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Le condizioni superficiali delle pavimentazioni

L’analisi di dati ottenuti con tecnologie ad alto rendimento applicata a un tunnel stradale per il miglioramento della sicurezza

La pavimentazione di una galleria

Per una corretta pianificazione della manutenzione che non trascuri le condizioni di sicurezza offerte all’utenza è necessario conoscere lo stato di salute dell’infrastruttura, ben rappresentabile attraverso indicatori relativi alle caratteristiche costitutive e prestazionali dell’opera (fisicamente determinabili) o, eventualmente, parametri più articolati ottenuti dalla loro ponderazione e aggregazione atti a integrare le evidenze derivanti da sopralluoghi e ispezioni prettamente a carattere visivo.

Con specifico riferimento all’asset pavimentazione, gli indicatori direttamente associati alle sue caratteristiche funzionali e strutturali sono normalmente definiti specifici, in quanto forniscono una rappresentazione di una ben precisa proprietà della sovrastruttura; gli indicatori sintetici (o di stato), invece, forniscono una rappresentazione qualitativa delle condizioni di salute della sovrastruttura basata sulla combinazione matematica di due o più indicatori specifici preventivamente calcolati.

Il Laser Road Analyzer
1. Il Laser Road Analyzer

In letteratura esistono molteplici indicatori di stato per effetto dei quali la condizione della sovrastruttura è descritta in termini di sicurezza, durabilità, comfort e impatto sull’ambiente in cui è inserita: si pensi, a titolo esemplificativo, al PCI (Pavement Condition Index), al PSI (Pavement Serviceability Index), agli IF (Indici di Fessurazione) e al IQS (Indice di Qualità della Superficie).

Estendendo queste valutazioni all’intero tronco o rete in gestione, il Gestore stradale può perseguire una strategia di manutenzione e allocare le risorse necessarie anche sulla base di informazioni strumentali oggettive, non soltanto nei riguardi dell’asset pavimentazione ma anche coinvolgendo altri asset (fra cui i dispositivi di sicurezza, la segnaletica orizzontale e verticale, le strutture in caso di opere artificiali come tunnel e viadotti, ecc.) in numero tanto più elevato quanto più l’opera gestita è rilevante.

Un caso pratico: l’analisi dello stato di salute delle pavimentazioni di una galleria con l’impiego di sistemi ad alto rendimento

L’applicazione brevemente illustrata in questo estratto riguarda una galleria stradale manutenuta nei suoi vari asset con riferimento all’impianto normativo che la Francia considera ai fini della gestione della manutenzione di tutte le gallerie presenti sulla rete viaria nazionale.

In base all’architettura del suddetto impianto, la sorveglianza periodica è individuata come azione necessaria (e propedeutica) all’etichettatura delle opere di Genio Civile in galleria per mezzo di una classificazione IQOA (Image de Qualité des Ouvrages d’Art), grazie alla quale è possibile rappresentare numericamente lo stato qualitativo funzionale di ogni opera e delle sue parti in forma sintetica, partendo dalle unità elementari che la costituiscono [1].

Le classi di giudizio
2. Le classi di giudizio nella classificazione IQOA

Nel caso qui illustrato, la sorveglianza è stata realizzata con l’impiego di tecnologie ad alto rendimento che si avvalgono soprattutto di dispositivi laser ad altissima risoluzione.

Una delle apparecchiature utilizzate, efficace per la determinazione dell’indicatore IQOA, è il LARAN (LAser Road ANalyzer), sistema che permette di acquisire simultaneamente una grande quantità di informazioni (dati laser territoriali e della pavimentazione, distanze e immagini sferiche) sincronizzate fra loro e localizzate grazie a un sistema di navigazione installato sul veicolo che integra le informazioni odometriche e i tempi GPS di ciascun sottosistema.

Grazie a questa tecnologia, è stato possibile rilevare sia i dati geometrici dell’infrastruttura che i parametri prestazionali della superficie delle pavimentazioni richiesti dalle Norme considerate [2] (fessure, macrotessitura, profili longitudinali e trasversali, avvallamenti e depressioni, distacco di inerti, disomogeneità delle miscele di conglomerato bituminoso, ecc.), attraverso un unico rilievo. 

Le fasi di prima elaborazione e di postelaborazione dei dati

Il rilievo delle pavimentazioni oggetto dell’indagine qui descritta è stato realizzato a velocità di traffico e nottetempo. Per quanto riguarda i sensori adibiti al rilievo della pavimentazione (laser LCMS), è stata adoperata una risoluzione trasversale pari a 1 mm e longitudinale pari a 5 mm.

I valori IQOA per pavimentazioni
3. I valori IQOA per pavimentazioni (flessibili) in galleria

Per quanto riguarda invece i sensori adibiti al rilievo dello spazio 3D (laser ZF), la velocità di rotazione è stata programmata a 12.000 rpm.

L’elaborazione dei dati acquisiti è stata strutturata su tre differenti livelli in relazione all’obiettivo perseguito:

  • estrazione dei dati macchina;
  • selezione e rappresentazione delle informazioni utili al processo;
  • post-elaborazione e adattamento delle informazioni selezionate.

I primi due livelli sono basati sull’applicazione di procedure standardizzate, a valle delle quali le informazioni necessarie sono organizzate in forma di geodatabase (secondo i criteri scelti) e descritte in ambiente GIS con l’ausilio di metadati.

Il terzo livello, invece, è ciò che differenzia di volta in volta l’utilizzo dei dati macchina disponibili e permette il raggiungimento dello specifico obiettivo delle indagini attraverso una serie di computi e, più in generale, l’estrapolazione delle informazioni necessarie nella forma desiderata.

La conversione dei dati macchina in parametri specifici che contraddistingue quest’ultima fase è un’operazione mai uguale a se stessa, essendo i parametri specifici differenti fra loro anche per il modo in cui sono recepiti negli standard tecnici presi a riferimento (nel caso in esame, il catalogo dei difetti della superficie delle pavimentazioni formulato dal Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti francese in collaborazione con LCPC) [2]. I risultati delle elaborazioni svolte sono consultabili sia in ambiente GIS che in formato numerico.

Le condizioni superficiali delle pavimentazioni
4. La matrice ponderata per classi di giudizio

La classificazione IQOA per le pavimentazioni della galleria

In linea generale, l’indicatore IQOA può corrispondere a una delle classi di giudizio rappresentate in Figura 2 sopra (da 1 a 3U), variando in funzione della parte dell’opera analizzata.

Con specifico riferimento alle pavimentazioni in galleria, queste possono rientrare nelle classi di giudizio 1 se in condizioni buone, 2 se affette da ammaloramenti di lieve entità.

L’insieme dei parametri specifici ricavati a valle della post-elaborazione dei dati ha permesso di approdare a una classificazione IQOA delle pavimentazioni partendo dalle singole unità elementari (sezioni di lunghezza costante prestabilita e larghezza pari alla corsia), ognuna delle quali è associata a un ben preciso giudizio qualitativo in base ai difetti riscontrabili al suo interno (per esempio quantità di fessure, quantità di buche, ecc.) secondo una scala che può essere, a titolo di esempio, quella rappresentata in Figura 4 sopra.

Grazie a questo approccio, una volta caratterizzate le unità elementari è possibile attribuire un giudizio qualitativo basato sulla medesima scala a una qualsiasi porzione dell’infrastruttura, all’intera carreggiata ed anche alla totalità dell’opera, combinando opportunamente i risultati di partenza.

Le condizioni superficiali delle pavimentazioni
5. Gli approcci per la stima del IQOA unitario di riferimento

L’approccio della Normativa francese individua proprio nella ripetizione nel tempo delle operazioni qui descritte il cardine intorno al quale poter sviluppare valutazioni oggettive e coerenti con la finalità di una gestione della manutenzione efficace.

I difetti presi in considerazione ai fini del calcolo dell’indice IQOA, nel caso illustrato, sono i seguenti (tra parentesi è indicata l’unità utilizzata per la quantificazione dell’estensione di ciascuno):

  • fessure longitudinali e trasversali (larghezza media);
  • buche (numero);
  • sgranamento (area);
  • ormaiamento (area);
  • risalita di residui oleosi, polveri e detriti in superficie (area).

La combinazione delle famiglie di difetti presenti in ogni unità elementare, necessaria per la classificazione IQOA della stessa, è stata sviluppata con tre differenti approcci che permettessero di computare l’incidenza del singolo difetto in base alla famiglia di appartenenza (fessure, irregolarità, distacchi, ecc.), alla presenza in termini assoluti e alla distribuzione all’interno dell’unità elementare analizzata, e alla severità individuabile sulla base degli standard tecnici di riferimento considerati. Dal punto di vista analitico, i fattori sopra esposti sono stati tradotti nelle condizioni rappresentate in Figura 5 sopra.

Le condizioni superficiali delle pavimentazioni
6. La validazione con indagini integrative

I risultati ottenuti con ciascuno dei tre approcci sopra rappresentati sono quindi stati valutati sulla base delle ulteriori misure strumentali [2] realizzate con dispositivi diversi dal LARAN e delle evidenze riscontrabili visivamente all’interno della galleria investigata, potendo così selezionare il modello che fornisse la maggiore coerenza fra il rating calcolato e lo stato di salute delle pavimentazioni realmente percepibile.

Nella Figura 7 sotto, a favore di sintesi, sono rappresentate le distribuzioni delle classi IQOA per unità elementari (quantità di unità in classe 1 vs quantità in classe 2) relative alle due carreggiate della galleria. 

Conclusioni

Lo stato di salute delle pavimentazioni, che è uno degli aspetti che intervengono nelle analisi di sicurezza delle infrastrutture, può essere oggettivamente determinato con l’impiego di tecnologie ad alto rendimento.

Attraverso la descrizione di un caso applicativo, si è mostrato come le caratteristiche superficiali delle pavimentazioni rilevate con il sistema LARAN possano essere modellate efficacemente, in modo da poter esplicitare l’indicatore di stato globale IQOA che la Normativa francese suggerisce ai Gestori di reti stradali ai fini di una programmazione dei processi di manutenzione e delle risorse da impegnare tale per cui siano sempre assicurate condizioni minime di sicurezza.

L’adozione di apparecchiature ad alto rendimento si rivela proficua nel tentativo di impostare una politica di gestione programmata degli interventi di manutenzione ordinaria delle pavimentazioni, che assicuri all’utenza la migliore qualità senza penalizzare il comfort e la sicurezza delle infrastrutture.

Le condizioni superficiali delle pavimentazioni
7. La distribuzione del IQOA per unità elementari in carreggiata A (sinistra) e in carreggiata B (destra)

Bibliografia

[1]. CETU – “Road tunnel civil engineering inspection guide – Book 1: from disorder to analysis, from analysis to rating”, 2015.

[2]. LCPC, aa.vv. – “Methodes d’essai nn. 38-2, 46, 49, 52”.

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