CAPITOLO 1

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1.1 EVOLUZIONE DELLE PROVE DI PORTANZA SULLE

PAVIMENTAZIONI STRADALI

Le informazioni sulla capacità portante delle pavimentazioni delle strade od aeroporti esistenti sono di vitale importanza per una accurata valutazione della manutenzione o della riabilitazione.

Poiché la risposta ed il comportamento della pavimentazione sono dipendenti dall’intensità e dalla velocità di carico, sono stati fatti vari tentativi per misurare la capacità portante, con strumenti di misura della deflessione sotto ad un autocarro in movimento. Visto che non era possibile misurare la deflessione accuratamente al di sotto di un autocarro ad elevata velocità, fu sviluppata la trave di Benkelman negli anni ’50. Questo sistema misura le deflessioni al di sotto di una ruota dell’asse posteriore di un autocarro carico a bassa velocità. Dato che questa tecnica ha degli svantaggi come ad esempio la bassa velocità ed il problema di trovare un “livello zero”, si è iniziato a ricercare un’altra soluzione per misurare le deflessioni sotto un carico con piccola pulsazione per simulare il traffico che viaggia ad elevata velocità.

L’idea di sviluppare un Falling Weight Deflectometer è nata in Francia. Dopo un po’ decisero di bloccare lo sviluppo del sistema “falling weight” e la Francia continuò invece con lo sviluppo del deflettografo Lacroix (French moving Benkelman beam). Basandosi sugli esperimenti francesi, il primo tentativo di produrre un FWD fu fatto in Danimarca nel 1964. Gli esperimenti per ottenere delle misure di capacità portante delle pavimentazioni furono portate a termine con una nuova attrezzatura costruita al National Road Laboratory (ora

Danish Road Institute). Gli studi iniziali mostrarono che l’attrezzatura al National Road Laboratory non era così efficace come quella sviluppata in Francia per quanto riguarda il

trasferimento della forza. Qualche modifica fu fatta basandosi sulle informazioni ottenute dalla Francia, ed una nuova attrezzatura fu costruita alla Technical University of Denmark. Con questa nuova attrezzatura, l’obiettivo di ottenere un’onda di carico semi-sinusoidale fu quasi raggiunto.

In seguito furono condotti dei test e l’attrezzatura fu verificata in confronto alla prova di carico su piastra. La prima attrezzatura “falling weight” era estremamente difficile da usare. Phønix A/S riuscì a costruire una piccola serie di “falling weights” più pratici. Nel 1975, le molle a forma di S furono rimpiazzate da tre smorzatori di gomma. Il peso era sollevato idraulicamente per mezzo di una pompa a mano e montato su di un carrello. La deflessione era misurata elettronicamente.

Nel Regno Unito, come in Francia, lo svillupo del FWD era visto scetticamente poiché la durata del carico negli strati più profondi sarebbe stata innaturalmente corta con un caricamento dovuto ad una massa cadente. Inoltre, fu affermato che l’inerzia dei materiali componenti la strada, la quale viene attivata dal “falling weight”, sarebbe potuta entrare in

10 gioco. Le obiezioni sollevate da Francia e Regno Unito ebbero come risultato il fatto che la Danimarca portò a termine delle misurazioni comparative tra il “falling weight” ed un pneumatico che si muove ad alta velocità. I risultati iniziali furono molto positivi. Le deflessioni erano molto simili per i due tipi di onde di carico generate.

Dynatest fu formata nel 1976 come risultato di una cooperazione tra il Danish Road Institute

e la Technical University of Denmark. Durante questo periodo degli esperimenti simili furono compiuti in Svezia da KUAB, la quale iniziò le operazioni di routine nel 1976.

In Olanda alcune aziende iniziarono a costruire un FWD per il loro uso personale negli anni ’80. Tutti questi tentativi risultarono in una ampia varietà di tipi di FWDs e quindi anche a diversi metodi di interpretazione per le misure di deflessione. CROW istituì la commissione di studio “Falling Weight Deflection Testing” nel 1988 per risolvere questo problema ed accelerare l’armonizzazione delle attrezzature FWD ed i metodi di misura, inclusi i metodi di interpretazione. Il risultato nel 1995 furono delle linee guida olandesi per le misurazioni FWD e per l’interpretazione di dati FWD. Per l’armonizzazione delle attrezzature furono tenuti vari test di confronto FWD in Olanda, a partire dal Settembre 1998. Più tardi il risultato furono delle linee guida olandesi per la calibrazione dei FWDs.

Nel 1987 la Foundation Mechanics, Inc. iniziò la produzione del JILS-FWDs negli USA. La

Foundation Mechanics, Inc. è anche il produttore del Road Rater (dal 1970). In Giappone

anche la Komatsu ha prodotto FWDs.

Fig. 1 – 1 FWDs venduti nel mondo al 1999.

Fig. 1 – 2 A partire da sinistra: vecchio FWD attivato a mano della TU-Delft (1978) con molle a S, Phønix FWD con molle a S, carrello Phønix FWD con elettronica Dynatest.

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1.2 COOPERAZIONE EUROPEA

Negli anni ’80 i FWDs furono usati sempre di più, all’inizio come strumento di ricerca e poi per la pratica di routine. Molti paesi fecero la loro esperienza in questo campo in questo periodo. All’inizio degli anni ’90 ci fu la necessità di scambiare queste esperienze.

Nel 1991 il Forum of European National Highway Research Laboratories (FEHRL) iniziò con un seminario FEHRL – FWD a Delft. Due anni dopo il secondo seminario fu tenuto in Francia. Questo fu l’inizio di una attività di gruppo FEHRL – FWD, la quale stese la pubblicazione FEHRL n°1: “Harmonisation of FWD Measurementsand Data Processing for

Flexible Road Pavement Evaluation at Project Level”. Durante l’ultimo seminario in

Danimarca, la stesura finale fu discussa ed accettata. Questa pubblicazione contiene le scoperte ed i risultati dei tre seminari FEHRL – FWD con il contributo di 14 Paesi europei. In questa attività di gruppo FEHRL – FWD, iniziò l’idea di convertire le attività di ricerca in un provvedimento COST. Nel 1995 il FEHRL iniziò ufficialmente il provvedimento COST sui FWDs, e nel 1996, la Commissione Europea iniziò ufficialmente il provvedimento COST 336 “Falling Weight Deflectometer”.

La struttura COST fu scelta come la più appropriata per il meccanismo di finanziamento coordinato in questa area per le seguenti ragioni:

 È desiderabile che il maggior numero dei paesi nominati dal COST benefici del lavoro svolto; non solo quelli nella UE al momento;

 al fine di creare un efficace codice comune di buona pratica è desiderabile avere accordo tra i rappresentanti tecnici dei governi nazionali.

1.3

RUOLO

DEL

FWD

NELL’INGEGNERIA

DELLE

PAVIMENTAZIONI

Il Falling Weight Deflectometer (FWD) è uno degli strumenti disponibili per l’ingegnere delle pavimentazioni per descrivere e capire il comportamento strutturale della pavimentazione. La misurazione della deflessione della pavimentazione con un FWD non è di per sé un obiettivo, ma semplicemente uno dei metodi di test disponibile per verificare le condizioni di una pavimentazione. I risultati devono essere interpretati in maniera tale che possano essere utilizzati per la valutazione strutturale delle pavimentazioni. Prima di condurre delle misure FWD è consigliabile esaminare la strada e cercare le possibili cause degli ammaloramenti osservati. Dopo aver raccolto informazioni aggiuntive ed averle valutate, può essere valutata o meno la necessità di raccogliere dati da misure FWD. I FWDs sono comunemente usati a livello di progetto. Essi possono essere comunque usati a livello di rete.

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1.3.1 LIVELLO DI RETE

Al livello di rete, il FWD può essere usato per sviluppare una banca dati sulla capacità portante per la pianificazione economica, allocazione di budget per area, selezione delle sezioni da manutenere e la priorità (ordine di manutenzione delle sezioni). A livello di rete le decisioni sulla manutenzione o la riabilitazione delle strade sono usualmente dirette dal “Pavement

Management System” (PMS). I PMSs a livello di rete mirano a determinare la strategia di

manutenzione ottima da applicare ad un cluster di rete od ai collegamenti tra sezioni di strada. L’ottimizzazione è un processo che determina il possibile uso migliore delle risorse disponibili (strategie di manutenzione) prendendo in considerazione vincoli economici e di programmazione. Le strategie di manutenzione sono una serie di standard manutentivi associati a delle soglie che attivano l’azione manutentiva corrispondente. Il criterio di ottimizzazione è una espressione chiamata “funzione obiettivo” che impone cosa dovrebbe essere massimizzato. Possono essere presi in considerazione diversi approcci per definire la funzione obiettivo.

Un approccio è economico e mira a minimizzare il finanziamento da parte di agenzie o i costi totali di trasporto (incluso il costo per gli utenti). Un PMS di questo tipo usa delle simulazioni basate sull’analisi del costo durante il ciclo vitale per ottimizzare le strategie di manutenzione. Questi tipi di PMS usualmente considerano come obiettivo il beneficio per gli utenti. L’obiettivo è quello di trattare e quindi rimuovere dalla manutenzione il maggior numero di sezioni ogni anno.

Un altro approccio è tecnico e mira a massimizzare le performance della strada o a raggiungere certi livelli di servizio standard. In questo caso nel PMS è utilizzata l’analisi della vita di servizio rimanente. Questi tipi di PMS cercano di minimizzare il costo per l’agenzia. Le scelte di gestione saranno basate su una strategia “prima il peggiore” che può essere applicata in questo contesto. Il suo obiettivo sarà quello di trattare e quindi rimuovere il maggior numero di sezioni in condizioni scadenti ogni anno, dopo le quali possono essere trattate le sezioni in condizioni medie.

Per essere completa, un’ampia ottimizzazione può essere ottenuta tramite analisi multi-criterio estendendo le considerazioni tecniche ed economiche prendendo in considerazione fattori come l’impatto ambientale, la produttività complessiva del trasporto merci, la sicurezza, il comfort ecc.

Tutti questi PMSs necessitano di modelli di predizione delle performance per poter funzionare.

1.3.2 LIVELLO DI PROGETTO

A livello di progetto, le misure sono eseguite su una sezione stradale con l’obiettivo di ottenere una conoscenza sul comportamento di quella sola sezione; queste misure possono poi essere usate per aiutare il progetto di provvedimenti di rinforzo.

13 Ci sono molti usi possibili per le misure FWD, qui consideriamo solo le misure per quanto riguarda la valutazione di pavimentazioni flessibili o semi-flessibili. La differenza delle flessibili e semi-flessibili rispetto alle pavimentazioni rigide è basata sulle diverse procedure di misura ed interpretazione dei dati. Nel caso di pavimentazioni flessibili o semi-flessibili, la pavimentazione può essere considerata come composta da strati omogenei in direzione longitudinale e quindi la scelta dei punti da esaminare può essere fatta senza restrizioni. Nel caso delle pavimentazioni rigide, dobbiamo tenere conto delle dimensioni della lastra e della posizione dei giunti quando vengono selezionati i punti da esaminare. Nel caso di pavimentazioni rigide deve essere misurato anche il trasferimento di carico ai giunti.

Durante il provvedimento COST 336, una commissione CROW in Olanda stava lavorando in parallelo su di un metodo di valutazione per le pavimentazioni rigide a livello di progetto usando un FWD. Il risultato è stata una pubblicazione CROW “Uniform Evaluation Method

for Jointed Cement Concrete Pavements”. Questa pubblicazione contiene anche un

programma per computer chiamato “UEC-Slab”, che può ad esempio essere usato per la backcalculation di dati FWD e per il calcolo degli sforzi nelle pavimentazioni cementizie giuntate dovuti a carichi differenti, per la vita residua della pavimentazione ecc.

Altri documenti che descrivono la valutazione delle pavimentazioni rigide sono le inglesi “Highways Agency Design Manual for Roads and Bridges” e le spagnole “Norma de Ensayo

del Centro de Estudios de Carreteras” NLT-338/98.

È da sottolineare che l’attrezzatura FFWD usata per questa tesi è caratterizzata da una produttività maggiore di un FWD classico. Questo permette di affermare che, ciò che viene eseguito a livello di solo progetto con un FWD, può invece essere fatto a livello di network con un FFWD. Inoltre la maggiore produttività, e quindi velocità nell’eseguire le prove, fa sì che la corsia stradale oggetto del rilievo sia chiusa per un tempo minore rispetto a quanto può accadere con un FWD. In questo modo le condizioni alterate di sezione stradale si protraggono nel tempo in misura minore, e questo è sicuramente benefico per quanto riguarda la sicurezza.

1.4 USO DI DATI FWD NELLA VERIFICA DELLE CONDIZIONI

DELLA STRADA

Le misure Falling Weight Deflection possono essere usate per diversi obiettivi, come descritto sotto. In generale sono previste per la verifica della capacità portante di una pavimentazione. Quindi, nel caso che l’ammaloramento o danno non sia relazionabile alla capacità portante (ad esempio l’ormaiamento superficiale degli strati legati), le misure FWD hanno un’importanza limitata.

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1.4.1 CONFRONTO RELATIVO BASATO SU MISURE DI DEFLESSIONE

Le misure FWD possono essere usate per un confronto relativo alle condizioni degli strati della pavimentazione basandosi sulle sole misure di deflessione, e/o sulla forma dei bacini di deflessione, per:

 il sottofondo;

 fondazione e sottofondo;

 l’intera struttura della pavimentazione.

Mentre questi confronti possono essere usati a fini di ricerca, va notato che, per una banca dati o per fare delle sotto-sezioni per altri metodi di valutazione, nell’ingegneria delle strade, le misure di deflessione non sono un obiettivo di per sé. Tensioni e deformazioni sono gli elementi cruciali nella progettazione delle pavimentazioni. Comunque, quando sono considerati solo i livelli di deflessione, va tenuto in mente che un confronto può essere fuorviante, particolarmente quando differenti pavimentazioni con differenti spessori degli strati sono considerate, perché le relazioni deflessione-deformazione/tensione sono diverse per differenti strutture della pavimentazione. Con un dato bacino di deformazione possono essere ottenuti diversi livelli di tensione/deformazione, se la struttura della pavimentazione varia.

1.4.2 DETERMINAZIONE DELLA CAPACITÀ PORTANTE CON METODI EMPIRICI

Le misure FWD possono essere usate anche per la determinazione diretta della capacità portante di:

 pavimentazioni in conglomerato bituminoso;  pavimentazioni cementizie.

Questa capacità portante può essere valutata in vari modi, usando abachi oppure “semplici” programmi per computer (basati ad esempio sulle deflessioni centrali e/o sulla differenza tra certe deflessioni) permettendo la classificazione delle pavimentazioni in accordo con le loro condizioni strutturali. In alcuni paesi questa classificazione è utilizzata a livello di rete; in altri paesi è usata anche per l’”overlay design”, ed alcune volte anche per l’accettazione di una nuova costruzione.

1.4.3 DETERMINAZIONE DEL MODULO DI RIGIDEZZA

Le deflessioni misurate ottenute dal FWD possono essere usate per determinare il modulo di rigidezza dei differenti strati della pavimentazione:

 sottofondo;

15  strati legati con bitume, fondazione e sottofondo;

 strato legato con cemento, fondazione e sottofondo.

La backcalculation usata per determinare i moduli di rigidezza viene portata a termine con un considerevole giudizio ingegneristico. Se gli strati sono troppo numerosi o troppo sottili, è difficile se non impossibile usare la backcalculation per trovare i moduli di rigidezza accuratamente. Lo stesso vale quando la pavimentazione è formata in parte da strati rigidi. I moduli di rigidezza ottenuti da backcalculation di misure FWD possono essere utilizzati:

 per verificare il relativo contributo degli strati legati e non legati alla resistenza della pavimentazione;

 per indicare ogni area debole che ha bisogno di una sostituzione o di speciali considerazioni;

 per identificare la qualità strutturale di uno strato critico (o interfaccia);

 per calcolare tensioni e deformazioni negli strati della pavimentazione dovuti al carico imposto;

 per calcolare la vita residua stimata utilizzando la vita totale della pavimentazione ed il traffico predetto nel prossimo futuro;

 per calcolare lo spessore dello strato di overlay se la vita residua della pavimentazione è minore di quella richiesta dalla vita di progetto della pavimentazione.

1.4.4 DEDURRE DIRETTAMENTE LE DEFORMAZIONI

Nonostante l’uso di un modello meccanico sia comune, le deformazioni nelle pavimentazioni flessibili possono essere anche calcolate senza prima determinare i moduli di rigidezza. Le deformazioni possono essere determinate usando degli algoritmi, provato che esista una relazione tra deformazioni e deflessioni; per esempio tra la differenza della deflessione centrale e la deflessione a 600mm dal centro e la deformazione orizzontale al di sotto degli strati legati.

1.4.5 VERIFICA STRUTTURALE DI MATERIALI LEGATI CON CEMENTO / CALCESTRUZZO DI CEMENTO

Nel caso di pavimentazioni legate con cemento, le misure FWD possono anche essere usate:  per verificare l’entità delle fessure in materiali legati a cemento (trasferimento di

carico);

 per esaminare l’efficienza del trasferimento di carico dei giunti nelle pavimentazioni rigide;

 per individuare vuoti al di sotto delle lastre;

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1.4.6 CAPACITÀ PORTANTE DEGLI STRATI GRANULARI

Negli strati granulari superiori, le misure FWD possono anche essere usate:  per determinare la capacità portante delle strade sterrate;

 per determinare la capacità portante delle basi granulari delle strade;  per determinare la capacità portante della fondazione.

Nel progetto di una pavimentazione, i valori di progetto dei moduli di rigidezza sono imposti per i diversi materiali, come per il sottofondo, la fondazione, la base e gli strati in conglomerato bituminoso. Durante la costruzione di una strada, il grado di compattazione è verificato e le (presunte) rigidezze dei differenti strati sono misurate solo in alcuni paesi. Finora la prova di capacità portante su piastra è stata quella più usata a tal proposito. Questo metodo di prova richiede molto tempo e quindi alcuni consulenti ed autorità stradali hanno iniziato ad utilizzare il FWD per misurare la rigidezza degli strati granulari. Ogni studio di consulenza / autorità stradale ha la sua procedura di misura e di conseguenza sono utilizzati vari diametri della piastra di carico. Per questo motivo nel COST 336 è stato sviluppato un “FWD Foundation Test” armonizzato.

1.5 DESCRIZIONE GENERALE DI UN FWD

A fianco di una buona procedura per l’interpretazione dei dati FWD è ovviamente di estrema importanza partire con dati buoni, non solo per le deflessioni ma anche per i livelli di carico, la temperatura della pavimentazione e la localizzazione delle misure.

Il FWD genera un’onda di carico facendo cadere una massa su un sistema di molle ammortizzanti montato su una piastra di carico come mostrato in forma schematica ed in fotografia in Fig. 1-3. La massa cadente, il sistema di molle (gli ammortizzatori in gomma) e l’altezza di caduta, possono essere tutti regolati per raggiungere il carico di impatto desiderato sulla pavimentazione. I picchi di deflessione verticale sono misurati al centro della piastra di carico e ad alcune posizioni radiali con una serie di sensori di deflessione. L’impulso di carico agisce sulla pavimentazione causando un “fronte d’onda” di deformazioni recuperabili, o deflessioni, che si genera dal centro della piastra di carico. Sia il picco di carico dell’impulso (forza) che la massima deflessione verticale del “fronte d’onda” sono misurate a diverse distanze radiali dal centro di carico. Queste deflessioni, considerate come funzione dell’impulso di carico applicato, danno un’indicazione della resistenza strutturale della pavimentazione. Correntemente è di normale pratica registrare solo i valori di picco di carico e le misure di deflessione durante le misurazioni FWD. La “Load Time History” può essere memorizzata opzionalmente con la “Deflection Time History”. Questi dati sono utili per scopi

17 di calibrazione del FWD per il calcolo di fattori correttivi quando necessari, come per l’analisi dinamica.

Fig. 1 – 3 Rappresentazioni schematica e fotografica di un FWD.

Nella presente tesi sarà utilizzato e studiato il nuovo modello Dynatest – Fast Falling Weight

Deflectometer FFWD, di cui se ne riporta di seguito alcune immagini (Figg. 1-4, 1-5).

Fig. 1 – 4

18 Nell’impiego come strumento di misura della portanza della pavimentazione, questa apparecchiatura consente di valutare le caratteristiche di deformabilità sotto carico dei materiali costituenti gli strati della pavimentazione, compreso il relativo sottofondo, in modo del tutto analogo ai tradizionali sistemi di tipo Falling Weight Deflectometer (FWD). Questa nuova generazione di strumenti presenta come unica e sostanziale modifica delle caratteristiche di funzionamento il tempo necessario all’esecuzione delle indagini. In particolare, grazie al miglioramento dei sistemi di salita e rilascio del complesso di masse battenti, il tempo necessario all’esecuzione di una ripetizione di carico viene ridotto ad 1/5, consentendo di raggiungere livelli di produttività decisamente superiori a quelli ottenibili con i sistemi tradizionali. A tal proposito si sottolinea che con livelli di carico caratteristici dei rilievi di portanza con FWD, ovvero variabili tra 100 kPa e 1700 kPa, si riescono ad applicare ad una stessa postazione di indagine circa 2400 ripetizioni di carico all’ora, potendo far lavorare la strumentazione senza soluzione di continuità.

Il carattere fortemente innovativo della presente strumentazione ne consente l’utilizzo per prove di tipo APT (Accelerated Pavement Testing), ovvero applicando alla pavimentazione in tempi ridotti un numero di ripetizioni di carico compatibile con quello della vita utile della pavimentazione.

Con l’apparecchiatura FFWD viene adottato un sistema di masse battenti con massa da 50 a 350 kg, in grado quindi di produrre picchi di carico compresi tra 7 e 120 KN, e pressioni trasmesse dalla piastra di carico circolare (di diametro 300 mm) sulla superficie della pavimentazione, comprese tra 100 e 1700 kPa. Di seguito si riportano i livelli di carico raggiungibili in relazione alla massa utilizzata per le prove:

I livelli del carico applicato vengono rilevati dall'apparecchiatura con una accuratezza superiore a 2% ± 0.3 KN; per questa grandezza la risoluzione è variabile da 0.03 a 0.2 KN in funzione dell'entità del carico applicato.

La piastra di carico di tipo convenzionale ha diametro pari a 300 mm ed è "segmentata", tale cioè da ben adattarsi alla superficie della pavimentazione caricata, così da garantire una uniforme distribuzione delle pressioni di prova sulla stessa.

Il rilievo delle deflessioni della superficie della pavimentazione, indotte dalla sollecitazione di prova, viene effettuato tramite 9 geofoni disposti radialmente rispetto al centro della piastra e tra loro distanziati secondo intervalli crescenti all'aumentare della distanza dal centro della

19 piastra stessa. Le deflessioni vengono rilevate dall'apparecchiatura con una accuratezza assoluta superiore al 2% ± 2 µm; la risoluzione dell'apparecchiatura è pari a 0.1 µm.

La posizione più comunemente adottata per ognuno dei suddetti 9 geofoni è quella indicata nella Tabella seguente:

Si fa infine notare che nel caso di impiego per prove APT la strumentazione può essere alimentata mediante generatore di potenza massima pari a 2 KVA, senza bisogno di essere collegato al veicolo di traino.

1.5.1 ONDA DI CARICO

Il design di un FWD può variare nei dettagli in dipendenza dal produttore. Spesso, questo implica che la forma dell’onda di carico può variare da un tipo di macchina all’altro. La rigidezza di uno strato in conglomerato bituminoso (ed a volte anche quella di altri strati) dipende dalla velocità di carico, e quindi la risposta di una pavimentazione dipende dalla forma dell’onda del carico applicato. Se l’onda di carico deve simulare il passaggio di un veicolo, allora dovrebbe avere un “rise time” che è approssimativamente uguale a quello della ruota carica in movimento. La maggior parte dei FWDs hanno un “rise time” del carico dall’inizio dell’onda al picco tra i 5 ms ed i 30 ms ed hanno una lunghezza d’onda in un intervallo da 20 ms a 60 ms.

1.5.2 DEFLESSIONI

Tutti i dati deflettometrici rilevati possono essere elaborati conducendo le analisi secondo diversi livelli successivi:

 l'analisi delle deflessioni rilevate dai geofoni del sistema;

 l'analisi dei moduli superficiali o moduli del semispazio equivalente, che consente di ottenere indicazioni per la valutazione della resistenza strutturale del complesso pavimentazione-sottofondo offerta dalle diverse postazioni di indagine, sia di ricavare informazioni utili per approfondire l'interpretazione dei risultati delle successive elaborazioni;

 l'analisi dei moduli elastici equivalenti risultanti dalle elaborazioni effettuate mediante procedura di backanalysis, per la determinazione dei quali gioca un ruolo determinante la conoscenza della composizione e della geometria della pavimentazione; l'analisi della resistenza strutturale residua della pavimentazione, ottenuta combinando i valori dei moduli elastici con i dati di traffico atteso attribuendo a ciascuno strato opportune leggi di degrado (leggi di fatica).

20 Le deflessioni misurate in seguito all’applicazione di un carico sulla pavimentazione sono chiaramente dipendenti da molti fattori, tra i quali i più importanti risultano essere lo strumento di prova, la rigidezza della sovrastruttura e le condizioni climatiche. Per tale motivo, al fine di procedere ad una corretta interpretazione dei dati misurati e successivamente dei risultati ottenuti dalle elaborazioni, occorre che le eventuali influenze sulle misure di deflessione siano state opportunamente considerate.

La deflessione di una pavimentazione a seguito dell'applicazione di un carico rappresenta la risposta dell'intero sistema strutturale costituito appunto dagli strati che compongono la pavimentazione (fondazione, base, strati superficiali) e dal sottofondo. Al profilo deformato della superficie della sovrastruttura sottoposta ad una determinata sollecitazione viene dato il nome di bacino di deflessione la cui forma, data appunto dall’insieme di tutte le deflessioni misurate (dalla deflessione sotto la piastra di carico a quella in corrispondenza del geofono più lontano), rappresenta un parametro importante per lo studio dell’intero sistema strutturale in esame. Il bacino di deflessione varia in base alla sovrastruttura indagata, ma soprattutto è funzione del modulo di elasticità di ogni singolo strato costituente la pavimentazione stessa, come evidenziato dall'esempio riportato nella figura seguente:

Una pavimentazione molto rigida infatti è caratterizzata da un bacino di deflessione molto più uniforme, tale che le deflessioni misurate a diverse distanze dal punto di applicazione del carico non siano molto diverse tra loro. Una pavimentazione poco rigida invece è

21 contraddistinta da un bacino di deflessione definito da elevati abbassamenti al di sotto della piastra di carico e da ridotte deflessioni a distanze maggiori. A tale proposito è opportuno ricordare che la disposizione radiale dei geofoni risulta essere estremamente importante al fine di ottenere una adeguata accuratezza nell’interpretazione del comportamento meccanico dell’intero ammasso testato.

La vita utile strutturale di una pavimentazione, con riferimento al fenomeno della fatica, è funzione dei valori di deformazione calcolati nei vari strati: maggiori sono tali valori, minore sarà la vita utile della sovrastruttura. Per tale motivo le deformazioni associate ad una pavimentazione più rigida saranno ridotte rispetto a quelle relative ad una sovrastruttura meno rigida, comportando così una maggiore vita utile per la prima ed un ammaloramento più veloce della seconda. Infine è importante notare come la deflessione massima misurata sotto il centro-piastra descriva unicamente il comportamento dell’intero sistema strutturale senza fornire alcuna informazione riguardo alle caratteristiche di portanza di ciascun strato; al contrario, l'analisi del complesso di tutte le deformazioni acquisite dal sistema, che formano il bacino di deflessione, consente di ricavare delle indicazioni preliminari sia relativamente alla rigidezza dell’intero sistema-pavimentazione, sia a quella dei vari strati che lo compongono.

I dispositivi FWD dovrebbero avere un sufficiente numero di sensori di deflessione per descrivere la forma del bacino di deflessione. Ci sono due tipi di sensori di deflessione che vengono usati nei FWD, geofoni (Fig. 1-6) e sismometri (Fig. 1-7). Il tipo di sensori usati dipende dalla fattura del FWD. Per pavimentazioni con strati legati a bitume sottili i sensori di deflessione devono essere posti più vicini al centro di carico che nel caso di pavimentazioni con strati legati a bitume più spessi.

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Fig. 1 – 7 Sismometro.

Le deflessioni misurate risultano essere estremamente influenzate dalle condizioni in cui si trova la pavimentazione in esame.

Per pavimentazioni flessibili infatti è generalmente plausibile aspettarsi maggiori deflessioni relativamente a prove deflettometriche effettuate sopra ad uno strato in conglomerato bituminoso il quale presenti evidenti fessurazioni o ammaloramenti superficiali. Nel caso invece di pavimentazioni in calcestruzzo è possibile riscontrare un aumento di deflessioni nell’eventualità che vi sia la presenza di vuoti al di sotto della lastra, oppure nel caso di mancanza o deterioramento dei giunti, dispositivi responsabili del trasferimento dei carichi da una lastra all’altra.

In generale, a seguito dell'applicazione di un medesimo carico, un sistema strutturale debole avrà una deflessione maggiore rispetto ad uno più resistente; comunque la forma specifica che assume il bacino di deflessione è da mettere in relazione alla resistenza di ogni singolo strato che compone la pavimentazione. Due diversi bacini di deflessione caratterizzati dallo stesso valore massimo della deflessione al centro della piastra di carico ma da forme dei bacini differenti indicano una stessa resistenza complessiva ma una diversa distribuzione di rigidezza tra gli strati che compongono la struttura.

La vita utile di una pavimentazione è direttamente proporzionale al valore del carico che induce tensioni e deformazioni negli strati che la compongono e nel sottofondo; a più elevati valori di deformazioni si associano vite utili più brevi: due pavimentazioni, pur caratterizzate da uno stesso valore massimo di deflessione, possono presentare stati tenso-deformativi decisamente diversi e, pertanto, anche vite utili molto diverse.

Per queste considerazioni, le procedure di valutazione delle condizioni di una pavimentazione ed i metodi di progetto che si basano unicamente sui valori massimi di deflessione senza prendere in esame la composizione della struttura della pavimentazione stessa, sono da considerare strumenti di fondamentale importanza ma non privi di limiti applicativi. I soli

23 valori massimi delle deflessioni consentono di descrivere come si comporta sotto l'azione di un carico l'intero sistema strutturale costituito da pavimentazione più sottofondo, ma non sono in grado di fornire informazioni quantitative su come i singoli strati che lo compongono siano in grado di resistere ai fenomeni di fatica o di accumulo di deformazioni permanenti.

I valori delle deflessioni misurate nelle vicinanze o in corrispondenza di sottoservizi possono risultare significativamente elevati nel caso ad esempio in cui il ricoprimento di uno scavo non sia stato eseguito con le dovute cure, non provvedendo ad esempio all’eventuale addensamento del materiale in opera. Al contrario possono risultare molto ridotte quando vi sia ad esempio la presenza di un corpo rigido (tubazione) posto a poca profondità dal piano viabile.

1.6 REQUISITI DI UN FWD

Sono date delle specifiche per l’onda di carico, la piastra di carico, i sensori di deflessione e la cella di carico. Questi requisiti / specifiche assicurano la qualità delle deflessioni misurate. In più, sono date delle specifiche per le distanze raccomandate dei sensori di deflessione dal centro di carico. Uno standard delle distanze dei sensori e della forma dell’onda di carico migliora l’intercambiabilità dei dati FWD.

1.6.1 SPECIFICHE DELL’ONDA DI CARICO

 Il picco di carico obiettivo dovrebbe essere 50 kN ± 5 kN (per una strada in conglomerato bituminoso completata). Un carico obiettivo, diverso da 50 kN, potrebbe essere scelto per adattare il carico della ruota standard usato nel metodo di progettazione della pavimentazione o per altri motivi;

 il “rise time” dell’onda di carico dall’inizio al picco dovrebbe stare tra 5 e 30 millisecondi;

 la lunghezza dell’onda di carico dovrebbe essere tra 20 ms ÷ 60 ms;

 quando sono usati dei sensori di deflessione con una portata massima di 2000 µm, le deflessioni maggiori di questo valore non potranno essere normalmente misurate accuratamente. In questo caso l’intensità si carico dovrebbe essere diminuita con scalini di 10 kN per produrre una deflessione massima misurata minore di 2000 µm. il carico applicato dovrebbe, comunque, rimanere il più vicino possibile a 50 kN e dovrebbe rimanere costante il più possibile durante la prova;

 per ogni progetto (sezione di strada) dovrebbe essere usato un carico obiettivo;  in casi particolari, ad esempio uno studio della non linearità degli strati granulari non

legati, può essere usato più di un livello di carico su ogni punto di prova. Uno di questi livelli dovrebbe essere 50 kN. In questi casi è anche raccomandato di usare gli stessi livelli di carico in ogni punto (all’interno della sezione).

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1.6.2 SPECIFICHE DELLA PIASTRA DI CARICO

 L’onda di carico su una pavimentazione in conglomerato bituminoso dovrebbe essere applicata con piastra di carico circolare con un diametro di 300 mm;

 Un cuscinetto di gomma spesso almeno 5 mm dovrebbe essere incollato al di sotto della piastra di carico. Il cuscinetto dovrebbe essere scanalato in modo che possa essere rimodellato. Può essere fatto il seguente commento sull’importanza del contatto tra piastra di carico e pavimentazione: un contatto uniforme tra piastra di carico e pavimentazione è necessario per assicurare una pressione di contatto ragionevolmente uniforme. Questo è uno dei motivi per cui deve essere usato il cuscinetto di gomma. Alcuni FWDs hanno una piastra in PVC spessa 20 mm tra la piastra di carico in acciaio ed il cuscinetto in gomma per migliorare la distribuzione del carico. Alcuni FWDs hanno una piastra di carico segmentata (2 o 4 segmenti) con un cuscinetto spesso fino a 20 mm per tentare di raggiungere un contatto uniforme con la superficie stradale in presenza di ormaiamento.

1.6.3 SPECIFICHE DEI SENSORI DI DEFLESSIONE

 I dispositivi FWD dovrebbero avere almeno sei sensori di deflessione, che dovrebbero poter essere posizionati a distanze radiali da 0 mm a 2500 mm;

 la posizione dei sensori di deflessione dovrebbe essere scelta tra le distanze seguenti: 0 – 200 – 300 – 450 – 600 – 900 – 1200 – 1500 – 1800 – 2100 – 2400 mm. I sensori di deflessioni dovrebbero essere montati almeno alle seguenti distanze: 0 – 300 – 600 e 900 mm. La posizione degli altri sensori di deflessione dipende dalla rigidezza d’insieme della struttura della pavimentazione. La rigidezza del sottofondo ha una grande influenza sulla forma del bacino di deformazione, e quindi ci dovrebbero essere almeno due sensori di deflessione ad una distanza dal centro di carico pari o maggiore alla profondità del sottofondo in modo da verificare la rigidezza dello stesso. La posizione ideale dei sensori di deflessione dovrebbe essere tale che ci siano due sensori in ogni “strato equivalente”. Le pavimentazioni sono divise in tre categorie in modo da decidere le migliori posizioni dei sensori di deflessione, in funzione della lettura di deflessione al centro della piastra (d0). Nei casi in cui sono

disponibili solo sei sensori le posizioni raccomandate sono le seguenti:

Va notato che è raccomandato l’uso di più di sei sensori di deflessione poiché c’è una minore necessità di cambiare le posizioni dei sensori durante le misure. Questo

25 permette di avere meno errori perché ogni sensore manterrà fissa la sua posizione. Se sono disponibili solo sei sensori e saranno fatte misure nello stesso giorno su differenti pavimentazioni con una grande varietà di spessori, potrebbe essere necessario cambiare le posizioni dei sensori durante il giorno per misurare le parti più rilevanti dei bacini di deflessioni;

 la risoluzione di lettura deve essere di almeno 1 µm;

 accuratezza: l’errore sistematico deve essere 2% ± 2 µm o meno. L’errore sistematico è la differenza tra il valore medio misurato di una deflessione e il valore corretto assoluto di deflessione. L’errore accidentale è la dispersione attorno al valore medio.  ripetibilità: errore accidentale entro i 2 µm + 1 % della lettura o meno.

1.6.4 SPECIFICHE DELLA CELLA DI CARICO

 Risoluzione di lettura: 0,1 kN o migliore;

 accuratezza: errore sistematico uguale o minore dello 0,5% dell’intervallo completo di misura oppure del 2% della lettura (qualunque sia il più grande);

 ripetibilità: errore accidentale uguale a ± 0,1% dell’intervallo completo di misura o migliore.

Alcuni FWD non sono in grado di mantenere la corretta altezza di caduta. Questo significa che i picchi di carico successivi potrebbero variare a causa delle variazioni nell’altezza di caduta. La normalizzazione delle deflessioni rispetto ai carichi risolve questo effetto.

1.6.5 REQUISITI DEGLI EQUIPAGGIAMENTI ADDIZIONALI

Oltre ad una buona accuratezza delle deflessioni misurate è molto importante misurare accuratamente anche la temperatura delle pavimentazioni bituminose. Questa temperatura sarà usata per normalizzare le rigidezze degli strati delle pavimentazioni bituminose ad una temperatura di riferimento.

La posizione dei punti di prova del FWD deve essere misurata accuratamente per poi poter tornare nella stessa posizione in una seconda fase, ad esempio per eseguire un carotaggio o per condurre un’indagine visiva nel caso si riscontrino delle deflessioni anomale in una specifica posizione. Questo impone dei requisiti per l’odometro.

La temperatura degli strati bituminosi dovrebbe essere misurata usando un termometro od una sonda termometrica con:

 risoluzione di lettura: 0,5°C o migliore;

 accuratezza: ± 1°C in un intervallo da -10°C a +50°C.

Al fine di localizzare la posizione dei punti di prova del FWD, dovrà essere misurata la loro distanza dall’inizio della sezione stradale. I requisiti per la misura delle distanze o odometro sono:

26  risoluzione di lettura: 1 m o minore;

 accuratezza: ± 0,5% della distanza misurata.

La calibrazione è eseguita con un nastro di riferimento con una accuratezza dello 0,1%. Il confronto procura un fattore di correzione, così che l’effettiva accuratezza sarà migliore dello 0,5%.

Per assicurare che le posizioni delle prove siano trovate dopo un certo periodo di tempo è raccomandato che le distanze siano misurate dall’inizio della sezione di prova fino ad oggetti fissi, ad esempio il centro di un incrocio stradale, un viadotto o un ponte.

1.7 PROCEDURE DI MISURA

Prima che la prova FWD sia effettuata in sito, devono essere raccolti alcuni dati e fatte alcune scelte operazionali. Prima di tutto è importante determinare l’obiettivo della prova FWD e per cosa saranno utilizzati i dati raccolti. Nel seguito è fornita una lista di istruzioni e una descrizione di come le misure di temperatura dovrebbero essere portate a termine. Inoltre è mostrato un criterio per la scelta della corsia per le misure di deflessione ed una procedura per valutare il minimo numero di punti di prova in una sezione stradale.

1.7.1 DATI NECESSARI PER LA PREPARAZIONE DELLA PROVA FWD

 Ubicazione e lunghezza della sezione stradale;

 limitazione per quanto riguarda pendenza longitudinale e trasversale. Per un’accurata prova di deflessione entrambe dovrebbero essere minori del 10%;

 funzione o classificazione della strada;  larghezza e numero di corsie per direzione;

 tipo e spessori degli strati della pavimentazione per stimare la rigidezza della pavimentazione per determinare la posizione dei sensori di deflessione e per le misure di temperatura;

 presenza di marciapiedi o spallette rigide;  talvolta possono essere necessarie misure su:

o estensione della fessurazione;

o lo sviluppo della crescita delle fessure mediante l’ispezione di carotaggi; o la variazione del livello della falda idrica (periodo secco o umido durante

l’anno);

o la temperatura dell’aria e della pavimentazione durante i periodi di possibile gelo.

A pagina seguente è riportato uno schema semplificato per le misure FWD, l’analisi e l’interpretazione (Fig. 1-6).

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Fig. 1 – 6 Schema semplificato per le misure FWD, l’analisi e l’interpretazione.

1.7.2 LISTA DI ISTRUZIONI

La seguente lista di istruzioni dovrebbe essere preparata per l’operatore del FWD:  temperature limite per le prove FWD;

 scelta della corsia;

 scelta dell’allineamento di rilievo:

o sul percorso della ruota lato marciapiede; o tra i due percorsi delle ruote;

28 o sul percorso della ruota lato marciapiede e tra i due percorsi delle ruote; o speciale;

 distanza tra i punti di prova;

 livello di carico (default: 50 kN) con raccomandazioni su come agire quando il carico obiettivo genera delle deflessioni oltre la capacità di registrazione dei sensori di deflessione;

 distanza tra i sensori di deflessione;  numero di cadute per ogni punto di prova;  requisiti speciali (opzionale).

Se i risultati della prova FWD saranno utilizzati per la stima della vita residua della pavimentazione, saranno necessarie informazioni addizionali.

1.7.3 VALUTAZIONE DEGLI SPESSORI DEGLI STRATI DELLA

PAVIMENTAZIONE

Le informazioni riguardo la pavimentazione esistente sono importanti, non solo nel processo di backcalculation (in quanto è richiesto un modello che si avvicini il più possibile alla realtà), ma anche per la preparazione della prova FWD. La sezione di pavimentazione in esame può comprendere diverse strutture in direzione longitudinale e potrebbero essere state allargate nel passato. Nel caso di vecchie strade i dettagli della struttura della pavimentazione potrebbero essere sconosciuti o potrebbero essere non ben definiti. I dettagli strutturali o costruttivi delle pavimentazioni più nuove potrebbero essere facilmente reperibili presso le autorità locali. In generale, le informazioni sulla struttura della pavimentazione e sugli spessori possono essere ottenuti da dati storici, da carotaggi, da tagli della pavimentazione o da rilievi Ground

Penetrating Radar (GPR). Dei rilievi GPR possono essere eseguiti, in preparazione della

prova FWD, per avere una buona idea degli spessori degli strati della struttura della pavimentazione in direzione longitudinale ed in direzione trasversale se i rilievi GPR sono stati fatti su più corsie. Il GPR ha il vantaggio, rispetto al carotaggio, che può essere eseguito a grande velocità e gli spessori degli strati possono essere stimati su brevi intervalli, ad esempio di 1 m. Si raccomanda di estrarre alcune carote dopo un rilievo GPR. Queste carote saranno usate per la calibrazione dei risultati GPR e per l’identificazione dei diversi strati bituminosi. Dopo l’analisi dei rilievi GPR è più facile individuare dove dovranno essere fatte le prove FWD. Dopo la prova FWD le posizioni per i carotaggi possono essere determinate sulla base dei dati FWD o in combinazione con i dati GPR se sono disponibili. Una accurata misura degli spessori è essenziale per l’analisi delle prove FWD, in particolare se devono essere calcolati i moduli di rigidezza. Deve essere preso un numero sufficiente di carotaggi in modo da avere una misura affidabile sui dati di spessore. Insieme allo spessore totale degli strati bituminosi, è anche importante raccogliere dati sul tipo e spessori dei singoli strati bituminosi, in questo modo possono essere individuati i differenti stadi di costruzione della

29 strada nel passato. Queste ultime informazioni possono essere fornite solo da carotaggi o dati storici, anche perché normalmente i dati GPR sono necessari per fornire indicazioni sulla variazione di spessore in senso longitudinale.

Riassumendo sono disponibili tre opzioni:

 per le nuove strade possono essere utilizzati dati storici (se sono corretti);  possono essere condotti dei rilievi GPR (e carotaggi) prima della prova FWD;

 il carotaggio può essere eseguito dopo la prova FWD e/o il rilievo GPR per determinare:

o lo spessore degli strati costituenti; o la propagazione delle fessure;

o tipo, spessore e qualità dei singoli strati bituminosi.

La determinazione della posizione per il carotaggio, taglio della pavimentazione ecc dipende dal modo in cui è trattata una sezione stradale nel processo di backanalysis, ma i seguenti principi dovrebbero essere seguiti:

 la posizione delle carote dovrebbe essere fatta sul punto in cui il bacino di deflessione si avvicina maggiormente al valore medio, oppure in un punto rappresentativo del livello di capacità portante della sezione;

 se la prova FWD è stata eseguita nel percorso delle ruote lato marciapiede allora dovrebbe essere presa almeno una carota su questo percorso. Se la prova FWD è stata fatta tra i due percorsi delle ruote, allora devono essere prese almeno due carote, una tra i due percorsi ed una sul percorso lato marciapiede;

 le misure dello spessore degli strati bituminosi e dello strato di base legato con cemento dovrebbero essere stabiliti con carotaggi e/o GPR;

 in alcuni casi potrebbero essere utili dei tagli della pavimentazione su tutta la strada. Per quanto riguarda la precisione delle misure di spessore, necessaria per l’interpretazione dei dati FWD, questa deve essere entro il 5% dello spessore per gli strati bituminosi ed entro il 10% dello spessore per gli strati non legati di base ed inferiori.

1.7.4 MISURA DELLA TEMPERATURA

Visto che il modulo di rigidezza degli strati bituminosi è significativamente sensibile alla temperatura, anche le deflessioni misurate lo saranno. Questo implica che è richiesta la normalizzazione delle temperature alla condizione di riferimento per poter comparare le deflessioni tra loro. Idealmente sarebbe necessario tutto il gradiente di temperatura dello strato bituminoso, ma in pratica è stato trovato adeguato anche un più ristretto intervallo di misure.

30 Le misure di temperatura sono necessarie non solo per la normalizzazione dopo che sono state prese le misure di deflessione, ma anche per assicurare che le condizioni siano idonee prima che il rilievo inizi.

 se la temperatura degli strati bituminosi sono troppo alte, lo strato potrebbe reagire meno elasticamente e comportarsi come un materiale visco-elastico rendendo quindi la correzione alla temperatura di riferimento più difficoltosa;

 se le temperature sono estreme, quindi troppo basse o troppo alte, la normalizzazione delle rigidezze degli strati potrebbe sostanzialmente condurre a potenziali imprecisioni;

 se la temperatura dello strato bituminoso è troppo bassa, strati bituminosi con una distinta differenza di moduli di rigidezza alla temperatura di riferimento potrebbero mostrare invece una differenza non marcata. I grani di ghiaccio negli strati granulari potrebbero fornire delle condizioni non rappresentative.

L’intervallo di temperatura da preferire per la prova FWD è tra 0 °C (congelamento) e 30 °C (o un’alternativa adatta), dove la temperatura dello strato bituminoso è misurata ad una profondità di 40 mm o superiore. Nei paesi con clima temperato è maggiormente utilizzato il limite di 30 °C. Paesi in altre zone climatiche possono seguire questa linea guida per la temperatura massima: “2/3 della temperatura di rammollimento attesa (temperatura della prova “Palla – Anello”) per lo strato bituminoso superficiale espressa in °C”.

Altri possibili intervalli di temperatura sono:

 senza congelamento: temperatura dell’aria e della pavimentazione maggiore di 0 °C;  la temperatura del conglomerato bituminoso da testare non deve essere superiore di

più di 10 °C alla temperatura media pesata annua del conglomerato stesso (=temperatura di riferimento);

Lo strato di base, la fondazione ed il sottofondo non devono essere gelati, eccetto quando sono richieste speciali misurazioni di capacità portante durante le gelate ed i periodi di disgelo. Uno dei metodi più semplici per misurare la temperatura dello strato bituminoso è quello di registrare la temperatura della superficie della pavimentazione. Comunque, deve essere notato che solo questa misura non porta con una semplice relazione alla temperatura degli strati più profondi, particolarmente dove ci sono significativi gradienti di temperatura negli strati. Quindi queste misure devono essere usate solo insieme ad altre informazioni come una registrazione storica della temperatura dell’aria nei giorni precedenti in modo da stimare la temperatura degli strati profondi.

La temperatura superficiale può essere ottenuta sia usando un convenzionale termometro a contatto, in questo caso le misure vanno preso allo stesso intervallo di tempo delle temperature degli strati profondi, sia usando un sensore ad infrarossi (che non richiede contatto) montato

31 sul carrello del FWD. Nell’ultimo caso, l’area di prova della temperatura deve preferibilmente trovarsi nell’ombra del FWD per la durata della prova di temperatura e FWD.

Una stima più precisa della temperatura degli strati bituminosi può essere ottenuta misurando ad una o più profondità nello strato stesso.

 I fori per la registrazione della temperatura devono essere scelti ad almeno 0,3 m dal bordo della pavimentazione e trapanati un po’ di tempo prima della prova FWD, così che il calore creato durante la perforazione abbia il tempo di dissiparsi;

 i fori devono essere posizionati nella stessa struttura della pavimentazione con la stessa superficie della corsia di prova. Se non è possibile allora i fori vanno trapanati nella corsia di prova;

 una singola goccia di glicerolo, od un altro fluido adatto alternativo, in fondo al foro assicurerà un buon contatto termico tra termometro e materiale legato.

È importante che ai vari fori siano misurate e registrate, insieme alle temperature, gli orari della misurazione e la posizione. Può essere utile immagazzinare informazioni riguardo alle condizioni meteo come: soleggiato, nuvoloso, pioggia. Di solito una singola misura in profondità è considerata adeguata, quando è condotta ad una profondità tra un terzo e la metà della profondità totale degli strati legati, con il limite massimo di 120 mm. Se lo spessore degli strati non è noto, allora può essere scelta una profondità compresa tra 40 e 100 mm basandosi sullo spessore atteso per il tipo di strada in prova. Nel caso di spessore minore di 50 mm è sufficiente una misura a metà dello spessore. Dove lo spessore dello strato bituminoso è troppo fine per essere perforato, allora può essere adeguata la sola temperatura superficiale. Delle misure di temperatura multiple a più profondità forniscono informazioni più affidabili. Ad esempio: dove lo spessore dello strato bituminoso va da 50 a 100 mm, possono essere usati due fori:

 il primo foro ad una profondità di 25 mm sotto la superficie;

 il secondo foro a 25 mm al di sopra del fondo degli strati bituminosi.

Dove lo spessore è maggiore di 100 mm, le temperature possono essere registrate a tre livelli nello strato bituminoso (similmente al metodo SHRP):

 il primo foro ad una profondità di 25 mm sotto la superficie;  il secondo foro a metà dello spessore totale degli strati bituminosi;  il terzo foro a 25 mm al di sopra del fondo degli strati bituminosi. Le misure devono essere condotte:

 all’inizio di una prova FWD su una sezione di pavimentazione;  all’ultimo punto di prova su una sezione di prova;

32  quando le condizioni in sito cambiano. Ad esempio, cambio di condizioni meteo,

alternanza di soleggiamento e nuvolosità ecc.

La temperatura della pavimentazione stimata per ogni punto di prova FWD può essere interpolata dai dati delle prove disponibili.

1.7.5 LIVELLI DI CARICO

L’entità della sollecitazione con cui una pavimentazione viene esaminata risulta essere un fattore molto importante al fine di valutare correttamente le deflessioni registrate. Se il comportamento dei materiali da costruzione fosse perfettamente elastico lineare l’entità del carico applicato sarebbe un parametro irrilevante al fine di determinare gli abbassamenti della sovrastruttura e successivamente i moduli elastici degli strati costituenti. In realtà si è riscontrato che alcuni materiali presentano una relazione di tipo non lineare tra lo stato tensionale a cui sono soggetti e deformazioni misurate: ciò significa che la risposta meccanica risulta essere dipendente dal livello di carico a cui sono sottoposti.

Al fine di rilevare eventuali non-linearità dei materiali costituenti la sovrastruttura risulta opportuno effettuare i rilievi applicando diverse pressioni di contatto, in modo quindi da variare lo stato tensionale a cui tali materiali sono sottoposti. Nel caso infatti di un comportamento non lineare il modulo di elasticità non risulta essere costante e anche il bacino di deflessione assume una forma leggermente diversa. Indagini effettuate con livelli di carico molto bassi possono fornire deflessioni misurate a distanze elevate dal punto di applicazione del carico molto piccole e pertanto poco significative in quanto affette maggiormente anche da errori di misura.

1.7.6 CONDIZIONI CLIMATICHE

Temperatura ed umidità sono sicuramente i due fattori climatici che maggiormente influenzano le deflessioni di una pavimentazione.

Relativamente alle pavimentazioni flessibili le deflessioni variano a seconda della temperatura della pavimentazione in quanto la rigidezza degli strati in conglomerato bituminoso è funzione della temperatura stessa. L’aumentare della temperatura infatti provoca il progressivo rammollimento del legante bituminoso e pertanto la diminuzione del modulo elastico dello strato, con il conseguente aumento delle deformazioni. Tale fenomeno quindi influenzerà i sensori posizionati nelle vicinanze della piastra di carico, mentre le deflessioni misurate dai geofoni posizionati a distanze radiali maggiori possono essere generalmente considerate non affette dalla variazione di rigidezza dello strato in conglomerato bituminoso. In realtà tali deflessioni potrebbero essere influenzate nel caso in cui ad esempio il materiale costituente lo strato di fondazione o il sottofondo avesse un comportamento di tipo non lineare. La variazione del modulo di elasticità dello strato in conglomerato infatti porterebbe ad una

33 diversa diffusione del carico negli strati costituenti la pavimentazione sottostante, comportando così una variazione dello stato tensionale indotto. Essendo il materiale non lineare a tale variazione di sollecitazione corrisponderà anche un diverso comportamento meccanico del materiale, il quale sarà responsabile delle variazioni di deflessione misurate ad elevata distanza dalla piastra di carico.

In generale si può affermare che le deflessioni misurate siano influenzate anche dalla stagione dell’anno in cui viene eseguita la prova.

Per le pavimentazioni situate in aree caratterizzate dalla pressoché assenza di cicli di gelo-disgelo, le deflessioni misurate seguono generalmente una curva sinusoidale, con picchi di deflessione ottenuti o in corrispondenza delle stagioni umide, caratterizzate da elevati valori di acqua presente nei sottofondi e nelle fondazioni, oppure in periodi dell’anno estremamente caldi (generalmente estate) in corrispondenza dei quali gli strati superficiali in conglomerato bituminoso riducono la propria rigidezza a causa delle temperature molto elevate a cui sono sottoposti.

Per tali motivi, al fine di confrontare correttamente misure di deflessione effettuate su una stessa pavimentazione, risulta di fondamentale importanza considerare anche la temperatura ed il periodo dell’anno in cui tali misure sono state effettuate. Ad esempio il modulo elastico del conglomerato bituminoso, ottenuto tramite procedure di backcalculation, è dipendente dalla temperatura di tale strato nel momento in cui viene eseguita l’indagine deflettometrica. Pertanto al fine di poter confrontare i moduli elastici di strati in conglomerato bituminoso, stimati attraverso dati di deflessione ottenuti a temperature diverse, occorre riportare tale valore di rigidezza ad un'unica temperatura di riferimento, variabile tra i 15 e i 25 °C e generalmente fissata pari a 20 °C (68°F).

34

1.7.7 NORMALIZZAZIONE DEI DATI

Normalizzazione delle deflessioni al livello di carico di riferimento

La normalizzazione delle deflessioni alle condizioni di riferimento rende il confronto delle deflessioni più diretto. Le deflessioni normalizzate possono essere anche utilizzate per calcolare il valore medio e la deviazione standard di deflessione di una sotto-sezione. Di solito non è necessario utilizzare le deflessioni normalizzate per la backanalysis dei moduli di rigidezza. Nel caso di un programma per computer che usa la teoria elastica lineare, i moduli di rigidezza trovati con backanalysis sono indipendenti rispetto alla normalizzazione lineare. Nel caso di backanalysis non lineare, la normalizzazione delle deflessioni può causare risultati errati e non dovrebbe essere effettuata.

Le deflessioni sono normalizzate al carico obiettivo tramite una estrapolazione o interpolazione lineare. Questo significa che le deflessioni misurate sono moltiplicate per il rapporto tra carico obiettivo e carico misurato. In generale il carico obiettivo è 50 kN. La pressione di contatto equivalente per un carico obiettivo di 50 kN su una piastra avente diametro di 300 mm è 707 kPa. Ad esempio, se le deflessioni di una specifica caduta sono dovute ad una pressione di contatto di 730 kPa, allora le deflessioni misurate sono moltiplicate per 707/730 = 0,97 per ottenere le deflessioni normalizzate.

Normalizzazione delle deflessioni alla pulsazione dell’onda di carico di riferimento

I differenti tipi di FWD possono produrre pulsazioni di carico di durata significativamente diversa. Come i materiali legati con bitume, anche diversi sottofondi mostrano un comportamento sforzo – deformazione dipendente dal tempo, il cambio di durata della pulsazione porta a deflessioni differenti. Specialmente nel caso di un sottofondo morbido e saturo di acqua, queste differenze possono essere grandi. Visto che i metodi di analisi delle pavimentazioni attuali non possono tenere conto di questo fenomeno, la normalizzazione ad una durata della pulsazione di riferimento potrà al massimo essere empiricamente basata. Il consorzio SpecifiQ ha sviluppato vari approcci che tengono conto della forma dell’onda di carico. Una semplice formula di conversione è stata sviluppata sulla base di un’analisi regressiva per convertire le deflessioni misurate con un dispositivo KUAB, con una durata di pulsazione di 60 ms, in deflessioni con una durata di pulsazione di 25 ms. Visto che i sensori di deflessione del dispositivo KUAB sono solitamente impostati ad una distanza dal centro di carico di 0, 200, 300, 450, 600, 900, e 1200 mm, allora sono stati utilizzati solo quelli ad una distanza di 0, 300, 600, 900, e 1200 mm. La struttura di base dell’equazione di conversione è: d25,i = ai + bi · d60,0 + ci · d60,300 + di · d60,600 + ei · d60,900 + fi · d60,1200

35 Dove:

d25,i = deflessioni misurata alla distanza i mm da un FWD con una pulsazione di carico di

25 ms (µm);

d60,i = deflessioni misurata alla distanza i mm da un FWD con una pulsazione di carico di

60 ms (µm);

ai, … , fi = coefficienti di regressione, vedi tabella sottostante.

Normalizzazione delle deflessioni alla temperatura di progetto

Se viene utilizzata la procedura per calcolare direttamente le deformazioni dal bacino di deflessione misurato, allora il bacino di deflessione deve essere prima normalizzato per via dell’effetto della temperatura del conglomerato bituminoso. La necessità di questa normalizzazione è specifica per i parametri del bacino di deflessione (SCI, BDI, BCI, CBF, DF).

La seguente equazione è mostrata come esempio. È basata su dati simulati delle caratteristiche delle miscele bituminose olandesi. L’intensità della normalizzazione rispetto alla temperatura dipende principalmente dallo spessore dello strato bituminoso, dalla temperatura e dalla distanza dal centro di carico del FWD.

Le deflessioni di prova sono divise per il “temperature normalisation factor” (TNF) per prevedere le deflessioni e le differenze di deflessione alla temperatura di riferimento.

TNF = 1 + (a1 + a₂ h1) ∙ (TA− 20) + (a3 + a₄ h1) ∙ (TA− 20) 2 Dove:

TNF = temperature normalisation factor;

TA = temperatura del conglomerato bituminoso (°C);

h1 = spessore degli strati legati con bitume (mm);

36 I coefficienti da a1 ad a4 sono tabellati per il centro di deflessione e per alcuni indici di

differenza di deflessione. La temperatura di riferimento è +20 °C.

Va sottolineato che le caratteristiche dei materiali usati per sviluppare questa equazione sono tipiche di quelli usati in Olanda. Esistono varie altre formule di normalizzazione, provate e motivate che devono essere usate per le diverse condizioni locali (strutture, materiali, equipaggiamento FWD).

Normalizzazione della rigidezza degli strati per la temperatura della pavimentazione

La rigidezza degli strati legati con bitume dipende sia dalla temperatura del materiale bituminoso al momento della prova, sia dal tempo di carico. Il tempo di carico sarà all’incirca costante per un dato dispositivo FWD. Comunque, al fine di confrontare le deflessioni / i moduli di rigidezza, questi dovranno essere normalizzati ad una temperatura di riferimento. Questa sarà di solito la temperatura di progetto per la località in oggetto. Un rilievo delle temperature di riferimento è stato portato a termine come parte del “COST Action 333”. I valori della temperatura di riferimento variano da 15°C a 25°C con la temperatura più comune di 20°C.

La procedura di normalizzazione deve essere portata a termine sulle misure di deflessione quando devono essere usate per ricavare direttamente le deformazioni. Comunque se i moduli di rigidezza dei vari strati sono derivati da misure di deflessione allora essi possono essere normalizzati alle condizioni standard. Ci sono vari metodi di normalizzazione disponibili. La Fig. 1-8 mostra alcune delle relazioni temperatura – rigidezza correntemente utilizzate in Europa. L’asse orizzontale rappresenta la temperatura della pavimentazione, mentre l’asse verticale fornisce il fattore correttivo per il quale deve essere divisa la rigidezza stimata ad una data temperatura per ottenere la rigidezza stimata alla temperatura di riferimento di 20°C. Differenti relazioni vengono applicate a differenti materiali e spesso variano con l’età del materiale. Chiaramente più la temperatura di prova si allontana dalla temperatura standard più elevata è l’incertezza della rigidezza normalizzata. Quindi l’obiettivo deve sempre essere di fare le prove con condizioni di temperatura il più vicino possibile alla temperatura di riferimento.

37

Fig. 1 – 8 Esempio di relazioni temperatura – rigidezza

Si riporta a titolo di esempio la legge comunemente usata dell’Asphalt Institute per correggere il modulo dei conglomerati bituminosi ottenuto con backcalculation alla temperatura di riferimento (77°F = 25°C o altro): log₁₀𝐸₀ = log₁₀𝐸 + 𝛼(𝑡2 _{− 𝑡} 02) 𝑜𝑝𝑝𝑢𝑟𝑒 𝐸0 = 10𝛼(𝑡 2_−𝑡 02)×𝐸 dove:

E0 = modulo corretto in psi;

E = modulo non corretto ottenuto dalla backcalculation in psi; t = temperatura di prova in °F;

t0 = temperatura di riferimento in °F;

α = coefficiente di suscettività termica = 1,47362 ∙ 10-4 _{per conglomerati bituminosi.}

Normalizzazione per la frequenza di carico

Il tempo di carico del FWD non è necessariamente lo stesso delle condizioni di carico. In alcuni paesi il modulo di rigidezza ottenuto dalla backcalculation è quindi non solo normalizzato per la temperatura ma anche per la frequenza di carico.

Nel metodo olandese, la normalizzazione per le frequenze e le temperature sono condotte simultaneamente in accordo con la seguente procedura. A questo proposito è stato scelto un appropriato grafico della rigidezza del conglomerato bituminoso. Comunque, un grafico del genere è valido per una sola frequenza di carico sinusoidale o durata della pulsazione di carico. Questo è risolto convertendo le attuali temperature in temperature equivalenti per mezzo di leggi di equivalenza temperatura – frequenza.

38 Il principio di normalizzazione delle temperature è mostrato in Fig. 1-9. Come prima cosa, la temperatura delle misure FWD è normalizzata per la frequenza di carico del FWD con il grafico delle rigidezze alla frequenza in oggetto usando le leggi di equivalenza frequenza – temperatura. Il valore di rigidezza atteso è letto dal grafico a questa temperatura di misura FWD. Dal confronto con le rigidezze ottenute dalla backcalculation si nota una differenza. Questa differenza dà una buona indicazione sulla validità delle rigidezze ottenute con

backcalculation.

Dopodiché si arriva alla temperatura di progetto. Questa temperatura di progetto è ancora una volta normalizzata per la frequenza data dalla velocità del traffico con il grafico delle rigidezze alla frequenza in oggetto usando le leggi di equivalenza frequenza – temperatura. La rigidezza di progetto è letta dal grafico alla temperatura di progetto normalizzata, tenendo conto della differenza di rigidezza determinato dal processo di backcalculation.

Fig. 1-9 Principio di normalizzazione di temperatura e frequenza

Un esempio di una legge di equivalenza è questa: 1 𝑇𝑐𝑜𝑟𝑟+ 273= 1 𝑇𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙+ 273− 1 11242log ( 𝑓_𝑠𝑔 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙) Dove:

Tcorr = temperature corrette al grafico delle rigidezze alla frequenza in oggetto (°C);

Tactual = temperatura effettiva del conglomerato bituminoso (°C);

fsg = frequenza di carico per cui è valido il grafico di rigidezza (Hz);

factual = frequenza di carico effettiva (Hz).

Una equazione per convertire le velocità di progetto in una frequenza equivalente è questa: log(𝑓_𝑑𝑒𝑠) = −0,6 − 0,5ℎ𝑎𝑐+ 0,94 log(𝑣𝑑𝑒𝑠)

Dove:

fdes = frequenza di carico di progetto (Hz);

hac = spessore degli strati in conglomerato bituminoso (m);