Modellazione e verifica strutturale di pavimentazioni stradali per veicoli elettrici con ricarica in continuo. Applicazione a un caso studio

This paper, part of a research project of the Politecnico di Milano Civil Environmental Engineering Department, Transport Infrastructure section, aims to evaluate the effects produced by the insertion of a housing in the interior of a road pavement, in which it will be possible to place an inductive charging system for electric cars. In particular, the identified solution is a concrete box, in which it will be possible to insert the charging circuits. The goal that the mobility sector has set itself today is to identify solutions to the problems that many users experience when they switch from a heat engine car to an electric car, for example prolonged recharging time and limited autonomy. It is precisely in this context that the so-called E-Roads (Electric Roads) play their role: E-Roads are all road infrastructures that provide a recharging system for electric cars. These systems can be different in type and nature and, in this context, the dynamic inductive charging system seems to be the one with the greatest growth prospects and which is closest to the needs expressed by users. The effects that the presence of the concrete housing produces have been therefore evaluated from a structural point of view and considering the variation of the road pavement response to the phenomena of fatigue and rutting compared to a classic T-Road (Traditional Road). In order to do this, finite element models have been developed in order to simulate the structure of the pavement, the behavior of the materials used and the loads acting on the pavement (i.e. the passage of road vehicles). To consolidate the analysis and verify the effective applicability to a real situation, a road has been identified to carry out the same assessments. The attention has been focused on Viale Forlanini in Milano. With respect to the theoretical analyses, in this case, it has been necessary to search for some data related to the road itself. In particular, the average temperatures and traffic flows are the two variables that were obtained only after an in-depth analysis of the road and the context in which it is inserted. As regards the effects produced by the presence of the housing, both in the theoretical and in the practical case, it has been obtained that, in the case of the fatigue checks, considering that the modeling required the definition of a specific point load application (which in reality does not happen, due to the dynamism of the vehicles), it can ultimately be said that the stratigraphic configuration of an E-Road does not involve any worsening in the system response to the phenomenon of fatigue, indeed, given the higher concrete stiffness it leads to a slight improvement in the pavement response. As regards the effects produced by rutting, evaluating both the theoretical case and the practical case, it has been observed that the presence of the housing has not involved any variation in terms of system response, in any of the load configurations. Ultimately, from the analyses carried out in this report, it has emerged that it is possible to create an E-Road without any particular problem in terms of structural response to the deterioration of the system. Even if these results are based on models that hypothesize an elastic-linear response of the materials, they are very encouraging and, in perspective, they represent a possible starting point for the development of even more sophisticated models which, in all likelihood, will make possible to realize these roads more frequently.

Il presente elaborato, che si inserisce all’interno di un progetto di ricerca del Dipartimento di Ingegneria Civile Ambientale sezione Infrastrutture di Trasporto del Politecnico di Milano, si pone l’obiettivo di andare a valutare gli effetti prodotti dall’inserimento di un alloggiamento all’interno di una pavimentazione stradale,in cui successivamente sarà possibile collocare un sistema di ricarica induttivo per le auto elettriche. In particolare, la soluzione individuata è quella di un alloggiamento scatolare in calcestruzzo, in cui sarà possibile inserire i circuiti di ricarica. L’obiettivo che oggi il settore della mobilità si è prefissato è quello di individuare delle soluzioni ai problemi che molti utenti riscontrano quando passano da un’auto a motore termico a un’auto elettrica, si pensi alla necessità di effettuare ricariche prolungate e alla limitata autonomia: è proprio in questo contesto che si inseriscono le così dette E-Roads (Electric Roads), cioè tutte le infrastrutture stradali che prevedono un sistema di ricarica delle auto elettriche. Questo sistema può essere di diverso tipo e natura e, in questo ambito, proprio il sistema di ricarica induttivo dinamico sembra poter essere quello con le maggiori prospettive di crescita e che più si avvicina alle esigenze espresse dall’utenza. Si sono pertanto valutati gli effetti prodotti dalla presenza dell’alloggiamento in calcestruzzo dal punto di vista strutturale e la variazione della risposta di una pavimentazione di questo tipo ai fenomeni della fatica e dell’ormaiamento rispetto a una classica T-Road (Traditional Road). Per fare ciò si sono sviluppati dei modelli agli elementi finiti, che simulano la struttura della pavimentazione, il comportamento dei materiali utilizzati ed i carichi che agiscono sulla pavimentazione (ossia il passaggio dei veicoli stradali). Per consolidare ulteriormente l’analisi e verificare la sua effettiva applicabilità ad una situazione reale, si è individuata una strada sulla quale andare ad effettuare le medesime valutazioni. L’attenzione si è concentrata su Viale Forlanini a Milano. Rispetto all’analisi teorica, in questo caso, è stato necessario ricercare alcuni dati relativi alla strada stessa. In particolare, le temperature medie e i flussi di traffico sono le due variabili che sono state ottenute solo tramite un’approfondita analisi della strada e del contesto in cui è inserita. Per quel che riguarda gli effetti prodotti dalla presenza dell’alloggiamento, sia nel caso teorico, sia nel caso pratico, quel che si è ottenuto è che, nel caso delle verifiche a fatica, considerando che la modellazione ha richiesto la definizione di un punto specifico di applicazione del carico (cosa che nella realtà non avviene, vista la dinamicità dei veicoli), si può in definitiva affermare che la configurazione stratigrafica di una E-Road non comporta nessun peggioramento nella risposta del sistema al fenomeno della fatica, anzi, vista la maggiore rigidezza del calcestruzzo porta a un leggero miglioramento della risposta della pavimentazione. Per quel che riguarda invece l’ormaiamento quello che si è potuto osservare, valutando sia il caso teorico sia il caso pratico, è che la presenza dell’alloggiamento non ha comportato variazione in termini di risposta del sistema, in nessuna delle configurazioni di carico. In definitiva, dalle analisi effettuate nel presente elaborato, è emerso che è possibile realizzare una E-Road senza particolari problematiche in termini di risposta strutturale ai fenomeni di deterioramento del sistema. Questi risultati, seppur basati su modelli che ipotizzano una risposta elastico-lineare dei materiali, sono molto incoraggianti e, in prospettiva, rappresentano un possibile punto di partenza per lo sviluppo di modelli ancor più sofisticati e, che con buona probabilità, permetteranno di implementare in modo diffuso questa tipologia di sistemi.