Pista di prova CEDEX - Prove accelerate della pavimentazione stradale

Il Transport Research Center di CEDEX in Spagna ha condizionato, monitorato e misurato i dati di oltre 240 canali distribuiti strategicamente attorno alla pista con un sistema di acquisizione dati (DAQ) HBM, il comprovato sistema MGCplus DAQ.

 

Che cosa sono le prove accelerate della pavimentazione stradale?

 

Le prove accelerate della pavimentazione stradale possono essere definite come l’“applicazione controllata del carico della ruota alle strutture della pavimentazione allo scopo di simulare gli effetti di condizioni di carico a lungo termine in un periodo di tempo compresso”.
Esistono dodici strutture full-scale attive in Europa e un numero simile negli Stati Uniti d’America, oltre ad altre strutture in Messico, Brasile, Sudafrica, Australia, Nuova Zelanda, Cina e Giappone. Si può affermare che, oggi, le prove accelerate della pavimentazione stradale sono una colonna portante della ricerca sulla sicurezza delle strade in tutto il mondo. Esistono due tipi di strutture per le prove: a forma circolare e lineare. Figura 1 Figura 2

Informazioni su CEDEX

Il Centro di studi e sperimentazione delle opere di ingegneria civile, più comunemente noto con l’abbreviazione spagnola CEDEX, è un ente pubblico che applica idee e tecnologie all'avanguardia all’ingegneria civile, edile e ambientale. Il supporto tecnico fornito dalle sue strutture e laboratori è definito in accordi specifici. CEDEX ha un ruolo importante anche nel trasferimento della tecnologia come parte del proprio obiettivo di diffondere le conoscenze maturate.

Figura 1: pista di prova circolare (LCPC Francia)
Figura 2: pista di prova lineare (LINTRACK, Delft, Paesi Bassi)

The Test Track

Figura 3: la pista di prova CEDEX
Figura 4: veicolo per la simulazione del traffico

 

La pista di prova CEDEX è una via di mezzo, con due sezioni dritte di 75m ciascuna, unite da due ulteriori sezioni curve con raggio di 25 m. Un binario situato nel perimetro interno della pista funge da guida per due veicoli automatici. Figura 3

Considerando che le sei sezioni dei pavimenti stradali sottoposti a prova sono installate sui segmenti dritti della pista, la struttura può essere classificata, dal punto di vista della prova, all’interno del secondo gruppo delle strutture con forma lineare. La lunghezza totale percorsa dalla ruota con il carico di prova è di 304 metri a ciclo. I segmenti curvi non sono usati allo scopo di prova e sono assegnati ad altri studi, come quelli su materiali superficiali, trattamenti, pitture, percorsi di usura, ecc.

La prova delle sezioni di pavimentazione è eseguita sui segmenti dritti, pertanto i risultati sono equiparabili a quelli ottenuti su altre piste di prova lineari. Si possono testare simultaneamente sei sezioni di pavimentazione complete da 20-25 m di lunghezza.

Mentre i segmenti curvi sono installati su terra, i segmenti dritti sono installati all’interno di due scavi di prova a forma di U e a tenuta stagna in calcestruzzo rinforzato. Gli scavi di prova in calcestruzzo, con profondità di 2,6 m e larghezza 8 m, consentono di costruire terrapieni di almeno 1,25 m di altezza e di utilizzare macchinari convenzionali e le tradizionali procedure di costruzione delle strade. Lo scopo dell’uso di fosse di prova in calcestruzzo è quello di isolare le prestazioni della pavimentazione stradale da quelle del terreno circostante, consentendo un sostegno uniforme alle pavimentazioni nel corso di ciascuna prova e tra diverse prove in modo tale da poter confrontare i risultati. Consente anche di inondare il sottosuolo per la prova in diverse condizioni sottomarine.

I due veicoli di prova applicano il carico per gravità, attraverso un asse di metà pesantezza. Il carico può essere fissato tra 5,5 e 7,5 tonnellate ed è fissato a 6,5 tonnellate, equivalenti al carico massimo ammesso in Spagna per un singolo assale (13 tonnellate). Il sistema di sospensione è pneumatico. La ruota di prova è dotata di due ruote gemellate o di una singola ruota a forma di palla con una pressione di gonfiaggio di 8,5 kg/cm2. Sia il sistema di sospensione che la ruota per la prova di trazione sono quelli convenzionali, usati nel trasporto su strada. La velocità di circolazione è di 40 km/h, con una velocità massima ammessa di 60 km/h. Figura 4

Grazie ad un attuatore idraulico, la ruota di prova può essere posizionata in sette diversi percorsi trasversali, producendo in questo modo un’impronta di larghezza compresa tra 1,0 e 1,3 m. Il controllo automatico di questa posizione consente di riprodurre una vera distribuzione statistica dei passaggi di una strada trafficata.

Questa struttura di prova è completamente controllata da un centro di controllo centralizzato, situato nel centro geometrico della pista di prova. Il programma di controllo è stato specificatamente sviluppato per questa applicazione. In questo modo l’intera struttura può lavorare senza sorveglianza una volta programmata. La frequenza di prova è superiore a 1x106 cicli l’anno.

Parametri di misura

Figura 5: esempio di strumentazione

Quando una ruota si muove lungo una strada, si sviluppano carichi e sollecitazioni in qualsiasi punto della struttura della pavimentazione; questi carichi e sollecitazioni dipendono dal tipo, dalla grandezza e dalla direzione del carico, dalla struttura della pavimentazione, dal tipo di sottofondo, da temperatura, profondità, ecc.

La strumentazione della pavimentazione rende possibile la misurazione dei carichi e le sollecitazioni che appaiono in diverse parti della pavimentazione sotto il passaggio di un carico e soprattutto quelli considerati critici.

Per ciascuno strato, i punti critici e le variabili di tensione e deformazione sono diversi, e questi dati vanno considerati quando si sceglie il tipo di sensore e il suo posizionamento.

Le sollecitazioni tensili orizzontali in fondo allo strato bituminoso sono considerate la variabile di risposta più importante per le pavimentazioni flessibili. Di conseguenza, la strumentazione dello strato di miscela di asfalto è concentrata più che altro sulla misurazione della sollecitazione orizzontale sul fondo dello strato.

Gli strati e i fondi granulari cadono soprattutto per l'accumulo di sollecitazioni verticali. Pertanto, la strumentazione nel suolo mira in particolare a misurare sollecitazioni e carichi verticali.

Sono posizionati anche sensori di deviazione della pavimentazione, in modo da misurare la risposta del transiente sotto il passaggio della ruota in movimento. Questi sensori sono posizionati sopra lo strato di asfalto e ancorati in fondo allo scavo di prova.

Infine, è installata una serie di sensori per raccogliere dati dalle variabili ambientali e di carico: temperatura, umidità e livello dell'acqua, velocità, posizione trasversale, ecc. Figura 5

Descrizione del sistema di controllo della struttura

Figura 6: sistema di comunicazione
Figura 7: sezione e galleria della strumentazione

Il processo di automazione è stato considerato per lo più durante la fase di prova della struttura allo scopo di raggiungere un ciclo di vita del test in modalità operativa continua con un numero minimo di interruzioni. Inoltre, è importante specificare che la struttura, soprattutto i veicoli e il loro sistema di controllo, sono prototipi progettati, costruiti e messi in funzione appositamente per la pista di prova spagnola e sono stati completamente sviluppati con tecnologia europea. Figura 6

Il sistema di controllo della pista di prova CEDEX è composto da due parti fondamentali: il sistema PLC e il sistema di acquisizione dati. Questi due sistemi sono collegati tra loro ed entrambi sono gestiti da un sistema singolo (computer di controllo) collegato ad essi tramite rete Ethernet. Il primo (sistema PLC) ha il compito di gestire i veicoli tramite il controllo dei parametri quali velocità, posizione trasversale, pressione dell’aria degli pneumatici di scorta, ecc. e tutte le variabili necessarie per la manutenzione del veicolo e la sicurezza della struttura, a cui si aggiungono: consumo elettrico, rilevatori di posizione, ecc. L’altro sistema (sistema di acquisizione dati) ha il compito di condurre il processo di misurazione della pavimentazione con la strumentazione.

Il sistema PLC è formato da un PLC Master situato nel centro di controllo e due PLC Slave situati all’interno di ciascun veicolo. Il PLC Master stabilisce un collegamento tramite rete wireless Ethernet per gestire i PLC Slave dei veicoli.  

I dati provenienti da oltre 240 canali, tra cui estensimetri, LVDT e Pt100, distribuiti strategicamente attorno alla pista vengono determinati, monitorati e misurati dal sistema di acquisizione dati di HBM (DAQ), il comprovato sistema MGCplus DAQ. Questo sistema DAQ, in uso presso diversi programmi di prova strutturali in tutto il mondo e nel monitoraggio delle strutture di ingegneria civile, è progettato per fornire dati misurati di alta qualità, che possono anche ridurre in modo significativo il costo e la quantità dei cavi.

Sulla pista di prova, è disponibile una galleria sui tratti dritti accanto alle sezioni di prova, dove sono posizionati l’alimentazione elettrica e i dispositivi per l’acquisizione di dati, oltre ai jack per il collegamento dei dispositivi MGCplus. È stato progettato per raggiungere la distanza minima possibile tra il sensore e il dispositivo di determinazione, in modo da evitare la distorsione del segnale di uscita e per convertire il segnale analogico in un segnale digitale. Figura 7

Mansioni di gestione degli strumenti

Il sistema di acquisizione di dati dei sensori, completamente automatizzato, è stato progettato e sviluppato da CEDEX e rende possibili le misurazioni in tempo reale e le archiviazioni nel database per un numero massimo di 240 sensori ad ogni prova di misurazione.

        Le mansioni di gestione si dividono in tre processi:

  • Processo di gestione del sensore.
  • Processo di misura.
  • Archiviazione e analisi dei dati.

Processo di gestione del sensore

 

Una volta progettato il piano di strumentazione per ogni prova ed eseguita la fornitura di ogni sensore, la fase successiva è registrarlo nel database del computer di controllo. A questo punto è ora di comprendere tutti i dati che definiscono il sensore, la sua posizione, il sensore per la misurazione ottica dell'avviamento, date rilevanti e stato dell'attività.

Dopo aver registrato il sensore nel database, la fase successiva è impostare i moduli MGCplus per eseguire la curva di taratura di ciascun sensore, compresa l’intera catena di misurazione (cavi e dispositivo), collegando la misura elettrica alla misura fisica. Quindi, i parametri di registrazione (frequenza di campionamento, orario, sensori attivati e azionati) sono impostati con la gestione scheda PC del MGCplus e viene salvato il file .MPR. Solitamente sono programmate due diverse frequenze di campionamento; una serve per registrare le variabili statistiche, l’altra per registrare le variabili dinamiche. Figura 8

Esistono anche mansioni aggiuntive che semplificano la manutenzione della strumentazione e offrono monitoraggi grafici e numerici in tempo reale delle letture.

Figura 8: esempio del monitoraggio grafico del sensore

Processo di misura

Nell’ambito del sistema di acquisizione dati, esistono due diversi tipi di prove:

  • Prove dinamiche
  • Prove speciali

Le prove dinamiche si riferiscono alle misure sistematiche prese con gli strumenti con il veicolo in movimento. Quando si esegue questo tipo di test, i sensori misurati devono essere precedentemente definiti, fino ad un numero di 240 per prova. Inoltre, viene creato un file dei risultati (ASCII) per comprendere tutte le variabili necessarie per l’analisi di curve, come la temperatura della pavimentazione, la temperatura ambiente, il numero di cicli, la posizione trasversale, la velocità del veicolo, la data e l’ora.

Le prove dinamiche sono attivate automaticamente. Possono essere attivati tramite tre eventi diversi, selezionati quando è programmato il test. Questi tre eventi sono i seguenti:

  • Numero di cicli. La prova inizia quando il veicolo copre un numero predeterminato di cicli.
  • Ora. Sono indicate la data e l’ora di inizio delle misurazioni.
  • Temperatura. Inizia quando la temperatura della pavimentazione (definita dall’utente) raggiunge un determinato valore.

Per questo tipo di prove, che vengono eseguite 24/7, non è necessaria la presenza di personale presso la struttura.

Quando si verifica un evento che attiva una prova, il computer di controllo istruisce il PLC Master per posizionare il veicolo sulle condizioni necessarie per la prova (velocità e posizione trasversale). Una volta posizionati i veicoli nella posizione corretta per la prova prevista, il computer di controllo invia una serie di comandi di basso livello a ciascun MGCplus collegato alla rete Ethernet. Questi comandi trasferiscono i file .MPR con i parametri di registrazione al dispositivo e li attivano per essere pronti per il processo di acquisizione. È presente un sensore ottico collegato a ciascun MGCplus, da usare per attivare la misurazione. Quando il veicolo selezionato passa davanti al sensore ottico, si attiva l’inizio della raccolta dati, che si arresta entro un  periodo di tempo definito nel file di registrazione. Figura 9

Figura 9: dati registrati in una prova dinamica

Quando i veicoli completano un ciclo dall’inizio della raccolta dati, il computer di controllo si collega ai dispositivi MGCplus per trasferire il file di raccolta dei dati creato dal DAQ al computer di controllo e lo converte in formato ASCII per mezzo del controllo Catman ActiveX. Tutto questo è stato programmato all’interno di uno script Visual Basic, che realizza a sua volta un’elaborazione del segnale per cambiare il tempo in distanza, tagliare e ricampionare per archiviare il numero di campioni interessanti ai fini dell’analisi.

Successivamente, il computer di controllo deve mettere insieme tutti i dati nel file dei risultati (ASCII), i dati del sistema PLC relativi ai veicoli (velocità, posizione trasversale) e i dati provenienti dal sistema di acquisizione dati relativi al processo di misurazione del sensore.

Una volta archiviati tutti i singoli dati, la prova finisce e il sistema PLC incaricato della guida del veicolo riprende il controllo. Questa prova può essere programmata ciclicamente a seconda del numero di cicli, dopo un determinato periodo di tempo o una volta raggiunti i valori di temperatura desiderati.

La prova speciale si riferisce ad altri tipi di misure che sarebbero eseguite senza l’intero sistema di controllo, direttamente con i dispositivi MGCplus.

Desideriamo in particolare evidenziare i seguenti tre tipi di prove come prove speciali:

  • Tracce della temperatura. Esistono due Siemens ET 200 che fanno parte del sistema PLC nel quale sono state collegate le uscite analogiche di MGCplus per avere una registrazione continua della temperatura della pavimentazione e dell’ambiente. Sono usate per analizzare non solo la strumentazione, ma anche i danni alla pavimentazione.
  • Avvio manuale. Queste prove possono essere eseguite non solo con i veicoli in movimento, ma anche con i veicoli fermi. Iniziano quando viene inviato uno stimolo. Questo tipo di prove è usato per studiare in dettaglio alcune variabili specifiche quando passa il veicolo e, diversamente dalle prove dinamiche, sono effettuate con una frequenza di campionamento fino a 3000 campioni al secondo. Questa prova è anche usata per misurare la risposta di uno o più sensori delle attrezzature diversi dai veicoli di prova, ad es. i dispositivi FWD.
  • Avvio tramite sensore ottico. Ha le stesse caratteristiche della prova con avvio manuale, ma in questo caso la misurazione è attivata da uno dei sensori ottici sulla pista di prova.