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Georadar: le proprietà meccaniche della sovrastruttura stradale

Un modello semi-empirico di previsione delle proprietà meccaniche della sovrastruttura di una pavimentazione flessibile per mezzo di indagini non distruttive condotte tramite strumentazione georadar

L’indagine preventiva delle caratteristiche prestazionali di una pavimentazione stradale risulta di prioritaria importanza nella corretta implementazione di un efficace sistema di manutenzione programmata delle strade o Pavement Management System (PMS), in quanto la determinazione della soluzione manutentiva più idonea può consentire un notevole contenimento dei costi di intervento, specialmente ove questi siano legati ad operazioni di ripristino e riabilitazione delle condizioni strutturali di origine. D’altra parte, un idoneo monitoraggio delle caratteristiche prestazionali di un’infrastruttura stradale incide anche sulla sicurezza di esercizio relativamente alla tempestività dell’intervento manutentivo da approntare che, se in difetto sui tempi, può avere ricadute non trascurabili sullo stato di ammaloramento del piano viabile, mostrando effetti sulle caratteristiche di regolarità e aderenza, fino all’incidentalità attesa nei tratti interessati.

Immagini

  • La misura delle caratteristiche meccaniche tramite Light Falling Weight Deflectometer
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    La misura delle caratteristiche meccaniche tramite Light Falling Weight Deflectometer
  • Il sito sperimentale realizzato presso il Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi Roma Tre
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    Il sito sperimentale realizzato presso il Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi Roma Tre
  • Il georadar ad antenne accoppiate a terra RIS 99-MF, prodotto da IDS Ingegneria dei Sistemi SpA
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    Il georadar ad antenne accoppiate a terra RIS 99-MF, prodotto da IDS Ingegneria dei Sistemi SpA
  • I risultati della validazione del modello di calcolo: il confronto tra i valori assoluti dei moduli elastici osservati e predetti
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    I risultati della validazione del modello di calcolo: il confronto tra i valori assoluti dei moduli elastici osservati e predetti
  • Il coefficiente di determinazione tra modulo elastico osservato e predetto
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    Il coefficiente di determinazione tra modulo elastico osservato e predetto
  • Le mappe di modulo elastico osservato
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    Le mappe di modulo elastico osservato
  • Le mappe di modulo elastico predetto
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    Le mappe di modulo elastico predetto

In questo lavoro si presenta un modello semi-empirico innovativo basato sull’utilizzo del georadar. Il modello è stato sviluppato alla meso-scala di investigazione su pavimentazione flessibile basandosi sulle caratteristiche di ampiezza del segnale elettromagnetico rilevato, in relazione al modulo elastico misurato in diversi punti della pavimentazione di prova, con lo scopo di garantire un monitoraggio preventivo e una diagnostica efficace per la stima delle proprietà meccaniche e la salvaguardia delle caratteristiche prestazionali della pavimentazione.

Lo stato dell’arte nella valutazione delle caratteristiche meccaniche delle pavimentazioni flessibili
Le tecniche di indagine non distruttiva
Il Falling Weight Deflectometer

II Falling Weight Deflectometer (FWD) è costituito essenzialmente da una massa nota in grado di generare sul sottofondo un carico di tipo impulsivo cadendo su un gruppo di molle montate su una piastra appoggiata sulla pavimentazione, che rendono quindi dinamica la sollecitazione indotta. Il sistema prevede

sette trasduttori accelerometrici (geofoni) disposti in linea in grado di misurare il bacino delle deflessioni, di tipo elastiche e viscose reversibili. Il FWD può essere utilizzato per analisi su tutti i tipi di sedi stradali, sulle piste aeroportuali, sia su pavimentazioni in bitume (normale o additivato) sia su elementi in calcestruzzo; l’unico limite al suo impiego è rappresentato dalle dimensioni dello strumento, che non ne rendono sempre possibile l’accesso al sito. La sua versione portatile (Light Falling Weight Deflectometer, LFWD), si basa sullo stesso principio di funzionamento, ma è costituito da elementi di dimensioni ovviamente ridotte, che ne consentono l’utilizzo anche in aree di difficile accessibilità e operabilità.

Il Ground-Penetrating Radar

Il georadar o Ground-Penetrating Radar (GPR) è uno strumento mutuato dalle applicazioni di natura geofisica basato sulla propagazione delle onde elettromagnetiche nel mezzo di indagine che ha riscontrato un notevole successo in diverse discipline. Per le caratteristiche geometrico-costruttive delle pavimentazioni stradali, questa tecnologia ha trovato considerevole successo nel campo dell’ingegneria stradale. Nella configurazione standard, è possibile misurare il ritardo temporale tra l’istante in cui si trasmette il segnale elettromagnetico tramite antenna trasmittente e quello necessario alle onde riflesse dal bersaglio per tornare all’antenna ricevente.

Con una successiva fase di analisi del segnale registrato, si è quindi in grado di monitorare la variazione dei parametri elettromagnetici costitutivi del sottosuolo. Generalmente, un sistema GPR si caratterizza per le sue capacità di penetrazione e risoluzione del segnale. Le caratteristiche di frequenza della radiazione influenzano in modo assai rilevante la penetrazione del sistema, in quanto al diminuire di essa diminuiscono le dissipazioni e si determina un aumento delle profondità di penetrazione raggiungibili.

Nelle applicazioni stradali si utilizza solitamente una risoluzione orizzontale, che si riferisce alla capacità di poter riconoscere due oggetti vicini alla stessa profondità, variabile tra 1 e 10 cm, a seconda delle applicazioni e dell’estensione delle indagini. Nel campo delle applicazioni stradali per la stima delle caratteristiche di resistenza e deformazione degli strati della pavimentazione, il georadar ricopre convenzionalmente un ruolo complementare a quello della strumentazione FWD, in quanto utilizzato nella maggior parte dei casi per la stima delle caratteristiche geometriche degli strati, necessarie per l’implementazione di procedure di back analysis.

In questo studio, la capacità dello strumento di fornire indicazioni autoconsistenti affidabili sulle caratteristiche meccaniche della pavimentazione viene valutata indipendentemente dall’impiego di tecnologia a supporto.

Un modello semi-empirico per la valutazione del modulo di elasticità tramite Georadar
Le basi teoriche di riferimento

L’approccio semi-empirico, alla base del modello presentato in questo articolo, si basa su un’impostazione teorica del problema, che prevede una calibrazione dei parametri utilizzando dati meccanici raccolti sperimentalmente in sito. L’idea di una relazione tra le caratteristiche meccaniche e quelle dielettriche di terreni naturali e materiali sciolti addensati fu introdotta nei primi anni Novanta da Mitchell, il quale ipotizzò una dipendenza tra le caratteristiche meccaniche di un materiale granulare, che sono funzione dell’entità delle interazioni tra i grani che lo compongono, e le caratteristiche dielettriche, dipendenti anche dalla densità apparente del materiale. 

Da quest’ultima dipendono a loro volta grandezze quali l’indice dei vuoti e l’acqua libera all’interno del materiale, in grado di influenzare fortemente la risposta elettromagnetica del materiale stesso.

In questo senso, dunque, è ragionevole attendersi un buon grado di correlazione tra la resistenza meccanica e le proprietà dielettriche di un determinato materiale. A partire da queste considerazioni, quindi, è stato proposto un modello per la valutazione del modulo elastico E [MPa]. La calibrazione dei coefficienti α, β, γ e della funzione μz ha necessitato di dati ground-truth che esprimessero valori affidabili di resistenza meccanica della pavimentazione stradale, in termini di modulo elastico E. A tal fine, le prove di caratterizzazione della resistenza meccanica della pavimentazione analizzata sono state effettuate con strumentazione LFWD. Da un punto di vista strettamente teorico, l’applicazione del deflettometro permette di valutare la resistenza meccanica del mezzo indagato.

La fase sperimentale e la calibrazione del modello alla meso-scala

La calibrazione del modello ha previsto l’esecuzione di una campagna prove su sito sperimentale appositamente realizzato presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre. Il sito si sviluppa su un’area di dimensioni 4×30 m composta da una pavimentazione di tipo flessibile. Operazioni di carotaggio hanno rivelato una struttura a strati così composta: circa 80 mm di usura e binder, 100 mm di base in misto bitumato, e 100 mm di fondazione in misto granulare sciolto. Per caratterizzare l’area di indagine in maniera più efficiente ed efficace, è stata realizzata una griglia a maglie quadrate di lato 0,40 m ognuna, per complessivi 76 × 11 nodi, in maniera tale da configurare 836 nodi.