Forze su accumuli di detriti arborei in corrispondenza di ponti fluviali

This work aims to study some aspects related to the accumulation of woody debris at river bridges, one of the most critical phenomena for the hydraulic vulnerability of such infrastructures. It involves a reduction of the flow capacity with a consequent increase in the upstream level, greater erosion at the base of the piers and additional hydrodynamic forces on the structure. In particular, the work is focused on the latter aspect, the loads in the horizontal direction, the evaluation of which requires the knowledge of the drag coefficient to be associated with the accumulation of woody debris. For this reason, it is investigated the variability of the traditional and the dynamic drag coefficient as a function of the geometric characteristics of the obstacle and hydrodynamic ones of the current. For this purpose, 54 tests are performed at the Fantoli Hydraulics laboratory of the Politecnico di Milano, which join the 111 experiments conducted by Martinelli (2021). Furthermore, it is investigated the transition to the critical state of the current, for the purpose of which further 68 tests are carried out. The results of the analyzes show a positive dependence of the traditional drag coefficient on the Froude number of the current and on the blockage ratio of the obstacle which allows us to define a good regression model for this variable. The dynamic drag coefficient shows a high variability of the data which, however, cannot be interpreted with a regression model: therefore, the traditional approach is preferred. At the transition to the critical state, the traditional definition of the drag coefficient loses its physical meaning and, for this reason, an alternative version is preferred in which the drag force is normalized using the parameters of the current evaluated near the obstacle instead of upstream.

Il presente elaborato si propone di studiare alcuni aspetti legati all’accumulo di detriti arborei in corrispondenza dei ponti di attraversamento fluviale, fenomeno tra i più critici per la vulnerabilità idraulica di tali infrastrutture. Esso comporta una riduzione della capacità di deflusso della corrente con un conseguente aumento del rigurgito a monte, una maggior erosione alla base delle pile e forze idrodinamiche aggiuntive sulla struttura. In particolare, in questo elaborato si pone l’attenzione su quest’ultimo aspetto, concentrandosi sui carichi in direzione orizzontale, la cui valutazione richiede la conoscenza del coefficiente di drag da associare all’accumulo di detriti arborei. Per questa ragione, si vuole indagare la variabilità del coefficiente di drag tradizionale e di quello dinamico in funzione delle caratteristiche geometriche dell’ammasso e idrodinamiche della corrente. A tale scopo, vengono eseguite 54 prove presso il laboratorio di Idraulica Fantoli del Politenico di Milano che vanno ad unirsi ai 111 esperimenti della campagna sperimentale condotta da Martinelli (2021). Inoltre, si vuole approfondire la condizione di passaggio per lo stato critico della corrente per il cui fine vengono eseguite ulteriori 68 prove. I risultati delle analisi mostrano una dipendenza positiva del coefficiente di drag tradizionale dal numero di Froude della corrente e dal blockage ratio dell’ostacolo la quale permette di definire un buon modello di regressione per tale variabile. Il coefficiente di drag dinamico, invece, mostra un’elevata variabilità dei dati che non è però interpretabile con un modello di regressione e, pertanto, si preferisce l’approccio tradizionale. In corrispondenza del passaggio per lo stato critico, la definizione tradizionale del coefficiente di drag perde di significato e, per questa ragione, si propone una versione alternativa ottenuta normalizzando la forza di drag con le grandezze della corrente valutate in corrispondenza della sezione ristretta.