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TECNOLOGIA DELLE PAVIMENTAZIONI STRADALI RINFORZATE
CON RETI ELETTROSALDATE: ESEMPIO APPLICATIVO E CONFRONTO
FRA DIVERSE METODOLOGIE DI PROGETTAZIONE


Ing. Carlo Beltrame

Il presente studio tratta principalmente di un intervento di manutenzione stradale realizzato mediante l'inserzione, all'interno degli strati di conglomerato bituminoso, di pannelli di rete d'acciaio elettrosaldata. Per realizzare un confronto prestazionale ed economico con tale tipologia di pavimentazione (B) e con quella esistente prima dell'intervento (A), si è proceduto alla progettazione di una sovrastruttura stradale flessibile coi tradizionali metodi di calcolo (C), utilizzando i dati di traffico riguardanti la strada oggetto dell'intervento e le caratteristiche meccaniche del sottofondo nel sito ove essa è ubicata ed alla successiva modellazione mediante il programma di calcolo BISAR delle tre pavimentazioni sopraccitate.

L'azione di rinforzo ottenuta con l'inserimento di reti d'acciaio elettrosaldate all'interno di una pavimentazione flessibile, si esplica attraverso un generale miglioramento prestazionale dell'intera sovrastruttura stradale; questo fatto, come è stato dimostrato dal progetto di ricerca Reflex svoltosi durante l'intervallo di tempo che va da marzo 1999 ad agosto 2002, si deve essenzialmente all'azione di confinamento prodotta dalle maglie delle reti elettrosaldate nei confronti degli inerti di confezionamento dei conglomerati bituminosi o di quelli costituenti la fondazione stradale, a seconda dello strato ove sono posizionati i pannelli metallici.
Un esempio applicativo di tale metodologia costruttiva, è quello riguardante l'intervento di manutenzione stradale realizzato nel corso del 2004 sulla strada Via Mazzini e sul suo prolungamento fino a Via Cussignacco, in comune di Pradamano (UD) (Fig.1).


Fig.1 – Inquadramento geografico dell'intervento.

L'intervento, della lunghezza complessiva di circa 2500 metri, ha previsto:

  • la posa in opera delle reti elettrosaldate nei tratti in prossimità della rotatoria stradale;
  • il solo rifacimento degli strati legati negli altri tratti.

In particolare, il tratto d'interesse di questo studio, è quello compreso tra la rotatoria stradale ed il sottopasso ferroviario della linea Udine – Gorizia – Trieste, nell'ambito del quale è stata prevista la posa in opera di fogli di rete elettrosaldata f6 – 10x10 cm sullo strato di fondazione allo scopo di sanare gli evidenti problemi esistenti, quali l'ingente stato fessurativo con locale asportazione del conglomerato bituminoso (Fig.2).


Fig.2
– Fenomeni di degrado superficiale nella pavimentazione esistente.

Dai rilievi geologici e geotecnici effettuati in loco, è risultato che il terreno costituente il sottofondo di Via Mazzini è costituito da materiale grossolano incoerente caratterizzato da discrete proprietà meccaniche; la fondazione esistente, invece, ha fornito risultati scadenti sulla base delle prove di piastra che sono state effettuate. La scelta progettuale, dunque, è consistita nella posa in opera, previa la completa scarificazione del bitume e di 4 cm di fondazione esistenti, dei pannelli di rete elettrosaldata sullo strato di materiale non legato e nella successiva stesa di complessivi 14 cm di nuovo conglomerato bituminoso suddiviso in diversi strati. La sovrastruttura stradale esistente e quella realizzata nell'intervento manutentivo sono rappresentati nelle figure seguenti  (Figg. 3 - 4):


Fig.3
– Pavimentazione esistente (A).  Fig.4 – Pavimentazione d'intervento (B).

Per poter valutare l'effettiva convenienza che deriva dall'impiego della tecnologia Reflex, si è proceduto alla determinazione degli spessori di una pavimentazione multi-strato tradizionale usando i dati di traffico reali e le condizioni ambientali del sito su cui sorge Via Mazzini. Il progetto della pavimentazione flessibile tradizionale è stato effettuato mediante tre metodi di calcolo:

  1. il metodo Bucchi (1976);
  2. il metodo del catalogo C.N.R. (1994);
  3. il metodo Shell (1963).

Il pacchetto cui si è fatto riferimento per le successive considerazioni a carattere prestazionale ed economico, è quello ottenuto mediante il metodo messo a punto dal C.N.R che si avvale di un catalogo di progettazione.
Per la determinazione dello spessore ottimale da assegnare agli strati costituenti la pavimentazione multi-strato, il metodo presuppone la conoscenza dei seguenti dati di input:

  1. qualità e quantità del traffico di progetto;
  2. caratteristiche meccaniche del sottofondo;
  3. categoria di appartenenza della strada di progetto; nel caso in questione, essa appartiene alla categoria C secondo il D.M. 5/11/2001 (strada extraurbana secondaria in base alle norme C.N.R.).
  4. tipologia della pavimentazione di progetto (flessibile, semirigida, rigida non armata, rigida ad armatura continua).

Considerando i dati di traffico riguardanti Via Mazzini, si è proceduto alla valutazione del numero di veicoli con massa superiore alle 3 t transitanti sulla corsia più sollecitata, ottenendo 187 veicoli "pesanti". Moltiplicando tale valore per il numero d'anni di progetto previsti per la pavimentazione e per 365 giorni in un anno, si è ottenuta una stima del numero di veicoli pesanti che, durante l'intera vita utile della sovrastruttura stradale, transiteranno sulla corsia più caricata; in questo modo, si è stimato un valore pari a 1365100 veicoli con massa superiore a 3 t.
Il parametro caratterizzante il sottofondo è il Modulo Resiliente; esso è legato analiticamente all'indice CBR, di comune impiego, al quale, nel caso di Via Mazzini, è stato assegnato un valore pari al 5% sulla base dei dati ottenuti dalle indagini effettuate in sito e dalle stratigrafie ricavate dal catasto dei pozzi della regione Friuli – Venezia Giulia (1990).
Tenendo conto di questi parametri, si è ottenuto il seguente schema progettuale in base alla scheda di catalogo denominata 4F (Fig.5):


Fig.5
– Pavimentazione di calcolo (C).

Per qualificare e quantificare l'andamento delle tensioni, delle deformazioni e degli spostamenti lungo le tre direzioni mutuamente ortogonali x,y,z all'interno delle tre sovrastrutture stradali d'interesse (A, B, e C), si è proceduto alla loro modellazione mediante il programma di calcolo BISAR. Quest'ultimo, impiegando la teoria elastica, ipotizza un comportamento elastico lineare per i diversi materiali costituenti i vari strati delle pavimentazioni analizzate. In questo modo, si ottiene una semplificazione del problema; tuttavia, tale assunzione costituisce solamente una approssimazione dell'effettivo comportamento dei conglomerati bituminosi caratterizzati, invece, da un comportamento viscoso con tutte le conseguenze che questo fatto comporta.
I dati di input necessari alla modellazione sono i seguenti:

- il numero e lo spessore "h" degli strati;
- il modulo di elasticità E ed il coefficiente di Poisson n dei materiali impiegati;
- il numero, la posizione ed il valore dei carichi applicati;
- il raggio "a" della piastra di carico;
- un parametro, AK, che tiene conto dell'aderenza tra gli strati.

Il valore di quest'ultimo parametro si ricava dall'espressione:

dove:
- E, n ed a hanno il significato già riportato;
- a è un parametro che tiene conto dell'attrito tra gli strati a contatto.

Le due situazioni limite sono:
- se a = 0 allora AK = 0: si ha completa collaborazione tra gli strati confinanti;
- se (a / 1-a) = 1000 allora AK = 1000*(1+n)/E: gli strati a contatto sono considerati completamente collaboranti.

La modellazione della rete elettrosaldata posizionata sul fondo dello strato legato di base, è stata effettuata introducendo uno strato fittizio definito "equivalente", le cui caratteristiche dipendono sia da quelle dell'acciaio della rete sia da quelle del conglomerato bituminoso costituente lo strato di base. La determinazione delle proprietà geometriche e meccaniche di detto strato è stata realizzata sulla base delle relazioni analitiche messe a punto nell'ambito della ricerca Reflex.
Per le tre pavimentazioni oggetto di studio si sono adottati i seguenti valori per i sopraccitati parametri:

PAVIMENTAZIONE TIPO "A"
Tipo di strato h
(mm)
E
(N/mm2)
n Aderenza interfaccia
AK
1 Usura/binder 30 5000 0,35 0
2 Base 50 4000 0,35 49,2
3 Fondazione 370 150 0,40 0
4 Sottofondo - 50 0,30 -

PAVIMENTAZIONE TIPO "B"
Tipo di strato h
(mm)
E
(N/mm2)
n Aderenza interfaccia
AK
1 Usura/binder 40 5000 0,35 0
2 Base 100 4000 0,35 0
3 Stato equivalente 25 6500 0,50 33,6
4 Fondazione 330 150 0,40 0
5 Sottofondo - 50 0,30 -

PAVIMENTAZIONE TIPO "C"
Tipo di strato h
(mm)
E
(N/mm2)
n Aderenza interfaccia
AK
1 Usura 40 6000 0,41 0
2 Binder 50 5000 0,35 0
3 Base 150 4000 0,35 49,2
4 Fondazione 350 150 0,40 0
5 Sottofondo - 50 0,30 -

Applicando un carico puntuale pari a 0,75 N/mm2 (corrispondente alla pressione di gonfiaggio di un pneumatico di un veicolo commerciale) si sono ottenuti i seguenti risultati schematizzati nei due diagrammi che riportano, rispettivamente, gli andamenti delle tensioni e delle deformazioni orizzontali in funzione della profondità all'interno delle tre pavimentazioni esaminate (Figg. 6-7):


Fig.6 – Andamento delle tensioni orizzontali.


Fig.7
– Andamento delle deforrmazioni orizzontali.

La valutazione del danno da fatica viene effettuata a partire dalla conoscenza del valore delle exx di trazione all'interfaccia fra lo strato legato più profondo e quello costituito da materiale sciolto; tale sezione è rappresentata dalle linee tratteggiate all'interno dei precedenti diagrammi per le tre pavimentazioni esaminate. Per quanto concerne le pavimentazioni A, B e C, i risultati ricavati mediante il BISAR per le deformazioni di trazione in corrispondenza di una sezione posta sul fondo dello strato di base per ciascuno dei tre tipi di pacchetti esaminati, sono stati:

 

A

B

C

exx

5,66 x 10-4

1,33 x 10-4

1,57 x 10-4

La riduzione delle deformazioni orizzontali di trazione, passando dal tipo di pavimentazione A al tipo B è pari al 300%; il confronto tra le pavimentazioni C e B, invece, evidenzia una riduzione del 15% delle exx passando dalla prima alla seconda tipologia.
Come anticipato, la conoscenza del valore delle exx di trazione, all'interno degli strati legati permette di stimare la vita utile delle pavimentazioni flessibili, almeno per quanto riguarda il danneggiamento dovuto a fatica. Per "vita utile" si intende l'intervallo di tempo durante il quale si può considerare che la pavimentazione mantenga un livello di efficienza tale da garantire la sicurezza dell'utenza. Per valutare la durata di una pavimentazione multi-strato, si fa uso dei diagrammi di fatica; questi sono ricavati sperimentalmente sottoponendo dei provini di conglomerato bituminoso a prove flessionali mediante cicli di carico applicati con una certa frequenza. Il limite di queste prove, è di non tenere conto del fenomeno di auto-riparazione determinato dalle caratteristiche viscose del conglomerato bituminoso.
In questo studio, a causa delle difficoltà di reperire i risultati di prove condotte in Italia, si sono impiegati i dati provenienti da sperimentazioni svolte all'estero, nella fattispecie alla Liverpool University. In questi test di laboratorio, dei provini parallelepipedi (40 x 30 x 240) sono sottoposti a prove di tipo flessionale mediante l'applicazione di carichi ad una frequenza di 5 Hz fino al raggiungimento di una condizione di rottura definita all'inizio della prova (Fig.8).


Fig. 8
  –  Prove flessionali a fatica.

I risultati vengono espressi mediante diagrammi bi-logaritmici (Fig. 9) nei quali, sull'asse delle ascisse si legge il numero di ripetizioni di carico, mentre sull'asse delle ordinate si leggono le corrispondenti deformazioni di trazione che si producono all'interno di un provino e che portano quest'ultimo a rottura.


Fig. 9
– Diagramma di fatica.

In riferimento alle tre tipologie di pavimentazione esaminate finora, si è considerata la curva di fatica corrispondente al materiale DBM (Dense Bitumen Macadam) usato comunemente nei paesi anglosassoni.
Per stimare la vita utile di dette pavimentazioni, a causa delle incertezze derivanti dalle caratteristiche del DBM rispetto ai conglomerati bituminosi impiegati in Italia per realizzare gli strati di base delle pavimentazioni e di quelle riguardanti il rapporto tra cicli di carico applicati in laboratorio e numero di veicoli con massa superiore a 3 t, si è operata la seguente taratura: si è assunta, per la pavimentazione ottenuta dal calcolo (C), una durata pari esattamente a 20 anni, corrispondente alla durata prevista dai metodi di progettazione tradizionali; al numero di veicoli pesanti ottenuto in precedenza e pari 1365100 previsto in corrispondenza ad un tale periodo di tempo, si è associato il massimo valore per exx ricavato mediante il BISAR all'interno dello strato di base; tale valore, come precedentemente riportato, è pari a 1,57 x 10-4 per questa pavimentazione. Tale coppia di valori individua univocamente, all'interno del diagramma di fatica di fig. 9, un punto chiamato "A". Quindi, si è operata una traslazione, parallelamente a se stessa, della già citata retta corrispondente al DBM fino ad incontrare il punto A, ottenendo, in questo modo, la retta di fatica utile (linea rossa) (Fig. 10).


Fig. 10
– Diagramma di fatica con curva utile (linea rossa).

In pratica, la pavimentazione di calcolo viene impiegata per tarare il metodo di valutazione innanzi descritto; sulla retta traslata, infatti, note le exx di trazione per le altre due pavimentazioni (A e B), si sono ricavate le corrispondenti durate. I risultati sono riportati nella seguente tabella:

 

A

B

C

Vita utile

~ 1 anno

27 anni

20 anni

Dai dati forniti, si evince il netto incremento in termini di vita utile offerto dalla pavimentazione rinforzata nei confronti di quelle tradizionali. Rispetto alla tipologia "C", essa consente un incremento in termini di vita utile pari al 35 %.
Infine, si è effettuato un confronto economico tra le tre pavimentazioni; si sono valutati sia i costi iniziali all'atto della costruzione sia quelli durante l'intera vita utile delle stesse.
Per quanto concerne la prima tipologia di costi, si sono ottenuti i seguenti valori, che costituiscono la quasi totalità degli oneri di realizzazione:

 

A

B

C

Costo iniziale

~ 15 €/m2

23,41 €/m2

26,16 €/m2

Si evince che la riduzione degli spessori in gioco, passando dalla pavimentazione C alla B, determina una riduzione dei costi tale da compensare l'onere derivante dalla fornitura e posa in opera delle reti d'acciaio elettrosaldate.
La valutazione dei costi a lungo termine durante l'intera vita utile delle pavimentazioni, è stata effettuata mediante l'introduzione del cosiddetto "tasso di vantaggio", EG, valutabile con la seguente espressione messa a punto nell'ambito della ricerca Reflex:

dove:

- PLT è un parametro che tiene conto dell'incremento di durata ottenuto passando da una pavimentazione tradizionale ad una rinforzata;
- SDR è un parametro che tiene conto delle condizioni di sollecitazione
- Cconv. E Crinf. sono i costi iniziali delle pavimentazioni tradizionale e rinforzata.

Per come è definito, EG assume valori compresi tra 0 e 10 (EG = 10 rappresenta la condizione di massimo vantaggio).
Confrontando la pavimentazione B con quella tipo A, si ottiene, per EG, un valore molto maggiore di 10; dal confronto, invece, tra le pavimentazioni B e C, si ricava un valore, per EG, pari a 3,63; questo risultato esprime la convenienza economica dell'impiego delle reti elettrosaldate all'interno delle pavimentazioni flessibili.

In conclusione, nell'ambito del presente studio, sono stati ottenuti i seguenti risultati per quanto concerne la pavimentazione rinforzata:

- la riduzione delle deformazioni e delle tensioni di trazione all'interno dello strato di base rispetto alle pavimentazioni tradizionali;
- l'incremento della vita utile pari al 35% rispetto alla pavimentazione tradizionale di calcolo;
- la riduzione dei costi sia in fase costruttiva sia durante l'intera vita utile della pavimentazione.

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