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Strumenti ad alto rendimento per conoscere le pavimentazioni

La realizzazione di un prototipo di profilometro laser come strumento diagnostico per la manutenzione programmata delle pavimentazioni stradali

Strumenti ad alto rendimento per conoscere le pavimentazioni

Al fine di disporre di uno strumento in grado di fornire criteri oggettivi di priorità per la manutenzione della propria rete stradale, la Provincia di Perugia ha deciso di dotarsi di un profilometro, ossia uno strumento ad alto rendimento per la conoscenza dello stato superficiale della pavimentazione. In alternativa all’acquisto diretto dello strumento, la Provincia ha scelto di realizzarlo in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Perugia coinvolgendo il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale e il Dipartimento di Ingegneria Elettronica e dell’Informazione. Il motivo principale di questa scelta è legato alla possibilità di sfruttare al meglio tutti i dati forniti dai sensori del profilometro, che pur con costi contenuti è un prototipo dotato di dieci laser. A tal fine, gli Autori hanno posto particolare cura nella creazione del software di post-elaborazione in grado di fornire, oltre all’indice IRI (International Roughness Index), anche informazioni relative alla tipologia, alla gravità e alla localizzazione delle singole irregolarità; inoltre, elaborando i dati di tutti i laser, si sono potuti ottenere i valori delle pendenze trasversali della strada rilevata.

Immagini

  • Il rilievo di prova con l’imposizione di un’oscillazione di beccheggio e rollio al veicolo
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    Il rilievo di prova con l’imposizione di un’oscillazione di beccheggio e rollio al veicolo
  • Il modello del Quarter Car
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    Il modello del Quarter Car
  • I valori tipici assunti dall’indice IRI in relazione a varie tipologie di pavimentazione stradale ed alla loro velocità di percorrenza
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    I valori tipici assunti dall’indice IRI in relazione a varie tipologie di pavimentazione stradale ed alla loro velocità di percorrenza
  • La strumentazione hardware del profilometro: la barra montata sul veicolo
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    La strumentazione hardware del profilometro: la barra montata sul veicolo
  • La strumentazione hardware del profilometro: i laser disposti all’interno della barra
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    La strumentazione hardware del profilometro: i laser disposti all’interno della barra
  • La strumentazione hardware del profilometro: il sensore inerziale
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    La strumentazione hardware del profilometro: il sensore inerziale
  • La strumentazione hardware del profilometro: il computer di bordo
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    La strumentazione hardware del profilometro: il computer di bordo
  • Il rilievo di prova con l’imposizione di un’oscillazione di beccheggio al veicolo
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    Il rilievo di prova con l’imposizione di un’oscillazione di beccheggio al veicolo
  • Il laser scanner
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    Il laser scanner
  • La S.R. 318 (in giallo) con l’indicazione degli otto tratti (in verde) sui quali è stato eseguito il rilievo tramite il laser scanner
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    La S.R. 318 (in giallo) con l’indicazione degli otto tratti (in verde) sui quali è stato eseguito il rilievo tramite il laser scanner
  • L’esempio grafico di estrazione dei dieci profili longitudinali ottenuti combinando la nuvola di punti georeferenziata, acquisita tramite rilievo laser scanner, con il percorso GPS dei dieci laser
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    L’esempio grafico di estrazione dei dieci profili longitudinali ottenuti combinando la nuvola di punti georeferenziata, acquisita tramite rilievo laser scanner, con il percorso GPS dei dieci laser
  • L’esempio grafico di estrazione dei dieci profili trasversali ottenuti combinando la nuvola di punti georeferenziata, acquisita tramite rilievo laser scanner, con il percorso GPS dei dieci laser
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    L’esempio grafico di estrazione dei dieci profili trasversali ottenuti combinando la nuvola di punti georeferenziata, acquisita tramite rilievo laser scanner, con il percorso GPS dei dieci laser
Una misura della regolarità stradale: l’indice IRI

La funzione del profilometro è quella di rilevare la geometria della superficie stradale, in particolare il profilo longitudinale delle quote. La Normativa ASTM E 1926-08 definisce il calcolo dell’indice IRI a partire dal profilo longitudinale delle quote utilizzando il modello “Quarter Car. L’IRI è un parametro adimensionale (in genere espresso in m/km o mm/m) e assume un valore pari a zero per un profilo perfettamente liscio e cresce all’aumentare delle irregolarità. L’indice IRI, seppur utile per valutare lo stato complessivo di una superficie stradale, rappresenta un parametro riassuntivo che perde l’informazione relativa alle caratteristiche dei dissesti che hanno generato un certo livello di irregolarità. Può infatti accadere che due tratti stradali con diverse tipologie di irregolarità generino valori dell’indice IRI del tutto analoghi.

La realizzazione dell’hardware del profilometro

Il profilometro è stato realizzato utilizzando:

  • una barra di lunghezza 2,20 m;
  • dieci sensori laser disposti all’interno della barra con interasse di 20 cm;
  • una piattaforma inerziale (disposta al centro della barra);
  • una centralina per la conversione analogico-digitale;
  • un ricevitore GPS;
  • un computer di bordo per la memorizzazione dei dati.
La creazione del software di post-elaborazione

Tramite la realizzazione del software di post-elaborazione, che ha costituito l’attività più complessa del progetto, è stato possibile analizzare ed elaborare i numerosi dati acquisiti relativi alla barra profilometrica (distanze laser, accelerazioni e velocità angolari fornite dalla piattaforma inerziale) e al veicolo (velocità e posizione fornite dal GPS).

Le prove preliminari per la verifica dei profili longitudinali

Il primo obiettivo è stato quello di verificare i profili longitudinali ottenuti dal software di post-elaborazione. In effetti, le misure dei laser durante il rilievo sono inficiate dalle oscillazioni del veicolo e quindi è stato necessario eseguire una serie di prove preliminari per depurare le misure acquisite dagli effetti indotti da tali oscillazioni, sfruttando i dati rilevati dalla piattaforma inerziale. A questo scopo, sono state effettuate varie sperimentazioni, utilizzando un modello in pvc a geometria nota e dei dossi (alcuni appositamente realizzati) per imprimere forzatamente al veicolo movimenti di beccheggio e di rollio. In sintesi, l’obiettivo è stato quello di realizzare un algoritmo che, indipendentemente dalle oscillazioni del veicolo e dalla sua velocità, fornisse una misura il più possibile fedele a quella del profilo noto del modello in pvc.

La verifica dell’affidabilità del software tramite rilievi con laser scanner

Al fine di verificare l’affidabilità dell’algoritmo del software di post-elaborazione dei dati, sono stati eseguiti dei rilievi tramite laser scanner che hanno permesso di misurare la superficie tridimensionale della pavimentazione stradale con una buona precisione.

È stato quindi possibile associare ai profili e alle pendenze trasversali acquisiti con il profilometro, quelli relativi al laser scanner, che sono stati presi come riferimento.

Dal confronto dei risultati si è potuto quantificare l’affidabilità del software di post-elaborazione; in particolare si sono ottenuti errori medi contenuti sia per quanto riguarda la valutazione dell’IRI (0,55 mm/m) che per le pendenze trasversali (0,85%).

La localizzazione dei punti critici della superficie stradale

Grazie alla scelta di realizzare in proprio l’apparecchiatura, si sono potute sfruttare al meglio tutte le informazioni fornite dai sensori del profilometro. In particolare, l’analisi dei dati ottenuta con il software di post-elaborazione ha permesso, oltre al calcolo dell’IRI, di evidenziare e catalogare diverse tipologie di dissesti. In sintesi, le irregolarità sono state suddivise in due principali categorie: i dissesti strutturali e i dissesti superficiali. Ai primi sono stati associati gli avvallamenti della pavimentazione stradale causati da cedimenti della struttura, che possono avere estensioni anche molto elevate e indurre nel veicolo moti di rollio e beccheggio. Nei secondi sono stati ricompresi l’insieme dei dissesti superficiali localizzati quali buche, marcate fessure e distaccamenti del conglomerato bituminoso che causano sobbalzi improvvisi del veicolo. L’indicazione della tipologia di dissesto fornita dal programma risulta essere di grande utilità nella fase di scelta della tipologia di intervento, in modo da evitare un semplice ripristino della regolarità superficiale senza eliminare la causa che ha originato il dissesto.

Il software di post-elaborazione riporta, su ortofotocarta, la posizione dei dissesti superficiali e strutturali suddividendoli in base anche al livello di severità.

Il percorso viene inoltre suddiviso in tratti di 100 m, ciascuno dei quali viene colorato in base al valore assunto dall’indice IRI. I valori di soglia sono stati appositamente tarati in base allo stato delle strade provinciali rilevato su un campione di 95 km.

Si può infine visualizzare lo stato delle pendenze trasversali in corrispondenza delle curve del tratto stradale analizzato, per verificare se sono presenti curve con valori anomali delle pendenze trasversali.

La validità delle segnalazioni è stata verificata tramite i dati laser scanner (dove presenti) e sopralluoghi.

Le priorità di intervento

A partire dai singoli dissesti strutturali e superficiali, si sono ottenuti rispettivamente un indice strutturale e un indice superficiale ogni 100 m, che contribuiscono insieme all’indice IRI alla determinazione della priorità di intervento. La determinazione della priorità di intervento è uno degli strumenti più utili fra quelli presenti nel software di post-elaborazione per l’applicazione di una corretta manutenzione programmata di una rete viaria.

Il programma analizza le strade selezionate con un intervallo di 100 m e ordina gli intervalli per priorità di intervento. L’indice di priorità viene calcolato assegnando dei pesi all’indice strutturale, all’indice superficiale e all’indice IRI.