Determinazione dei coefficienti di attrito delle pavimentazioni ghiacciate in presenza di diverse nevicate

L’attrito della pavimentazione è definito come l’aderenza tra gli pneumatici del veicolo e la superficie stradale sottostante¹. L’indice più comunemente associato all’attrito della pavimentazione nella progettazione stradale è il coefficiente di attrito della pavimentazione. L’attrito è uno dei fattori più importanti nella progettazione stradale ed è secondo solo alla durata. Esiste una forte e chiara correlazione tra le prestazioni di attrito della pavimentazione e il rischio di incidenti². Ad esempio, esiste una significativa correlazione negativa tra i tassi di incidenti stradali e la resistenza allo slittamento della pavimentazione ^3,4,5. Diversi fattori possono contribuire a una diminuzione dell’attrito della pavimentazione e uno dei più diretti e influenti di questi fattori è la nevicata⁶. In particolare, le nevicate provocano la formazione di ghiaccio sulla pavimentazione, con conseguente significativa riduzione del coefficiente di attrito stradale ^7,8. Uno studio incentrato sui fattori che influenzano i tassi di incidenti stradali nella Finlandia meridionale ha rilevato che i tassi di incidenti raggiungono comunemente il picco nei giorni con forti nevicate e che più di 10 cm di neve possono portare a un raddoppio del tasso di incidenti⁹. Risultati simili sono stati trovati in studi condotti sia in Svezia che in Canada^10,11. Pertanto, lo studio delle proprietà di attrito delle pavimentazioni ghiacciate dalla neve è fondamentale per migliorare la sicurezza stradale.

Determinare il coefficiente di attrito delle pavimentazioni ghiacciate è un processo complesso perché il coefficiente di attrito può variare in base a diversi livelli di nevicate e spessori di ghiaccio della pavimentazione. Inoltre, anche le variazioni delle temperature e delle caratteristiche degli pneumatici possono influire sul coefficiente di attrito. In passato, sono stati condotti numerosi esperimenti per studiare le caratteristiche di attrito dei pneumatici su ghiaccio¹². Tuttavia, a causa delle differenze nei singoli ambienti e nelle caratteristiche dei pneumatici, non è possibile ottenere risultati coerenti e utilizzarli come base per studi teorici. Pertanto, molti ricercatori hanno tentato di sviluppare modelli teorici per analizzare l’attrito dei pneumatici sul ghiaccio. Hayhoe e Sahpley¹³ hanno suggerito il concetto di scambio termico per attrito bagnato all’interfaccia tra pneumatici e ghiaccio, mentre Peng et ^al.14 hanno proposto un modello di dati avanzato per prevedere l’attrito basato sul concetto di cui sopra. Inoltre, Klapproth ha presentato un modello matematico innovativo per descrivere l’attrito della gomma ruvida sul ghiaccio liscio¹⁵. Tuttavia, i modelli di cui sopra hanno dimostrato di avere errori significativi, principalmente a causa della loro incapacità di caratterizzare in modo accurato ed efficiente le proprietà di attrito dei pneumatici sul ghiaccio¹⁶.

Per ridurre gli errori dei modelli teorici, è necessaria una grande quantità di dati sperimentali. L’Agenzia meteorologica finlandese ha sviluppato un modello di attrito per prevedere l’attrito della pavimentazione ghiacciata, e la formula per tale modello si basava principalmente sui dati ottenuti dalle stazioni meteorologiche stradali e attraverso l’analisi statistica¹⁷. Inoltre, Ivanović et al. hanno raccolto una quantità significativa di dati sperimentali analizzando le caratteristiche di attrito dei pneumatici sul ghiaccio e hanno calcolato il coefficiente di attrito del ghiaccio mediante analisi di regressione¹⁸. Gao et al. hanno anche proposto un nuovo modello di previsione della trazione pneumatico-gomma-ghiaccio combinando l’algoritmo di ottimizzazione di Levenberg-Marquardt (LM) con una rete neurale per ottenere la formula per il coefficiente di attrito sul ghiaccio¹⁹. Tutti i modelli di cui sopra sono stati convalidati o applicati nella pratica e sono, quindi, considerati fattibili.

Oltre ai metodi teorici, sono stati sviluppati molti metodi pratici per misurare il coefficiente di attrito dei marciapiedi in aree innevate e ghiacciate. A causa delle particolarità del tempo, questi metodi sono stati ampiamente utilizzati nei paesi nordici come Svezia, Norvegia e Finlandia²⁰. In Svezia vengono utilizzati i seguenti tre tipi principali di dispositivi di misurazione dell’attrito: BV11, SFT e BV14. Il BV14, un tester a doppio attrito sviluppato appositamente per le valutazioni di manutenzione invernale, è collegato direttamente al veicolo di misura e misura l’attrito secco su entrambi i percorsi delle ruote contemporaneamente²⁰. In Finlandia, il veicolo di misurazione dell’attrito (TIE 475) viene utilizzato per le valutazioni di manutenzione stradale invernale, mentre in Norvegia, il dispositivo di misurazione dell’attrito ROAR (senza acqua) è un pezzo di equipaggiamento comunemente usato². La maggior parte delle misurazioni dell’attrito invernale effettuate in Svezia, Norvegia e Finlandia sono state eseguite utilizzando normali autovetture con ABS e strumenti che misurano la decelerazione in frenata ^2,20. Il vantaggio di questo metodo è che è semplice e relativamente economico, e lo svantaggio principale è che la precisione del metodo è molto bassa.

Gli studi sopra descritti forniscono metodi per prevedere e rilevare i coefficienti di attrito sul ghiaccio. Tuttavia, non sono ancora stati forniti un metodo uniforme e un valore specifico per guidare i progettisti stradali. Inoltre, per le strade invernali, il coefficiente di attrito tra i pneumatici e il ghiaccio può variare rispetto ai diversi spessori del ghiaccio e dovrebbero essere attuate anche diverse misure di smaltimento²¹. Pertanto, questo documento mira a determinare il coefficiente di attrito delle strade ghiacciate sotto diverse quantità di nevicate.

A livello internazionale, il tester portatile britannico (BPT) e il tester di attrito portatile dello Swedish Road and Transport Research Institute (VTI PFT) sono attualmente gli strumenti più comunemente utilizzati per misurare il coefficiente di attrito^22,23. Il PFT è un tester di attrito portatile sviluppato da VTI e consente all’operatore di effettuare misurazioni in posizione verticale e salvare i dati sul computer²². Il PFT può misurare la maggior parte della segnaletica orizzontale sagomata, ma il numero di strumenti attualmente disponibili è ancora molto piccolo². Il BPT è un tester del coefficiente di attrito del pendolo sviluppato dal British Road Research Laboratory (RRL, ora TRL). Lo strumento è un tester dinamico a pendolo utilizzato per misurare la perdita di energia nei casi in cui un bordo di scorrimento in gomma viene spinto su una superficie di prova. I risultati sono riportati come British Pendulum Numbers (BPN) per sottolineare che sono specifici per questo tester e non direttamente equivalenti a quelli di altri dispositivi²⁴. Lo strumento si è dimostrato utile per la determinazione dei coefficienti di attrito nel campo sperimentale della pavimentazione²³. Questo esperimento utilizza il BPT per la determinazione dei coefficienti di attrito.

Il presente studio descrive la procedura sperimentale per misurare il coefficiente di attrito delle pavimentazioni ghiacciate corrispondenti a diverse quantità di neve al chiuso. I problemi da notare negli esperimenti, come la calibrazione sperimentale, l’implementazione sperimentale e i metodi di analisi dei dati, sono spiegati in dettaglio. Le attuali procedure sperimentali possono essere riassunte nelle seguenti cinque fasi: 1) la preparazione dell’attrezzatura, 2) il calcolo e l’analisi della nevicata, 3) la taratura dell’attrezzatura, 4) la determinazione del coefficiente di attrito e 5) l’analisi dei dati.