055/PES/6.03/R020
ACCORDO DI PROGRAMMA 8 OTTOBRE 2005 INTERVENTI DI SMANTELLAMENTO, DEMOLIZIONE, BONIFICA E
INFRASTRUTTURAZIONE DELLE AREE DI CORNIGLIANO
OGGETTO:
STRADA DI COLLEGAMENTO ALL’ACCESSO EST DELLO STABILIMENTO ILVA E ALLE FUTURE AREE PORTUALI
TITOLO:
RELAZIONE TECNICA DIMENSIONAMENTO DELLE PAVIMENTAZIONI
N. DOC.
055/PES/6.03/R020
Rev. | Data | Redatto | Verificato | Validato | Descrizione |
A | 01/2014 | CC | CR/Siciv | - | Per commenti |
1 | 06/2015 | CC | SG/Siciv | FR | Per emissione |
INDICE | ||
1.0 – PREMESSA
L’intervento oggetto della presente relazione è la realizzazione del collegamento viario tra la rotatoria in via S. Xxxxxxxx D’Acri con l’accesso Est delle aree ILVA, rimanendo all’interno delle aree di proprietà di Società per Cornigliano.
2.0 – NORMATIVA DI RIFERIMENTO
Le soluzioni adottate sono state scelte in ottemperanza alla normativa generale e speciale di settore; i riferimenti normativi utilizzati sono, a titolo esemplificativo e non esaustivo:
1. D.M. Infrastrutture e Trasporti, 5 Novembre 2001 – Norme funzionali e geometriche per la costruzione delle strade;
2. Decreto legislativo 30 Aprile 1992 (agg. 13 Marzo 2015) – Nuovo Codice della Strada.;
3. Bollettino Ufficiale n.178 del 15 Settembre 1995.
3.0 – INQUADRAMENTO TERRITORIALE
L’area in oggetto si trova individuata nelle proprietà di Società per Cornigliano, delimitata ad ovest e a sud dalla recinzione che costituisce il confine dello stabilimento ILVA, ad est dal piazzale asfaltato adibito a deposito e stoccaggio di container e a nord dalle aree di cantiere della strada urbana di scorrimento.
Figura 1-Foto aerea dell’area interessata dall’intervento in Progetto.
4.0 – CARATTERISTICHE DI PORTANZA DEL SOTTOFONDO
Da quanto emerge dalle campagne di indagini eseguite sull’area in esame e dalle informazioni sui parametri geotecnici attribuiti ai terreni in sito, è possibile desumere che, nella zona di intervento, in particolare nelle porzioni più superficiali della stratigrafia, sono presenti frequenti riporti di materiale.
Queste aree, infatti, hanno subito nel tempo sistemazioni e rimodellazioni da parte dell’uomo vedendo, nel contempo, variare la propria destinazione d’uso. Su tutta l’area, dunque, sono presenti con continuità, riporti antropici i quali hanno natura eterogenea.
Tali riporti sono costituiti da materiali sia di tipo naturale che artificiale, e sono formati da ghiaie di diversa pezzatura e da elementi lapidei di varia matrice caratterizzati da permeabilità abbastanza elevata. Nella classificazione USCS tali materiali possono essere fatti rientrare prevalentemente nelle classi GP-GM; assumendo i seguenti parametri geotecnici medi:
γ = 2 – 2,1 t/m3
φ = 31° – 33°
c’ = 0
K = 1,46·10-4 – 8,55·10-4 m/s.
La determinazione delle caratteristiche geotecniche dei terreni è stata effettuata attraverso una campagna di prove S.P.T. (Standard Penetration Test). Dai valori di NSPT, tramite la correlazione di Schmertmann si è ricavato il valore del modulo elastico del sottofondo:
con B = 10 (sabbia grossolana).
5.0 – DIMENSIONAMENTO
Alla luce dei risultati esposti e della tipologia di traffico che insisterà sulle infrastrutture in progetto (quasi esclusivamente mezzi pesanti, data la presenza dello stabilimento ILVA) si è proceduto al dimensionamento della sovrastruttura stradale.
5.1 PROCEDURA DI CALCOLO
Il calcolo della pavimentazione è stato effettuato secondo la procedura delineata dall’American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) “Guide for the Design of Pavement Structures” (1993).
Essa si fonda su equazioni derivate da prove su strada condotte negli Stati Uniti tra gli anni’50 e ’60 (note come AASHO Road Test) e successivamente modificate per adattare le condizioni originali di prova (in termini di fattori climatici, metodi costruttivi e condizioni di traffico) alle realtà di altri Paesi.
La procedura si basa sulla determinazione dello Structural Number (SN), che rappresenta la richiesta complessiva di resistenza strutturale che la pavimentazione deve soddisfare per sostenere il carico derivante dal traffico di progetto, deteriorandosi, alla fine della sua vita utile, a un livello prefissato.
Dalla conoscenza dello Structural Number, delle caratteristiche di portanza del sottofondo e delle proprietà meccaniche e drenanti dei materiali da impiegare per la costruzione dei singoli strati è possibile determinare lo spessore minimo di questi ultimi.
5.2 VARIABILI DI PROGETTO
La progettazione secondo il metodo AASHTO è basata sulla conoscenza delle seguenti variabili progettuali:
- Arco temporale di riferimento;
- Traffico;
- Indice di servizio;
- Condizioni ambientali;
- Affidabilità;
- Portanza del sottofondo;
- Caratteristiche meccaniche degli strati della pavimentazione;
- Drenaggio.
5.2.1 VITA UTILE DELLA PAVIMENTAZIONE
Il progetto della pavimentazione flessibile è stato riferito a un periodo di analisi di 20
anni.
Non avendo informazioni specifiche su questa variabile si sono fatte delle ipotesi basandosi su quanto riportato nel Bollettino Ufficiale n.178 de 15 Settembre 1995. In particolare si è considerato un livello di traffico tipo 2° che prevede il passaggio di 1.500.000 veicoli/anno sulla corsia più caricata. Per veicoli si intendono unicamente quelli commerciali ovvero quelli che presentano una massa complessiva maggiore o uguale a 3t.
Come spettro di traffico si è considerato il seguente:
Tabella 1- Spettro di traffico
Tipo di veicolo | Distribuzione carichi per asse [kN] | Percentuale di traffico | Passaggi / anno |
Autocarri leggeri | ↓10 ↓20 | 45,0% | 675.000 |
Autocarri leggeri | ↓15 ↓30 | 43,5% | 652.500 |
Autocarri medi e pesanti | ↓40 ↓80 | 6,0% | 90.000 |
Autocarri pesanti | ↓40 ↓80↓80 | 2,0% | 30.000 |
Autotreni e autoarticolati | ↓40 ↓80↓80 ↓80↓80 | 2,0% | 30.000 |
Autotreni e autoarticolati | ↓40 ↓100 ↓80↓80↓80 | 1,0% | 15.000 |
Mezzi d'opera | ↓50 ↓120 ↓130↓130↓130 | 0,5% | 7.500 |
Questo spettro non corrisponde a nessuno di quelli proposti dal CNR nel Bollettino Ufficiale
n.178 de 15 Settembre 1995 (nel quale sono distinti in funzione della categoria di strada) ma è stato bensì calibrato per tener conto della specificità delle condizioni di traffico nell’area industriale interessata dal progetto.
Al fine di esprimere il traffico in termini di numero di passaggi equivalenti di assi singoli da 80 kN (Equivalent Single-Axle Load, ESAL), si moltiplica il numero di passaggi annui di ciascun asse (sia esso singolo, tandem o tridem) per il rispettivo equivalent axle load factor (EALF), che definisce il rapporto tra il danno arrecato alla pavimentazione dall’asse in questione e l’analogo danno causato dall’asse standard da 80 kN.
I valori di EALF, derivati dall’apposita tabella redatta dall’Asphalt Institute, e di ESAL/anno per ciascun tipo di veicolo sono riportati nella seguente tabella:
Tabella 2- Numero passaggi equivalenti
Tipo di veicolo | Distribuzione carichi per asse [kN] | EALF | Passaggi / anno | ESAL / anno |
Autocarri leggeri | ↓10 ↓20 | 0,015 | 675.000 | 10.125 |
Autocarri leggeri | ↓15 ↓30 | 0,032 | 652.500 | 20.880 |
Autocarri medi e pesanti | ↓40 ↓80 | 1,0562 | 90.000 | 95.058 |
Autocarri pesanti | ↓40 ↓80↓80 | 1,4362 | 30.000 | 43.086 |
Autotreni e autoarticolati | ↓40 ↓80↓80 ↓80↓80 | 2,8162 | 30.000 | 84.486 |
Autotreni e autoarticolati | ↓40 ↓100 ↓80↓80↓80 | 3,8962 | 15.000 | 58.443 |
Mezzi d'opera | ↓50 ↓120 ↓130↓130↓130 | 9,2 | 7.500 | 69.000 |
Totale | 1.500.000 | 381.078 | ||
Quello riportato in tabella rappresenta il numero complessivo dei passaggi di assi equivalenti sulla corsia più caricata nel corso del suo primo anno di vita.
Il numero complessivo di passaggi equivalenti standard da 80KN al termine della vita utile è stato calcolato dopo aver preventivamente stimato il tasso di crescita annuo del traffico pari allo 0,5%.
Il numero di ESAL complessivi dopo 20 anni è, pertanto:
Il metodo AASHTO definisce il Present Serviceability Index (PSI) come il livello di idoneità di una pavimentazione, in un particolare momento della sua vita, a servire il traffico, garantendo determinati livelli di sicurezza e comfort nella guida. Tale parametro è funzione della deformazione permanente in superficie, della regolarità superficiale e della presenza di fessurazioni.
Il PSI è espresso da un numero compreso tra 0 (livello molto scadente) a 5 (livello eccellente).
Si è ipotizzato che la pavimentazione, immediatamente dopo la sua realizzazione, abbia un indice di servizio molto buono, corrispondente a:
Si è inoltre imposto che alla fine della sua vita utile la pavimentazione raggiunga uno stato di deterioramento tale che l’indice di servizio risulti pari a:
Da questi valori si ricava la variazione dell’indice di servizio nell’arco della sua vita utile:
Le equazioni per il dimensionamento delle pavimentazioni fornite dal metodo AASHTO furono sviluppate sulla base di test condotti in un intervallo di tempo molto limitato, se paragonato alla vita utile di una pavimentazione stradale, e in una circoscritta area geografica. Di conseguenza esse devono essere calibrate per tener conto di fenomeni legati a fattori ambientali e climatici che si possono sviluppare su tempi lunghi. In particolare, il PSI di una pavimentazione può essere influenzato in maniera negativa dal rigonfiamento differenziale di un eventuale sottofondo costituito da argille o dall’effetto del gelo.
Come emerso dalle indagini geognostiche si è in presenza di terre non plastiche e non compressibili e dunque entrambi questi fattori non sono applicabili al caso in esame e non se ne terrà conto nel calcolo della pavimentazione.
L’affidabilità R è la probabilità che una pavimentazione stradale progettata col metodo AASHTO abbia effettivamente un rendimento soddisfacente per tutta la durata della sua vita utile sotto gli effetti del carico stradale e delle condizioni climatiche. Tale termine di
affidabilità consente di tener conto delle condizioni aleatorie che possono inficiare le previsioni di traffico e le prestazioni dei materiali utilizzati nella composizioni dei diversi strati. L’affidabilità del processo di dimensionamento restituisce dunque la probabilità di adeguato funzionamento della pavimentazione (progettata in determinate condizioni di traffico ed ambientali) per il periodo di progetto.
L’affidabilità è espressa mediante due fattori: la deviazione normale standard ZR e l’errore standard S0 combinato del traffico stimato e del traffico che la pavimentazione può sopportare.
Per queste due grandezze si sono adottati i valori corrispondenti ad un’affidabilità del 98%: ZR = -2,054
S0 = 0,50
Affermare che R=98% significa che in 98 casi su 100 le previsioni di progetto (traffico e prestazioni di progetto) consentono di raggiungere una prefissata vita utile. Viceversa nel 2% dei casi ciò non si verifica.
Nel metodo Design Guide for the Design of Pavement Structures (1993) la capacità portante del sottofondo è espresso in termini di Modulo Resiliente. La scelta di tale parametro è dettata dal fatto che esso meglio rappresenta il comportamento del sottofondo, in quanto consente di tener conto anche della componente viscosa reversibile della deformazione. Tuttavia nell’ambito della campagna di prove che ha interessato l’area di intervento non sono state condotte prove atte alla determinazione di questo parametro. Dunque si è proceduto ad una stima del valore da attribuire a questa grandezza sulla base di altri parametri di portanza. In particolare le prove penetrometriche hanno consentito di stimare, attraverso il numero di colpi NSPT, un modulo elastico pari al 46MPa.
In considerazione di ciò, e sulla base delle seguenti correlazioni empiriche, si ricavato un modulo resiliente pari a:
MR= 90N/mm2=10153psi ottenuto mediante:
E[MPa]=5*CBR, (Rafiroiu) MR[MPa]=10*CBR, (AASTHO Guide)
meccaniche dei materiali dei vari strati che la compongono.
Dalla conoscenza del modulo resiliente di ciascun materiale, è possibile ricavare, attraverso appositi grafici, i relativi coefficienti di spessore, che insieme alle caratteristiche drenanti dei
materiali, contribuiscono alla determinazione degli spessori dei singoli strati
Tabella 3- Coefficienti di spessore
Strato | Materiale | Modulo resiliente [psi] | Coefficiente di spessore |
Usura | Conglomerato bituminoso | 450.000 | 0,43 |
Base | Conglomerato bituminoso | 400.000 | 0,32 |
Fondazione | Misto granulare non legato | 30.000 | 0,14 |
Per tenere conto delle diverse capacità drenanti dei materiali impiegati nella costruzione degli strati non legati della pavimentazione rispetto a quelli usati per l’AASHO Road Test, nella definizione dello Structural Number concorrono dei coefficienti di drenaggio mi. Tali coefficienti modificano il valore attribuito al coefficiente di spessore ai di ogni strato non legato al di sopra del sottofondo. Gli strati in conglomerato bituminoso, o realizzati con materiali legati, infatti, non sono influenzati da un’eventuale cattivo drenaggio o dall’esposizione a condizioni di saturazione e dunque in questi casi si pone mi=1.
Per gli altri strati i coefficienti mi sono determinati considerando la qualità del drenaggio e il tempo, in percentuale, in cui la pavimentazione è esposta a livelli di umidità vicini alla saturazione come riportato nella seguente tabella.
Tabella 4- Coefficienti di drenaggio
Qualità del drenaggio | Tempo di rimozione dell’acqua | Percentuale di tempo nel quale gli strati non legati sono in condizioni prossime alla saturazione | |||
< 1% | Dall’1% al 5% | Dal 5% al 15% | > 25% | ||
Eccellente | 2 ore | 1,40-1,35 | 1,35-1,30 | 1,30-1,20 | 1,20 |
Buona | 1 giorno | 1,35-1,25 | 1,25-1,15 | 1,15-1,00 | 1,00 |
Media | 1 settimana | 1,25-1,15 | 1,15-1,05 | 1,00-0,80 | 0,80 |
Scarsa | 1 mese | 1,15-1,05 | 1,05-0,80 | 0,80-0,60 | 0,60 |
Molto scarsa | Non rimossa | 1,05-0,95 | 0,95-0,75 | 0,75-0,40 | 0,40 |
Le indagini geognostiche hanno evidenziato una buona capacità drenante degli strati che costituiranno il sottofondo e dunque la qualità del drenaggio può classificarsi come buona. Le condizioni di falda e di piovosità permettono di affermare che la percentuale di tempo nel quale gli strati non legati sono in condizioni prossime alla saturazione è variabile tra 1% ed il 5%. Alla luce di quanto detto si è assunto per la fondazione (unico strato non legato al di sopra del sottofondo) un coefficiente di drenaggio m3=1.15.
5.2.9 DIMENSIONAMENTO DELLA PAVIMENTAZIONE
Definite tutte le variabili progettuali, è possibile utilizzare l’equazione finale proposta dal metodo AASHTO per il calcolo delle pavimentazioni flessibili:
Sostituendo i valori noti si ricava il valore dello Structural Number: SN= 4,0473 in
Questo valore rappresenta la minima resistenza, espressa in numero di passaggi di assi singoli da 18 kip (80kN=8,2t) equivalenti, che la pavimentazione nel suo complesso deve offrire.
Per il calcolo della resistenza effettiva SNf della pavimentazione si considera l’equazione dello Structural Number fornita dal metodo AASHTO:
SN=a1*m1*H1+a2*m2*H2+a3*m3*H3 ≥ 4,0473 in In cui:
H1= spessore dello strato usura+binder; H2= spessore dello strato di base;
H3= spessore dello strato di fondazione;
a1= 0.43 coefficiente di spessore dello strato usura+binder; a2= 0.32 coefficiente di spessore dello strato di base;
a3= 0.14 coefficiente di spessore dello strato di fondazione; m1= 1 coefficiente di drenaggio dello strato usura+binder; m2= 1 coefficiente di drenaggio dello strato di base;
m3= 1.15 coefficiente di drenaggio dello strato di fondazione.
È immediato notare che questa equazione non ammette una soluzione univoca e quindi sono accettabili da un punto di vista teorico un’infinita combinazione di spessori H1, H2 e H3; al fine di scegliere una terna di valori che producano una pavimentazione accettabile dal punto di vista costruttivo, funzionale ed economico, si introducono dei vincoli sugli spessori minimi dei singoli strati.
Il minimo spessore dello strato superficiale (usura+binder) necessario per proteggere lo strato di base si determina calcolandone lo Structural Number SN1 tramite l’equazione AASHTO, sostituendo il modulo del sottofondo MR con il modulo resiliente dello strato di base MR2 e imponendo che esso debba essere assorbito dal solo strato superficiale:
Si è scelto pertanto uno spessore dello strato usura+binder di 9 cm in linea con quello già affermato nel predimensionamento. Tale spessore sarà composto da 4cm di usura e 5cm di binder.
Analogamente si procede per lo strato di base, sostituendo il modulo resiliente del sottofondo MR con il modulo dello strato di fondazione MR3:
Per lo strato di base si è deciso uno spessore di 13cm, ovvero 5cm in più rispetto a quello ipotizzato nel predimensionamento.
Lo strato di fondazione deve invece avere uno spessore minimo di:
Lo spessore effettivo dello strato di fondazione è stato scelto di 20cm.
Dall’equazione dello Structural Number si ricava l’effettiva resistenza offerta dalla pavimentazione progettata:
6.0 VERIFICA DELLA PAVIMENTAZIONE
La pavimentazione così dimensionata è stata verificata alla rottura per fatica, applicando la seguente legge:
Dove Nf è il numero di ripetizioni di carico consentiti per evitare la rottura per fatica; E è il modulo elastico dello strato di binder in conglomerato bituminoso; εt è la deformazione a trazione misurata all’interfaccia fra binder e base; per le costanti f1, f2, f3 la Shell suggerisce di usare rispettivamente i seguenti valori: 0,0685, 5,671 e 2,363.
Il danno è stato calcolato come il rapporto fra il numero di ripetizioni di carico effettivo e l’Nf (legge di Xxxxx ).
Per la verifica del sottofondo la legge utilizzata è la seguente:
Dove Nd è il numero di ripetizioni di carico per limitare la deformazione permanente; εc è la deformazione a compressione del sottofondo, misurata all’interfaccia con lo strato di fondazione; per le costanti f4, f5 la Shell indica rispettivamente i seguenti valori: 6,15 10-7 e 4,00.
Inoltre, affinché sia evitata la formazione di ormaie, la massima sollecitazione verticale è legata al numero N di ripetizioni di carico ed al modulo E del sottofondo, attraverso la seguente relazione di Kerhoven-Dormon:
Anche in questo caso il danno è stato calcolato applicando la legge di Xxxxx.
Tramite il software di calcolo per le pavimentazioni KENPAVE, basato sulla teoria del multistrato elastico, sono state calcolate le deformazione e sollecitazioni dei vari strati. I dati di input richiesti dal programma sono gli spessori degli strati, il modulo elastico e il coefficiente di Poisson per ogni strato, e il carico, introdotto tramite la pressione di gonfiaggio dello pneumatico e il raggio di impronta circolare di quest’ultimo.
Considerando le caratteristiche dei materiali riportate in tabella 5 e una temperatura di riferimento di 20°C, è stata effettuata l’analisi per ogni tipo di veicolo appartenente allo spettro di traffico.
Tabella 5- Caratteristiche dei materiali
STRATO | Spessore [cm] | Modulo E [Mpa] | Xxxxx. Poisson |
Conglomerato Bituminoso | 22 | 3000 | 0,35 |
Fondazione in MGS | 20 | 350 | 0,35 |
Sottofondo | 46 | 0,35 |
Gli spessori della pavimentazione così dimensionata non sono risultati soddisfacenti per tali verifiche.
Di seguito si riportano uno schema rappresentativo della stratigrafia, con i punti considerati per la verifica, ed i fogli di output del KENPAVE i risultati ottenuti del calcolo del danno.
Tabella 6- Verifica strati in conglomerato bituminoso Z=21,99cm
Legge di fatica | f1 | f2 | f3 | εt | E [psi] | Nf passaggi limite | Danno a fatica |
Shell | 0,0685 | 5,671 | 2,363 | 2,64E-04 | 435113,2131 | 635173,57 | 0,24772 |
Tabella 7- Verifica sottofondo Z=44,01cm
Legge di fatica | f4 | f5 | εc | Nd passaggi limite | Danno a fatica |
Shell | 6,15E-07 | 4 | 1,29E-03 | 224161,45 | 0,70192 |
Legge di fatica | s [Mpa] | passaggi limite | Danno a fatica |
Kerhoven Dormon | 0,0638 | 25177183,65 | 0,00625 |
I valori sopra riportati fanno riferimento al passaggio del mezzo più pesante dello spettro di traffico, ovvero i mezzi d’opera con asse tridem da 130 kN, a cui è attribuito un numero di passaggi durante la vita utile di 157343.
Come si nota dalla Tabella 7 nella verifica del sottofondo il danno risulta essere di circa 0,7. Tale valore si ritiene troppo alto se si considera che a questo risultato di danno a fatica devono essere sommati tutti quelli relativi alle altre componenti dello spettro di traffico e tale somma deve essere inferiore a 1.
Pertanto, con l’obiettivo di avere soddisfatta al verifica a fatica del sottofondo, si è ottimizzato lo spessore della fondazione con progressivi incrementi dello stesso sino all’esito positivo della verifica. Lo spessore della fondazione che soddisfa la verifica è 35cm.
Si riportano uno schema rappresentativo della stratigrafia, con i punti considerati per la verifica ed i risultati ottenuti dal KENPAVE dovuti sempre all’applicazione del carico più pesante (asse tridem da 130kN).
Con questa nuova configurazione stratigrafica il valore del danno risulta verificato.
Tabella 8- Verifica strati in conglomerato bituminoso Z=21,99cm
Legge di fatica | f1 | f2 | f3 | εt | E [psi] | Nf passaggi limite | Danno a fatica |
Shell | 0,0685 | 5,671 | 2,363 | 2,34E-04 | 435113,21 | 1270445,985 | 0,12385 |
Tabella 9- Verifica sottofondo Z=57,01cm
Legge di fatica | f4 | f5 | εc | Nd passaggi limite | Danno a fatica |
Shell | 6,15E-07 | 4 | 1,04E-03 | 521680,06 | 0,30161 |
Legge di fatica | s [Mpa] | passaggi limite | Danno a fatica |
Kerhoven Dormon | 0,0503 | 2570129,038 | 0,06122 |
In definitiva la pavimentazione avrà la seguente composizione strutturale:
- Strato di usura in conglomerato bituminoso, s=4cm;
- Strato di binder in conglomerato bituminoso, s=5cm;
- Strato di base in conglomerato bituminoso, s=13cm;
- Strato di fondazione in misto granulare stabilizzato, s=35cm.