«Metodologia di analisi degli effetti delle caratteristiche costruttive dei rotabili sul contenuto armonico delle vibrazioni trasmesse all'infrastruttura» M. Bruner (*), R. Licciardello (*), P. Vitali (*), M. Cortese(**), M. Costa (**) (*) DITS – Development and Innovation in Transport Systems; (**) Ansaldo STS

Introduzione In questo lavoro si illustra un approccio metodologico all’analisi delle vibrazioni indotte dal traffico ferroviario mediante utilizzo di codici di calcolo MBS (Multi-Body Systems). La metodologia di indagine vibrazionale presentata fa esclusivo uso di modelli MBS per derivare risultati utili al confronto tra configurazioni diverse dello stesso sistema (per modifiche del veicolo o della via). I risultati sono rappresentazioni in 1/3 di ottava degli spettri delle accelerazioni e delle forze di contatto ruota-rotaia Usualmente l’analisi MBS in ambito ferroviario è utilizzata per indagini modali in un campo di frequenze (0÷20 Hz), caratteristico degli studi della "dinamica di marcia". Per la cinematica e la dinamica del binario (frequenze di 20 Hz e più), i modelli più usuali sono quelli che fanno uso di codici agli elementi finiti (FEM: Finite Element Models). La realizzazione di modelli combinati MBS+FEM è possibile ma onerosa in termini di tempi di implementazione e di dati necessari.

Il sistema veicolo-via Il caso di applicazione della metodologia considera il sistema veicolo-via sulla base delle indicazioni di progetto della Linea 6 della Metropolitana di Napoli. La linea prevede un percorso in galleria comprendente 12 stazioni per una estensione del tracciato pari a circa 10,1 km tra le stazioni terminali di Porta del Parco e Piazza Municipio. È attualmente in esercizio una sezione della linea tra le fermate di Mergellina e di Mostra.

Il modello del sistema veicolo-via Il veicolo viene idealizzato mediante corpi rigidi (casse, telai dei carrelli, sale montate) collegati da vincoli cinematici quali coppie rotoidali e/o sferiche (perno di ralla, boccola-assile) e dinamici (molle e smorzatori delle sospensioni). Analogamente si è proceduto allo sviluppo del modello di binario, ottenendo come risultato un sistema vibrante in direzione verticale e trasversale su sistemi elastico-smorzanti definenti le rigidezze e gli smorzamenti rotaia e traversa e tra questa e la vasca di fondazione.

Verifica teorico-sperim. del modello Il modello del veicolo in esercizio è stato verificato sfruttando i rilievi sperimentali di accelerazione disponibili. Le caratteristiche elastiche e smorzanti dell’armamento sono soggette a modifiche con il progredire dell’esercizio. Quindi, ad iniziare dai valori di progetto, tali parametri sono stati tarati al fine di ottenere che le risposte fornite dal modello in termini di accelerazioni di rotaia siano il più possibile confrontabili con quelle sperimentali.

Analisi delle accelerazioni di rotaia Quattro intervalli di frequenza con contenuto armonico predominante: 1÷2 Hz: oscillazioni delle casse (frequenze corrette e ampiezze leggermente sottostimate). 6÷10 Hz: oscillazioni dei telai dei carrelli (frequenze e ampiezze stimate correttamente); 40÷80 Hz: oscillazioni della platea sul materassino; 150÷300 Hz: contenuto armonico attribuibile alle oscillazioni delle rotaie sulle solette sotto-rotaia; 40÷80 Hz e 150÷300 Hz contributi in frequenza per oscillazioni di altri elementi del rodiggio.

Applicazione della metodologia Impostazione nel software MBS dei dati di ingresso variabili (velocità di marcia, tracciato). Integrazione delle equazioni del moto ad 1/1024 di secondo per ottenere segnali nel dominio del tempo (TH - Time History) delle forze di contatto X, Y e Q su tutte le ruote del convoglio. Finestratura temporale dei segnali delle forze per il doppio del tempo impiegato dal veicolo a percorrere la sua lunghezza. Trasformazione nel dominio delle frequenze (SDP) del campione temporale finestrato. Rielaborazione della distribuzione in frequenza in bande a terzi d’ottava. Calcolo della media degli spettri su tutte le sale del veicolo.

Conclusioni generali L’analisi delle accelerazioni di rotaia evidenzia che le frequenze proprie di sistema veicolo-via appaiono tutte confrontabili con i dati sperimentali. Si è quindi confidenti sulla attendibilità dei risultati relativi alla dinamica di marcia (forze di contatto ruota-rotaia Y e Q). Al termine della applicazione della metodologia si dispone di «Time-History» degli spostamenti, delle velocità, delle accelerazioni e delle forze di contatto ruota-rotaia (in direzione verticale e trasversale alla direzione di marcia del veicolo), utilizzabili per la verifica della stabilità in marcia del veicolo. elaborazioni in frequenza lineare ed in terzi di ottava delle «Time-History», utili alla valutazione ad esempio di indici di «Insertion Loss». La metodologia risulta essere estendibile ad altri casi di studio.

Conclusioni particolari Il contributo maggiore alle vibrazioni nel campo di frequenze superiori ai 20 Hz è dovuto all'avanzare delle masse non sospese del veicolo (sostanzialmente le sale montate) lungo il binario con le sue irregolarità. L’avanzamento delle masse non sospese dà luogo ad accelerazioni principalmente verticali e laterali delle masse non sospese del veicolo e, soprattutto, degli elementi dell'armamento. Poiché questi ultimi sono caratterizzati da masse elevate se confrontate con quelle degli elementi del veicolo a pari frequenza propria, non si ritiene che ci siano altre caratteristiche del veicolo che possano dare un contributo significativo alle vibrazioni.

Bibliografia “Le vibrazioni indotte dal traffico su rotaia e tecniche di previ-sione”, P. Pezzoli, IF Giugno 2004, Roma Edizioni CIFI “Soil vibration analysis due to rail bogie motion”, M. Bruner, M. F. Crisi , G. D’Ovidio , G. Valente, International Virtual Journal for Science, Technics and Innovation for Industry – MTM Machine Technologies Materials, Issue 3, Publisher Scientific Technical Union Of Mechanical Engineering, 2011 “Railway Vehicle dynamics and soil vibration analysis”, F.M.D. Accattatis, M. Bruner, F. Crisi, G. D’Ovidio, G. Valente, P. Vitali, DISS_12- 2nd International Workshop Dynamic Interaction of Soil and Structures, ISBN 978-88-548-xxxx-x, di prossima pubblicazione, 2012 L’Aquila. “Modelli analitici di armamento”, M. Bruner, G.R. Corazza, G. Kajon, E. Cioffi, IF Novembre 2005, Roma Edizioni CIFI NF EN14363 ”Testin for acceptance of running characteristics of railway vehicles”, Dicembre 2005

Si ringrazia per l’attenzione Roma 07 giugno 2013 Sapienza Università di Roma, Facoltà di Ingegneria Civile ed Industriale «Metodologia di analisi degli effetti delle caratteristiche costruttive dei rotabili sul contenuto armonico delle vibrazioni trasmesse all'infrastruttura» di M. Bruner (*), R. Licciardello (*), P. Vitali (*), (**), M. Cortese(**), M. Costa (**) (*) DITS – Development and Innovation in Transport Systems; (**) Ansaldo STS