Tecniche stradali innovative per l'energy harvesting: implementazione delle pavimentazioni piezoelettriche nell'aeroporto di Roma Fiumicino

TH TH

impedenza di carico (R ) e corrente di carico (I ).

L L

Figura 48- Circuito equivalente di Thevenin

2.6.2 Israele: il progetto sull’autostrada

Attraverso delle fasi, viene illustrata l’istallazione del piezoelettrico su un’autostrada in Israele

[51]:

• Per prima cosa, viene praticata un'apertura all’interno del conglomerato stradale, di 20 cm

di profondità e 50 cm di larghezza sotto l'impronta di ciascuna ruota. La superficie nella

parte inferiore dell'apertura viene livellata, utilizzando se necessario, dell’acqua.

60

Per rendere il tutto più omogeneo possibile, viene steso sul fondo dell’apertura un

calcestruzzo ad asciugatura rapida, per un’altezza di circa 3 cm. (Figura 49)

Figura 49-Prima fase

• In un secondo momento vengono istallati i generatori IPEG (Innowattech Piezoelectric

Electric Generators), ad una profondità di 5 cm al di sotto del livello stradale. (Figura 50)

Figura 50-Posa in opera

• I generatori vengono ricoperti da fogli di bitume, per garantire una migliore adesione del

calcestruzzo al bitume. Infine la strada viene ricoperta da conglomerato bituminoso per

raggiungere il livello stradale iniziale. (Figura 51)

Figura 51-Fasi finali

61

Gli aspetti positivi riscontrati sono differenti:

• si è ottenuto un recupero di energia pari a 40 W/s;

• non sono previste costruzioni di nuove infrastrutture rispetto a quelle esistenti, nemmeno

la costruzione di pali per la produzione di energia eolica, poiché è sufficiente utilizzare le

risorse già disponibili sul territorio;

• l’energia raccolta è stata immagazzinata nei condensatori elettronici del sistema di

accumulo (batterie), le quali si trovano ai bordi delle strade, che possono essere utilizzate

per le illuminazioni della stessa strada;

• Poiché i sistemi possono essere installati quando vengono posate nuove strade o quando

vengono eseguiti lavori di manutenzione regolare su superfici esistenti, i costi di

installazione sono sostanzialmente inferiori a quelli sostenuti con gli impianti eolici o

solari;

• alcune ricerche stanno dimostrando come sia possibile ricavare per ogni chilometro di

strada fino a 400 kW di energia elettrica.

62

CAPITOLO 3

Implementazione delle pavimentazioni piezoelettriche nelle taxiway dell’aeroporto

di Roma Fiumicino

3.1 Analisi comparativa delle esigenze strutturali stradali rispetto a quelle aeroportuali

Sulla base dei dati e delle sperimentazioni fino ad ora illustrate, è emerso che l’energy harvesting

coinvolge soprattutto le infrastrutture come strade, marciapiedi e ferrovie; servizi pubblici sul

quale risulta più semplice l’applicazione di materiali particolarmente sensibili al calore, ai carichi

o alle vibrazioni.

Grazie alle prove svolte su pavimentazioni flessibili, è possibile recuperare energia anche da opere

di scala maggiore, come gli aeroporti.

L’obiettivo di questa tesi è progettare pavimentazioni aereoportuali, che integrino materiali

piezoelettrici, in modo da includere anche gli aeroporti nel panorama delle infrastrutture

sostenibili. A tal fine, si è scelto l’aeroporto Leonardo da Vinci di Roma Fiumicino come campo

di sperimentazione, data l’elevata quantità di operazioni che vi si svolgono al suo interno, sia a

livello nazionale che internazionale.

Una infrastruttura stradale è l’insieme delle risorse che include le strade stesse e tutto ciò che è

associato ad esse, come ad esempio fermate autobus, ponti, gallerie, segnaletica e opere di

drenaggio. La classificazione stradale si determina in funzione delle caratteristiche tecniche,

costruttive e funzionali. Si utilizza un codice numerico che va da A a F per catalogarle, partendo

dalle strade con importanza maggiore di tipo A (autostrade extraurbane ed urbane), fino alle strade

urbane di tipo F (Figura 49)

Un aeroporto è un’infrastruttura che consente lo svolgimento delle fasi di decollo e atterraggio

degli aerei e che inoltre garantisce il transito dei passeggeri, la sistemazione dei bagagli e ricovero

e rifornimento dei velivoli. Gli aeroporti vengono classificati in funzione della lunghezza, indicata

con codice numerico da 1 a 4, mentre il codice alfabetico si indicano le caratteristiche degli

aeromobili che vi possono accedere considerando l’apertura alare e la distanza tra i carrelli. (Figura

52) 63

Figura 52- infrastruttura stradale e aeroportuale

Con il termine pavimentazione si intende un insieme di strati, costituiti da materiali con

caratteristiche fisiche e meccaniche diverse, che cambiano a seconda della funzione che tali strati

assolvono all’interno della sovrastruttura. Inoltre gli spessori della pavimentazione dipendono dal

tipo di sollecitazione a cui sono sottoposti e sono dimensionati in maniera differente per ogni

tipologia di traffico. In generale le pavimentazioni aeroportuali assolvono a tre diversi compiti

[52]:

• Formare una struttura stabile nel tempo e poco deformabile in grado di sopportare i carichi

ripetuti applicati dai carrelli degli aeromobili;

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• Garantire la sicurezza della circolazione anche in presenza di problemi di aderenza dovuta

agli agenti inquinanti (acqua, fango, neve, ghiaccio, depositi di gomma, ecc.);

• Realizzare una superficie sufficientemente regolare tale da escludere vibrazioni dannose o

fenomeni di risonanza nei diversi elementi strutturali dell’aeromobile e da assicurare un

adeguato comfort per i passeggeri.

Le pavimentazioni devono essere pertanto dimensionate strutturalmente e realizzate in modo tale

da garantire idonee caratteristiche funzionali e da consentire l’operatività dell’aeroporto in

sicurezza.

Le piste aeroportuali hanno delle differenze sostanziali rispetto alle comuni strade, come

evidenziato in Tabella 8:

Pavimentazioni Stradali Pavimentazioni aeroportuali

Carichi variabili in intervalli brevi con un Carichi variabili in intervalli ampi con un

massimo carico di 19t massimo carico per un carrello tridem di 140t

Pressione di gonfiaggio fino a 7bar Pressione di gonfiaggio fino a 20bar

Numero di passaggi elevato durante il periodo Numero di passaggi basso durante il periodo

di analisi prescelto di analisi prescelto

Velocità variabili in funzione della tipologia Velocità variabili in funzione della tipologia

di traffico di aeromobile

Pendenze longitudinali e trasversali moderate Pendenze longitudinali e trasversali moderate

quasi assenti

Tabella 8 - Differenze tra strade ed aeroporti

Considerata l’ampia estensione delle superfici, che comprendono apron, taxiway e piste di volo,

le sovrastrutture costituiscono un investimento economico importante nella gestione di un

aeroporto, per tali motivi potrebbe avere una buona finalità in termini di energy harvesting.

In campo aeroportuale vengono impiegati tutti i tipi di sovrastrutture previsti in campo stradale,

ovvero:

Pavimentazioni flessibili, costituite da:

• Due strati superficiali in conglomerato bituminoso, usura e binder o strato collegamento;

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• base in conglomerato bituminoso, misto bitumato o misto granulare;

• fondazione generalmente in misto granulare;

• sottofondo costituito dal terreno naturale o dallo strato più superficiale del terreno rilevato

opportunamente sagomato e costipato.

Pavimentazioni semirigide: generalmente costituite da una successione di strati identica a quella

delle pavimentazioni flessibili, ma con uno strato di base legato con cemento o con un misto

cementato. Su quest’ultimo, a volte, è presente anche lo strato di base legato a bitume quando si

ritiene che lo spessore degli strati in conglomerato bituminoso (usura e binder) sia troppo piccolo

per impedire il fenomeno del richiamo in superficie delle lesioni che si generano nel misto

cementato per ritiro igrometrico.

Pavimentazioni rigide: costituite da una lastra in calcestruzzo posata su uno o più strati di

fondazione in misto cementato e/o misto granulare o direttamente poggiate sul terreno di

sottofondo. Queste possono essere di vario tipo:

• lastre non armate, caratterizzate dalla presenza di giunti trasversali relativamente frequenti;

• lastre armate di lunghezza variabile da 7 a 30 m e dotate di una leggera armatura distribuita

in senso longitudinale e trasversale;

• pavimentazioni ad armatura continua caratterizzate dall’assenza di giunti trasversali ad

eccezione di quelli di costruzione e dalla presenza di un’armatura longitudinale di acciaio;

• lastre precompresse realizzate con il sistema Freissinet o simili.

Pavimentazioni segmentate in masselli autobloccanti in calcestruzzo: costituite da uno strato

superficiale di elementi in calcestruzzo, poggiati su di uno strato di sabbia o malta di cemento.

Pavimentazioni composite: realizzate in calcestruzzo con i giunti o con armatura continua

ricoperti da conglomerato bituminoso.

3.2 Presentazione delle caratteristiche funzionali nelle infrastrutture aeroportuali

Ogni aerea aeroportuale gode di caratteristiche funzionali, che devono garantire la sicurezza, la

fluidità del traffico ed una certa durata di servizio, perciò ognuna di queste aree sarà dimensionata

con una pavimentazione differente. Per dimensionamento si intende l’insieme di tutte le operazioni

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che conducono alla determinazione degli spessori da assegnare ai singoli strati della

pavimentazione, nonché delle proprietà dei materiali che li compongono.

Si procede, quindi, alla raccolta dei dati di progetto, seguita dalla modellizzazione del

comportamento delle pavimentazioni durante il periodo di vita utile previsto. Successivamente,

verranno selezionati i materiali più idonei per la composizione degli strati e determinati gli spessori

per ciascuno di essi.

La scelta del tipo di pavimentazione delle le varie zone deve essere effettuata considerando due

problemi che potrebbero presentarsi:

• funzionali, dovuti principalmente alle perdite di carburante che si possono avere

soprattutto nelle aree di sosta degli aeromobili. Per esempio, il kerosene o gli oli lubrificanti

leggeri sono sostanze solventi per il bitume e pertanto nelle zone soggette a perdite di

carburante, bisogna adottare pavimentazioni in calcestruzzo o trattamenti superficiali anti

kerosene, ovvero negli apron.

• strutturali, connessi con le modalità di applicazione delle sollecitazioni da parte degli

aerei. Ciascun tipo di pavimentazione deve essere dimensionata in maniera indipendente

rispetto alle altre, in funzione dei carichi e del numero di ripetizioni, che effettivamente la

sovrastruttura dovrà sopportare. Sempre in relazione al tipo e all’entità dei carichi applicati

occorre distinguere anche quali zone sono prevalentemente sollecitate da sforzi verticali e

quali anche da sforzi tangenziali. L’altro aspetto da tenere pre