PROGETTAZIONE DI SOVRASTRUTTURE STRADALI
CON METODI EMPIRICI E METODI RAZIONALI
IL CALCOLO DI DIMENSIONAMENTO DELLE PAVIMENTAZIONI STRADALI
HA ORIGINATO UNA MOLTEPLICITA’ DI METODI CHE POSSONO ESSERE
RAGGRUPPATI IN:
METODI EMPIRICO – SPERIMENTALI
METODI RAZIONALI
METODI EMPIRICO - SPERIMENTALI
DERIVANO DA INDAGINI CONDOTTE SU PISTE
SPERIMENTALI E DALLE CORRELAZIONI TRA
DEFORMAZIONI O I DECADIMENTI MISURATI
SULLA PISTA CON LE CONDIZIONI DI CARICO
IMPOSTE
I RISULTATI VENGONO VENGONO PRESENTATI
COME ABACHI, TABELLE EQUAZIONI
INTERPOLANTI I DATI SPERIMENTALI E
UTILIZZABILI IN FASE PROGETTUALE
METODI EMPIRICO - SPERIMENTALI
IL METODO EMPIRICO PER ECCELLENZA E’ QUELLO
PROPOSTO DALLA AASHTO CHE, A PARTIRE DAGLI
ANNI ’60, HA MESSO A PUNTO UN’ESPRESSIONE
ANALITICA CHE INTERPRETA UNA NOTEVOLE SERIE
DI MISURE SPERIMENTALI
L’ESPRESSIONE E’ STATA IN SEGUITO REVISIONATA E
AGGIORANTA INTRODUCENDO MODIFCHE CHE LA
RENDONO PIU’ “RAZIONALE” E INNOVATIVA CON
L’INTRODUZIONE DEL MODULO RESILIENTE PER LA
CARATTERIZZAZIONE DEL SOTTOFONDO E,
SOPRATTUTTO, IL CONCETTO DI AFFIDABILITA’
METODI RAZIONALI
IL METODO RAZIONALE DI PROGETTO DELLE
PAVIMENTAZIONI FLESSIBILI SEGUE NELLE SUE
GRANDI LINEE LA LOGIA IMPIEGATA NEL PROGETTO
STRUTTURALE DELLE OPERE DI INGEGNERIA CIVILE
SI ESEGUE L’ANALISI TENSO-DEFORMATIVA DELLA
STRUTTURA
SI VERIFICA CHE LE TENSIONI E LE DEFORMAZIONI
NON DIANO LUOGO A ALTERAZIONI DELLE
PAVIMENTAZIONE INCOMPATIBILI CON LA SUA
FUNZIONALITA’ E SICUREZZA
METODI RAZIONALI
SI PUO’ ARTICOLARE IN TRE TAPPE SUCCESSIVE IL
PROCEDIMENTO DI CALCOLO RELATIVO ALLA
PROGETTAZIONE DI UNA PAVIMENTAZIONE
FLESSIBILE:
ANALISI DELLO STATO DI TENSIONE E
DEFORMAZIONE
CALCOLO DEL DANNO DA FATICA ACCUMULATO NEI
VARI STRATI E VERIFICA CHE ESSO NON PROVOCHI
FESSURAZIONI PRIMA DEL TERMINE
CALCOLO DELLA PROFONDITA’ DELLE ORMAIE
PRODOTTESI AL LIMITE DELLA VITA UTILE
FATTORI DEL
DIMENSIONAMENTO
MOLTO UTILI IN FASE DI
PREDIMENSIONAMENTO SONO I CATALOGHI
DELLE PAVIMENTAZIONI (CNR B.U. 178:1995)
TUTTI I METODI DI DIMENSIONAMENTO
VEONSIDERANO, COME DATI DI INGRESSO, I
SEGUENTI PARAMETRI:
PARAMETRI DI INGRESSO DEL
DIMENSIONAMENTO
SPESSORE DEGLI STRATI;
CARATTERISTICHE DEI MATERIALI (a,d,E,ν etc);
VITA UTILE;
CARATTERISTICHE DEL SOTTOFONDO (CBR, k,
Md, Mr);
CARATTERISTICHE DEI CARICHI (Ceq, P, d etc);
ENTITA’ DEL TRAFFICO (TGM,p, n, pd, N, r, etc);
SOLLECITAZIONI TERMICHE;
DECADIMENTI E SFORZI DI DEFORMAZIONE
LIMITE.
ANALISI DEI DATI DI TRAFFICO
ANALSI DEI DATI DI TRAFFICO
IL DIMENSIONAMENTO DI UNA
SOVRASTRUTTURA STRADALE OLTRE CHE DALLA
PORTANZA DEL PIANO DI POSA DEL
SOTTOFONDO E DELLA RESISTENZA MECCANICA
DEI SINGOLI STRATI, DIPENDE DALLA
COMPOSIZIONE E DALL’ENTITA’ DEL TRAFFICO,
VALUTATO TRA L’ENTRATA IN ESERCIZIO E IL
TERMINE DELLA VITA UTILE
DELL’INFRASTRUTTURA
ANALISI DEI DATI DI TRAFFICO
GENERALMENTE IL DATO DI PARTENZA E’ IL
TRAFFICO GIORNALIERO MEDIO (TGM) CHE
TRANSITA O SI PRESUME TRANSITERA’ NEL
PRIMO ANNO DI VITA UTILE.
E’ IMPORTANTE DISTINGUERE BENE LA
DIFFERENZA TRA VEICOLI COMMECRCIALI ED
ASSI STANDARD (O EQUIVALENTI)
ANALISI DEI DATI DI TRAFFICO
E’ DEFINITO VEICOLO COMMERICALE QUELLO
CON MASSA COMPLESSIVA MAGGIORE DI 3 t.
ESISTONO DEI COEFFICIENTI DI EQUIVALENZA
CHE PERMETTONO DI TRASFORMARE IL
NUMERO DI VEICOLI COMMERCIALI IN TRANSITI
DI ASSI STANDARD (O ASSI EQUIVALENTI)
Esempio di trasformazione di veicoli commerciali in
assi equivalenti
ANALISI DEI DATI DI TRAFFICO
IL TGM DOVRA’ ESSERE CORRETTO PER TENER
CONTO DEI SEGUENTI FATTORI:
EVOLUZIONE DEL TRAFFICO NEL CORSO DEGLI ANNI (r);
LA DISTRIBUZIONE DEL TRAFFICO PER SENSO DI MARCIA (pd);
LA PERCENTUALE DI VEICOLI COMMERCIALI (p);
PERCENTUALE DI TRAFFICO COMMERICALE CHE TRANSITA
NELLA CORSIA DI MARCIA LENTA (pl);
DISPERSIONE DELLE TRAIETTORIE (dt);
COEFFICIENTE DI EQUIVALENZA E LA DISTRIBUZIONE DEI
CARICHI DI TRAFFICO COMMERICALE (Ceq)
ANALISI DEI DATI DI TRAFFICO
IL BOLLETTINO CNR DISTINGUE 6 CLASSI DI
STRADE:
CLASSE A
CLASSE B
CLASSE C
CLASSE D
CLASSE E
CLASSE F
AUTOSTRADE EXTRAURB./URBANE
STRADE EXTRAURB. PRINCIPALI
STRADE EXTRAURB. SECONDARIE
STRADE URBANE DI SCORRIMENTO
STRADE DI QUARTIERE
STRADE EXTRAURB E URBANE LOCALI
ANALISI DEI DATI DI TRAFFICO
PER LA COMPOSIZIONE DEL TRAFFICO PREVISTO
SU CIASCUN TIPO DI STRADA INDICA DEGLI
SPETTRI TIPICI DI VEICOLI COMMERCIALI
SONO RIPORTATI I TIPI DI VEICOLI E I LORO
CARICHI PER ASSE:
ANALISI DEI DATI DI TRAFFICO
E’ INDICATA LA LORO FREQUENZA, ESPRESSA IN
PERCENTUALE, SUL TOTALE DEI MEZZI
COMMERCIALI
ANALISI DEI DATI DI TRAFFICO
DOPO TUTTE LE CORREZIONI VISTE IL TGM
(traffico giornaliero medio) SI TRASFORMA IN Na
(numero di assi equivalenti):
T.G.M.
Na
SOTTOFONDO
NEI METODI DI DIMENSIONAMENTO EMPIRICI,
DEL SOTTOFONDO INTERESSA CONOSCERE LA
PORTANZA, ESPRESSA COME INDICE CBR (di
progetto)
ESISTE UNA RELAZIONE CHE LEGA L’INDICE CBR
DEL SOTTOFONDO CON IL MODULO DI
DEFORMAZIONE:
CBR = 0,02 Md
(Ferrari Giannini – Ingegneria stradale)
CNR B.U. N° 178: 1995
IL CATALOGO CNR DELLE
PAVIMETAZIONI
OFFRE UN VENTAGLIO DI SOLUZIONI DI
SOVRASTRUTTURE STRADALI DI VARIE
TIPOLOGIE E VALIDE PER LE CONDIZIONI DI
TRAFFICO E AMBIENTALI, TIPICHE DELL’ITALIA
L’OBIETTIVO CHE SI PROPONE E’ QUELLO DI
FORNIRE UN RIFERIMENTO NELLA
PROGETTAZIONE DELLE PAVIMENTAZIONI
ATTRAVERSO LE SCHEDE DI CATALOGO
IL CATALOGO CNR DELLE
PAVIMENTAZIONI
ESEMPIO DI SCHEDA
DI CATALOGO:
Le schede sono identificate con un
codice:
• il numero va da 1 a 8 con il quale
viene indicata il tipo di strada
•La parte alfabetica indica:
F = flessibile
SR = semirigida
RG = rigida non armata
RC = rigida con armatura
METODO AASHTO
METODO AASHTO
La metodologia di dimensionamento proposta dalla
AASHTO si basa sulla quantificazione della capacità
portante di una pavimentazione attraverso il Numero
di Struttura SN (Structural Number):
Dove:
ai coefficiente di strato;
si spessore dello strato;
di coefficiente di drenaggio
METODO AASHTO
Dopo aver inserito il grado di affidabilità e il
decadimento limite ammissibile e le caratteristiche del
sottofondo (determinate con il catalogo CNR delle
pavimentazioni), si utilizza la formula proposta
dall’AASHTO per la determinazione de numero di assi
equivalenti da 8,16 t sopportabile dalla struttura:
ESEMPIO DIMENSIONAMENTO
METODO AASHTO
PROGETTO
SPESSORE SPESSORE
cm
inch.
USURA
3
1,17
BINDER
5
1,95
BASE
15
5,85
MISTO GRANULARE
30
11,7
0
0
0
53
STRUCTURAL NUMBER
5,226
DENOMINAZIONE STRATO
Z
S0
PSI iniziale
PSI finale
Mr
-1,282
0,45
4,2
2,5
MPa
100
N 66.869.926
psi
14504
a
0,4
0,4
0,4
0,14
Software mePADS
Software BISAR (Shell)
METODI RAZIONALI
SI BASA PRINCIPALMENTE SU CINQUE PASSAGGI:
1.
2.
3.
4.
5.
La definizione preliminare degli spessori di ogni
strato;
La scelta dei materiali da impiegare;
La conoscenza dei dati di traffico;
Il calcolo delle tensioni indotte dall’applicazione dei
carichi;
L’applicazione degli appropriati criteri di verifica.
METODI RAZIONALI
La durata della pavimentazione viene correlata al
numero massimo di passaggi dell’asse standard che è
in grado di sopportare prima di raggiungere il collasso
strutturale.
Si determina lo stato tenso-deformativo indotto
risolvendo la struttura tramite modelli di calcolo.
Il massimo valore della deformazione orizzontale di
trazione alla base degli strati legati sarà quindi
utilizzato come base di input per determinare, dalle
curve di fatica, il numero massimo di cicli sopportabile
dalla pavimentazione
METODI RAZIONALI
Vengono effettuate varie verifiche sulla sovrastruttura:
VERIFICA DI FATICA SUI MATERIALI LEGATI A
BITUME;
VERIFICA A FATICA PER LE MISCELEL LEGATE A
CEMENTO;
VERIFICA DEI MATERIALI NON LEGATI;
MASSIMA SOLLECITAZIONE VERTICALE DEL
SOTTOFONDO
PRINCIPALI LEGGI DI FATICA
Legge a fatica per materiali legati a bitume (Legge di
Finn):
Legge a fatica per materiali legati a cemento (De Beer,
Theyse):
Legge a fatica per materiali non legati (Transport
Research Laboratoy):
ESEMPIO DIMENSIONAMENTO
software mePADS
Normal Strain ZZ
-0.00016
-0.00014
-0.00012
-0.00010
-0.00008
-0.00006
-0.00004
-0.00002
0.00000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Depth (mm)
Major Principal Strain
-0.00016
-0.00014
-0.00012
-0.00010
-0.00008
-0.00006
-0.00004
-0.00002
0.00000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Depth (mm)
Confronto prestazionale tra due sezioni
VARIANTI DI PROGETTO
Per fare una variante di progetto si deve:
DIMENSIONARE LA STRUTTURA DI PROGETTO E
LA STRUTTURA PROPOSTA COME VARIANTE CON
LE STESSE CONDIZIONI AL CONTORNO E LO
STESSO METODO
VERIFICARE SE LA VITA UTILE DELLA
PAVIMENTAZIONE PROPOSTA IN VARIANTE E’
MAGGIORE DELLA VITA UTILE DI PROGETTO
ESEMPIO VARAINTE DI
PROGETTO
DATI DI TRAFFICO
Anno Riferimento
Traffico giornaliero medio ( TMG )
Giorni ( gg )
2010
37.042
365
Evoluzione del traffico ( r )
0,015
Distribuzione del traffico per senso di marcia ( pd
)
0,50
Percentuali veicoli commericali ( p )
0,15
Percentuali veicoli commericali corsia lenta ( pl )
1,00
Dispersioni delle traiettorie ( d )
1
Vita utile
20
Numero transiti totali W 18
54.753.977
SEZIONE DI PROGETTO:
DIMENSIONAMENTO AASHTO
PROGETTO
H
mm
a
d
Strato di
ANTISKID
30
0,43 1,00
Strato di
BINDER A.M.
90
0,44 1,00
Strato di
BASE
120 0,30 1,00
Strato di
MISTO CEMENTATO
200 0,18 1,00
Strato di
MISTO GRANULARE
300 0,12 1,00
Strato di
SOTTOFONDO
-
-
-
CBR
MR
Mpa
MR
psi
3
30
4204
ZR
-1,037
Fattore di
correzione
S0
0,45
-0,46665
PSI iniziale
4,80
∆PSI
PSI finale
2,50
2,30
SN
log W 18
W 18
16,05
7,635653672
43.216.906
SEZIONE DI VARIANTE
DIMENSIONAMENTO AASHTO
VARIANTE
H
mm
a
d
Strato di
SPLITTMASTIX
30
0,42 1,00
Strato di
BINDER A.M.
60
0,43 1,00
Strato di
ECOBASE
200 0,30 1,00
Strato di
MISTO GRAN. STAB.
200 0,16 1,00
Strato di
STABILIZZAZIONE
CALCE/CEMENTO
250 0,13 1,00
Strato di
SOTTOFONDO
-
-
-
CBR
MR
Mpa
MR
psi
3
30
4204
ZR
-1,037
Fattore di
correzione
S0
0,45
-0,46665
PSI iniziale
4,80
∆PSI
PSI finale
2,50
2,30
SN
log W 18
W 18
16,29
7,686949855
48.635.105
ANALISI COMPARATIVA SOLUZIONI DI PROGETTO
SEZIONE DI PROGETTO
SN
16,05
log W 18
W 18
7,635653672
43.216.906
SEZIONE DI VARIANTE
SN
log W 18
W 18
16,29
7,686949855
48.635.105
Incremento vita utile in termini di assi equivalenti del 12,5 %
DIMENSIONAMENTO RAZIONALE
PROGETTO
Tipologia strato
Modulo (MPa) a 20°C Coeff. Poisson
Tappeto di splittmastix asphalt con bit. Super hard
5500
0,40
Binder Altomodulo modificato con bitume 30/50
6000
0,40
Ecobase
2700
0,30
Misto granulare frantumato vagliato stabilizzato in sito a
cemento
2500
0,30
Stabilizzazione a calce
250
0,35
Sottofondo
50
0,40
DIMENSIONAMENTO RAZIONALE
VARIANTE
Tipologia strato
Modulo (MPa) a 20°C
Coeff. Poisson
Tappeto di usura
4500
0,40
Binder Altomodulo
6000
0,40
Ecobase
2700
0,30
Misto granulare reciclato
400
0,35
Stabilizzazione a calce
250
0,35
Sottofondo
50
0,40
ANALISI TENSO-DEFORMATIVA - VARIANTE
PRINCIPALI VANTAGGI DELLA VARIANTE:
La soluzione proposta nella variante di progetto comporta i seguenti vantaggi:
•Aumento della vita utile della struttura pari al 12,5 %;
•Riduzione degli interventi manutentivi e di ripristino della pavimentazione;
•L'utilizzo dello strato di ecobase confezionata a freddo con bitume schiumato o
emulsione bituminosa garantisce un basso impatto ambientale dovuto al
confezionamento a freddo della miscela evitando presenza di fumi ed emissioni di CO2 e
notevole aumento del modulo elastico portando benefici in termini di maggior vita utile
dell'intero pacchetto stradale;
•La tipologia di intervento proposta nella variante di progetto inoltre, assicura una buona
velocità di esecuzione dell’opera con conseguente apertura al traffico in tempi ristretti;