D02a - Comune di Arezzo

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Direzione Pianificazione
e Gestione Operativa
Servizio Progettazione
Opere Pubbliche
RELAZIONE DI CALCOLO DEL PACCHETTO STRADALE
Sommario
1.
2.
3.
4.
5.
6.
PREMESSA ................................................................................................................................... 2
DATI DI INGRESSO ..................................................................................................................... 3
PREVISIONE DEL TRAFFICO COMMERCIALE........................................................................ 4
PORTANZA DEL SOTTOFONDO ................................................................................................ 5
PREDIMENSIONAMENTO DELLA SOVRASTRUTTURA STRADALE ................................... 6
VERIFICA CON IL METODO EMPIRICO A.A.S.H.T.O. ............................................................. 7
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Via Tagliamento, 3 - 52100 Arezzo - Tel 0575.3770 - Fax 0575.377395- www.comune.arezzo.it
Opere Pubbliche
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 2013.
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 1995.
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.
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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 5.400
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.
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L’intervallo di velocità di progetto è stata ipotizzata tra i 40 ÷ 80 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:
nvca = TGMtot * psm * pp * pc * ps * 365
dove:
o
o
o
o
o
TGM tot = traffico giornaliero medio;
psm = percentuale di traffico nel senso di marcia;
pp = percentuale dei mezzi pesanti;
pc = percentuale dei mezzi pesanti transitati sulla corsia di calcolo;
ps = percentuale a ragione di sicurezza;
• Per la strada di categoria E:
o
o
o
o
o
TGM tot = 5400;
psm= 1 perché TGM tot già preso per senso di marcia;
pc= 100% in quanto strada ad una corsia;
pp = 10% (anche se dai dati misurati è inferiore al 5%);
ps = 110%
nvca = 216.810 veicoli
• Per la strada di categoria F:
o
o
o
o
o
TGM tot = 462;
psm= 1 perché TGM tot già preso per senso di marcia;
pc= 100% in quanto strada ad una corsia;
pp = 15% (anche se dai dati misurati si attestano al 10%);
ps = 115%
nvca = 29.089 veicoli
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• 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:
(1+R)N - 1
TN = nvca *
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:
T30 = 14.404.610
o Per la strada di categoria F:
T30 = 1.932.640
4. PORTANZA DEL SOTTOFONDO
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 Mr e il modulo di deformazione Md . 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
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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 Mr = 80 MPa.
Visto la relazione che lega modulo di deformazione con il parametro CBR:
Md = CBRpro
0,2
Sapendo che:
Mr =
10 * CBRpro
Otteniamo un modulo di deformazione Md = 40MPa ricavato per il sottofondo, ovvero Md = 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 30-50
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 Mr = 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.
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Opere Pubbliche
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:
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).
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 = Σi=1 ai * si * di
dove:
o i = è il numero degli strati costituenti la sovrastruttura stradale;
o ai = 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 si = spessore dello strato;
o di = 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 di = 1.
• In base al pacchetto della sovrastruttura stradale progettato avremo il seguente Numero di Struttura
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Opere Pubbliche
SN (Structural Number):
1.
2.
3.
4.
tappeto di usura:
strato di collegamento:
strato di base:
fondazione stradale:
s1 = 3 cm
s2 = 7 cm
s3 = 10 cm
s4 = 20 cm
a1 = 0,43
a2 = 0,38
a3 = 0,28
a4 = 0,12
d1 = 1
d2 = 1
d3 = 1
d4 = 1
Sn1 = 1,29
Sn2 = 2,66
Sn3 = 2,80
Sn4 = 1,29
s1 = 3 cm
s2 = 10 cm
s3 = 20 cm
a1 = 0,43
a2 = 0,28
a3 = 0,12
d1 = 1
d2 = 1
d3 = 1
Sn1 = 1,29
Sn2 = 2,80
Sn3 = 1,29
SN (cm) = 9,15
SN (inch)= 3,60
1. tappeto di usura:
2. strato di base:
3. fondazione stradale:
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
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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 δo
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 δo 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 δo : So = 0,45;
o Valore della variabile standardizzata δo : ZR = -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 PSIFIN pari a 3
per strade di grande comunicazione, PSIFIN pari a 2,5 per strade di media importanza e PSIFIN 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 PSIFIN pari a 2,5 visto l’importanza strategica della strada di progetto.
Per quanto sopra detto avremo:
o
o
o
Indice di servizio iniziale: PSIINI = 4,2;
Indice di servizio finale: PSIFIN = 2,5;
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, So e ZR , del decadimento limite massimo ammissibile ∆PSI e del modulo resiliente Mr del
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sottofondo che a ragione di sicurezza è stato valutato minimo e quindi con CBR pari a 10:
log N8,2 = ZR * So + log(SN+1) - 0,20 +
log[∆PSI/(4,2-1,5)]
0,4 + 1094
(SN+1)5,19
+ 2,32 * log(Mr) – 8,07
dove:
o
o
o
o
o
o
ZR = -0,3885;
So = 0,45;
SN per la strada di categoria E = 3,60;
SN per la strada di categoria F = 2,55;
∆PSI = 1,7;
Mr (psi) = 1.500*10 = 15.000.
quindi, avremo:
o per la strada di categoria E: log N8,2 = 7,194
N8,2 = 15.631.476
o per la strada di categoria F: log N8,2 = 6,341
N8,2 = 2.192.805
• 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:
T30 = 14.404.610
o per la strada di categoria E
verifica soddisfatta
N8,2 = 15.631.476
T30 = 1.932.640
o per la strada di categoria F
verifica soddisfatta
N8,2 = 2.192.805
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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
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