Progettazione avanzata di infrastrutture viarie

2025 Q

UADERNO APPUNTI

S V

OFIA IGNALI Progettazione Avanzata di Infrastrutture

Viarie

1

C : P

ORSO ROGETTAZIONE AVANZATA DI INFRASTRUTTURE

M - M 1

VIARIE ODULO

By Andrea Simone

Portanza dei sottofondi stradali

La portanza rappresenta la tensione verticale corrispondente ad una

deformazione prefissata sufficientemente piccola da limitare le

plasticizzazione del terreno dopo cicli di carico. È funzione della

deformazione ammissibile, non esiste, però, una sua definizione univoca.

,

LE DEFORMAZIONI NEL TERRENO SONO MOLTO PICCOLE I TERRENI SONO I MENO DEFORMABILI

Prova di carico con piastra 1

La determinazione della portanza avviene attraverso le prove di carico (PLT ),

si effettua mediante piastre di varie dimensioni che tentano di simulare le

condizioni di esercizio della sovrastruttura.

Ci sono diversi attori che influenzano la prova di carico:

 Diametro della piastra influenza il risultato in quanto fa variare le

():

dimensioni del bulbo di pressione, a diametri più grandi corrispondo

risultati che riguardano spessori più alti.

Per strade ordinarie spesso si utilizzano piastre con mentre

= 300 ,

per sovrastrutture aeroportuali con = 760 .

 Effetto scala: influenza il risultato in quanto può rendere poco

significativa la prova, è dovuto al fatto che, se gli elementi litici

fossero troppo grandi, con dimensioni paragonabili a quelle delle piastra

si andrebbe a misurare la portanza dell’elemento singolo e non

dell’intera infrastruttura.

o Norme CNR: ≥ 3

o Altri: ≥ 8

Plate Loading Test

1 2

 Disturbo del piano di posa: ai bordi della piastra si creano delle zone

di plasticizzazione che contribuiscono al cedimento, la percentuale di

terreno disturbato (sottoposto e modificato a causa di eventi

atmosferici, spesso non presente grazie alle operazioni di scotico) è

maggiore per il bulbo più piccolo, perché l’area degradata risulta

paragonabile a quella di terreno “buono”.

La distribuzione delle pressioni di contatto varia all’aumentare del carico, è

caratterizzato da un andamento parabolico con il minimo al centro della

fondazione e il massimo agli estremi.

Vengono utilizzati carichi molto bassi per indagare meglio le condizioni di esercizio, poiché i carichi di esercizio non sono mai troppo elevati.

La valutazione dei cedimenti per prove superficiali viene data dalla formula:

Δ ⋅ (1 )

Δ = ⋅ −

 diametro della piastra

=

 = pressione applicata alla piastra

Δ

 modulo resiliente, approssimabile al modulo elastico (di Young)

E =

 coeficiente di Poisson

=

 fattore di forma e rigidezza della piastra

= 3

Figura 1. Fattore di forma

Il modulo resiliente consente di studiare il comportamento di un materiale

sottoposto a carichi ripetuti come quelli prodotti dal traffico stradale. È

definito dal rapporto tra lo sforzo applicato e la deformazione recuperabile

in seguito alla rimozione dello sforzo stesso in n cicli .

=

Non si usano le argille perché troppo sensibili all’acqua, utili solo se vengono stabilizzate con calce

La valutazione dei cedimenti per prove profonde invece è data da:

Δ ⋅ (1 )

Δ = Δ ⋅ = ⋅ −

 diametro della piastra

=

 pressione applicata alla piastra

Δ =

 modulo resiliente

E =

 coefficiente di Poisson

ν =

 fattore di forma e rigidezza della piastra

=

 fattore di profondità

= 4

Per non si applica

≥ 0.75 : = 1 ⇒ = 0.7

Questo indica quanto “spancia” il terreno se è sottoposto a carichi, qual è la

sua elasticità (anche se non si può parlare di elasticità nel terreno.

I moduli del terreno che possono essere ricavati da una PLT:

 Modulo Resiliente: Δ × []

(1 )

= ⋅ ⋅ −

Δ

o stima perché si hanno pochi cicli, poco utilizzata nei

=

capitolati come controllo, come modello di deformazione

o da stimare

=

 Modulo di deformazione (norme DIN, normative tedesche):

Δ ×

= 0.75 ⋅ Δ

o coefficiente fisso per rendere i risultati confrontabili

0.75 =

Se e la piastra è rigida e circolare coincide con il

(

= 1 = 0.79),

modulo di Young con coefficiente (tipico delle sabbie

= 0.21

o modulo elastico solo nei terreni granulari

= 5

 Modulo di compressione (SNV 670317, normativa svizzera): modulo di

deformazione delle norme CNR – capitolato ANAS, RFI e molte province e

regioni: Δ × Δ × []

(1) (1 ) (3)

= ⋅ ⋅ − =

Δ Δ

o diverso dal modulo di deformazione, non c’è 0,75

=

(1) (3)

+ = (1 )

−

Se: ≤1

= 1 ⇒ ≫

≪

(1 )

− ≤ 1

Per una piastra rigida circolare, la proba superficiale:

)

= 0.785(1 −

Se si indica con il modulo edometrico del terreno:

(1 + )(1 − 2) ( )

= × ⇒ =

1−

Per valutare il coefficiente di Poisson da inserire nelle formule si utilizza

l’angolo d’attrito efficace del terreno:

1 − sin

= 2 − sin

In condizioni non drenate come quelle delle argille sature

( = 0) = 0.5

Per valutare la resistenza a taglio non drenata, si considera:

= 6.2

 pressione a rottura che si può assumere pari a cioè al valore

(1.5),

=

pari ad un affondamento cedimento normalizzato

= 0.15,

Se Vale per un cedimento pari a 45 mm. Per questo non si

(1.5)

= 300 ,

parla più di portanza perché si è in condizioni molto vicine alla rottura.

6

Per la prova a carico con piastra secondo quanto riportato nelle SNV 670317a si

utilizza:

 Piastra di carico ( )

= 700

 

dispositivo per la misura del cedimento a centro piastra comparatore

centesimale

 Raccordo

 Ghiera di serraggio

 Pistone di carico, contrasta il carico, in pratica spesso si usa il

paraurti di un camion carico di ghiaia o di un rullo compressore

 piastra di testa

 martinetto

 manometro

 contrasto

 trave porta comparatore

 comparatore

 eventuale inserimento di prolunga

Spesso i comparatori sono tre in modo da controllare uniformemente le

deformazioni, oppure se ne può usare uno solo con la bolla per tenere sempre

sotto controllo l'inclinazione.

La prova secondo quanto riportato dal CNR BU 146/1992, viene effettuata

attraverso il caricamento della piastra, imprimendo delle pressioni predefinite

e misurando i cedimenti attraverso i comparatori centesimali.

Dai risultati ottenuti, si determina il modulo di deformazione:

Δ

=⋅ Δ

Con:

 diametro della piastra

=

 incremento di tensione tra due passi di carico successivi

Δ = = 0.1

 incremento di cedimento corrispondente (valore medio delle letture

Δw =

dei comparatori)

il modulo di deformazione è diverso dal modulo elastico.

≠ 7

Le prescrizioni CNR usate nei capitolati, indicano come range di pressioni:

 Sottofondo: Δ = 0.05 − 0.15

 Rilevato: Δ = 0.05 − 0.15

 Fondazione: Δ = 0.15 − 0.25

 

Base: la maggior parte delle volte ecco costituito per

Δ = 0.25.0.35

la maggior parte da materiale legato per questo poi non è valida la prova

Il precarico è sempre pari a per sottofondi e rilevati l'incremento è

0.2 ,

sempre pari a per la Fondazione e la base

0.05 , 0.1 .

Per quanto riguarda invece le prescrizioni Anas (SNV 670317):

 Sottofondo: Δ = 0.05 − 0.15 → ≥ 15

 Rilevato e cassonetto in trincea: Δ = 0.15 − 0.25 → ≥ 50

 Fondazione, ghiaia e stabilizzato granulometrico ≥ 80

 Base, non è prescritto alcun limite inferiore, ma > 100

La prova di carico a doppio ciclo (strato di Fondazione):

 si applica un precarico di assestamento, attraverso l'utilizzo di un

grader = 0.02

 si applica il carico = 0.05

 si incrementa il carico per passi successivi si 0.1

 si prosegue fino a per esaltare l'addensamento iniziale

= 0.35 ,

 Si scarica fino a = 0.05

 Si applica un secondo ciclo di carico con le stesse modalità

( °)

Il risultato è soddisfacente se: Se è molto piccolo non va

(°)

= ≥ 0.5.

( °)

bene perché vuol dire che ci sono dei cedimenti o degli addensamenti dovuti al

carico della piastra. 8

Per la prova di carico a cicli ripetuti (ASTM D1195-64, normativa americana)che

nella realtà si usa di rado:

 Si applica un carico tale da determinare un cedimento di 1 mm

 si mantiene il carico fino al completo assestamento e si scarica la

piastra attendendo l'esaurirsi del ritorno elastico

 si applicano sei cicli di carico alla pressione ottenuta al primo ciclo

 si applica un carico fino al completo assestamento e si scarica la

piastra attendendo l'esaurirsi del ritorno elastico

 si applicano sei cicli di carico alla pressione indicata dal cedimento di

5 mm

 Si applica un carico tale da determinare un cedimento di 10 mm

 si mantiene il carico fino al completo assestamento e si scarica la

piastra attendendo l'esaurirsi del ritorno elastico

 si applicano sei cicli di carico alla pressione indicata dal cedimento di

10 mm

Per la legge di McLeod: = + log =

 cedimento elastico

=

 cedimento corrispondente al primo ciclo di carico

=

 cedimento totale

=

 numero di cicli di carico

=

Definite le costanti , tramite analisi di regressione per ogni livello

,

tensionale si estrapolano i diagrammi cedimenti-pressioni in funzione di cicli

di carico differenti. 9

Noti i cedimenti per un determinato numero di cicli di carico si valuta

, ,

la portanza del sottofondo.

Prove di addensamento

Un secondo tipo di prove sono le prove di addensamento, in cui risulta comunque

fondamentale la compattazione (quantità di vuoti). Per ottenere opere stabili

nel tempo è necessario:

 scegliere con cura i materiali da utilizzare

 metterli in opera in modo accurato

per fare ciò è fondamentale un corretto addensamento. Esistono principalmente

due tipi di prove di addensamento (AASHTO):

 prova Proctor standard

 prova Proctor modificata, È identica alla precedente ma si applica un

maggiore sforzo

Queste prove si utilizzano per verificare l'addensamento massimo di riferimento

in laboratorio e poi confrontarlo con quello in sito.

Per eseguire queste prove bisogna conoscere la tipologia di terreno verso

un'analisi per setacciatura, secondo la classificazione delle terre CNR UNI

10006. 10

Le classi migliori sono quelli che fanno parte delle terre ghiaiose sabbiose,

mentre le torbe rappresentano materiali organici che però si trovano raramente

nel terreno. Il materiale più difficile da usare e il clima della famiglia A4,

perché reagisce poco con la calce a differenza delle terre argillose.

N

ON SERVE SAPERE GLI INDICI MA SERVE SAPERE QUALI SONO I PASSAGGI CHE SI FANNO PER ARRIVARE AL

RISULTATO

Oltre l'analisi granulometrica per setacciatura, i terreni si dividono al

secondo i limiti di Atterberg (limite liquido, limite plastico, indice di

plasticità), oltre questo si utilizza l'indice di gruppo che Lega tutti i

parametri dei limiti di Atterberg e delle analisi granulometriche:

= 0.2 + 0.005 + 0.01

 Passante al setaccio 200 ASTM – 35 (0

= ≤ ≤ 40)

 Passante al setaccio 200 ASTM – 15 (0

= ≤ ≤ 40)

 (0

= − 40 ≤ ≤ 20)

 (0

= − 10 ≤ ≤ 20) 0 ≤ ≤ 20

11

La densità relativa: −

= ⋅ 100

−

 Indice dei vuoti al minimo addensamento (materiale sciolto)

=

 indice dei vuoti al massimo addensamento

=

 indice dei vuoti in sito

=

La prova Proctor parte dal costipamento con colpi di pestello su una terra

disposta in strati entro una fustella metallica e cilindrica. Si cerca di

riprodurre il laboratorio il massimo addensamento possibile per il materiale in

esame, spesso con quella modificata (energia maggiore). Il valore ottenuto in

laboratorio è quello con cui si verificano i risultati in sito.

L'apparecchiatura di prova è simile a questa:

 Si parte da un essiccamento in stufa del campione a 50 °C

 si disgrega il campione con pestelli di gomma

 si vaglia al setaccio 25 UNI 2334 e si procede se il materiale trattenuto

è ≤ 35%

 si procede alla seconda vagliatura al setaccio 5 UNI

 se Si usa indifferentemente lo stampo piccolo o quello grande,

= 100%

se si usa lo stampo grande

≠ 100%,

 si considerano 5 provini e si umidificano a w crescente con E si

Δ ≈ 2%



lasciano riposare per 12 ore in recipienti chiusi omogeneizzazione

12

 si introduce il materiale nelle fustelle procedendo per strati

 Si esegue la prova con le seguenti modalità:

la prova standard si usa per terreni come argini e altre opere meno

sottoposte a sforzo

 rimozione del collare superiore e rasatura con coltello della superficie

 si determina la massa del provino umido

 si determina l'umidità nella parte centrale del provino

 Si ripete l'operazione finché un provino con umidità maggiore del

precedente evidenzia una massa minore del medesimo

 per i provini ottenuti si calcola la densità secca:

=

⋅ 1 + 100

o Massa del provino umido

=

o volume del provino

=

o umidità del provino

=

= 1+ 100

o Massa del provino secco

=

=

13

 Si riportano i risultati ottenuti in un grafico umidità - densità secca,

ottenendo un grafico a campana in cui il punto di massimo corrisponde

alla percentuale di umidità ottimale e alla massima densità secca.

Al crescere dell'umidità:

o l'acqua fornita al provino funziona da lubrificante tra i

< :

grani del terreno, provocando progressivamente un maggior

costipamento, aumenta

o l'acqua fornita al provino assorbe l'energia di

> :

compattazione, provocando uno scarso addensamento, diminuisce

Questo diagramma è ben identificabile per gli strati ghiaioso-sabbiosi,

lo è meno per quanto riguarda le argille in cui la curva è più

appiattita. Le argille non si usano e se sono stabilizzate a calce si ha

un piccolo margine di errore.

Il capitolati impongono di raggiungere , Si definisce

(90

= − 95%)

l'intervallo di umidità in cui operare:

Δ

Per le terre sabbiose e ghiaiose poco importante, mentre per le terre

Δ

argillo-limose è determinante.

Confrontando la prova standard e quella modificata si può notare:

14

Le curve sono molto distanti tra loro e ad una contenuta diminuzione

dell’umidità ottimale fa riscontro una maggiore densità secca eseguendo la

prova Proctor Modificata.

Al crescere dell’energia di compattazione le curve si innalzano ed il loro

massimo si ottiene per valori di umidità minori.

Si considera la curva AASHTO per il materiale esaminato e si traccia

l’orizzontale in corrispondenza della densità secca cercata.

Si individuano due punti A e B caratterizzati da uguale densità secca e diversa

umidità.

Per valutare quale dei due scegliere si esamina l’intervallo di umidità

(distanza fra il punto e la curva di saturazione).

Δ < Δ"

Meglio B: minor incremento di umidità per raggiungere la saturazione, minori

variazioni volumetriche, migliore mantenimento dell’addensamento iniziale.

È valido per le granulometrie più fini.

Per il costipamento si utilizzano:

 

mezzi statici: addensano il terreno sfruttando il peso proprio

materiali fini

 mezzi dinamici: l’addensamento è ottenuto sfruttando il peso proprio e



l’azione vibratoria dinamica trasmessa al terreno materiali incoerenti

granulari 15

Nei terreni granulari si ha un addensamento più facile rispetto ai terreni

coesivi che hanno comportamento non drenato e l’energia di compattazione

aumenta la sola pressione neutra.

Se aumenta la percentuale di argilla, diminuisce la densità secca massima

ottenuta con prova Proctor ed aumenta il contenuto di acqua ottimale per la

compattazione.

Le principali attrezzature per il costipamento ad azione statica sono:

 Rulli lisci: esplicano forti azioni in superficie che si smorzano

rapidamente in profondità

 Rulli gommati: in cui è possibile variare la pressione di gonfiaggio

degli pneumatici. Si inizia con pressioni modeste e si aumenta la

pressione durante il costipamento

I mezzi ad azione meccanica invece sono:

 Rulli lisci: esplicano pressioni verticali, dovute al peso della macchina



e oscillazione forzata, dovuta alla vibrazione addensamento

 Piastre vibranti

 Rulli vibro gommati

Le curve di addensamento al variare del mezzo costipante variano: i mezzi più

pesanti producono una densità secca maggiore.

I rulli vibranti lisci sono il 60-70% del totale e operano a 25-40Hz con

ampiezze di 1-2 mm. Lo spessore massimo addensabile è in genere di 30-50 cm.

e

16

Tecnologie pe la produzione di conglomerati bituminosi con processi

a bassa temperatura

L'esigenza primaria dei Gestori di Strade e Autostrade di contenere i costi di

manutenzione continua ad impegnare l'industria legata al settore delle

pavimentazioni nella ricerca e nella messa a punto di tecnologie sempre più

efficienti per lo più indirizzate verso la riduzione dei consumi di energia e

di risorse naturali non rinnovabili.

Negli ultimi decenni le attese della società civile hanno tuttavia assunto un

ruolo sempre più importante per ciò che attiene la salvaguardia dell'ambiente e

la tutela della salute e della sicurezza sul posto di lavoro.

Considerando che riduzioni di 10°C dimezzano le emissioni di fumi ben si

comprende come le tecniche che portano a stendere il conglomerato a temperature

di poco superiori a 100 °C, oltre a realizzare risparmi energetici, possano

contribuire a salvaguardare l'ambiente ed a migliorare le condizioni di lavoro.

17

Nuove tecnologie

La necessità di procedere ad una nuova classificazione delle tecnologie

scaturisce dalle numerose soluzioni messe a punto per contenere le temperature

di confezionamento delle miscele.

Negli anni più recenti, infatti, alle tecnologie tradizionali si sono aggiunte:

 miscele a bassa energia,

 additivi fluidificanti,

 bitume schiumato,

 emulsioni di bitume schiumato,

 bitume schiumato con aggregati riscaldati ecc...

All'ampia gamma di processi disponibili corrispondono molteplici applicazioni e

differenti prestazioni.

L’abbassamento della temperatura di produzione comporta:

 risparmi energetici: fino al 20% per WMA, fino al 50% per HWMA

 abbattimento delle emissioni: del 40% di , del 30% di del 60% di

,

 riduzione dei fumi in stesa

 condizioni di lavoro migliori

Conglomerati a caldo

Il confezionamento a caldo avviene in impianti in cui si raggiungono

temperature non inferiori a 150-180°C.

Dette temperature si rendono necessarie per la completa essiccazione degli

aggregati al fine di evitare che l'umidità residua possa determinare, nel

medio-lungo termine, la perdita di adesione tra bitume ed aggregati.

Inoltre, le elevate temperature, abbassando la viscosità del bitume, rendono

possibile il completo rivestimento degli inerti e conferiscono alla miscela

l'adeguato grado di lavorabilità necessario per le successive operazioni di

stesa e compattazione. 18

Qualora sul cantiere si sia seguita la migliore pratica esecutiva la miscela,

una volta raffreddata, sarà in grado di raggiungere il livello prestazionale

richiesto.

Conglomerati a freddo

Le tecnologie di confezionamento a freddo si caratterizzano invece per i

ridotti consumi energetici ed i bassissimi livelli di emissioni e si basano

sull'impiego di emulsioni bituminose (acqua bitume grazie a particelle

micronizzate) in grado di veicolare, a temperatura ambiente, il bitume tra gli

aggregati.

Un aspetto critico di questa tecnica è che il rivestimento degli inerti inizia

solo dopo la "rottura“ dell'emulsione e pertanto il raggiungimento delle

adeguate caratteristiche meccaniche necessita di un periodo di maturazione

della miscela che può durare anche dei mesi.

Bitumi schiumati

Una tecnologia a freddo ma che sarebbe più appropriato includere tra quelle

tiepide, è quella che utilizza il bitume schiumato, che si ottiene iniettando

all'interno di apposite camere di espansione dell'acqua fredda nebulizzata in

un id