UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II SCUOLA POLITECNICA E DELLE SCIENZE DI BASE DIPARTIMENTO DI STRUTTURE PER L INGEGNERIA E L ARCHITETTURA ABSTRACT TESI DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA STRUTTURALE E GEOTECNICA BARRIERE STRADALI DI SICUREZZA: PROGETTO DI UNA INSTALLAZIONE SU BORDO PONTE RELATORE: Chiar.mo Prof. Ing. Alfonso Montella CANDIDATO: Giuseppe Cerbone Matricola M56/354 Anno Accademico 2014-2015
Barriere stradali di sicurezza: Progetto di una installazione su bordo ponte La sicurezza stradale è un problema attualmente molto sentito, infatti i dati ISTAT rivelano che in Italia si verificano mediamente 210 000 incidenti con lesioni a persone, la maggior parte dei quali avviene per fuoriuscita del veicolo dalla carreggiata stradale. Al fine di migliorare la sicurezza stradale si può agire secondo due diverse strategie: 1) Sicurezza attiva: insieme di provvedimenti finalizzati a ridurre la probabilità che l incidente si verifichi, quali ABS, limitatori di velocità e segnaletica stradale; 2) Sicurezza passiva: insieme di provvedimenti finalizzati a mitigare i danni in seguito a un incidente quali cinture di sicurezza, airbag e dispositivi di ritenuta; Questi ultimi sono regolamentati da varie normative tra cui quella italiana, D.M. 223/92 e successivi aggiornamenti, e quella europea, EN 1317, composta da 8 diverse parti. Il D.M. 223/92 prescrive all art. 2 che i progetti esecutivi relativi alle strade pubbliche extraurbane e a quelle urbane con velocità di progetto maggiore o uguale a 70 km/h devono comprendere un apposito allegato progettuale, completo di relazione motivata sulle scelte, riguardante i tipi di barriere di sicurezza da adottare e la loro ubicazione. Il progettista deve inoltre curare con specifici disegni esecutivi e relazioni di calcolo l adattamento dei singoli dispositivi alla sede stradale. Il tutto è stato applicato ad un caso di studio, affrontato durante il periodo di tirocinio extramoenia, riguardante l adeguamento dei dispositivi di ritenuta con annesso cordolo inferiore, su un ponte esistente ubicato lungo la strada regionale 356 in provincia di Udine. Il ponte in esame appartiene alla categoria di ponti ad arco a via superiore, presenta infatti 4 archi per una lunghezza complessiva di circa 40 metri ed è caratterizzato da una soletta di 40 cm in cemento armato e una pavimentazione superiore di 9 cm. La strada presenta inoltre un TGM, traffico giornaliero medio, di circa 2600 veicoli/giorno, e una % di veicoli con massa superiore a 3,5 tonnellate del 3,6%, pertanto rientra nella I tipologia di traffico, per la quale la classe minima di barriera richiesta per il bordo ponte è la H2. Abstract Pagina 1
Questa rientra nel livello di contenimento più elevato, per cui al fine di ottenere la marcatura CE è richiesta la prova di accettazione TB51, la quale prevede quale veicolo di prova un autobus con massa totale di 13 tonnellate, velocità d urto di 70 Km/h e angolo di impatto contro la barriera di 20. La barriera in esame, costituita da un montante a C con relativa piastra di base forata per garantire il collegamento con il cordolo inferiore, un corrente superiore, due distanziatori sagomati a Z e un nastro tripla onda il cui bordo superiore è posto a 90 cm dal piano stradale, è stata testata ancorandola ad un cordolo largo 70 cm e profondo 60 cm. Siccome in sito cambiano le dimensioni effettive del cordolo è necessario verificare che queste ultime siano in grado di garantire un funzionamento della barriera analogo a quello ottenuto durante le prove di crash. Il progetto in esame prevede 3 fasi principali: 1) Demolizione di parte della soletta e della pavimentazione al fine di mettere a nudo la soletta e poter quindi installare un sistema di ancoranti utili per il collegamento del nuovo cordolo alla soletta esistente; 2) Ricostruzione del nuovo cordolo con uno sbalzo di 43 cm al fine di garantire la larghezza minima di lavoro alla barriera senza tuttavia restringere la carreggiata; 3) Installazione della nuova barriera. Le tre fasi sopra riportate consentono di arrivare ad uno stato di fatto riportato nella figura seguente. barriera 330 150 130 striscia di margine 200 90 Pavimentazione 430 400 Soletta impalcato Per il calcolo delle sollecitazioni si sono considerati due diversi modelli: 1) Modello semplificato, in cui si è schematizzato il cordolo come una mensola semplicemente incastrata in corrispondenza del baricentro dei ferri di ripresa, avente spessore pari a quello del cordolo e larghezza calcolata considerando una diffusione delle azioni in pianta a 45 a partire dal centro dell area di impronta coincidente con la piastra di base del montante; Abstract Pagina 2
2) Modello agli elementi finiti (FEM), per il quale si è utilizzato il software di calcolo SismiCad, in cui il cordolo è stato schematizzato come un elemento piastra su due appoggi i quali rappresentano l uno i ferri di ripresa tesi e l altro il baricentro delle compressioni del nuovo cordolo sulla soletta esistente. Per quanto riguarda le azioni agenti queste ultime sono identiche nei due modelli, infatti oltre al peso proprio del cordolo e della barriera si è considerata la sola azione da urto definita al paragrafo 3.6.3.3.2 delle NTC2008, in cui si riporta che si può tener conto di azioni causate da collisioni accidentali sui dispositivi di ritenuta attraverso una forza statica equivalente di 100 kn, considerata distribuita su una fascia di 50 cm e agente trasversalmente e orizzontalmente alla barriera ad una quota h min a partire dal piano viario valutata come la minore tra due quantità, h 1 e h 2, in cui h 1 è pari all altezza della barriera (1,10 m) meno 10 cm e h 2 è pari a 1,0 m. In definitiva quindi l azione deve essere applicata ad 1,0 m dal piano viario. In particolare però per le azioni da urto si è fatto riferimento a quelle massime trasferibili dal montante, ossia al momento di plasticizzazione del montante stesso valutato non al 5 percentile ma al 95 per tener conto di alcune possibili imperfezioni, e alla forza orizzontale ad esso associata. Note le sollecitazioni è possibile effettuare le varie verifiche. Per il cordolo è richiesta la verifica a presso-flessione utilizzando il dominio di interazione M Rd -N Rd e la verifica a taglio considerando inizialmente l elemento come non armato a taglio. Per il sistema di ancoranti, che nel caso in esame sono di tipo chimico bisogna far riferimento al Technical Report TR029, in cui sono riportate diverse tipologie di rotture a seconda che la sollecitazione considerata sia di trazione o di taglio. Le verifiche risultano comunque soddisfatte sia per le sollecitazioni ottenute con il modello semplificato sia per quelle ottenute con il modello FEM, come si può vedere dalla seguente tabella. Trazione Taglio Tipologia di rottura Resistenza Mod. Sempl. Mod. FEM Verifica [-] [kn] [kn] [kn] [N Rd,i N Sd,max ] Rottura dell acciaio 131,12 34,33 15,63 Soddisfatta Rottura del cono cls 41,51 39,66 17,06 Soddisfatta Rottura per pull-out 85,56 39,66 17,06 Soddisfatta Rottura per splitting 41,51 39,66 17,06 Soddisfatta Rottura dell acciaio 39,33 7,60 10,56 Soddisfatta Rottura per pry-out 99,62 7,60 10,56 Soddisfatta Rottura del bordo di cls 21,83 7,60 10,56 Soddisfatta Abstract Pagina 3
È importante però fare un confronto tra i due modelli in termini di sollecitazioni, riportate nella seguente tabella. È possibile osservare come il modello semplificato fornisca sollecitazioni anche molto maggiori di quelle fornite dal modello FEM. Questo aspetto è dovuto a vari motivi tra cui la diversità alla base dei due modelli, ossia quello di mensola incastrata da un lato e sollecitata all altro e quello di piastra su due appoggi. Infatti è noto che tanto maggiore è la rigidezza del vincolo considerato tanto maggiore sono le sollecitazioni da esso assorbite. Altro motivo è che con il modello FEM si riesce a tener conto della continuità dell elemento cordolo, ossia della sua capacità di ridistribuire le azioni a zone meno caricate o non direttamente interessate dai carichi, cosa di cui il modello semplificato non riesce a tener conto. Quindi progettare con un modello semplificato risulta sicuramente a vantaggio di sicurezza in quanto si progetta con sollecitazioni maggiori di quelle reali, ma svantaggioso dal punto di vista economico in quanto si avrà un sovradimensionamento degli elementi strutturali, quali per esempio il sistema di ancoranti. Una soluzione vantaggiosa da entrambi i punti di vista può essere quella di considerare per il progetto e la verifica degli elementi strutturali in condizioni di urto le sollecitazioni che realmente vengono trasferite dalla barriera al cordolo sottostante, valutate ponendo celle di carico in opportuni punti della barriera durante le prove di crash. In questo caso, come si può vedere dalla tabella seguente si avranno sollecitazioni intermedie fra quelle ottenute precedentemente, ottenendo quindi maggiore sicurezza e un sovradimensionamento non eccessivo. Mod. Sempl. Prove di Crash Mod. FEM U.M. Momento sollecitante per il progetto della sezione: M Sd 31,06 25,62 15,66 knm Trazione nel singolo ferro di ripresa più sollecitato: N Sd 34,33 23,66 17,06 kn Mod. Sempl. Prove di Crash Mod. FEM U.M. Momento sollecitante per il progetto della sezione: M Sd 31,06 25,62 15,66 knm Trazione nel singolo ferro di ripresa più sollecitato: N Sd 34,33 23,66 17,06 kn Nota: Le azioni delle prove di crash, inserite poi in SismiCad, sono state attinte dalla Tabella 20.5b del libro La protezione dei margini stradali del Professor Mariano Pernetti. Abstract Pagina 4