RELAZIONE DI CALCOLO DEL PACCHETTO STRADALE. Sommario

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2 RELAZIONE DI CALCOLO DEL PACCHETTO STRADALE Sommario 1. PREMESSA DATI DI INGRESSO PREVISIONE DEL TRAFFICO COMMERCIALE PORTANZA DEL SOTTOFONDO PREDIMENSIONAMENTO DELLA SOVRASTRUTTURA STRADALE VERIFICA CON IL METODO EMPIRICO A.A.S.H.T.O /11

3 1. PREMESSA La presente relazione utilizza il metodo di calcolo empirico A.A.S.H.T.O. e quindi occorre ai fini di verifica del pacchetto stradale progettato la conoscenza di alcuni fattori, quali: - Portanza del piano di posa del sottofondo; - Resistenza meccanica dei singoli strati; - Composizione ed entità del traffico. L analisi completa dei dati di traffico dovrà essere valutata dall entrata in esercizio dell infrastruttura fino al temine della vita utile della strada, inoltre dovrebbe tenere conto del numero ed entità di cicli di carico, delle variazioni giornaliere e stagionali, della composizione degli assi dei veicoli e delle variazioni di velocità. Tale risultanze risultano complesse e relativamente aleatorie su una nuova infrastruttura e incerta sui risultati se proiettata nel futuro. I dati di traffico sono stati ricavati a seguito delle misure acquisite da rilievi effettuati da Provincia di Arezzo nel luglio 2009 (con dati aggiornati con incremento del 2% annuo), nel periodo dal 13 al 19 novembre 2013 e il 5 dicembre Per questi motivi si è scelto, nel dimensionamento del pacchetto stradale, di applicare modelli già verificati attraverso approfondite ed estese indagini, pur garantendo l affidabilità di quanto progettato mantenendo dei larghi margini di approssimazione a ragione di sicurezza. Infatti si è valutato di prendere in considerazione le sollecitazioni dovute al passaggio di mezzi pesanti, rispetto al quale possono essere considerati trascurabili quelle dovute al traffico delle autovetture anche se di gran lunga più elevato come entità numerica. Le sollecitazioni prodotte dagli autocarri risultano essere dipendenti dal carico massimo raggiungibile, dalla distribuzione del peso su differenti assi e ruote e risultano essere più gravose quando sono ripetute nello stesso punto anche se nella realtà succede difficilmente, avendo degli scostamenti di traiettoria media legati alla tipologia del mezzo, alla larghezza dell area di impronta, alla larghezza delle corsie, dai volumi di traffico Il pre-dimensionamento della pavimentazione da verificare, nella scelta dei vari spessori degli strati del pacchetto stradale è stato eseguito sulla base dell esperienza decennale dimostrata dai tecnici di questo Ufficio e mediante l utilizzo del Catalogo delle pavimentazione Stradali redatto dal C.N.R. pubblicato B.U. n. 178 del Una prima verifica della sovrastruttura stradale è stata effettuata utilizzando l algoritmo di calcolo della A.A.S.H.T.O. guide for design of pavement structures ; tale metodo empirico permette di calcolare, tramite relazioni sulla base di esperimenti da loro effettuati, tenendo conto delle caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti la sovrastruttura, il numero di passaggi di assi standard del peso di 8,2 ton. che la pavimentazione può sopportare prima di raggiungere un grado di ammaloramento tale da rendere inaccettabile la funzionalità della strada in relazione alla affidabilità richiesta. Tale valore calcolato è stato poi confrontato con il numero di passaggi di assi standard alla fine della vita utile della strada calcolati a ragion di sicurezza sulla base dei dati di traffico misurati da Provincia di Arezzo come sopra detto. 2/11

4 2. DATI DI INGRESSO Geomorfologia del terreno: o Successioni conglomerati ghiaiosi-sabbiosi-argillosi; o Successioni con alternanze di litotipi lapidei e argillosi. Aspetto idrogeologico: o Falda freatica a -6,00-10,00 m dal piano di campagna. Ex-piana alluvionale con rischio medio per incidente idraulico e basso per rischio geologico. Strade di progetto: o Categoria E (urbana di quartiere) per le rotatorie e l asta principale di collegamento o Categoria F (locale urbana) per l asta che porta a Chiani. Dati di traffico: o Strada cat. E: prendendo in esame i dati misurati dai rilievi effettuati da Provincia di Arezzo, si ricava un traffico giornaliero medio previsto sulla corsia più sfavorevole di passaggi con una percentuale dei mezzi pesanti inferiore al 5%; o Strada cat. F: prendendo in esame i dati misurati dai rilievi effettuati da Provincia di Arezzo, si ricava un traffico giornaliero medio previsto sulla corsia più sfavorevole di 462 passaggi previsti con una percentuale dei mezzi pesanti di circa il 10%; o Incremento di traffico previsto nelle condizioni più sfavorevoli pari al 5% ogni anno. Tempo utile di vita della strada: 30 anni. Il livello minimo di funzionalità della strada dovrà comunque essere garantito mediante le normali operazioni di manutenzione ordinaria prefissato nel tempo; anche la manutenzione straordinaria del rifacimento dello strato di usura dovrà rientrare fra le operazioni ordinarie e prevedibili al fine del mantenimento della funzionalità della strada. Quanto sopra detto troverà la sua programmazione nel Piano di Manutenzione da redigere in fase di progettazione esecutiva. La vita utile è intesa come numero di anni durante i quali la pavimentazione dovrà garantire, sempre nel rispetto delle normali procedure di manutenzione previste, le condizioni di funzionalità superiori allo stato limite e per queste strade è stata valutata in 30 anni. 3/11

5 L intervallo di velocità di progetto è stata ipotizzata tra i km/h anche se trattasi di strada urbana per la maggior parte a velocità ridotta a 30Km/h. 3. PREVISIONE DEL TRAFFICO COMMERCIALE Volume di traffico dei veicoli pesanti previsto durante il primo anno di vita utile della sovrastruttura sarà, in base alla seguente formula: dove: n vca = TGM tot * p sm * p p * p c * p s * 365 o TGM tot = traffico giornaliero medio; o p sm = percentuale di traffico nel senso di marcia; o p p = percentuale dei mezzi pesanti; o p c = percentuale dei mezzi pesanti transitati sulla corsia di calcolo; o p s = percentuale a ragione di sicurezza; Per la strada di categoria E: o TGM tot = 5400; o p sm = 1 perché TGM tot già preso per senso di marcia; o p c = 100% in quanto strada ad una corsia; o p p = 10% (anche se dai dati misurati è inferiore al 5%); o p s = 110% Per la strada di categoria F: n vca = veicoli o TGM tot = 462; o p sm = 1 perché TGM tot già preso per senso di marcia; o p c = 100% in quanto strada ad una corsia; o p p = 15% (anche se dai dati misurati si attestano al 10%); o p s = 115% n vca = veicoli 4/11

6 Con la seguente formula possiamo calcolare il numero dei veicoli pesanti che transitano sulla pavimentazione della corsia più caricata nell arco di vita utile richiesto alla sovrastruttura: T N = n vca * (1+R) N - 1 R dove: o N = vita utile della pavimentazione; o R = Tasso di incremento annuo del traffico commerciale. Per entrambe le categorie di strada si è scelto di individuare una vita utile della pavimentazione di 30 anni e il 5% come tasso di incremento annuo del traffico commerciale e quindi: o Per la strada di categoria E: o Per la strada di categoria F: 4. PORTANZA DEL SOTTOFONDO T 30 = T 30 = La portanza di un terreno è la sua capacità di sopportare i carichi senza che si verifichino eccessive deformazioni di tipo elasto-plastico-viscoso. Le contenute deformazioni del sottofondo sono necessarie al fine di garantire la regolarità del piano viabile e consentire un accettabile vita utile della sovrastruttura, condizionando in maniera importante lo spessore complessivo della pavimentazione. La portanza dipende in sostanza dalla natura, porosità e contenuto d acqua nel terreno e dall entità, area di impronta e velocità di applicazione del carico. La capacità portante può essere rappresentata con più parametri, qui si è scelto di utilizzare il modulo resiliente M r e il modulo di deformazione M d. Tali parametri dovrebbero essere ricavati dai risultati di opportune prove sperimentali, ma in mancanza di tali prove si sono utilizzate delle relazioni di uso comune tra i vari parametri. L intervento in oggetto trattasi di riqualificazione urbanistica delle opere infrastrutturali che prevedono di riorganizzare il sistema di incroci esistenti sulla S.P. 21 che dal ponte di Ponte a Chiani arrivano all incrocio con i rami di innesto del raccordo A1 e in direzione San Giuliano. Tale riorganizzazione che prevede la realizzazione di due rotatorie, dell asta principale del loro collegamento e delle viabilità di innesto laterali, ricalca in parte la vecchia viabilità della strada provinciale pavimentata in conglomerato 5/11

7 bituminoso e quindi di portanza ben collaudata per i carichi progettati, mentre in parte invece interessa delle area destinate a terreno agricolo che dalla cartografia tematica, in assenza di indagini o saggi in sito, caratteristicano geomorfologicamente il terreno in successioni di conglomerati ghiaiosi-sabbiosi-argillosi e in successioni con alternanze di litotipi lapidei e argillosi. Caratterizzando il campione come sopra detto, adottando la classifica di Casagrande e possibile ricavare i valori dei parametri CBR e K, che in via prudenziale è stato preso un valore di CBR = 20. Attraverso il monogramma di Giannini e Ferrari riportato nel catalogo della portanza dei sottofondi si ottiene un modulo Resiliente M r = 80 MPa. Visto la relazione che lega modulo di deformazione con il parametro CBR: Sapendo che: M r = M d = CBR pro 0,2 10 * CBR pro Otteniamo un modulo di deformazione M d = 40MPa ricavato per il sottofondo, ovvero M d = 400daN/cmq tale da non prevedere alcun tipo di risanamento o bonifica del sottofondo. Si prevederà per il sottofondo, come chiede un opportuna buona regola d arte, lo scotico superficiale del terreno, la compattazione dello stesso con rullo di almeno 12 ton. per ottenere la massima densità, la posa di uno strato di tessuto-non tessuto per una distribuzione migliore dei carichi e per evitare il mescolamento dei materiali e formazione di un rilevato stradale con terreno opportuno del tipo A3 o A1 per almeno cm. In fase di esecuzione per una corretta verifica della regolarità d arte dei lavori, prima della stesa dei conglomerati bituminosi, occorrerà procedere alla verifica della portanza del sottofondo mediante opportune prove di carico su piastra. 5. PREDIMENSIONAMENTO DELLA SOVRASTRUTTURA STRADALE Prendendo a riferimento il catalogo delle pavimentazioni del C.N.R. pubblicato nel B.U. n. 178 del 1995 in relazione alla tipologia della strada (effettuato solo per categoria E), la scelta della pavimentazione flessibile, il numero totale di veicoli commerciali transitati al trentesimo anno di vita utile e in funzione del modulo resiliente del sottofondo M r = 90MPa, il catalogo ci fornisce i seguenti spessori, per la categoria E: Tappeto di usura 5 cm, strato di collegamento 5 cm, strato di base 8 cm, fondazione in misto granulometrico di cava 15 cm. 6/11

8 Sulla base degli spessori indicati dal catalogo e sulla base dell esperienza decennale dimostrata dai tecnici di questo Ufficio si è scelto di strutturare il pacchetto stradale, dove è presente ad oggi solo terreno agricolo predisposto come detto prima, con i seguenti spessori: o Per la strada di categoria E: 1. Tappeto di usura 3 cm; 2. Strato di collegamento 7 cm; 3. Strato di base 10 cm; 4. Fondazione in misto granulometrico di cava 50 cm (per la verifica si considerano solo i 20 cm superficiali mentre gli altri 30 sono considerati ai fini dell incremento di portanza del sottofondo). o Per la strada di categoria F: 1. Tappeto di usura 3 cm; 2. Strato di base 10 cm; 3. Fondazione in misto granulometrico di cava 50 cm (per la verifica si considerano solo i 20 cm superficiali mentre gli altri 30 sono considerati ai fini dell incremento di portanza del sottofondo). 6. VERIFICA CON IL METODO EMPIRICO A.A.S.H.T.O. La metodologia di dimensionamento proposta da AASHTO si basa sulla quantificazione della capacità portante di una pavimentazione attraverso il Numero di Struttura SN (Structural Number): n SN = Σ i=1 a i * s i * d i dove: o i = è il numero degli strati costituenti la sovrastruttura stradale; o a i = coefficiente di strato è un coefficiente che esprime la capacità relativa dei materiali impiegati nei vari strati della pavimentazione a contribuire come componenti strutturali alla funzionalità della sovrastruttura. Tali coefficienti sono in funzione del tipo e della proprietà dei materiali e si ricavano direttamente o per interpolazione dai monogrammi presenti sull AASHTO Guide in funzione della stabilità Marshall scelta per i rispettivi strati; o s i = spessore dello strato; o d i = coefficiente di drenaggio è un coefficiente in funzione della qualità del drenaggio e della percentuale di tempo durante il quale la pavimentazione è esposta a livelli di umidità prossimi alla saturazione. Siccome l effetto che l acqua ha sui materiali legati è praticamente nullo si pone d i = 1. In base al pacchetto della sovrastruttura stradale progettato avremo il seguente Numero di Struttura 7/11

9 SN (Structural Number): o Per la strada di categoria E: 1. tappeto di usura: s 1 = 3 cm a 1 = 0,43 d 1 = 1 Sn 1 = 1,29 2. strato di collegamento: s 2 = 7 cm a 2 = 0,38 d 2 = 1 Sn 2 = 2,66 3. strato di base: s 3 = 10 cm a 3 = 0,28 d 3 = 1 Sn 3 = 2,80 4. fondazione stradale: s 4 = 20 cm a 4 = 0,12 d 4 = 1 Sn 4 = 1,29 SN (cm) = 9,15 SN (inch)= 3,60 o Per la strada di categoria F: 1. tappeto di usura: s 1 = 3 cm a 1 = 0,43 d 1 = 1 Sn 1 = 1,29 2. strato di base: s 2 = 10 cm a 2 = 0,28 d 2 = 1 Sn 2 = 2,80 3. fondazione stradale: s 3 = 20 cm a 3 = 0,12 d 3 = 1 Sn 3 = 1,29 SN (cm) = 6,49 SN (inch)= 2,55 Calcolo degli assi standard equivalenti Il calcolo degli assi standard equivalenti consiste nella determinazione del numero di assi standard, valutato per mezzi da 8,2 ton. che la pavimentazione può sopportare, raggiungendo un fissato dato di ammaloramento finale. Poiché il traffico commerciale transitante si differenzia per il numero di assi, per il calcolo degli assi e tipologia, è necessario determinare il numero degli assi standard equivalenti, ovvero il numero di assi standard che determinano lo stesso danno, alla pavimentazione, degli assi dei veicoli realmente transitanti. Per questo intervento visto la tipologia della strada (7. Strada urbana di quartiere e urbana 80% autocarri leggeri e 20% autobus) visto i carichi per asse o set di assi in base alla tipologia di veicolo, lo spettro di traffico dei veicoli commerciali per tipo di strada e la presenza di un unica corsia, si è scelto comunque di impostare uguale l equivalenza tra assi reali e assi standard. Determinazione dell affidabilità R L affidabilità R esprime la probabilità che il numero di passaggi di assi singoli equivalenti che la pavimentazione può sopportare prima di raggiungere un prefissato grado di ammaloramento finale sia 8/11

10 maggiore o uguale al numero di passaggi che realmente si verifica sulla corsia più carica durante la vita utile della pavimentazione, comprendendo sia l errore che si può commettere sulla valutazione del traffico sia la variabilità delle prestazioni della pavimentazione. La deviazione standard della variabile aleatoria δ o per le pavimentazioni flessibili assume un valore compreso tra 0,40 e 0,50. In funzione del tipo e dell ubicazione della strada, la tabella A1 dell AASHTO Guide indica i livelli di affidabilità per differenti tipologie di strade, mentre la tabella A2 determina i valori della variabile standardizzata δ o in funzione del livello di affidabilità scelto. Per entrambe le categorie di strade E ed F di questo progetto si è scelto la classificazione funzionale di strada urbana secondaria ordinaria e quindi in base alle tabelle sopradette: o Livello di affidabilità suggerito: R = 65%; o Deviazione standard della variabile δ o : S o = 0,45; o Valore della variabile standardizzata δ o : Z R = -0,3885. Determinazione dell indice di servizio PSI Il PSI risulta il parametro di riferimento per il metodo empirico per individuare lo stato limite, cioè il livello minimo di funzionalità della sovrastruttura ritenuto accettabile, superato il quale è necessario comunque intervenire. Il PSI risulta quindi l indice di servizio che esprime il grado di ammaloramento delle pavimentazioni, in termini di sicurezza e comfort, che varia da un valore massimo di 5 per pavimentazioni in ottime condizioni fino ad un valore minimo di 0 per pavimentazioni in pessime condizioni. All inizio della vita utile della pavimentazione tale indice viene mediamente assunto uguale a 4,2 per tenere conto delle inevitabili imperfezioni costruttive, mentre a termine della vita utile il valore del PSI da assumere dipende essenzialmente dalla tipologia della strada. Generalmente viene scelto un PSI FIN pari a 3 per strade di grande comunicazione, PSI FIN pari a 2,5 per strade di media importanza e PSI FIN pari a 2 per strade di importanza minore. L indice di servizio finale scelto pur essendo una strada classificata di importanza minore si è scelto un PSI FIN pari a 2,5 visto l importanza strategica della strada di progetto. Per quanto sopra detto avremo: o Indice di servizio iniziale: PSI INI = 4,2; o Indice di servizio finale: PSI FIN = 2,5; o Differenza tra indice di servizio finale ed iniziale: PSI = 1,7. Calcolo del numero di passaggi di assi equivalenti (N 8,2 ton.) Si utilizza la formula di calcolo proposta dall AASHTO sotto scritta per la determinazione del numero dei passaggi di assi equivalenti per mezzi da N da 8,2 ton. in funzione del numero di struttura SN, del grado di affidabilità R, S o e Z R, del decadimento limite massimo ammissibile PSI e del modulo resiliente M r del 9/11

11 sottofondo che a ragione di sicurezza è stato valutato minimo e quindi con CBR pari a 10: Direzione Pianificazione log[ PSI/(4,2-1,5)] log N 8,2 = Z R * S o + log(sn+1) - 0,20 + 0, ,32 * log(m r ) 8,07 (SN+1) 5,19 dove: o Z R = -0,3885; o S o = 0,45; o SN per la strada di categoria E = 3,60; o SN per la strada di categoria F = 2,55; o PSI = 1,7; o M r (psi) = 1.500*10 = quindi, avremo: o per la strada di categoria E: log N 8,2 = 7,194 N 8,2 = o per la strada di categoria F: log N 8,2 = 6,341 N 8,2 = Verifica La verifica consiste, per il metodo empirico adottato, nel controllare che il numero di assi standard che la pavimentazione può sopportare sia maggiore del numero di assi equivalenti che transitano durante la vita utile della pavimentazione, ovvero: o per la strada di categoria E T 30 = N 8,2 = verifica soddisfatta o per la strada di categoria F T 30 = N 8,2 = verifica soddisfatta 10/11

12 pertanto le sezioni del corpo stradale adottate per entrambe le tipologie di strada risultano idonee. Pavimentazione utilizzata nelle due rotatorie In questo intervento sono presenti due rotatorie. Le pavimentazioni delle rotatorie sono soggette a sollecitazioni, di tipo tangenziale, che generalmente sono di entità ben maggiore di quelle che si avrebbero su un tronco infrastrutturale di tipo corrente; L aumento dello sforzo dovuto alla distribuzione del peso non più uniforme sugli assi si tramuta in un incremento di tensione tangenziale di taglio sulla superficie di rivestimento con possibile ormaiatura nella pavimentazione. Per tali motivi si è scelto per le due rotatorie e per l imbuto formato dai rami di innesto di aumentare lo spessore del tappeto di usura di un ulteriore centimetro (4 cm di tappeto di usura) incrementando nella miscela del conglomerato bituminoso la presenza di inerti derivanti da frantumazione di rocce di tipo basaltico per aumentarne la durezza. 09/10/2014 i Progettisti Ing. Francesco De Figlio Geom. Marco Moretti Geom. Valerio Sandroni 11/11