Firenze, 20 febbraio 2009
Ballast Projection
Luca Bocciolini
Trenitalia S.p.A. - DISQ – TMR – PSL
Modelli Simulazioni e Prove Meccaniche
Ballast Projection
Contesto e cause

Stato dell’arte

Cause
Studi 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
Conclusioni e sviluppi futuri

Conclusioni e sviluppi futuri
2
Ballast 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).
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Ballast Projection – Cause
Meccanismo di innesco e sviluppo del Ballast Projection
Innesco
Sviluppo
Propagazione
Motivi
aerodinamici
Una pietra urta
il treno
Il fenomeno si
propaga
Ghiaccio
Materiale sul
tracciato
La massicciata è
colpita e si alza
pietrisco
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Ballast Projection – Sperimentazione
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.

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
5
Ballast Projection – Sperimentazione
Descrizione delle prove (56 test)




La fionda lancia una pietra con velocità e
angolo variabili
La pietra colpisce la massicciata
A seguito dell’impatto si alza del pietrisco
e alcune pietre possono fratturarsi
Una telecamera riprende l’intero evento
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Ballast Projection – Sperimentazione
Risultati 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.
Problematiche 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.
7
Ballast Projection – Analisi agli elementi finiti
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).

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 finiti
Risultati e conclusioni





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 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.
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 fenomeno
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.
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Ballast Projection – Innesco del fenomeno
Descrizione 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
Simulazione dell’effetto
aerodinamico del passaggio di
un treno, in particolare del
primo colpo di pressione
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Ballast Projection – Innesco del fenomeno
Conclusioni





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 fenomeno
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.
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Ballast Projection – Innesco del fenomeno
Prove 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)
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Ballast Projection – Innesco del fenomeno
Risultati e conclusioni




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
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Ballast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD
Introduzione




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
Obbiettivi





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
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Ballast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD
Sito di prova : misure realizzate



DB – 4 sezioni di misura
BT – 3 sezioni di misura
DLR – 1 sezione di misura
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Ballast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD
Analisi 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
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Ballast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD
Analisi 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
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Ballast Projection – Sperimentazione Firenze-Roma DD
Conclusioni

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 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)
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Ballast Projection – Conclusioni e sviluppi
Stima 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
Ricerche 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
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Firenze, 20 febbraio 2009
GRAZIE PER L’ATTENZIONE !
Luca Bocciolini
Trenitalia S.p.A. - DISQ – TMR – PSL
Modelli Simulazioni e Prove Meccaniche