La sicurezza dei rotabili al vento
trasversale e
la metodologia di verifica della
STI Materiale Rotabile AV ediz. 2008
e della norma prEN 14067-6
Giampaolo Mancini – Luca Bocciolini
Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
INDICE
1.
Normativa europea STI ed EN e sicurezza al vento trasversale
2.
La metodologia STI per la verifica di sicurezza al vento trasversale
3.
La caratterizzazione aerodinamica del rotabile
4.
Il modello spazio-temporale della raffica di vento
5.
La determinazione delle forze aerodinamiche sul rotabile
6.
La simulazione dinamica del veicolo soggetto alla raffica
7.
Le curve caratteristiche del vento del veicolo (CWC)
8.
Le curve limite caratteristiche del vento (CRWC)
9.
CWC della locomotiva ETR 500 e curve limite CRWC
10. Conclusioni
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
1. STI Materiale Rotabile AV ediz. 2002 e vento trasversale
Le STI Alta Velocità ediz. 2002 inseriscono gli effetti del vento trasversale tra le caratteristiche
dei rotabili da verificare per soddisfare i requisiti essenziali relativi alla sicurezza.
STI AV
materiale
rotabile
2002
STI AV
infrastruttura
2002
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
1. STI Materiale Rotabile AV ediz. 2008 e vento trasversale
Il processo di revisione delle STI AV, che ha prodotto l’edizione 2008 della STI MR AV, ha
consentito di ampliare in maniera significativa gli studi sugli effetti dinamici del vento sui
rotabili.
Le attività di studio per il vento trasversale sono state sviluppate da tre gruppi di ricerca:

progetto Deufrako (cooperazione DB – SNCF);


ricerca Trenitalia – ItalCertifer – Politecnico di Milano;
gruppo di lavoro AEIF per l’elaborazione della sezione STI “Vento trasversale”.
I risultati di tali attività di ricerca hanno reso possibile la definizione nella “STI materiale
rotabile AV” nella versione 2006 di:

una metodologia di verifica della sicurezza dei rotabili rispetto al vento

un criterio di accettabilità (cioè valori limite per le velocità del vento)
condivisi a livello europeo fra Imprese Ferroviarie e i principali costruttori di rotabili.
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
1. Norma pr EN 14067-6 : 2009 e vento trasversale
Dopo la conclusione delle attività STI / AEIF sul vento trasversale, nel 2006 il CEN attiva un
WG per la definizione della EuroNorma relativa al vento trasversale. Nel WG CEN sono
trasferite la conoscenze ed esperienze già acquisite per l’elaborazione della STI MR AV 2008.
Con il CRM di febbraio 2009 è disponibile la versione definitiva della norma prEN14067-6.
I principali aspetti fissati nella norma prEN 14067-6:2009 sono i seguenti:

nel campo di applicazione sono inclusi sia i rotabili AV sia i rotabili convenzionali



sono identificati differenti tipi di approcci per la verifica della sicurezza al vento
trasversale;
per i rotabili AV è adottata integralmente la metodologia STI MR AV; rispetto alla STI
pertanto la norma prEN14067-6 si configura come “procedura per l’applicazione”;
per i rotabili convenzionale è definito un approccio semplificato in cui la
caratterizzazione aerodinamica del rotabile in galleria del vento è effettuata
esclusivamente su uno scenario di riferimento (single track ballast and rail) anziché
sui due scenari STI (flat ground e standard embankment).
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
1. STI Materiale Rotabile Convenzionale e vento trasversale
L’emissione STI Materiale Rotabile Convenzionale è pianificata dall’ERA per il 2010.
Nella “draft version 2.2” del febbraio 2009 i requisiti relativi al vento trasversale sono
classificati “open point”.
Tale “open point” è una conseguenza della limitata quantità di dati disponibili relativamente
ai rotabili convenzionali circa la sicurezza al vento trasversale e quindi alla non disponibili di
valori limite applicabili in campo europeo.
A differenza dei rotabili AV per i quali la certificazione STI rispetto al vento trasversale è
obbligatoria in conformità alla metodologia specificata nella STI MR AV, per i rotabili
convenzionali non è definita alcun tipo di metodologia né valori limite.
L’applicazione della norma prEN 14067-6:2009 per i rotabili convenzionali resta al momento
su base volontaria (ed inoltre non sono definiti nella norma criteri di accettabilità rispetto ai
requisiti di interoperabilità).
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
2. La metodologia STI 2008 per la verifica di sicurezza al vento
La STI Materiale Rotabile AV 2008 ha adottato una metodologia per la verifica della sicurezza la
vento trasversale che si articola nei passi seguenti:

caratterizzazione aerodinamica del rotabile negli scenari ferroviari di riferimento
mediante prove in galleria del vento;

definizione della funzione temporale della raffica in relazione al modello spaziotemporale della raffica di vento di riferimento;

determinazione delle forze aerodinamiche sul rotabile generate dalla raffica di
riferimento;

analisi del comportamento dinamico del rotabile soggetto alle forze aerodinamiche della
raffica con codici di calcolo di tipo multi-body;

valutazione del coefficiente di sicurezza del veicolo rispetto al ribaltamento;

costruzione delle curve caratteristiche del vento del rotabile (CWC)

confronto fra CWC e curve limite del vento (CRWC).
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile
3.1
Requisiti per la caratterizzazione aerodinamica
Il primo passo del metodo consiste nella determinazione dei coefficienti aerodinamici del
veicolo più critico del rotabile.
A tal fine, la STI impone l’effettuazione di prove in galleria del vento non ritenendo ancora
sufficientemente attendibili i risultati della simulazione numerica CFD.
Per le prove in galleria del vento la STI definisce requisiti in relazione a:

gli scenari ferroviari di riferimento (terreno livellato e rilevato);

le caratteristiche dei modelli in scala (accuratezza geometrica, etc.);

le caratteristiche della galleria (dimensioni sezione di prova, strato limite della galleria,
livello di turbolenza, numeri di Reynolds e di Mach, etc.)

la validazione della galleria rispetto ai rotabili di riferimento (benchmark vehicles) per i
quali la norma prEN 14067-1 fornisce la caratterizzazione aerodinamica.
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile
3.2.a
Scenari ferroviari di riferimento STI Materiale Rotabile AV ediz. 2008 :

terreno livellato ( flat ground )

binario su rilevato di altezza 6 m ( standard embankment )
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile
3.2.b

Scenario ferroviario standard pr EN 14067-6 (non incluso nella STI MR AV):
singolo binario su terreno livellato (single track ballast and rail)
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile
3.3
La validazione di galleria e set-up di prova mediante il rotabile di riferimento
Affinché la galleria del vento ed il set-up di prova siano considerati idonei per la
caratterizzazione aerodinamica di un nuovo veicolo, un rotabile di riferimento (benchmark
vehicle) deve essere soggetto a caratterizzazione aerodinamica nella galleria da validare
(benchmark test).
Il confronto fra i risultati misurati nella galleria e i risultati di riferimento della STI MR AV 2008
deve soddisfare il criterio di validazione (es. DCmx < 20% per il rilevato).
I rotabili di riferimento per i quali la
STI MR AV 2008 (mediante la norma
prEN 14067-6) fornisce
- geometria della superficie
- caratterizzazione aerodinamica
sono:
TGV Duplex , ICE3 , ETR 500 .
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile
3.4
I coefficienti aerodinamici del rotabile di riferimento ETR 500
Locomotiva ETR 500 - Flat ground
Locomotiva ETR 500 - Flat ground
Veicolo:
Locomotiva
ETR 500
Scenario:
12
12
10
10
CFy
8
8
6
6
4
4
CMx
Flat ground
Scala modello:
1 : 10
2
2
CMz
CFx
0
0
-2
-2
CMy
Galleria:
Politecnico
Milano
CFz
-4
-4
0
10
20
30
40
50
b [°]
60
70
80
90
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
b [°]
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile
3.4
I coefficienti aerodinamici del rotabile di riferimento ETR 500 - Cfi
Veicolo:
Locomotiva
ETR 500
Scenario:
Locomotiva ETR 500 - Rilevato 6m
Binario sottovento
Locomotiva ETR 500 - Rilevato 6m
Binario sopravento
10
10
CFy
CFy
8
8
6
6
4
4
Embankment
2
Scala modello:
1 : 10
2
CFx
0
0
-2
-2
CFz
-4
Galleria:
Politecnico
Milano
CFx
CFz
-4
-6
-6
0
10
20
30
40
50
b [°]
60
70
80
90
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
b [°]
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile
3.4
I coefficienti aerodinamici del rotabile di riferimento ETR 500 - Cmi
Veicolo:
Locomotiva
ETR 500
Scenario:
Locomotiva ETR 500 - Rilevato 6m
Binario sottovento
Locomotiva ETR 500 - Rilevato 6m
Binario sopravento
10
10
8
8
6
6
CMx
CMx
4
4
2
2
Embankment
Scala modello:
1 : 10
CMy
CMy
0
0
-2
-2
Galleria:
Politecnico
Milano
CM
CM
-4
-4
z
z
-6
-6
0
10
20
30
40
50
b [°]
60
70
80
90
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
b [°]
14 / 24
Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
4. Il modello spazio-temporale della raffica di vento
Caratteristiche del modello di raffica STI MR AV ediz. 2008:

il modello spazio-temporale della raffica
corrisponde alla migliore approssimazione
di un processo stocastico in prossimità di
un massimo locale;
Scenario di vento: v wind,max=20 m/s v tr=160 km/h
22
20
18
il vento medio è ipotizzato orizzontale e
solo la componente longitudinale U è
utilizzata; U è la componente più
significativa delle fluttuazioni del vento ed
è la proiezione del vettore del vento
istantaneo nella direzione del vento medio;
vwind [m/s]
16

14
12
10
8
6
4
2


le variazioni della direzione del vento sono
trascurate;
le variazioni temporali sono trascurate
rispetto alle variazioni spaziali.
0
0
t1
2
4
t2
6
8
10
t3
12
14
t4
16
18
20
22
24
26
28
30
t5
t[s]
Esempio di funzione temporale della raffica Vwind
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
5. La determinazione delle forze aerodinamiche sul rotabile
Mediante i coefficienti aerodinamici del veicolo e la funzione temporale della raffica di vento
è possibile determinare le forze ed i momenti aerodinamici agenti sul rotabile negli scenari di
riferimento.
Le forze aerodinamiche sono i dati di ingresso della simulazione dinamica mediante la quale
si verifica la sicurezza al vento trasversale.
1

 S C Fi b t  Vr2 t  
2

1
2
M i t    S l C Mi b t  Vr t 
2

Fi t  

2
2
2
Vr t   VT  U t  cos   C t  U t  sin 


 C t  U t  sin 


b t   Arc tan

 VT  U t  cos 


C  1  G t 
C t   SV


CSV G t 

per il rilevato di riferimento di 6m
U(t) = velocità del vento
CSV = 1,2416 per rilevato e
binario sopravento
CSV = 1,1705 per rilevato e
binario sottovento
C(t) = 1.0 per terreno livellato
G(t) = fattore di raffica istantaneo
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
6. La simulazione dinamica del veicolo soggetto alla raffica
La simulazione dinamica deve essere eseguita nello scenario ferroviario di riferimento con il
veicolo soggetto alle forze aerodinamiche generate dalla raffica.
Requisiti del metodo STI MR AV 2008 per la simulazione dinamica:

codice numerico di tipo multi-body (es.: Vampire, Simpack, etc.);

modello tridimensionale validato mediante i dati sperimentali relativi al coefficiente di
souplesse misurati nelle prove di dinamica di marcia EN 14363;
marcia in rettilineo e marcia in curva;

rotaia inclinata 1:20 e 1:40; i difetti del binario sono trascurati.

Nella metodologia STI il criterio di sicurezza rispetto al quale sono valutati i risultati
dell’analisi dinamica è la verifica di sicurezza al ribaltamento:
“coefficiente ribaltamento” DQ / Q0 < 0.9
DQ
Q0
 riduzione media di carico verticale sulle ruote dello stesso lato del carrello
 carico statico per asse
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
7. Le curve caratteristiche del vento del veicolo (CWC)
Il metodo per la verifica della sicurezza al vento trasversale è basato sulle curve
caratteristiche del vento del veicolo (CWC).
Tali curve sono date dai valori di velocità del vento in corrispondenza dei quali la riduzione
del carico sulle ruote e quindi il coefficiente di ribaltamento ad essa associato raggiunge il
limite stabilito.
Ciascun punto delle CWC è determinato mediante iterazioni della simulazione dinamica. In
ciascuna iterazione la velocità della raffica è incrementata fino a che i valori delle forze
verticali sulle ruote raggiungono il limite di ribaltamento.
Le varie CWC sono definite in funzione di velocità del veicolo e angolo di incidenza del vento
ed in relazione allo scenario di riferimento e al livello di accelerazione non compensata in
tale scenario.
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
7. Le curve caratteristiche del vento del veicolo (CWC)
La ST MR AV 2008 specifica le seguenti 6 curve CWC da determinare per la verifica di
sicurezza rispetto al vento trasversale:

CWC = f ( Vtreno , b  90° )
terreno livellato
+
rettilineo

CWC = f ( Vtreno , b  90° )
rilevato 6 m
+
rettilineo

CWC = f ( Vtreno , b  90° )
terreno livellato
+
curva con aq = 0.5 m/s2

CWC = f ( Vtreno , b  90° )
terreno livellato
+
curva con aq = 1.0 m/s2

CWC = f ( Vtreno  Vmax , b )
terreno livellato
+
rettilineo

CWC = f ( Vtreno  Vmax , b )
rilevato 6 m
+
rettilineo
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
8. Le curve caratteristiche limite del vento (CWRC)
La metodologia STI definisce curve caratteristiche limite del vento (CRWC) al di sopra delle
quali devono essere situati i punti delle CWC affinché il veicolo sia riconosciuto interoperabile.
I valori limite delle CRWC sono il
risultato della fotografia dello
stato dell’arte dei principali rotabili
alta velocità europei rispetto alla
sicurezza al vento trasversale.
CRWC/CWC ̶ Rilevato 6 m; rettilineo; Vtreno 300 km/h
Le CRWC sono infatti derivate
dall’inviluppo dei valori minimi
delle CWC dei tre rotabili di
riferimento della STI MR AV 2008
( ICE3, TGV Duplex e ETR 500 ).
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
9. CWC della locomotiva ETR500 e curve limite CRWC
CWCs on tangent track; 6m embankment; Iu=22%; b w=90°
CWCs on tangent track, flat ground, Iu=22%; b w=90°
STI CRWC
ETR500 PLT CWC
50
40
40
30
30
Vwind, lim [m/s]
Vwind, lim [m/s]
ETR500 PLT CWC
50
20
10
20
10
Rettilineo – Flat ground
Rettilineo – Enmbankment 6 m
0
100
STI CRWC
0
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
Vtr [km/h]
300 km/h  CWCETR500 122 km/h
CRWClimite 111 km/h
340
360
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
Vtr [km/h]
300 km/h  CWCETR500 113 km/h
CRWClimite
81 km/h
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360
Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
9. CWC della locomotiva ETR500 e curve limite CRWC
CWCs on curve; aq=1m/s2; flat ground; Iu=22%; b w=90°
CWCs on curve; aq=0,5m/s2; flat ground; Iu=22%; b w=90°
STI CRWC
ETR500 PLT CWC
50
50
40
40
Vwind, lim [m/s]
Vwind, lim [m/s]
ETR500 PLT CWC
30
20
30
20
10
10
Curva – aq = 0.5 m/s2 – Flat ground
Curva – aq = 1 m/s2 – Flat ground
0
0
240
STI CRWC
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
360
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
Vtr [km/h]
Vtr [km/h]
300 km/h  CWCETR500 100 km/h
CRWClimite
350
99 km/h
300 km/h  CWCETR500 100 km/h
CRWClimite
86 km/h
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
9. CWC della locomotiva ETR500 e curve limite CRWC
CWCs on tangent track; 6m embankment; Vtr=300 km/h; Iu=22%
CWCs on tangent track; flat ground; Vtr=300 km/h; Iu=22%
ETR500 PLT CWC
STI CRWC
80
70
70
60
60
50
50
Vwind, lim [m/s]
Vwind, lim [m/s]
ETR500 PLT CWC
80
40
40
30
30
20
20
Rettilineo – Flat ground – VETR500 300 km/h
10
Rettilineo – Embankment – VETR500 300 km/h
10
0
STI CRWC
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
b w [°]
Valore minimo CWC  119 km/h per bw 70°
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
b w [°]
Valore minimo CWC  111 km/h per bw 80°
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Sicurezza dei rotabili al vento trasversale
10. Conclusioni
La metodologia STI per la verifica della sicurezza al vento trasversale dei rotabili alta velocità
è il risultato delle attività di ricerca sia dal punto di vista teorico sia sperimentale sviluppate in
Europa negli ultimi anni.
Tali attività hanno condotto a due risultati fondamentali per i futuri treni AV interoperabili:

la definizione di una metodologia condivisa a livello europeo sufficientemente semplice,
ma al tempo stesso fondata su un modello di vento realistico e su una caratterizzazione
aerodinamica del veicolo di tipo sperimentale;

la definizione di valori limite per la sicurezza al vento trasversale che garantiscono un
livello minimo di sicurezza non inferiore a quello dei rotabili AV esistenti che risultano
aerodinamicamente più avanzati.
L’applicazione estesa della metodologia e l’identificazione di curve limite per la sicurezza al
vento trasversale nel caso dei rotabili convenzionali è lo studio fondamentale da sviluppare
nella prossima fase di ricerca.
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