«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, boccolaassile) 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
A.
B.
C.
D.
E.
F.
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 «TimeHistory», 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