Ballast Projection Firenze, 20 febbraio 2009 Luca Bocciolini Trenitalia S.p.A. - DISQ – TMR – PSL Modelli Simulazioni e Prove Meccaniche

Ballast Projection Contesto e cause Stato dell’arte Cause Studi svolti Studio dell’impatto pietra-massicciata : sperimentazione e analisi agli elementi finiti Prove sperimentali sulla massicciata per lo studio dell’innesco del fenomeno : modello 1:1 e modello 1:10 Sperimentatazione sulla linea Firenze-Roma DD Conclusioni e sviluppi futuri Conclusioni e sviluppi futuri

Ballast Projection – Stato dell’arte Negli ultimi anni si sono riscontrati numerosi incidenti di “Ballast projection” sulle reti di tutta europa. Gli incidenti si sono verificati anche in assenza di ghiaccio, di neve e di materiali abbandonati sul tracciato. Tutti gli incidenti sono avvenuti ad alta velocità (230 km/h ≤ v ≤ 350 km/h).

Ballast Projection – Cause Meccanismo di innesco e sviluppo del Ballast Projection Innesco Sviluppo Propagazione Motivi aerodinamici Una pietra urta il treno Ghiaccio Il fenomeno si propaga La massicciata è colpita e si alza pietrisco Materiale sul tracciato

Ballast Projection – Sperimentazione Prove sperimentali sulla collisione tra pietra e massicciata : obbiettivi Riprodurre ed osservare la collisione tra una pietra e la massicciata in condizioni di laboratorio utilizzando una catapulta ad alta velocità ed una telecamera. Rilevare le caratteristiche della pietra dopo l’impatto (velocità, direzione, rottura, …) Misurare l’energia cinetica delle pietre proiettate dall’impatto Valutare le caratteristiche dell’urto al variare di angolo di impatto (10°÷ 90°), velocità iniziale (100 km/h ÷ 280 km/h) e massa della pietra (100g ÷ 200 g). Utilizzare i risultati sperimentali per valutare la bontà di un modello numerico

Ballast Projection – Sperimentazione Descrizione delle prove (56 test) La fionda lancia una pietra con velocità e angolo variabili La pietra colpisce la massicciata A seguito dell’impatto si alza del pietrisco e alcune pietre possono fratturarsi Una telecamera riprende l’intero evento

Ballast Projection – Sperimentazione Risultati e conclusioni In casi estremi a seguito dell’impatto si alza un numero elevato di pietre (oltre 13) ad altezza superiore a 5 cm. Difficilmente pietre arrivano ad un’altezza tale da poter colpire il sottocassa di un treno. La quantità di pietre o parti di pietre che si alza a seguito dell’impatto dipende da massa, velocità iniziale ed angolo di impatto della pietra lanciata. Con angoli di impatto superiori ai 40° la possibilità che la pietra si distrugga aumenta fino al 90%. In caso di impatto ortogonale a velocità superiori di 160 km/h ci sono alte probabilità di danneggiare il sito di prova. Problematiche riscontrate Le prove hanno una bassa ripetibilità ed è difficile effettuarne un numero elevato a causa dei danni che le stesse arrecano frequentemente al sito di prova.

Ballast Projection – Analisi agli elementi finiti Analisi agli elementi finiti della collisione tra pietra e massicciata Ipotesi : pietre perfettamente rigide, presenza di attrito tra le superfici di contatto. Studio parametrico : angolo di impatto (10°÷ 80°), velocità iniziale (100 km/h ÷ 350 km/h), massa della pietre(40g ÷ 200g). Obbiettivo : valutare il numero di pietre proiettate, le loro proprietà e le caratteristiche del moto dopo l’impatto.

Ballast Projection – Analisi agli elementi finiti Risultati e conclusioni Le simulazioni numeriche indicano che non si può prescindere da un approccio statistico per analizzare il problema. E’ possibile individuare una relazione tra l’energia cinetica della pietra che colpisce la massicciata e il numero di pietre proiettate. E’ possibile stabilire una relazione tra l’angolo d’impatto di una pietra e il “coefficiente di restituzione” (v1/v0) che può essere utilizzato per descrivere il moto della pietra dopo l’impatto. Il numero di pietre proiettate dall’impatto non sembra essere correlato con l’angolo di impatto. Le relazioni ottenute devono essere confrontate con un numero maggiore di risultati sperimentali e completate con delle prove di impatto a bassa velocità.

Ballast Projection – Innesco del fenomeno Prove sperimentali su un modello 1:1 di tracciato ferroviario : obbiettivi Acquisire conoscenze sulla dinamica della massicciata a grandezza naturale e in una situazione controllata Valutare l’influenza dei principali parametri che condizionano il fenomeno : il profilo di velocità dell’aria e le vibrazioni indotte sul tracciato dal passaggio di un treno. Le prove sono state effettuate in galleria del vento con l’ausilio di piattaforme vibranti.

Ballast Projection – Innesco del fenomeno Descrizione delle prove Altezza della massicciata rispetto alle traversine pari a : 0 o 4 cm Geometria del sottocassa : di una carrozza senza carrelli o della zona compresa tra i carrelli adiacenti di due carrozze (ICE) Vibrazioni indotte sui piatti vibranti posti su una traversina con ampiezza compresa tra 3 mm e 6 mm e frequenza di 3 Hz o 5 Hz Simulazione dell’effetto aerodinamico del passaggio di un treno, in particolare del primo colpo di pressione

Ballast Projection – Innesco del fenomeno Conclusioni Non si sono verificati movimenti di pietrisco quando questo non sovrastava le traversine Non si è riscontrata una influenza determinate della geometria del sottocassa Non si sono riscontrati sollevamenti di pietre, neanche a seguito di urti con le traversine Lo spostamento di pietre è decisamente dipendente dalla velocità del flusso Lo spostamento di pietre è dipendente dall’ampiezza delle vibrazioni ma non dalla loro frequenza

Ballast Projection – Innesco del fenomeno Prove sperimentali in galleria del vento SÜMKA (1:10): obbiettivi Verificare l’esistenza di una relazione tra le caratteristiche del tracciato e l’innesco del fenomeno. Valutare l’influenza dell’abbassamento del livello della massicciata rispetto alle traversine. Capire quali sono i parametri del flusso aerodinamico che governano il fenomeno.

Ballast Projection – Innesco del fenomeno Prove in galleria del vento SÜMKA Rapporto di scala 1:10 Velocità media del flusso fino a 35 m/s2 corrispondenti a circa 400 km/h. Prove svolte in assenza di turbolenza su tre diversi tipi di tracciato Prove svolte in condizioni di turbolenza in una sola condizione (assenza di traversine)

Ballast Projection – Innesco del fenomeno Risultati e conclusioni La geometria del tracciato è determinante nell’innesco del Ballast Projection Il fenomeno del distacco di particelle sembra essere principalmente dipendente dal “wall shear stress” che è funzione delle velocità longitudinale e verticale in prossimità della massicciata Un altro parametro primario e connesso al precedente è la turbolenza Non è stato possibile rilevare una dipendenza diretta tra la velocità media del flusso e il distacco di particelle

Ballast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD Introduzione Le forze indotte sul tracciato dal treno sono il fattore chiave del ballast projection L’aerodinamica sulla massicciata è influenzata sia dal treno che dal tracciato La conoscenza delle forze aerodinamiche sul tracciato è necessaria per definire le caratteristiche dei futuri treni e per standardizzare i tracciati Le misure sul tracciato sono difficili da realizzare e possono essere condizionate da vibrazioni, umidità, e disturbi elettromagnetici Obbiettivi Misurare le grandezze che caratterizzano il flusso aerodinamico sottocassa Sperimentare l’efficacia di diverse tecniche di misura Caratterizzare il flusso attraverso un’analisi statistica delle misure Studiare lo sviluppo del flusso lungo il treno Valutare l’effetto della rugosità del tracciato (massicciata e piattaforma) sul flusso

Ballast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD Sito di prova : misure realizzate DB – 4 sezioni di misura BT – 3 sezioni di misura DLR – 1 sezione di misura

Ballast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD Analisi dei dati Media su 30 ETR 500 misurati La velocità dell’aria misurata all’altezza del piano del ferro è circa il 50% della velocità del treno Dopo il passaggio della prima carrozza il moto dell’aria si ripete periodicamente Le misure ottenute da USA, tubi di Pitot e di Prandtl sono concordi Il flusso si inverte al passaggio del veicolo di testa del treno

Ballast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD Analisi dei dati Media su 300 carrozze misurate La velocità dell’aria aumenta a causa dei carrelli e delle zone di connessione tra le carrozze La velocità dell’aria diminuisce nella zona piatta del sottocassa

Ballast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD Conclusioni Sono state confrontate numerose tecniche di misura per caratterizzare il flusso aerodinamico del sottocassa, USA e i tubi di Pitot e Prandtl hanno fornito risultati simili Le misure realizzate con tubi di Pitot e Prandtl devono essere filtrate con un filtro passa/basso E’ stato implementato un metodo condiviso di trattamento, raccolta, analisi e dei dati Le prove sperimentali permettono di caratterizzare il veicolo dal punto di vista dell’aerodinamica del sottocassa Sviluppi futuri Sono necessarie ulteriori prove per caratterizzare il flusso dal punto di vista dello “wall shear stress” e per valutare l’effetto della rugosità del tracciato (piattaforma/massicciata)

Ballast Projection – Conclusioni e sviluppi Stima della probabilità del Ballast Projection Sono stati svolti studi numerici e sperimentali che forniscono le basi per lo studio del fenomeno Sono stati investigati numerosi parametri ed è stata valutata la loro influenza sia sull’innesco sia sulla propagazione del fenomeno Non è stato possibile arrivare a una funzione in grado di considerare complessivamente il fenomeno e valutarne il rischio a causa della natura fortemente stocastica dello stesso Ricerche future La dipendenza del ballast projection dalle caratteristiche del flusso (turbolenza e velocità) non è ancora del tutto chiara E’ necessario ricercare una funzione in grado di valutare il fenomeno nella sua interezza

GRAZIE PER L’ATTENZIONE ! Firenze, 20 febbraio 2009 GRAZIE PER L’ATTENZIONE ! Luca Bocciolini Trenitalia S.p.A. - DISQ – TMR – PSL Modelli Simulazioni e Prove Meccaniche