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7. METODI SPERIMENTALI
Parlando di metodi sperimentali facciamo riferimento a delle metodologie di indagine della capacità portante del terreno che si basano esclusivamente sull'esecuzione di prove in sito. Il risultato che forniscono è di per sé rappresentativo della portanza del terreno su cui sono state condotte, per cui non prevedono il ricorso a calcoli o modellazioni; tale risultato è espresso in termini di affondamento e corrispondente drag-force oppure in termini di Indice CBR del terreno, a seconda della tipologia di test condotto.
Disporre di questi dati ci consente di effettuare le verifiche imposte dalle Normative vigenti, fotografando l'effettiva situazione in cui si trovano le strip e consentendo di valutare, pianificare e progettare eventuali interventi di adeguamento della capacità portante delle stesse.
I metodi in oggetto sono nati per consentire un approccio al problema da un punto di vista pratico, a differenza di quello puramente teorico che contraddistingue i metodi empirici ed analitici che abbiamo descritto nei Capitoli precedenti. Tale approccio si è reso necessario in seguito alle indeterminazioni che tutt'oggi caratterizzano gli altri metodi: ipotesi semplificative, approssimazioni, difficoltà di calibrazione dei modelli analitici sono i principali motivi che legittimano il ricorso a test di tipo sperimentale. Lo scopo di questi metodi è quello di studiare il fenomeno di interazione ruota-terreno nella sua reale configurazione, senza la necessità di riprodurlo in laboratorio o al computer; agendo in questo modo, si evita di introdurre semplificazioni, ipotesi, approssimazioni che si traducono, alla fine, in risultati affetti da elevati livelli di indeterminazione.
Come vedremo, tali metodi non si configurano come strumento di previsione, ma ci forniscono informazioni relative ad uno stato di fatto; pertanto non possono essere applicati ai fini della progettazione ex-novo, ma solo per la verifica delle situazioni esistenti.
Nei prossimi paragrafi verranno ampiamente descritti due dei più importanti metodi sperimentali che si occupano di analizzare il problema in oggetto.
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7.1. Metodo di Wagner
Il Dr. P.J. Wagner è il titolare dell'omonima compagnia Wagner Ltd partner della GTÜ mbH (Gesellschaft für Technische Überwachung), una società di supervisione tecnica approvata dallo Stato tedesco che mette a disposizione l'esperienza dei suoi membri per lo studio, la progettazione ed il monitoraggio di particolari infrastrutture. Per ulteriori informazioni sull'attività professionale del Dr. Wagner si rimanda al sito internet http://www.wagner-svg.de .
"Con riguardo agli aeroporti, lo scopo della Wagner Ltd è di investigare e valutare le aree aeroportuali non pavimentate all'interno della CGA e della RESA usando il metodo dello SCoRM test (Soil Control of Rolling Movement) secondo quanto prescritto
dall'Annesso 14 ICAO, § 3.4.16, e dall'Aerodrome Design Manual-Part 1, § 5.3.22
secondo le quali le strip devono essere tenute in condizioni tali da non indurre danni strutturali se un aereo vi finisce sopra, indipendentemente dalla stagione, dalle condizioni meteorologiche o dal tipo di aereo.
Come ben sappiamo, il fattore principale di rischio di danneggiamento dell'aereo che rotoli sulle strip è l'affondamento incontrollato delle ruote che, se eccessivo e repentino, può indurre una forte decelerazione e danneggiare i carrelli di atterraggio a causa dell'ingente drag-force esercitata su di essi dal terreno in cui sono affondati.
Stando al modello cui Wagner si riferisce, l'interazione ruota-terreno è fondamentalmente determinata da due fattori: la resistenza al rotolamento (cioè l'attrito) e le azioni tangenziali. In particolare, la resistenza al rotolamento è il risultato di due contributi:
- l'affondamento della ruota nel terreno; - la deformazione del pneumatico.
Essendo il secondo aspetto di trascurabile entità, ci concentriamo esclusivamente sul primo.
Su terreni soffici, a differenza di quanto avviene sulle superfici rigide, la ruota subisce un affondamento di notevole entità e con esso aumenta esponenzialmente la relativa resistenza al rotolamento.
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Figura 7.1 - Modello di interazione di Wagner
La forza tangenziale è quella che, esplicandosi attraverso l'area di contatto delle ruote col suolo, trasforma la potenza dei motori dell'aereo in trazione.
Nel caso dell'aeromobile, infatti, le ruote non sono soggette ad alcuna coppia diretta; la forza necessaria a muovere il velivolo è data dalla spinta dei motori che genera un movimento in avanti cui si oppone una forza agente in direzione opposta all'interno del suolo che incrementa ulteriormente la resistenza al rotolamento della ruota affondata. La forza resistente risultante deve essere assorbita dai carrelli di atterraggio. E' pertanto comprensibile che le strutture dei carrelli siano soggette a forze derivanti dall'affondamento che sono diverse da quelle propulsive per le quali sono stati progettati. Pertanto, per ogni aereo, può essere determinata una soglia di affondamento critico al di sotto del quale nessun danno strutturale viene addotto ai carrelli di atterraggio. ..." [48]
La soglia di affondamento di cui sopra può essere stabilita in base ad un corrispondente valore limite della drag-force calcolato secondo le prescrizioni delle [6] oppure può essere preso come riferimento il valore di 15 cm indicato dai costruttori e riportato nelle normative di riferimento.
Secondo Wagner, ai fini dell'analisi della risposta del terreno in caso di escursione dell'aereo dalla runway, è possibile condurre lo SCoRM test mediante il SWL (Single
Wheel Loaded) test oppure il test PIT (Plate Impact Test); mentre il primo assume i
contorni di un test di manovrabilità eseguito sul terreno delle strip, il secondo mira a definire un parametro meccanico che abbia lo stesso significato dell'indice CBR regolamentato da ASTM. Tuttavia il PIT test non è una prova convenzionale regolamentata dagli Enti internazionali preposti e l'Autore non ha fornito ulteriori informazioni in merito.
In questo lavoro ci concentreremo esclusivamente sul SWL test, alla luce della potenzialmente elevata capacità di riproduzione delle condizioni di carico in sito,
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aspetto che per i metodi analizzati nei precedenti Capitoli ha rappresentato uno svantaggio non indifferente.
7.1.1. Single Wheel Load test
Il ricorso al SWL test è legittimato da quella che sarà la Normativa Europea di riferimento, attualmente in forma di bozza soggetta a revisione finale. Si riporta di seguito l'estratto normativo cui ci riferiamo:
"... Il progetto di EMAS o altri sistemi di arresto deve essere supportato da un metodo convalidato che sia in grado di prevedere le performance del sistema stesso. Il metodo di progetto deve essere derivato da test in sito o in laboratorio. Tali test si possono basare o sul passaggio di un aeromobile reale o di un apparato a ruota singola caricata attraverso un letto di prova.
Il progetto deve considerare diversi parametri relativi all'aeromobile che comprendano i carichi limite che possono essere sopportati dai carrelli di atterraggio, la configurazione geometrica di questi, la pressione di gonfiaggio degli pneumatici, la posizione del centro di massa del velivolo, la più probabile velocità di escursione del velivolo. ..." [49].
Figura 7.2 - Apparato sperimentale del SWL test
Con l'apparato sperimentale del SWL test siamo in grado di valutare le proprietà del terreno che costituisce un'area non pavimentata, sia essa strip o RESA, soprattutto in termini di capacità portante.
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Il cuore di questo metodo è rappresentato dal fatto che l'apparato sperimentale consta di una vera ruota appartenente al nose-gear del velivolo considerato critico nel caso oggetto di studio. L'apparato è progettato per fare in modo che tale ruota venga spinta con continuità nel terreno: su di essa, attraverso un sistema di pistoni oleodinamici, viene riprodotto il carico che grava realmente sulla ruota considerata.
Come già precedentemente descritto, la valutazione della capacità di movimento dell'aeromobile e dei mezzi di soccorso è basata sulle caratteristiche relative alle ruote (dimensioni, pressione di gonfiaggio) e sui carichi gravanti sulle stesse, in combinazione con le proprietà meccaniche locali, e quindi verosimilmente variabili, del terreno.
Per tenere conto di questo, allora, lo SCoRM test viene organizzato individuando un certo numero di strisciate lungo l'estensione longitudinale e trasversale delle strip e spingendo, mediante un mezzo di idonea potenza (quale, ad esempio, un mezzo di movimentazione delle terre), l'apparato SWL lungo esse. Relativamente all'estensione trasversale delle strip, è consigliabile estendere le indagini fino ad una distanza dall'asse della pista di almeno 75 metri per ciascun lato, in accordo con quanto previsto dalle Linee Guida di ENAC. Ciò a patto che, da accurate valutazioni di risk assessment, sia risultato che oltre questa distanza i livelli di rischio sono minimi; in caso contrario è consigliabile estendere l'esecuzione per l'intera estensione trasversale delle strip.
Durante il test viene misurata con continuità la posizione della ruota mediante un'apparecchiatura GPS, l'affondamento della stessa e la resistenza al rotolamento opposta dal terreno (drag-force); questi risultati vengono diagrammati in funzione dello spostamento dell'apparato lungo la strisciata considerata.
Nelle figure che seguono vengono riportati, a titolo di esempio, rispettivamente:
- una planimetria dell'area oggetto di indagine, con l'individuazione delle strisciate longitudinali da eseguire all'interno delle aree strip e RESA;
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Figura 7.3 - Planimetria di progetto del SWL test
Figura 7.4 - Diagramma affondamento vs distanza
Figura 7.5 - Diagramma drag-force vs distanza
Con i diagrammi ottenuti è possibile realizzare una mappatura delle aree sottoposte ad indagine; inoltre, facendo ricorso al Traffic Light System, è possibile elaborare graficamente una differenziazione della capacità portante di tali aree. Un simile elaborato serve ad evidenziare le aree a minore portanza, ossia quelle aree su cui l'aereo in transito in caso di escursione avrebbe maggiori probabilità di danneggiarsi a causa dell'eccessivo affondamento che registrerebbe. L'utilità di procedere in questo modo risiede anche nella possibilità di avere una planimetria delle aree da assoggettare ad interventi di miglioramento.
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Figura 7.6 - Planimetria delle aree a diversa capacità portante
In riferimento alla Figura soprastante, ad ogni colore con cui si differenziano le aree si fa corrispondere un grado di soddisfacimento dei requisiti richiesti alle strip.
Nell'esempio riportato i colori assumono i seguenti significati:
- Verde: i requisiti in termini di portanza sono soddisfatti in tutte le stagioni e non occorrono interventi di miglioria tecnica.
- Giallo: i requisiti in termini di portanza non sono soddisfatti in caso di alto contenuto di umidità. Nelle stagioni con alta frequenza di pioggia il rischio di danni strutturali per gli aerei e di difficile mobilità per i mezzi di soccorso è alto; si ritengono pertanto necessarie misure di stabilizzazione del terreno.
- Rosso: i requisiti in termini di portanza non sono mai soddisfatti. In caso di escursione bisogna aspettarsi danni all'aereo poiché la drag-force che il terreno esercita sul nose-gear supera il carico limite per il quale è stato progettato. Sono necessarie misure di stabilizzazione del terreno o, nei casi più critici, interventi più radicali che prevedano la rimozione del materiale presente e la sostituzione con materiale arido o di caratteristiche idonee a fornire alle strip i requisiti attesi in termini di capacità portante.
Relativamente agli interventi di miglioramento che possono essere operati sulle strip si farà un breve cenno nel corso del Capitolo IX.
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7.1.2. Specifica tecnica dell'apparato SWL
Lo scopo di questo paragrafo è fornire indicazioni più dettagliate sull'apparato sperimentale usato per condurre il SWL test descritto nel paragrafo precedente. Nella fase di ricerca di questo lavoro abbiamo contattato l'Autore allo scopo di ricevere maggiori informazioni sulle caratteristiche costruttive e sul funzionamento di tale apparato, ma ciò non è stato possibile poiché quest'ultimo è protetto da brevetto e il titolare non ha potuto, pertanto, svelarci più di quanto sia stato reso di dominio pubblico. Da questo è scaturito il nostro tentativo di pervenire ad una specifica tecnica preliminare che possa fornire maggiori indicazioni sulla composizione tecnica dell'apparato e sui principi di funzionamento.
L'apparato in questione è composto da un telaio in acciaio sospeso su quattro coppie di ruote; non è previsto un motore che fornisca una coppia motrice a queste ruote, pertanto la mobilità dell'apparecchiatura deve essere garantita da un mezzo che sviluppi una trazione sufficiente a spingere il carrello a delle velocità che possano essere rappresentative del fenomeno di
interazione su cui vogliamo indagare. Nella proposta originaria formulata dal Dr. Wagner, l'apparato viene spinto da un mezzo di movimentazione delle terre, come illustrato nella Figura 7.7 .
Questo, tuttavia, rappresenta uno svantaggio per il metodo poiché la bassa velocità che può raggiungere il mezzo di spinta non ci consente di convalidare del tutto i risultati ottenuti, in virtù dell'importante influenza che la velocità esercita nei confronti dell'affondamento, su cui ci siamo soffermati nel corso del Capitolo 3. Di questo aspetto parleremo approfonditamente nel seguito; riportiamo tuttavia, a titolo di proposta, la possibilità di utilizzare uno dei mezzi di soccorso in dotazione ai VV.F. : un Superdragon 8x8, ad esempio, è in grado di trasportare a velocità elevate (110 km/h) un quantitativo di liquido estinguente equivalente al carico che grava sul nose gear di un Boeing 737-800.
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Nel telaio che costituisce l'ossatura dell'apparato trova alloggiamento la ruota del nose-gear dell'aeromobile considerato critico; tale ruota non è una riproduzione in scala, ma è quella che effettivamente costituisce il carrello di atterraggio anteriore nel modello di aereo preso come riferimento.
Su di essa è necessario riprodurre il carico che grava sul nose-gear in fase di decelerazione (comprensivo, quindi, della maggiorazione di carico dovuta al movimento di beccheggio che il velivolo subisce); la determinazione di questo carico avviene mediante le indicazioni riportate nelle FAR §25.493 "Braked roll conditions" [6]. I dettagli di questa procedura di calcolo sono già stati dettagliatamente esposti nel Capitolo 3.
Per la riproduzione di tale azione, è necessario installare sull'apparato dei pistoni oleodinamici opportunamente zavorrati che assoggettino la ruota ad una spinta costante; per l'alimentazione di questi martinetti si rende indispensabile l'installazione di un generatore elettrico.
Ai fini dell'esecuzione delle misure, l'apparato sperimentale dovrà essere attrezzato con: - manometri per la misura della pressione che i pistoni esercitano sulla ruota;
- localizzatore GPS che registri la posizione dell'apparato o, in alternativa, odometro per la misurazione delle distanze percorse lungo le strisciate di misurazione;
- sensore dinamometrico che sia in grado di misurare la drag-force agente sulla ruota; - calibro digitale per la misura dell'affondamento.
In particolare, la misura dell'affondamento effettuata con calibro digitale è una misura in continuo che consente di ottenere il diagramma riportato in Figura 7.4; tuttavia tale misura può essere effettuata anche in maniera discreta. Nello specifico, all'atto della progettazione del test si individuano delle stazioni di misura ad intervalli regolari lungo ognuna delle strisciate previste; dopo il passaggio dell'apparato sperimentale, in prossimità di ogni stazione di misura, si procede all'infissione nel terreno di sottili
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lamine metalliche rivestite con un foglio di carta su cui l'operatore riporta il contorno del solco a mezzo di una bomboletta spray. Una volta raccolti tutti i fogli relativi ad una strisciata, è possibile digitalizzare le immagini tracciate su di essi mediante scansione al fine di ricostruire un profilo digitale del solco ottenuto che semplifichi le operazioni di misurazione della profondità. In particolare, tale misura non deve essere riferita alla sommità del cumulo laterale di terreno creatosi durante il passaggio della ruota, ma deve fare riferimento al profilo laterale indisturbato del terreno stesso, come si più vedere nell'illustrazione riportata nelle Figure 5.19 e 5.20 .
Infine una considerazione: mentre nella realtà il carrello anteriore è costituito da due ruote poste ad una certa distanza, nell'apparato sperimentale del SWL l'Autore ha previsto l'installazione dei una ruota singola. Dal punto di vista teorico ciò è assolutamente legittimo: a differenza del carrello posteriore per il quale si registra un certo "effetto piastra", sopratutto nelle configurazioni tandem e tridem, nel carrello anteriore tale effetto è completamente trascurabile. A riprova di ciò l'evidenza che nessuna delle teorie messe a punto per lo studio dell'interazione ruota-terreno annoveri tale effetto tra i fenomeni di cui tenere conto.
Anche da un punto di vista squisitamente tecnico è preferibile ricorrere all'installazione di una sola ruota: in questo modo, infatti, il carico da replicare sulla ruota è la metà di quello effettivo, poiché nel caso reale quest'ultimo si ripartisce equamente sulle due ruote che costituiscono il carrello. Tuttavia, replicare un carico di tale entità (120 kN per il Boeing 737-800 e 520 kN per il B747-800) è un compito assai arduo, per cui dimezzarne l'entità non può che facilitarci in questo compito.
7.1.3. Commenti finali ed affidabilità
Partiamo dall'analizzare i principali vantaggi della metodologia di indagine in oggetto. - L'esecuzione di tale metodo non richiede indagini in sito o in laboratorio, salvo l'estrazione di carote per la caratterizzazione del terreno e la misurazione del grado di addensamento e del contenuto di umidità in sito, allo scopo di avere una panoramica completa sull'effettivo stato in cui versano le strip e poter differenziare i risultati ottenuti a seconda delle condizioni ambientali stagionali.
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- I test vengono condotti direttamente in sito, pertanto è possibile testare le strip in diverse condizioni ambientali.
Abbiamo esposto precedentemente quanto la capacità portante del terreno venga influenzata dalle condizioni di umidità, le quali sono difficili da riprodurre nei test di laboratorio e rendono pressoché impossibile prevedere le prestazioni del terreno a seconda della loro variazione. Ciò premesso, il metodo fin qui illustrato ci dà la possibilità di ridurre al minimo le ipotesi sul comportamento del terreno ed i test di laboratorio per la sua caratterizzazione meccanica, dandoci la possibilità di riprodurre un transito direttamente in sito nelle differenti condizioni di umidità in cui il terreno si trova nel corso delle diverse stagioni. Da qui scaturisce la possibilità di organizzare delle campagne di prove nei periodi maggiormente rappresentativi delle condizioni naturali del terreno; in particolare, appare opportuno condurre i test nel periodo di massima piovosità annua, durante il quale il terreno è completamente imbibito (verosimilmente nei mesi invernali), ed in quello di minima piovosità, durante il quale il terreno è completamente asciutto (verosimilmente durante il periodo estivo). Ovviamente è fatta salva la facoltà di ripetere questi test con frequenza maggiore, al fine di individuare un andamento delle caratteristiche prestazionali al variare del tasso di umidità.
- L'esecuzione del test direttamente in sito consente di tenere conto della reale composizione e stratificazione del terreno, per cui il risultato finale tiene conto di eventuali disomogeneità locali ed include il contributo offerto dal sottofondo.
In questo modo, nota la stratigrafia relativa ad una strisciata, dai risultati in termini di affondamento ottenuti siamo in grado di capire se esso è limitato al solo strato superficiale, rispettando quindi il limite di 15 cm imposto dalle Norme vigenti, o coinvolge anche lo strato di sottofondo.
- Oltretutto un importante vantaggio offerto da tale metodo è quello di considerare l'effettivo comportamento elasto-plastico del terreno; pertanto il risultato finale è scevro dalle incertezze legate alle ipotesi semplificative che si rendevano necessarie nei metodi precedentemente analizzati, allo scopo di rendere maneggiabile un fenomeno assai complesso.
Alla luce di quanto appena asserito, è evidente come un simile metodo di indagine consenta di tracciare una mappa completa delle aree strip, evidenziando quindi
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eventuali discontinuità o criticità locali del terreno e fornendo in tali casi indicazioni per un intervento di adeguamento.
Tuttavia, anche l'applicazione di questo metodo non è esente da alcuni svantaggi, che descriviamo di seguito.
- L'esecuzione del test richiede, oltre all'apparato sperimentale descritto, la disponibilità di un mezzo idoneo che sia in grado di sviluppare una potenza tale da spingere l'apparato gravato da un carico di decine di kN.
- La velocità ridotta con cui un mezzo da cantiere può spingere l'apparato sperimentale fa sì che ci si ponga approssimativamente nella regione I del diagramma affondamento vs velocità riportato in Figura 5.14 .
Come ormai sappiamo bene, a bassi valori di velocità corrispondono alti valori di affondamento; tuttavia, se vogliamo che la prova sia rappresentativa della reale situazione che si viene a verificare durante un'escursione, la velocità da prendere come riferimento non è quella che possiede il trattore che traina l'apparato ma è quella media posseduta dal velivolo coinvolto nell'escursione. Agire diversamente da quanto appena suggerito significherebbe sovrastimare l'affondamento, poiché come sappiamo per le alte velocità assume valori molto più modesti di quelli relativi alle basse velocità. Per cui, alla luce di tutto ciò, bisognerebbe considerare un opportuno coefficiente di riduzione che tenga conto di questo fenomeno.
Va però riconosciuto che stabilire un simile coefficiente di riduzione è compito tutt'altro che agevole, che esula dalle competenze e dalle possibilità del presente lavoro.
Al di là di questo enigmatico coefficiente, crediamo che esista una risposta univoca ad entrambe le obiezioni che abbiamo appena sollevato: poiché la velocità massima di un trattore, necessario a trainare l'apparato SWL, è di circa 40 km/h, potremmo impiegare un mezzo dei VV.F. . Ad esempio, un mezzo Iveco modello "Dragon Super 8x8", che rappresenta uno dei più comuni mezzi di soccorso in servizio presso gli Aeroporti italiani, è in grado di raggiungere la velocità massima di 110 km/h portando un carico di liquido estinguente pari a 12 tonnellate [50] . Si nota che tale carico è simile a quello che grava sul nose-gear di un Boeing 737-800; questo significa che potremmo impiegare tale mezzo di soccorso privo del suo carico per trainare l'apparato del SWL e
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raggiungere, così, velocità molto maggiori di quelle ottenibili con un mezzo di movimentazione delle terre.
In tal caso ricadremmo approssimativamente nella regione 3 del diagramma affondamento vs velocità di Figura 5.14, riducendo drasticamente la percentuale di sovrastima dell'affondamento ed ottimizzando, pertanto, l'affidabilità della prova. L'unico ostacolo all'applicazione di quanto appena suggerito potrebbe essere rappresentato da un'insufficiente capacità di traino del mezzo, per cui occorre effettuare degli approfondimenti in tale direzione.
Occorre, tuttavia, precisare che non sarebbe lecito sostituire la prova condotta nel modo sopra proposto con un transito del Dragon a pieno carico, allo scopo di non dover ricorrere all'apparato SWL: pressione di gonfiaggio e carico sulle ruote sarebbero diversi da quelli relativi al caso reale, per cui i risultati ottenuti sarebbero viziati.
Se per la valutazione della manovrabilità dei mezzi di soccorso il transito effettuato direttamente con il veicolo interessato si delinea come la strategia di indagine migliore, per le valutazioni legate all'aeromobile critico non appare opportuna sulla base delle motivazioni sopra riportate.
7.2. Criterio Boeing
In questo paragrafo verrà presentato un criterio - più che un metodo - di valutazione della capacità portante delle strip, basato sul confronto tra gli indici di portanza determinati in sito e quelli suggeriti da Boeing, da decenni leader nella costruzione di velivoli per l'aviazione civile ed impegnato nella ricerca delle condizioni ottimali per realizzare piste e strisce non pavimentate che siano in grado di accogliere operazioni dei velivoli, tanto programmate quanto accidentali.
In particolare, l'esperienza pluridecennale degli ingegneri Boeing ha portato alla formulazione di tali suggerimenti, presentati nel corso della riunione del Comitato Aeroporti (ADWG) tenutasi nel Luglio 2012 a Rio de Janeiro, cui abbiamo già fatto cenno nel Capitolo 2.
Tale modo di procedere affonda le radici nei lontani anni '60 quando il criterio proposto da Boeing per la preparazione delle strip, calibrato considerando critici i velivoli 737-100 e 737-200, asseriva che un terreno naturale compattato ad un minimo valore di
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CBR fosse in grado di supportare il transito di un velivolo senza subire la formazione di solchi particolarmente profondi.
Pur non essendo stati resi pubblici gli studi ed i test condotti dallo staff tecnico di Boeing che portarono di fatto alla formulazione di tale criterio, la sua attendibilità è attestata senza ombra di dubbio dal fatto che venne approvato dal Dipartimento di FAA deputato alle certificazioni aeroportuali.
Peraltro gli ingegneri Boeing misero a punto un apposito penetrometro per la determinazione dell'indice CBR; essendo tale strumento paragonabile all'apparecchiatura DCP, su cui concentreremo in seguito la nostra attenzione, ne omettiamo volutamente la descrizione.
Prima di delineare questo criterio, riportiamo alcuni stralci normativi di particolare interesse, che ci consentono di comprendere il contesto entro cui esso si configura. In particolare, i passaggi delle Norme che riportiamo di seguito si riferiscono all’area RESA, posta oltre la soglia della pista di volo; tuttavia, in virtù dell’analogia tra quest’area ed il resto della CGA che abbiamo abbondantemente argomentato nei Capitoli precedenti, possiamo senz’altro estendere la validità delle seguenti prescrizioni al caso delle strip in esame.
"Per quanto riguarda la RESA, le prescrizioni Boeing prevedono che per piccoli aerei commerciali la superficie dovrebbe garantire valori di Indice CBR tra 6 e 14; laddove operino aerei medi e grandi il CBR dovrebbe essere compreso tra 14 e 20. Il livello di portanza per RESA e strip indicato sopra può fornire sì un valido supporto, ma il fenomeno dell'affondamento potrebbe essere dell'ordine di 25 - 30 cm." [51].
Il documento appena menzionato si chiude con una proposta di modifica del Capitolo 8 - Strips dell'Annesso 14 di ICAO che recita così:
"Il terreno naturale avente valori di CBR in sito di 10÷35 è idoneo per supportare
aerei, specialmente se tali valori valgono fino a profondità di 30cm. …”
E' importante considerare che tali valori di portanza sono valori medi e vanno usati come termine di paragone per il CBR medio calcolato a varie profondità, partendo dalla superficie e scendendo almeno di 30 cm.
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Transports Canada ha fatto proprie tali indicazioni e le ha inserite nella propria Normativa, di recente approvazione [52] :
"(3) ... una RESA dovrebbe essere un'area naturale aperta compattata che soddisfi le prescrizioni in termini di pendenza, capacità portante e altri requisiti fisici, "in condizioni umide". Tale condizione è degna di nota poiché essa è la condizione base per la quale l'area deve essere preparata e valutata. Inoltre, è risaputo che la capacità portante della superficie sarà influenzata dai cambiamenti di contenuto di umidità del suolo, a causa delle piogge o delle variazioni stagionali.
(4)... è evidente che quest'area non richieda la stessa capacità portante dell'associata runway, ma necessiti solo di supportare pochi passaggi dell'aereo critico. ...
(5) Per determinare se un'area naturale ha la portanza per essere utilizzata come RESA, bisogna considerare innanzitutto i carichi imposti dall'aereo critico. Importante per la determinazione del carico imposto è il peso lordo dell'aereo e la pressione degli pneumatici, poiché la stessa pressione diviene il surrogato del carico. Una pressione di gonfiaggio elevata provoca un'area di impronta più piccola e il trasferimento di carichi maggiori al suolo. I costruttori di aeromobili possono essere in grado di fornire un CBR, solitamente per movimenti in pista, da confrontare con quello noto dell'area naturale. (6) Poiché l'area caricata associata ad una determinata pressione di gonfiaggio è risaputo essere data dal rapporto tra il carico gravante sulla ruota e la pressione di gonfiaggio della stessa, quest'ultima diviene il surrogato per il carico.
Classificando gli aerei commerciali in tre categorie generali basate sull'apertura alare (piccola → codici A e B, media → codici C e D, grande → codici E e F), i regimi di pressioni di gonfiaggio risultano raggruppati in altrettante categorie, cui corrisponde un valore necessario di capacità portante in termini di Indice CBR. Con questa classificazione la capacità portante richiesta alla RESA può essere individuata consultando la Tabella 7.1 .
Codice aeromobile Pressione di gonfiaggio [MPa] CBR minimo
A, B (piccoli) 0,4 ÷ 1,0 6 ÷ 14 C, D, E, F (medi) 1,0 ÷ 1,4 14 ÷ 20
E, F (grandi) 1,4 ÷ 1,75 20 ÷ 24
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Nota: la capacità portante della RESA indicata dovrebbe fornire un supporto all'aeromobile coinvolto in un’escursione, ma la profondità dei solchi prodotti potrebbe essere dell'ordine di 25÷30 cm, allo scopo di decelerare lo stesso.
(7) La capacità portante può anche essere determinata dalla comparazione dell'uso storico dell'area (in condizioni bagnate) da parte dei veicoli o di equipaggiamenti pesanti. Però, nell'utilizzare questo metodo di valutazione comparativa, è importante considerare la configurazione delle ruote dei veicoli o degli equipaggiamenti pesanti in relazione a quella del carrello di atterraggio dell'aereo. L'area d'impronta maggiore e le minori pressioni di gonfiaggio di molti veicoli o equipaggiamenti pesanti distribuiscono il peso complessivo sul suolo più efficacemente di quanto accada per il carrello dell'aereo."
Alla luce delle questioni trattate finora, l'approccio ragionevolmente più conveniente attraverso cui studiare il problema è quello che mira a verificare la capacità portante delle strip e del sottofondo; in particolare, si deve verificare che permangano i requisiti prescritti dalla Normativa nazionale (ENAC) ed internazionale (ICAO) e suggellati dal Comitato ADWG (Aerodrome Design Work Group) nel testo sopra citato.
Un approccio di questo tipo è stato adottato e convalidato dal corpo degli Ingegneri Militari Americani [53] che, nell'ambito di campagne sperimentali su diversi tipi di terreno mediante l'impiego di velivoli militari equipaggiati secondo le condizioni operative, hanno associato la capacità di un velivolo di eseguire operazioni su di un terreno – manovrabilità – alla capacità portante del terreno stesso determinata attraverso prove di tipo penetrometrico ed indicata mediante l'indice CBR.
Nello specifico, tra Agosto e Novembre del 1962 furono condotti esperimenti con vari modelli di aeromobile in dotazione all'aviazione militare americana. I siti sperimentali scelti furono un'area sabbiosa in Arizona e un'area argillosa in California. Su tali siti furono condotte sistematicamente operazioni di decollo, atterraggio e transito; lungo le piste improvvisate e non preparate furono condotte, ad intervalli spaziali prestabiliti, misure del contenuto d'acqua, della densità e dell'indice CBR prima dell'esecuzione di qualsiasi operazione. Dopo il passaggio dell'aeromobile, oltre alle suddette grandezze, fu misurata anche la profondità dei solchi prodotti dalla ruota.
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Nei test condotti con un Lockheed C-130B Hercules (che, in termini di MTOW può essere paragonato ad un Boeing 737-800) su sabbia asciutta con ruote aventi una pressione di gonfiaggio di 0,57 MPa si sono ottenuti affondamenti di 25 ÷ 40 cm, indipendentemente dal valore di CBR posseduto dal terreno, durante le operazioni di atterraggio con ruota soggetta al massimo sforzo frenante; valori di affondamento decisamente inferiori, dell'ordine di 5 ÷ 15 cm, si sono registrati nelle stesse condizioni geotecniche durante operazioni di passaggio (taxiing). La commissione tecnica dell'epoca concluse che tale tipo di aeromobile fosse idoneo ad operare su qualsiasi tipo di terreno sabbioso, ad eccezione delle sabbie mobili. Tale risultato è importante nell'ottica di una discussione critica incentrata sul valore limite dell'affondamento: esso dimostra, al netto di una pressione di gonfiaggio inferiore a quelle cui si fa attualmente ricorso, che il valore di 15 cm è particolarmente restrittivo per alcuni modelli di velivolo, i cui carrelli di atterraggio possono sopportare affondamenti ben maggiori. Un fenomeno degno di nota è quello per il quale il CBR misurato in un punto interessato dal passaggio dell'aereo risulti inferiore al valore registrato nello stesso punto precedentemente al passaggio del velivolo. Questo significa che nelle aree indisturbate, ossia quelle non interessate dal passaggio del velivolo, il CBR è più alto a causa di una leggera cementazione della sabbia, mentre durante le operazioni degli aerei il rimodellamento e la ri-dislocazione dei grani produce un abbattimento repentino del CBR.
Gli stessi test, ripetuti in una località in cui il terreno è prevalentemente argilloso, hanno dimostrato come il C-130B subisse affondamenti di 15 ÷ 20 cm laddove il valore del CBR medio si attestasse intorno a 3,5. Nell'argilla le operazioni di taxiing si sono dimostrate più severe di quelle di atterraggio con ruota frenata; inoltre si è appurato che, contrariamente a quanto accadeva nella sabbia, le operazioni non influenzavano il CBR. I risultati ottenuti hanno permesso alla commissione di concludere che il C-130B con una pressione di gonfiaggio massima di 0,41 MPa potesse effettuare operazioni su suoli argillosi aventi un CBR minimo di 3. E' verosimile che, per le pressioni di gonfiaggio attualmente in uso, tale valore di CBR minimo consenta la creazione di solchi più profondi di quanto osservato all'epoca alla fine di ogni passaggio; volendo limitare tale valore di affondamento, allora, è facile intuire la necessitò di innalzare tale limite inferiore di capacità portante.
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Le misure di CBR furono effettuate in superficie, poi a 15 ed infine a 30 cm di profondità.
Furono condotti pochissimi test con terreno umido, talmente pochi da non poter dare indicazioni precise; tuttavia la commissione evidenziò quanto le condizioni di umidità rendessero più difficili e gravose le operazioni, sia in termini di manovrabilità del velivolo che di affondamento.
E' opportuno sottolineare come i risultati relativi alla campagna di indagine descritta sopra non possono assumere valore probatorio, poiché ottenuti con pressioni di gonfiaggio, dimensioni delle ruote e condizioni di carico e litologiche differenti da quelle che caratterizzano i casi di studio dei nostri giorni. In particolare, i siti sperimentali presentavano una stratigrafia alquanto omogenea, mentre nel nostro caso è molto difficile che tale situazione ricorra poiché siamo noi stessi a predisporre il "pacchetto strip" facendo in modo che lo strato superficiale abbia minore capacità portante rispetto allo strato sottostante.
Come già abbondantemente esposto, la dipendenza dell'affondamento dalla pressione di gonfiaggio, dal carico gravante sulla ruota, dalle caratteristiche fisiche oltre che meccaniche del terreno è forte, per cui i risultati di cui sopra possono essere usati solo a mo' di conferma della bontà del metodo CBR come metodo di indagine della capacità portante di un terreno e quindi della sua manovrabilità da parte dei velivoli considerati critici, sfruttando il suggello fornito dalla prove in scala reale citate. Tale modo di procedere è stato ravvisato anche all'interno del metodo di Crenshaw esposto nel Capitolo 5, in cui l'affondamento è legato al Mobility Number che è funzione del Cone Index, un indice rappresentativo della capacità portante del terreno legato al CBR da una relazione che vedremo di seguito.
In definitiva, per sfruttare il criterio Boeing ai fini della valutazione delle strip, è necessario progettare una campagna di test in sito, secondo le seguenti indizazioni: - individuazione della profondità da raggiungere con le indagini;
- suddivisione di tale profondità in strati di spessore costante; - determinazione dell'indice CBR per ogni strato individuato;
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- determinazione dell'indice CBR medio equivalente relativo alla strato superficiale 0 ÷ 15 cm e di sottofondo 15 ÷ z cm;
- confronto tra i dati ottenuti ed i suggerimenti Boeing.
Ai fini della progettazione di tale campagna è necessario fare alcune considerazioni: - i test in sito devono essere condotti nei periodi maggiormente rappresentativi delle situazioni limite per la capacità portante del terreno, ossia nel periodo più arido ed in quello maggiormente piovoso: in condizioni di piovosità assente e terreno asciutto ci si aspetta di individuare il massimo valore di CBR relativo a quel tipo di terreno. Al contrario, durante il periodo di massima piovosità annua, quindi in condizioni di massimo grado di imbibizione, ci si aspetta di individuare il minimo valore di CBR relativo allo stesso terreno.
Agendo in questo modo è possibile valutare quanto le condizioni ambientali influenzino la capacità portante del terreno ed al contempo è possibile stabilire quali siano le condizioni peggiori per la valutazione di tale parametro.
Va detto che i test in sito possono essere condotti anche mediante prove DCP; la US Army, infatti, ha legittimato già diversi decenni fa l'utilizzo di prove di tipo penetrometrico per la definizione della capacità portante nell'ambito di indagini riguardanti la manovrabilità di un sito ed esistono varie correlazioni che legano i risultati ottenuti per mezzo di prove differenti.
Uno degli strumenti utilizzati da US Army è lo Airfield Penotrometer, un penetrometro a punta conica con angolo di 30° e area di base di 130
mm2 che viene infisso manualmente nel terreno. Un misuratore dinamometrico fornisce il valore della pressione necessaria a produrre un determinato affondamento, la cui entità è letta mediante una scala graduata di cui l'asta del penetrometro è dotata. Le letture vengono effettuate ogni 25 - 50 mm di affondamento raggiunto, fino ad una profondità massima di 60 cm o comunque fino ad un massimo di 15 letture.
Da tali misure è possibile determinare l'Airfield Index (AI), ossia un indicatore della capacità resistente del
Figura 7.9 - Esempio di airfield
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terreno, definito come il rapporto tra la forza necessaria a produrre un certo affondamento dell'asta e la sezione della punta [54].
Lo stesso lavoro di indagine può essere condotto mediante un altro apparecchio chiamato Trafficability Penetrometer, simile al precedente. Il risultato fornito è il Cone
Index (CI), dato dal rapporto tra la pressione necessaria a far affondare la punta e la
sezione della punta stessa. La prima lettura viene presa quando la punta è a contatto col terreno e le successive vengono prese ogni 25 - 50 mm di affondamento raggiunto, a seconda dello scopo dell'indagine. La punta più grande, avente un'area di base di 323 mm2, viene usata con terreni soffici e in presenza di sabbia, mentre la punta più piccola, avente un'area di base di 130 mm2, viene utilizzata in terreni duri e in presenza di particelle fini (limi e argille) [54].
La prima applicazione di questo strumento per la determinazione della capacità portante del terreno non preparato è ascrivibile allo U.S. Army Engineer Waterways Experimental Station (WES) a Freitag nel 1965.
In una serie di test condotti negli anni '80, Willoughby e May [23] stabilirono le seguenti relazioni che legano CI e CBR:
CBR≅CI/20 per suoli argillosi aventi un elevato indice di plasticità
CBR≅CI/50 per suoli limosi ed argillosi aventi un indice di plasticità non troppo
elevato
CBR≅CI/70 per suoli aventi un basso indice di plasticità
Se si vuole ottenere il corrispondente AI, le letture effettuate al trafficability penetrometer con punta da 130 mm2 devono essere divise per 20, mentre quelle ottenute con punta da 323 mm2 devono essere divise per 50.
Attualmente il Dynamic Cone Penetrometer (DCP) è lo strumento con cui il Genio Militare Americano ha sostituito le precedenti apparecchiature per la valutazione della capacità portante dei terreni su cui si volessero ospitare operazioni di volo.
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Il DCP ha una duplice massa da 4,6 e 8 kg ed è composto da un'asta in acciaio alla cui estremità inferiore è montata una punta conica che viene infissa nel terreno. L'angolo della punta conica è di 60° e il diametro della sua base è di 20 mm; il suo affondamento viene prodotto dalla caduta della massa da un'altezza
di circa 57 cm. La penetrazione della punta viene misurata o a profondità prestabilite oppure dopo un certo numero di cadute del martello e la resistenza offerta dal terreno all'infissione della punta viene espressa in termini di indice DCP in mm/colpo; tale valore, riportato all'interno di un'espressione analitica, ci fornisce il corrispondente valore dell'indice CBR. [23] [54]
L'utilizzo di tale apparecchiatura è regolamentato dall'American Society for Testing and
Materials (ASTM); per ulteriori informazioni si rimanda all'apposita Norma [55].
Come annunciato sopra, U.S. Army Corps and Air Force è pervenuto, in seguito ad una massiccia campagna di test in sito, alla seguente correlazione tra indice DCP ed indice CBR:
che rappresenta l'equazione di una retta nel piano bi-logaritmico, come rappresentato in Figura 7.11 .
Figura 7.11 - Diagramma di correlazione CBR - DCP
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Sempre nell'ottica dell'applicazione di un criterio legato all'Indice CBR, si dimostra utile l'esperienza collezionata dal WES (Waterways Experimental Station) nel secondo dopoguerra.
La necessità di dover predisporre nel minor tempo possibile piste di atterraggio occasionali su superfici non preparate o parzialmente preparate portò gli ingegneri del Genio Militare americano a studiare le performance del terreno nell'interazione con il velivolo impegnato nelle operazioni di volo. Test in scala reale furono condotti su un'estesa varietà di suoli impiegando un'ampia gamma di aeromobili in dotazione all'aeronautica militare; i parametri che caratterizzarono tali test rientravano nei seguenti range di valori:
- Carico sulla ruota: 450 - 1240 kN;
- Pressione di gonfiaggio: 0,10 - 1,72 MPa; - Portanza del terreno (CBR): 1,5 - 27
Poiché un affondamento eccessivo dell'aeromobile poteva produrre effetti negativi nei sulle operazioni da condurre sulla pista improvvisata, si individuò un valore limite di affondamento pari a 7,5 cm oltre il quale la pista veniva considerata rotta e quindi non idonea ad accogliere i velivoli. Sulla base di questo requisito e con i dati raccolti durante la campagna di test, si ottenne il nomogramma riportato in Figura 7.12 .
Entrando nel nomogramma con il valore della pressione trasmessa al suolo, si traccia una verticale fino ad intersecare, rispettivamente, la curva relativa al carico gravante sulla ruota singola nel caso del nose-gear o sulla ruota singola equivalente qualora ci si riferisca al main-gear; nel caso di configurazione multipla del carrello, infatti, esistono delle maggiorazioni da apportare al carico gravante sulla ruota singola per renderlo rappresentativo della configurazione reale.
Dal punto così individuato si traccia una retta orizzontale e si individua il valore di CBR minimo che deve possedere un determinato terreno affinché l'affondamento subito dalla ruota del velivolo considerato non superi il valore limite di 7,5 cm.
Da tale nomogramma è possibile trarre informazioni di massima relativamente ai nostri casi di studio: ad esempio si nota che, con le pressioni di gonfiaggio attualmente utilizzate per il nose-gear di un Boeing 737-800 (pari a 1,3 MPa = 188 psi), il CBR
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minimo richiesto affinché l'affondamento sia di 7,5 cm è circa 15; questo significa che l'affondamento che riguarda lo strato soffice superficiale, per il quale le vigenti prescrizioni indicano un valore di CBR di 5-7, è maggiore di 7,5 cm, anche se attraverso il nomogramma non siamo in grado di fornire il valore reale. [56]
Figura 7.12 - Nomogramma pressione - carico - CBR
Bisogna sottolineare l'indicazione fornita dagli Autori del nomogramma di ricorrere al valore della pressione di gonfiaggio degli pneumatici solo in assenza di determinazioni più precise relativamente alla pressione trasmessa al terreno attraverso l'area di impronta.
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Come si evince dalla Figura 7.13, l'area di impronta A2 su di un terreno soffice è maggiore dell'area di impronta A1 relativa ad una superficie indeformabile. Poiché il valore della pressione trasmessa al terreno viene definito come il rapporto tra il carico gravante sulla ruota e l'area di impronta dello pneumatico, sarebbe conveniente calcolare l'area di impronta effettiva; infatti in caso di terreno soffice abbiamo visto che essa è maggiore dell'analoga per il caso di superficie indeformabile, per cui dà vita ad una pressione sul terreno di minore entità.
Figura 7.13 - Schematizzazione dell'area di impronta
In definitiva, calcolare l'area di impronta effettiva contribuisce ad avere un valore della pressione trasmessa al terreno minore di quello della pressione di gonfiaggio, con conseguente aumento della rispondenza del risultato finale al caso reale. [57]
7.2.1. Commenti finali ed affidabilità
Un’importante considerazione che non possiamo trascurare di riportare è che il valore limite di affondamento di 15 cm non è poi così stringente ai fini dell’integrità strutturale del carrello. Come potremo vedere nel Capitolo 8 relativo alle verifiche, già attraverso l’applicazione del metodo di Bekker ad un caso di letteratura ci siamo accorti che ad un affondamento di 15 cm corrisponde una drag-force minore dell’ultimate load usato per la progettazione del nose-gear; l’indicazione di ADWG, basata sull'esperienza pluri-decennale degli ingegneri Boeing, ci conferma che il carrello può sopportare livelli di
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affondamento ben più grandi dei 15 cm riportati dalle Normative come valore limite. Questo ci dice che l’affondamento non è poi così stringente e che, ai fini della valutazione della manovrabilità di un terreno, è possibile ricorrere ad un approccio legato alla stima della drag-force. Purtroppo tale stima, nella stessa misura di quella dell'affondamento, è affetta dalle incertezze che caratterizzano i metodi esposti nei Capitoli precedenti.
Quanto descritto ci dimostra che la valutazione della manovrabilità di un velivolo su un terreno mediante la valutazione della capacità portante di quest'ultimo è una tecnica fondata ed affidabile e dà un significato scientifico, pertanto, alle prescrizioni Normative in termini di indice CBR; inoltre ha l'importante pregio di superare le difficoltà legate all'applicazione dei metodi analizzati nel corso di questo lavoro.
Elenchiamo di seguito i più importanti vantaggi che derivano dall'applicazione del criterio Boeing:
- il CBR tiene conto delle condizioni ambientali. Abbiamo già visto come all'interno dello stesso sito, nella stessa stazione di misura, si noti un incremento della capacità portante del terreno in termini di Indice CBR nei rilievi effettuati nel corso del periodo di minima piovosità annua; per contro, nel periodo di massima piovosità annua, sappiamo bene che si verifica una sua diminuzione.
Ciò premesso, il fatto di disporre di un unico parametro rappresentativo della suscettibilità delle caratteristiche fisiche e meccaniche del terreno in funzione del contenuto d'acqua è assolutamente positivo.
- La pressione esercitata sul terreno tiene implicitamente conto del carico sulla ruota, delle dimensioni della ruota stessa, della pressione di gonfiaggio dello pneumatico e della sua area di impronta. Il fatto di raggruppare tutti questi fattori in un unico parametro è un risultato indubbiamente vantaggioso.
- Per la manovrabilità degli aeromobili siamo garantiti dall'esperienza Boeing; è sufficiente, pertanto, condurre una campagna di test utili a determinare il CBR in sito ai fini di effettuare una sorta di mappatura dell'area strip, individuando eventuali criticità e predisponendo gli interventi necessari ad eliminarle. Tale campagna di test si può basare su prove penetrometriche con apparecchiatura DCP; i risultati ottenuti forniscono il
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corrispondente valore dell'Indice CBR sulla base di relazioni abbondantemente legittimate sperimentalmente.
Per la manovrabilità relativa ai mezzi di soccorso possiamo effettuare direttamente dei test in sito di attraversamento: in tal caso è possibile impiegare gli stessi mezzi a pieno carico, lanciati alla massima velocità che sono in grado di raggiungere.
E' abbastanza semplice ammettere che un nomogramma del tipo indicato in Figura 7.12, ricavato secondo lo stesso principio sopra descritto ma per una soglia limite dell'affondamento fissata attorno al valore che non si vuole superare, sarebbe l'ideale se si volesse affrontare il problema dell'interazione ruota-terreno in maniera semplice e speditiva.
Tuttavia, la realizzazione di un tale strumento non potrebbe avvenire replicando la campagna di prove in scala reale condotta dai suoi Autori per ovvie ragioni di natura economica. Alla luce di tale considerazione, sarebbe necessario disporre di un metodo di previsione dell'affondamento affidabile; ma poiché, come abbiamo avuto modo di comprendere, al momento sembra non esistere un metodo con simili caratteristiche di attendibilità, quella del nomogramma si configura come un'idea inattuabile.
