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Coastal Protection System

Studio su modello fisico 2D e 3D di opere di protezione delle coste innovative (CPS)

Descrizione

Lo studio, commissionato dalla Compagnia CPS di Bologna, si prefissava lo studio su modello fisico 2D e 3D di una nuova tipologia di opera di difesa costiera. La struttura era composta da "lame" con inclinazione verso il mare. Il primo studio su strutture di questo tipo è stato condotto da ricercatori giapponesi che hanno pubblicato i risultati in "Regulation of Nearshore Circulation by Submerged Breakwater for Shore Protection (H. Nobuoka, I. Irie, H. Kato , N. Mimura ), Proceedings of 25th International Conference Coastal Engineering, Orlando, Florida 1996. "
L'interesse del CPS per questo tipo di strutture è iniziato nel 2004 allorchè al task del Dipartimento di Ingegneria Idraulica dell'Università di Ancona fu assegnato la valutazione di strutture costiere innovative.

I modelli e i test

Presso il Laboratorio sono stati eseguiti diversi test sulle nuove strutture di protezione sia su di un modello fisico 2D che su di un modello fisico 3D; entrambi i modelli sono stati realizzati con fondo mobile in analogia di Froude (scala 1:15) e di Dean. Durante lo studio sono stati condotti test sia in presenza che in assenza delle strutture di protezione.

Il modello 2D:
Sezione e pianta del modello 2D

Caratteristiche del modello:

  • ampiezza: 2,4 m
  • profondità: 2,4 m
  • lunghezza: 2,4 m
  • Materiale: Sabbia silicea con D50=0,185 mm e velocità di caduta 2,55 cm/s
Test realizzati sul modello 2D:

Gruppo 1A: Studio dell'idrodinamica e dei cambiamenti del profilo della spiaggia emersa e sommersa in assenza di strutture di protezione;

Modello 2D Modello 2D

Gruppo 1B: Studio dell'idrodinamica e dei cambiamenti del profilo della spiaggia emersa e sommersa in presenza di breakwater sommersi realizzati con " lame" adiacenti inclinate a 45° e due varchi; questa configurazione è molto simile a quella studiata da Nobuoka nel 1996. Durante i test gli elementi sono posti direttamente sul letto sabbioso;

Modello 2D Modello 2D
  • I test dei gruppi 1A e 1B condotti sul modello 2D hanno messo in evidenza i seguenti aspetti:
    1. Riguardo al moto ondoso, la struttura ha indotto un effetto dissipativo moderato, con il risultato di ottenere, in prossimità della spiaggia, un valore di altezza inferiore rispetto alla condizione di assenza della struttura. Per quel che concerne il set-up, la struttura ha indotto un set-down nell'area prossima alla spiaggia, in accordo ai risultati di Nobuoka et al. (1996);
    2. sebbene la struttura sia incapace di invertire il trend di arretramento della linea di riva, essa accresce il volume di sabbia nella zona onshore. La struttura essendo permeabile ha permesso il transito di sabbia dalla zona offshore alla zona onshore, per lo più, attraverso i varchi. Tale comportamento è preservato anche durante attacchi ondosi intensi, quali quelli con H=20 cm (nella scala del modello);
    3. per quel che concerne la stabilità delle strutture, i test hanno mostrato che le escavazioni che si verificano alla base delle placche causano la formazione di trench di erosione che determinano riaggiustamenti e instabilità delle placche stesse.
  • Gruppo 2A: Studio dell'idrodinamica e dei cambiamenti del profilo della spiaggia emersa e sommersa in presenza di breakwater sommersi realizzati con " lame" adiacenti inclinate a 45° senza varchi tra esse. Durante i test gli elementi non sono posti direttamente sul letto sabbioso ma su una membrana geotessile di 1 mm di spessore (tipo TERRAM 1000 del CPS);
Modello 2D
  • Gruppo 2B: Studio dell'idrodinamica e dei cambiamenti del profilo della spiaggia emersa e sommersa in presenza di breakwater sommersi realizzati con pietre; questa struttura ha la stessa lunghezza e sommergenza delle precedenti.
Modello 2D

I test dei gruppi 2A e 2B condotti sul modello 2D hanno messo in evidenza i seguenti aspetti:

  1. Riguardo al moto ondoso, la struttura ha indotto un effetto dissipativo moderato; in particolare, il breakwater ha prodotto un valore delle altezze significative inferiori a quelle ottenute con le "lame". Il breakwater ha indotto set-up nell'area prossima alla spiaggia, al contrario della struttura sperimentale che ha provocato set-down, in accordo con i risultati di Nobuoka et al. (1996);
  2. I due tipi di struttura hanno mostrato un comportamento comparabile per quel che concerne l'evoluzione del profilo di spiaggia;
  3. Riguardo la stabilità delle strutture fatte con le "lame", i test hanno mostrato che la membrana geotessile, posizionata sotto le placche, aumenta la stabilità rispetto al caso precedente. Tuttavia, anche in questo caso, le forze idrodinamiche hanno determinato la compattazione della sabbia sotto le placche causando il movimento di alcune di esse poste nella prima fila dal lato offshore e di altre poste al centro
Il modello 3D:
Modello 3D

Caratteristiche del modello:

  • ampiezza: 28,8 m
  • profondità: 0,9 m
  • lunghezza: 50 m
  • Materiale: Sabbia silicea con D50=0,185 mm e velocità di caduta 2,55 cm/s
Test realizzati sul modello 3D:

Gruppo A: Studio dell'idrodinamica e dei cambiamenti del profilo della spiaggia emersa e sommersa in assenza di strutture di protezione con fronte d'onda tiltato di 15° rispetto alla linea di riva;

Modello 3D
  • Gruppo B: Studio dell'idrodinamica e dei cambiamenti del profilo della spiaggia emersa e sommersa in presenza di breakwater sommerso realizzato con " lame" inclinate a 45° adiacenti a formare due strutture separate, una lunga e l'altra corta, con un piccolo varco tra esse ed un altro varco esterno posto tra la struttura più breve e il bordo della vasca; anche in questo caso l'angolo dell'onda incidente era inclinato di 15° rispetto alla shoreline. In questi test gli elementi sono stati posti direttamente sul letto sabbioso.
Modello 3D Modello 3D

I test dei gruppi A e B condotti sul modello 3D hanno messo in evidenza i seguenti aspetti:

  1. Le analisi del moto ondoso hanno mostrato per entrambe le strutture (la breve e la lunga) un basso coefficiente di riflessione e di trasmissione. Per quel che riguarda il set-up, gli attacchi ondosi hanno causato set-down, con l'eccezione degli attacchi con piÙ energia. Questo comportamento è in accordo con i risultati di Nobuoka et al.(1996);
  2. L'azione degli attacchi ondosi sul profilo iniziale ha causato una profonda erosione della linea di riva e della zona piÙ prossima ad essa; parte del materiale eroso è stato trasportato dalle correnti di cross-shore verso la zona esterna, mentre le correnti di long-shore hanno trasportato il restante materiale verso il lato sinistro del modello. La sabbia trasportata off-shore è stata intercettata dalla prima fila di placche depositandosi su di esse; in alcuni punti, le forti correnti hanno permesso, a parte della sabbia, di andare oltre e di depositarsi sulla seconda fila.
  3. L'analisi delle correnti lungo il varco tra le due strutture ha messo in risalto la presenza di due vortici in corrispondenza delle testate delle strutture; in particolare, sulla testata della struttura più lunga, posta alla destra del varco (guardando il battionda), si è formato un vortice antiorario, mentre sulla testata della struttura più breve, posta ala sinistra del varco, si è formato un vortice orario.
  4. E' stata osservata una generale instabilità delle strutture dovuta, principalmente, allo stesso fenomeno trovato nei test realizzati sul modello 2D. Nell'area del varco, l'instabilità degli elementi in testata è piÙ grande a causa dei due vortici descritti precedentemente.

References

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  • Soldini L., Lorenzoni C., Piattella A., Mancinelli A., Brocchini M. (1992) - Nearshore Macrovortices Generated at a Submerged Breakwater: Experimental Investigation and Statistical Modelling. Proc. 29th I.C.C.E., Lisbon, Portugal, vol. 2, pp. 1380-1392.
  • Soldini L., Mancinelli A., Bernetti R., Brocchini M. (2002) - The Flow Circulation Induced by Waves Overpassing a Submerged Breakwater. VI National Meeting of the Applied Mathematics Society.