Mitigazione degli effetti delle vibrazioni dell armamento ferroviario

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Cosimo Cavalli
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1 Mitigazione degli effetti delle vibrazioni dell armamento F.M.D. Accattatis, M. Antognoli, M. Bruner S.I.D.T. Seminario Scientifico «Innovazione tecnologia per la mobilità ferroviaria»

2 Introduzione Nella progettazione di nuovi impianti di trasporto si chiede oggi la valutazione dell impatto delle vibrazioni che essi provocheranno Si pone quindi il problema di prevedere quale possa essere il beneficio che da una nuova soluzione ci si può attendere. Questo può farsi, in assenza di sperimentazione, con metodi di simulazione. Ma in generale non basta solo modificare la sorgente emittente per modificare in senso positivo l effetto prodotto sull osservatore recettore: occorre tener conto del mezzo aereo o solido interposto fra i due e quindi del suo comportamento 2

Questo può farsi, in assenza di sperimentazione, con metodi di simulazione.

3 Processi di valutazione dell impatto vibrazionale 3

4 Alcuni principi normativi - UNI 9614 (1 di 4) Gli effetti sul corpo umano delle vibrazioni di diversa frequenza sono cumulativi, pertanto è necessario valutare complessivamente le accelerazioni nel campo da 1 Hz ad 80 Hz. Gli effetti sono differenti al variare della frequenza, pertanto occorre utilizzare dei filtri di ponderazione. 4

complessivamente le accelerazioni nel campo da 1 Hz ad 80 Hz.

5 Alcuni principi normativi - UNI 9614 (2 di 4) Soglie di percezione Filtri di ponderazione 5

6 Alcuni principi normativi - UNI 9614 (3 di 4) Una volta misurati i livelli di accelerazione in terzi di ottava essi vengono filtrati e si calcola il livello di accelerazione ponderata complessivo in frequenza tramite la: In questo caso i livelli di percezioni L 0 sono di 74 db per l asse z e di 71 db per l asse x ed y 6

di accelerazione ponderata complessivo in frequenza tramite la: In questo caso i

7 Alcuni principi normativi - UNI 9614 (4 di 4) Asse z Assi x e y db x/x 0 db x/x 0 Valori limite per: Aree Critiche Abitazioni Uffici notte giorno 77 1, , , , , ,17 a) vibrazioni continue Fabbriche 92 1, ,25 Asse z Assi x e y db x/x 0 db x/x 0 Aree Critiche b) vibrazioni impulsive Abitazioni notte giorno 77 1, , , ,5 Uffici / fabbriche 116 1, ,6 7

vibrazioni continue Fabbriche 92 1,24 89 1,25 Asse z Assi x e y db x/x 0 db x/x 0 Aree Critiche 74 1 71 1

8 La valutazione del disturbo prodotto sulla popolazione interessata (1/2) L effetto provocato dal passaggio di un convoglio è pertanto: reso indipendente dalla frequenza in quanto si fa riferimento ad una media opportuna (Livello medio equivalente) ponderata (per tener conto della diversa soglia di sensibilità umana al variare della frequenza) 8

in quanto si fa riferimento ad una media opportuna (Livello medio equivalente)

9 La valutazione del disturbo prodotto sulla popolazione interessata (2/2) I passi da espletare sono: 1. analisi vibrazionale della sorgente e del mezzo di trasmissione 2. valutazione numerica: la risposta in frequenza del sistema, in funzione della causa eccitatrice, è ponderata sulle singole frequenze, inglobando i dati in un unico valore (il livello medio equivalente) 3. analisi della tollerabilità: il livello medio equivalente è confrontato con la soglia di tollerabilità 9

valutazione numerica: la risposta in frequenza del sistema, in funzione della causa eccitatrice, è ponderata sulle

10 Analisi vibrazionale mediante modelli teorici della sorgente (sistema veicolo-via) Analisi della marcia di un veicolo : dalla teoria dei modelli multi-corpo si ottengono le TH di spostamenti, velocità, accelerazioni e forze di contatto tra ruota e rotaia. I risultati del modelli multi-corpo sono utilizzati come dati per la soluzione del problema strutturale. Analisi della strutturale e modale della sede ferroviaria: dalla teoria dei modelli agli elementi finiti, studi teorici a trave indefinita oppure a masse concentrate deriva l analisi della sede ferroviaria i cui risultati sono utilizzati come dati per il calcolo di indici di livello vibrazionale. 10

I risultati del modelli multi-corpo sono utilizzati come dati per la soluzione del problema strutturale.

11 Funzioni di risposta in frequenza (FRF): armamento convenzionale su massicciata 11

12 Funzioni di risposta in frequenza (FRF): armamento convenzionale su massicciata e materassino posato sotto la traversa 12

13 Funzioni di risposta in frequenza (FRF): armamento convenzionale su massicciata e materassino posato sotto la massicciata 13

14 Analisi vibrazionale mediante modelli teorici del mezzo di trasmissione Il mezzo di trasmissione delle vibrazioni, interposto tra sorgente e ricettore non è quasi mai ben conosciuto; spesso ci si limita a vedere come si modifica, per una prefissata causa eccitatrice ben caratterizzata, l emissione della sorgente stessa. Esso può essere valutato sulla base di verifiche di impedenza, ad esempio: In relazione alle variazioni della velocità di transito dei veicoli ferroviari sulla sede In relazione alle variazioni della geometria delle pareti schermanti interposte tra la sorgente ed il sito del ricettore In relazione alle variazioni dello stato geologico del terreno interposto tra sorgente e sito del ricettore 14

Esso può essere valutato sulla base di verifiche di impedenza, ad esempio: In relazione alle variazioni della velocità di transito dei veicoli ferroviari sulla sede In relazione

15 Effetto di variazioni della velocità di transito dei veicoli ferroviari e della propagazione della vibrazione Valutazione dell effetto della velocità di transito: al raddoppiare della velocità mediamente si può stimare un incremento di circa 3 db Valutazione dell effetto della velocità di vibrazione: al raddoppiare della velocità si può stimare un incremento di circa 6 db 15

velocità mediamente si può stimare un incremento di circa 3 db Valutazione dell effetto della

16 Variazioni della geometria delle pareti schermanti Valutazione dell effetto della variazione di spessore delle pareti schermanti: al raddoppiare dello spessore si rileva un attenuazione di circa db 16

spessore delle pareti schermanti: al raddoppiare

17 Variazioni dello stato geologico del terreno Al raddoppiare della distanza tra la sorgente e il ricettore, raddoppiando la frequenza della forzante, non si evidenziano variazioni nei livelli di attenuazione (circa 7 8 db) 17

ricettore, raddoppiando la frequenza della forzante,

18 Sulla sorgente Modifiche all esercizio (riduzione della velocità di transito) Contenimento delle masse non sospese dei veicoli ferroviari Inserimento di elementi elastico-smorzanti nella struttura dell armamento Sul mezzo e sul sito del ricettore Inserimento di pareti schermanti Inserimento di dispositivi elastico-smorzanti sulle fondazioni degli edifici sede del ricettore 18

nella struttura dell armamento Sul mezzo e sul sito del ricettore Inserimento di pareti

19 Conclusioni 19

20 Bibliografia (1/2) Bonadero, "Metodi statistici e dinamica ferroviaria", Ingegneria Ferroviaria, novembre 1982, Ed. Cifi Accattatis, Corazza "Armamenti non convenzionali per posa su supporti vibranti", Ingegneria Ferroviaria, marzo 1994, Ed. Cifi Esveld, van't Zand, Scheepmaker, Suiker,"Dynamic behaviour of railway track", Rail Engineering International Edition, N.2, 1996 Vostroukhov, Metrikine, "Periodically supported beam on a visco-elastic layer as a model for dynamic analysis of a high-speed railway track", International Journal of Solids and Structures, N.40, 2003 Wu, "Vibration analysis of railway track with multiple wheels on the rail", Journal of Sound and Vibration, n. 239, 2001 Zimmermann (in traduzione dell'ing. L. Loria "il calcolo dell'armamento"), "Die Berechnung des Eisenbahn-Oberbaues, Berlino 1988, Wilhelm Ernst e dalla Zeitschrift fur Bauwesen, 1892 Friba, "Vibration of solids and structures under moving loads", Noordhoff International Publishing, 1972 Groeningen 20

Cifi Esveld, van't Zand, Scheepmaker, Suiker,"Dynamic behaviour of railway track", Rail Engineering International Edition, N.

21 Bibliografia (2/2) Knothe, "Gleisdynamik", Berlino 2001, Ernst & Sohn Brandt, "Noise and vibration analysis: Signal analysis and experimental procedures", Wiley & Sons Ltd, 2011 The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex, PO19 8SQ, United Kingdom UNI9614, "Misura delle vibrazioni negli edifici e criteri di valulazione del disturbo", marzo 1990 American National Standard, "Specification for octave-band and fractionaloctave-band analog and digital filters", Accredited Standards Committee S1, Acustics, June, Lewis, Olofsson, "Wheel - Rail Interface Handbook", Woodhead Publishing in mechanical Egineering, Crc Press (25 settembre 2009) 21

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