S. Curcuruto 1 , D. Atzori 1 , R. Betti 1 , G. Marsico 1 , E. Mazzocchi 1 , E. Monaco 2 ,

1. 3° CONVEGNO NAZIONALESICUREZZA ED ESERCIZIO FERROVIARIO:TECNOLOGIE E REGOLAMENTAZIONE PER LA COMPETIZIONE Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità S. Curcuruto1, D. Atzori1, R. Betti1, G. Marsico1, E. Mazzocchi1, E. Monaco2, V. Limone2, F. Amoroso2, G. Loprencipe3, P. Zoccali3 1ISPRA, Via Vitaliano Brancati 48, 00151 Roma 2Sonora S.r.l., Via dei Bersaglieri 9, 81100 Caserta 3DICEA – Sapienza, Università di Roma, Via Eudossiana 18, 00184 Roma

2. CONTENUTI • Introduzione • Modello semplificato di attenuazione • Misure sperimentali e confronti: Treni a Bassa velocità • Vibrazioni indotte da tram • Vibrazioni indotte da treni AV viaggianti a bassa velocità (leggi di attenuazione bi-lineari) • Vibrazioni indotte da treni AV: • Misure sperimentali • Modello previsionale • WavePrevision software Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

3. INTRODUZIONE Recentemente, l’incremento della sensibilità nei riguardi della percezione delle vibrazioni generate dai vari sistemi di trasporto ha comportato l’impiego di risorse tecniche ed economiche nella definizione di opportuni strumenti di previsione. • Nell’ambito di un contratto di ricerca stipulato tra ISPRA e Sonora S.r.l. e con il contributo dei ricercatori del DICEA, è stato implementato un software allo scopo di: • valutare l’impatto delle vibrazioni indotte durante • l’esercizio ferroviario; • ottimizzare gli interventi di mitigazione in funzione degli effetti prodotti; • riduzione dei costi. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

4. INTRODUZIONE La problematica delle vibrazioni in ambito ferroviario è considerata da più parti come uno dei principali limiti allo sviluppo dell’infrastruttura ferroviaria. Per tale motivo, negli ultimi anni, tecnici specialisti del settore si sono adoperati nella ricerca di opportuni modelli previsionali. MODELLO PREVISIONALE Adattarsi alla variabilità delle situazioni di studio (sovrastruttura, veicoli, condizioni al contorno, interventi mitigazione, etc.) Onere computazionale contenuto (risoluzione in tempi ragionevoli) Fornire risultati affidabili Previsione delle vibrazioni ferroviarie: modelli teorici e agli E.F. SEF13

5. CONFIGURAZIONI SEDE FERROVIARIA • sede in rilevato e in trincea • in galleria • su viadotto Inoltre la complessità del fenomeno e la sua dipendenza da numerosi parametri richiedono generalmente la sua suddivisione in tre fasi : • generazione • propagazione • valutazione del disturbo sui ricettori Previsione delle vibrazioni ferroviarie: modelli teorici e agli E.F. SEF13

6. Nelladescrizione del fenomenovibratoriogeneratodalsistematreno/sovrastruttura/terrenoconcorrono diverse tipologiediondeelastiche: • Onde di volume (compressione e taglio) • Onde superficiali (Rayleigh, Love) Ciascuna di tali onde presenta diverse caratteristiche, funzioni delle proprietà meccaniche del mezzo in cui avviene la propagazione, in termini di: • Attenuazione geometrica; • Dissipazione anelastica. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

7. MODELLI DI ATTENUAZIONE PER TRENI A BASSA VELOCITÀ Il transitodeitreni genera siaondedi volume (compressione e taglio) siaondesuperficiali (Rayleigh and Love), le cui caratteristichesono legate al tipodiinfrastruttura. In particolare, l’equazioneutilizzata per ilcalcolo del livellodellevibrazioni, espressa in dB, lungounadirettricedipropagazione, è: MODELLO SEMPLIFICATO DELLA LEGGE DI ATTENUAZIONE [dB] Lc , Lt , Lssono, rispettivamente, I livelli trasmessi dalle onde di compressione, di taglio e superficiali. L ed L0livelli vibrazionali alla velocità V di transito e V0 di riferimento; R distanza plano-altimetrica del ricettore; R0 posizione plano-altimetrica della sorgente (punto di riferimento) Vc velocità di propagazione delle onde di compressione; Vt velocità di propagazione delle onde di taglio; Vs velocità di propagazione delle onde superficiali; α coefficiente di dissipazione anelastica; βfattore che tiene conto del differente contributo fornito dalle varie tipologie di onde elastiche; K coefficiente di attenuazione geometrica; c,t,s indici di riferimento per le onde di compressione, di taglio e superficiali. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

8. VIBRAZIONI INDOTTE DA TRAM Tramiteappositiaccelerometri, sonostatieseguitideirilievistrumentali a Piazza Galeno, a Roma, al fine dicaratterizzareneldominiodellafrequenza le vibrazioniindottedaltransitodei tram. Talimisuresonoquindi state impiegate per validare e verificareilmodellodiattenuazioneproposto. Le misuresono state condottesimultaneamente in prossimitàdellasorgente, ed in corrispondenzadiunadistanzaprefissata. La differenzadeglispettricosìottenuti ha permessodiottenereunastimadell’attenuazione del fenomenovibratorio. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

9. Misura in corrispondenza della sorgente: R0=1.4 m dall’asse del binario Misura nel punto di osservazione: R=8.5 m dall’asse del binario Ampiezza accelerazione alla sorgente (blu) e al ricettore (rosso) per tutti gli eventi registrati – in nero il valore medio dell’ampiezza dell’accelerazione per i due punti di misura. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

10. La differenzatra lo spettroottenuto in corrispondenzadellasorgente e del ricettorefornisce la leggediattenuazione in frequenza, misurata per una data distanza R. Approssimandola leggediattenuazione del terrenotramitel’impiegodell’equazionedellarettadiregressionelineareesposta in precedenza, in cui (R-R0) e (R/R0) sonoparametrinoti, è possibilericercarel’interpolazionemigliorevariandoicoefficienti a e b. 70 Attenuation Linear Interpolation 60 50 0.125*Fc+5.09 ¬ 40 Attenuation [dB] 30 20 Best-fittinglaw: 10 0 0 1 2 3 10 10 10 10 Frequency [Hz] Attenuazione media del terreno calcolata tramite misure in sito Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

11. CONFRONTO RISULTATI NUMERICI E SPERIMENTALI Nelcasopropostoirisultatimigliorisiottengonoimpiegandounaleggelinearediattenuazione in frequenza con iseguentiparametri: R=8.5, R0=1.4, a=0.0174 and b=6.44 Eccitazione spettrale e confronto dei livelli di accelerazione numerici e sperimentali nel punto di osservazione – Modello Semplificato. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

12. VIBRAZIONI INDOTTE DA TRENI AV VIAGGIANTI A BASSE VELOCITÀ Per treni AV in moto a bassevelocità(circa 50 km/h) sono state eseguitedellemisurazioninell’ambitodi un contrattodiricerca con RFI. Le misuredellevibrazionisono state condottefino ad unadistanzadi 12 m dall’asse del binario. Il confrontotra le misurespettrali ha permessodiricavareunafunzioneditrasferimento (con andamentospiccatamente bi-lineare) per ilquale è statocomunquepossibileutilizzareilmodelloproposto. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

13. Il modello semplificato di attenuazione è stato quindi applicato individuando due differenti andamenti : il primo per un range di frequenza 1-25.4 Hz ed il secondo per un intervallo di frequenza 32-250 Hz. Stima dei parametri di dissipazione per i due range di frequenza. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

14. Confrontotra le formespettralimisurate e calcolate. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

15. MISURE SPERIMENTALI DELLE VIBRAZIONI INDOTTE DA TRENI AV Obiettivodellemisureeseguitesulinee AV è la caratterizzazionedellasorgente e la verificadellapropagazionedellevibrazioninelterreno. Di seguitosiriportano le misureeffettuatesullatratta Roma-Napoli. L’analisideidati è stataarticolataneiseguentipunti: Individuazioneeventidalle time-history attraversoilsegnaledellefotocellule; FFT deisegnaliaccelerometricimisuratineidiversipunti; Individuazionedellearmonichefondamentali e correlazione con I parametricinematici e geometrici del treno. Le misure sono state eseguite simultaneamente in corrispondenza della sorgente ed in due punti di osservazione posti a 4.5 m e a 9 m dall’asse del binario. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

16. I risultati ottenuti mostrano la necessità di utilizzare modelli differenti da quelli proposti in precedenza, in quanto le caratteristiche dei due fenomeni, in termini di materiali rotabili, infrastruttura e velocità di esercizio, sono completamente diversi. Segnale misurato e spettro di un passaggio del treno AV. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

17. MODELLO ANALITICO PER TRENI AV Studi presenti in letteratura (V.Krylov, 1994) considerano: a) La rotaia schematizzata come una trave di Eulero-Bernoulli di massa uniforme m0 poggiante su una fondazione elastica; b) La causa principale di generazione delle vibrazioni, il meccanismo di pressione quasi-statica; • il solo contributo fornito dalle Onde di Rayleigh. Lo spettro della velocità verticale w del terreno è calcolato a partire dalla deflessione della trave. Il livello della velocità delle vibrazioni in un generico punto (x,y) dipende quindi: a) dalla trasformata di Fourier della forza trasmessa da ciascuna traversa; b) dalle caratteristiche del treno (C(ω)); c) dalle caratteristiche del terreno. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

18. WAVE PREVISION SOFTWARE • Possibilità di creare database relativi a diverse tipologie di: • Sorgente • Terreno • È possibile inserire I parametri fisici della sorgente e del terreno in modo da ottenere lo spettro eccitante o le leggi di attenuazione. Basse Velocità Modello di attenuazione semplificato Alta Velocità Modello previsionale di Krylov Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

19. MODULO BASSA VELOCITÀ Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

20. MODULO ALTA VELOCITÀ Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13

21. CONCLUSIONI Dalle misure effettuate e dal confronto numerico-sperimentale è emersa l’attendibilità dei risultati forniti dal modello semplificato utilizzato per la previsione dei livelli vibrazionali relativi a sorgenti (treni, tram) a bassa velocità. I risultati infatti mostrano una buona accuratezza una volta noto lo spettro medio del livello di vibrazione alla sorgente. Per quanto concerne i modelli utilizzati per le infrastrutture AV, le misure acquisite presentano degli andamenti similari ad analoghe analisi presenti in letteratura. Il modello comunque è ancora in fase di sviluppo e necessita di ulteriore validazione in considerazione della variabilità delle condizioni al contorno. Propagazione delle vibrazioni ferroviarie: implementazione di modelli previsionali per treni a bassa e alta velocità. SEF13