3.1 – La campagna misure

3.1 – La campagna misure

Prima di esporre dati e valutazioni relative alle misure di rugosità effettuate è bene contestualizzare la campagna misure, descriverne i protocolli, le norme di riferimento e lo strumento utilizzato. Le misure vere e proprie sono state precedute da alcuni incontri tecnici a Pontassieve (FI) e San Rossore (PI) organizzati appositamente per una fase preliminare di training, apprendimento e conoscenza della strumentazione a disposizione: il CAT (Corrugation Analysis Trolley)

3.1.1 – Il contesto delle misure

La campagna misure oggetto di questo lavoro di tesi nasce all’interno della convenzione tra Regione Toscana e Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale della Toscana (ARPAT) per la “realizzazione di uno studio di approfondimento del piano di risanamento di RFI (Rete

Ferroviaria Italiana) con particolare riferimento a possibili interventi alternativi alle barriere”.

Lo studio concordato prevede una valutazione approfondita del “corrugamento in alcuni siti

rappresentativi scelti in collaborazione con RFI in prospettiva dell’utilizzo del modello previsto dalla commissione europea a seguito della direttiva 49/2002/CE”.

Sia per venire incontro ad alcune criticità relative al rumore ferroviario in aree particolarmente urbanizzate, sia per ovvi motivi di sicurezza e di gestione del servizio ferroviario, i siti e i tempi nei quali effettuare la valutazione del corrugamento (rugosità) delle rotaie interessate, sono stati concordati e scelti insieme a RFI, che ha provveduto a mettere a disposizione personale in affiancamento ai tecnici dell’Agenzia.

Le indagini fin qui svolte, anche in considerazione delle difficoltà nell’individuazione di periodi di misura e siti idonei, non può che configurarsi come preliminare e propedeutica ad ulteriori sessioni e approfondimenti ad oggi ancora in corso di definizione. In particolare potrà essere valutata la rugosità della rotaia in altri siti di particolare interesse per la mitigazione acustica e che saranno eventualmente oggetto discussione in prossimi accordi tra ARPAT e la Direzione di RFI. Le misure sono state effettuate nell’area urbana fiorentina (Rovezzano, Romito e San Salvi), a Cascina (PI) e a Pontedera (PI), precedute da alcuni incontri preparatori e di training a Pontassieve (FI) e allo scalo merci di Campaldo (PI)

3.1.2 – La norma di riferimento: UNI EN ISO 3095:2013

Si tratta della versione ufficiale in lingua inglese della norma europea EN ISO 3095 (edizione agosto 2013); si specificano i metodi di misurazione e le condizioni per ottenere livelli e spettri di emissione acustica verso l’esterno riproducibili e comparabili per tutti i tipi di veicoli che operano su rotaia o altri tipi di binario fisso.

Nella norma sono specificati i termini e le definizioni dei parametri che si intendono misurare al passaggio di un treno, il posizionamento degli strumenti di rilevazione acustica, le condizioni del tracciato e dell’ambiente circostante, le condizioni atmosferiche e le caratteristiche di velocità dei convogli.

Per quello che riguarda il corrugamento, la sezione che ci interessa da vicino è l’Appendice A (“Specifiche per la misurazione della rugosità della rotaia”). La prima specifica riguarda la running band, ovvero lo spessore della testa della rotaia effettivamente interessato al contatto ruota-rotaia e che in genere varia da 10 a 60 mm. La misura della rugosità deve avvenire lungo una linea longitudinale all’interno di questo spessore, nelle seguenti modalità:

 se la running band ≤ 10 mm: una linea di misura

 se 10 mm < running band ≤ 20 mm: tre linee di misura equidistanti 5 mm  se running band > 20 mm: tre linee di misura equidistanti 10 mm

Fig. 1 – Esempio di chiara individuazione della “running band”

La seconda specifica relativa al corrugamento, prevede che questo debba essere misurato in sezioni di riferimento lunghe almeno 100 m (su 1 o 3 linee di ciascuna rotaia a seconda della larghezza della running band), utilizzando uno strumento in grado di rilevare lunghezze d’onda e ampiezze (in dB) corrispondenti alla gamma di frequenza indicate dalla norma stessa:

a) bande di terzi di ottava nella gamma di lunghezze d’onda da 0,008 a 0,500 m; b) gamma di ampiezze da -20 a +30 dB.

Per arrivare al calcolo del livello di corrugamento (adimensionale) espresso in decibel, il parametro più significativo da estrapolare dai dati di misura è ARMS, assimilabile alla definizione

di rugosità media quadratica e definito come:

dx

y

L

A

=

∫

1

avendo indicato con:

 L la lunghezza del tratto di misura

 y la coordinata del profilo rilevato lungo la lunghezza di misura

Il segnale relativo al profilo, qui indicato di fatto come un valore efficace, deve essere poi convertito dal dominio delle lunghezze al dominio delle lunghezze d’onda, mediante la trasformata di Fourier e quindi avremo un ARMS per ogni banda di terzi di ottava; infine si

devono trasformare i valori efficaci della rugosità nei livelli di rugosità, mediante la nota relazione:













=

10

log

20

)

(

A

A

dB

rugosità

avendo indicato con A0 il valore di riferimento di 1µm.

La EN ISO 3095:2013 prevede uno spettro limite con il quale confrontare i dati per una immediata valutazione dello stato di corrugamento del tratto indagato. Gli spettri rilevati, affinché il tratto di binario indagato sia considerato “a norma”, deve rimanere sotto allo spettro limite.

Fig. 2 – Spettro di riferimento per i livelli “acustici” di corrugamento della rotaia

3.1.3 – Lo strumento CAT  (Corrugation Analysis Trolley)

Il CAT  è uno strumento portatile per il rilievo delle irregolarità longitudinali della superficie di rotolamento della rotaia, che si può muovere facilmente lungo il binario. L’asta che permette allo strumento di appoggiare sull’altra rotaia è regolabile in lunghezza (per adattarsi a scartamenti diversi) e realizzata in materiale elettricamente isolante, per non creare guasti nella rete del segnalamento; lo strumento funziona a batterie. Dopo la fase di settaggio, utile per regolare la posizione del sensore in funzione della running band (ovvero lo spessore della testa della rotaia effettivamente interessato al contatto ruota-rotaia, che in genere varia da 10 a 60 mm) è sufficiente spingere lo strumento con passo costante fino al raggiungimento della progressiva chilometrica desiderata. Una volta preso un riferimento di inizio corsa, è possibile effettuare misure sia all’andata, che al ritorno, risparmiando camminate a vuoto.

Fig. 3 – Il CAT  (Corrugation Analysis Trolley) in opera

Tab. 1 – Dati tecnici dello strumento CAT 

Sopra lo strumento è presente un PC portatile con installato il software di elaborazione, che è in grado di ricevere il segnale di misura da un accelerometro e (mediante doppia integrazione) di fornire immediatamente sia i dati relativi al profilo del binario sia una serie di indicatori statistici, qualificando oggettivamente la situazione delle irregolarità sull’intera tratta misurata. Il funzionamento del CAT  è del tutto analogo ad un rugosimetro, ma, le quote (ovvero lo scostamento del profilo tecnico dalla linea media) sono rilevate ogni millimetro.

Fig. 4 – PC collegato al CAT  mediante cavo USB

Una volta rilevato il profilo è possibile analizzare i dati “in diretta” o confrontarli con altri spettri (tipicamente diverse linee di misura sulla stessa rotaia o due rotaie dello stesso binario); è possibile anche analizzare tratte inferiore a 100 m e applicare dei filtri, il più comune dei quali è il filtro-ruota: il corrugosimetro, tramite il suo palpatore, riesce ad entrare in cavità molto piccole, che al contrario una ruota ferroviaria in transito non riesce a “sentire”, poiché l’area di contatto è maggiore. Per questo motivo, ai fini acustici, il filtro-ruota elimina le lunghezze d’onda inferiori alle grandezze caratteristiche dell’impronta della ruota sulla rotaia.

In figura 6 è riportato un esempio di come appare il software a bordo strumento: sono presenti tutte le informazioni necessarie della misura (binario, rotaia, data, operatore, posizione del sensore) e il report della misura (profilo, valori efficaci in funzione delle lunghezze d’onda caratteristiche e lo spettro risultante). La presenza dello spettro limite fornisce un rapido confronto e (in questo caso) un giudizio positivo: la rotaia appare in ottimo stato in funzione del rumore di rotolamento emettibile col passare di un treno.

Fig. 5 – Esempio di report dei dati di misura per la rotaia sinistra (sensore a 38 mm) del binario dispari della linea direttissima FI-RM a Rovezzano (FI)

3.1.4 – La fase di training: Pontassieve (FI) e San Rossore (PI)

Prima delle misure “ufficiali” si è reso necessario imparare a conoscere lo strumento, testarlo ed elaborare un protocollo di misura che riprendesse le specifiche delle norme di riferimento. Il primo contatto con il CAT  è avvenuto presso la stazione ferroviaria di Pontassieve (FI), dove, grazie alla consulenza dell’ing. Andrea Bracciali, del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Firenze, è stato possibile, su un binario tronco di servizio, vedere in opera lo strumento. I risultati della misura hanno confermato lo stato di forte corrugamento alle basse lunghezze d’onda, tipiche di una rotaia arrugginita dal tempo.

Figg. 6 – Alcune immagini della fase di training a Pontassieve (FI)

Successivamente, presso lo scalo merci di Campaldo, in prossimità della stazione di Pisa San Rossore, è stato possibile fare pratica, allenandosi all’utilizzo dello stesso nei tratti di binario normalmente utilizzati dai carri merci, in previsione dell’utilizzo lungo normali ferrovie trafficate. È emersa subito la necessità di un protocollo di misura ben preciso, soprattutto perché, durante le successive indagini “ufficiali”, essendo impossibile fermare la circolazione dei treni, ci si sarebbe dovuti confrontare con tempi tecnici molto stretti. Un altro elemento fondamentale emerso fin da Pontassieve è stato quello delle protezioni da adottare durante le fasi di misura: non solo scarpe antinfortunistica e casacche ad alta visibilità, ma si è sempre resa necessaria la presenza di un addetto RFI, collegato costantemente al sistema di gestione del traffico, per dare il “via libera” o meno all’occupazione del binario per le misure. Anche qui i dati raccolti sono stati poco significativi, considerato lo scopo puramente addestrativo. Infine sono emerse alcune regole di buon senso da adottare con attenzione:

 avere sempre batterie sempre cariche per la strumentazione  non effettuare misure al passaggio di convogli in prossimità

 non contaminare la superficie della rotaia da misurare salendoci sopra

Figg. 7 – Alcune immagini della fase di training presso lo scalo merci di Campaldo (PI) Gli elementi più significativi adottati nel protocollo misure sono stati:

 la descrizione del sito indagato: tipo di linea, tipo di traffico, numero dei binari, coordinate GPS, progressiva chilometrica ferroviaria, fotografie del sito e dei riferimento  la rilevazione della velocità media di transito dei treni

 l’individuazione della sezione di 100 m da misurare che non preveda rotaie giuntate, curve, scambi o sezionamenti

 il tracciamento di riferimenti con pennarelli bianchi ad acqua per inizio e fine corsa  il rilevamento della running band e scelta del numero di misure per rotaia

 il settaggio dello strumento fuori dal binario e l’inizio della misura appena possibile, valutando che durante la corsa non si verificassero transiti di treni su binari adiacenti  l’accurato salvataggio dei dati, catalogando con precisione i file sorgente in base al sito,

al binario, alla rotaia e alla linea di misura

 il controllo visivo costante di eventuali treni in avvicinamento, anche su altri binari e l’accortezza di segnalare al macchinista in arrivo la presenza col braccio alzato