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Ballast ProjectionBallast Projection
Firenze, 20 febbraio 2009Firenze, 20 febbraio 2009
Luca BoccioliniLuca BoccioliniTrenitalia S.p.A. - DISQ – TMR – PSLTrenitalia S.p.A. - DISQ – TMR – PSLModelli Simulazioni e Prove Modelli Simulazioni e Prove MeccanicheMeccaniche
Luca BoccioliniLuca BoccioliniTrenitalia S.p.A. - DISQ – TMR – PSLTrenitalia S.p.A. - DISQ – TMR – PSLModelli Simulazioni e Prove Modelli Simulazioni e Prove MeccanicheMeccaniche
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Ballast ProjectionBallast Projection
Contesto e causeContesto e cause
Stato dell’arte
Cause
Stato dell’arte
Cause
Studi svoltiStudi 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
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 futuriConclusioni e sviluppi futuri
Conclusioni e sviluppi futuri Conclusioni e sviluppi futuri
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Ballast Projection – Stato dell’arteBallast 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).
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).
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Ballast Projection – CauseBallast Projection – Cause
Meccanismo di innesco e sviluppo del Ballast ProjectionMeccanismo di innesco e sviluppo del Ballast Projection
Motivi aerodinamici
Motivi aerodinamici
InnescoInnesco SviluppoSviluppo Propagazione Propagazione InnescoInnesco SviluppoSviluppo Propagazione Propagazione
GhiaccioGhiaccio
Materiale sul tracciato
Materiale sul tracciato
Una pietra urta il treno
Una pietra urta il treno
La massicciata è colpita e si alza pietrisco
La massicciata è colpita e si alza pietrisco
Il fenomeno si propaga
Il fenomeno si propaga
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Ballast Projection – SperimentazioneBallast Projection – Sperimentazione
Prove sperimentali sulla collisione tra pietra e massicciata : obbiettivi
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.
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
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
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Ballast Projection – SperimentazioneBallast Projection – Sperimentazione
Descrizione delle prove (56 test)Descrizione delle prove (56 test)
La fionda lancia una pietra con velocità e angolo variabili
La fionda lancia una pietra con velocità e angolo variabili
La pietra colpisce la massicciata La pietra colpisce la massicciata
A seguito dell’impatto si alza del pietrisco e alcune pietre possono fratturarsi
A seguito dell’impatto si alza del pietrisco e alcune pietre possono fratturarsi
Una telecamera riprende l’intero evento Una telecamera riprende l’intero evento
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Ballast Projection – SperimentazioneBallast Projection – Sperimentazione
Risultati e conclusioniRisultati 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.
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 riscontrateProblematiche 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.
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.
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Ballast Projection – Analisi agli elementi finitiBallast Projection – Analisi agli elementi finiti
Analisi agli elementi finiti della collisione tra pietra e massicciata
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).
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.
Obbiettivo : valutare il numero di pietre proiettate, le loro proprietà e le caratteristiche del moto dopo l’impatto.
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Ballast Projection – Analisi agli elementi finitiBallast Projection – Analisi agli elementi finiti
Risultati e conclusioniRisultati e conclusioni
Le simulazioni numeriche indicano che non si può prescindere da un approccio statistico per analizzare il problema.
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 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.
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.
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.
Le relazioni ottenute devono essere confrontate con un numero maggiore di risultati sperimentali e completate con delle prove di impatto a bassa velocità.
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Ballast Projection – Innesco del fenomenoBallast Projection – Innesco del fenomeno
Prove sperimentali su un modello 1:1 di tracciato ferroviario : obbiettivi 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.
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.
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Ballast Projection – Innesco del fenomenoBallast Projection – Innesco del fenomeno
Descrizione delle proveDescrizione 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
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
Simulazione dell’effetto aerodinamico del passaggio di un treno, in particolare del primo colpo di pressione
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Ballast Projection – Innesco del fenomenoBallast Projection – Innesco del fenomeno
ConclusioniConclusioni
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
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
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Ballast Projection – Innesco del fenomenoBallast Projection – Innesco del fenomeno
Prove sperimentali in galleria del vento SÜMKA (1:10): obbiettivi
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.
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.
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Ballast Projection – Innesco del fenomenoBallast Projection – Innesco del fenomeno
Prove in galleria del vento SÜMKAProve 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)
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)
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Ballast Projection – Innesco del fenomenoBallast Projection – Innesco del fenomeno
Risultati e conclusioniRisultati e conclusioni
La geometria del tracciato è determinante nell’innesco del Ballast Projection
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
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
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IntroduzioneIntroduzione
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
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 elettromagneticiObbiettiviObbiettivi
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
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 DDBallast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD
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DB – 4 sezioni di misura
BT – 3 sezioni di misura DLR – 1 sezione di
misura
DB – 4 sezioni di misura
BT – 3 sezioni di misura DLR – 1 sezione di
misura
Sito di prova : misure realizzateSito di prova : misure realizzate
Ballast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DDBallast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD
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Analisi dei datiAnalisi 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
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 DDBallast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD
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Analisi dei datiAnalisi 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
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 DDBallast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD
2020
ConclusioniConclusioni
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
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 futuriSviluppi 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)
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 – Sperimentazione Firenze-Roma DDBallast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD
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Ballast Projection – Conclusioni e sviluppiBallast Projection – Conclusioni e sviluppi
Stima della probabilità del Ballast ProjectionStima 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
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 stessoRicerche futureRicerche 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
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 !GRAZIE PER L’ATTENZIONE !
Firenze, 20 febbraio 2009Firenze, 20 febbraio 2009
Luca BoccioliniLuca BoccioliniTrenitalia S.p.A. - DISQ – TMR – PSLTrenitalia S.p.A. - DISQ – TMR – PSLModelli Simulazioni e Prove Modelli Simulazioni e Prove MeccanicheMeccaniche
Luca BoccioliniLuca BoccioliniTrenitalia S.p.A. - DISQ – TMR – PSLTrenitalia S.p.A. - DISQ – TMR – PSLModelli Simulazioni e Prove Modelli Simulazioni e Prove MeccanicheMeccaniche