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Studio dinamico dell’interazione barriera di sicurezza/terreno – seconda parte

L'inserimento di barriere resistenti vicino a rilevati stradali: un'indagine sperimentale effettuata mediante tre prove d'urto per documentare l'interazione della struttura con il terreno e gli effetti dell'impatto e per comprendere i meccanismi che intervengono in tale cinematismo

Nella prima parte di questa relazione, gli Autori hanno trattato le fasi preparatorie di un’indagine sperimentale su tre prove d’urto per lo studio delle barriere di sicurezza su rilevati stradali; in questa seconda e ultima parte verranno trattati i test di impatto e le possibili indicazioni progettuali per il dimensionamento dei montanti infissi nel terreno.

Immagini

  • La dinamica dell’impatto nella prova B
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    La dinamica dell’impatto nella prova B
  • La dinamica dell’impatto nella prova B
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    La dinamica dell’impatto nella prova B
  • La coppia estensimetrica 2-6
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    La coppia estensimetrica 2-6
  • La coppia estensimetrica 2-6
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    La coppia estensimetrica 2-6
  • La coppia estensimetrica 9-10
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    La coppia estensimetrica 9-10
  • La coppia estensimetrica 9-10
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    La coppia estensimetrica 9-10
  • Gli elementi vettoriali di interpretazione delle immagini
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    Gli elementi vettoriali di interpretazione delle immagini
  • La sequenza temporale del Test B
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    La sequenza temporale del Test B
  • Lo schema per il calcolo grafico degli spostamenti del montante
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    Lo schema per il calcolo grafico degli spostamenti del montante
  • Lo schema geometrico della prova
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    Lo schema geometrico della prova
  • Il calcolo dell’energia potenziale del maglio
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    Il calcolo dell’energia potenziale del maglio
  • Lo schema energetico riassuntivo relativo al sistema impattante nel Test B
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    Lo schema energetico riassuntivo relativo al sistema impattante nel Test B
  • Le deformazioni rilevate (xt = 1,9 s) dalla coppia estensimetrica (4-8) al piano di campagna
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    Le deformazioni rilevate (xt = 1,9 s) dalla coppia estensimetrica (4-8) al piano di campagna
  • Le deformazioni e gli spostamenti rilevati (xt = 0,23 s) in corrispondenza della coppia estensimetrica (4-
8) al piano di campagna
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    Le deformazioni e gli spostamenti rilevati (xt = 0,23 s) in corrispondenza della coppia estensimetrica (4- 8) al piano di campagna
  • Fotogrammi estratti dalla ripresa ad alta velocità durante il Test B
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    Fotogrammi estratti dalla ripresa ad alta velocità durante il Test B
  • L’andamento di M, T e q e le condizioni al contorno
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    L’andamento di M, T e q e le condizioni al contorno
  • I momenti flettenti M(z) per vari istanti
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    I momenti flettenti M(z) per vari istanti
  • Il taglio T(z) per vari istanti
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    Il taglio T(z) per vari istanti
  • Il carico lineare qs(z) per vari istanti
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    Il carico lineare qs(z) per vari istanti
  • ƒid(z) (criterio di Mises) per vari istanti
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    ƒid(z) (criterio di Mises) per vari istanti
  • Kdin/Kp per vari istanti
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    Kdin/Kp per vari istanti
  • Kdin/KP,3D per vari istanti
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    Kdin/KP,3D per vari istanti
  • Lo schema semplificato
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    Lo schema semplificato
  • Il confronto dei modelli rigoroso/semplificato meccaniche
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    Il confronto dei modelli rigoroso/semplificato meccaniche
  • Il range dei dati per la validazione del modello
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    Il range dei dati per la validazione del modello
Le prove definitive

In seguito alle fasi preparatorie descritte sullo scorso fascicolo, la sperimentazione si è concretizzata nell’esecuzione di tre impatti ottenuti sganciando il maglio da un’altezza da terra di 4,34 m, su altrettanti montanti denominati A, B e C. L’elaborazione dei risultati si è sviluppata con riferimento a tre parametri fondamentali: gli spostamenti dei montanti, i bilanci energetici e le tensioni indotte nel terreno.

Gli spostamenti dei montanti

Con l’elaborazione dei fotogrammi acquisiti ogni 0,004 s dalla telecamera ad alta velocità, si sono stimati gli spostamenti progressivi dei montanti rispetto alla configurazione iniziale. I fotogrammi in formato raster sono stati interpretati mediante un “telaio” vettoriale costituito da quattro elementi principali: l’asse del montante e tre segmenti ad esso ortogonali in corrispondenza di quote prefissate e facilmente individuabili. Il “telaio” è stato sovrapposto ad ogni fotogramma, ricavando la posizione del paletto ogni 0,004 s. Essendo univocamente determinata la posizione del montante nel piano, è quindi stato possibile ricavare le coordinate di ogni suo punto in funzione del tempo o della posizione del maglio.

Con una semplice interpolazione si sono quindi determinati i valori degli spostamenti del montante al piano di campagna e alle profondità estensimetriche.

Il bilancio energetico

Con i dati acquisiti è stato altresì possibile stimare il valore dell’energia dissipata dal terreno in seguito all’urto tra il pendolo e il montante.

Per condurre l’analisi in modo razionale si sono considerati in vari istanti i seguenti fattori:

  • energia del maglio (tenendo conto dei cavi di sospensione);
  • energia del montante;
  • energia dissipata per attrito (maglio-montante);
  • energia dissipata dal terreno.
Le sollecitazioni nei montanti e tensioni indotte nel terreno

Tenendo conto dei dati di tutte le coppie estensimetriche, è stato possibile determinare le sollecitazioni agenti a varie quote sul montante Disponendo quindi di sette condizioni al contorno (quattro valori estensimetrici + tre condizioni aggiuntive), è possibile determinare l’equazione polinomiale di sesto grado che rappresenta l’andamento reale di M(z) e di conseguenza le espressioni di T(z) e qs(z), reazione del terreno sul paletto. Si è infatti ottenuto un sistema lineare di sette equazioni, che impongono altrettante condizioni al contorno, in sette incognite costituite dai coefficienti dell’equazione di sesto grado M(z). Le funzioni di M(z), T(z) e qs(z) sono state determinate nell’istante iniziale dell’impatto e, progressivamente, ogni 4 ms fino a 0,20 secondi dall’urto.

Si possono individuare due fasi distinte in base al comportamento del terreno:

  • una prima fase in cui si hanno le massime sollecitazioni nel paletto e nel terreno (resistenza di picco);
  • una seconda fase in cui le sollecitazioni rimangono costanti e gli spostamenti che comunque si esauriscono nel punto D mobilitano la resistenza residua del terreno.

Notevoli sono anche i valori delle reazioni del terreno (KP,din) sul montante, i cui picchi superano di 150 volte il valore della spinta passiva teorica plane-strain (KP) e di 90 volte quello della spinta passiva calcolato con l’espressione tridimensionale (KP,3D). Nel passo successivo, si è ricercata un’espressione analitica generale del carico lineare qj(z) che, tenendo conto dei parametri geotecnici del terreno, consentisse di riprodurre l’evento.

Assumendo inoltre che, come ottenuto dai dati sperimentali, le forme dei diagrammi delle reazioni del terreno lungo il post siano, rispettivamente, triangolare nella parte superiore (z = 0÷0,5 L) e trapezoidale nella parte inferiore (z = 0,5 L÷L), è possibile determinare il momento resistente mobilitabile in un ampio intervallo di deformazioni.

Noto H, è possibile determinare FH,MAX che, moltiplicato per lo spostamento massimo della barriera (uMAX ≅ H), fornirà l’energia dissipabile dal supporto. In alternativa, conoscendo l’energia da dissipare, sarà possibile calcolare l’infissione minima del supporto (Lmin).