Scuola di Ingegneria
Tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria Idraulica,
dei Trasporti e del Territorio
Curriculum Trasporti e Territorio
DEFINIZIONE DELLE STRATEGIE DI MANUTENZIONE
DEL BINARIO DELLA LINEA FERROVIARIA
PT-LU-PI.S.R. SULLA BASE DI METODI
PROBABILISTICI DI PREVISIONE DEL DEGRADO
Candidato
Relatori
Rossi Timothy
Prof. Ing. Massimo Losa
Ing. Bressi Sara
Anno Accademico 2016/2017
che hanno sempre creduto in me.
Grazie.
Prefazione
1. Introduzione
pag. 1
2.
Degrado della sovrastruttura ferroviaria
pag. 2 2.1 Difetti del binario pag. 2 2.2 Qualità del binario pag. 9 2.3 Standard di qualità geometrica del binario e parametri di marcia pag. 10
2.3.1Generalità pag. 10 2.3.1.1 Definizioni e abbreviazioni pag. 12 2.3.2 Valori ammessi dei parametri geometrici a seguito di lavori pag. 16 2.3.2.1 Rinnovamento o nuova costruzione pag. 16 2.3.2.2 Interventi di manutenzione pag. 18 2.3.3 Livelli di qualità geometrica correnti pag. 19 2.3.4 Valori comportanti vincoli all'esercizio pag. 24 2.4 Modelli di degrado pag. 27 2.4.1 Catene di Markov pag. 30 2.4.1.1 Caso stralale pag. 32 2.4.2 Modelli di degrado del ballast pag. 35
3.
Manutenzione della sovrastruttura ferroviaria
pag. 37 3.1La manutenzione ferroviaria pag. 37 3.1.1 Manutenzione ordinaria pag. 38 3.1.1.1 Livellamento pag. 38 3.1.1.2 Sghembo pag. 39 3.1.1.3 Allineamento pag. 40 3.1.1.4 Rincalzatura pag. 40 3.1.2 Manutenzione straordinaria pag. 44 3.1.2.1 Rotaie, attacchi e traverse pag. 44 3.1.2.2 Risanamento della massicciata pag. 46 3.1.2.3 Rinnovamento del binario pag. 48 3.2 La manutenzione per RFI pag. 51 3.3 Le norme pag. 53
3.4.1 Generalità e relativa classificazione della rete
pag. 55 3.4.2 Modalità delle visite ordinarie pag. 56 3.4.2.1 Modalità di esecuzione delle visite a piedi pag. 57 3.4.2.2 Modalità di esecuzione delle visite su mezzo pag. 58 3.4.2.3 Modalità delle visite con mezzi di diagnostica pag. 59 3.4.2.4 Modalità di esecuzione delle visite in cabina pag. 59 3.4.3 Frequenze e verbalizzazione visite con annessa modulistica pag. 60 3.5 Rilievi della geometria del binario e disposizioni manutentive pag. 64 3.5.1 Generalità pag. 64 3.5.1.1 Premessa pag. 64 3.5.1.2 Definizione pag. 64 3.5.2 Istruzione tecnica pag. 65
3.5.2.1 Descrizione dei rotabili attrezzati per il rilievo dello stato geometrico del binario e delle grandezze rilevate pag. 65 3.5.2.2 Geometria relativa pag. 67 3.5.3 Disposizioni operative pag. 71 3.5.3.1 Verifiche ordinarie e straordinarie pag. 71 3.5.3.2 Documentazione rilasciata durante una verifica e
dati resi disponibili nel SIM pag. 73 3.5.4 Disposizioni operative per la manutenzione pag. 77
4.
Caso studio
pag. 78 4.1 Composizione del binario pag. 78 4.1.1 Tratte e località pag. 78 4.1.2 Stato attuale pag. 79 4.1.2.1 Massicciata pag. 81 4.1.2.2 Rotaie, traverse e attacchi pag. 81 4.1.2.3 Tipologia del corpo del rilevato ferroviario pag. 87 4.1.3 Individuazione delle sezioni omogenee pag. 88 4.2 Rilievi del treno diagnostico pag. 92 4.3 Volume di traffico e composizione dei treni pag. 98 4.3.1 PIC pag. 98
4.5 Modello probabilistico di degrado con intervento pag. 110 4.5.1 Livello longitudinale pag. 110 4.5.1.1 Sezioni tipo pag. 110 4.5.1.2 Vettori a0, an e matrici TPM pag. 113
4.5.1.3 Grafici pag. 114 4.5.2 Livello trasversale pag. 116 4.5.2.1 Sezioni tipo pag. 116 4.5.2.2 Vettori a0, an e matrici TPM pag. 119
4.5.2.3 Grafici pag. 120 4.6 Modello probabilistico di degrado senza intervento pag. 122 4.6.1 Livello longitudinale pag. 122 4.6.1.1 Vettori a0, an e matrici TPM pag. 124
4.6.1.2 Grafico pag. 126 4.6.2 Livello trasversale pag. 127 4.6.2.1 Vettori a0, an e matrici TPM pag. 129
4.6.2.2 Grafico pag. 131 4.7 Easyfit e le funzioni di probabilità pag. 132 4.7.1 Livello longitudinale pag. 133 4.7.2 Livello trasversale pag. 134
5.
Conclusioni
pag. 135
Bibliografia
pag. 138
La stesura di questa tesi deriva da più esperienze formative all’interno di varie aziende e tramite l’aiuto di personale competente.
Il tutto è nato da un tirocinio formativo di circa 3 mesi alla C.E.M.E.S. S.p.a. sul cantiere del raddoppio ferroviario Pistoia-Montecatini in cui, per la prima volta nella mia vita, ho potuto capire cosa vuol dire ‘vivere un cantiere’. Per la prima volta mi sono interfacciato con un nuovo mondo a me sconosciuto, o meglio di cui sapevo l’esistenza perché studiato sui libri e visto al di fuori della rete rossa, ma che non immaginavo mai potesse esercitare un tale fascino nei miei confronti. In questi mesi, oltre a capire cosa significa realizzare una ‘grande opera’, ho potuto apprendere tutte le dinamiche che si celano dietro alla costruzione di una nuova linea ferroviaria: dall’esproprio di un terreno alla stesa del ballast, dalla creazione di pali di grandi diametro alla posa del rilevato, dal tombamento dei fossi all’allungamento dei tombini del rilevato ferroviario, ecc.
Trovandomi a stresso contatto ogni giorno con il ballast, le traverse, le rotaie e gli attacchi ho capito perché la manutenzione è fondamentale: senza manutenzione non si ha una linea sicura, senza sicurezza si corrono rischi ed i rischi possono generare danni che nel mondo ferroviario sono costosi ed irreversibili. Per questo motivo è necessario definire delle strategie di manutenzione efficaci. La tesi si propone questo obiettivo raggiungendolo con metodi probabilistici di previsione del degrado.
1. Introduzione
La domanda di trasporto, intesa come trasporto sia di persone che di merci, è in costante crescita di anno in anno di pari passo con l’aumentano delle emissioni di gas inquinanti. In un momento come questo, sempre alla ricerca di fonti rinnovabili, si sottovaluta il mezzo di trasporto meno inquinante per eccellenza: il treno. Con il treno si possono ridurre al minimo le emissioni di CO2 nell’ambiente elettrificando la rete. Per questo
motivo si può definire il trasporto ferroviario come trasporto del futuro ma, come tutti i mezzi di trasporto, ha pur sempre dei difetti. Difetti veri e propri che si ripropongono costantemente sulla linea ed è per questo che deve essere pianificata una corretta e precisa manutenzione studiata al millimetro e costantemente sotto controllo. Saper pianificare la manutenzione significa conoscere i problemi presenti sulla linea e come essi cambiano nel tempo, come si evolve il degrado e quindi prendere le necessarie contromisure.
La tesi si può raggruppare in due parti principali: una teorica e una applicativa.
La prima parte si scinde in due argomenti fondamentali: il degrado e la manutenzione. Nel degrado vengono riportati tutti i possibili difetti che si possono riscontrare sulla linea associati agli standard qualitativi previsti da RFI e ai modelli di degrado. Nella manutenzione sono definite le tipologie manutentive, le disposizioni operative e le modalità di rilievo.
La seconda parte riguarda esclusivamente il caso studio: la linea ferroviaria FI-LU-PI.S.R. Inizialmente viene caratterizzata la linea dal punto di vista geometrico (massicciata, traverse, ecc…), dai rilievi effettuati e dal volume di traffico che vi transita. Successivamente si applica il processo di Markov al livello longitudinale e trasversale considerando un modello probabilistico di degrado con interventi ed uno senza interventi. Quest’ultimo viene analizzato ulteriormente attraverso funzioni probabilistiche per ottenere il modello di degrado del ballast ferroviario. Il modello così ottenuto sarà utilizzato per definire delle strategie manutentive.
2. Degrado della sovrastruttura ferroviaria
Con sovrastruttura ferroviaria intendiamo l’insieme del rilevato e dell’armamento necessario al transito dei treni. L’armamento ferroviario (rotaie – traverse – attacchi – deviatoi – massicciata) costituisce il piano di rotolamento del veicolo ferroviario, detto piano del ferro, e permette il rispetto della corretta traiettoria obbligandone anche la guida. Una guida vincolata ulteriormente dagli impianti di trazione elettrica e di segnalamento.
La sovrastruttura ferroviaria è sollecitata costantemente da carichi legati soprattutto al traffico veicolare, alla velocità di fiancata e alle condizioni ambientali. Spesso il decadimento prestazionale della sovrastruttura viene ulteriormente accelerato anche dal transito di veicoli differenti da quelli di progetto per tipologia, carico e caratteristiche del moto. Questo fatto è provocato, soprattutto, dal non adeguamento e non ammodernamento della linea a differenza dei treni che vi circolano. [1]
Le ripetizioni e le differenti combinazioni delle sollecitazioni provocano dei fenomeni di fatica e un accumulo di deformazioni che possono sfociare nel degrado se non tempestivamente corrette.
Un accurato controllo della posa in opera e delle prescritte tolleranze dei materiali resta in ogni caso una imperante necessità per la buona cura della linea.
2.1 Difetti del binario
Il binario è alla base della linea ferroviaria ed è composto dalle rotaie, traverse ed organi di attacco. Le rotaie sono due profilati metallici in acciaio montati in parallelo sulle traverse che fungono da struttura portante. Il fissaggio è differente a seconda dell'epoca e della tipologia costruttiva della linea. Il tutto viene annegato nel ballast che poggia sul sottofondo.
Nel mondo ferroviario esistono delle tolleranze cioè degli scostamenti accettabili dai valori fissati per legge (in eccesso ed in difetto). In ambiente ferroviario si parla di tolleranze:
- di costruzione: scostamento accettabile della posa a nuovo rispetto al valore teorico;
- di manutenzione: scostamento accettabile a seguito di un intervento manutentivo rispetto al valore teorico;
- di esercizio: scostamenti per mantenere determinati livelli di qualità per la circolazione;
- di sicurezza: scostamenti superati i quali nascono dei rischi che possono provocare gravi danni.
A causa della inevitabile usura delle componenti del binario, le tolleranze di manutenzione risultano meno restrittive di quelle di costruzione.
Le variazioni che possono subire le caratteristiche geometriche, dovuto alle costanti azioni indotte dall’esercizio, prima che sia necessario un intervento manutentivo si ottengono dalla differenza tra le tolleranze di costruzione e quelle d’esercizio.
I margini di sicurezza sono appositamente ampi perché non deve essere preso alcun rischio nella rete ferroviaria. Un rischio può portare ad un danno e nel mondo delle ferrovie i danni sono costosi ed irreversibili.
Di seguito si analizzano i difetti di ogni elemento appartenente al binario.
La rotaia è un profilato a caldo in acciaio tipo Vignole caratterizzato dal peso per metro lineare: dai 5 kg/m delle prime ferrovie si è passati ad un massimo di 60 Kg/m perché maggiore è il peso e maggiori sono le prestazioni.
Il suo nome è dovuto dall’ingegnere inglese Charles Vignoles che la introdusse in Europa nel 1836 dopo averla notata negli Stati Uniti d’America [2]. La forma della rotaia è quella classica a doppio T (Fig. 2-1) con la parte superiore definita ‘fungo’, quella centrale più stretta ‘anima’ e la base ‘suola’. Le caratteristiche delle rotaie sono indicate su ogni segmento attraverso una data e un codice composto dalla sigla UIC seguita dal peso in kg di un metro di rotaia. La lunghezza dipende dalle caratteristiche dell’impianto di produzione: in Italia l’unico impianto che produce rotaie è quello di Piombino con lunghezze di 36 m. La testata di una rotaia è la sua parte terminale. Le rotaie promiscue sono ottenute per saldatura di due spezzoni di differente profilo, collegati in modo tale da garantire la continuità della superficie di rotolamento.
Gli ammaloramenti delle rotaie sono dovuti a difetti di realizzazione, di posa in opera o malfunzionamento e alle sollecitazioni per fatica.
I difetti di produzione sono le fessurazioni orizzontali e longitudinali. A causa del processo termico di realizzazione possono generarsi delle tasche ovali che possono
espandersi fino alla superficie generando delle zone fragili per il binario. Il fungo è sottoposto ad una costante usura dovuta agli elevati carichi, i quali possono arrivare ad incrinare il bordo del fungo stesso o addirittura a far variare la dimensione dello scartamento. Questa usura è superiore in curva e cresce al diminuire del raggio della curva stessa a causa proprio dell’incremento delle forze laterali ruota-rotaia. La marezzatura del binario ne peggiora le capacità prestazionali, generando vibrazioni nei convogli in transito che peggiorano ulteriormente il danno. È identificata come una delle più importanti sorgenti del disturbo sia sotto forma di rumore generato, sia sotto forma di vibrazioni.
Figura 2-1 : Sezione della rotaia.
L’organo di attacco permette alla rotaia l’ancoraggio alla traversa, l’isolamento elettrico e il corretto posizionamento trasversale e longitudinale. L’attacco può essere definito:
- diretto: se garantisce anche la posizione della rotaia poggiando direttamente sulla traversa, utilizzato su traverse in legno ormai in disuso;
- indiretto: si separa la funzione di assicurare la posizione della rotaia da quella di collegamento rotaia/traversa, collegamento interposto da una piastra d’acciaio per ripartire meglio i carichi.
L’ancoraggio della rotaia alla traversa può essere eseguito tramite:
- arpioni: usati esclusivamente negli attacchi diretti, si inseriscono a martello nella traversa in legno;
- caviglie: sono collegamenti a vite e richiedono la verifica periodica del degrado di serraggio;
- inglobati: in ghisa sferoidale annegati direttamente nella traversa durante le fasi di prefabbricazione, è la tipologia più recente usata solo nelle traverse in c.a.p. e garantisce delle tolleranze estremamente contenute.
Un’ulteriore distinzione degli attacchi può essere fatta in base alle caratteristiche elastiche in:
- rigidi: la rotaia è fissata mediante collegamenti rigidi;
- elastici: quando la rotaia è fissata grazie alla deformazione elastica degli elementi di fissaggio.
L'attacco rigido più diffuso è il tipo "K" o tedesco, costituito da: una piastra di acciaio che aumenta la superficie di contatto sulla traversa, quattro caviglie che garantiscono il collegamento piastra-traversa avvitate nel legno, due chiavarde di ancoraggio a vite che, tramite due piastrine a cavallotto, assicurano il collegamento piastra-rotaia.
Tra gli attacchi elastici vengono generalmente utilizzati il tipo ‘Vossloh’, ‘Pandrol’ e ‘Nabla’ (Fig. 2-2).
Il difetto più comune per gli organi di attacco è quello dell'allentamento degli stessi e quindi della connessione tra rotaia e traversa. In casi estremi si arriva alla rottura per fatica in cui l’attacco è completamente rotto.
a) b)
c)
La traversa rappresenta quella parte del binario alla quale è attribuita la funzione di collegamento delle due rotaie per assicurarne la distanza e ripartire sulla massicciata le forze su di esse concentrate. L’interasse è definito modulo o passo o spartito. Questa distanza è fondamentale perché condiziona il trasferimento delle forze verticali e quindi i cedimenti. In passato i moduli erano di 75 cm mentre oggi la gran parte della rete adotta un modulo di 60 cm. Le traverse possono essere in legno, cemento armato (può essere precompresso) e acciaio (Fig. 2-3)
Le traverse in legno di rovere, faggio, cerro, pino e larice devono essere trattate con olii speciali per conservarle nel tempo dai parassiti. Sono a forma di parallelepipedo, larghe non più di 30 cm, alte più di 17 cm e lunghe 2,60 m con un peso di circa 80-100 kg. Nella parte superiore della traversa si trovano i cosiddetti piani di ferratura, o sabotatura, intagliati in essa e spianati per consentire la posa degli attacchi delle rotaie. I due piani di ferratura sono lunghi 50 cm e distano tra loro 1 m. Possono essere orizzontali o inclinati, in relazione al tipo di attacco delle rotaie.
Le traverse in cemento armato si distinguono in traverse monoblocco e biblocco. Le monoblocco sono un unico manufatto in cemento armato precompresso con dimensioni e forma simili a quelle in legno: lunghezza 2,30 m, larghezza di 30 cm e altezza di 19 cm con un peso maggiore di 220 kg. Il vantaggio più grande rispetto a quelle in legno, oltre al maggiore peso che garantisce più stabilità, è la possibilità di predisporre gli ancoraggi in fase di costruzione garantendo così una maggiore precisione. Quelle biblocco sono costituite da due elementi collegati da un tirante in acciaio per assicurare lo scartamento.
L’utilizzo di traverse in cemento armato precompresso e dell’attacco indiretto ha consentito la realizzazione di lunghe rotaie saldate (da stazione a stazione). In passato a causa delle escursioni termiche le rotaie subivano delle deformazioni e quindi vi era la necessità di una luce tra un tratto di rotaia ed il successivo, distanza che costituiva una discontinuità nell’appoggio. Con le lunghe rotaie saldate non ho più alcuna discontinuità nell’appoggio. Le escursioni termiche si trasformano in tensioni. I principali difetti che si possono incontrare in una lunga rotaia saldata sono:
- dissesti dovuti a una diminuzione della resistenza laterale del binario a causa di lavori in corso, oppure di eccesso di sollecitazioni trasmesse dal materiale rotabile, oppure di altre cause eccezionali e ben determinabili;
- slineamenti dovuti più che altro ad accumuli di tensioni interne nel binario; - rottura di rotaie con taglio pressoché verticale;
- rottura di rotaie fuori saldatura o con taglio ad andamento non verticale; - usura irregolare della rotaia in curva.
Ulteriori difetti dipendono dalla tipologia della traversa:
- in legno: sono generalmente soggette a fessurazioni, abrasioni ed indebolimenti legati alle condizioni atmosferiche, agli attacchi di parassiti, alle variazioni di temperatura e alle sollecitazioni dovute ai veicoli transitanti;
- in acciaio: sono soggette essenzialmente a corrosione;
- in calcestruzzo: sono più resistenti e le difettosità si evidenziano in corrispondenza degli attacchi o a causa di difetti di produzione e posa in opera.
a) b)
c)
La massicciata, o ballast, è costituita da elementi di roccia frantumata che devono obbligatoriamente soddisfare determinati requisti ed è l’elemento più durevole della sovrastruttura ferroviaria (Fig. 2-4).
La massicciata deve assorbire e ridistribuire i carichi verticali sul piano di posa del corpo stradale garantendo la geometria di progetto. Grazie alla sua posizione e granulometria è in grado di fungere da drenaggio delle acque meteoriche conferendo elasticità al binario e realizzando un filtro tra il binario e l’ambiente che lo circonda. E' progettato in maniera tale che mantenga le caratteristiche meccaniche nel tempo in quanto, una modifica della sua resistenza e della sua conformazione, può generare difetti per l'intero binario.
Trasversalmente il piano di posa del corpo stradale deve essere realizzato a regola d’arte, come previsto progettualmente, soprattutto per garantire il deflusso delle acque di superficie che percolano nel ballast. Per evitare accumuli d’acqua e ristagni si richiede una piattaforma con inclinazione del 4/5%.
Il pietrisco costituente la massicciata deve essere compreso tra i 3 e i 6 cm, a spigoli vivi (L.A. < 20-25 per linee normali), permeabile, con coefficienti d'attrito interno non inferiore a 45° ed una densità non minore di 1,5 t/m3. È preferibile usare delle rocce
endogene che garantiscono una durabilità maggiore a discapito delle esogene.
A causa delle continue azioni dovute al passaggio dei treni, il pietrisco tende ad arrotondarsi o, in casi particolari, addirittura ad inquinarsi. Di pari passo la massicciata perderà le sue caratteristiche meccaniche non consentendo più il rapido allontanamento delle acque meteoriche. Tutto ciò comporta danni irrimediabili all'intera sovrastruttura.
Oltre ai difetti intrinsechi di rotaie, organi di attacco, traverse e ballast, ne esistono altri alla base della circolazione ferroviaria. Una corretta circolazione è quella in cui le due rotaie si devono trovare sempre in una ben precisa posizione planimetrica ed altimetrica quindi ogni allontanamento da questo stato è dannoso.
Si parla di difetto di allineamento quando il binario si allontana dalla corretta posizione planimetrica e questo viene eliminato con specifiche operazioni di manutenzione.
Il difetto di livellamento è l'allontanamento delle due rotaie dalla posizione altimetrica tanto in piano quanto in pendenza.
L'allontanamento della esatta posizione planimetrica di una rotaia, rispetto all'altra, dà luogo ad un difetto di scartamento
Un difetto particolarmente insidioso è lo sghembo. E' facile causa di svio e si viene a creare quando i piani di rotolamento delle due rotaie, ad una certa distanza, non risultano più complanari in conseguenza di una diversa pendenza tra l'uno e l'altro. La mancata complanarità fa si che le quattro ruote di un veicolo, o del carrello di un veicolo, non poggino tutte e quattro sulle rotaie e ciò può portare il bordino della ruota che non poggia a sormontare il fungo della rotaia e quindi a dar luogo ad uno svio. Si può tuttavia osservare che uno sghembo viene necessariamente introdotto quando, per realizzare la necessaria sopraelevazione in curva, si dà alla rotaia esterna, lungo il raccordo parabolico, la maggior pendenza. Questo sghembo ha però dei limiti di legge sufficienti a porre al sicuro dal pericolo di svio.
Il continuo passaggio di treni può provocare, specie nelle zone in cui i treni effettuano sistematicamente avviamenti o frenature, una sregolazione delle luci di dilatazione in corrispondenza delle giunzioni non saldate. Si procederà alla rettifica delle luci di giunzione portandole ai valori corrispondenti alla temperatura ambiente del momento.
2.2 Qualità del binario
La qualità del binario viene calibrata in base alle funzionalità dello stesso. Un binario sicuro e affidabile è sinonimo di qualità elevata.
Possiamo considerare due tipi di qualità:
- strutturale: scaturita da valutazioni soggettive in quanto è di difficile valutazione la condizione di ogni singolo elemento tecnico appartenente al binario;
- geometrica: ottenibile tramite semplici misurazioni.
Ciò ha spinto a definire uno o più coefficienti di qualità capaci di classificare in modo sintetico le condizioni in cui, ad un certo momento, si trova un binario.
Il raggiungimento di un tal risultato assume evidente importanza sia in quanto consente di fissare valori minimi cui debba corrispondere il binario onde consentire, specie agli effetti della velocità, un determinato tipo di traffico; sia fissare valori minimi per cui vengono pianificati ed effettuati i lavori di manutenzione.
Nel paragrafo seguente viene analizzata la qualità dal punto di vista della Rete Ferroviaria Italiana (RFI). Particolare attenzione deve essere posta ai due principali parametri che tratteremo in maniera approfondita nella tesi: livello longitudinale (L) e lo scarto di livello trasversale (SCARTXL).
2.3 Standard di qualità geometrica del binario
Questo paragrafo è riferito alle linee con velocità massima di 300 km/h.
2.3.1 Generalità
Lo Standard di qualità ha lo scopo di mantenere elevati livelli di qualità e di sicurezza per l'infrastruttura ferroviaria in termini di geometria dell'armamento. Esso ha un ulteriore obiettivo: garantire elevate prestazioni tecnico-economiche per un'infrastruttura ferroviaria moderna ed efficace, attraverso l'omogeneizzazione dei comportamenti manutentivi.
Con Standard si identificano i valori limite dei parametri fondamentali che indicano la qualità geometrica del binario della Rete Ferroviaria Italiana e si possono suddividere come segue:
- valori a seguito dei lavori di costruzione o rinnovo; - valori a seguito dei lavori di manutenzione;
- livelli di qualità geometrica correnti; - valori che comportano vincoli all'esercizio.
Lo standard fissa i valori ammessi per i seguenti parametri del binario: - usura del fungo delle rotaie: a 45° e laterale;
- scartamento: valore puntuale e media mobile; - allineamento;
- livello longitudinale;
- livello trasversale: scarto di livello trasversale e difetto di sopraelevazione; - sghembo su: base 3 metri e base 9 metri;
- deviazione standard di: allineamento, livello longitudinale e livello trasversale. - conicità equivalente.
Lo Standard si applica: - ai binari di corsa - ai binari di circolazione
- ai rami di corretto tracciato e deviati degli scambi e degli altri apparecchi del binario installati su binari di corsa e di circolazione, nonché alle relative serraglie (brevi tratti di binario tra due scambi successivi).
Si applica, inoltre, ai binari secondari ed agli scambi e apparecchi del binario inseriti su di essi, con la particolarità che per i lavori di costruzione possono essere applicati anche i valori ammessi per gli interventi di manutenzione.
Tutti i valori ammessi dei parametri del binario, sopra indicati, sono stabiliti in funzione della velocità del tratto di linea. Per velocità del tratto di linea si intende la massima velocità di Rango presente (B, C, P) e, per le linee AV/AC, la velocità della linea. La misura dei parametri geometrici del binario deve essere eseguita sia a binario carico che scarico per l'usura del fungo, mentre per tutti i restanti parametri a binario esclusivamente carico. Sono da considerarsi misure complementari quelle eseguite mediante calibri manuali o carrelli manuali, tenendo presente che sono generalmente minori rispetto a quelle eseguite a binario carico.
La velocità con cui i difetti evolvono non può essere stabilita in termini generali perché dipende dalle specifiche condizioni locali. Pertanto la programmazione dei controlli deve essere adeguata in funzione della velocità di evoluzione dei difetti. Al tempo stesso anche l'intervallo di tempo entro il quale deve essere eseguito l'intervento di ripristino della geometria varia in funzione della velocità di evoluzione dei difetti, in maniera che l'intervallo di tempo tra la misura della geometria ed il successivo intervento manutentivo non sia raggiunto il valore comportante vincoli all'esercizio.
2.3.1.1 Definizioni e abbreviazioni
Di seguito vengono riportate una serie di definizioni e abbreviazioni utilizzate successivamente nelle tabelle dei parametri del binario:
- V: velocità massima ammessa sul tratto di linea in esame ed è espressa in km/h. - Vral: velocità di rallentamento espressa in km/h.
- U45°: mancanza di materiale, uniformemente estesa sul fianco attivo del fungo della rotaia; è espressa come distanza, in mm, tra il profilo teorico e quello reale, misurato sulla retta inclinata di 45° rispetto al piano di rotolamento e passante per un determinato punto. L'usura è rilevata con i calibri dis. FS 8043, dis. DI/TC.AR.AR 37, oppure con calibri equivalenti o con rilevatori di profilo sia automatici che manuali.
- Usura laterale: mancanza di materiale, uniformemente estesa sul fianco attivo del fungo della rotaia; è espressa come distanza, in mm, tra il profilo teorico e quello reale, misurata a 14 mm al di sotto del piano di rotolamento; l'usura laterale è rilevata con rilevatori di profilo sia automatici che manuali.
- Tavola di rotolamento: superficie superiore del fungo della rotaia.
- Superficie di rotolamento: superficie formata da rette tangenti alle due tavole di rotolamento e ortogonali all'asse del binario.
- Piano di rotolamento: piano tangente alla superficie di rotolamento nel punto di misura.
- Per la misura del binario si definisce un sistema di riferimento (Fig. 2-5), indicando: - con 1 la direzione di marcia (X);
- con 2 retta appartenente alla superficie di rotolamento (Y); - con 3 sistema di coordinate del binario.
- S: scartamento cioè la minima distanza, espressa in mm, fra i fianchi attivi dei funghi delle due rotaie, misurata dal piano di rotolamento fino a 14 mm sotto di esso.
- S100: è il valore medio di scartamento calcolato via software dai sistemi automatici di
misura facendo la media degli scartamenti per un tratto di 100 m, tratto che viene idealmente spostato continuamente lungo la linea, con passo pari al passo di campionamento delle misure.
- A (allineamento): per ciascuna fila di rotaia, è la misura, espressa in mm, della deviazione yp, nella direzione Y, delle posizioni del punto P rispetto alla linea di
riferimento (posizione media, vedi figura 2-6). L'allineamento è rappresentato nei campi di lunghezze d'onda D1, D2 e D3 come segue:
- D1: 3 m < λ ≤ 25 m - D2: 25 m < λ ≤ 70 m - D3: 70 m < λ ≤ 200 m. Nella Fig. 2-6 si rappresenta con:
- 1 la retta appartenente alla superficie di rotolamento; - 2 la linea di riferimento;
- 3 l'asse della tavola di rotolamento.
Figura 2-6 : Allineamento Le misure di allineamento possono essere eseguite:
- con sistema di misura inerziale; - con sistema corda – freccia;
- attraverso una combinazione di entrambi i sistemi.
Il sistema corda-freccia influenza, in termini di ampiezza e fase, l'andamento della grandezza misurata. La corretta rappresentazione della grandezza deve essere preceduta,
pertanto, da una elaborazione delle misure attraverso algoritmi matematici che consentono di eliminare detta influenza.
I singoli difetti sono rappresentati dall'ampiezza misurata tra il valore medio ed il valore di picco superiore o inferiore. I superi sono gli scostamenti rispetto alla linea media che eccedono il valore ammesso.
- L (livello longitudinale): per ciascuna fila di rotaia, è la misura, espressa in mm, della deviazione zp, nella direzione Z, della distanza della tavola di rotolamento rispetto alla
linea di riferimento (posizione media, vedi figura 2-7). Il livello longitudinale è rappresentato nei campi di lunghezze d'onda D1, D2 e D3 riportati di seguito:
D1: 3 m < λ ≤ 25 m D2: 25 m < λ ≤ 70 m D3: 70 m < λ ≤ 150 m. Nella Fig. 2-7 si rappresenta con:
- 1 la tavola di rotolamento; - 2 la linea di riferimento.
Figura 2-7 : Livello longitudinale Le misure di livello longitudinale possono essere eseguite:
- con sistema di misura inerziale; - con sistema corda – freccia;
- attraverso una combinazione di entrambi i sistemi.
Il sistema corda-freccia influenza, in termini di ampiezza e fase, l'andamento della grandezza misurata. La corretta rappresentazione della grandezza deve essere preceduta, pertanto, da una elaborazione delle misure attraverso algoritmi matematici che consentono di eliminare detta influenza.
I singoli difetti sono rappresentati dall'ampiezza misurata tra il valore medio ed il valore di picco superiore o inferiore. I superi sono gli scostamenti rispetto alla linea media che eccedono il valore ammesso.
- XL (livello trasversale): è la misura, espressa in mm, della differenza in altezza tra le due tavole di rotolamento adiacenti; è espressa come l'altezza del triangolo rettangolo avente ipotenusa pari a 1500 mm ed angolo al vertice pari all'angolo tra il piano di rotolamento ed un piano orizzontale di riferimento (Fig. 2-8).
Figura 2-8 : livello trasversale
- SCARTXL (scarto di livello trasversale): per un dato punto, è la differenza, espressa in mm, fra il suo livello trasversale XL e la media dei livelli trasversali XL di due punti posti rispettivamente 5 m prima e 5 m dopo il punto considerato; la differenza è calcolata via software dai sistemi automatici di misura. I superi sono gli scostamenti rispetto alla linea dei valori medi che eccedono il valore ammesso.
- ΔH (difetto di sopraelevazione): per un dato punto è la misura, espressa in millimetri, del modulo della differenza tra il livello trasversale XL e la sopraelevazione di progetto h: ΔH = | h – XL |. La sopraelevazione di progetto h è:
- 0 per binario in retta o su curve senza sopraelevazione e loro raccordi planimetrici; - h di progetto della sopraelevazione per le curve e loro raccordi altimetrici (h variabile).
Sul grafico si traccia, in corrispondenza delle rette e delle curve del tracciato, una linea alla quota della sopraelevazione di progetto, riportata nei tabellini delle curve, e si valuta la differenza ΔH fra il livello trasversale XL e la sopraelevazione di progetto h: se la differenza ΔH eccede il relativo valore ammesso, si ha un supero.
- γ (sghembo): è l'inclinazione, espressa in ‰, relativa di una fila di rotaia rispetto all'altra, calcolata come rapporto tra la differenza di livello trasversale XL fra due
sezioni di binario poste a una distanza data, che è la base di misura dello sghembo, e la base stessa.
- σA: deviazione standard allineamento.
- σL: deviazione standard livello longitudinale.
- σXL : deviazione standard livello trasversale.
- Conicità equivalente: è un parametro legato al contatto ruota rotaia che influisce sul comportamento dinamico dei rotabili, il cui calcolo è complesso ed è reso dai sistemi di diagnostica. Dipende dallo scartamento, dal profilo del fungo della rotaia, dall'inclinazione della rotaia e dal profilo delle ruote.
2.3.2 Valori ammessi dei parametri geometrici a seguito di lavori
Sono definite due classi di valori per:
- lavori di rinnovo o nuove costruzioni, o lavori assimilabili a questi;
- interventi di manutenzione per il ripristino della geometria del binario per armamento in esercizio.
2.3.2.1 Rinnovamento o nuova costruzione
Per lo SCARTAMENTO:
Per l'ALLINEAMENTO:
Tabella 2-2 : Allineamento
Il LIVELLO LONGITUDINALE:
Tabella 2-3 : Livello longitudinale
Il LIVELLO TRASVERSALE:
Tabella 2-4 : Livello trasversale
Lo SGHEMBO:
2.3.2.2 Interventi di manutenzione
Per lo SCARTAMENTO: Tabella 2-6 : Scartamento Per l'ALLINEAMENTO: Tabella 2-7 : Allineamento Il LIVELLO LONGITUDINALE:Il LIVELLO TRASVERSALE:
Tabella 2-9 : Livello trasversale Lo SGHEMBO:
Tabella 2-10 : Sghembo
2.3.3 Livelli di qualità geometrica correnti
I livelli di qualità geometrica correnti sono i valori entro i quali si svolge la normale vita tecnica della geometria dell'armamento; in linea di massima vengono divisi in tre ''livelli di qualità'':
- un primo livello di qualità, entro il quale la geometria del binario non richiede alcuna programmazione di interventi correttivi;
- un secondo livello di qualità, entro il quale le condizioni geometriche del binario consentono il normale esercizio ferroviario senza alcun tipo di restrizione ma che comportano:
- l'analisi delle cause di degrado;
- la valutazione della velocità di evoluzione del difetto;
- la programmazione e l'eventuale esecuzione di lavori di manutenzione della geometria in funzione della velocità di evoluzione del difetto rilevata localmente.
La valutazione della velocità di evoluzione del difetto sarà effettuata tramite confronto con i rilievi geometrici precedenti o tramite l'effettuazione di rilievi ad hoc, oppure tramite il riconoscimento di zone ad evoluzione del difetto già nota; è necessario che venga fatto anche il riconoscimento delle zone ad evoluzione rapida (ad es.: tratti con
sede instabile, tratti con massicciata inquinata, ecc...) al cui controllo deve essere posta massima attenzione.
- un terzo livello di qualità, che ancora consente l'esercizio ferroviario senza alcun tipo di restrizione, a condizione che vengano programmati ed eseguiti lavori di manutenzione della geometria del binario prima del supero del massimo valore ammesso dal terzo livello di qualità, tenendo anche presente che le correzioni di geometria fatte tramite rincalzatura (ad es.: correzioni di difetti di livello longitudinale, sghembo, ecc...) sono di problematica esecuzione nelle stagioni calde, ai sensi della vigente Normativa sulla lunga rotaia saldata (vedi limiti di lavorazione al binario). Nel caso ci siano superi dei valori del terzo livello va consultato il paragrafo successivo ''Valori comportanti vincoli all'esercizio''.
Per la DEVIAZIONE STANDARD DI ALLINEAMENTO, LIVELLO LONGITUDINALE E LIVELLO TRASVERSALE:
Tabella 2-11 : Deviazione standard Per l'USURA a 45°:
Per lo SCARTAMENTO:
Per l'ALLINEAMENTO:
Tabella 2-13 : Allineamento
Fermo restando che i difetti di allineamento riportati in tabella per i tre campi fino a 160 km/h sono ammissibili solo se non risultano superati i limiti dei difetti di allineamento determinati dalla stabilità del binario agli effetti della lunga rotaia saldata riportati, in funzione del raggio di curva, nella Istruzione Tecnica RFI TC AR IT AR 01 008 A ''Costituzione e controllo della lunga rotaia saldata (L.R.S.)'' del 28/06/2012.
Per il LIVELLO LONGITUDINALE:
Per il LIVELLO TRASVERSALE:
Tabella 2-15 : Livello trasversale Per lo SGHEMBO:
Tabella 2-16 : Sghembo
I valori sopra riportati vanno ad integrare quelli della Circolare L.41/144/7.9 del 28/09/87, che devono essere comunque rispettati.
Per la CONICITA' EQUIVALENTE:
Tabella 2-17 : Conicità equivalente
ΔH ≤ 10 ΔH ≤ 10 SCARTXL ≤ 6 SCARTXL ≤ 4 10 < ΔH ≤ 15 10 < ΔH ≤ 15 6 < SCARTXL ≤ 10 4 < SCARTXL ≤ 8 15 < ΔH ≤ 20 (1) 15 < ΔH ≤ 20 (1) 10 < SCARTXL ≤ 14 8 < SCARTXL ≤ 12 V ≤ 160 km/h 160 < V ≤ 300 km/h 1° livello di qualità 2° livello di qualità 3° livello di qualità
(1) il valore di ΔH può essere ammesso solo a seguito di una verifica di assenza di problemi di sagoma (gallerie, interasse, posizione linea
di contatto ecc.)
(2) Attenzione al rispetto delle condizioni di lavorabilità del binario previste dalla Norma sulla l.r.s.
2.3.4 Valori comportanti vincoli all'esercizio
I valori comportanti vincoli all'esercizio sono quei valori dei parametri di qualità geometrica del binario e di dinamica di marcia, indicativi di condizioni di degrado della geometria del binario tali da imporre restrizioni all'esercizio ferroviario.
A seconda del parametro coinvolto e dell'entità del relativo difetto, queste restrizioni consisteranno:
- in un rallentamento e nell'esecuzione in tempi brevissimi degli interventi manutentivi per il ripristino della corretta geometria; i tempi di intervento e la velocità di rallentamento devono essere responsabilmente valutati in relazione allo stato dell'armamento e in relazione all'entità del difetto rispetto ai valori riportati di seguito. - nell'interdizione della circolazione fino a che non saranno state ripristinate corrette condizioni di geometria.
Per l'USURA a 45°:
Tabella 2-18 : Usura a 45° Per lo SCARTAMENTO:
Curve Raggio ≥ 275 m e V ≤ 200 km/h
Scartamento Scartamento in media mobile
Scartamento (1) al netto dell'usura laterale delle rotaie
(2) per V > 160 km/h deve essere calcolata la conicità equivalente e verificati i limiti. Valori ai quali
deve essere istituito un rallentamento
Se Smax ≥ 1463: Vral ≤ 160 km/h Se S100max ≥ 1462: Vral ≤ 120 km/h Se Smax ≥ 1465: Vral ≤ 120 km/h Se S100max ≥ 1450 (1): Vral ≤ 120 km/h Se Smin ≤ 1428: Vral ≤ 160 km/h Se S100min ≤ 1430 (2): Vral ≤ 120 km/h Se Smin ≤ 1427: Vral ≤ 120 km/h Se Smin ≤ 1426: Vral ≤ 80 km/h Interruzione della
Tabella 2-19 : Scartamento Per l'ALLINEMENTO:
Tabella 2-20 : Allineamento Per il LIVELLO LONGITUDINALE:
Per il LIVELLO TRASVERALE:
Tabella 2-22 : Livello trasversale
Tabella 2-23 : Sghembo Per la CONICITA' EQUIVALENTE:
Con riferimento alla Tab. 2-17, in caso di superamento del valore ammesso di conicità equivalente per il campo di velocità di interesse, è necessario ridurre conseguentemente la velocità in modo che questa sia congruente alla conicità equivalente misurata. Inoltre, deve essere determinata la causa del superamento e, quindi, devono essere intraprese le relative azioni correttive.
2.4 Modelli di degrado
Attraverso i modelli di degrado troviamo una funzione matematica che descrive in maniera più realistica possibile l’andamento di uno o più elementi appartenenti alla sovrastruttura ferroviaria. Questi modelli, presi dalla letteratura, verranno applicati ai dati registrati negli anni e grazie ai quali potremo effettuare una stima per il futuro. Nel caso di studio il degrado a cui ci riferiamo corrisponde al deterioramento della pavimentazione, cioè il ballast, e si parla di network-level pavement management system (PMS) cioè di un sistema di gestione della pavimentazione a livello di rete con l’obiettivo futuro di redigere una serie di potenziali progetti, a breve e a lungo termine, basati su un predefinito budget.
Per capire questo concetto viene riportato un possibile modello di degrado del livello longitudinale della sovrastruttura ferroviaria in funzione del carico di esercizio (più è vicino allo 0, più è minimo il difetto):
Figura 2-9 : Degrado della sovrastruttura ferroviaria
Dopo aver raggiunto il margine limite d'intervento (comfort di marcia desiderato), il binario viene rincalzato e lo scostamento standard del difetto di binario diminuisce. In seguito a questo miglioramento, si avrà un periodo di veloce crescita esponenziale del difetto di binario, prima che lo stesso saturi in un andamento lineare di degenerazione. Dopo questa fase iniziale, il difetto aumenta in maniera lineare a seconda del carico d'esercizio e della tipologia costruttiva della campata di binario per terminare in una fase esponenziale.
Dal grafico è deducibile anche il fatto che tanto più elevata è la qualità iniziale, tanto più grande sarà la scorta utile di usura e tanto più lungo sarà il tempo fino a che sia raggiunto nuovamente il limite d'intervento. Un'elevata qualità iniziale si realizza con l'adeguata tipologia costruttiva del binario attraverso:
- metodi e tecniche di costruzione ottimizzate;
- materiali per la costruzione ferroviaria di elevata qualità.
Da rincalzatura a rincalzatura, la qualità iniziale raggiungibile diminuisce sempre più e gli intervalli tra un ciclo e l'altro di manutenzione diventano sempre più brevi. Infine, debbono essere adottate misure più drastiche per il miglioramento del binario che non la sola rincalzatura. Tali misure, a seconda del tipo di causa, possono essere il risanamento del pietrisco oppure risanamenti della piattaforma della linea. La dove si dispone di un binario in cattivo stato, anche la qualità iniziale realizzabile sarà meno buona. [3] Tornando al caso generale, i modelli di degrado si distinguono in modelli:
- deterministici; - probabilistici.
I modelli deterministici si basano su sperimentazioni in grado di fornire determinate leggi analitiche di degrado capaci di generare un valore unico dell’indice di qualità considerato. Sono elaborazioni che non tengono in considerazione l’incertezza associata alla variabili di input in gioco.
I modelli probabilistici, attraverso leggi statistiche, forniscono le varie probabilità in cui l’indice di qualità ha la possibilità di trovarsi.
Per la previsione dellaperformance della pavimentazione, dell'analisi dei costi del ciclo di vita e per trovare la soluzione ottimale per l'allocazione dei fondi disponibili, vengono utilizzate tecniche di ricerca operativa che possono essere deterministiche o probabilistiche. Poiché il tasso di deterioramento del pavimento è incerto, l'esigenza di bilancio sviluppata a livello di rete dovrebbe trattare questo tasso di deterioramento come incerto. L'incertezza di modellazione richiede l'uso di tecniche di ricerca operative probabilistiche [4].
Il deterioramento delle prestazioni della pavimentazione non è prevedibile proprio perché il traffico, le azioni ambientali, le caratteristiche dei materiali e le variabili geometriche della pavimentazione sono incerti. Pertanto, la previsione della degradazione della pavimentazione dovrebbe essere effettuata basandosi su di un quadro probabilistico [5]. Questa modellazione incerta richiede l'uso di tecniche probabilistiche per la definizione del proprio funzionamento. La più diffusa modellazione probabilistica sono le Catene Markov. I modelli di transizione Markoviana sono stati ampiamente impiegati per modellare l'infrastruttura prestazionale. Questo modello deve essere calcolato e calibrato su un database esistente.
2.4.1 Catene di Markov
Il processo di Markov è una discretizzazione stocastica indipendente dal tempo della descrizione dello sviluppo degli eventi. Essa è disciplinata da tre restrizioni:
1. il processo è discreto nel tempo;
2. il processo deve avere dei cambi di stato finiti;
3. P(Xn+1 = j | Xn = i, Xn-1 = in-1,...X0 = io) = P(Xn+1 = j |Xn = i) lo stato futuro del
processo dipende dal suo stato attuale ma non dagli stati passati. [6]
Viene ulteriormente chiamata catena di Markov omogenea (HMC), o stazionaria, se la parte destra della formula è indipendente da n cioè se la probabilità di andare da uno stato all'altro è indipendente dal momento in cui il passaggio è stato fatto. [7]
Un'altra considerazione importante riguardo le catene di Markov è l'ergodicità, cioè la condizione che esse convergano a medie probabilistiche:
Dove π è la distribuzione stazionaria e f : E → R è tale che
Per sviluppare le catene di Markov è necessario stabilire la Probability Transition Matrix (TPM) cioè la matrice di transizione probabilistica indicata con P, dove ogni suo elemento corrisponde alla probabilità di passare da uno stato all'altro. Le catene di Markov sono definite regolari se nessun elemento della TPM è nullo.
Figura 2-10 : Rappresentazione schematica delle Markov Chain e della Probability Transition Matrix
Possiamo determinare il deterioramento della pavimentazione con l’utilizzo delle catene di Markov come segue:
- il deterioramento della pavimentazione è continuo nel tempo. Per discretizzare le condizioni della rete nel tempo, vengono analizzati alcuni intervalli di tempo. Questi solitamente vengono definiti duty cycles (cicli di lavoro) e assumono una specifica durata costante.
- I possibili stati, cioè il numero di possibili risultati, è infinito. Tuttavia, in realtà, i cambi di stato sono definiti con un numero esatto per il particolare caso in esame.
- Nel deterioramento della pavimentazione si presume che la Markov property sia verificata [8].
Lo stato iniziale di qualsiasi processo può essere descritto da un vettore di partenza a0 =
( α1, α2...αn ). Utilizzando l'analogia del deterioramento della pavimentazione, il vettore
di partenza indica la condizione corrente della rete definita come la probabilità di trovarsi nelle varie condizioni di stato. Il vettore di partenza dovrebbe soddisfare le seguenti condizioni:
- la somma di tutti αi deve essere uguale a uno;
- tutti gli αi devono essere non-negativi.
Per modellare il deterioramento della pavimentazione con il tempo è necessario stabilire una matrice di probabilità di transizione (TPM).
La forma generale di P è data da:
Questa matrice contiene tutte le informazioni necessarie per modellare il processo tra i vari passaggi di stato. La probabilità di transizione, pij, indica la probabilità che una
parte della rete nella condizione i passi alla condizione j in un duty cycle. Un duty cycle nel deterioramento della pavimentazione si riferisce ad un determinato intervallo temporale di traffico e degrado ambientale.
Simile al vettore di partenza, ogni TPM deve soddisfare le seguenti condizioni: - la somma di tutti gli elementi di ogni riga deve essere uguale a uno o zero; - tutti gli elementi devono essere non-negativi.
Nella notazione della matrice, la distribuzione di probabilità degli stati del processo in un tempo specifico, per esempio t = 1, è pertanto data da:
a1 = a0P1
Analogamente, la distribuzione di probabilità degli stati del processo in qualsiasi momento t può essere calcolata per:
at= a0 Pt
Il deterioramento può quindi essere modellato usando l'equazione precedente, dove: - at = distribuzione della condizione al tempo t;
- a0 = distribuzione della condizione al tempo 0, cioè il vettore di partenza;
- Pt = P
1 ∙P2∙P3...∙Pn-1, cioè il prodotto di tutte le matrici TPM precedenti al duty
cycle n (processo non-stazionario).
La definizione del pij nella TPM è stata effettuata utilizzando metodi diversi.
L'approccio standard è quello di osservare dai dati storici il modo in cui una rete si deteriora nel tempo e lo si usa per stimare pij come segue:
Dove:
- Nij è il numero di tratti della rete passanti dalla condizione i alla condizione j
durante un duty cycle in esame;
- Ni è il numero totale di tratti che in corrispondenza del duty cycle in esame si
trovano nella condizione i.
Le proporzioni variano da anno in anno, richiedendo pertanto una media di determinazione per ogni pij per garantire la precisione del modello. Nel caso in cui siano
disponibili una quantità insufficiente di dati storici affidabili, un gruppo di ingegneri esperti può essere utilizzato per stimare il pij usando il parere di esperti [9].
2.4.1.1 Caso stradale
In ambito stradale si possono usare catene di Markov stazionarie o non-stazionarie. Nel caso di catene stazionarie, si considera che la rete stradale peggiorerà sempre seguendo una singola matrice di probabilità di transizione. Se è probabile che il modello di deterioramento di una particolare rete stradale cambi in un dato momento, t, il processo
di deterioramento potrebbe essere modellato da una catena non stazionaria. Ciò implica l'uso di una diversa matrice di transizione prima e dopo t. In questo caso, il vettore delle condizioni al tempo t diventerà il vettore iniziale della seconda catena, che opererà con una matrice di transizione diversa.
Altre due condizioni devono essere soddisfatte per simulare il deterioramento della pavimentazione stradale. In primo luogo, pij = 0 per i > j, poiché le condizioni delle
strade non possono migliorare senza prima ricevere un trattamento. In secondo luogo, pnn = 1, poiché le strade che hanno raggiunto la loro peggiore condizione non possono
deteriorarsi ulteriormente (stato di assorbimento).
Di conseguenza la forma generale della matrice di transizione P è denotata da:
Un'ulteriore semplificazione, nella modellazione del deterioramento della pavimentazione, considera il fatto che il deterioramento possa avanzare solo di uno stato in un duty cycle. La TPM viene quindi indicata da:
Figura 2-11 : Rappresentazione schematica delle catene di Markov per la previsione delle prestazioni della pavimentazione in ambito stradale.
Per il caso stradale vengono generalmente considerati dei duty cycle di 1 anno mentre l’indice di stato è definito dalle condizioni della strada ed assume valori differenti in base alla normativa adottata.
Ad esempio per la Svizzera questo indice (I1) è ottenuto dalla combinazione ponderata
di diversi indici:
- I1 = degrado della superficie compresa la profondità di fresatura;
- I2 = planarità longitudinale;
- I3 = planarità trasversale;
- I4 = ruvidità;
- I5 = capacità portante.
Per ogni stato l'ampliamento (A) e la durezza (S) vengono valutate e combinate in una matrice M. Calcolo dato da:
dove Gi sono i coefficienti di ponderazione per ogni tipo di stato, è possibile inserire il
valore così ottenuto nel grafico seguente e stabilire il valore di I1 per ogni sezione. Si
può assumere valore da 0 subito dopo la costruzione e 5 per la pavimentazione distrutta secondo SN 640 925b [10].
Figura 2-12 : Trasformazione della somma Mi Gi della degradazione superficiale nel valore
2.4.2 Modelli di degrado del ballast
I modelli di degrado del ballast hanno la funzione di fornire una legge in grado di prevedere la degradazione del ballast in funzione del tempo e dei carichi applicati. Come già ampiamente discusso, il ballast ha la funzione di assorbire tutti i carichi provenienti dalla sovrastruttura ferroviaria e ridistribuirli agli strati sottostanti. La distribuzione dei carichi, essendo uno strato non legato, avviene per contatto fra gli aggregati lapidei e per il relativo incastro dei grani. Le particelle si trovano a stretto contatto tra di loro ed il carico applica delle forze di compressione direttamente alla particelle superiori, le quali le trasmettono alle particelle sottostanti con una distribuzione laterale dovuta esclusivamente alla compressione diretta.
Il ripetersi di queste sollecitazioni provoca dei fenomeni di fatica nei materiali con il relativo accumulo di deformazioni. [10]
Conoscendo questi carichi possiamo definire la legge di degrado in funzione di un prefissato parametro geometrico. Nella maggior parte delle linee in Europa uno dei parametri più utilizzati è il livello longitudinale per la lunghezza d’onda corta (3-25 m), considerato un buon predittore per stabilire le azioni di tamponamento da apportare al ballast.
Il livello longitudinale è l’errore geometrico nel piano verticale misurato come differenza tra un punto sulla sommità della guida nel piano di marcia e la linea media ideale del profilo longitudinale (in mm). [11]
In passato, molti studi sperimentali hanno confermato una linearità del rapporto tra la deviazione standard del livello longitudinale e il tonnellaggio. Tonnellaggio definito come la somma di tutti i carichi dovuti ai treni che hanno transitato in una determinata sezione di tracciato, di solito quantificato in Million Gross Tons (MGT). Per un preciso controllo dell’evoluzione del degrado, la lunghezza del tratto da considerarsi per applicare la legge è di 200 m. [12]
Pertanto, l'evoluzione della deviazione standard del livello longitudinale per sezioni da 200 m possono essere stimate utilizzando la seguente relazione lineare:
σLD = c1 + co T
In cui:
- c1 è la deviazione standard iniziale misurata dopo operazioni di rinnovo o di
tamping (mm);
- c0 è il tasso di deterioramento (mm / 100 MGT);
- T è il tonnellaggio accumulato dal rinnovo o dalle operazioni di tamping (100 MGT).
Da cui la manutenzione (azioni di tamping) per una data sezione del tracciato può essere stimata invertendo il modello di degradazione sopra esposto:
Ttamping cycle = σlim−c1c 0
Dove σlim è uno specifico limite per la deviazione standard del livello longitudinale. Limite spesso definito grazie ai vincoli sugli indici di qualità. [13]
L’altro parametro che andremo ad analizzare è il livello trasversale.
A differenza del livello longitudinale, quello trasversale avrebbe un andamento esponenziale che però nel nostro caso è possibile confondere con quello lineare. Questa semplificazione è possibile perché la nostra linea è prevalentemente una linea con traffico passeggeri e non merci quindi non ho un traffico pesante e l’andamento tra esponenziale e lineare è pressoché identico. A seguito di queste considerazioni, l’andamento del livello trasversale segue la teoria alla base del livello longitudinale:
σLT = c2 + co T
In cui:
- σLT è la deviazione standard del livello trasversale (mm);
- c2 è la deviazione standard iniziale misurata dopo operazioni di rinnovo o di
tamping (mm);
- c0 è il tasso di deterioramento (mm / 100 MGT);
3. Manutenzione della sovrastruttura ferroviaria
3.1
La manutenzione ferroviaria
Con manutenzione ferroviaria si definisce l’insieme di interventi e attività atti a conservare le caratteristiche funzionali e strutturali delle infrastrutture per tutta la durata della vita utile. In base alle caratteristiche meccaniche dei materiali e alle modalità di posa in opera, la vita utile di un’infrastruttura ferroviaria può durare dai 70 ai 100 anni. La sovrastruttura ferroviaria dal momento in cui viene realizzata è sottoposta: ai cicli di carico e scarico generati dal passaggio dei veicoli con il sovraccarico dei passeggeri, alle azioni degli agenti atmosferici, alla forza centrifuga in curva, alle azioni invasive della vegetazione, ecc… Questi e molti altri fattori comportano un decadimento prestazionale della sovrastruttura attraverso l'usura delle singole componenti che devono essere sottoposte a cicli manutentivi e, una volta terminata la loro vita utile, sostituite. Se tale manutenzione non viene effettuata nei tempi e nelle modalità previste si ottiene una riduzione della qualità del binario con decadimento del livello di servizio e, in casi estremi, si arriva al deragliamento. Per questo motivo negli ultimi anni si sono intensificate sempre più le operazioni di monitoraggio della geometria del binario con continui studi e approfondimenti.
Esistono quindi numerose operazioni di manutenzione che, ripetute nei momenti più opportuni, riescono a far si che il binario, a meno di eventi eccezionali, sia sempre in ottime condizioni. La manutenzione può essere classificata sotto più punti di vista. Una prima distinzione può essere fatta tra:
- manutenzione ordinaria: costituita da tutti gli interventi atti a ripristinare il sistema riportandolo al suo stato di buon funzionamento, senza modificare o migliorare le funzioni svolte dal sistema, né aumentarne il valore, né migliorarne le prestazioni;
- manutenzione straordinaria: l’insieme delle operazioni effettuate in seguito a guasti improvvisi e non previsti, atti ad aumentare il valore del sistema o a prolungarne la vita utile.
Resta imprescindibile il concetto che, la comparsa del guasto causa generalmente un decadimento delle prestazioni che può esser tanto istantaneo e totale quanto parziale e dilazionato nel tempo, ogni difetto ha la sua storia e necessità di una propria
manutenzione per essere risanato. La presenza dei difetti sulle linee ferroviarie comporta dei costi aggiuntivi per il gestore, per questo la ricerca di procedure finalizzate al monitoraggio e alla manutenzione delle linee esistenti, che tengano conto del risparmio economico ai fini della gestione del sistema, assume un ruolo tutt’altro che secondario.
3.1.1 Manutenzione ordinaria
È una tipologia d'intervento sistematica nel tempo che varia la sua cadenza a seconda degli elementi su cui si deve intervenire.
Questa manutenzione periodica permette di evitare il nascere di alcuni difetti e garantisce una vita media dell'infrastruttura maggiore. Di seguito verranno trattati i difetti comunemente risolti con la manutenzione ordinaria.
3.1.1.1 Livellamento
Con livellamento si intende l'insieme di azioni atte a ristabilire il corretto livello longitudinale e trasversale del binario.
Per ripristinare questo fattore occorre essere a conoscenza della posizione altimetrica, tanto longitudinale quanto trasversale, a cui deve essere riportato il binario.
Se ci troviamo in rettifilo, il livellamento longitudinale di un qualsiasi punto intermedio situato tra due punti sicuramente in posizione corretta risulta un'operazione di topografia elementare facilmente eseguibile. È sufficiente spostare in alto il punto da livellare fino a che non si trova sulla linea di collimazione tra un cannocchiale ed una biffa posizionati nei due estremi già livellati.
Il livellamento è eseguito tramite macchine livellatrici: una fune metallica tesa lungo la macchina su di una base di determinata lunghezza materializza l'allineamento tra due punti. Il cavo è sostenuto ai due estremi da sostegni il cui livello è determinato da palpatori poggiati sulla rotaia. Nel punto da livellare un altro palpatore regge una banderuola che, toccando la fune metallica, ferma il meccanismo di forza che solleva il binario nel punto intermedio.
Si ha un possibile errore di livellamento realizzato nel punto intermedio se esiste già un errore in uno dei due punti estremi della base. È opportuno, quindi, scegliere con cura e
precisione la lunghezza della base e della posizione lungo di essa del punto intermedio da livellare.
Generalmente si hanno basi di una decina di metri. Lunghezze maggiori implicano si una riduzione dell'errore sopra esposto ma esalterebbero un altro errore capace di divenire presto intollerabile, per il cosiddetto effetto cono, in presenza di una differenza pendenza, come avviene nelle curve, tra l'una e l'altra rotaia.
Utilizzando questa metodologia di misura si genera un altro tipo di errore: la freccia lungo la corda adoperato per l'allineamento. Per compensare questo problema deve essere fissata con cura l'altezza della banderuola, sul suo palpatore, rispetto a quella analoga dei due estremi. Le macchine livellatrici più moderne sono dotate di raggio infrarosso che viene intercettato dalla banderuola.
Per il livellamento trasversale si usano, montandoli sulla stessa macchina, dispositivi a pendolo che possono anch'essi asservire il meccanismo di forza.
Esistono, anche, le livellatrici a base prolungata che, attraverso sistemi articolati, permettono il livellamento su basi più lunghe e quindi affetto da minori errori, compensando l'errore dovuto all'effetto cono.
Alla base di tutte queste macchine il principio risulta essere lo stesso: si procede spostando la macchina e considerando man mano come punto sicuro quello su cui si è appena finito di effettuare il livellamento.
3.1.1.2 Sghembo
Le rotaie si trovano in una configurazione di due rette sghembe nel momento in cui il binario non si trova più su di un piano o almeno su di una superficie troncoconica. In questo caso si parla di sghembo come variazione lungo l’asse del binario della pendenza trasversale e si calcola con:
y=
(
H1− H2L)
[%o]cioè la differenza del livello trasversale rapportata su una base di misurazione definita (L).
La configurazione a rette sghembe del binario è voluta quando esso non si trova né in rettifilo, né in curva circolare: in questo caso lo sghembo di costruzione è una
caratteristica geometrica del binario. Negli altri casi è scaturito da un’alterazione del progetto e quindi si parla di difetto del binario.
Il difetto di sghembo è una delle principali cause di svio. Questo perché, considerando un semplice carrello, i punti d’appoggio non saranno più quattro ma addirittura 3 o 2 causando delle variazioni della distribuzione dei carichi e, in casi estremi, anche eventuale ribaltamento del veicolo.
3.1.1.3 Allineamento
Con allineamento si definisce la posizione planimetrica del binario. Il ragionamento è analogo a quello visto per il livellamento: disponendo di tre punti in posizione sicura lungo una circonferenza, ovvero di due punti lungo una circonferenza di cui sia stabilito il raggio, risulterebbe facile allineare sulla circonferenza un qualsiasi altro punto intermedio.
Si hanno così macchine allineatrici funzionanti su due o tre punti.
Queste macchine sono accessoriate con funi metalliche o raggi luminosi per materializzare i tre punti di binario sui quali vengono posizionati dei palpatoti. Nel punto intermedio da allineare si dispone un meccanismo di forza che entra in azione su comando e si ferma automaticamente quando viene raggiunta la freccia voluta.
3.1.1.4 Rincalzatura
La rincalzatura è una delle attività basi eseguite affinché il binario riesca a garantire le caratteristiche di portanza volute. Grazie a questa lavorazione, il binario viene riportato nella sua posizione geometrica corretta disponendo il pietrisco in maniera da reagire elasticamente alle sollecitazioni trasmesse dal passaggio dei treni.
È proprio il transito dei convogli che con il tempo porta alla compattazione del pietrisco sotto le traverse riducendone il volume fin tanto che le traverse non risultano più portanti. Sotto le traverse si creano dei nuclei rigidi che devono essere distrutti e sostituiti da nuovi inerti capaci di reagire in maniera elastica.
Inizialmente le operazioni venivano effettuate a mano, a mezzo di picconi e successivamente il pietrisco veniva spinto sotto le traverse attraverso una rincalzatura per compressione.
Le prime apparecchiature che nacquero per questo scopo erano dotate di attrezzi simili a martelli pneumatici tali da esercitare una forza d’urto necessaria per l’abbattimento degli ammassi. Tale forza era limitata per evitare di frantumare il pietrisco in pezzature non più idonee.
Le moderne esigenze di eseguire un lavoro sempre più complesso ma in tempi di interruzione sempre minori e il bisogno di elevati standard qualitativi, hanno dato vita a macchine rincalzatrici con:
- brevi tempi di approntamento e smontaggio; - valori di correzione e precisione millimetrica;
- elevata velocità di trasferimento con marcia autonoma; - guida automatica computerizzata dei sistemi di rilevamento. Queste, e tante altre necessità, hanno portato alla creazione inizialmente di macchine rincalzatrici per vibrazione: una batta in rapida oscillazione pone in movimento il pietrisco nelle vicinanze delle traverse, il quale andrà a riempire i vuoti.
Si arriva successivamente alle vere e proprie macchine rincalzatrici fondate secondo il sistema di rincalzatura per vibro-compressione. Una rincalzatura effettuata con coppie di batte che, agendo ai lati della traversa, effettua un movimento di stringimento ed un’azione di vibrazione. Seguendo questo principio sono stati prodotti dei veri e propri gruppi rincalzatori formati da più utensili riuniti in coppie contrapposte che consentono la lavorazione di una o due traverse contemporaneamente. La lavorazione è divisa in: una prima fase in cui le batte vibrando vengono abbassate in modo da penetrare nella massicciata fino alla profondità desiderata e una seconda fase nella quale, una volta raggiunta la quota voluta, ha inizio il movimento di stringimento di una batta verso l’altra. Le due batte sono poste a distanza di 60 cm o di 80 cm in base alla tipologia di traversa a cui deve essere fatta la manutenzione.
Nelle prime macchine rincalzatrici le batte venivano infisse a gravità e finivano col dipendere dallo stato in cui si trovava la massicciata. In quelle successive, l’infissione è definita a proprio piacimento tramite un dispositivo automatico o idraulico.
Generalmente le macchine rincalzatrici lavorano con il metodo ciclico e, nella fase di trasferimento da una traversa a quella successiva, la macchina deve essere accelerata interamente.
Esistono anche le rincalzatrici che lavorano con il metodo continuo e ciò comporta i seguenti vantaggi rispetto alle macchine convenzionali:
- un rendimento maggiore fino al 40%;
- vantaggi per il personale in quanto viene meno l'accelerazione di macchina e la relativa frenatura;
- minori vibrazioni e rumorosità;
- minori costi energetici, in quanto non deve essere accelerata l'intera macchina per l'avanzamento da traversa a traversa ma solamente il satellite di rincalzatura;
- minore usura per la poca sollecitazione del telaio, degli organi di trazione di marcia e dei freni;
- la grande possibilità di integrare ulteriori processi di lavoro continuo sulla macchina come la profilatura del pietrisco e la stabilizzazione del binario.
Ora che sappiamo come viene effettuata la rincalzatura dobbiamo considerare i parametri che devono essere garantiti per ottenere un ottimo risultato. I fattori più importanti che influenzano la qualità della rincalzatura sono: la frequenza, l’ampiezza, la pressione di rincalzatura, i tempi di stringimento (0,8 – 1,2 s) e la velocità di stringimento dell’organo di rincalzatura stesso.
Se consideriamo delle frequenze di vibrazione di 35 Hz si determinano una forza di spinta ed un alzamento permanente della traversa, mentre a frequenze più elevate si sviluppa un abbassamento della traversa (causato dal comportamento elasto-plastico del pietrisco). A frequenze molto più basse il movimento del pietrame risulta più difficile. Per la ridistribuzione della struttura dei granuli è necessaria una determinata forza ed un certo tempo. Nella fase del movimento di stringimento e nella spinta della semi-onda sinusoidale viene trasmessa la vera e propria energia di compattazione.
La profondità stessa della rincalzatura risulta essere di fondamentale importanza per ottenere un’elevata qualità di compattazione del pietrisco. A profondità basse, le batte rincalzatrici battono contro le traverse, a profondità più grandi si avrà una compattazione scadente del piano di appoggio delle traverse. La massima qualità si ottiene con 15 mm di spazio libero tra bordo inferiore della traversa e bordo superiore della piastra del martello dell’aggregato di rincalzatura. Nei mezzi più moderni, la
