RUSSO1
Parole Chiave: Sistemi di captazione, caditoie stradali, efficienza idraulica, criteri di
progettazione.
SOMMARIO
Generalmente il problema del drenaggio urbano consiste nel determinare le portate prodotte da
un evento di pioggia, introdurle nella rete, dimensionare una serie di condotti atti a trasportarle
fino ai recettori e controllare gli scarichi nel rispetto dei recettori stessi. In questo processo
solitamente non è da dimenticare che le portate di scorrimento superficiale devono ben introdursi
nella rete di drenaggio nei punti previsti affinché l’acqua non circoli incontrollata sulla superficie
della cittá. Al riguardo, particolarmente importante è il ruolo delle caditoie stradali, che hanno il
compito di captare le acque di scorrimento, e introdurle nella rete di drenaggio. Un deficit di
caditoie stradali o una cattiva efficienza delle stesse puó determinare un aumento incontrollato dei
deflussi superficiali con eventuale innalzamento di quei parametri idraulici, come tirante idrico e
velocitá della corrente, che regolano i criteri di rischio associati ad inondazioni urbane. In questo
studio, per un dato ietogramma di progetto, si determina il dimensionamento di sistemi di
captazione tenendo conto di alcuni criteri di sicurezza riguardanti la circolazione in strade urbane
di veicoli e pedoni. I distanziamenti tra le caditoie sono calcolati limitando il tirante idrico a 30
mm e la velocitá ad 1 m/s. É essenziale, al fine di valutare il corretto comportamento idraulico
delle strade, poter valutare le portate captate da ogni caditoia attraverso lo studio dell’efficienza di
captazione associato alle condizioni geometriche presenti di volta in volta e al tipo di caditoia
utilizzata. Dal 1997, la UPC conduce un’intensa attivitá di ricerca su tali temi che ad oggi
consente un calcolo preciso di queste quantitá. La metodologia presentata é attualmente in uso
presso diverse municipalitá Catalane.
1 Departamento de Ingeniería Hidráulica Marítima y Ambiental (DEHMA), Universitat Politècnica de Catalunya (UPC),
Jordi Girona 1-3, Campus Nord 08034 Barcellona, Spagna
2 Laboratorio di Modellistica Numerica per la Protezione Idraulica del Territorio (LAMPIT), Dipartimento di Difesa del
Suolo, Universitá della Calabria (UNICAL), Ponte P. Bucci, Arcavacata di Rende (CS), Italia
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ACQUA E CITTÀ - I CONVEGNO NAZIONALE DI IDRAULICA URBANA
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1. INTRODUZIONE
Generalmente si é soliti suddividere il problema generale del drenaggio urbano in quattro
distinti ‘sotto-problemi’:
• Determinare le portate
• Introdurre le acque relative ai deflussi superficiali nella rete
• Progettare una rete di condotti sufficiente per trasportare le portate di calcolo
• Controllo degli scarichi nel rispetto dei recettori
Tra questi quattro ‘sotto-problemi’, il primo é prettamente idrologico, il terzo é idraulico e il
quarto riguarda essenzialmente la qualitá ambientale dei corpi recettori.
Nel corso di queste fasi, spesso non si considera abbastanza che le portate relative agli
scorrimenti superficiali devono essere introdotte nella rete di drenaggio e nei punti previsti,
affinché non si abbia circolazione incontrollata dei deflussi sulle superfici urbane.
In numerose cittá alcune superfici, come i tetti, sono connessi direttamente alla rete
assicurando in tal modo la captazione delle relative acque di scorrimento. Per ció che riguarda la
pioggia caduta su strade, marciapiedi, piazze ed in genere spazi aperti, si deve fare affidamento
sulle cosiddette caditoie stradali che hanno la funzione di captare tutte le portate, frutto del
processo di trasformazione pioggia-deflusso, circolanti in superficie, e introdurle nella rete.
Nel dimensionamento di una rete di drenaggio si ipotizza implicitamente che la pioggia caduta,
che si trasforma in deflusso, entri nella rete nella stessa zona in cui cade. In base a questa ipotesi,
si definiscono una serie di sotto-bacini idrologici i cui limiti sono fissati assumendo che le acque
superficiali non li superino. Quando ció non avviene, lo schema idrologico e idraulico supposto
nella cittá puó saltare.
Considerando il caso rappresentato nella figura 1, se alcune strutture di captazione sono
insufficienti, modificano lo schema idrologico di risposta (di fatto cambiano i contorni del sotto-
bacino’) e lo schema idraulico di calcolo dei collettori.
Figura 1 - Schema idrologico in zone urbane. Le caditoie segnano i limiti dei sotto-bacini
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Barcellona
Infatti parte dei deflussi relativi al primo ‘sottobacino’ passa al secondo e le portate che era
previsto entrassero nel collettore AB, terminano in quello CD. Due collettori come quelli
rappresentati AB e CD, dimensionati attraverso metodi idrologici e idraulici corretti, funzionano
in esercizio in maniera differente a quella prevista, uno al di sotto delle sue portate di progetto e
l’altro al di sopra.
Ancora, in centri rapidamente e fortemente urbanizzati, é molto frequente che il sistema di
drenaggio risulti insufficiente con frequenze non accettabili; il problema é dovuto, insieme ad altre
ragioni, all’aumento dell’area impermeabile a monte del sistema di drenaggio in questione. In tali
circostanze, il sistema raggiunge rapidamente la sua massima capacitá, entrando a volte in
pressione con successivo innalzamento della quota piezometica. A partire da questo momento
l’acqua circolante in superficie non viene captata e, se la situazione peggiora, le caditoie non solo
cessano di captare, ma si convertono in fonte di incremento dei deflussi superficiali. Se ció accade
per una piccola quantitá di caditoie, l’eccesso di scorrimento viene captato piú a valle altrimenti il
deflusso si incrementa fino a risultare pericoloso per pedoni e veicoli, a causa dell’innalzamento
dei parametri idraulici, tirante idrico e velocitá della corrente, che regolano i criteri di rischio
associati ad inondazioni urbane.
Da tutto ció risulta evidente l’importanza di approfondire gli studi riguardanti le caditoie, le
loro efficienze idrauliche e i sistemi di captazione nel loro complesso.
La presente memoria vuole proporre una metodologia che tiene nel dovuto conto tutti questi
fattori nel corso della fase di progettazione di un sistema di captazione e che attualmente viene
adoperata come ‘best procedure’ da diverse municipalitá catalane che per la loro posizione
geografica tipica delle aree mediterranee sono soggette a piú o meno frequenti inondazioni a causa
di eventi di pioggia relativamente brevi ma molto intensi.
2. AMBITO DELLO STUDIO: L’ENSANCHE DI BARCELLONA
Col “Piano di ampliamento e riforma della cittá di Barcellona” dell’ingegnere Idelfonso
Cerdá, nasce, tra il 1860 e il 1870, “l’Eixample” (l’allargamento), ovvero quella parte della cittá
che oggi occupa oltre un terzo dell’area urbana, risultato della demolizione delle mura dell’antica
“Ciutat Vella” e dell’ampliamento del tessuto cittadino fino a raggiungere i piccoli paesi allora
limitrofi, oggi chiamati: Sants, Sant Gervasi, Sarriá e Les Corts. Sotto questa spinta nasce dunque
“l’Eixample”, con ampie vie che delimitano isolati quadrati di 113 metri di lato con quattro
smussature di 20 metri, che trasformavano gli incroci delle vie in piazze ottagonali rendendo piú
comoda e facile la circolazione. Anche se lo spirito iniziale del Cerdá fu stravolto dall’impetuosa
crescita demografica dell’ultimo secolo, oggi, nonostante tutto, Barcellona conserva molto del
piano originario; guardando una planimetria o un’ortofoto della cittá si nota subito l’impostazione
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urbana data piú di un secolo fa, ma ancora riconoscibilissima e famosa in tutto il mondo. (Figura
2)
Figura 2 - L’Eixample di destra della cittá di Barcellona a Nord della Ciutat Vella.
Il presente studio ha avuto come oggetto l’elaborazione di una metodologia per il
dimensionamento di efficienti sistemi di captazione proprio in questa area.
2.1 CARATTERIZZAZIONE DELLE SEZIONI STRADALI DELL’EIXAMPLE DI BARCELLONA
Sono da considerarsi grandezze praticamente costanti la larghezza della carreggiata nonché quella
dei marciapiedi, mentre varibili le pendenze longitudinali e trasversali delle strade. La figura 3
mostra una tipico viale urbano dell’ “Eixample”. Ogni carreggiata presenta 4 corsie di
circolazione, ognuna larga 3 metri, mentre i marciapiedi si considerano larghi 7 metri. In realtá, la
larghezza abituale dei marciapiedi dell’ “Eixample” é di 5 metri, peró si applica questo
sovradimensionamento per includere gli effetti d’apporto d’acqua dovuti agli smussamenti degli
edifici presenti in tutte le prossimitá degli incroci stradali. (Si arriva a questi particolari valori
tramite semplici considerazioni sulle aree geometriche coinvolte nel processo di trasformazione
pioggia-deflussi).
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Figura 3 - Tipico viale dell’Eixample di Barcellona. Prossimitá di un incrocio dove é
possibile intravederei gli edifici che si affacciano smussati in piazze ottagonali.
La pendenza trasversale dei marciapiedi é costante e pari all’ 1%, mentre i coefficienti di
scabrezza di Manning utilizzati sono 0.016 per la carreggiata e 0.02 per i marciapiedi (questo
valore piú alto include la macroscabrezza dovuta ad ostacoli come panchine, cabine telefoniche,
cassette postali e quant’altro possa arrecare un ritardo allo scorrimento delle acque dirette verso la
carreggiata. Per ció che concerne i dati relativi alle pendenze trasversali sono state eseguite
simulazioni per i valori dello 0%, 1%, 2%, 3% e 4%, mentre le pendenze longitudinali variavano
dallo 0% al 10 % (0%, 0.5%, 1%, 2%, 4%, 6%, 8%, 10%). Considerando un gran numero di
possibili distanziamenti tra 7 tipologie distinte di caditoie (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 100 metri) si
deduce il numero di simulazioni effettuate (2240) per simulare il comportamento idraulico dei
viali urbani in tutto il tessuto urbano di questo quartiere a seconda del particolare sistema di
captazione.
L’efficienza di un sistema di captazione dipende dalla configurazione geometrica delle sezioni
stradali, dal tipo di caditoie scelto e dal distanziamento tra le stesse.
3. CRITERI DI RISCHIO ASSOCIATI A DEFLUSSI IN AREE URBANE
Un sistema di captazione si dimensiona secondo alcuni criteri legati al livello di servizio di una
strada che si presume accettabile durante un evento di pioggia con assegnato periodo di ritorno.
Il soddisfacimento di questi criteri deve logicamente presupporre anche la sicurezza per la
circolazione veicolare e pedonale. É ottima prassi progettare un sistema di captazione per un
evento meteorico con un periodo di ritorno di 10 anni e verificare il comportamento idraulico del
sistema stradale per una pioggia di progetto con un periodo di ritorno di 100 anni.
3.1 CRITERI DI SICUREZZA PER IL RUSCELLAMENTO DI ACQUE METEORICHE IN STRADE URBANE
Il ruscellamento prodotto da una precipitazione su un ambiente urbanizzato ha delle
conseguenze sulle attivitá cittadine. Livelli elevati dei tiranti idrici possono creare intralcio e
pericolo per la circolazione pedonale e su ruote. Per garantire un rapido drenaggio, le piattaforme
stradali potrebbero essere sagomate a doppia falda, con la linea di displuvio coincidente con l’asse
stradale, imponendo che il velo idrico formato dall’acqua che ruscella si mantenga costante. E’
facile ricavare, utilizzando l’equazione di Strickler, il profilo Z(x) della sagoma che realizza un
velo di acqua di altezza costante y:
y = i2x3/(3k2y10/3) (1)
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in cui x è l’ascissa misurata ortogonalmente all’asse stradale, k è il coefficiente di Strickler, i è
l’intensità di pioggia (Macchione e Veltri, 1989). Inoltre, un problema associato allo scorrimento
di acque meteoriche é derivato dalla capacitá di trascinamento di un moto con tirante idrico
relativamente basso, ma con alte velocitá. Infatti, se é certo che i livelli di acqua su strade urbani
mai raggiungeranno i livelli d’inondazione di un fiume é certo che per situazioni estreme di
precipitazione e con viali con elevate pendenze longitudinali, si possono raggiungere velocitá di 3
o 4 m/s. Il problema sorge quando in questa corrente s’introduce un pedone sul quale si esercita
una certa forza che puó presupporne la perdita di equilibrio, il ribaltamento o il trascinamento.
3.1.1 Criteri relativi alla stabilitá allo slittamento ed alla stabilitá al ribaltamento
Seguendo l’impostazione di Nanía (Nanía, 1999), si puó definire qual é la forza di
trascinamento che una corrente esercita su una persona. Affinché la persona possa mantenersi in
equilibrio, questa forza deve essere equilibrata dalla forza d’attrito esercitata tra le scarpe del
pedone e il tipo di superficie su cui si trova poggiato. Le forze in esame sono entrambe funzioni
dei parametri idraulici velocitá e tirante idrico. Ponendo all’equilibrio tra queste forze, un
coefficiente di sicurezza pari a 2 per tener conto di alcune incertezze relative ai dati utilizzati, si
ottiene:
v 2 ⋅ y ≤ 1m 3 / s 2 (2)
La precedente condizione deve essere complementare all’analisi alla stabilitá al ribaltamento.
(SIHH-UPC, 2001). La forza stabilizzante é la forza peso, mentre quella ribaltante é quella
dinamica dovuta all’azione della corrente sul pedone. Considerando i momenti agenti sul pedone
(anche questi funzione, come nel caso precedente, della velocitá e del tirante idrico della corrente)
e usando un coefficiente di sicurezza pari a 2 si trova:
v ⋅ y ≤ 0.45m 2 / s (3)
Considerando queste due funzioni con altri criteri che limitano il tirante idrico (RFCC-Clark
County, 1999; Nanía, 1999) si puó tracciare il grafico riportato in figura 4 per delimitare le
condizioni di pericolo in occasione di inondazioni urbane (Russo et al., 2005).
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Figura 4 - Grafico riassuntivo dei criteri di rischio per inondazioni associate a zone
urbane
3.2 CRITERI PER GARANTIRE UN ADEGUATO LIVELLO DI SERVIZIO SU STRADE URBANE
Per le velocitá relativamente basse dei veicoli lungo le strade urbane, raramente si verifica il
fenomeno dell’“acquaplaning” (funzione peraltro anche del tipo e della pressione dei pneumatici e
della finitura della superficie stradale), tuttavia la permanenza di volumi idrici sulle carreggiate
puó essere causa di incidenti, motivo di allagamento dei marciapiedi e dei locali sotto quota
stradale, oltreché di disagio alla circolazione pedonale, sicché in fase di progettazione é
evidentemente necessario predisporre un sistema di captazione di acque superficiali che garantisca
un buon livello di servizio al viale (Centro Studi Deflussi Urbani, 2001). In questo studio, per una
determinata pioggia di progetto con periodo di ritorno di 10 anni sono stati utilizzati 2 criteri
restrittivi per verificare i diversi schemi dei sistemi di captazione proposti nelle simulazioni:
• Tirante idrico massimo (Ymax) = 30 mm
• Velocitá massima (Vmax) = 1 m/s
4. METODO DI CALCOLO APPLICATO
4.1 PIOGGE DI PROGETTO IMPIEGATE
Le piogge di progetto utilizzate per questo studio (Periodi di ritorno di 10 e 100 anni) furono
ricavate dal “Plan Especial de Alcantarillado” (‘Piano Speciale di Fognature’) della cittá di
Barcellona del 1997. La procedura utilizzata per estrarle dalle curve Intensitá-Durata-Frequenza fu
quella dei blocchi alternati (metodo Chicago discretizzato) (Chow, 1988). Di seguito si riporta lo
ietogramma di progetto utilizzato relativo ad un periodo di ritorno di 10 anni (Figura 5).
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Figura 5 - Ietogramma di progetto di 1 ora impiegato per un periodo di ritorno di 10 anni.
4.2 TRASFORMAZIONE PIOGGIA-SCORRIMENTO
Per quanto riguarda la trasformazione pioggia-scorrimento, è stata utilizzata
un’approssimazione di tipo onda cinematica.
I bacini dello studio sono i propri viali considerati secondo la direzione di massima pendenza
(generalmente nel senso monte-mare), mentre i sotto-bacini sono rappresentati dalle aree
delimitate di volta in volta dalla presenza di caditoie stradali.
Si definisce come efficienza idraulica di una caditoia il rapporto tra la portata captata (Qcap) e
quella di transito sulla superficie stradale (Q):
Qcap
E= (4)
Q
É possibile calcolare Q tramite l’equazione di Manning per moto uniforme:
2 1
1
Q= SRh3 J 2 (5)
n
dove n é il coefficiente di scabrezza, S é l’area della sezione idrica, Rh é il raggio idraulico e J
la pendenza longitudinale della strada.
Test sperimentali, condotti su 7 tipologie di caditoie (figura 6), nei laboratori del Dipartimento
di Idraulica dell’Universitá Politecnica di Catalogna su una piattaforma appositamente costruita
per simulare il comportamento delle sezioni stradali hanno evidenziato una relazione tra
l’efficienza di captazione E e il quoziente Q/y del tipo:
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Q
E = A·( ) − B (6)
y
dove Q é la portata circolante in m3/s, y é il tirante idrico in m, ed A e B sono coefficienti
specifici delle griglie calcolati sperimentalmente (Martínez e Gómez, 2000).
L’equazione (6) é relativa alla larghezza della piattaforma che simula il comportamento di una
corsia di circolazione; attraverso l’ipotesi di velocitá costante in tutta la sezione é peró possibile
generalizzarla per tutte le tipologie di carreggiata (Gómez e Russo, 2005).
Figura 6 - Esempio di estrapolazione della funzione dell’efficienza per la caditoia Ebro
4.3 MODELLO DI CALCOLO UTILIZZATO E RISULTATI OTTENUTI
Per riprodurre il comportamento idraulico e idrologico della corrente di ruscellamento nella
strada, è stato utilizzato il modello HECMOD, software ricavato dall’HEC-1 e piú idoneo rispetto
a quest’ultimo per simulazioni in ambito urbano (U.S. Army Corp of Engineers, 1998). Il modello
é idoneo per inserire caditoie stradali quali elementi del sistema. Per ogni configurazione possibile
sono stati elaborati i dati di input (per un totale di 2240 simulazioni) ottenendo come risultati in
uscita i valori dei parametri caratteristici della corrente (tirante y e velocitá v) necessari per
valutare il grado di rischio dei sistemi di captazione. Per la caditoia Ebro, si riporta una tavola
riassuntiva di alcune configuazioni di sistemi di captazione valutandone l’accettabilitá secondo i
criteri di rischio adottati (Tabella 1).
Tabella 1 - Tavola riassuntiva relativa ad una serie di configurazioni del sistema di
drenaggio. Pendenze longitudinali e trasversali del 4% e del 2%. Considerando
la griglia Ebro e queste pendenze é consentito un distanziamento max di 20 m.
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I valori delle portate circolanti rappresentati in tabella sono le cosiddette “portate di
stabilizzazione”. Infatti una portata circolante sulla superficie stradale, prodotta da una
determinata precipitazione, va aumentando progressivamente fino ad un certo valore massimo, che
chiamiamo appunto “portata stabilizzata” e che é funzione della geometria della strada, del
distanziamento tra le caditoie e dal tipo di griglia adottata. Definiamo di conseguenza, “lunghezza
di stabilizzazione” di uno specifico sistema di captazione, il tratto minimo di strada affinché la
portata si stabilizzi. Di seguito é rappresentata la schematizzazione della variazione della portata
circolante lungo lo sviluppo stradale L (Figura 7).
Figura 7 - Esempio del raggiungimento della portata stabilizzata per uno specifico sistema
di captazione con distanziamento tra le caditoie di 90 metri.
4.4 ANALISI DELL’INFLUENZA DI ALCUNI PARAMETRI
4.4.1 Influenza della pendenza longitudinale e del distanziamento tra le caditoie sulla
lunghezza di stabilizzazione
Comparando i risultati ottenuti per le varie simulazioni, si é potuto osservare come i valori
della pendenza stradale longitudinale Jy e del distanziamento tra le caditoie influenzino
enormemente il raggiungimento della portata di stabilizzazione e conseguentemente il valore di L.
.
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Figura 8 - Variazione della lunghezza di stabilizzazione al variare della pendenza
longitudinale e del distanziamento tra caditoie (Griglia Ebro, Pend. Trasv. 1%)
4.4.2 Influenza della pendenza trasversale su alcuni parametri di questo studio
É stata inoltre analizzata l’influenza della pendenza trasversale su alcuni parametri importanti
di questo studio come la portata stabilizzata, la portata captata e la lunghezza di stabilizzazione. In
particolare é stato studiato come variano i parametri sopra citati mantenendo fissi il distanziamento
tra le griglie di captazione e la pendenza longitudinale all’aumentare di quella trasversale.
Figura 9 - Relazione tra la pendenza trasversale e i parametri di portata stabilizzata,
portata captata e lunghezza di stabilizzazione in un particolare sistema di
captazione (Griglia Ebro, distanziamento tra caditoie di 30 m e pendenza
longitudinale del 2%).
5. CONCLUSIONI
Il presente studio é stato realizzato per definire una corretta metodologia per il disegno di
sistemi di captazione di acque meteoriche. Considerate alcune tra le caditoie piú in uso, sono state
simulate 2240 possibili configurazioni di sistemi di captazione applicabili nel quartiere
dell’Ensanche di Barcellona. Secondo i criteri di rischio utilizzati, ed associati a deflussi in zone
urbane, alcune configurazioni risultano accettabili ed altre no. Applicando questa metodologia si
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é in grado di calcolare il distanziamento ottimo tra le caditoie stradali in termini economici e di
sicurezza. Inoltre é possibile confrontare i risultati ottenuti relativamente a piú griglie di
captazione per evidenziare quale di esse presenti il miglior rendimento idraulico. Il largo intervallo
di simulazioni effettuate per diverse tipologie di caditoie stradali, pendenze longitudinali (dallo
0% al 10%), pendenze trasversali (dallo 0% al 4%) e diversi distanziamenti tra griglie successive
(da 10 m a 100 m) ha permesso di eseguire studi comparativi tra le diverse grandezze in gioco. La
pendenza longitudinale e il distanziamento tra le caditoie sono parametri da cui dipende
fortemente la lunghezza di stabilizzazione. La differenza tra le portate captate, pur non
differenziandosi molto al variare della pendenza trasversale, per un notevole numero di caditoie,
influenza fortemente la portata stabilizzata e, conseguentemente, la lunghezza di stabilizzazione.
Una pronunciata pendenza trasversale consente di stabilizzare la portata circolante sul manto
stradale prima che essa si incrementi notevolmente ed in uno tratto stradale contenuto. Dai risultati
di calcolo si é evinto che il valore di normativa del 2% per le pendenze trasversali di viali urbani é
da considerasi come valore ottimale poiché permette di avere portate captate molto simili a
configurazioni con valori del 3% e del 4% e perché diminuisce di molto i valori di portate e
lunghezze stabilizzate relative a configurazioni con pendenze dello 0 e dell’1%.
Questa metodologia ha consentito di stilare delle tavole riassuntive che attualmente sono usate
dall’amministrazione comunale di Barcellona per scegliere la piú opportuna configurazione di
sistema di captazione dipendendo dai parametri geometrici della situazione di partenza. I risultati
di questo studo studio possono essere utilizzati come criteri di progetto per determinare il
distanziamento ottimale tra caditoie in ogni altro ambito urbano distinto da quello in esame.
6. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
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