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

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


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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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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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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


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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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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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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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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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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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


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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


1919

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


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)


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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



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

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