Simulazione dinamica fem di pavimentazioni stradali rigide. incremento delle capacità dissipative della sovrastruttura con l'impiego di strati superficiali in conglomerato bituminoso

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Il comportamento di una sovrastruttura, e quindi il suo 
“stato”, è definito essenzialmente dai seguenti parametri: 
• caratteristiche strutturali; 
• caratteristiche superficiali; 
Le caratteristiche strutturali sono legate alla portanza, alle 
capacità di sopportare i carichi di traffico e alla loro ripartizione 
nel tempo. 
La portanza è collegata essenzialmente alla deformabilità 
dei vari strati che costituiscono la sovrastruttura, al modo con cui 
essi si susseguono e alle loro condizioni di accoppiamento. 
Un danno strutturale si manifesta generalmente come 
“rottura” di uno o più strati della sovrastruttura, e può essere 
causato o da fenomeni di fatica, per l’applicazione di carichi 
ripetuti che determinano uno stato tensionale nel materiale anche 
notevolmente inferiore a quello ammissibile, o per l’applicazione 
di carichi per i quali viene superata la resistenza a rottura del 
materiale. 
Le caratteristiche superficiali sono legate essenzialmente 
alla funzionalità della sovrastruttura, espressa in termini di 
comfort e sicurezza. 
Tali caratteristiche si riferiscono infatti alla regolarità, 
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rugosità, rumorosità e drenabilità del piano viabile. 
Il deteriorarsi della tessitura superficiale di una 
sovrastruttura per effetto del traffico determina una diminuzione 
del comfort di marcia; analogamente, diminuiscono i valori 
dell’aderenza offerti dal manto superficiale e dai quali la 
sicurezza del traffico largamente dipende. 
L’esperienza dimostra che, nonostante le massicce 
ricerche svolte nel campo dei materiali e delle tecnologie di 
esecuzione, non sempre è possibile realizzare sovrastrutture che 
mantengano inalterate le loro caratteristiche superficiali sotto 
l’effetto di un traffico intenso, per un tempo pari a quello 
previsto per la vita utile delle stesse.  
Risulta inevitabile, quindi, la previsione di interventi 
intermedi per ripristinare le condizioni iniziali durante tale 
periodo. 
In presenza di una sovrastruttura stradale con pronunciate 
irregolarità superficiali, il comfort di marcia dell’utente viene 
notevolmente condizionato dalle accelerazioni verticali che 
subisce il veicolo, nonostante lo stesso le attenui attraverso il 
sistema sospensioni-pneumatici. 
Oltre ad incidere sul comfort di marcia, le irregolarità 
superficiali possono provocare dei ristagni d’acqua con 
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conseguente riduzione della visibilità a causa dello spray 
originato dalle ruote in movimento e condizionare le qualità 
frenanti dei veicoli, dato che l’aderenza impegnabile risulta 
molto variabile. 
Le dimensioni caratteristiche che identificano le 
irregolarità della superficie stradale sono la lunghezza 
dell’ondulazione λ, la profondità massima di ondulazione o 
ampiezza a e l’indice di irregolarità ρ = a/λ (Fig.1). 
 
 
 
Fig.1 - Rappresentazione schematica di un’onda. 
La normativa CNR distingue quattro classi di 
discontinuità superficiali in funzione del dominio delle 
lunghezze d’onda: si definisce irregolarità superficiale una 
discontinuità con λ>0.5m e tessitura del piano viabile una 
discontinuità con 0.5mm<λ≤0.5m. 
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Alla predetta scala delle lunghezze d’onda viene associata 
quella della frequenza spaziale f =
1
λ
 (Fig.2). 
 
 
λ                         0.5mm                                 50mm                                   0.5m              
 
       
 
Microtessitura  Macrotessitura  Megatessitura  Irregolarità 
 
       
 
                      2000 cicli/m                          20 cicli/m                       2 cicli/m                        1/λ 
 
Fig.2 - Definizione delle classi di tessitura in funzione della 
lunghezza d’onda λ e della frequenza spaziale 1/λ. 
Esiste una corrispondenza tra la lunghezza d’onda λ, che 
è una grandezza definita nel dominio dello spazio, e il periodo T, 
definito nel dominio del tempo. 
Nel dominio del tempo il periodo T varia con la frequenza 
ciclica (pulsazione) ω [ rad/s ] secondo la legge: 
ω
pi2
=T
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Nel dominio dello spazio la lunghezza d’onda λ è 
inversamente proporzionale al numero d’onda Ω [ rad/m ]: 
 
Se un veicolo che si muove di moto rettilineo con velocità 
costante V, il tempo τ che esso impiega a per percorrere la 
distanza X è: 
mentre la lunghezza d’onda λ viene coperta in un periodo 
di tempo T: 
Quindi la relazione tra pulsazione ω e il numero d’onda Ω 
è: 
 
Essendo ω direttamente proporzionale alla frequenza f, 
cioè:  
Ω
=
pi
λ
2
V
X
=τ
V
T
λ
=
Ω=== VV
T λ
pipi
ω
22
fpiω 2=
 10
 
si ha anche  
Per cui, a grandi lunghezze d’onda corrispondono, nel 
dominio del tempo, basse frequenze mentre a piccole lunghezze 
d’onda corrispondono alte frequenze. 
Ciò premesso, quando la lunghezza d’onda λ supera i     
2-3 cm, si manifestano fenomeni di scuotimento intollerabili che 
creano forti disagi ai viaggiatori e danneggiamenti ai veicoli in 
marcia. 
Si consideri una irregolarità di modesta entità avente una 
lunghezza d’onda pari a 2 m e un’ampiezza pari a 2 cm. 
Si dimostra facilmente che alla velocità di 80 km/h, le 
ruote che passano tale irregolarità si vengono a trovare distaccate 
dal suolo ma in equilibrio dinamico cioè con accelerazione 
centrifuga pari a quella di gravità; se la velocità del veicolo è 
superiore ad 80 km/h le ruote si staccano dal suolo per ricadere 
sulla pavimentazione pochi metri più avanti, con un’energia 
d’urto pari a 2-3 volte il peso proprio (il carico normale che la 
ruota abitualmente trasmette alla sovrastruttura), causando 
quindi uno squilibrio dinamico (Fig.3). 
λ
V
f =
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Errore. Il collegamento non è valido. 
Fig.3 - Schema del comportamento di una ruota in prossimità di un 
dosso. 
L’introduzione degli ammortizzatori a doppio effetto 
anche negli autoveicoli pesanti ha modificato il comportamento 
suddetto della ruota, tuttavia rimane fondamentalmente invariato 
il fenomeno del martellamento violento ed incessante che i 
veicoli esercitano sulla sovrastruttura. 
In particolare, le forze dinamiche variabili applicate alla 
superficie stradale dalle ruote dei veicoli in movimento generano 
delle onde “tenso-deformative” si propagano nel suolo attraverso 
la sovrastruttura ed il sottofondo stradale. 
In questo contesto la sovrastruttura esercita una funzione 
di distribuzione e diffusione delle azioni ad essa direttamente 
applicate dalle ruote, riducendo il loro effetto nel sottofondo. 
Le onde di vibrazione di rilevante interesse sono di 
quattro tipi: 
1. onde di volume longitudinali o di compressione,   
onde p; 
2. onde di volume trasversali, onde s; 
3. onde di superficie, anche dette di Rayleigh, onde r; 
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4. onde d’interfaccia o di confine. 
Le onde p ed s sono anche chiamate onde di volume 
poiché esse si propagano nello spazio, sia esso il “semispazio” o 
il continuo indefinito, mentre le onde r, non molto diversamente 
dalle perturbazioni che possono osservarsi sulla superficie 
dell’acqua, sono confinate in una regione limitata e vicina alla 
superficie. 
Per ciò che concerne le onde d’interfaccia, che non sono 
molto diverse dalle onde r, esse si hanno solo se è presente un 
mezzo stratificato e solo se i moduli di taglio degli strati 
sottostanti sono più grandi di quelli degli strati sovrastanti. 
Si può quindi affermare che in un semispazio elastico si 
possono avere principalmente tre tipi di onde: di compressione, 
di taglio e di Rayleigh (Fig. 4). 
 
 
 
 
 
 
 13
 
 
Fig.4 – Schema delle onde di tipo p, s e di Rayleigh. 
Le ondulazioni di un manto stradale possono avere: 
a) una lunghezza d’onda brevissima 
b) una lunghezza d’onda del diametro di una ruota 
(irregolarità più fastidiosa); 
c) una lunghezza d’onda di alcuni metri. 
Le irregolarità a breve lunghezza d’onda sono state le 
prime ad essere eliminate perché la loro presenza è 
manifestamente più distruttiva, sia per i veicoli che per la 
sovrastruttura stessa; tuttavia, anche le ondulazioni con elevata 
lunghezza d’onda risultano pericolosissime e devono essere 
evitate. 
Si nota facilmente come le ondulazioni di una 
sovrastruttura siano deleterie agli effetti della propria 
conservazione e come, quindi, sia necessario prendere ogni 
precauzione tecnica affinché esse non possano verificarsi. 
Purtroppo, accade che sovrastrutture perfettamente 
costipate all’atto della loro costruzione cominciano, a causa del 
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traffico veicolare, a presentare dopo un certo periodo di tempo 
ondulazioni sempre più marcate che tendono a compromettere 
l’integrità del manto stradale. 
La causa di questo fenomeno è dovuta al cattivo 
comportamento delle fondazioni e degli strati di base sui quali 
poggia il manto stradale ed alla scarsa omogeneità dello strato di 
conglomerato posto in opera.  
Se le caratteristiche dei conglomerati bituminosi sono 
diverse in due zone adiacenti, è evidente che sia l’operazione di 
rullatura che il traffico agiranno su questi due conglomerati 
bituminosi in modo simile solo inizialmente. 
In realtà, nel tempo, la differenza nelle caratteristiche 
meccaniche determina, quale ovvia conseguenza, la formazione 
di un’onda che a sua volta induce sul traffico una sollecitazione 
verticale. 
A queste segue, per reazione, un impatto violento che 
provoca la formazione di nuove ondulazioni, fessurazioni ed il 
dissesto della strada. 
Il fenomeno progredisce con l’incremento di sforzi e 
deformazioni sugli strati della sovrastruttura. 
La Fig.5 mette in evidenza come una discontinuità 
iniziale del manto stradale possa rapidamente causare il suo 
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degrado a causa della reazione dovuta al martellamento del 
traffico. 
Le irregolarità longitudinali si presentano con ampie o 
piccole lunghezze d’onda; le prime sono proprie di tutte le 
sovrastrutture e provocano oscillazioni di notevole intensità e 
bassa frequenza, le seconde, invece, sono tipiche delle 
sovrastrutture plasto-viscose e causano oscillazioni di alta 
frequenza e bassa intensità. 
Le irregolarità inferiori ai 2.5 cm di lunghezza 
influenzano principalmente le qualità di aderenza di una 
sovrastruttura; quelle comprese fra i 3.5 cm e i 30 metri ne 
determinano il livello di comfort di marcia. 
Errore. Il collegamento non è valido. 
Fig.5 - Indicazione schematica di una prima irregolarità dovuta a 
cattiva omogeneità (1) e di ondulazioni formatesi 
successivamente a causa del traffico veicolare (2). 
Le apparecchiature utilizzate per la misura delle 
irregolarità superficiali devono rispondere ai seguenti requisiti 
fondamentali rappresentati dalla mobilità, dalla semplicità di 
costruzione e di uso, dalla precisione delle misure e dalla loro 
affidabilità.  
Tutte le apparecchiature rispondono al medesimo 
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principio che consiste nel rilevare, in relazione alla linea di 
riferimento, il profilo della sovrastruttura. 
In effetti questa linea di riferimento varia con lo spostarsi 
dell’attrezzatura, e se quest’ultima ha delle caratteristiche lineari, 
come avviene generalmente, il valore misurato deriva dal profilo 
vero tramite una funzione di correlazione propria di ciascuna 
apparecchiatura che viene chiamata funzione di trasferimento. 
I metodi e le apparecchiature per il rilievo delle regolarità 
longitudinali si suddividono in: 
• Rilievi topografici mediante livello e stadia. 
• Regoli; oltre al regolo a mano direttamente appoggiato 
sulla sovrastruttura, il tipo più comune è rappresentato 
da un regolo mobile poggiante su due ruote alle 
estremità con una rotella misuratrice centrale collegata 
ad un quadrante. 
• Indicatori di pendenza; lo strumento tipo è il 
cosiddetto profilografo Chloe, che è una 
semplificazione di quello utilizzato in occasione delle 
prove AASHO. 
• Apparecchiature inerziali; sono costituite da una 
rotella palpatrice posta al centro di una autovettura che 
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trasmette ad un galvanometro registratore, tramite un 
potenziometro, degli impulsi elettrici proporzionali al 
dislivello esistente tra il telaio del veicolo e la rotella. 
• Apparecchio ad impulsi; è il cosiddetto Bump 
Integrator, chiamato anche Roughmeter, costituito da 
una ruota e da un integratore che registra gli 
spostamenti cumulati della ruota rispetto al telaio e la 
distanza percorsa.  
Sebbene le irregolarità trasversali abbiano riflessi minori 
di quelle longitudinali sul comfort di marcia, non è così per 
quanto riguarda la sicurezza; basti pensare al pericolo che 
possono portare le ormaie al traffico automobilistico veloce ed 
ancor più a quello motociclistico. Gli apparecchi di rilevamento 
si suddividono in statici e mobili: 
♦ Apparecchi statici; il più semplice è costituito dal «rut 
depth meter» tipo AASHO e non è altro che il classico 
regolo adagiato sulla superficie della sovrastruttura. 
♦ Apparecchi mobili; il principio su cui si basa è quello 
di esplorare da un veicolo che marcia a velocità 
moderate (9÷30 km/h) la superficie della 
sovrastruttura mediante un sottile pennello luminoso 
laser di cui si registra l’angolo formato dal raggio 
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incidente con il raggio riflesso ovviamente 
proporzionale al dislivello in senso trasversale. 
Pur non esistendo una definizione del tutto soddisfacente 
di comfort di marcia, quella più elementare collega il comfort 
alle accelerazioni verticali subite dall’utente, trascurando una 
quantità di elementi importanti quali il rumore e la trasmissione 
di vibrazioni degli organi di guida del veicolo. 
Esistono due criteri: uno francese che tende a collegare la 
nozione di comfort a misure di accelerazione, l’altro americano 
che ricollega la nozione di comfort al ben noto indice di servizio 
PSI della prova AASHO, cioè ad giudizio globale espresso da un 
gruppo di esperti che esaminano periodicamente la sovrastruttura 
ed attribuiscono ad alcuni parametri fisici di questa dei 
coefficienti di qualità che definiscono matematicamente il valore 
del PSI. 
Occorre sottolineare come, sia le pavimentazioni in 
calcestruzzo sia quelle in conglomerato bituminoso, abbiano 
migliorato nel tempo il loro livello di regolarità superficiale e 
come, attualmente, la qualità di percorribilità delle prime 
differisce ben poco dalle seconde. 
In genere, il più basso livello di comfort di una 
sovrastruttura in calcestruzzo non armato deriva dal gran numero 
di giunti presenti.