SICUREZZA STRADALE: LA DIMENSIONE DEL PROBLEMA ED I POSSIBILI

CONTRIBUTI DELLA RICERCA SCIENTIFICA

Prof. Nicola FontanaUniversità degli Studi del Sannio

Dipartimento di Ingegneria

Un aspetto di notevole importanza nell’ambito dei problemi della sicurezza stradale è rappresentato dalla formazione, anche in occasione di eventi meteorici di non particolare intensità, del velo idrico sulla pavimentazione.

Esso si manifesta in due aspetti principali:

riduzione o perdita completa dell’aderenza (aquaplaning)

riduzione della visibilità per il transito di veicoli ad alta velocità

SICUREZZA STRADALE: LA DIMENSIONE DEL PROBLEMA ED I POSSIBILI CONTRIBUTI DELLA RICERCA SCIENTIFICA

Per pavimentazione asciutta e pneumatici in buone condizioni, il coefficiente di aderenza (fa) vale circa 0.6 e diminuisce di poco con la velocità.

Nella progettazione stradale, per motivi di sicurezza, si tiene conto della variazione del coefficiente di aderenza (fa) con la velocità del veicolo (V) su strada bagnata (spessore velo idrico 1-2 mm), ma pulita, e con pavimentazione e pneumatici in condizioni medie.

2

1) 0.214 0.640 0.615 ( , 1970)100 100a

V Vf Lamm e Herring

20 40 60 80 100 120 1400

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

V [km/h]

fa

ADERENZA PNEUMATICO – SUPERFICIE STRADALE

0.3142) 170.85pV h 0.3273) 138.10Vp h

Al crescere dello spessore del velo idrico: si riduce fortemente il coefficiente fa

oltre una certa velocità critica (Vp) si ha la perdita quasi totale dell’aderenza (aquaplaning)

Vp = Velocità d’innesco aquaplaning [km/h]

h = Spessore velo idrico [mm]

(Huschek, 1972)

40 80 120 1600.00

0.10

0.20

0.30

0.40Pneumatico con battistrada ( 8mm)

h = 0÷2 [mm]h = 6÷8 [mm]h = 10÷14 [mm]

V [km/h]

fa

40.00 80.00 120.00 160.00

-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30Pneumatico liscio

h = 0÷1 [mm]h = 5÷6 [mm]h = 7÷8 [mm]h = 10÷14 [mm]

V [km/h]

fa

ADERENZA PNEUMATICO – SUPERFICIE STRADALE

Diverse espressioni sono disponibili in letteratura per il calcolo della velocità di innesco dell’aquaplaning, alcune funzione dello spessore del velo idrico (h), altre valutate per spessori inferiori ad un determinato limite (NASA, Horne et al.).

0.060.04 0.3

0.259

0.140.06 0.06

4) 0.9023 1.2594 1 2.54

96.899 2.54

12.6386 22.3508max 3.507 ; 4.9701 ( ., 1986)

p t

p

V SD P TD A per h mm

V h per h mm

A MTD Huebner et alh h

SD = Spin down ratio [%]Pt = Tire inflation pressure [kPa]

0.259

0.14

0.06 0.06

5) 4.94 2.4

96.3 2.4

12.64 35.15max 3.507 ; 7.817 0.0393 ( . )

p

p

V A per h mm

V h per h mm

A MTD Eq PAVDRNh h

0.2 0.50.06

0.826) 0.49 . , ( ., 2011)p tV WL P Ip Locked Wheel Gunaratne et al

h

0.21

7) 6.36 7.62 ( )

8) 83.35 27.59 0.168 7.62 ( )

1.49) 23.3 ( ., 1986)

p t

p t

p t

V P per h mm NASA

V FAR P per h mm NASA

V P Horne et alFAR

FAR = Footprint aspect ratioWL = Wheel load [N]

TD = Tire tread depth [mm]MTD = Mean texture depth [mm]

MODELLI DI PREVISIONE VELOCITÀ DI INNESCO AQUAPLANING

0 1 2 3 4 5 6 70.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

180.0

200.0

220.0

Eq. 2): pneumatico in buone condizioni

Eq. 3): pneumatico liscio

Eq. 4) Huebner et al. (1986)

Eq. 5) PAVDRN

Eq. 6) Gunaratne et al. (2011)

h [mm]

Vp [k

m/h

]

Nel confronto tra i diversi modelli

sono stati ipotizzati i seguenti

valori:

SD = 10 [%]

Pt = 165 [kPa]

MTD = 0.5 [mm]

WL = 4800 [N]

MODELLI DI PREVISIONE VELOCITÀ DI INNESCO AQUAPLANING:

INCIDENZA DELLE CONDIZIONI DELLO PNEUMATICO

Alcuni modelli di previsione dello spessore del velo idrico (h) presenti in letteratura.

0.5

0.210) 0.046 fL ih (British-Road Research Laboratory)

S

Lf = Drainage path length [m] o [ft]

i = Rainfall rate [mm/h] o [in/h]MTD = Mean texture depth [mm] o [in]

0.519 0.562 0.125

0.364

0.0037211) , ., 1996fL i MTD

h MTD (Empirical form of PAVDRN Huebner et al )S

0.43 0.59 0.11

0.4212) 0.0034 ., 1979fL i MTDh MTD (Gallaway et al )

S

0.5 0.5

0.213) 0.046 ., 2006fL ih MTD (Chesterton et al )

S

0.6

0.514) 0.0838 , 1988fn L ih (Macchione e Veltri )

S

0.6

0.3

115) , 1965f

s

L ih (Wooding )

K S

S = Slope of drainage pathn = Manning’s roughness coefficient [sm-1/3]Ks = Strickler’s coefficient [m1/3s-1]

MODELLI DI PREVISIONE DELLO SPESSORE DEL VELO IDRICO

Nel confronto tra i diversi

modelli sono stati ipotizzati i

seguenti valori:

i = 100 [mm/h]

S0 = 2.5 [%]

SL = 0.0 [%]

MTD = 0.91 [mm]

n = 0.0333 [sm-1/3]

Ks = 30 [m1/3 s-1]0 2 4 6 8 10 12 14 16

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

Eq. 10) British - RRLEq. 11) Empirical PAVDRNEq. 12) Gallaway et al. (1979)Eq. 13) Chesterton et al. (2006)Eq. 14) Macchione e VeltriEq. 15) Wooding (1965)

L [m]

h [m

m]

MODELLI DI PREVISIONE DELLO SPESSORE DEL VELO IDRICO: CONFRONTO

0 2 4 6 8 10 12 14 160.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

i = 200 [mm/h]

i = 150 [mm/h]

L [m]

h [m

m]

0 2 4 6 8 10 12 14 160.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00Ks = 30 [m^1/3/s]Ks = 40 [m^1/3/s]Ks = 50 [m^1/3/s]Ks = 65 [m^1/3/s]Ks = 75 [m^1/3/s]

L [m]

h [m

m]

0 2 4 6 8 10 12 14 160.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00S0 = 7.0 [%]S0 = 6.0 [%]S0 = 5.0 [%]S0 = 3.5 [%]S0 = 2.5 [%]

L [m]

h [m

m]

Eq. 15) Wooding (1965)

MODELLI DI PREVISIONE SPESSORE VELO IDRICO:IMPATTO DEI FATTORI CONTRIBUENTI

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.000.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

S0 = 2.5 [%]

S0 = 5.0 [%]

S0 = 7.0 [%]

SL [%]

h [m

m]

i = 100 [mm/h]

Larghezza falda L = 14.95 [m]

S0 = 2.5 [%], 5.0 [%] e 7.0 [%]

0.5 0.52 2

00 0

1 ; 1L Lf

S SL L S S

S S

Eq. 10) British – Road Research LAboratory

MODELLI DI PREVISIONE SPESSORE VELO IDRICO:IMPATTO DEI FATTORI CONTRIBUENTI

i = 100 [mm/h]

S0 = 2.5 [%]

SL = 0.0 [%]0 2 4 6 8 10 12 14 16

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

MTD = 0.10 [mm]MTD = 0.30 [mm]MTD = 0.60 [mm]MTD = 0.91 [mm]MTD = 1.20 [mm]

L [m]

h [m

m]

Eq. 11) Empirical form of PAVDRN - Huebner et al. (1996)

MODELLI DI PREVISIONE SPESSORE VELO IDRICO:IMPATTO DEI FATTORI CONTRIBUENTI

Categoria A: autostrada extraurbana 3+3 corsie di marcia, Vpr = 90÷140 [km/h], Vlim = 130 [km/h]

Tratto pianeggiante rettilineo con SL=0.0%, S0=2.5% e L=14.95m - Equazione di Wooding (1965)

0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.00.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

Ks 30 , i 50Ks 30 , i 150Ks 70 , i 50Ks 70 , i 150

L [m]

h [m

m]

0.0 5.0 10.00

50

100

150

200

250Eq. 2)

Pneumatico in buone

condizioni

Ks 30 , i 50Ks 30 , i 150Ks 70 , i 50

x [m]

Vp [k

m/h

]

0.0 5.0 10.00

50

100

150

200

250Eq. 3)

Pneumatico liscio

Ks 30 , i 50Ks 30 , i 150Ks 70 , i 50

x [m]

Vp [k

m/h

]

PRIMO CASO STUDIO: AUTOSTRADA EXTRAURBANA

Categoria B: extraurbana principale 2+2 corsie di marcia, Vpr = 70÷120 [km/h], Vlim = 110 [km/h]

Tratto pianeggiante rettilineo con SL=0.0%, S0=2.5% e L=9.75m - Equazione di Wooding (1965)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

Ks 30 , i 50Ks 30 , i 150Ks 70 , i 50Ks 70 , i 150

L [m]

h [m

m]

0.0 2.0 4.0 6.0 8.00

50

100

150

200

250Eq. 3)

Pneumatico liscio

Ks 30 , i 50Ks 30 , i 150Ks 70 , i 50

x [m]

Vp [k

m/h

]

0.0 2.0 4.0 6.0 8.00

50

100

150

200

250Eq. 2)

Pneumatico in buone condizioni

Ks 30 , i 50Ks 30 , i 150Ks 70 , i 50

x [m]

Vp [k

m/h

]

SECONDO CASO STUDIO: STRADA EXTRAURBANA PRINCIPALE

Categoria C: extraurbana secondaria 2 corsie di marcia, Vpr = 60÷100 [km/h], Vlim = 90 [km/h]

Tratto pianeggiante rettilineo con SL=0.0%, S0=2.5% e L=10.50m - Equazione di Wooding (1965)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

Ks 30 , i 50Ks 30 , i 150Ks 70 , i 50Ks 70 , i 150

L [m]

h [m

m]

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.00

50

100

150

200

250Eq. 2)

Pneumatico in buone condizioni

Ks 30 , i 50Ks 30 , i 150Ks 70 , i 50

x [m]

Vp [k

m/h

]

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.00

50

100

150

200

250Eq. 3)

Pneumaticoliscio

Ks 30 , i 50Ks 30 , i 150Ks 70 , i 50

x [m]

Vp [k

m/h

]

TERZO CASO STUDIO: STRADA EXTRAURBANA SECONDARIA

Conclusioni Sebbene in letteratura siano disponibili numerose relazioni per

caratterizzare la sicurezza stradale nei confronti del fenomeno dell’aquaplaning, esistono tuttavia diversi aspetti ancora da chiarire.

Sembra opportuno analizzare più approfonditamente le modalità di formazione del velo idrico sulla superficie stradale, in riferimento:

alle effettive caratteristiche del regime di moto (gli usuali modelli previsionali ipotizzano prevalentemente un regime di moto di tipo turbolento)

alla relazione tra le resistenze idrauliche e le irregolarità della pavimentazione influenti su di esse (macrorugosità e microrugosità)

alla formazione di irregolarità del velo idrico (treni d’onda)

Per l’applicazione dei modelli di previsione occorre infine definire, assegnato il livello di rischio accettabile, una relazione attendibile che leghi ad esso l’intensità della precipitazione