by Charles F. McDevitt
I principi di base delle barriere di cemento non sono generalmente conosciuti o compresi. Le barriere in calcestruzzo sembrano essere semplici e non complicate, ma in realtà sono dispositivi di sicurezza sofisticati.
Forme di sicurezza in calcestruzzo
Quando la maggior parte delle persone pensa alle barriere in calcestruzzo, pensa alla barriera di sicurezza in calcestruzzo del New Jersey (NJ-shape o barriere Jersey). Per i più comuni colpi ad angolo basso, la forma NJ è intesa a minimizzare i danni alla lamiera permettendo ai pneumatici del veicolo di salire sulla faccia inferiore inclinata. (Vedi figura 1.)
Per angoli di impatto più alti, la forma NJ è in realtà una barriera a più livelli. Il paraurti anteriore impatta la faccia superiore inclinata e scivola verso l’alto. Questa interazione avvia il sollevamento del veicolo. Se il paraurti è relativamente debole, la parte anteriore inizia a schiacciarsi prima che si verifichi qualsiasi sollevamento. Poi, quando il veicolo diventa quasi parallelo alla barriera, la ruota entra in contatto con la faccia inclinata inferiore. La maggior parte del sollevamento aggiuntivo del veicolo è causato dalla faccia inclinata inferiore che comprime la sospensione anteriore. Tuttavia, le forze di sfregamento laterale delle ruote forniscono un po’ di sollevamento aggiuntivo, in particolare se la faccia della barriera è ruvida. Pertanto, l’aggregato esposto e altre finiture superficiali ruvide dovrebbero essere evitate. I veicoli moderni hanno distanze relativamente brevi tra il paraurti e la ruota; di conseguenza, il contatto del paraurti è seguito quasi immediatamente dal contatto della ruota.
È solo necessario sollevare il veicolo abbastanza da ridurre l’attrito tra i pneumatici e la superficie pavimentata. Questo aiuta a inclinare e a reindirizzare il veicolo. Se il veicolo viene sollevato troppo in alto nell’aria, può imbardarsi, inclinarsi o rotolare, il che può causare il ribaltamento del veicolo quando le ruote entrano di nuovo in contatto con il terreno. Preferibilmente, le barriere di sicurezza in cemento dovrebbero essere adiacenti a una superficie pavimentata in modo che le ruote non possano scavare nel terreno e causare il ribaltamento del veicolo.
Anti fa, era pratica comune formare un raggio di 255 millimetri (10 pollici) all’intersezione delle due superfici in pendenza per facilitare la formazione della barriera. Questo raggio non è più necessario per lo slipforming. Le moderne macchine per casseforme possono facilmente deformare barriere di cemento fino a 1320 mm (52 in) di altezza senza un raggio.
La “sporgenza” verticale di 75 mm (3 in) alla base della barriera ha il solo scopo di fornire una linea pulita per il rifacimento dell’asfalto. Questa sporgenza verticale cambia molto poco nella dinamica del veicolo perché ha circa lo stesso effetto di colpire un cordolo di 75 mm.
Le aperture di drenaggio nella faccia della sporgenza non hanno un effetto significativo su un veicolo che impatta. Le aperture più alte non dovrebbero essere usate perché le ruote e i paraurti possono interagire con esse, impigliandosi e causando l’imbardata del veicolo. Ove possibile, il drenaggio dovrebbe essere raccolto lungo la punta della barriera perché una depressione di drenaggio o un cordolo davanti a una forma di sicurezza in cemento può causare l’instabilità del veicolo e portare al ribaltamento.
Il parametro di progettazione chiave per il profilo di una forma di sicurezza è la distanza dal suolo al punto di rottura del pendio perché questo determina quanto la sospensione sarà compressa. Per la forma NJ, questa distanza è di 330 mm (13 in).
La vecchia forma General Motors, o forma GM, aveva una distanza di 380 mm (15 in) da terra al punto di rottura della pendenza. Questa maggiore distanza causava un eccessivo sollevamento delle piccole auto degli anni ’70, come la Chevrolet Vega. Dopo l’impatto con la forma GM nei crash test, queste piccole auto diventavano instabili e tendevano a ribaltarsi. Di conseguenza, l’uso della forma GM è stato interrotto.
Uno studio parametrico (variando sistematicamente i parametri) di varie configurazioni di profilo che sono state etichettate da A a F ha mostrato che F ha funzionato nettamente meglio della forma NJ. I risultati di queste simulazioni al computer sono stati confermati da una serie di crash test in scala reale. La configurazione F divenne nota come F-shape.
Anche se le prestazioni della F-shape erano superiori a quelle della NJ-shape, non era molto usata. Questo perché gli stati erano ben soddisfatti della forma NJ, che soddisfaceva anche i criteri dei crash test. Inoltre, i loro appaltatori non volevano cambiare i profili perché avevano un investimento considerevole nelle forme richieste per produrre la forma NJ.
Come mostrato nella figura 1, le pendenze della forma F e della forma NJ sono le stesse. La differenza principale è che la distanza dal suolo al punto di rottura della pendenza della forma a F è di 255 mm – 75 mm più bassa della forma a NJ. Il punto di rottura della pendenza più basso riduce significativamente il sollevamento del veicolo e migliora notevolmente le prestazioni della barriera di cemento.
I profili NJ-shape e F-shape sono strettamente correlati. Se si fa una sovrapposizione di asfalto di 75 mm accanto alla forma NJ (e si taglia mentalmente una nuova apertura di 75 mm nel calcestruzzo che rimane sopra la superficie di asfalto), si è convertita la forma NJ in una forma F. Questo significa che i lavori di rifacimento dell’asfalto possono effettivamente convertire la forma NJ in una forma più sicura. Tuttavia, questi rivestimenti d’asfalto ridurranno l’altezza complessiva della barriera di cemento e, di conseguenza, ridurranno la sua efficacia per i veicoli più pesanti.
Quando un camion a unità singola, come un camion a noleggio Ryder o U-Haul, colpisce una barriera di cemento in un crash test, rotola verso la barriera finché la parte inferiore del pianale del camion non si appoggia sulla parte superiore della barriera. Questo ferma il movimento di rotolamento. Poi, il veicolo scivola lungo la parte superiore della barriera fino a quando non viene reindirizzato in posizione verticale. Perché questo avvenga, la barriera di cemento deve avere un’altezza minima di 815 mm (32 in). Per contenere e reindirizzare un “18-wheeler” o un autoarticolato in un crash test, una barriera di cemento deve avere un’altezza minima di 1070 mm (42 in). In queste collisioni con i camion, il percorso di carico primario è verticale perché il carico viene trasferito dalla parte inferiore del letto del camion o del rimorchio alla parte superiore della barriera di cemento. Una barriera di cemento è essenzialmente una colonna corta e tozza che può facilmente resistere a questi carichi verticali.
Perché i camion, gli autobus e altri veicoli più pesanti tendono a scivolare lungo le cime delle barriere di cemento, è importante mantenere le cime di queste barriere libere da cartelli, recinzioni, supporti per fari e altre pertinenze che potrebbero agganciare il veicolo e causare l’imbardata. Quando è necessario fornire supporti per fari sulle barriere mediane in cemento, le barriere possono essere rese più spesse nella parte superiore in prossimità del supporto del faro e svasate sui lati per fornire una sezione di transizione laterale liscia per il veicolo che impatta.
Barriere di forma di sicurezza in cemento ad alte prestazioni
Le barriere in cemento più alte sono talvolta usate come barriere per camion e per fornire uno schermo integrale di abbagliamento sulle barriere mediane in cemento (CMB). Il ponte di un autoarticolato si trova a circa 1350 mm (53 in) dal suolo. Poiché il ponte è un membro strutturale forte e rigido, può produrre forze laterali significative quando impatta una barriera di cemento. Pertanto, qualsiasi barriera di cemento che è più alta di 1320 mm (52 in) dovrebbe avere qualche rinforzo vicino alla sua cima – se non altro per evitare che il cemento scagliato voli nel traffico in arrivo. Alcuni stati hanno messo degli schermi anti-abbagliamento in cemento armato in cima alle barriere di cemento esistenti. Di solito questi schermi di calcestruzzo contengono qualche rinforzo per prevenire la scagliatura.
Per contenere e reindirizzare un’autocisterna di benzina da 36.000 kg dopo impatti ad alti angoli e velocità, è necessaria una barriera di calcestruzzo da 2290 mm (90 pollici).
La New Jersey Turnpike Authority (NJTA) ha testato e sviluppato una barriera mediana di cemento alta 1070 mm (42 pollici) che può contenere e reindirizzare in sicurezza gli autoarticolati in posizione verticale. Questa barriera è fatta con le forme NJ-shape. La sporgenza verticale di 75 mm è coperta con asfalto per ancorare la barriera contro il ribaltamento. (Vedi figura 2.) Questo trasforma il profilo della barriera in una forma a F che non ha una sporgenza verticale. La NJTA’s Heavy-Vehicle Median Barrier è spessa 305 mm (12 pollici) nella parte superiore. È pesantemente rinforzata.
L’Ontario Tall Wall è una barriera mediana di cemento alta 1070 mm con lo stesso profilo, ma senza rinforzi. Un crash test con un autoarticolato di 36.000 chilogrammi (80.000 libbre) a 85,3 chilometri all’ora (53 miglia all’ora) e un angolo di impatto di 15 gradi ha dimostrato che il rinforzo non era necessario perché l’Ontario Tall Wall è di 305 mm in cima. Anche se le crepe da ritiro del calcestruzzo si sono formate verticalmente ogni 2440-3355 mm circa (da 8 a 11 piedi) e sono penetrate completamente attraverso la sezione trasversale della barriera, l’area della sezione trasversale e l’interblocco degli aggregati erano sufficienti a trasferire tutte le forze d’impatto laterali attraverso le sezioni trasversali incrinate.
I rivestimenti d’asfalto di 75 mm di spessore che hanno ancorato entrambi i lati di queste barriere mediane ad alte prestazioni non si sono separati dal calcestruzzo durante i crash test con autocarri. Altri crash test hanno dimostrato che le sovrapposizioni di asfalto spesse 25,4 mm su entrambi i lati delle barriere mediane di cemento alte 815 mm sono sufficienti per ancorarle in caso di impatto con autovetture e autobus.
Molti stati usano barriere di sicurezza in cemento che sono spesse solo 150 mm o 200 mm in cima. I trattori-rimorchi possono rompere un pezzo di cemento a forma di V nei giunti di costruzione e salire sulla cima di queste barriere. Tuttavia, questo è un evento così raro che la maggior parte degli stati non trova economicamente fattibile usare barriere più spesse o aumentare il rinforzo in prossimità dei giunti.
I semirimorchi cisterna non hanno alcun elemento strutturale esposto tra le ruote e il serbatoio, che è centrato a circa 1980 mm (78 in) dal suolo. In altre parole, non c’è nulla su cui la barriera possa spingere tra le ruote e il serbatoio. Le ruote da 1070 mm possono interagire con una barriera di cemento alta 1070 mm e reindirizzare il veicolo in impatti ad angolo ridotto. (Vedi figura 2.) Tuttavia, per contenere e reindirizzare un’autocisterna di benzina di 36.000 kg dopo impatti con angoli e velocità più alti, è necessaria una barriera di cemento più alta di 2290 mm (90 pollici).
Parapetti verticali in cemento
Quando una forma di sicurezza in cemento solleva un veicolo, parte dell’energia cinetica del veicolo viene convertita in energia potenziale. Questa energia potenziale viene ritrasformata in energia cinetica quando il veicolo ritorna a terra.
I muri a parapetto in calcestruzzo verticale non hanno questa caratteristica di gestione dell’energia, ma i crash test hanno dimostrato che possono funzionare in modo accettabile come barriere al traffico. Tutto l’assorbimento di energia in un impatto con un muro verticale rigido è dovuto allo schiacciamento del veicolo. I paraurti di solito non scivolano sulle pareti verticali di cemento e sollevano il veicolo, quindi tutte e quattro le ruote tendono a rimanere a terra. Questo minimizza il potenziale di ribaltamento del veicolo. Poiché il veicolo non viene sollevato e inclinato dalla parete verticale, questo aumenta anche la possibilità che la testa di un automobilista passi attraverso un finestrino laterale e venga a contatto con la barriera verticale.
Le ruote del veicolo sono progettate principalmente per gestire carichi verticali, non orizzontali. Le traiettorie delle autovetture dopo lo schianto contro barriere di cemento verticali possono essere incerte a causa dei danni alle ruote che possono verificarsi quando l’asse anteriore entra in contatto con la barriera.
Barriere di cemento a pendenza costante
La necessità di avere un profilo di barriera a pendenza singola che abbia prestazioni più consistenti di un muro di cemento a faccia verticale ha portato allo sviluppo di barriere a pendenza costante. Sia le barriere a pendenza costante che i muri verticali in calcestruzzo possono facilitare il rifacimento della pavimentazione perché le loro prestazioni sono insensibili allo spessore del manto d’asfalto. Questo è particolarmente vantaggioso quando si costruiscono barriere su rampe curve e per le operazioni di rifacimento che altrimenti richiederebbero il ripristino delle barriere di sicurezza in calcestruzzo. Fino a 255 mm (10 in) di sovrapposizione possono essere fatti prima che l’altezza della barriera sia ridotta a 815 mm (32 in).
La barriera a pendenza costante del Texas è alta 1070 mm (42 in) e ha una faccia a pendenza costante che fa un angolo di 10,8 gradi rispetto alla verticale. (Vedi figura 3.) È stata originariamente testata e sviluppata per l’uso come barriera temporanea in calcestruzzo, ma è stata ampiamente utilizzata come barriera mediana permanente in calcestruzzo.
La California ha sviluppato un profilo a pendenza costante che fa un angolo di 9,1 gradi rispetto alla verticale. Questo è più vicino alla pendenza di 6 gradi sulle facce superiori della forma NJ e della forma F. La California ha usato questo profilo a pendenza costante per la sua barriera stradale di tipo 60 alta 1070 mm e per la sua guida da ponte di tipo 70.
I crash test indicano che la prestazione della barriera a pendenza costante del Texas è paragonabile a quella della forma NJ e la prestazione della barriera a pendenza costante della California è paragonabile a quella della forma F. Queste barriere a pendenza costante sono state entrambe testate con l’autocarro a unità singola da 8000 kg (18.000 libbre) in conformità con il rapporto 350 della NCHRP, e sono entrambe barriere di livello di prova quattro (TL-4). Ad oggi, le barriere a pendenza costante non sono state sottoposte a crash test con autoarticolati o altri veicoli pesanti; pertanto, i loro limiti superiori di prestazione non sono stati stabiliti.
Barriere portatili in calcestruzzo
Le barriere portatili in calcestruzzo (PCB) hanno notevolmente migliorato la sicurezza nelle zone di lavoro della costruzione. Le PCB sono fatte di sezioni prefabbricate in calcestruzzo a forma di sicurezza unite insieme per formare una barriera longitudinale continua. Poiché le barriere portatili in calcestruzzo sono destinate principalmente a impedire ai veicoli erranti di colpire i lavoratori edili, la deflessione laterale dinamica di queste barriere deve essere mantenuta al minimo. In generale, la deflessione della barriera può essere minimizzata usando segmenti di barriera più lunghi e usando giunti che possono sviluppare un momento flettente di 6913 kg-m (50 kip-ft) o più.
Questa barriera di cemento portatile alta 510 mm- (20-in-), sviluppata dal Texas Department of Transportation, ha una pendenza inversa di 2,8 gradi (1 su 20) rispetto alla verticale. Questa barriera di cemento a basso profilo è stata testata con successo con un camioncino a 72 km/h (45 mi/h).
Le connessioni a perno e ad anello sono molto popolari perché possono facilmente adattarsi alla curvatura orizzontale e ai cambiamenti di pendenza verticale. Tuttavia, possono sviluppare la capacità del momento flettente solo dopo che il giunto ha subito una quantità significativa di rotazione. Una rondella o una coppiglia all’estremità inferiore del perno d’acciaio è necessaria per evitare che il perno salti verticalmente fuori dai cappi all’impatto. Gli anelli fatti di barre di rinforzo sono migliori degli anelli di filo perché possono resistere alle rotazioni torsionali delle barriere alle giunture. Tirare i segmenti della barriera stretti e ancorare i segmenti finali al terreno sono anche molto utili per ridurre la deflessione laterale. L’ancoraggio di ogni segmento della barriera con perni d’acciaio conficcati nel terreno è molto efficace, ma richiede molto lavoro e rende la barriera meno portatile.
Basso profilo delle barriere di cemento
Se una faccia inclinata su una barriera di cemento può sollevare un veicolo, allora è ragionevole che una pendenza nella direzione opposta può tendere a tenere il veicolo giù spingendo il paraurti verso il basso. Una barriera di cemento portatile alta 510 mm (20 pollici) è stata sviluppata dal Texas Department of Transportation per l’uso nelle zone di lavoro e nelle intersezioni in cui la distanza visiva del conducente sarebbe bloccata da una barriera più alta. La pendenza inversa è di 2,8 gradi (1 su 20) rispetto alla verticale. Questa barriera di cemento a basso profilo è stata testata con successo con un camioncino a 72 km/h (45 mi/h). Non è stata testata a velocità più elevate o con veicoli più grandi.
Conclusione
Ognuno di questi tipi di barriera in cemento riempie una nicchia e aiuta a soddisfare le esigenze delle agenzie autostradali che selezionano, progettano e collocano le barriere stradali. In termini di prestazioni di sicurezza, la forma a F da 1070 mm (42 pollici) è attualmente la nostra migliore tecnologia. Il profilo F-shape è chiaramente superiore al NJ-shape e viene gradualmente utilizzato da più stati sia per barriere di cemento portatili che per barriere permanenti.
Charles F. McDevitt è un ingegnere strutturale nell’Ufficio di ricerca e sviluppo sulla sicurezza della Federal Highway Administration presso il Turner-Fairbank Highway Research Center di McLean, Va. Ha 39 anni di esperienza nella progettazione, nei test e nello sviluppo di nuovi prodotti. È entrato nella Federal Highway Administration nel 1978. Negli ultimi 22 anni ha lavorato allo sviluppo di nuove e migliori barriere stradali. Ha un master in ingegneria civile dell’Università della Pennsylvania ed è un ingegnere professionista registrato in Pennsylvania.