CUP E3 1 B COLLEGAMENTO AUTOSTRADALE DI CONNESSIONE TRA LE CITTA DI BRESCIA E MILANO PROGETTO ESECUTIVO OPERE CONNESSE E COMPENSATIVE

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1 CUP E3 1 B COLLEGAMENTO AUTOSTRADALE DI CONNESSIONE TRA LE CITTA DI BRESCIA E MILANO PROCEDURA AUTORIZZATIVA D. LGS 163/2006 DELIBERA C.I.P.E. DI APPROVAZIONE DEL PROGETTO DEFINITIVO N 42/2009 PROGETTO ESECUTIVO OPERE CONNESSE E COMPENSATIVE LOTTO 0B-RIQUALIFICAZIONE TANGENZIALE SUD BRESCIA PARTE STRADALE RELAZIONE DI CALCOLO DELLA PAVIMENTAZIONE PROGETTAZIONE TAZIONE: CONSORZIO B.B.M. VERIFICA: PER IL CONSORZIO PER IL CONSORZIO IL PROGETTISTA RESPONSABILE INTEGRAZIONE IL DIRETTORE TECNICO PRESTAZIONI SPECIALISTICHE IMPRESA PIZZAROTTI e C. S.p.A. IMPRESA PIZZAROTTI e C. S.p.A. Dott. Ing. Pietro Mazzoli Dott. Ing. Sabino Del Balzo Ordine degli Ingegneri di Parma N. 821 Ordine degli Ingegneri di Potenza N. 631 I.D. IDENTIFICAZIONE ELABORATO EMITT. TIPO FASE M.A. LOTTO OPERA PROG. OPERA TRATTO PARTE PROGR. PART.DOC. STATO GENNAIO PM E C 0B 00 B00 00 XX A 00 SCALA: ELABORAZIONE PROGETTUALE REVISIONE N. DESCRIZIONE DATA REDATTO DATA CONTROLLATO DATA APPROVATO IL PROGETTISTA A 00 EMISSIONE 28/01/2010 VINCI 28/01/2010 BRUNELLI 28/01/2010 BIEMMI DOTT. ING. A.BRUNELLI DOTT. ING. G.VINCI DOTT. ING. M.BOTTONI DOTT. GEOL. S.DAL FORNO DIRETTORE TECNICO: DOTT. ING G. BIEMMI PROGR. IL DIRETTORE DEI LAVORI IL CONCEDENTE IL CONCESSIONARIO DATA: C_SCALA IL PRESENTE DOCUMENTO NON POTRA ESSERE COPIATO, RIPRODOTTO O ALTRIMENTI PUBBLICATO, IN TUTTO O IN PARTE, SENZA IL CONSENSO SCRITTO DELLA SdP BREBEMI S.P.A. OGNI UTILIZZO NON AUTORIZZATO SARA PERSEGUITO A NORMA DI LEGGE THIS DOCUMENT MAY NOT BE COPIED, REPRODUCED OR PUBLISHED, ETHER IN PART OR IN ITS ENTIRETY, WITHOUT THE WRITTEN PERMISSION OF SdP BREBEMI S.P.A. UNAUTHORIZED USE WILL BE PROSECUTE BY LAW

2 INDICE 1. INTRODUZIONE I DATI DI TRAFFICO IL CALCOLO DELLA PAVIMENTAZIONE TGM di riferimento Calcolo degli assi standard equivalenti Procedura di calcolo della pavimentazione - Metodo AASHO Interim Guide... 10

3 3 di INTRODUZIONE Nella presente relazione è riportato il calcolo di verifica della sovrastruttura stradale per la riqualificazione della tangenziale sud di Brescia in corrispondenza degli svincoli di Brescia Ovest e di Roncadelle. L infrastruttura in oggetto è ubicata in un area interessata da notevoli flussi di traffico, in particolare lo svincolo di Brescia Ovest ha accesso all omonimo svincolo dell autostrada A4 Milano - Venezia. Il quadro di riferimento descritto suggerisce l adozione di una soluzione progettuale caratterizzata da un elevata vita utile di esercizio di almeno venticinque anni e che richieda una manutenzione ridotta, in grado di limitare al massimo gli interventi di ripristino e quindi il disturbo alla percorribilità della rete. La soluzione adottata è identica a quella realizzata di recente per la realizzazione della terza corsia per il tratto di tangenziale ad est di quello di progetto. Si è quindi optato per una sovrastruttura flessibile che, in base ai calcoli effettuati, appare in grado di soddisfare i requisiti enunciati. 2. I DATI DI TRAFFICO I rilievi e le analisi del traffico utilizzati per il calcolo della pavimentazione fanno riferimenti allo studio del traffico relativo al progetto definitivo del Progetto di riqualificazione e costruzione della terza corsia della tangenziale sud di Brescia I lotto. Il I lotto, attualmente in esercizio, è contiguo a quello di progetto e presenta dei flussi di traffico non inferiori a quelli del lotto di progetto, di conseguenza utilizzare tali valori risulta essere a vantaggi di sicurezza. Con riferimento al suddetto studio del traffico si è tenuto conto delle seguenti considerazioni: Percentuale di mezzi Commerciali e Pesanti che percorre la corsia di marcia, quindi la più sollecitata dal punto di vista del calcolo della pavimentazione, pari al 90%; Rapporto traffico diurno / notturno = 90/ 50; Rapporto traffico feriale / festivo = 100 / 70; Coefficiente incrementale del traffico considerato = 1.5% composto annuo. Il tronco maggiormente caricato risulta essere la carreggiata della Tangenziale Sud di Brescia, con un TGM (0-24) anno 2009 pari a v/gg. e pari a v/gg. anno Ai fini cautelativi si è fatto riferimento al dato di traffico sulla rete per l anno 2012 ed incrementato fino all anno 2016 e poi al dato riferito all anno 2016 e incrementato fino all anno 2036 per considerare i 25 anni di vita utile per la pavimentazione, tenendo conto dei possibili aumenti di transiti veicolari in seguito a riqualificazioni viarie future. File doc.: B00-

4 4 di IL CALCOLO DELLA PAVIMENTAZIONE Le considerazioni ed i calcoli di seguito riportati fanno riferimento alla vigente normativa del settore ed alle istruzioni tecniche nonché ai bollettini pubblicati dal CNR-UNI ed in particolare modo CNR B.U. Norme Tecniche A. XXIX N. 178, "Catalogo delle Pavimentazioni Stradali", nonché alle recenti indicazioni progettuali emesse dalla Direzione Centrale ANAS di Roma. Il metodo usato per la verifica della pavimentazione è quello empirico sviluppato dall AASHO Interim Guide (come peraltro indicato nella nota indicazioni progettuali recentemente emessa dall ANAS Direzione Generale). La pavimentazione adottata sia per l asse principale che per le rampe è identica a quella del tratto contiguo ad est già realizzato ed è costituita dai seguenti strati : Misto cementato cm 22 Strato bituminoso di base cm 12 Strato bit. di collegamento cm 6 Tappeto di usura drenante cm 5 Il dimensionamento di una qualsiasi struttura richiede la previsione dei carichi che questa dovrà sopportare durante la sua vita utile. Nel caso stradale, questa previsione richiede la determinazione di un parametro in evoluzione quale è il traffico veicolare ed in particolare modo del traffico veicolare pesante. Poiché l'eterogeneità del traffico veicolare (vedi Tabella 3-1) è piuttosto elevata è necessario, per semplicità, equiparare i vari tipi di asse ad un unico asse di riferimento (ESA Equivalent Standard Axle) mediante l'utilizzo di opportuni fattori di equivalenza (EF Equivalent Factor) rapportando gli effetti prodotti dai vari tipi di veicoli ad una sola tipologia di carico. I fattori di equivalenza dipendono in generale dalla composizione della pavimentazione multistrato, dalla temperatura di calcolo e dalle velocità di progetto. Tabella 3-1: Tipi di veicoli commerciali, numero di assi, distribuzione dei carichi per asse Tipo di veicolo N Assi Distribuzione dei carichi per asse in KN 1) autocarri leggeri ) autocarri leggeri ) autocarri medi e pesanti ) autocarri medi e pesanti ) autocarri pesanti ) autocarri pesanti ) autotreni e autoarticolati ) autotreni e autoarticolati ) autotreni e autoarticolati ) autotreni e autoarticolati ) autotreni e autoarticolati ) autotreni e autoarticolati ) mezzi d opera ) autobus File doc.: B00-

5 5 di 14 Una volta omogeneizzati in ESA i carichi che agiscono su una determinata pavimentazione stradale, sarà possibile poi confrontare il numero totale di tali assi standard (NESA) con quelli che la pavimentazione è in grado di sopportare nell arco dell intera vita utile (NMAX). Di ogni asse si considera un solo gruppo di ruote e si determina in primo luogo la deformazione massima orizzontale alla base degli strati bituminosi (εs) conseguente al carico standard e quindi il numero massimo di ripetizioni ammissibili attraverso l'utilizzo della legge di fatica : K β N = ε s s E possibile compiere la stessa operazione per ogni tipo di carico, per ogni temperatura ed al limite per ogni velocità dei veicoli determinando in questo modo il numero di ripetizioni ammissibili. Il coefficiente di equivalenza per il j-esimo carico viene definito dal rapporto tra il numero di ripetizioni di questo carico ammesse dalla sovrastruttura in esame (Nj) e il numero di passaggi ammissibili dell'asse standard (Ns); poiché le costanti K e ε presenti nella legge di fatica non dipendono dal tipo di carico ma dalle caratteristiche del conglomerato bituminoso e degli altri componenti della sovrastruttura stradale, è possibile esprimere il coefficiente di equivalenza (EFj) mediante la relazione: 1 EF j N s j = = N ε ε j s 1 β La vita utile in funzione dell'asse standard (NESA) viene quindi calcolato utilizzando la seguente sommatoria dove m corrisponde al numero di tipologie di carico considerate. N = EF N ESA j j j= 1, m A questo punto è possibile, come in questo caso, calcolare la struttura in funzione di un unica tipologia di carico. Per calcolare la struttura in funzione di un unico carico di riferimento è necessario la determinazione del coefficiente di equivalenza totale rispetto ad un certo carico (EF TOT ), attraverso i seguenti passi: determinazione delle percentuali delle singole tipologie di veicoli pj; determinazione, per i soli veicoli commerciali (tara >15 KN), del coefficiente di equivalenza del singolo veicolo (EFj) determinato come somma dei coefficienti di equivalenza dei singoli assi dello stesso (o coppia di assi nel caso di assi tandem ovvero terna di assi nel caso di tre assi); determinazione del coefficiente di equivalenza totale (EF) riferito alle m tipologie di veicoli commerciali transitanti sulla sovrastruttura dato dalla sommatoria: EF TOT = j= 1, m p j EF j da cui è possibile calcolare N ESA = EF TOT TGM File doc.: B00-

6 6 di 14 A questo punto è possibile attuare la verifica a fatica della sovrastruttura che dovrà soddisfare la relazione: NESA NMAX eventualmente con un determinato coefficiente di sicurezza. 3.1 TGM di riferimento Il TGM Traffico Giornaliero Medio considerato per il dimensionamento della pavimentazione è stimato a partire dallo studio del traffico e dalle successive elaborazioni come detto al paragrafo precedente. Per la determinazione del traffico annuo di progetto si considera il TGM nelle 24 ore per 340 giorni / anno considerato il rapporto traffico feriale / festivo. Il dimensionamento della pavimentazione verrà quindi effettuato per la corsia maggiormente sollecitata ovvero quella di marcia sulla Tangenziale Sud di Brescia. Con riferimento al citato STUDIO DEL TRAFFICO predisposto in sede di Progetto Definitivo (Rapporto D Revisione 1 del ) si sono ricavati i TGM (0-24) annui, partendo dalle varie simulazioni effettuate, sulla direzione più caricata dall anno 2009 fino al 2015 e dal 2016 fino all anno 2033 con un incremento del traffico pari a r = 1.5% composto annuo come riportato in Tabella 3-2; Tabella 3-2: TGM (0-24) Tangenziale Sud di Brescia. Anni Anno TGM (0-24) Anno TGM (0-24) TOTALE File doc.: B00-

7 7 di Calcolo degli assi standard equivalenti Ai fini del calcolo dei carichi di progetto i veicoli presi in considerazione sono quelli cosiddetti commerciali. Il peso dell asse standard preso inizialmente in considerazione per effettuare la trasformazione è pari a 81.6 kn. Tabella 3-3: Fattori di equivalenza in riferimento all asse da 81.6 KN Peso dell asse singolo (KN) E.F. (fattore di equivalenza) E.F. di assi tandem (72+ 72) ( ) (*) Per gli assi tandem il fattore di equivalenza corrisponde a 1.38 volte l E.F. di un asse singolo. Nella Tabella 3-3 sono riportati i fattori di equivalenza necessari per il calcolo degli assi standard equivalenti all asse da 81.6 KN. In riferimento alla composizione del traffico di progetto sono state fatte alcune ipotesi semplificative: la classe costituita da veicoli leggeri non è stata considerata nel calcolo degli assi standard equivalenti, in quanto praticamente ininfluente; i veicoli commerciali leggeri (cat. 2) sono stati considerati con la percentuale totale rilevata del 12%, i veicoli pesanti (percentuale totale 6%) sono stati ipotizzati 12% con 3 assi (cat. 6) e 1% con 5 assi (cat. 10). Inoltre sulla corsia di marcia lenta, quella maggiormente sollecitata, si è ipotizzato il transito del 90% dei mezzi Commerciali e Pesanti. Per tutti i veicoli considerati è necessaria una ripartizione del peso sui vari assi di cui il veicolo è composto. Per questa ripartizione si è utilizzata la Tabella 3-1 che riporta il numero degli assi ed il peso su ciascuno di essi considerando il veicolo a pieno carico. E quindi possibile schematizzare il peso su ciascun asse di ogni categoria di veicolo nella situazione a pieno carico e a mezzo carico (vedi Tabella 3-4) e poi calcolare il numero di assi standard equivalenti attraverso i fattori di equivalenza della Tabella 3-5. Infine, per quel che riguarda la percentuale dei veicoli a pieno carico e quella dei veicoli a mezzo carico, sono stati considerati a favore della sicurezza : il 60% del totale dei veicoli a pieno carico il 30 % dei veicoli a mezzo carico File doc.: B00-

8 8 di 14 il 10% dei veicoli scarichi. Si trascurano gli effetti legati al transito dei veicoli leggeri e di quelli pesanti scarichi. Tabella 3-4: Distribuzione dei carichi sugli assi per categoria di veicolo Tipo di veicolo Autocarri leggeri (categoria 2) a pieno carico a mezzo carico Autocarri 3 assi (categoria 6) a pieno carico a mezzo carico Autotreni a 5 assi (categoria 10) a pieno carico a mezzo carico Carico su ciascun asse (KN) Tabella 3-5: Fattori di equivalenza (E.F.) Tipo di veicolo Autocarri medi e pesanti (cat. 3) a pieno carico a mezzo carico Autocarri 3 assi (cat. 6) a pieno carico a mezzo carico Autotreni a 5 assi (cat. 10) a pieno carico a mezzo carico Fattore di equivalenza (E.F.) di ogni asse (KN) E.F. Totale per veicolo File doc.: B00-

9 9 di 14 A partire dalla distribuzione del traffico in termini di categorie di veicoli, in seguito al calcolo di E.F. per categoria di veicoli e nelle diverse condizioni di carico, è possibile ricavare il fattore di equivalenza complessivo denominato E.F. (81.6 KN) TOT ( vedi Tabella 3-6). Tabella 3-6: Fattori di equivalenza totali per categoria di veicolo e per situazione di carico. Tipo di veicolo Autocarri leggeri (cat. 2) - a pieno carico - a mezzo carico Distrib uzione Rapp. veic. pieno car. / tot. veic. Rapp. veic. mezzo car./ totale veic. E.F. (singolo veicolo) E.F. (per categoria e per situazione di carico) b c d e f = b*c*e/100 (pieno car.) f = b*d*e/100 (mezzo car.) Autocarri 3 assi (cat. 6) - a pieno carico - a mezzo carico Autotreni a 5 assi (cat. 10) - a pieno carico - a mezzo carico E.F. (81.6 KN) TOTALE Noto questo valore si ricava il numero di assi standard equivalenti da 81.6 KN (8,2 ton) che gravano sul tratto di progetto: N E.S.A. (81.6 KN) per carreggiata = 365 E. F., KN TGM i (0 24) i= * * * 10 6 (118.1 milioni di assi equivalenti) Mentre sulla corsia di marcia lenta ne transitano il 90% pari a: N E.S.A. (81.6 KN) per marcia lenta = 0,90 * * * 10 6 (106.3 milioni di assi equivalenti) File doc.: B00-

10 10 di Procedura di calcolo della pavimentazione - Metodo AASHO Interim Guide Questo metodo empirico, elaborato negli USA sulla base dei risultati dell AASHO Road test è basato su una serie di relazioni fra l Indice di spessore e la quantità di ripetizioni di carico da parte di assi, singoli o binati, diversamente caricati. Step 1 Si calcola l indice di spessore ovvero il principale parametro di dimensionamento della pavimentazione, mediante la relazione I s = a + (cm) (1) 1s1 + a2s2 + a3s3 a4s4 I = 0.45* *6 + 9* * 22 = (cm) s Gli a i sono i coefficienti di equivalenza dei materiali e rappresentano l attitudine specifica di ogni materiale a contribuire alla resistenza complessiva della pavimentazione e sono riportati in Tabella 3-7 sulla base della conoscenza del valore della stabilità Marshall o del CBR (Californian Bearing Ratio). I valori dedotti dalla Tabella 3-7 ed usati nella relazione (1) sono quelli corrispondenti alle caratteristiche e prestazioni ricavati dal Capitolato Speciale: Norme tecniche relative ai materiali impiegati in progetto. File doc.: B00-

11 11 di 14 Tabella 3-7: Coefficienti di equivalenza e caratteristiche dei materiali per pavimentazioni stradali flessibili Strato Materiale Stabilità Marshall ( kg) Superficiale usura e binder (legato a bitume) Base (legata e non ) Fondazione Cong. Bituminoso Cong. Bituminoso Cong. bituminoso Cong. Bituminoso Cong. Bituminoso Malta bituminosa Malta bituminosa Pietrischetto bitumato Misto bitumato Misto bitumato Misto bitumato Misto bitumato bitume bitume bitume Misto cementato Misto cementato cemento calce Misto frantumato Misto frantumato Misto granulare Misto granulare Misto frantumato Misto granulare Misto granulare Misto granulare naturale naturale naturale a a a a a Rottura a 7 giorni (kg/cm 2 ) CBR (%) Coefficiente di equivalenza (a i) File doc.: B00-

12 12 di 14 Step 2 Il valore dell indice di funzionalità PSI, che durante le sperimentazioni è stato messo in correlazione (con appropriata metodologia statistica) con il numero di passaggi di determinati assi, varia da 5 (pavimentazioni in ottime condizioni) a 1,5 (pavimentazioni totalmente dissestata). È così possibile valutare quantitativamente l influenza della fatica, cioè il numero delle ripetizioni di carichi, sulla vita utile delle sovrastrutture stradali, mediante la relazione: ( N ρ) β PSI = PSI iniz A (2) dove A è una costante che misura la differenza fra il PSI iniziale e quello che si ha quando si ritiene che la pavimentazione sia ammalorata. Mentre ρ e β sono due funzioni dell indice di spessore della sovrastruttura e dei carichi: 3,23 0,081 ( L1 + L2 ) 5,19 3, 23 ( I 2,5 + 1) L β = 0,40 + (3) s I s 2 ρ = 5,93 + 9,36 lg + 1 4,79 lg( L1 + L2 ) + 4,33 lg( L2 ) (4) 2,5 dove L 1 è il carico agente sull asse o sulla coppia di assi tandem che si considerano (espresso in migliaia di libbre), L 2 è un termine che assume il valore 1 se l asse è singolo, 2 se si tratta di una coppia di assi tandem, e I s è l indice di spessore della pavimentazione calcolato con la (1). Ai fini progettuali si fa riferimento a due valori limite di tale parametro: all inizio della vita utile viene assunto pari a 4,2, per tenere conto delle inevitabili imperfezioni costruttive, mentre il valore finale viene scelto in funzione delle caratteristiche dell infrastruttura tramite la Tabella Tabella 3-8: Grado di Efficienza Si calcola il fattore A, che dipende dal PSI: PRESENT SERVICEABILITY INDEX FINALE (PSIf) Strade di grande comunicazione 2.5 Strade di media importanza 2,0 Strade di modesta importanza 1.5 A = 4,2 2,5 = 1,7 Sostituendo i valori di A e di PS Iiniz nella (2), questa diviene: 4,2 PSI lg 2,7 ( lg N ) = β lg ρ (5) Se nella (3) e nella (4) si pone L 1 =18 ( libbre = 8,2 t) e L 2 =1 dalla (5) si ottiene: File doc.: B00-

13 13 di 14 ( 4,2 P ) lg Is 2,7 lg N 8,2t = 9,36 lg (6) 2, ,40 + 5,19 I s + 1 2,5 f Ai fini della sicurezza ipotizzando un P f pari a 3 (Autostrade urbane ed extraurbane) e inserendo il valore di I s calcolato con la (1) si ottiene: lg N, 2 8 t = 6,785 Step 3 Qualora il sottofondo utilizzato sia di verso da quello utilizzato dall AASHO Road Test, si può ottenere il numero di N 8,2t che provoca il raggiungimento del PSI assegnato mediante la relazione: lg N 8,2t lg N8,2t + 0, 372 ( S S ) = (7) i 0 I coefficienti di supporto S i e S o relativamente al sottofondo usato e quello della prova AASHO. Il valore standard S o è pari a 3 al quale corrisponde una portanza del sottofondo CBR=3. Quello di S i si ricava dalla Figura 1 in funzione delle caratteristiche di portanza del sottofondo considerato pari a 30 dal momento che la nuova struttura presenta solo tratti in rilevato. Figura 1: Correlazione fra il fattore di supporto S e altre caratteristiche di portanza. Portanza del sottofondo utilizzato nel calcolo CBR = 30 Coefficiente di supporto corrispondente S i = 6.5 Sostituendo i valori di S i e S 0 nella (7) si ottiene: lg N, 2 8 t = File doc.: B00-

14 14 di 14 Step 4 In condizioni ambientali diverse da quelle della prova AASHO il numero di passaggi N 8,2t (R) che dà luogo al fissato valore P f del PSI è dato da: ( R) N 8,2t N 8,2t = (6) R Dove R è un fattore climatico regionale, che per la zona in questione viene assunto pari a 1. Risulta quindi MAX ( R) 8,2t N = N 122,4 * 10 6 (122,4 milioni di assi equivalenti) Step 5 finale Si verifica che il volume di traffico di progetto è minore del numero di passaggi ricavato da: N p < N 8, 2t (assi 8,2 t/anno) ovvero N ESA N MAX ovvero: N ESA = 106,3 * 10 6 < N MAX = 122,4 * 10 6 La pavimentazione di progetto nel tratto più caricato è quindi ampiamente verificata con un coefficiente di sicurezza (margine a fatica) pari a circa 1,15 nelle condizioni di traffico a fine vita utile anno 2036 (25 anni di vita utile). File doc.: B00-