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IMPIANTI IDROELETTRICI
Part II:
• Opere d’adduzione a monte delle condotte forzate• Vasche d’oscillazione• Condotte forzate• Macchinari delle centrali
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Condotte forzate, generalità
Condotte Forzate
Le condotte forzate costituiscono opere di notevole importanza:
• dal punto di vista economico, per l’incidenza spesso assai sensibile cheesse presentano sul costo complessivo dell’impianto;
• sotto l’aspetto tecnico, per gli elevati valori di portata e di pressioned’esercizio.
La sezione tipica delle condotte forzate è quella circolare per ragioni diordine:
• idraulico, perché il cerchio è, fra tutte le sezioni chiuse, quella che aparità di sezione, ammette il minimo contorno bagnato;
• statico, perché la sollecitazione dominante è una pressione internapressoché uniforme;
• costruttivo.
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Penstock classification
CONDOTTE
FORZATE
o In legno
o In cemento armato
o In materiale metallico (acciaio, ghisa)
Sono opere di notevole importanza, soggette a notevoli valori di velocità e pressioni di
esercizio. Poiché devono resistere anche ai transitori di colpo d’ariete, devono essere
particolarmente robuste dal punto di vista statico (ben più della/e condotta/e di adduzione a
monte del pozzo piezometrico) e quindi presentano costi per unità di lunghezza più elevati
rispetto alle gallerie. Per tale motivo sono accettati diametri minori rispetto alle gallerie, con velocità di esercizio quindi più elevate.
Una prima classificazione delle condotte forzate è sulla base dei materiali da costruzione
oppure sulle modalità di posa :
La sezione delle condotte forzate è tipicamente circolare, sia per ragioni idrauliche che statiche.
Per le condotte scoperte è opportuno seguire per quanto possibile la linea di massima
pendenza, regolarizzare il profilo secondo livellette, con scavi e riporti di altezze limitate (max 2-
3 m) il profilo regolarizzare il profilo secondo livellette, con scavi e riporti di altezze limitate (max
2-3 m) il profilo longitudinale delle livellette secondo linee di displuvio del tereeno per evitare
erosione o accumulo acque meteoriche. Ad ogni variazione di livelletta (e dove serve) blocco di
ancoraggio.
Condotte in roccia
Condotte scoperte
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Penstock
Per le condotte scoperte è opportuno
seguire per quanto possibile la linea di massima pendenza,
regolarizzare il profilo secondo livellette, con
scavi e riporti di altezze limitate (max 2-3 m)
secondo linee di displuvio del tereeno per evitare erosione o accumulo acque meteoriche.
Ad ogni variazione di livelletta (e dove serve) blocco di ancoraggio.
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Penstock
Condotte in roccia
Le condotte in roccia sono ricavate entro il terreno con la stessa
tecnica costruttiva usata per le gallerie. Hanno superficie interna
di regola rivestita. Se la roccia è di buone caratteristiche
meccaniche, può bastare rivertimento in calcestruzzo non
armato ovvero armato con armature (barre longitudinali e
cerchiature) e spessori tanto più forti quanto più grande è il
contributo di resistenza richiesto al rivestimento (roccia non
resistente). Usualmente il rivestimento ha spessore variabile tra
20 e 60 cm circa.
Per aumentare la resistenza ed impermeabilità del rivestimento
interno, si l’anello di cls può essere foderato internamente con
lamierino in acciaio (condotta metallica annegata nel cls, al
limite il terreno può non contribuire alla resistenza statica
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Condotte in roccia
Condotte Forzate
Sono ricavate nel terreno con la stessa tecnica costruttiva in uso per le gallerie
ferroviarie e stradali.
Il diametro varia da 2 a 10 metri.
Il campo di applicazione delle condotte in roccia è quello
delle grandi portate e delle pressioni modeste (es.: tronco
adduttore a monte della vasca di oscillazione)
Il rivestimento può essere:
• semplice: intonaco;
calcestruzzo non armato.
con armatura in ferro doppia;
• con funzioni statiche: con armatura in ferro semplice;
• con requisiti di resistenza e impermeabilità:
con anello di calcestruzzo foderato
internamente da una lamiera di ferro.
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Penstock
Condotte in roccia
Vantaggi della c.f. in roccia sono:
- svincolarsi dal profilo del terreno con possibilità di realizzare c.f. a fortissima
pendenza, con minore lunghezza che può:
- compensare anche il maggiori costi unitari,
- ridurre l’entità delle perdite di carico distribuite alla c.f.
- ma anche può rendere le manovre all’otturatore idraulicamente “lunghe”
(sensu Allievi) e quindi minori colpi d’ariete.
- maggiore stabilità alla regolazione dell’impianto.
- La c.f. è sottratta ai rischi di valanghe, frane,.., e alle offese belliche.
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Condotte in legno
Condotte Forzate
Sono una soluzione quasi totalmente sconosciuta in Italia e di scarso utilizzo
anche all’estero.
Si tratta di un fasciame costituito da doghe in
legno tenute da cerchiature (in tondino d’acciaio)
che all’atto della costruzione vengono poste in
tensione a mezzo di apposito apparecchio a vite.
Il legname (di solito pino ma a volte anche abete o
faggio) va accuratamente scelto senza difetti ed
impregnato di sostanze conservatrici per
assicurarne la durata.
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Penstock
Condotte scoperte
Condotte in calcestruzzo armato
Le c.f. in c.a. sono usualmente utilizzate per diametri da 2÷3 a 6÷8 m e per pressioni di
solito non superiori a 70÷80 m di c.a..
Diametri e pressioni più piccoli: cilindro in c.a. a spessore costante con armatura a barre
longitudinali e cerchiature
Diametri e pressioni più forti: nervature esterne ad anello (cerchiature) con internamente
cilindro corrente in c.a.. Al limite per pressioni particolarmente elevate, si aggiunge
lamierino-camicia continuo, interno od annegato nel c.a..
Sono generalmente su appoggio continuo e ricoperte in terra, meno frequenti le c.f. in
c.a. a giorno e su selle di appoggio. Ad intervalli opportuni necessario inserire giunti di
dilatazione termica e deformazione.
Le c.f. in c.a. sono più liscie di quelle in acciaio, meno soggette a corrosione, hanno
maggiori problemi di impermeabilità, più complicato l’inserimento dgli organi di
regolazione (valvole saracinesche, misuratori portata,...).
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Condotte in cemento armato
Condotte Forzate
Vantaggi:
Il campo di applicazione delle condotte in cemento armato è quello delle grandi
portate e delle basse pressioni, inferiori a 60 – 80 metri di colonna d’acqua.
Le tubazioni in cemento armato sono generalmente:
• munite di appoggio continuo;
• ricoperte di terra allo scopo di realizzare una protezione meccanica e termica;
• a cielo aperto, con giunti di dilatazione al fine di impedire che deformazioni
termiche o spostamenti degli appoggi compromettano l’integrità della condotta
stessa.
Svantaggi:
• migliore conservazione rispetto alle condotte metalliche;
• imperfetta tenuta per deficiente impermeabilità;
• formazione di screpolature;
• difficoltà nell’installazione di dispositivi come organi di
regolazione o di misura.
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Condotte in cemento armato, costruzione
Condotte Forzate
Per piccoli diametri il tubo è costituito da:
• soletta curva di spessore costante, munta di:
• armatura circolare in tondini di ferro con barre longitudinali di
ripartizione;
• nervature ad anello per pressioni maggiori.
Per pressioni elevate si aumentano resistenza e impermeabilità, inserendo:
• camicia metallica a diretto contatto con l’acqua o annegata nello spessore del
tubo.
Per grandi diametri si effettua:
• costruzione in opera;
• vibrazione del getto per assicurarne la compattezza;
• impasto assai grasso, con una dosatura di cemento non inferiore ai 400 Kg/m3.
Il diametro varia da 2 – 3 metri fino a 6 – 8 metri.
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Penstock
Condotte scoperte
Condotte metalliche
Sono di gran lunga le più utilizzate. Si suddividono, in relazione al materiale
impiegato e alla modalità di costruzione in:
Condotte in ghisa: non utilizzate nel passato per la scarsa resistenza meccanica e
fragilità –soprattutto a variazioni di carico repentine come nel colpo d’ariete- e per la
limitata classe di diametri. Solo più recentemente vengono utilizzate nei mini hydro
dove i carichi non sono elevati (e.g. turbine in adduzioni di acquedotti, potabilli o
irrigui,..)
Condotte in acciaio
Classificabili secondo i criteri di costruzione,
Condotte senza saldature
Condotte chiodate
Condotte saldate
Condotte cerchiate
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Campo d’applicazione: in generale, per tutti i tubi in acciaio, alte pressioni
e portate fino a 10 m3/s; al crescere delle pressioni si passa dal tipo
chiodato a quello cerchiato, attraverso i tubi saldati.
Penstock
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Le condotte in ghisa sono quasi inutilizzate per la scarsa resistenza
meccanica e la fragilità (non resisterebbero ai colpi d’ariete).
I tubi senza saldature sono:
• in acciaio semiduro;
• prodotti per trafilatura in elementi di lunghezza 10 m;
• di diametro massimo di 1000 mm.
I tubi chiodati, saldati, cerchiati sono:
• in lamiere d’acciaio extradolce curvate e unite;
• prodotti in elementi di lunghezza 6 m;
• di diametro massimo di 9 m.
Penstock
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Opere accessorie
Condotte Forzate
Le opere accessorie, sempre presenti lungo lo sviluppo delle
condotte forzate, sono costituite da:
• giunti fra i diversi elementi di tubo:
• giunzioni trasversali;
• giunti di dilatazione;
• selle d’appoggio;
• blocchi d’ancoraggio.
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Opere accessorie
Condotte Forzate
Giunzioni trasversaliGiunzione con chiodature a sovrapposizione:
• adatta a basse pressioni;
• utilizzata per condotte chiodate.
Giunto a manicotto:
• adatto a pressioni maggiori;
• utilizzato per tubi saldati.
Flangia:
• adatta a pressioni molto elevate;
• con guarnizione in gomma;
• serrata con bulloni.
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Condotta forzataGiunti di dilatazione
oltre ai giunti rigidi si inseriscono giunti scorrevoli, che servono per compensare la
dilatazione termica, per i cedimenti degli appoggi, per le imperfezioni di posa.
• lasciano sfogo ai movimenti di dilatazione e contrazione termica;
• assorbono gli errori di misura commessi all’atto del montaggio
Il tipo più comune è il giunto semplice a stoppa e premistoppa.
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Condotta forzataSelle d’appoggio
Sella con rulli di scorrimento • attriti quasi annullati.
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Condotta forzataSelle d’appoggio
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Opere accessorie
Blocchi d’ancoraggio, premessa
La condotta è divisa in:
• livellette, ossia tratti a pendenza costante proggettati in modo da
minimizzare il numero dei vertici;
• vertici, ovvero punti di cambiamento di pendenza:
• in un vertice convesso verso l’alto la condotta, per effetto della
pressione interna, tende a sollevarsi;
• in un vertice convesso verso il basso, a schiacciarsi contro il
terreno.
Le azioni descritte devono essere neutralizzate da appoggi murari di
dimensioni e peso appropriati, i cosiddetti blocchi d’ancoraggio
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Opere accessorie
Condotte Forzate
Blocchi d’ancoraggio
Le azioni descritte devono essere neutralizzate da appoggi murari di
dimensioni e peso appropriati, i cosiddetti blocchi d’ancoraggio,
che possono essere di tipo:
semi-annegato;
completamente annegato.
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Condotta forzataBlocchi d’ancoraggio
Posti ad ogni cambio di livelletta (almeno). Nel metodo costruttivo “italiano” i blocchi di
ancoraggio hanno in corrispondenza dei giunti di dilatazione, di solito posti a valle del blocco. I
blocchi possono avere tubazione annegata o cerchiata sul blocco:
Blocco semi-annegato
Blocco completamente annegato
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Condotta forzataSelle d’appoggio
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Condotta forzataBlocchi d’ancoraggio
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Pezzi speciali
I pezzi speciali che ricorrono nelle condotte forzate sono:
• passi d’uomo, per l’accesso interno alle condotte;
• gomiti, inseriti in ogni cambiamento di direzione, sia altimetrico che
planimetrico;
• organi di chiusura e sicurezza (in genere valvole a farfalla), posti in
testa alla condotta;
• organi d’intercettazione (valvole rotative o a fuso) al piede della
condotta di direttamente connessi alle macchine idrauliche;
• biforcazioni, situati nelle immediate vicinanze della centrale.
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Condotta forzataPasso d’uomo e pezzi speciali
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Condotta forzataValvole a sfera
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Condotta forzataValvole a fuso o Johnson
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Pezzi speciali
Biforcazioni/Partitori
Alimentare ogni turbina con una propria condotta comporta:
• Vantaggio: le perturbazioni generate da una macchina restano
circoscritte ad una sola condotta di alimentazione;
• Svantaggi: impossibile smistare la portata su macchine diverse;
notevoli costi per la costruzione di molte condotte.
Le biforcazioni (ad es. con collettore):
• consentono di risolvere i suddetti
problemi;
• introducono perdite di carico per le
inevitabili variazioni di direzione e
sezione.
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Condotta forzataPartitori
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Penstock
materials
Materiali
legno
cls
c.a.
c.a. precompresso
acciaio saldati
chiodati
trafilati
cerchiati a caldo
a freddo
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Penstock
Materials: welded steel
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Penstock
Materials: ribbed steel pipe
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Penstock
Materials: ribbed steel pipe
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Materials: ribbed steel pipe
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Hydraulic design
Vmin=34 m/s
71,482,100145,0 DqJ
(Formula di Scimemi-Veronese)
Vmax=67 m/s
600 595 590 585
0
100
200
300
400
500
600
700
-200 300 800
qu
ote
rela
tive
[m
]
distanze orizzontali [m]
CONDOTTA FORZATAProfilo altimetrico
e linea piezometrica
z
ho
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