Il controllo della portanza: FWD, TSD, LFWD

Il controllo tradizionale della portanza, avviene con il FWD, che permette di condurre indagini non distruttive mediante l’analisi di un bacino di deflessione indotto dall’applicazione di un carico superficiale, di tipo impulsivo, attraverso una piastra circolare: il diametro standardizzato è, ad esempio, di 300 o 450 mm. Alla piastra è collegato un sistema di molle sulle quali vengono lasciate cadere alcune masse (per esempio di 50, 150, 250 o 350 kg) da un’altezza che viene variata da un minimo di 50 mm ad un massimo (per esempio di 390 mm); la piastra è rivestita in gomma per favorire una distribuzione uniforme dell’impulso generato dal carico. All’accoppiamento fra entità della massa e altezza di caduta corrisponde il valore di picco del carico.

Il caricamento viene reso dinamico grazie alla regolazione del sistema di molle che consente di produrre un’azione assimilabile, sia in termini di livello tensionale sia in termini di durata di applicazione del carico, a quella che la ruota di un veicolo commerciale pesante, alla velocità di 40-60 Km/h, trasmette alla pavimentazione.

dalla pavimentazione, in altri termini il bacino di deflessione, attraverso 7 o 9 sensori (geofoni), posti a distanze prefissate e disposti in linea con il carico: in questo modo è possibile individuare le caratteristiche meccaniche degli strati che compongono la pavimentazione. Tutta la strumentazione viene gestita tramite un personal computer, che mediante un apposito software attribuisce il valore del carico mediante la scelta dell’opportuna altezza di caduta della massa ed archivia tutti i valori ottenuti durante le prove.

Fig. 10.11: Particolare dei geofoni Fig. 10.12: Bacino di deflessione

Fig. 10.13: Apparecchio di misura del FWD

Fig. 10.14: Possibile posizionamento dei geofoni

Le misure di deflessione ottenute vengono elaborate con un’apposita procedura che prende il nome di Back Analysis, la quale consente di determinare il valore del modulo di elasticità dei materiali dei diversi strati della pavimentazione (che compongono la struttura analizzata); ci si avvale di un algoritmo di ottimizzazione di tipo iterativo il quale ricerca quei valori dei moduli che producono deformazioni calcolate quanto più prossime possibili a quelle rilevate.

I valori dei moduli calcolati sono utilizzati per valutare, mediante idoneo algoritmo di previsione, la vita utile residua della pavimentazione, ovvero per determinare il tipo di intervento necessario al rafforzamento della pavimentazione stessa.

Tuttavia, come accennato prima (nel paragrafo “Il cammino dei controlli ad alto rendimento”), per uno stesso bacino di deflessione, la soluzione al problema non è unica, e possono essere determinate differenti combinazioni di valori dei moduli; inoltre il mezzo, per ogni prova della durata di circa 1 minuto, effettuata ogni 100÷200metri, deve fermarsi, e ciò comporta notevoli disagi in caso di strade molto trafficate. Proprio per questi motivi, e anche per la gestione del dato rilevato in termini di valutazione globale della portanza (ricordiamo che la prova è di tipo puntuale e non in continuo), è stata aperta la strada ad una nuova ed innovativa apparecchiatura: il TSD, Traffic Speed Deflectometer.

Fabbricata dalla società danese Greenwood Engineering A/S, il TSD misura gli stessi parametri del FWD, ma in continuo ed alla velocità di 80-90 Km/h.

L’apparecchiatura è composta da un mezzo articolato con un rimorchio strumentato il cui asse gemello posteriore scarica 12 t; l’asse esercita sulla pavimentazione una sollecitazione che ha come diretta conseguenza una serie di deformazioni, ma è allo stesso tempo sufficientemente lontano dagli altri assi del veicolo, da non risentirne l’influenza. Tali deformazioni non vengono misurate in termini di deflessioni, come nei mezzi tradizionali, tipo FWD, ma in termini di velocità di deformazione, attraverso l’impiego di una serie di laser doppler installati su una barra indeformabile contenuta all’interno del rimorchio; proprio l’assenza di ogni contatto con la superficie stradale consente il rilievo in velocità, che rappresenta l’aspetto più innovativo dell’apparecchiatura.

Fig. 10.15: Traffic Speed Deflectometer

Fig. 10.16: Trave indeformabile

Fig. 10.17: Particolare della trave indeformabile porta laser

Il sistema funziona correttamente grazie all’uso di sistemi di controllo e regolazione costituiti da accelerometri, giroscopi, attuatori meccanici elettrocomandati, processori; grazie a questa strumentazione si è in grado di valutare e compensare le velocità fittizie, relative alle vibrazioni della barra, indotte dalle forze di inerzia presenti durante il moto; è anche possibile regolare l’altezza di lavoro dei laser doppler, affinché sia sempre rispettato il loro campo ottimale di misura.

I dati rilevati vengono successivamente integrati per determinare il bacino di deflessione.

Fig. 10.18: Bacino di deflessione ottenuto integrando le velocità di deformazione

Il TSD consente quindi di conoscere le caratteristiche di portanza delle pavimentazioni della rete stradale in forma estensiva, fornendo lo strumento necessario di conoscenza per la messa a punto dei piani di manutenzione programmata.

Per uniformare le misure dell’FWD e del TSD, il controllo della portanza è stato successivamente affidato all’Indice Strutturale IS, che deriva direttamente dalle misurazioni effettuate con le stesse apparecchiature, ossia dai bacini di deflessione, in maniera puntuale nel primo caso, ed in continuo e ad alta velocità nel secondo. Nel documento ANAS sono indicate le modalità operative specifiche per l’esecuzione della

Velocità di deformazione

Bacino di deflessione

prova nel caso si utilizzi una oppure l’altra apparecchiatura.

L’Indice Strutturale è definito come differenza della deflessione a centro piastra, o centro ruota nel caso del TSD, e deflessione letta ad una certa distanza da tale punto; il suddetto indice esprime la portanza dell’intera sovrastruttura stradale.

Per ogni tipologia di intervento, considerando le caratteristiche meccaniche dei materiali impiegati e gli spessori adottati, sono state valutate le durate teoriche di progetto e sono state stimate le caratteristiche di portanza attraverso l’Indice Strutturale IS300, definito

come differenza tra la deflessione massima registrata a centro piastra ed a 300 mm dallo stesso centro: IS300 = D0 – D300. Allo stesso tempo, con opportuni calcoli, sono stati

determinati i limiti ammissibili dell’IS300 in funzione delle condizioni di prova, e

riportati nei grafici.

Le condizioni di prova sono valutate attraverso la temperatura effettiva dell’aria nel momento in cui viene eseguita la prova stessa; nella maggior parte dei casi la temperatura di riferimento è di 14°C, ma possono essere valutate tutte le possibili soluzioni in un intervallo prestabilito, generalmente compreso tra 10°C e 20°C; i dati esterni a tale intervallo, seppur registrati, non verranno considerativincolanti.

Nei grafici sono presenti diverse curve relativamente ai Risanamenti Profondi, che si riferiscono a diversi momenti di maturazione dei materiali: le misurazioni di accettazione sulla pavimentazione finita, andranno effettuate al massimo entro un anno dalla stesa dell’ultimo strato.

Per gli interventi di tipo superficiale, che non interessano cioè gli strati più profondi della pavimentazione, si farà riferimento all’Indice Strutturale IS200, definito anch’esso

come differenza tra la deflessione a centro piastra ed a 200 mm dal centro: IS200 = D0 – D200.

Fig. 10.19: Visualizzazione grafica degli indici IS300 e IS200

in relazione al bacino di deflessione

essere applicate opportune correzioni all’indice IS di riferimento, che abbiamo visto in questo caso essere IS200: tali correzioni sono calcolate, sempre in forma semplice,

direttamente valutando il bacino di deflessione, sia per tener conto della deformabilità del sottofondo (non interessato dall’intervento), e sia perché essendo gli indici fortemente influenzati dalla temperatura del conglomerato bituminoso, è necessario ritornare alle condizioni di temperatura di riferimento.

È bene tener presente che sia per risanamenti profondi che superficiali, le prove di portanza possono essere condotte anche in caso di temperature dell’aria differenti da quelle di riferimento adottate nelle Norme Tecniche; in questo caso sarà sufficiente riportare l’Indice a condizioni standard, mediante una semplice formula:

IS14°C/ISTprova = exp (c · (14 – Tprova))

dove c=0,037 nel caso di interventi RP, mentre c=0,022 nel caso di interventi di tipo RS. Nel caso di Trattamenti Superficiali infine, non sono previsti limiti di accettazione per la Portanza.

Il LFWD

Nel capitolato ANAS, relativamente ai lavori di riciclaggio RBS, MCI e MSC, viene menzionata anche un’altra apparecchiatura per la misura della portanza in corso d’opera: il LFWD, Light Falling Weight Deflectometer.

L’attrezzatura permette di eseguire una prova di carico con piastra dinamica che valuta efficacemente portanza e grado di addensamento; inoltre, essendo assimilabile ad un FWD, ma molto più maneggevole, leggero e conseguentemente trasportabile, è possibile effettuare molte più prove sia dal punto di vista temporale che spaziale. Viene eliminata anche la presenza del mezzo di contrasto, come l’autocarro, che rappresenta un notevole ingombro sul piano di prova, nonché un disturbo al traffico veicolare. La versatilità di questa nuova attrezzatura, ne ha favorito una rapida diffusione.

Il LFWD permette di misurare il Modulo di Deformazione dinamico Evd in MPa.

Il principio di funzionamento è lo stesso del FWD: una massa nota viene fatta cadere più volte su una piastra di carico, posizionata sul piano di prova, permettendo di determinare in modo speditivo la risposta dinamica del terreno; vengono di volta in volta registrati pressioni e cedimenti della pavimentazione [53].

L’apparecchiatura può differenziarsi per dimensioni e forma della massa battente, per l’altezza di caduta, per le dimensioni della piastra di carico e per le posizioni della cella di carico e degli accelerometri (geofoni).

In particolare le tipologie più conosciute sono: Zorn, Terratest e Dynatest.

Il dispositivo Zorn è composto da una piastra di carico rigida, una massa battente e un’apparecchiatura elettronica di acquisizione dati.

La piastra di carico presenta un diametro di 300 mm ed uno spessore di 20 mm, e può essere anche considerata rigida ai fini dei calcoli per la valutazione dei moduli del piano di prova.

Tra la piastra di carico e la massa battente sono presenti un compensatore di inclinazione per condurre prove su piani inclinati, un accelerometro per misurare i cedimenti, una cella di carico per la valutazione dei carichi in gioco ed uno smorzatore a molle (buffer) per modulare la forza impattante; il trasduttore accelerometrico è un sensore che fornisce in output, tramite opportuna interpretazione dei dati acquisiti, l’abbassamento del punto centrale della piastra, nonché la corrispondente velocità di deformazione del suolo [53].

La massa battente ha un peso di 10 Kg, 15 Kg nel caso in cui i moduli previsti siano elevati, ed è libera di scorrere sull’asta di guida che, oltre a garantire la centralità del colpo, consente di uniformare l’altezza di caduta per mezzo della leva di rilascio fissata in corrispondenza dell’impugnatura.

La strumentazione è collegata ad un’apparecchiatura elettronica che permette di acquisire i dati appena rilevati, registrarli e trasferirli tramite chip-card o porta seriale su personal computer.

Fig. 10.20: LFWD Zorn Fig. 10.21: LFWD Dynatest

La componentistica dell’LFWD Terratest è molto simile a quella dell’LFWD Zorn. Differentemente dai modelli precedenti, il LFWD Dynatest è dotato di un sistema di

acquisizione dati wireless, evitando la fastidiosa presenza del filo sul campo di misurazione.

Mentre nell’apparecchiatura precedente (Zorn) la deflessione della piastra era misurata da un accelerometro collocato tra il buffer e la piastra di carico stessa, nel Dynatest le deflessioni sono stimate grazie ad un geofono che viene posto a diretto contatto con la superficie attraverso un piccolo foro a centro piastra.

Inoltre anche il materiale usato per distribuire lo stress di contatto sotto la piastra è diverso: nel primo caso è costituito da un tappetino in gomma, mentre nel secondo da una superficie in metallo, e questa differenza può indubbiamente influenzare le misurazioni [53].

Il dispositivo Dynatest include una cella di carico per la registrazione delle time histories degli impulsi effettivamente applicati sotto la piastra. Ciò consente di applicare un impulso specifico impostando l’altezza di caduta, che nello Zorn era fissa, a seconda del tipo di strato indagato.

Per condurre la prova sono sufficienti due operatori: entrambi appoggiano il proprio peso sulla piastra di carico per stabilizzare la piastra stessa sul terreno: mentre il primo si occupa dell’assestamento dei colpi, il secondo annota leggendo sul display wireless dove sono rappresentate la curva dei cedimenti e la curva di carico, apprezzabili ad ogni colpo.