29° Convegno Nazionale GNGTS
Prato 26-28 ottobre 2010
Verifiche sismiche di stabilità
degli argini di alcune casse di espansione
del Fiume Po
M. Compagnoni , F. Pergalani - Politecnico di Milano - DIS, Milano
C. Madiai , G. Simoni, G. Vannucchi - Università Studi di Firenze - DICeA, Firenze
L. Martelli - Regione Emilia Romagna, Bologna
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PROGETTO S.I.S.M.A.
GRUPPO DI LAVORO
Dipartimento della Protezione Civile - finanziatore
Autorità di Bacino del Fiume Po - coordinatore
Regione Emilia - Romagna
Regione Lombardia
Regione Lombardia
Agenzia Interregionale per il fiume PO
Politecnico di Milano - DIS
Università degli Studi di Firenze - DICeA
PARMAGEO
PROGEO
OBIETTIVO
Predisposizione di un percorso metodologico finalizzato alla valutazione
della stabilità sismica delle arginature delle principali casse di
espansione presenti nel Bacino del Fiume Po, in mancanza di una
specifica normativa di settore
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PROGETTO S.I.S.M.A.
SITI DI STUDIO
CASSE DI ESPANSIONE SUI FIUMI:
Parma
Secchia
Enza
Panaro
Arno
Olona (Malnate e San Vittore)
Cassa del T. Parma
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PROGETTO S.I.S.M.A.
METODOLOGIA DI STUDIO
Raccolta dei dati pre-esistenti ed esecuzione di nuove
indagini in situ ed analisi di laboratorio
Ricostruzione del modello geologico-geofisico-geotecnico
Individuazione degli input sismici attesi
Analisi di risposta sismica di sito
Ricostruzione delle sezioni tipo dell’argine
Verifiche sismiche di stabilità
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PROGETTO S.I.S.M.A.
INDAGINI IN SITU e DI LABORATORIO
Raccolta dei dati pre-esistenti (oltre 90 stratigrafie di
sondaggi con relative prove di laboratorio)
Campagna integrativa:
•2
•3
• 43
•3
•6
stendimenti sismici a rifrazione in onde P, SH (800 m)
sondaggi a carotaggio continuo di 50 m
prove SPT
prove DH
campioni indisturbati (5 prove di colonna risonante, 4
prove triassiali e 2 prove edometriche, prove di
classificazione)
• 22 campioni rimaneggiati (prove di classificazione)
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PROGETTO S.I.S.M.A.
prof. [m]
CAMPAGNA INDAGINI INTEGRATIVE
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PROGETTO S.I.S.M.A.
MODELLO GEOLOGICO
Fonti: CARG (2005) - RER & ENI-Agip (1998) - Banca dati del
Servizio Geologico, Sismico e dei Suoli della Regione
Emilia-Romagna
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PROGETTO S.I.S.M.A.
SEZIONI GEOLOGICHE INTERPRETATIVE
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PROGETTO S.I.S.M.A.
MODELLO GEOFISICO e GEOTECNICO
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PROGETTO S.I.S.M.A.
INPUT SISMICO
• Tempo di ritorno TR (da NTC 08 e linee guida dighe):
evento molto frequente TR 50 anni
evento meno raro TR 475 anni
evento molto raro TR 975 anni
• Spettro di risposta di riferimento (NTC 08):
determinato in base ai dati di pericolosità (GdL 2004) come media
ponderata con l’inverso della distanza dei 4 punti della griglia di
riferimento rispetto al valore geografico ISTAT del comune di
appartenenza del sito
• Generazione di 7 accelerogrammi artificiali spettrocompatibili e
selezione da banca dati ITACA di 7 accelerogrammi registrati
rispondenti ai requisiti di norma
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PROGETTO S.I.S.M.A.
SPETTRI DI RISPOSTA DI INPUT
Esempio TR 475
target parma
acc1
acc2
acc3
acc4
acc5
acc6
acc7
Spettro medio
0.80
0.70
GENERATI
0.60
Psa (g)
0.50
0.40
0.30
0.20
target parma
SRC0
CAT
NVL
CSN0
CSA_NS
CSA_WE
MTL
Spettro medio
0.10
800
0.00
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
2.20
2.40
700
Periodo (s)
600
REGISTRATI
Psa (cm/s2)
500
400
300
200
100
0
0.00
29° Convegno GNGTS – Prato 26-28 ottobre 2010
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
Periodo (s)
1.60
1.80
2.00
2.20
2.40
PROGETTO S.I.S.M.A.
ACCELEROGRAMMI DI INPUT
Esempio TR 475
0.00
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-0.05
0.00
0
10
15
20
-0.10
-0.15
-0.15
35
40
45
0.05
0.05
Accelerazione (g)
0.10
0.00
15
20
25
30
35
40
45
-0.05
Acc4
0
-0.10
-0.15
-0.20
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-0.05
-0.15
0.05
0.00
20
25
30
35
40
45
-0.05
0.00
0
-0.10
-0.15
-0.15
-0.20
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-0.05
-0.10
16
18
20
0
0
5
10
15
-120
-120
Tempo (s)
Tempo (s)
200
CAT
120
80
80
40
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
CSN0
160
120
50
-40
40
0
0
5
10
15
-80
-80
-120
-120
Tempo (s)
200
NVL
120
80
80
40
0
0
5
10
15
20
25
CSA_NS
160
120
30
-40
40
0
0
5
10
15
-40
-80
-80
-120
-120
-160
-200
Tempo (s)
Tempo (s)
CSA_WE
160
0.10
10
15
20
25
30
35
40
45
-0.05
Accelerazione (cm/s2)
Accelerazione (g)
80
5
40
0
0
5
10
15
-40
-80
-0.10
-120
-0.15
-160
-200
-0.20
Tempo (s)
29° Convegno GNGTS – Prato 26-28 ottobre 2010
30
-200
120
0
25
-160
Acc7
0.00
20
-40
200
0.05
30
-200
0.20
0.15
25
-160
-200
-0.20
20
-40
-80
-160
Tempo (s)
40
-80
160
Accelerazione (cm/s2)
0.05
Accelerazione (g)
0.10
14
200
Acc6
0.15
0.10
12
Tempo (s)
0.20
Acc5
0.15
10
-40
Tempo (s)
0.20
15
8
-200
-0.20
10
6
-160
Tempo (s)
5
4
160
0.00
-0.10
0
2
200
0.15
0.10
10
0
Tempo (s)
Accelerazione (cm/s2)
Acc3
0.15
5
0
Tempo (s)
0.20
0
80
40
-200
-0.20
0.20
Accelerazione (g)
30
80
-160
Tempo (s)
Accelerazione (g)
25
-0.05
-0.10
-0.20
5
120
Accelerazione (cm/s2)
0.05
MTL
160
120
Accelerazione (cm/s2)
0.10
0.05
200
SRC0
160
Accelerazione (cm/s2)
0.10
0
Acc2
0.15
Accelerazione (g)
Accelerazione (g)
200
0.20
Acc1
0.15
Accelerazione (cm/s2)
0.20
Tempo (s)
20
25
30
20
25
30
PROGETTO S.I.S.M.A.
PARAMETRI CARATTERISTICI
Esempio TR 475
nome
località
Acc1
Acc2
Acc3
Acc4
Acc5
Acc6
Acc7
PARMA
PARMA
PARMA
PARMA
PARMA
PARMA
PARMA
pga
cm/s2
-136.31
136.31
136.31
136.31
136.31
136.31
-136.31
pgv
cm/s
-9.64
15.79
7.78
8.32
13.03
-6.63
-6.99
si25
cm
34.44
33.03
34.88
34.19
33.43
33.77
33.68
si05
cm
5.17
4.78
5.20
5.22
5.21
5.25
5.23
a.i.
cm/s
37.28
29.47
30.88
31.86
33.68
34.17
35.68
d90
s
13.91
13.85
11.69
12.27
13.03
13.20
13.78
Tm90
s
0.16
0.16
0.15
0.19
0.14
0.15
0.15
Pd90
cms
0.2168
0.1679
0.1501
0.2592
0.1535
0.1829
0.1760
dt
s
28.00
28.00
29.00
30.00
30.00
31.00
32.00
Tmf
s
0.17
0.19
0.16
0.20
0.16
0.18
0.16
Pdf
cms
0.2620
0.2601
0.1857
0.3043
0.2238
0.2635
0.2378
S. Rocco
pga
pgv
si25
si05
2
cm/s
cm/s
cm
cm
-129.75 10.93 42.07 4.65
a.i.
cm/s
9.64
d90
s
4.46
Tm90
s
0.23
Pd90
dt
Tmf
Pdf
cms
s
s
cms
0.1190 16.88 0.22 0.1204
MTL
Matelica
-106.88
9.72
11.45
0.20
0.0851 29.05 0.22 0.1223
CAT
Catania (Piana)
-211.44 12.83 29.87 5.62 23.16 11.69
0.22
0.2436 43.45 0.26 0.3782
CSN0
Cassino – Sant’Elia
-111.74
NVL
Novellara
nome
loc. stazione
SRC0
-7.05
-7.62
23.94 3.72
33.12 5.62 17.24
9.82
0.25
0.2520 27.28 0.29 0.3552
-194.70 12.72 32.98 5.91 11.45
5.32
0.17
0.0732 28.64 0.16 0.0709
CSA_NS Castelnuovo (Assisi)
108.03
6.91
30.97 4.95 12.84 17.19
0.42
0.5077 28.78 0.41 0.5425
CSA_WE Castelnuovo (Assisi)
74.76
4.92
23.43 3.53
0.35
0.2235 28.78 0.37 0.2862
29° Convegno GNGTS – Prato 26-28 ottobre 2010
8.20
15.68
PROGETTO S.I.S.M.A.
RISPOSTA SISMICA DI SITO
• Modellazione 1D:
- Codice di calcolo con discretizzazione a strati continui, analisi dinamica
lineare equivalente in tensioni totali
• Risultati al piano di fondazione degli argini delle casse:
- Accelerogrammi di output
- Spettri di Fourier
- Spettri di risposta
- Parametri caratteristici
- Fattori di amplificazione
Fa 0 .1-0 .5 =
29° Convegno GNGTS – Prato 26-28 ottobre 2010
si 0 .1-0 .5 (output)
si 0 .1-0 .5 (input)
Fa 0 .5-1.5 =
si 0 .5-1.5 (output)
si 0 .5-1.5 (input)
PROGETTO S.I.S.M.A.
RISULTATI
ACCELEROGRAMMI e SPETTRI DI FOURIER - TR 475 - M3b
0.20
0.0120
0.0100
0.20
0.15
0.15
0.0100
0.0080
0.10
0.10
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Acc1
0.0060
0.0040
0.05
SRC0
0.00
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-0.05
Ampiezza (g*s)
0
Accelerazione (g)
0.00
Ampiezza (g*s)
Accelerazione (g)
0.0080
0.05
0.0060
0.0040
-0.05
-0.10
-0.10
0.0020
0.0020
-0.15
-0.15
0.0000
0.0000
-0.20
0
-0.20
Tempo (s)
0.20
2
4
6
8
10
12
14
16
2
4
6
Tempo (s)
0.20
Frequenza (Hz)
0.0100
0
18
8
10
12
14
16
18
12
14
16
18
12
14
16
18
12
14
16
18
12
14
16
18
12
14
16
18
12
14
16
18
Frequenza (Hz)
0.0120
0.15
0.15
0.0100
0.0080
0.10
0.10
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Acc2
0.0060
0.0040
0.05
0.00
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
MTL
-0.05
Ampiezza (g*s)
0
Accelerazione (g)
0.00
Ampiezza (g*s)
Accelerazione (g)
0.0080
0.05
0.0060
0.0040
-0.05
-0.10
0.0020
-0.10
0.0020
-0.15
-0.15
0.0000
0.0000
0
-0.20
Tempo (s)
0.20
2
4
6
8
10
12
14
16
-0.20
18
0
2
4
6
Tempo (s)
0.25
Frequenza (Hz)
0.0100
8
10
Frequenza (Hz)
0.0080
0.20
0.0070
0.15
0.15
0.0080
0.0060
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Acc3
0.0060
0.0040
0.05
0.00
0
10
20
30
40
50
60
CAT
-0.05
Ampiezza (g*s)
0.00
Accelerazione (g)
0.10
0.05
Ampiezza (g*s)
Accelerazione (g)
0.10
0.0050
0.0040
0.0030
-0.05
-0.10
0.0020
-0.10
0.0020
-0.15
0.0010
-0.20
-0.15
0.0000
0.0000
0
-0.20
Tempo (s)
0.20
2
4
6
8
10
12
14
16
-0.25
18
0
2
4
6
Tempo (s)
0.20
Frequenza (Hz)
0.0100
0.15
8
10
Frequenza (Hz)
0.0080
0.0070
0.15
0.0080
0.10
0.0060
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Acc4
0.0060
0.0040
0.05
0.00
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-0.05
CSN0
Ampiezza (g*s)
0.00
Accelerazione (g)
0.05
Ampiezza (g*s)
Accelerazione (g)
0.10
0.0050
0.0040
0.0030
-0.05
0.0020
-0.10
0.0020
-0.10
0.0010
-0.15
-0.15
0.0000
0.0000
0
-0.20
Tempo (s)
0.20
2
4
6
8
10
12
14
16
-0.20
18
0
0.10
15
20
25
30
35
40
45
Acc5
0.0040
0.05
0.00
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-0.05
NVL
Ampiezza (g*s)
10
Accelerazione (g)
5
Ampiezza (g*s)
Accelerazione (g)
0
0.0060
8
10
Frequenza (Hz)
0.0060
0.10
0.00
6
0.0070
0.15
0.05
4
0.0080
0.15
0.0080
2
Tempo (s)
0.20
Frequenza (Hz)
0.0100
0.0050
0.0040
0.0030
-0.05
-0.10
0.0020
-0.10
0.0020
0.0010
-0.15
-0.15
0.0000
0
-0.20
Tempo (s)
0.20
2
4
6
8
10
12
14
16
0
Tempo (s)
0.20
Frequenza (Hz)
0.0100
0.0000
-0.20
18
2
4
6
8
10
Frequenza (Hz)
0.0120
0.15
0.15
0.0100
0.0080
0.10
0.10
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Acc6
0.0060
0.0040
0.05
0.00
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-0.05
CSA_NS
Ampiezza (g*s)
0
Accelerazione (g)
0.00
Ampiezza (g*s)
Accelerazione (g)
0.0080
0.05
-0.10
0.0020
-0.10
0.0060
0.0040
-0.05
0.0020
-0.15
-0.15
0.0000
0.0000
0
-0.20
4
6
8
10
12
14
16
-0.20
18
0
2
4
6
Tempo (s)
0.20
Frequenza (Hz)
0.0100
Tempo (s)
0.20
2
8
10
Frequenza (Hz)
0.0080
0.15
0.0070
0.15
0.0080
0.10
0.0060
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Acc7
0.0060
0.0040
0.05
0.00
0
5
10
15
20
-0.05
25
30
35
40
45
CSA_WE
Ampiezza (g*s)
0.00
Accelerazione (g)
0.05
Ampiezza (g*s)
Accelerazione (g)
0.10
0.0050
0.0040
0.0030
-0.05
0.0020
-0.10
0.0020
-0.10
0.0010
-0.15
-0.15
0.0000
0.0000
0
-0.20
Tempo (s)
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Frequenza (Hz)
29° Convegno GNGTS – Prato 26-28 ottobre 2010
-0.20
0
Tempo (s)
2
4
6
8
10
Frequenza (Hz)
PROGETTO S.I.S.M.A.
RISULTATI
SPETTRI DI RISPOSTA - TR 475 - M3b
0.5
0.5
0.45
0.45
0.4
0.4
0.35
0.35
acc1
SRC0
acc2
MTL
0.3
acc3
Psa (g)
Psa (g)
0.3
acc4
0.25
acc5
CAT
CSN0
0.25
NVL
acc6
0.2
CSA_NS
0.2
acc7
CAS_WE
media generati
0.15
target parma
media registrati
0.15
target parma
0.1
0.1
0.05
0.05
0
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0
0.5
1
Periodo (s)
1.5
Periodo (s)
0.5
0.45
0.4
0.35
Psa (g)
0.3
media registrati
0.25
media generati
target parma
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
0.5
1
1.5
Periodo (s)
29° Convegno GNGTS – Prato 26-28 ottobre 2010
2
2.5
2
2.5
PROGETTO S.I.S.M.A.
RISULTATI
PARAMETRI CARATTERISTICI DEGLI ACCELEROGRAMMI DA RSL
IMPIEGATI NELLE ANALISI DI STABILITÀ - TR 475 - M3b
nome
amax
[cm/s2]
vmax
[cm/s]
Ia
[cm/s]
T
[s]
PD
[cms]
Acc1
Acc2
Acc3
Acc4
Acc5
Acc6
Acc7
SRC0
MTL
CAT
CSN0
NVL
CSA_NS
CSA_WE
111.66
92.42
-112.71
-96.01
-115.51
131.20
102.55
-142.82
106.44
-164.15
-114.81
-150.47
106.15
77.61
-11.50
18.69
11.83
11.65
14.45
10.28
10.69
14.49
-11.69
18.45
11.89
16.45
9.44
8.36
35.68
25.81
26.21
29.17
33.03
26.47
31.32
14.77
16.46
21.28
24.05
11.86
22.03
11.47
0.27
0.30
0.25
0.34
0.26
0.26
0.23
0.53
0.44
0.40
0.48
0.26
0.76
0.61
0.661
0.592
0.422
0.829
0.564
0.441
0.411
1.029
0.798
0.868
1.377
0.204
3.178
1.081
29° Convegno GNGTS – Prato 26-28 ottobre 2010
PROGETTO S.I.S.M.A.
RICOSTRUZIONE SEZIONI TIPO DEGLI ARGINI
1
2
3
Parametri geotecnici utilizzati nelle verifiche di stabilità
Rinfianchi
Ghiaie di fondazione
Limi argillosi di fondazione
Nucleo
 [kN/m3]
21.0
20.0
19.0
19.0
’ [°]
39
39
27
19
c’ [kPa] cu [kPa]
10
120
35
85
k [m/s]
4 10-5
-5
4 10 - 1.2 10-4
8 10-8 - 4.8 10-7
≤10-7
Tipologia: di tipo “zonato”, con rinfianchi in materiale granulare e nucleo “impermeabile”
Altezza massima: 18 m
Inclinazione delle scarpate: circa 1:3 sul lato interno e 1:2 sul lato esterno della cassa
Tenuta idraulica in fondazione realizzata mediante un diaframma in c.a. posto tra il piano di posa
dell’argine e lo strato “impermeabile” presente in sito a profondità variabile
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PROGETTO S.I.S.M.A.
VERIFICHE DI STABILITA’
Per ciascun lato (interno ed esterno alla cassa) di ciascuna sezione sono state
eseguite le seguenti analisi :
PRESISMICA:
statica all’equilibrio limite per conci (Bishop semplificato)
COSISMICA:
pseudostatica
(Bishop
semplificato)
semplificata (metodo degli spostamenti)
POSTSISMICA:
statica
breve termine e lungo termine
MASSIMO INVASO: breve termine e lungo termine
RAPIDO SVASO:
dinamica
(verificata l’insorgenza di sovrappressioni interstiziali
trascurabili e di fenomeni di degradazione tali da non superare la
deformazione di soglia volumetrica)
e 3 condizioni di esercizio (D.M. 24.03.1982):
FINE LAVORI:
e
breve termine
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PROGETTO S.I.S.M.A.
VERIFICHE STATICHE PRESISMICHE
Le analisi sono state condotte sia in termini di tensioni totali, sia efficaci
I coefficienti di sicurezza minimi per lo stato di fine lavori (FL) e massimo invaso (MI) di
tutte le sezioni analizzate risultano molto elevati (la condizione critica si verifica per il
lato esterno cassa (LE) della sezione 3 con coefficiente di sicurezza pari a 1.85)
La situazione più critica è quella relativa al lato interno (LI) nella condizione di rapido
svaso (RS) per la sezione 2 con il coefficiente di sicurezza di 1.35
29° Convegno GNGTS – Prato 26-28 ottobre 2010
PROGETTO S.I.S.M.A.
VERIFICHE PSEUDOSTATICHE
Sono state condotte analisi a breve termine
L’azione sismica di progetto è stata definita in accordo con le NTC 08, per differenti
periodi di ritorno (TR = 50, 475, e 975 anni), assumendo il valore dell’accelerazione
massima sulla base di due differenti criteri:
- con riferimento alla pericolosità sismica del territorio nazionale (GdL 2004)
- utilizzando i risultati delle analisi di risposta sismica di sito
I risultati hanno evidenziato che la situazione più critica per tutte le sezioni analizzate è
quella relativa al lato interno nella condizione di rapido svaso (con coefficienti di sicurezza
minimi intorno a 1.1-1.2 in corrispondenza della sezione 2 per TR = 475 e 975 anni)
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PROGETTO S.I.S.M.A.
VERIFICHE DINAMICHE SEMPLIFICATE
La stima degli spostamenti permanenti indotti dagli accelerogrammi di
progetto è stata eseguita:
- utilizzando correlazioni empiriche tra spostamento e alcuni
parametri significativi dell’input, quali: amax; amax/(vmax)2; IA ; Pd; T
- attraverso integrazione numerica diretta (metodo Newmark)
Nel primo caso gli spostamenti stimati risultano essere apprezzabili
soltanto per la sezione 2 nella condizione di rapido svaso e per periodi
di ritorno di 475 e 975 anni. Negli altri casi lo spostamento è risultato
nullo oppure non significativo dal punto di vista ingegneristico
Nel secondo caso vengono confermati i risultati precedenti. Il valore
massimo dello spostamento calcolato è di circa 5 cm,
approssimativamente pari allo 0.5% dell’altezza dell’argine in
corrispondenza della sezione esaminata
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PROGETTO S.I.S.M.A.
CONCLUSIONI
Il percorso metodologico seguito è appropriato e permette di valutare le
condizioni di stabilità sismica dell’opera, tenendo adeguatamente in conto i
possibili effetti di sito. I risultati ottenuti possono essere ritenuti
sufficientemente significativi in quanto:
a) le incertezze legate alla definizione del modello geotecnico sono limitate (la
caratterizzazione è stata effettuata sulla base di una documentazione
sufficientemente ampia e affidabile);
b) le analisi numeriche (sia per la valutazione degli effetti di sito sia per le
verifiche di stabilità) sono state eseguite con codici di calcolo collaudati e di
comprovata affidabilità.
Inoltre, ai fini pratici:
essendo trascurabile la probabilità di concomitanza di un evento molto raro
(periodo di ritorno TR ≥ 475 anni) con le condizioni idrauliche più sfavorevoli
(rapido svaso) ed avendo utilizzato metodi per conci, notoriamente conservativi,
è possibile concludere che l’opera è caratterizzata da un margine di sicurezza
adeguato per tutti gli stati limite previsti nelle NTC 08 e in tutte le condizioni di
esercizio indicate dal D.M. 24.03.1982 e potrebbe pertanto essere impiegata
anche come bacino di riserva ai fini idrici
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