Valutazione sperimentale degli spettri tipici di vibrazioni di convogli

I dati che vengono qui presentati sono il risultato di tre campagne di rilevamento delle vibrazioni indotte da tram su linee urbane già in esercizio, con materiale rotabile non nuovo.

In ciascuna campagna si è acquisito un significativo numero di passaggi di convogli di tipo metrotramviario, su due sezioni caratterizzate la prima da un armamento “standard” tradizionale e rigido (non antivibrante), la seconda da un armamento dotato di alcuni accorgimenti antivibranti: nella prima delle tre campagne, si trattava di un vero sistema antivibrante a massa flottante, dotato di caratteristiche meccaniche (massa, rigidezza) confrontabili con la soluzione antivibrante proposta per Parma; nelle altre due campagne il sistema valutato era invece “di primo livello”, costituito cioè da elementi in gomma a diretto contatto con la rotaia, che hanno principalmente funzioni riduttive del rumore, ed effetti molto limitati sul controllo delle vibrazioni.

2.3.2.1 Rilievi eseguiti presso la rete metrotranviaria di Torino

La prima campagna di rilevamento è stata eseguita dall’ing. Raffaele Pisani in via Nicola Fabrizi, a Torino, il giorno 26/1/2001.

La strumentazione impiegata comprendeva:

N. 2 accelerometri B&K tipo 4370

N. 2 amplificatori di carica B&K tipo 2635 N. 1 registratore DAT Sony mod. TCD-D3

N. 1 analizzatore di spettro bicanale Larson-Davis mod. LD2900

L’accelerometro è stato posto sul marciapiede, a breve distanza dalla rotaia più vicina (meno di 1m), come mostrato nella seguente figura.

Il sistema antivibrante oggetto della prova era costituito da una soluzione a massa flottante, realizzata mediante un getto in CLS che ingloba le traversine, con successiva pavimentazione di tipo stradale in conglomerato bituminoso. La massa flottante è isolata dal basamento mediante l’interposizione di un materassino resiliente spesso 25 mm, caratterizzato dalla seguenti costanti:

rigidezza dinamica k_d: 0.02 N/mm³ modulo elastico dinamico Ed: 0.5 N/mm²

loss factor: η=15% circa

densità: ρ=170 kg/m³

spessore: s=25 mm

La seguente figura mostra una sezione schematica del sistema di armamento antivibrante utilizzato dalla metrotranvia di Torino.

Nel corso delle misurazioni è stato possibile campionare il passaggio di n. 11 tram nella sezione dotata di armamento tradizionale, e n. 6 tram nella sezione dotata di armamento antivibrante. La seguente figura pone a confronto gli spettri ponderati (con curva di ponderazione per asse generico secondo UNI 9614) ottenuti dalla media dei valori massimi di tutti i passaggi rilevati.

Spettri accelerazione ponderata secondo UNI 9614 - asse generico - Misure Tranvia di Torino (26/1/1) Posizione sul ciglio del marciapiede

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

1 1.25 1.6 2 2.5 3.15 4 5 6.3 8 10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 Tot

Frequenza (Hz)

dBacc

Ballast Antivib

Si può notare come, nel punto di rilievo posto a brevissima distanza dal binario, in assenza di sistema antivibrante i livelli di accelerazione ponderata massimi risultino ampiamente superiori alla soglia di percezione (71 dB), con un valore complessivo di accelerazione ponderata pari a 78.8 dB, che eccede, se pur di poco, anche il limite di accettabilità diurno previsto dalla norma UNI 9614.

Viceversa, il sistema antivibrante impiegato si è rivelato molto efficace, in quanto ha causato una drastica riduzione dei livelli alle frequenze più elevate, e conseguentemente il valore complessivo di accelerazione ponderata si è ridotto a 69.5 dB, ben al di sotto della soglia di percezione.

E’ anche interessante notare come lo spettro tipico del tram di Torino presenti un massimo alla frequenza di 40 Hz.

2.3.2.2 Rilievi eseguiti presso la rete metrotranviaria di Milano

La seconda campagna di rilevamento è stata eseguita dagli ing. Angelo Farina e Fabio Bozzoli in via Giambellino, incrocio con via Bruzzesi, a Milano, il giorno 7/2/2002.

E’ stata utilizzata la seguente strumentazione:

Accelerometro B&K tipo 4370V no. 2137945 Accelerometro B&K tipo 4370V no. 2137946

Preamplificatore B&K Nexus type 2692 S/N 2099170 Calibratore B&K tipo 4294 S/N 1688374

Scheda acquisizione bicanale Digigram VX-Pocket V2 (24 bit, 48 kHz) Computer portatile Dell Inspiron 8000 (P-III 1 GHz, 384 Mb RAM) Software di analisi spettrale SpectraLab v. 4.32.16c

L’accelerometro è stato posto sul cordolo che separa la sede metrotranviaria dal viale stradale circostante, come mostrato nella seguente figura.

In questo caso l’accelerometro è stato posto ad una distanza di m 2.88 dalla rotaia più vicina.

La distanza media dall’asse dei due binari era pertanto pari a 4 ed a 7m rispettivamente.

Inoltre esiste una striscia di circa 2m, piantumata, che separa il cordolo su cui è stato installato l’accelerometro e la sede stessa della metrotranvia. E’ ovvio come la maggior distanza e la

mancanza di una pavimentazione rigida continua portino, nel caso dei rilievi eseguiti a Milano, ad ottenere livelli di accelerazione più bassi di quelli indicati nel precedente capitolo.

Il sistema antivibrante oggetto della prova era costituito da un binario incassato in un letto artificiale drenante, e dotato di guanciali in materiale gonmmoso smorzante che circondano completamente le rotaie (materiale prodotto dalla ditta tedesca SEDRA), consentendo cosi’ un estradosso pressoche piano e percorribile. Le seguenti fotografie mostrano l’armamento suddetto e due diversi tipi di tram che percorrono la linea (n. 14).

Lo scopo principale dell’utilizzo dei guanciali in gomma non è la riduzione delle vibrazioni trasmesse per via solida a bassa frequenza, ma piuttosto l’attenuazione della rumorosità irradiata per via aerea dalla rotaie, a frequenze molto più elevate di quelle prese in considerazione dalla norma UNI 9614.

Nel corso del rilevamento sono transitati in complesso n. 18 tram. 9 passaggi sono stati registrati nella sezione dotata di armamento tradizionale con ballast, mentre altri 9 sono transitati nella sezione dotata di sistema di armamento con guanciali antivibranti.

La seguente figura pone a confronto gli spettri ponderati (con curva di ponderazione per asse generico secondo UNI 9614) ottenuti dalla media dei valori massimi di tutti i passaggi rilevati.

Spettri accelerazione ponderata secondo UNI 9614 - asse generico - Misure Tramvia di Milano (7/2/02)

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

1.25 1.6 2 2.5 3.15 4 5 6.3 8 10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80

Tot-W Frequenza (Hz)

dBacc

Ballast Guanciali

Si può notare come in questo caso la riduzione di accelerazione indotta dal sistema antivibrante sia abbastanza modesta, dando luogo ad una variazione, sul valore complessivo di accelerazione ponderata, da 72.9 a 71.0 dB.

Come era prevedibile, i valori di accelerazione con armamento normale sono più bassi di quelli rilevati a Torino, causa la maggior distanza dell’accelerometro e la presenza della fascia non pavimentata: è interessante notare, tuttavia, come lo spettro sia complessivamente molto simile, e come il valore massimo sia alla frequenza di 50 Hz.

E’ inoltre risultato che i tram di nuovo tipo (Bombardier) producono leggermente meno vibrazioni di quelli piu’ vecchi (tipo 1928). La seguente figura mostra il confronto fra gli spettri medi prodotti dai due tipi di tram.

Spettri accelerazione ponderata secondo UNI 9614 - asse generico - Milano

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

1.25 1.6 2 2.5 3.15 4 5 6.3 8 10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80

Tot-W Frequenza (Hz)

dBacc Bombardier

1928

Puo’ essere interessante notare che i modernissimi tram Bombardier danno luogo in realtà praticamente allo stesso spettro vibrazionale dei vecchi “tipo 1928”, i quali addirittura, in virtu’ della maggiore massa e della minor velocità, fanno registrare un valore di accelerazione complessiva ponderata pari a 71 dB anzichè 73.

2.3.2.3 Rilievi eseguiti presso la rete metrotranviaria di Potsdam

La terza campagna di rilevamento è stata eseguita dall’ ing. Angelo Farina a Potsdam (Germania) in BerlinerStrasse 49 il giorno 12/2/2002, ed in ZeppelinStrasse 2/4 il giorno 13/2/2004.

E’ stata utilizzata la seguente strumentazione:

Accelerometro B&K tipo 4370V no. 2137945 Accelerometro B&K tipo 4370V no. 2137946

Preamplificatore B&K Nexus type 2692 S/N 2099170 Calibratore B&K tipo 4294 S/N 1688374

Scheda acquisizione bicanale Digigram VX-Pocket V2 (24 bit, 48 kHz) Computer portatile Dell Inspiron 8000 (P-III 1 GHz, 384 Mb RAM) Software di analisi spettrale SpectraLab v. 4.32.16c

L’accelerometro è stato posto sul cordolo del martciapiede, come mostrato nella seguente figura.

Berliner Strasse 49

Zeppelin Strasse 4 Accelerometri

Microfono

La seguente foto mostra un particolare del fissaggio degli accelerometri sul cordolo, realizzato applicando placchette filettate mediante adesivo cianoacrilico.

Fissaggio accelerometri sul cordolo.

Nella città di Potsdam sono in circolazione due diversi tipi di tram: il Tatra (piu’ vecchio) ed il Combino della Siemens (più recente, e leggermente meno impattante dal punto di vista acustico e vibrazionale). Il primo è visibile nella foto di Zeppelin Strasse, il secondo nella foto di Berliner Strasse.

Nella sezione di Zeppelin Strasse, oltre al rilievo di accelerazione, è stato effettuato anche un rilievo fonometrico simultaneo.

La distanza degli accelerometri era, in entrambe le sezioni, di circa 6m dall’asse del binario piu’ prossimo e di circa 9m dall’asse del binario piu’ lontano.

Nel corso dei rilevamenti sono transitati in complesso n. 37 tram. 12 passaggi sono stati registrati nella sezione su Berliner Strasse 49 (sede promiscua, armamento non antivibrante, senza guanciali in gomma)) e 25 passaggi sono stati registrati nella sezione dotata di sistema di armamento con guanciali antivibranti (in sede propria, ma pur sempre non flottante) di Zeppelin Strasse.

Anche in questo caso si è ripetuto quanto già rilevato a Milano: la sola presenza dei guanciali in gomma, senza realizzare un vero sistema a massa flottante, dà luogo ad attenuazioni del fenomeno vibratorio estremamente modeste (circa 1 dB), che risulta di fatto mascherato dalla diverse condizioni geometriche delle due sezioni di rilievo (a Potsdam, al contrario di Milano, il rilievo sui due sistemi di armamento non è stato realizzato in simultanea, in occasione del passaggio dello stesso veicolo).

La seguente figura pone a confronto gli spettri ponderati (con curva di ponderazione per asse generico secondo UNI 9614) ottenuti dalla media dei valori massimi di tutti i passaggi rilevati dei tram Tatra e Combino.

Averaged weighted acceleration spectra - Potsdam

20 30 40 50 60 70 80

1 1.25 1.6 2 2.5 3.15 4 5 6.3 8 10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80

Tot-W Frequency (Hz)

Lacc (dB)

Tatra Combino

I valori complessivi ponderati sono risultati in questo caso pari rispettivamente a 70.0 dB per il tram Tatra e 64.7 dB per il tram Combino. La differenza in questo caso è significativa, e segnala un comportamento particolarmente scadente dei tram Tatra (in realtà, questi dati sono pesantemente affetti dal fatto che uno dei veicoli, pasato ripetutatmente avanti ed indietro dalle postazioni di rilievo, aveva in modo molto evidente una ruota difettosa). Vicevrsa il Combino, tram moderno e dotato di buone soluzioni ingegneristiche per la riduzione alla fonte dei fenomeni vibratori (ruote elastiche con inserto in gomma, basse masse non ammortizzate, etc.) ha dato luogo a valori perfettamente congrui con quelli misurati a TO ed a MI, considerando che nei rilievi di Potsdam la distanza media dall’asse del binario era di circa 7.5m, mentre a Milano era di circa 5 m ed a Torino ancora inferiore, di circa 2.5 m dall’asse del binario.