Costruzioni di strade, ferrovie e aeroporti Prof. Pasquale Colonna A.A Politecnico di Bari

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1 CRITERI BASE DI PROGETTAZIONE STRADALE PREMESSA: Occorre fare un paragone tra la circolazione stradale e lacircolazione l i ferroviaria i dacui quellastradale l ha preso origine. ii Obiettivo della circolazione ferroviaria è l EQUILIBRIO: il treno viaggia seguendo delle regole di esercizio precise che riguardano il rispetto delle velocità di marcia, dei tempi di sosta, etc. Il veicolo ferroviario viaggia come se fosse un veicolo isolato, l unico problema è il mantenimento dell equilibrio.

2 CRITERI BASE DI PROGETTAZIONE STRADALE Gli obiettivi della circolazione stradale riguardano tre campi: 1. EQUILIBRIO 2. VISIBILITA : per la sicurezza della circolazione stradale l utente deve sempre avere un ottima visibilità. 3. ASPETTATIVE :ciò che l utente percepisce viaggiando non deve essere molto diverso dalla realtà. Se la differenza tra ciò che si percepisce e la realtà è molto alta si hanno delle situazioni non sicure. Esempi: galleria molto lunga con due condizioni atmosferiche completamente diverse all ingresso e all uscita (sole e pioggia).l utente che viaggia in galleria non si aspetta ciò, pertanto non siamo in condizioni di sicurezza; condizioni di traffico inaspettato; curva più stretta di quella percepita dall utente sul rettifilo; Qui di seguito vedremo e che cela progettazione o e della geometria e della strada fa riferimento e al rispetto delle condizioni di equilibrio del veicolo, di visibilità dell utente e al soddisfacimento delle aspettative dell utente, che riguardano soprattutto la velocità di marcia.

3 ANDAMENTO PLANO - ALTIMETRICO DELL ASSE Criteri di composizione dell asse La progettazione della geometria di una strada prende le mosse dallo studio tdi dl del suo asse e dll della sua sezione trasversale. Lo studio dell asse di una strada viene suddiviso in base agli andamenti planimetrici i iealtimetrici. li i i ANDAMENTO PLANIMETRICO (o tracciato orizzontale): Proiezione dell asse stradale su un piano orizzontale. ANDAMENTO ALTIMETRICO DELLA STRADA (o profilo longitudinale): Linea piana in cui si trasforma l asse stradale per effetto dell intersezione tra la pavimentazione stradale e una superficie cilindrica a generatrici iiverticali avente per direttricei il tracciato orizzontale. NB:per ANDAMENTO ALTIMETRICO si sottintende quello del terreno.

4 TRACCIATO ALTIMETRICO Il tracciato altimetrico è costituito dalla successione di altri elementi geometrici: livellette: tratti altimetrici a pendenza costante; raccordi concavi ovvero convessi;

5 TRACCIATO PLANIMETRICO Il tracciato planimetrico è costituito dalla successione dei seguenti elementi geometrici: rettifili; curve circolari; raccordi a raggio variabile: - clotoidi-

6 1. RETTIFILI Per evitare il superamento delle velocità consentite, la monotonia, la difficile valutazione delle distanze e per ridurre l abbagliamento nella guida notturna è opportuno che i rettifili abbiano una lunghezza L r contenuta nel seguente limite I rettifili di lunghezza limitata sono più facilmente inseribili nel territorio. L r 22 V P,Max [m] dove V P,MAX è il limite superiore dell intervallo di velocità di progetto della strada in Km/h. In teoria si dovrebbero costruire strade a curvatura continua, ma ciò implicherebbe stress per l impossibilità di sorpassare!

7 La Normativa introduce anche il concetto di lunghezza minima in particolare afferma: un rettifilo, per poter essere percepito come tale dall utente, deve avere una lunghezza non inferiore ai valori riportati nella seguente tabella: Velocità [Km/h] Lunghezza min [m] per velocità si intende la massima desunta dal diagramma delle velocità per il rettifilo considerato. Rettifili di lunghezza inferiore potrebbero dare la falsa impressione di una curva all utente, che potrebbe sbagliare traiettoria, specie di notte! Si nota come con l aumentare della velocità aumenta la lunghezza minima percepita dall utente, ciò poiché si allontana il punto di messa a fuoco dell utente che non riesce pertanto a percepire brevi distanze.

8 PENDENZE TRASVERSALI DELLA PIATTAFORMA NEI RETTIFILI La pendenza trasversale in rettifilo nasce dall esigenza di allontanamento dell acqua superficiale ed impedire che si inneschino fenomeni pericolosi (aquaplaning). Indipendentemente dal tipo di strada, la pendenza minima delle falde della carreggiata è ic= 2.5% (q = 0.025). Uguale pendenza deve essere assegnata alle banchine. La configurazione da adottare dipende dal tipo di strada in modo da evitare che il percorso dell acqua verso il margine della strada sia troppo lungo.

9 Nelle strade a carreggiate separate (tipo A,B,D a due o più corsie per carreggiata) ciascuna carreggiata deve avere la pendenza trasversale unica, in discesa verso il margine esterno.

10 Nelle strade a unica carreggiata con quattro corsie (tipo E), allo scopo di evitare che il percorso dell acqua defluente verso i margini della strada sia troppo lungo e si possa quindi creare un velo liquido di spessore pericoloso, la sezione trasversale deve essere a doppia falda con il colmo lungo l asse longitudinale della strada stessa

11 Nelle strade a unica carreggiata con due corsie (tipo C,E,F), a seconda del contesto operativo in cui ricade il tracciato, è possibile assumere lo schema con pendenza trasversale unica oppure lo schema a doppia falda. La pendenza unica viene utilizzata per strade dove permanga il senso unico(come rampe o rotatorie) altrimenti è preferibile assumere lo schema a doppia pendenza. Soluzione consigliabile per le strade a senso unico

12 2. CURVE CIRCOLARI Le curve circolari devono essere progettate e dimensionate in modo da garantire il rispetto di dei seguenti requisiti: iii sicurezza della circolazione; comfort di marcia; Il parametro geometrico che caratterizza le curve circolari e che condiziona i il rispetto di tli tali requisiti iti è il raggio di curvatura.

13 2. CURVE CIRCOLARI I veicoli che percorrono tratti di strada a curvatura (= inverso del raggio) non nulla sono soggetti all azione azione della forza centrifuga, che dipende Dalla velocità di percorrenza Dal raggio della curva L azione destabilizzante della forza centrifuga è bilanciata dall aderenza e dalla componente della forza peso che si attiva adottando un opportuna pendenza trasversale Progettare una curva circolare significa, dunque, determinarne, Lo sviluppo Ilraggio La pendenza trasversale

14 SVILUPPO DELLA CURVA CIRCOLARE Lunghezza minima una curva circolare, per poter essere correttamente percepita deve avere uno sviluppo corrispondente ad un tempo di percorrenza di almeno 2.5 secondi valutato con riferimento alla velocità di progetto della curva ossia: dove: L V P t 3. 6 L = sviluppo della curva circolare in m; t = tempo di percorrenza fissato in 2.5 secondi; V p = velocità di progetto della curva letta sul diagramma delle velocità espressa in Km/h.

15 SUCCESSIONE TRA CURVE Sulle strade dove le velocità sono alte la curva si sviluppa per una lunghezza notevole e si può avere assuefazione a quel raggio di curvatura, per cui la aspettativa è che anche la curva successiva abbia lo stesso raggio. In tal caso pertanto t i raggi di curvatura di due curve successive devono essere quasi uguali, come di seguito specificato. La progettazione stradale avviene secondo il principio del self-explaining road : in questo caso l utente si abitua a viaggiare alla velocità corrispondente al raggio di curvatura in questione, per cui se nella curva successiva il raggio diminuisce di molto l utente tende a mantenere la velocità abituale e ciò a rischio della sicurezza dell utente. In genere variazioni notevoli della velocità lungo la strada aumentano la In genere variazioni notevoli della velocità lungo la strada aumentano la probabilità di incidente

16 SUCCESSIONE TRA CURVE I rapporti tra i raggi R 1 e R 2 di curve circolari che, con l inserimento di un elemento a curvatura variabile, si succedono lungo il tracciato di strade tipo A,B,C,D,E e F extraurbane, sono regolati dall abaco in figura: Per strade di tipo A ebil rapporto R 1 /R 2 deve collocarsi nella zona buona. Per le strade degli altri tipi è utilizzabile la zona accettabile.

17 SUCCESSIONE TRA RETTIFILI E CURVE Quando si impiegano rettifili, tra la loro lunghezza L r ed il raggio R più piccolo fra quelli delle curve circolari che, con l interposizione di curve a raggio variabile, li precedono o li seguono, deve essere verificata la relazione riportata nel diagramma. I valori minimi dei raggi di curvatura sono legati a problemi di assuefazione e non di stabilità. NUOVA NORMATIVA Se L R < 300m Se L R 300m R > L R R 400m

18 PENDENZE TRASVERSALI DELLA PIATTAFORMA IN FUNZIONE DEL RAGGIO DELLE CURVE E DELLA VELOCITA In curva la carreggiata è inclinata verso l interno. La pendenza trasversale è la stessa su tutta la lunghezza dell arco di cerchio.

19 Per la determinazione della pendenza in funzione del raggio è indispensabile stabilire il legame tra : velocità di progetto V p; pendenza trasversale in curva i c ; aliquota del coefficiente i di aderenza trasversale f t.

20 La determinazione i dll della relazione che lega i parametri V p, i c, f t,passa attraverso lo studio dell equilibrio del veicolo in curva. Per un veicolo adue assi che percorre a V p =cost una curva circolare, le forze in gioco sono le seguenti: il peso aderente P A (peso gravante sull asse motore) espresso in Kg; P v 2 la forza centrifuga F = [Kg]; (1) c g R la reazione F t esplicata dalla strada sulle ruote [Kg]. α = angolo di inclinazione della piattaforma stradale

21 Il valore limiteit di F t (reazione esplicata dll dalla strada sulle ruote ) è dt dato da Nf t dove N è la risultante delle forze agenti normalmente alla piattaforma stradale: F c N = P A cosα + F c senα La condizione di equilibrio limite si scrive quindi: cosα P A senα = f t [ P cosα + F senα ] A c

22 Sostituendo a F c l espressione (1), in cui il peso è P A e la velocità è quella di progetto della curva v P (m/s),si ottiene: P g A v 2 p R cosα P A senα = f t P A cosα + P g A v 2 p R senα e quindi, dividendo per PA cos a: v 2 p gr risulta: v 2 p R = q g = f 2 v p 1 + q gr t 1 [ q + f ] t q Termine trascurabile rispetto all unità (per R ~ m) 2 v p q << 1 gr N.B. i pendenza 100 = tanα trasversale in curva = c

23 Esprimendo la velocità in Km/h ( V p = v p 3,6 ) e sostituendo all accelerazione di gravità g il suo valore, si perviene a: V 2 p R 127 = q + f t Che definisce l equilibrio al limite dello sbandamento, cioè quando tutta tt l aderenza è impegnata. R = R ( V p, q, ft)

24 Per quanto riguarda la quota limite del coefficiente di aderenza impegnabile trasversalmente f t max, valgono i valori di seguito riportati. ti Velocità [Km/h] aderenza trasv. max imp. f t max per strade tipo A,B,C,F extra urbane, e relative strade di servizio aderenza trasv. max imp. f t max per strade tipo D,E,F urbane, e relative strade di servizio Questa valori tengono conto, per ragioni di sicurezza, che una quota parte dell aderenza possa essere impegnata anche longitudinalmente in curva. Per velocità intermedie fra quelle indicate si provvede all interpolazione lineare.

25 La Normativa impone che indipendentemente dal tipo di strada la massima pendenza trasversale non deve superare il valore massimo del 7%. Schema riassuntivo delle pendenze trasversali in curva Massima pendenza trasversale in curva q max = tan (α max ) q max = q max = q max = Strade Principali: A-B-C Strade di servizio: A-B Strade extraurbane: F Strade Principali: D Strade urbane di quartiere: E Strade urbane locali: F Strade di servizio di autostrada urbana: A Strade di servizio urbane di scorrimento. D Si nota che per strade più importanti, dove le velocità sono più alte, le pendenze trasversali sopportabili sono maggiori delle strade a bassa velocità. In quest ultimo caso infatti il veicolo tenderebbe a scorrere trasversalmente (non ci sarebbe più equilibrio). Cioè la componente centripeta della forza peso supera la forza centrifuga e tendaaspostare l automezzo verso l interno della curva, inducendo il guidatore a pericolose controsterzate

26 CALCOLO DI R min Per una strada di assegnato intervallo di velocità, il raggio minimo R min (minimo i raggio dll delle curve circolari i che è possibile inserirei nel tracciato stradale) è quello calcolato con la seguente espressione: R min = V 2 Pmin 127 [qmax + f tmax ] dove: V Pmin = limite inferiore dell intervallo della velocità di progetto; q max = massima pendenza trasversale in curva; f tmax = quota massima del coefficiente di aderenza impegnabile trasversalmente (desunta in corrispondenza della velocità V = V pmin ).

27 I valori numerici di R min relativi a tutte le tipologie di strade ottenuti sono riportati di seguito: V AMBITO p min q max f t max Raggio TIPI SECONDO DENOMINAZIONE [km/h] minimo IL CODICE TERRITORIALE [m] AUTOSTRADA A EXTRAURBANO STRADA PRINCIPALE 90 0,07 0, STRADA DI SERVIZIO (EVENTUALE) 40 0,07 0, URBANO STRADA PRINCIPALE 80 0,07 0, EXTRAURBANA PRINCIPALE EXTRAURBANA SECONDARIA URBANA DI SCORRIMENTO URBANA DI QUARTIERE STRADA DI SERVIZIO (EVENTUALE) 40 0,035 0, B EXTRAURBANO STRADA PRINCIPALE 70 0,07 0, STRADA DI SERVIZIO (EVENTUALE) , , C EXTRAURBANO 60 0,07 0, D URBANO STRADA PRINCIPALE 50 0,05 0, STRADA DI SERVIZIO (EVENTUALE) 25 0,035 0, E URBANO 40 0,035 0, LOCALE F EXTRAURBANO 40 0,07 0, URBANO 25 0,035 0,220 19

28 In fase di progettazione è possibile utilizzare anche valori di R > R min In questo caso si definiscono due valori con cui confrontare R: 1) raggio R * ; 2) raggio R 2.5 ; - R * = raggio calcolato con l espressione: R * = 2 VPmax 127 [q max + f tmax - R * * = raggio di curvatura cui corrisponde la minima pendenza trasversale del 2.5% con coefficiente di sicurezza pari a 1. NB = R * * non è previsto dalla normativa! R = 127 V [q 2 Pmax min + f ] tmax ]

29 - R 2.5 = raggio di curvatura cui corrisponde la minima pendenza trasversale del 2.5% con coefficiente di sicurezza maggiore di 1: dove: K = 5 R * 2.5 = K R per strade tipo A (urbane ed extraurbane), per le strade tipo B e C, per le strade F extraurbane, nonché per le strade di servizio io extraurbane; rbane; K = 1.69 per strade tipo E, per le strade F urbane nonché per le strade d sevizio; K = 2.95 per strade tipo D.

30 Politecnico di Bari Come si calcola la pendenza trasversale in curva? 1) R min (Vpmin,qmax) R R * (Vpmax,qmax) La pendenza trasversale deve essere pari a quella massima stabilita dalla Normativa qmax; 2) R * (Vpmax,qmax) R R 2.5 (Vpmax,qmin) La pendenza trasversale deve essere definita per mezzo degli abachi hidi seguito riportati.si ti ipotizza noto il raggio di curvatura. Gli abachi riportati possono essere utilizzati anche in senso inverso e cioè, fissata la pendenza trasversale, si va a leggere in corrispondenza della V Pmax intercettata il valore del raggio R da utilizzare; 3) R > R 2.5 La pendenza trasversale deve essere pari al valore minimo qmin stabilito dalla normativa che, per tutte le tipologie di strade è fissato in ragione del 2.5%.

31 STRADE TIPO A (URBANE ED EXTR.), TIPO B, C, F EXTR., STRADE DI SERVIZIO EXTRAURBANE

32 STRADE TIPO D, E, F URBANE, E STRADE DI SERVIZIO URBANE