Integrazione strumentale di misure deflettometriche e misure con georadar su campo

PROVE SU CAMPO

Come già detto in precedenza per trovare una giusta correlazione tra informazioni meccaniche

ed elettromagnetiche, si deve effettuare una prova su delle condizioni reali utilizzando le

strumentazioni a disposizione.

Le prove si divideranno in attività, ognuna delle quali vedrà l’utilizzo di uno strumento

diverso.

È importante che esse vengano effettuate in serie e non in contemporanea perché i dati

raccolti devono essere correlati ma, allo stesso tempo, raccolti e sviluppati indipendentemente

e nel miglior modo possibile risultando pienamente affidabili ed utilizzabili per qualsiasi tipo

di sviluppo futuro.

Anche nella scelta del campo prove (infrastruttura stradale nel nostro caso) si deve effettuare

una giusta selezione sia per la posizione di essa, che per la geometria del tratto scelto, onde

evitare una raccolta dati poco rappresentativa delle condizioni reali riscontrabili in altre

situazioni.

Inoltre come già detto si deve fare in modo che le prove non vengano rese inaccettabili o

condizionate da fattori esterni come condizioni meteo avverse e disturbo dovuto al passaggio

di mezzi durante le prove.

Le prove si divideranno in:

• Attività 1, raccolta dati con Light Falling Weight Defectometer Prima100;

• Attività 2, raccolta dati con Georadar IDS RIS 99;

• Attività 3, raccolta dati con Georadar con antenna centrata a frequenza pari a 1000

MHz;

• Attività 4, raccolta dati con Georadar con antenna centrata a frequenza pari a 2000

MHz e di provenienza europea, la 2000EU;

• Attività 5, raccolta dati con Georadar con antenna centrata a frequenza pari a 2000

MHz ma di provenienza Nord Americana, la 2000NA (North America).

Per l’esecuzione delle prove e il successivo trattamento del dato, si rende necessario eseguire

tutte le procedure indicate dai manuali degli apparecchi stessi, annotando anomalie, laddove

riscontrate, per poi correlarle con le informazioni ottenute. Pag. 40

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Dal momento che il tratto scelto avrà uno sviluppo non molto confinato, ma relativamente

esteso, si dovrà considerare la possibile presenza di variazioni delle condizioni di prova sotto

vari aspetti:

• condizioni geometriche variabili (rettifili, curve ecc.);

• variazione degli spessori degli strati;

• variazione del contenuto d’acqua;

• presenza di zone lesionate.

Pertanto sarà curioso notare che in alcune parti del tratto si presentano delle condizioni

singolari che meriterebbero una più approfondita analisi anche per un successivo sviluppo.

Strumenti per le prove su campo

Il Light Falling Weight Deflectometer Prima100 (LFWD Prima100)

Il dispositivo portatile LFWD Prima100 è prodotto dalla Carl Bro Company e utilizzato per la

misurazione delle proprietà di resistenza del terreno; è stato progettato per essere trasportato e

manovrato da una singola persona, senza bisogno di veicolo di rimorchio (presenta difatti un

peso totale pari a 26 kg, dunque risulta particolarmente adeguato per prove sul campo dal

punto di vista della portabilità e della maneggevolezza).

Il Prima100 infatti è di facile utilizzo vista la facilità di trasporto e velocità delle prove. Gli

effetti della caduta della massa sono fondamentalmente deflessione e propagazione di onde

elastiche, l’output principale è rappresentato dal modulo elastico. Pag. 41

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Figura 19- Il LFWD Prima100 su campo

E' alimentato da quattro batterie di formato AA e si compone di:

• base con piastra di carico circolare di diametro pari a 100, 200 o 300 mm, che produce

un impulso di carico nell'intervallo 1-15 kN in circa 15-40 ms;

• martello scorrevole in caduta, di massa pari a 10, 15, o 20 kg (rispettivamente 22, 33,

o 44, libbre) che impatta la piastra portante tramite due, tre o quattro tamponi in

gomma da altezza variabile dai 10 agli 850 mm (0,4-33,5 in.); all'interno, un sensore

di misurazione sismica, attraverso un foro nella piastra di carico, è in grado di

misurare i movimenti verso l'alto e verso il basso del terreno, mentre, sulla parte

superiore del cilindro, è montata una cella di carico, che registra la pressione dalla

superficie della pavimentazione ;

• sensori con componenti elettroniche e telaio superiore (comprendente custodia del

sensore, paracolpi in gomma e asta di guida del peso, dotata di fermo del peso stesso).

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Figura 20- Il dispositivo LFWD Prima100

La base, appunto, incorpora due tipi sensori, una cella di carico ed un geofono, entrambi

collegati ad una centralina elettronica per l'acquisizione, il filtraggio e la visualizzazione dei

dati: la cella di carico misura la forza di impatto del peso cadente, mentre il geofono misura la

velocità di deformazione della superficie (da cui viene determinata, per integrazione, la

deflessione).

Il Prima100 viene azionato manualmente e la raccolta dei dati può essere realizzata sia con un

computer portatile (con cavo RS232) che con un computer palmare (PDA) in combinazione,

tramite collegamento HF wireless, con un dispositivo Bluetooth per l'output dei risultati; la

rete Bluetooth trasmette mediante onde radio a bassa potenza, che limitano la gamma del

dispositivo stesso a circa 35 piedi.

Figura 21- Palmare per la registrazione dei dati

Il software per la registrazione, l'interpretazione dei dati e la loro visualizzazione, sviluppato

per un ambiente Microsoft Windows C, consente all'utente di scegliere il test di messa a

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punto, e visualizzarne e salvarne i risultati, incluse storie temporali e valori di picco di carico

e di spostamento, come pure il valore calcolato del modulo di rigidità elastica (modulo di

Young). Vengono restituite inoltre la tensione massima applicata e la durata degli impulsi di

carico.

Il dispositivo misura i valori di forza, di pressione e la deflessione rispetto al tempo,

utilizzando un trasduttore di velocità (flessione massima di 2,2 mm), che stima la deflessione

del terreno attraverso un foro nella piastra. In base a queste misurazioni, il software calcola il

modulo elastico secondo le equazioni seguenti:

?= h∗‚

€∗d#! ∗ƒ

8 ]

„ in corrispondenza della piastra di carico

]

?= d#! h∗‚ ∗ƒ

8 8

]

∗„ a distanze di più di due raggi dal centro del carico

]

Dove: E

• = modulo elastico di superficie;

• ν = modulo di Poisson (pari a 0.5);

• σ = stress applicato alla superficie;

0

a

• = raggio della piastra di carico;

d

• = deflessione;

0

f

• = fattore che dipende dalla distribuzione dello stress;

f

uniforme: = 2 (default)

f

piastra rigida: = π/2 f

parabolica, granulare: = 8/3

f

parabolica, coesivo: = 4/3

r

• = distanza dal centro;

d(r)

• = deflessione alla distanza r dal centro.

Da queste leggi generiche derivano le formulazioni tramite le quali il Prima100 calcola il

=1 − ,

modulo di deformazione dinamico E [MPa] (il termine funzione del modulo di

f

Poisson, risulta pari a 1,5 avendo posto ν = 0,5 ed = 2 per una distribuzione uniforme della

pressione): ? = 1,5 ∗ ∗ ‚

„ per il geofono centrale Pag. 44

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? = 1,5 ∗ ∗ ‚

„∗ƒ per i geofoni laterali

Dove nuovamente:

• r è il raggio della piastra di carico [mm];

• σ è la pressione indotta sul terreno [MPa] dalla forza impulsiva della massa in caduta,

variabile a seconda della configurazione di prova;

• d è la deflessione [µm] indotta dal carico, assunta in valore assoluto.

Come si vedrà meglio a breve, tutte le relazioni presentate fino ad ora fanno riferimento alla

Teoria di Boussinesq, ovvero alla Teoria dell'elasticità per un semispazio elastico, omogeneo

ed isotropo, che studia il modo in cui vi si distribuiscono le tensioni indotte dall'applicazione

di un carico concentrato agente perpendicolarmente alla superficie; l’entità della capacità

portante è fornita dalla conoscenza delle caratteristiche elastiche del terreno.

Convenzionalmente, la prova deflettometrica prevede l'applicazione del carico sulla superficie

tramite la piastra circolare e la successiva misurazione della forza risultante e della velocità

tramite i sensori.

Secondo la procedura descritta dall'ASTM 2583-07(2011) per il test convenzionale, prima di

posizionare lo strumento in allineamento verticale sopra il punto in esame, la superficie viene

pulita e levigata e sul punto di prova viene steso un sottile strato di sabbia, al fine di ottenere

un contatto uniforme tra piastra e superficie e per migliorare la stabilità del dispositivo. Una

volta collocata la piastra, la massa battente viene sollevata all'altezza desiderata ed, infine,

lasciata cadere liberamente, permettendo così di visualizzare e registrare le relative

deviazioni.

Lo standard ASTM 2583-07(2011), inoltre, suggerisce di impiegare la prima o le prime due

battute per settare lo strumento ed usare esclusivamente le successive per l'analisi vera e

propria, effettuandone almeno altre due per poter confrontare i risultati ed accertare che la

differenza sia inferiore a ± 3%.

In particolare, per svolgere lo studio oggetto di questo lavoro, come si discuterà ampiamente

in seguito, è stata utilizzata l’attrezzatura LFWD Prima100 disponibile presso la Facoltà

d’Ingegneria dell'Università di Roma Tre che presenta una massa in caduta pari a 10 kg ed

una piastra di carico con diametro pari a 10 mm, senza geofoni laterali, e dotata di computer

palmare (PDA) in combinazione con un dispositivo Bluetooth per l'output dei dati; tale

configurazione dello strumento permette una gamma di carico che, essendo pari a 1-15 kN e

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producendo un impulso di carico pari a 15-25 millisecondi, fa sì che il dominio di influenza

della misura dell'elasticità sia comparabile a quella del segnale radar.

Tutte le specifiche mancanti sul dispositivo utilizzato sono indicate, per completezza, nella

tabella seguente: Dimensioni

Altezza 1,40 m

Peso al netto della massa 17 kg

Peso totale 27 kg

Carico di caduta 10 kg

Altezza max di caduta del carico 0,85 m

Carico di caduta

Diametro della pias