Pavimentazioni stradali - seconda parte

Costruzioni di strade, ferrovie e aeroporti
Prof. Pasquale Colonna A.A. 2008-2009
Politecnico di Bari
Gli strati costituenti le pavimentazioni flessibili
STRATI SUPERFICIALI
(usura + binder)
BASE (3 alternative)
1 - misto granulare non legato
2 - conglomerati bituminosi per basi
3 - misto cementato (inerti grossi con
poco cemento - le pav.di
pav.di questo tipo
sono semirigide)
BOZ
FONDAZIONE : stabilizzato con
opportune granulometrie o con
additivi (calce(calce- cemento) tale da
garantire opportuna resistenza
meccanica.
SOTTOFONDO
ZA
MISCELE DI
AGGREGATI ED
EVENTUALE
LEGANTE
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Il sottofondo
È costituito dal materiale che si trova immediatamente al di sotto della
fondazione della pavimentazione. Non va confuso con il piano di appoggio del
rilevato.
BOZ
DEVE ESSERE CARATTERIZZATO DA:
SCARSA
DEFORMABILITÀ
(150<Md<400 kg/cmq)
STABILITÀ
DELLE
CARATTERISTICHE MECCANICHE
NEL TEMPO
SUPERFICIE REGOLARE
ZA
Per migliorare le qualità delle terre a disposizione si può intervenire con la
stabilizzazione granulometrica o meccanica (con legante)
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Fondazione
Ha Funzioni:
Statiche: deve scaricare i carichi sul sottofondo (800<md<1000
kg/cmq fino a 4000-5000 nel caso di stabilizzati a cemento)
Anticapillare
Antigelo
Antirisalita materiali argillosi
Ha spessore tra 20 e 35 cm
BOZ
ZA
Deve avere le seguenti caratteristiche:
Discreta portanza (misurabile con prove CBR e di carico su
piastra)
Compattezza, ottenuta attraverso un buon assortimento
granulometrico (si accettano curve vicine a quella ideale di
Fuller comprese in un fuso granulometrico)
Resistenza all’abrasione (gli strofinii fra granuli attigui
potrebbero consumare gli stessi) misurabili attraverso la
prova Los Angeles.
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Tipologie di fondazione
MISTI GRANULARI
BOZ
– GRANULOMETRICAMENTE (si
integra il materiale mancante)
TERRE STABILIZZATE
– A CALCE
ZA
– A CEMENTO
– A BITUME
– CHIMICAMENTE
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Fusi granulometrici
Per misti granulari
BOZ
Per terre stabilizzate
ZA
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Stabilizzazione a calce
Viene utilizzata per carenza di altri materiali idonei e
per esigenze ambientali (non è più facile aprire cave
d’estrazione in maniera indiscriminata). Criticità:
l’ eterogeneità dei materiali dà legami chimici
differenti con la calce
BOZ
miscelazione in presenza di vento
Uso di apposite macchine abbastanza costose
limite
liquido:
percentuale d’acqua che
segna il passaggio tra lo
stato liquido e quello
plastico (cucchiaio di
Casagrande, 25 colpi)
limite
plastico:
percentuale
d’acqua
che segna il passaggio
tra lo stato plastico e
quello
semisolido
(cordellina di 3mm)
ZA
Effetti
1.
Riduzione del contenuto d’acqua (sviluppo di
calore quando la calce idrata).
2.
Riduzione di IP
3.
Aumento della densità del secco
4.
Flocculazione
5.
Cementificazione (la prova Proctor dà risultati
migliori)
Le proprietà meccaniche della miscela
dipendono da
1.
Bontà della stesa, della miscelazione e della
compattazione
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Strato di base
HA FUNZIONI PREVALENTEMENTE STATICHE
BOZ
•
1100 < Md < 1200 kg/cmq (FINO A 6000 ÷9000 kg/cmq PER I MISTI CEMENTATI)
•
TRA I 10 E I 15 CM
• vuoti < 10%
TIPOLOGIE:
MISTI NON LEGATI
CONGLOMERATI BITUMINOSI /
MISTI BITUMATI (conglomerato
bituminosi a masse aperte)
MISTI CEMENTATI
SCORIE D’
D’ALTOFORNO
ZA
• bitume < 4% (funzione della
natura e della granulometria
della miscela)
• acqua =5-7% in peso
•Cemento = 3-5% in peso
DIFETTI:
costi elevati
•Ritiro eccessivo e rapido
•Rigidezza eccessiva (sforzi
verticali concentrati sugli strati
superiori)
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CONGLOMERATI BITUMINOSI PER
STRATI DI BASE
BOZ
• vuoti < 10%
• bitume < 4%
(funzione della
natura e della
granulometria
della miscela
ZA
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MISTI CEMENTATI
per Strati di BASE
BOZ
5-7% Acqua
3-5% Cemento
(da determinare
sperimentalmente)
ZA
Di più
più NO perché
perché :
Costi elevati
Ritiro
eccessivo e
troppo rapido
Troppo rigido:
eccessiva
concentrazione
dei sforzi
verticali negli
strati superiori
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Strati superficiali
CONGLOMERATI
BITUMINOSI
STRATO DI USURA (tra i 3 e i 5 cm)
BOZ
BINDER (tra i 4 e i 7 cm)
Proprietà:
resistenza
tangenziali
alle
azioni
buona
aderenza,
antisdrucciolevolezza,
compattezza
conservazione
della
sagoma anche in condizioni
climatiche avverse
facilità di esecuzione
buona durata con basse
spese di manutenzione
ZA
Fra gli strati si interpone una mano d’attacco
che garantisce adesione fra gli strati ed
elimina scorrimenti mutui. È costituita da
emulsioni, fluide a temperatura ambiente.
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STRATO DI COLLEGAMENTO
BOZ
ZA
Il binder si differenzia dal tappeto di usura perché ha aggregati con dim
max più grande ed ha minore percentuale di bitume.
vuoti < 8%
bitume < 5% (funzione della natura e della granulometria della miscela)
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USURA
TRADIZIONALI
BOZ
ZA
vuoti < 5%
bitume < 6% (funzione della natura e della granulometria della miscela)
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Strato di usura
TRADIZIONALI
DRENANTI/FONOASSORBENTI
BOZ
Conglomerato a masse aperte, si elimina
il fino
TRATTAMENTI SUPERFICIALI
TAPPETINI RUVIDI (SMA,…)
Usati per fornire maggiore aderenza in
particolari condizionio di esercizio.
CONGLOMERATI A FREDDO
realizzati con emulsioni.
ALTRI (PAV. INERTI CHIARI, PAV.
LEGGERE PER PONTI E VIADOTTI,
PAV. SOTTILI E ULTRASOTTILI,…)
ZA
BITUMI
MODIFICATI
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Strato di usura
TRATTAMENTI SUPERFICIALI
Si stende la graniglia e si rulla insieme al bitume; si utilizza tale
trattamento quando si perdono le caratteristiche di aderenza.
BOZ
Costituiscono una TECNICA DI MANUTENZIONE
Migliorano IMPERMEABILITA’ E RUGOSITA’
SUPERFICIALE
ZA
NON VANNO BENE PER RICOSTITUIRE IL PROFILO
Graniglia (10÷
÷12 kg/mq)
Bitume (2÷
÷3 kg/mq, spruzzato)
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Metodo della curva granulometrica
discontinua (SMA)
Con questa metodologia si utilizzano miscele di aggregati che abbiano una
parte fina, un salto granulometrico per diametri intermedi, e poi del materiale
quasi monogranulare grosso.
BOZ
In questa maniera diventano fondamentali i contatti fra i granuli grossi che non
devono “galleggiare” nel fino o nel bitume ma che devono avere gli spazi
intergranulari tutti riempiti dalla matrice fina. Essi dovranno emergere un po’ per
dare rugosità alla pavimentazione.
ZA
Perché usare questa metodologia?
Per realizzare strati molto sottili, utili in molti tipi di ripristini (la dimensione dello
strato può essere paragonata a quella della parte grossa degli aggregati)
Qual è l’inconveniente maggiore?
Usare aggregati molto resistenti all’abrasione in modo tale da garantire
l’aderenza (il nostro calcare non va bene perché gli spigoli vivi si arrotondano
con molta facilità)
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Tappeti ruvidi di mastice e
graniglia (splittmastix – sma)
CARATTERISTICHE MECCANICHE SUPERIORE AI
CONGLOMERATI TRADIZIONALI
BOZ
OFFRE UN’ELEVATA ADERENZA IN PRESENZA D’ACQUA
IMPERMEABILIZZA LA STRUTTURA
RIDUCE IL RUMORE
ZA
RISPETTO AL DRENANTE, PIU’ ECONOMICO (SPESSORI
MINORI), DURA DI PIU’ E SI SPORCA DI MENO
Pezzature grosse degli inerti
Poca sabbia
Molto filler
Fibre
Bitumi modificati
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Pavimentazioni drenanti
Funzionano con un principio analogo a quello relativo al metodo della curva
granulometrica discontinua, la differenza sta nella percentuale dei vuoti residua
elevata (fino al 20 %).
BOZ
La percentuale dei vuoti per le pavimentazioni normali (4-5%) garantisce
l’impermeabilità, nel caso delle pavimentazioni drenanti si vuole ottenere
l’effetto contrario, ossia comunicazione di quasi tutti i vuoti dello strato
superficiale. L’acqua quindi si incanala in questi vuoti per poi trovare uno strato
impermeabile (che si interpone fra drenante e binder) su cui scorrervi verso il
ciglio della strada (allo strato inferiore quindi deve essere data una pendenza
opportuna).
ZA
È fondamentale quindi il PROGETTO DEL DEFLUIMENTO DELLE ACQUE
A che servono le pavimentazioni drenanti?
Scongiurare l’aquaplanning
Riduzione del rumore di circa 3 dB rispetto alle pavimentazioni tradiz.
Aumento della visibilità (si evitano gli schizzi al passaggio dei veicoli)
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Pavimentazioni drenanti
VANTAGGI:
BOZ
aquaplaning
Splash & spray
Aderenza
Riflessione della luce
Incremento delle velocità medie
di percorrenza
Minore Ormaiamento
Comfort di guida
Riduzione del rumore
ZA
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Pavimentazioni drenanti
La progettazione delle pavimentazioni drenanti deve essere attenta perché presenta
maggiori problematiche rispetto a quella della pavimentazioni canoniche.
BOZ
PRINCIPALI PROBLEMI CONNESSI
Curva granulometrica ben studiata per garantire contatti stabili fra grossi granuli
scelta di un legante di ottima qualità che garantisca la stabilità del bitume per un
intervallo di temperatura più elevato e che dia un’adesione superiore al normale
(generalmente bitumi modificati con attivanti di adesione)
ZA
progettazione dello spessore superficiale in base al volume di smaltimento delle
acque (se è troppo sottile con piogge elevate l’acqua affiorerebbe in superficie dopo
aver occupato tutti i vuoti della pavimentazione)
costi elevati
intasamento dei vuoti dello strato superficiale (polvere, benzina, olio) da evitare
attraverso:
sostituzione periodica della pavimentazione
macchine pulitrici ad aria compressa
creazione di un doppio strato drenante (di cui solo il primo
sarebbe soggetto all’intasamento e quindi agli interventi di
ripristino)
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Confronto tra fusi granulometrici di
pavimentazioni drenanti, SMA e
tradizionali
BOZ
ZA
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Come valutare l’efficacia di una pavimentazione
Controllare la granulometria estraendo un campione per ogni strato della
pavimentazione e verificando che la curva ricada nel fuso specificato
BOZ
Controllare la % di bitume utilizzata
Controllare la % dei vuoti dato che ci informa sulla bontà della compattazione,
fondamentale per la durata e l’efficienza della pavimentazione
ZA
4-5%
accettbile per tappeti di usura
7-10%
accettabile per binder - base
percentuali maggiori accettabili solo per pavimentazioni drenanti
Perché spesso le imprese non tendono a compattare meno del dovuto?
Perché la pavimentazione viene pagata in base al suo spessore e quindi compattando
meno utilizza meno materiale.
Controllare la stabilità della pavimentazione nel senso di deformabilità. Per questo
viene utilizzata la PROVA MARSHALL
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Prova Marshall
Molto spesso sui testi si indica la prova Marshall come quella utilizzata per determinare
la percentuale ottimale di bitume nel conglomerato. In realtà
BOZ
LA PROVA MARSHALL VIENE RICHIESTA PER LA STABILITÀ
e può anche essere utilizzata per la % ottima di bitume.
In pratica, un provino di conglomerato viene sottoposto a carico e si misura il punto di
rottura e deformazione.
ZA
Il provino viene confezionato o durante la realizzazione della pavimentazione o ad opera
ultimata, rompendo la pavimentazione. Naturalmente si preferisce prelevare il
conglomerato in fase d’esecuzione e ricostruirlo in laboratorio con la stessa energia di
costipazione (la densità è, di conseguenza, derivata)
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Prova Marshall
Si pone il provino tra due ganasce, di
BOZ
cui quella superiore è fissa e quella
inferiore si fa muovere a velocità costante.
• provini cilindrici:
ZA
diametro 10,16 cm;
altezza 6,35 cm
• preparati a 125°C
• costipati con 50 o 75 colpi di pestello
• condizionati in acqua per 30 min a
60°C
(per rappresentare le condizioni
critiche della pavimentazione)
• schiacciati a 2”/min
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Prova Marshall
BOZ
• Stabilità
Marshall:
massimo carico registrato (Kg)
• Scorrimento Marshall:
scorrimento
verticale
(deformazione) in corrispondenza
del carico massimo (mm)
• Rigidezza Marshall:
stabilità/scorrimento (Kg/mm)
ZA
TAPPETI D’USURA TRAD.
TIPICI VALORI DI STABILITÀ MARSHALL
1000÷
÷ 1200 kg
TAPPETI DRENANTI
600 ÷ 800 kg
BINDER
800 ÷ 1000 kg
Una pavimentazione drenante dà valori di rigidezza Marshall minori, la prova
non è significativa per pavimentazioni drenanti.
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Prova Marshall
Si può utilizzare la prova Marshall per studiare come la % del bitume e la
granulometria varino mutuamente.
BOZ
Si può ad esempio trovare la granulometria che garantisce la massima portanza, fissata
questa granulometria, si trava la percentuale di bitume che garantisce la massima stabilità.
In questo senso si utilizza la prova Marshall per trovare la % ottima di bitume.
Tuttavia questo criterio di progettazione dovrebbe essere sostituito perché contiene dei
difetti:
ZA
• non corrispondenza fra laboratorio e cantiere (i pistoni che in laboratorio
compattano il provino attraverso degli urti non possono rappresentare la
compattazione con rulli che si pratica nella realtà;
• l’effetto impastante dato dalla viscosità del bitume e dal movimento del rullo non
viene considerato)
• per i conglomerati drenanti la prova Marshall sembra dare risultati insoddisfacenti
Per trovare la percentuale ottima di bitume la
prova Marshall viene usata come segue
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Criteri per l’individuazione della %OTT di bitume
BOZ
ZA
stabilità massima (criterio Marshall) in figura circa il 5,6% (ma varia a seconda del tipo di conglomerato).
Perchè la curva a campana? La stabilità è bassa per % basse di bitume perché
non si riescono a legare tutti i granuli e a dare quindi una buona consistenza al conglomerato,
dopo un certo valore se aumento ancora la %bitume i granuli tendono ad allontanarsi e la
stabilità diminuisce.
deformazione massima accettabile: con l’aumentare della % di bitume aumentano gli scorrimenti
(aumenta la parte plastica del conglomerato quindi le deformazioni). Supposto uno scorrimento massimo
accettabile di 5 mm, dalla figura si ottiene una percentuale massima di bitume utilizzabile pari a circa 6,9%.
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Criteri per l’individuazione della %OTT di bitume
BOZ
ZA
%bitume min
%bitume max
rigidezza massima:
massimizzare il rapporto stabilità/scorrimento. La percentuale ottima è quella
tale da fornire la massima rigidezza (stabilità alta, deformazione bassa).
Dai capitolati, dati i valori minimi di stabilità, si traccia una retta ed in corrispondenza si leggono i due
valori minimo e massimo della % bitume che individuano l’intervallo delle percentuali ammissibili di
bitume.
Se utilizzassi la % minima di bitume l’impresa risparmierebbe, gli scorrimenti corrispondenti sono più
bassi di quelli che avrei con la % massima e la pavimentazione è dunque meno deformabile a parità di
stabilità. Bisogna fare attenzione però a coprire tutti i grani del conglomerato con il bitume, si aumenta
di poco la percentuale.
densità minima accettabile
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Il mix design: cos’è
I conglomerati bituminosi sono costituiti da
aggregati lapidei e legante bituminoso; se si sbaglia
la percentuale di bitume nel conglomerato, si
possono avere problemi
BOZ
Tecnici
• Poco bitume genera la tendenza allo sgranamento
• Troppo bitume rende la pavimentazione molto deformabile a
temperature elevate e scivolosa a temperature basse
Economici
ZA
• Il bitume è un materiale costoso
Il mix design è il processo attraverso il quale si
determina il tipo di aggregato e di bitume da usare
e la combinazione ottima dei due tipi di materiale
Esistono diversi metodi di mix design
Marshall
Superpave
Cantabro (per i drenanti)
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Il mix design: strumenti ed obiettivi
BOZ
Il progettista della miscela può operare (testare, scegliere ed
eventualmente correggere) su
Aggregato: tipo, curva granulometrica (tendente alla curva di
massima densità
densità o di Fuller) , durezza, resistenza all’
all’usura, forma,
pulizia
Bitume: tipo, purezza, reologia
Rapporto bitume/aggregato: generalmente espresso in termine di
percentuale in peso del bitume rispetto al peso totale del
conglomerato
ZA
Il mix design deve realizzare un materiale
Resistente alle deformazioni (ormaiamento ed estrusione)
Resistente a fatica
Resistente alle rotture a bassa temperatura
Durevole
Resistente all’
all’umidità
umidità
Che sviluppi aderenza
Lavorabile
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Il mix design: le fasi
Qualunque sia il metodo adottato, il mix design si compone sempre
sempre di tre
fasi
BOZ
Scelta dell’
dell’aggregato: in Italia, per l'accettazione dei pietrischi, dei
pietrischetti, delle graniglie, delle sabbie e degli additivi per
per costruzioni
stradali si fa riferimento principalmente alla norma C.N.R. fasc.
fasc. 4/1953; la
granulometria è generalmente specificata nei capitolati speciali
Scelta del legante bituminoso: in Italia si fa riferimento alle Norme CNR
•
•
•
•
ZA
24/1971 per l'accettazione dei bitumi per usi stradali
Fasc. 3/1958 per l'accettazione delle emulsioni
Fasc. 7/1957 per l'accettazione dei bitumi liquidi
Varie sulle modalità
modalità di prova
Determinazione del contenuto ottimo di bitume: i metodi di mix design
design si
differenziano per la maniera in cui si determina il contenuto ottimo
ottimo di legante;
ad ogni modo il procedimento comprende
•
•
•
•
La realizzazione di provini con diverso contenuto di bitume
La compattazione in laboratorio, tentando di simulare le condizioni
condizioni reali
Il test di laboratorio che determina le caratteristiche del campione
campione
La scelta della miscela che meglio realizza gli obiettivi del mix
mix design
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Mix design
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Il conglomerato bituminoso non deve presentare molti vuoti dopo il
costipamento per evitare movimenti relativi che pregiudicherebbero la
stabilità
BOZ
Invece un’occlusione completa dei vuoti ridurrebbe flessibilità ed
elasticità
Per gli strati superficiali, per garantire l’impermeabilità occorre una
quantità di legante superiore a quella strettamente necessaria per
rivestire i granuli. però aumentando lo spessore delle pellicole di
legante si riduce la resistenza meccanica
METODO MARSHALL
CANTABRO
ZA
(TRADIZIONALE)
no......
(DRENANTI)
METODI VOLUMETRICI
(PRESSA GIRATORIA – SUPERPAVE)
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Mix Design-Prova Cantabro
È una prova relativamente
recente ed è efficace per le
pavimentazioni drenanti.
BOZ
Si prendono 4 campioni Marshall
e si mettono nel tamburo utilizzato
per la prova Los Angeles.
Si fanno compiere 300 giri a 25°C
e dopo si pesa la parte non
frantumata. Confrontando i pesi
iniziali e finali si ottiene l’indice:
Pi-Pf
I.C. =
Pi
INDICE CANTABRO
Se il conglomerato ha una buona coesione
si sgretola meno, più basso è l’indice e
migliore è il conglomerato.
Questa prova potrebbe essere anche più
efficace della Marshall perché rappresenta
l’azione dei carichi nel tempo.
ZA
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Mix Design-Prova Cantabro
BOZ
La percentuale di bitume si
determina considerando che
al crescere del contenuto di
legante
Aumenta la coesione e
dunque diminuisce
l’indice Cantabro …
… ma diminuisce la
percentuale dei vuoti e
quindi la permeabilità,
che, invece, è
fondamentale in un
drenante
ZA
Indice Cantabro massimo
% di vuoti minima
Intervallo delle percentuali di bitume buone
sia per la coesione che per la permeabilità
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Mix Design-Superpave
Negli scorsi anni gli USA hanno stimato i dollari spesi per riparare pavimentazioni
progettate male.
BOZ
Si è subito rivelato necessario e conveniente un progetto di ricerca che portasse a
criteri di progettazione che dessero più durabilità e certezza (finanziamenti di
1.000.000 $ per la SHRP). Ancora oggi non si è arrivati a conclusioni finali ed alcune
metodologie sono positive teoricamente ma difficili da mettere in pratica.
ZA
Queste innovative metodologie di progettazione rientrano nel SUPERPAVE MIX
DESIGN METHOD che si articola in tre steps fondamentali:
selezione degli aggregati (granulometricamente, per proprietà
fisiche quali contenuto d’argille e spigolosità, e per criteri di
assortimento)
selezione del bitume in base al range di temperatura cui sarà
sottoposta la pavimentazione (Performance Grading System)
% ottima di bitume attraverso la prova della pressa giratoria
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Mix Design-Superpave-Pressa giratoria
In questa prova il conglomerato viene sottoposto all’azione dei carichi con
una certa inclinazione, mentre il tamburo che lo contiene ruota di un numero
di giri che varia a seconda dell’utilizzo della pavimentazione (% mezzi
pesanti). In questa maniera si simula l’effetto impastante sia dei rulli che
compattano la pavimentazione sia dei carichi che agiranno su di essa.
BOZ
30 rpm
600
kPa
1.25
deg
Cars-75 Gyrations
ZA
Lt trucks-100 Gyrations
Semis-125 Gyrations
Il secondo concetto su cui si basa questa prova è che con il tempo la
pavimentazione, anche se compattata bene, tende ad aumentare la sua
densità e questo implica maggior resistenza, maggiore impermeabilità e minori
vuoti. Tuttavia di conseguenza il bitume occupa una % di volume maggiore
che aumenta la capacità di deformabilità (formazione di ormaie)
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Mix Design-Superpave-Pressa giratoria
Quindi la cosa più importante è stata stabilire la % ottimale dei vuoti. Si è notato che
la % ottimale dei vuoti per le pavimentazioni non drenanti corrisponde al 4%. La
percentuale di bitume ottimale varia invece a seconda dei carichi applicati
BOZ
(strada con elevato deflusso di mezzi pesanti
Small Trucks
Cars
4%
4%
Bitumen
10%
9%
Rocks
86%
87%
Air
% minore)
Big Trucks
ZA
4%
8%
88%
N.B.: % in volume
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Mix Design-Superpave-Pressa giratoria
How Much Asphalt to get 4%
Air Voids ??????
BOZ
As Traffic Increases
Air Voids, %
10
8
6
4
Lo
w
Tr
M
af
ed
fic
Tr
-7
5
af
Hi
f
i
c
Tr
af -100
fic
-1
25
2
0
5.3
5.0
4.5
5.0
Il problema che risolve è stabilire la
miscela ottimale che si deve
adoperare per ottenere il 4% dei
vuoti dopo la prova della pressa
giratoria.
ZA
5.7
5.5
Asphalt, %
Decreases
Il Superpave presuppone che i
macroproblemi (quali bontà dei
materiali, messa in opera corretta e
progetto
tecnicamente
corretto)
siano già risolti.
6.0
6.5
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Prof. Pasquale Colonna A.A. 2008-2009
Politecnico di Bari
Progettazione di una pavimentazione
Il conglomerato è costituito da aggregati (assortiti in modo tale che la loro curva
granulometrica si avvicini a quella ideale di Fuller) e da legante: il bitume.
BOZ
Se si sbaglia la percentuale di bitume nel conglomerato si hanno dei problemi:
poco bitume
pavimentazione che tende a sgranarsi
di tipo tecnico
troppo bitume
ZA
pavimentazione deformabile a T elevate
scivolosa a T basse
di tipo economico il bitume è abbastanza costoso
Gli accorgimenti da tener presente per una
progettazione efficace sono:
costituzione dei materiali
spessori
modalità di esecuzione (dei vari strati)
errori strutturali (di dimensionamento)
situazioni al contorno
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Dimensionamento delle pavimentazioni
Due concetti fondamentali:
BOZ
Vita utile
spese di costruzione vs spese di
manutenzione
Portanza
ZA
Maggiore portanza
=
Maggiore vita utile
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Dimensionamento delle pavimentazioni
Si deve tener conto che rispetto ad una struttura canonica, il progetto di
una pavimentazione stradale, dovendo essere a più strati, contiene
notevoli fattori di variabilità.
BOZ
L’esperienza fornita dall’ultimo secolo e gli errori commessi nel tempo
sono stati fondamentali per raggiungere, ad oggi, dei buoni risultati.
Ultimamente si cerca di applicare la teoria degli elementi finiti ad una
pavimentazione (cosa non facile) come in passato si sono applicate con
difficoltà varie teorie (es. per determinare le distribuzioni dei carichi o gli
effetti delle variazioni termiche...), tuttavia rappresentare con una teoria la
realtà altamente complessa delle condizioni al contorno e della
costituzione di una pavimentazione ha quasi sempre spostato lo studio
verso sperimentazioni empiriche.
ZA
Sicuramente il progetto di una pavimentazione è funzione della sua
funzionalità.
Le variabili che danno aleatorietà alla struttura “strada” e al suo
comportamento sono notevoli, ricordiamo l’eterogeneità dei materiali
utilizzati, le variazioni termiche, la funzionalità della strada e la sua
evoluzione nel tempo e i carichi di traffico.
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Dimensionamento delle pavimentazioni
Le variabili da non trascurare per la realizzazione di un progetto efficace sono:
BOZ
IL TRAFFICO (quanti veicoli? Che
tipo di veicoli? Come sono distribuiti
sulle corsie?) spesso si dispone solo
del traffico giornaliero medio totale, ma
questo rappresenta un’informazione
insufficiente. Si dovrebbe invece
conoscere lo spettro di traffico che
indica la distribuzione del traffico e
degli assi
I MATERIALI le prove studiate
costituiscono l’input della progettazione
(nonché la verifica)
CONDIZIONI TERMO-CLIMATICHE
l’ossidazione la temperatura e le
precipitazioni sono tre parametri che
combinandosi determinano il progetto e
il dimensionamento
ZA
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I fattori progettuali: carichi (1)
La pavimentazione deve essere progettata in modo da resistere al
passaggio dei carichi per l’l’intera vita utile
La caratterizzazione dei carichi richiede la conoscenza di
BOZ
Valore ed estensione del carico: ovviamente, bisogna conoscere quanto
quanto vale
e su quale superficie è applicata la pressione contatto tra pneumatico e
superficie stradale
Configurazione degli assi e degli pneumatici: il numero dei punti
punti di contatto e
della loro mutua distanza (assi tandem o tridem; ruote gemellate)
gemellate) è un
parametro fondamentale perché
perché, a mano a mano che i carichi si avvicinano,
le aree di influenza tendono a sovrapporsi e non bisogna considerare
considerare più
più i
singoli carichi separati, ma il loro effetto congiunto
Ripetizione dei carichi: ogni carico causa una certa aliquota di deformazione
plastica, che, pertanto, progredisce al ripetersi dei cicli di carico.
carico. Si assume
che la pavimentazione non sia più
più utilizzabile quando il valore delle
deformazioni cumulate raggiunge una certa soglia
Distribuzione dei carichi: generalmente, la distribuzione dei carichi
carichi tra le
corsie non è omogenea e, pertanto, le pavimentazioni di zone diverse della
strada sono soggetta a sollecitazioni differenti; tipicamente, ilil traffico pesante
percorre le corsie più
più esterne che sono quelle più
più sollecitate
Velocità
Velocità dei veicoli: velocità
velocità basse e condizioni di sosta fanno sì
sì che il carico
sia applicato per periodi maggiori e si abbiano dunque danni maggiori;
maggiori;
inoltre, il comportamento del bitume e quindi della pavimentazione
pavimentazione dipende
dalla frequenza dei carichi, a sua volta legata alla velocità
velocità
ZA
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I fattori progettuali: carichi (2.1)
La quantificazione dei carichi che una pavimentazione dovrà
dovrà smaltire nel corso
della sua vita utile può seguire diverse metodologie
BOZ
ESAL (Equivalent Single Axle Load): si convertono i carichi di diversa
diversa intensità
intensità e con
diverse ripetizioni in un numero equivalente di asse standard usando
usando come criterio di
equivalenza il danno prodotto alla pavimentazione. Il carico standard
standard comunemente
usato è il carico di 18.000 lb = 8,2 tonnellate su asse singolo; il fattore
fattore di equivalenza
di carico è il numero di assi singoli con carico di 18.000 lb che produrrebbero
produrrebbero lo stesso
danno prodotto dal carico in esame
• Come regola pratica, l’l’equivalenza di un certo carico (o, analogamente, il danno
prodotto alla pavimentazione) è proporzionale alla quarta potenza del rapporto col
carico standard: un asse singolo di 36.000 lb è circa 16 volte più
più dannoso
dell’
dell’asse da 18.000 lb. Ovviamente quando il carico è ripartito su assi vicini, la
dannosità
dannosità si riduce notevolmente
Carico
Numero di
ESAL
Asse singolo da 18.000 lb
1,000
Asse singolo da 2.000 lb
0,0003
Asse singolo da 30.000 lb
7,9
Asse Tandem da 18.000 lb
0,109
Asse tandem da 40.000 lb
2,06
ZA
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BOZ
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ZA
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I fattori progettuali: carichi (2.2)
Altri metodi di quantificazione
BOZ
Indice di Traffico: legato al metodo californiano per il calcolo delle
pavimentazioni, è, in pratica, un indice funzione del numero di ESAL
Spettro di traffico: si fa riferimento esplicitamente a numero di
di assi,
configurazione e pesi; è una metodologia che consente una
progettazione più
più accurata, ma anche più
più complessa
ZA
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I fattori progettuali: parametri ambientali
Alcuni parametri ambientali hanno un’influenza decisiva
sulle prestazioni dei materiali stradali, e quindi sul
comportamento della pavimentazione (e del sottofondo)
BOZ
Temperatura
• Effetti sulla reologia degli strati bituminosi: a basse temperature
temperature (di
inverno o in climi rigidi) i conglomerati bituminosi diventano rigidi
rigidi e si
riducono le deformazioni nella pavimentazione; tuttavia, le
pavimentazioni rigide hanno minore resistenza a fatica
• Espansioni e contrazioni: i cicli di escursione termica causano continue
variazioni di volume, che possono anche non essere sopportate dai
dai
materiali e dare luogo a fenomeni di rottura
• Esposizione al sole: causa l’l’invecchiamento precoce del materiale
• Penetrazione del gelo: rende più
più resistente la sottofondazione in inverno,
ma causa prestazioni molto più
più scadenti in primavera, quando il ghiaccio
si scioglie
Umidità
Umidità
• Precipitazioni
• Falde sotterranee
ZA
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La progettazione strutturale: i cataloghi
Il metodo più
più semplice per la
progettazione strutturale delle
pavimentazioni flessibile è l’uso dei
cataloghi, che sono raccolte di
soluzioni progettuali raccomandate
per particolari combinazioni di
carichi, condizioni ambientali,
sottofondi e regimi di esercizio
Le soluzioni raccolte nei cataloghi
possono essere determinate tramite
metodi differenti, da quelli empiricoempiricomeccanici a quelli basati
sull’
sull’esperienza storica
BOZ
Quando si utilizzano i cataloghi è
importante conoscere le assunzioni
di base, perché
perché, a volte, i cataloghi
possono essere stati sviluppati per
condizioni molto specifiche
Le soluzioni reperite sui cataloghi
sono generiche, perciò in alcuni casi
possono essere non efficienti;
tuttavia spesso il livello di
progettazione richiesto non giustifica
il ricorso a tecniche più
più sofisticate
ZA
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La progettazione strutturale: l’approccio empirico
La progettazione strutturale può seguire un approccio
empirico, ossia può basarsi sulle relazioni tra parametri di
progetto (carichi, materiali, spessori, …) e ammaloramenti
della pavimentazioni determinate per mezzo di osservazioni
sul campo e/o di apposite sperimentazioni
BOZ
Quando si utilizzano i metodi empirici bisogna porre molta attenzione
attenzione
se i parametri del caso in esame sono fuori dai range studiati nelle
nelle
sperimentazioni
Tra i metodi più diffusi
ZA
Il metodo AASHTO, che lega la struttura della pavimentazione ai
carichi applicati, alla vita utile e alla qualità
qualità del sottofondo (misurata
in termini di modulo resiliente)
• Il metodo AASHTO è fondato su di una complessa campagna di
rilevamenti sperimentali eseguiti tra il 1956 ed il 1961 su strade
strade
appositamente realizzate ad Ottawa, IL. I test eseguiti miravano a
determinare il comportamento di pavimentazioni caratteristiche note
note al
passare di carichi di data intensità
intensità e frequenza. La sperimentazione
costò 27 milioni di $ dell’
dell’epoca
Il metodo California, che fa riferimento all’
all’indice di traffico ed al
valore di R del sottofondo, ossia del rapporto tra carichi orizzontali
orizzontali e
verticali a rottura
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La progettazione strutturale: l’l’approccio empiricoempirico-meccanico
BOZ
I metodi più
più avanzati di progettazione strutturale sono quelli empiricoempirico-meccanici,
che tentano di spiegare i fenomeni identificandone le cause fisiche
fisiche e cercano di
definire le equazioni matematiche che legano tensioni e deformazioni
deformazioni all’
all’interno
di una pavimentazioni ai carichi ed alle caratteristiche dei materiali
materiali
I metodi empiricoempirico-meccanici presentano alcuni vantaggi rispetto a quelli
puramente empirici
ZA
Possono essere usate per la costruzione ex novo e per gli interventi
interventi di riabilitazione
Sono in grado di trattare carichi variabili
Caratterizzano meglio i materiali e fanno riferimento alle propriet
à che realmente ne
proprietà
influenzano il comportamento
Forniscono previsioni di performance più
più affidabili
Assegnano un ruolo al processo di realizzazione
Tengono conto degli effetti ambientali e dell’
dell’invecchiamento
Prevedono l’l’utilizzo di prove in sito
Si tratta di tecniche molto specialistiche, il cui impiego richiede
richiede il ricorso ad
esperti