2.3 – Generalità sul rumore ferroviario
Ormai remoti i tempi delle locomotive a vapore, la quasi totalità dei convogli ferroviari europei viaggia a trazione elettrica, se si escludono piccolissime percentuali di linee secondarie esercitate con trazione di tipo diesel-elettrica. Nonostante il rumore ferroviario interessi un numero inferiore di persone rispetto al rumore generato dal traffico stradale, risulta comunque importante l’analisi dell’emissione sonora dei convogli ferroviari, specialmente nelle zone fortemente antropizzate. Questo lavoro di tesi è focalizzato sul rumore di rotolamento, dovuto alle vibrazione strutturali del complesso meccanismo del contatto dinamico ruota-rotaia.
2.3.1 – Le sorgenti del rumore ferroviario
Una indagine promossa nel 2010 dall’Unione Europea ha messo in luce come 12 milioni di persone, siano sottoposte a livelli di rumore considerati “disturbanti” per via dell’esercizio ferroviario. Ciò si traduce nel fatto che un numero significativo di cittadini europei che vive o lavora nei pressi di un’infrastruttura ferroviaria è esposta a livelli di rumore superiori a 55 dB(A) diurni o 50 dB(A) notturni. Se poi aggiungiamo che tale indagine ha riguardato solo centri abitati superiori ai 250.000 abitanti e in cui abbiamo un traffico ferroviario sostenuto (oltre 60.000 treni l’anno), il quadro che emerge è piuttosto preoccupante. Il rumore, quindi, diviene uno dei principali ostacoli per un ulteriore sviluppo del servizio su rotaia, visto da coloro che si ritroverebbero nei pressi delle nuove infrastrutture come “fastidioso” e quindi trascurato a favore di altri modi di trasporto.
L’Unione Europea, dal canto suo, ritiene che lo sviluppo delle linee ferroviarie interstatali sia una risorsa fondamentale attraverso la quale migliorare lo spostamento di merci in territorio europeo e quindi l’integrazione economica fra gli Stati membri. Per questo motivo essa sta tentando di promuovere una serie di iniziative e di progetti pilota attraverso i quali ridurre sensibilmente le emissioni rumorose e ridare così nuovo slancio allo sviluppo della rete ferroviaria europea. Vi è dunque una sempre maggiore consapevolezza dell’impatto del rumore ferroviario sulla salute pubblica, che ha portato gli abitanti lungo le linee, ma anche istituzioni pubbliche e sanitarie a chiedere una maggiore attenzione alle emissioni sonore. Gli ultimi anni hanno visto lo sviluppo di nuove tecniche e il raffinarsi di strategie esistenti per la gestione del rumore ferroviario. Per questo motivo è importante analizzare quali siano le fonti di emissione, capire quante e quali possano essere limitate e studiare il rapporto costi/benefici, visto che se da un lato si migliora la qualità della vita, dall’altro le imprese ferroviarie sono costrette a costi
aggiuntivi; costi che comunque possono essere calibrati in maniera ottimale andando a valutare razionalmente ogni singola sorgente.
Il rumore ferroviario è un fenomeno acustico intrinsecamente legato al passaggio (o al movimento) di un convoglio sul binario, che però dipende da molteplici fattori, i più importanti dei quali sono:
il tipo di convoglio (merci, passeggeri, …)
il tipo di armamento (tranviario, ferroviario, CAP, …) la velocità di transito
la presenza di curve a piccolo raggio la presenza di scambi/incroci
lo stato delle ruote lo stato della rotaia
il tipo di trazione (elettrica, Diesel, …) il tipo di impianto frenante
le condizioni dell’impianto frenante
la presenza di stazioni di smistamento merci
Fig. 14 – Principali sorgenti del rumore ferroviario
Alcuni risultati relativi all’impatto acustico dei treni in transito sono abbastanza noti e ormai acquisiti dalla letteratura in materia: ad alte velocità, per esempio, diventa molto significativo il rumore aerodinamico, che cresce con la sesta potenza della velocità e il rumore dello strisciamento del pantografo sulla linea elettrica aerea; alle basse velocità, soprattutto durante le fermate in stazione, è preponderante il rumore di trazione e quello emesso dai sistemi di raffreddamento ad aria dei locomotori e dai sistemi di condizionamento delle carrozze. Relativamente al tipo di trazione, il rumore dei locomotori risulta notevolmente elevato nel caso di trazione con motori Diesel (vibrazioni dei pistoni, movimento degli ingranaggi e dei ventilatori e l’iniezione del carburante), mentre è assai più contenuto per i convogli a trazione elettrica, che rappresentano oggi ormai la quasi totalità dei convogli in circolazione sulle linee europee. L’entità del rumore di frenatura dipende dal tipo di dispositivo adottato e dalle condizioni di manutenzione, considerando che la maggior parte dei carri merci, sono ancora oggi dotati di freni a ceppi in ghisa.
Più difficile risulta la valutazione del contributo di ogni sorgente coinvolta; la sfida è proprio quella dell’isolamento delle singole cause di rumore emesso, in modo da poter pianificare interventi mirati dopo un’attenta analisi costi/benefici. Di seguito si propone un elenco completo delle principali sorgenti legate all’emissione acustica in ambito ferroviario, legate al tipo di rumore da analizzare e limitare:
Causa
Tipo di rumore
- vibrazioni motori/azionamenti
→
rumore di trazione (engine noise)- attrito dell’aria
→
rumore aerodinamico (aerodinamic noise) - corrugamento ruota/rotaia→
rumore di rotolamento (rolling noise) - curve di piccolo raggio→
stridio in curva (curve squeal noise)- presenza di deviatoi
→
stridio negli scambi (switches squeal noise) - effetto slip-stick dei freni→
rumore di frenatura (braking noise)- turbolenza dei ventilatori
→
rumore delle ventole (fan noise) - discontinuità della rotaia→
rumore d’impatto (impact noise)- stazioni di smistamento merci
→
rumore degli scali merci (freight marshalling yards)Tab. 10 – Sorgenti del rumore ferroviario e tipi di rumore
Il sistema fisico di nostro interesse è dunque costituito dall’insieme del convoglio in transito e della sovrastruttura ferroviaria, che può essere, per l’analisi acustica, distinta in due tipologie: rotaie con massicciata e traversine oppure un supporto continuo. Quest’ultimo caso non sarà oggetto di questo lavoro, in quanto comporta un rumore molto elevato, difficilmente eliminabile e inoltre legato principalmente alle infrastrutture di tipo tranviario, la cui rumorosità ha caratteristiche diverse dal tipico rumore ferroviario e che, tra l’altro, non interessano un numero di persone così alto come quello dei treni.
Il rumore che tipicamente disturba i cittadini non è quello generato nelle stazioni ferroviarie (movimentazioni, partenze, motrici) ma quello dovuto al passaggio dei convogli: il passaggio di un treno presenta un andamento del livello sonoro dipendente principalmente dalla velocità del treno stesso e dalla sua lunghezza; in particolare cambia notevolmente a seconda che il treno sia passeggeri o merci (proprio a causa delle strutture dei carrelli ferroviari).
Le sorgenti di rumore ferroviario più significative vengono generalmente distinte in tre gruppi a seconda della velocità di percorrenza alla quale diventano preponderanti:
rumore di trazione (engine noise) v < 60 km/h
rumore di rotolamento (rolling noise) 60 km/h < v < 280 km/h rumore aerodinamico (aerodinamic noise) v > 280 km/h
Fig. 15 – Livelli di rumore ferroviario in funzione della velocità del treno
Dopo aver dunque elencato tutte le possibili sorgenti di emissione acustica in ambito ferroviario, l’analisi proseguirà considerando lo studio del rumore emesso da un treno in marcia su percorso rettilineo (o con grande raggio di curvatura) ad una velocità medio-alta, in modo da focalizzare l’attenzione sul rumore di rotolamento e di conseguenza sullo stato di corrugamento della rotaia, che è l’oggetto di questo lavoro di tesi.
2.3.2 – Corrugamento e rumore di rotolamento
Lo studio emerso all’interno della rete telematica CALM (CALMing’ influence –
European noise pollution network) ha mostrato che il rumore di rotolamento (rolling noise)
riguarda un larga banda di frequenze sonore; in particolare, elaborando lo spettro in bande di terzi d’ottava, si è visto che l’emissione acustica assume valori significativi tra i 250 e i 4.000 Hz, intervallo in cui l’orecchio umano è particolarmente sensibile all’inquinamento acustico; in particolare le frequenze dominanti di tutte le componenti del sistema che concorrono alla generazione del rumore di rotolamento hanno valori di risonanza diversi tra loro:
traverse: 250 Hz < fr < 400 Hz
rotaie: 600 Hz < fr < 1000 Hz
ruote 1500 < fr < 4000 Hz
Altri risultati ormai noti in letteratura sono:
il contatto ruota-rotaia dipende dal peso assiale e dalle dimensioni delle ruote il rumore di rotolamento è presente sia sui locomotori sia sul materiale rimorchiato l’intensità dei livelli di pressione sonora da rotolamento è legata alla velocità e allo
stato di usura dei binari e delle ruote
generalmente la variazione del livello sonoro è funzione della velocità
l’angolo di emissione sonora risulta essenzialmente confinato nei 30 gradi sopra e sotto il piano del binario, fuori da questo cono il rumore prodotto dal passaggio del convoglio è in genere trascurabile.
Partendo dall’assunto che “ruote lisce su rotaie lisce producono meno rumore”, risulta tuttavia molto complicato stabilire una correlazione certa tra il corrugamento del sistema ruota-rotaia e il rumore percepito.
Fin dai primi anni ’70 si sono sviluppate attività di ricerca che portassero, da una parte allo sviluppo di modelli teorici in grado di descrivere vibrazioni ed emissione acustica di ruota e rotaia, dall’altra ad attività sperimentali di misura attraverso le quali raccogliere dati per poter validare i modelli stessi. L’analisi dettagliata di questi modelli non può essere oggetto di questo lavoro e accenneremo solo al modello lineare TWINS, oltre ad elencare, nel prossimo paragrafo, i più importanti progetti europei sul rumore ferroviario e le relative conclusioni.
Fig. 16 – Schema della generazione del rumore di rotolamento
Il rumore di rotolamento è originato da una vibrazione, che provoca variazioni locali della pressione che determinano la propagazione del rumore. Questa vibrazione è di tipo strutturale ed è dovuta al fatto che quando la ruota passa sulla rotaia, non incontra sempre la stessa rigidezza, ossia la forza di interazione varia spazialmente. Questa alterazione è dovuta essenzialmente al corrugamento iniziale della rotaia, che ha un profilo verticale non perfettamente costante, con oscillazioni di ampiezza dell’ordine del micron.
Il corrugamento della rotaia, considerata la ruota idealmente “liscia”, produce frequenze di vibrazione in accordo con la relazione:
rugosità treno vibrazione
v
f
λ
=
in Hz (31)Le lunghezze d’onda inferiori a 2-3 mm non sono significative ai fini dell’emissione sonora da rotolamento; l’impronta della ruota sulla rotaia, solitamente di forma ellittica, ha dimensioni caratteristiche 7-20 mm ed è tale da agire come un filtro “passa-alto”.
Il corrugamento iniziale è a banda larga, ma con il continuo passaggio dei treni, parti di materiale ferroso si depositano in punti ben precisi della rotaia, correlati ai modi propri di vibrare del sistema, determinando un corrugamento con frequenze tipiche delle frequenze di risonanza dei singoli componenti.
Un primo modello teorico del comportamento dinamico di ruota e rotaia alle alte frequenze è dovuto a Remington; essendo un modello completamente lineare, è stato possibile svilupparlo nel dominio delle frequenze. Esso si basa sul semplice concetto che le irregolarità caratteristiche delle superfici di rotolamento di ruota e rotaia siano la causa delle vibrazione, si propagano all’interno delle strutture e, di conseguenza, emettono rumore.
Il modello proposto da Remington è stato ulteriormente ripreso e sviluppato da Thompson; ricerche successive sostenute dall’ERRI (European Rail Research Institute) hanno portato all’implementazione del modello in un programma al calcolatore denominato TWINS (Track Wheel Interaction Noise Software). Esperimenti di validazione su larga scala hanno mostrato l’affidabilità del modello. In figura 17 ne viene riportato lo schema semplificato di TWINS, mentre in figura 18 ne è illustrato uno schema più raffinato.
Fig. 17 – Modello TWINS semplificato
Le basi del modello TWINS sono gli studi di Remington e Thompson per i quali si può assumere una sostanziale relazione lineare tra l’incremento dei livelli del corrugamento e l’incremento dei livelli di rumore, per mezzo di alcuni indicatori semplificati. I dati raccolti in questi studi alla fine degli anni Novanta hanno permesso di validare le ipotesi di linearità e hanno portato ad una sommaria valutazione dei due contributi separati (ruota e rotaia) al rumore emesso: la rotaia “risuona” meglio alle frequenze comprese tra 100 e 1000 Hz, mentre tra 1000 e 5000 Hz è la ruota ad avere più influenza sul rumore di rotolamento emesso. Il risultato di questi studi è stata anche la redazione della norma EN ISO 3095, rispetto alla quale è stato valutato lo stato “acustico” di corrugamento dei binari in questo lavoro di tesi.
Fig. 18 – Diagramma flow-chart del modello TWINS
2.3.3 – Mitigazione del rumore ferroviario: lo stato dell’arte
Una premessa doverosa sull’argomento: la mitigazione del rumore ferroviario è materia assai più complessa di quanto non possa apparire da un’analisi superficiale. Esistono diversi approcci al problema e diverse soluzioni. Una distinzione iniziale va fatta tra:
sistemi di mitigazione
provvedimenti per la mitigazione
Nel primo gruppo rientrano tutti quei sistemi prodotti da diverse aziende in Europa, che vengono fisicamente installati sul materiale rotabile, sull’infrastruttura ferroviaria o sui recettori. Si pone quindi l’accento sul carattere fisico di tali sistemi che intervengono direttamente alla fonte del rumore.
Nel secondo gruppo comprendiamo tutti quei provvedimenti che in sede europea si sono adottati (o si ha intenzione di adottare nell’immediato futuro) in modo da promuovere politiche anti-rumore nei diversi Stati o nelle singole compagnie ferroviarie con lo scopo di premiare quelle virtuose in tal senso ed escludere dal mercato le altre, sfruttando la politica “liberista” che l’Unione Europea ha adottato nell’ultimo ventennio in fatto di gestione del servizio ferroviario.
In entrambi gli indirizzi l’Unione ha promosso progetti pilota in diversi Stati con lo scopo di verificarne la bontà per poi estenderli all’intero territorio comunitario.
Si è già accennato in precedenza che le norme europee disciplinano i tipi di interventi adottabili in caso di riduzione del rumore, rispettando un ordine di priorità: prima di tutto intervenire sulla sorgente, poi eventualmente sulla linea di propagazione del suono ed, in ultima analisi, sul recettore.
In seguito verranno analizzate le principali misure di mitigazione alla sorgente frutto di progetti di ricerca internazionali e già impiegate in alcuni contesti europei, separando gli interventi sulla ruota (giuridicamente a carico della società collegata al materiale rotabile) e gli interventi sulla rotaia (giuridicamente a carico della società collegata all’infrastruttura).
2.3.4 – Gli interventi di risanamento acustico sulla ruota
Riguardo alle ruote del convoglio, sono diversi gli interventi finalizzati all’abbattimento del rumore alla sorgente analizzati da alcuni progetti promossi dall’UE, progetti che verranno elencati brevemente nei prossimi paragrafi.
Gli studi in essere vertono essenzialmente su tre tipologie di interventi:
la riprofilatura delle ruote
la sostituzione dei ceppi dei freni (retrofitting) l’utilizzo di ruote a bassa emissione acustica
2.3.4.1 – La riprofilatura delle ruote
Intuendo l’importanza che la rugosità superficiale della ruota ha nella propagazione del rumore, un modo di intervenire consiste nella riprofilatura della ruota. Si tratta di un’operazione di manutenzione ordinaria che mira ad eliminare le imperfezioni che si creano inevitabilmente sulle ruote dei mezzi per via della naturale usura o dell’azione dei freni, ristabilendo una condizione di relativa levigatezza che riduce sensibilmente la componente rumorosa generata. Va comunque osservato come si tratti di un intervento parziale, in quanto la vera sorgente del rumore è rappresentata dall’interazione fra ruota e rotaia, per cui l’intervento appena descritto diventa pressoché inutile se non viene seguito da una molatura acustica della rotaia (e viceversa la sola molatura acustica della rotaia risulta inutile nel caso di ruote fortemente rugose).
Fig. 19 – Effetti della riprofilatura della ruota, prima e dopo l’intervento
Si è inoltre verificato come il tipo di freni adoperato influisca notevolmente sullo sviluppo della rugosità: freni a ceppi di ghisa sono da questo punto di vista sconsigliati, in quanto comporterebbero una riduzione dell’intervallo di tempo fra due manutenzioni consecutive. Infine, se riprofilare una ruota rappresenta da un lato un intervento relativamente efficacie (riduzioni fino a 4 dB(A)), è comunque un intervento di carattere ordinario e non rappresenta di certo una soluzione economica. Si parla anche di 3.000 euro a ruota, o comunque di macchinari per l’intervento del costo di 350.000 euro.
2.3.4.2 – Retrofit del sistema frenante
Sempre a proposito delle ruote, un altro possibile intervento consiste nella sostituzione (o aggiornamento) del tipo di freni (retrofitting). Molti studi di settore hanno individuato nei freni a ceppi di ghisa una delle fonti principali di rumore nell’ambito della circolazione ferroviaria (soprattutto nella fase di frenatura); loro semplice sostituzione comporta diminuzioni di emissioni nell’ordine dei 10 dB(A), in linea col risultato di abbattimento ottenuto con l’interposizione di una barriera acustica. Il principio dei freni ferroviari a ceppi di ghisa è quello di un elemento che direttamente preme sulla ruota determinandone così la decelerazione. A questo va aggiunto il calore che si viene a sviluppare nel corso del processo, che comunque nel caso della ghisa, viene dissipato per buona parte dal freno stesso.
Fig. 20 – Effetti dell’azione dei freni sulla ruota. A sinistra l’effetto di un freno a ceppi di ghisa. A destra l’effetto di un freno di materiale composito
Il problema principale consiste nel fatto che il freno a ceppi di ghisa rappresenta ancora lo standard per tutto il materiale rotabile europeo circolante (nel 2006 si stimava che circa il 97% del parco ferroviario continentale adottasse questo tipo di tecnologia) e risulta difficile sostituirlo improvvisamente, anche perché all’effetto più negativo dell’usura delle ruote (e quindi del rumore) si affiancano diversi vantaggi: oltre alla già citata capacità di disperdere buona parte del calore (attorno al 30%) generato in frenatura, possiamo citare la sostanziale indipendenza del comportamento frenante rispetto alle condizioni atmosferiche, oppure la grande adesione che le suole dei freni riescono ad avere con la superficie della ruota.
Ad ogni modo la sostituzione dei freni a ceppi di ghisa con freni a ceppi di materiale composito rappresenta uno dei punti cruciali (in abbinamento con altri sistemi di controllo del rumore) attraverso cui abbattere le emissioni sonore nell’immediato futuro.
Attualmente ci si sta orientando verso di due tipi di suole in materiale composito: le suole K e le suole LL. Le suole K assicurano una maggiore riduzione del rumore rispetto alle suole LL, ma richiedono adattamenti del sistema frenante, mentre le suole LL possono essere montate sostanzialmente senza modifiche. Gli studi di economicità condotti dimostrano che il retro-fitting dei carri merci con suole in materiale composito offre il miglior rapporto costi/benefici. Combinando inoltre le suole in materiale composito con altri provvedimenti di riduzione del rumore è possibile incrementare l’intero rapporto costi/benefici.
2.3.4.2.1 – Freni in materiale composito di tipo K
Tra le alternative ai freni in ceppi di ghisa, ci sono i freni in materiale composito di tipo K, che comportano buoni risultati in termini di minori emissioni (10 dB(A) in meno). Lo sviluppo di questa tecnologia è stata spesso rallentata dall’aumento di distanza necessaria per la frenatura (specie nei climi più freddi) e per il fatto che, non essendo in grado di dissipare parte del calore accumulato in fase di frenatura, aumentano i carichi termici stressanti per tutta la ruota. Inoltre, la loro installazione richiede una revisione completa dell’impianto frenante con costi consistenti specie se pensiamo che l’intervento deve essere esteso a diverse ruote per convoglio. D’altro canto si è rivelata una soluzione vincente in termini di efficacia del bloccaggio delle ruote e nel fatto di poter essere facilmente affiancato al sistema di frenatura classico, riducendo così il totale delle ruote da sostituire. Nel corso del tempo tale tecnologia si è evoluta e i freni compositi di tipo K attuali sono più economici dei vecchi freni di ghisa e rispondono meglio che in passato alle condizioni atmosferiche più rigide.
Per questi motivi i freni K sono promossi dall’Unione Europea come uno dei principali interventi da attuare nell’immediato futuro per ridurre le emissioni. Tale riduzione si può considerare significativa se il numero di freni in ghisa per treno si abbasserà al di sotto del 35%. Dal canto loro i gestori dei servizi ferroviari tendono ad essere scettici su tale soluzione, visto che sarebbero costretti a modificare sensibilmente gli impianti frenanti dei propri mezzi.
2.3.4.2.2 – Freni in materiale composito di tipo LL
In alternativa alle suole di tipo K, si attendono gli sviluppi dei progetti legati ai freni a ceppi in materiale composito di tipo LL, che rappresentano la nuova soluzione in ambito di sistemi frenanti e cercano di ovviare ai problemi dei vecchi freni a ceppi di ghisa di cui abbiamo parlato precedentemente. Sono la soluzione cui diversi produttori stanno guardando per risolvere il problema delle emissioni con uno sforzo economico limitato. Dal canto loro si comportano esattamente come un freno a ceppo di ghisa, ma sostituiscono tale materiale con un materiale composito acquisendone tutti i vantaggi in termini di minor rumorosità. I primi test hanno permesso di valutarne anche il comportamento in termini di sforzo frenante, verificando come le performance siano molto simili a quelle dei freni classici e dei freni a K. I primi test svolti in Svizzera alcuni anni fa hanno evidenziato una carenza nel comportamento dei freni nelle pendenze alpine, tuttavia, le caratteristiche simili a quelle del tipo K e soprattutto il fatto di potersi installare durante una classica sostituzione periodica dei freni (si tratta semplicemente di cambiare il materiale d’attrito anziché l’intero sistema frenante) lo rendono particolarmente appetibile per i gestori del materiale rotabile.
Fig. 21 – Carro merci riattrezzato con suole di tipo K
2.3.4.3 – Ruote silenziate
Un’altra soluzione, relativamente recente, per ridurre l’emissione sonora dei veicoli è quella di utilizzare direttamente ruote silenziose, utilizzando varie tecnologie:
Ruote silenziate con materiale viscoelastico
Ruote silenziate con assorbitori in acciaio e materiale polimerico Ruote silenziate con anello assorbente
Ruote silenziate con assorbitori di vibrazioni.
2.3.4.3.1 – Ruote con materiale viscoelastico
La soluzione consiste nell’applicazione di un pannello metallico sul mozzo della ruota stessa, mediante l’uso di un apposito adesivo viscoelastico. L’applicazione ha lo scopo di realizzare una sorta di primo isolamento per ogni emissione proveniente dalla ruota stessa. Il sistema ha presentato diversi vantaggi per la facile applicazione e per la durata dell’intervento, che, vista la buona resistenza agli agenti chimici e fisici esterni, corrisponde alla durata della vita della ruota stessa. Inoltre ha un impatto limitato sul complesso del carrello, dato che altera di poco il suo peso e le sue caratteristiche fisiche o di resistenza. Il sistema è adottabile solo per ruote con freni a disco, ma sono in fase di studio dei sistemi per renderlo compatibile con ruote frenate da ceppi di ghisa.
Fig. 22 – Ruote con applicazione del rivestimento viscoelastico (Lucchini, sistema SYOPE)
2.3.4.3.2 – Ruote con assorbitori in acciaio e polimeri
Si tratta anch’essa di una soluzione innovativa che prevede l’installazione su ciascuna ruota di un anello elastico cui vengono collegate delle appendici di materiale composito metallico-polimerico con lo scopo di fungere da primo isolante nella propagazione del rumore, specie per alcune frequenze specifiche. Il sistema si è rivelato particolarmente efficace nel ridurre lo squeal noise, ovvero lo stridio in curva, con abbattimenti di 13 dB(A).
Il sistema è concepito per ruote con freni a ceppi, di convogli urbani e non, che possiedono la caratteristica di surriscaldare la ruota in fase di rallentamento. L’anello elastico ha, infatti, la duplice caratteristica di adattarsi al meglio alle eventuali modifiche di forma della ruota, nonché di isolare le appendici metalliche.
Fig. 23 – Ruote con assorbitori in acciaio e polimeri (Lucchini, sistema GALENE)
2.3.4.3.3 – Ruote con anello assorbente
Si tratta di dispositivi che vengono applicati sul mozzo della ruota e abbattono le emissioni intervenendo, come nei casi visti precedentemente, sulla natura vibratoria della ruota stessa. Si rivelano spesso efficaci negli interventi volti ad abbattere lo squeal noise. Esistono dispositivi, a tal proposito, costituiti da diversi elementi metallici che vengono sovrapposti a sandwich con l’interposizione di materiale elastico. In questo caso la vibrazione della ruota viene trasformata in forza d’attrito fra i diversi elementi del dispositivo e quindi dissipata.
Si sono rivelati particolarmente efficaci nel caso di freni a ceppi (vedi il trasporto merci), in quanto sono particolarmente adattabili al cambiamento di forma e di temperatura della ruota. La principale limitazione di tali soluzioni risiede nella difficile installazione di alcuni modelli. Infatti, se da un lato alcuni di questi possono essere collocati e rimossi dalla ruota abbastanza facilmente (sono inseriti in appositi incastri che devono preventivamente essere eseguiti sulla ruota stessa), altri richiedono procedure più complicate che ne possono far lievitare il prezzo.
Fig. 24 – Ruote con anelli smorzanti (Lucchini, sistema HYPNO)
2.3.4.3.4 – Ruote con assorbitori di vibrazioni
Si tratta di appositi assorbitori di vibrazioni che vengono collegati alla parte più esterna della ruota. Come nei casi precedenti, e come nel caso dei binari che vedremo successivamente, tali dispositivi sono in grado di dissipare le vibrazioni che darebbero origine al rumore. Se installati in numero adeguato su un sufficiente numero di ruote, consentono discrete riduzioni.
Fig. 25 - Assorbitori di vibrazioni installati su una ruota (Schrey & Veit GmbH)
2.3.4.4 – Lubrificazione della flangia
Tale intervento può essere riferito sia alla ruota che alla rotaia e cerca di porre rimedio alle imperfezioni di questi due elementi interponendo una sostanza lubrificante nell’interfaccia di contatto fra i due elementi. Nel caso della ruota, si tratta di inserire a bordo di ciascun veicolo un erogatore della sostanza, che viene spruzzata sul binario prima del passaggio del convoglio, allo stesso modo con cui la sabbia viene spruzzata per aumentare l’attrito del mezzo. Nel caso della rotaia si tratta di appositi ugelli che vengono inseriti in un foro ricavato nella rotaia. Essi sono collegati a centraline, nelle quali si trova il serbatoio del liquido, che deve essere periodicamente riempito durante la manutenzione ordinaria. Ovviamente il sistema diventa efficiente se dotato anche di un sistema di rilevazione del convoglio in transito, che attiverà l’erogazione. La possibilità di estendere il sistema a soli brevi tratti della linea lo ha reso appetibile per risolvere situazioni puntuali. Il sistema a rotaia (così come quello a ruota) si sono rivelati abbastanza efficienti, specie se localizzati nei tratti ritenuti “critici”, come curve strette o luoghi particolarmente sensibili. Data l’impossibilità di porre barriere anti-rumore e di evitare curve strette questo sistema è particolarmente efficiente nei centri urbani e nella circolazione urbana dei tram.
Fig. 26 - Schema circuitale di lubrificazione della ruota (REBS)
Fig. 27 - Lubrificazione della flangia (Willy Vogel)
Fig. 28 - Lubrificazione della flangia (Kealson HPF)
2.3.5 – Gli interventi di risanamento acustico sulla rotaia
Gli interventi di risanamento acustico sul binario mirano a completare (o sarebbe meglio dire “a complementare”) gli interventi svolti sulle ruote. Con “interventi sui binari” possiamo comprendere una serie di soluzioni che possono comprendere anche interventi sull’intero complesso della sovrastruttura ferroviaria, ma ci limiteremo ad elencare quelli localizzati alla sola rotaia:
la molatura acustica
smorzatori di vibrazione della rotaia rotaie annegate in materiale smorzante lubrificazione localizzata
nuovo profilo di rotaia
2.3.5.1 – Molatura acustica della rotaia
I danni da vibrazioni generati sulla superficie della rotaia da fenomeni come marezzatura e corrugamento, oltre che incrementare i livelli di rumorosità, hanno un effetto notevole sui costi di manutenzione del binario e riducono la qualità di marcia e il comfort di viaggio. Per prevenire il danneggiamento dell’armamento è buona prassi molare le superfici di rotolamento di rotaie fortemente marezzate (la cosiddetta molatura manutentiva).
La molatura per motivi acustici è invece un trattamento più raffinato, la cui componente decisiva consiste, dopo il ripristino di un profilo corretto della rotaia o anche su profilo ancora buono, in un trattamento della superficie di rotolamento in direzione longitudinale.
La molatura acustica della rotaia rappresenta l’altra faccia della riprofilatura delle ruote e di fatto è poco utile in presenza di ruote altamente rugose. Durante la molatura acustica una piccola parte di materiale è asportato dalla superficie della rotaia ripristinando le condizioni di levigatezza della superficie stessa e abbassando quelle componenti di rugosità che intervengono significativamente nelle emissioni sonore. Tale opera di manutenzione offre non solo vantaggi in termini di minori emissioni rumorose, ma si rivela efficace nel regolare le vibrazioni del veicolo e della sovrastruttura, preservandone l’integrità e la resistenza strutturale; interventi di questo tipo sono dunque importanti anche per la sicurezza della circolazione.
L’efficacia della molatura acustica aumenta se il suo contributo al rumore complessivo è superiore a quello derivante dalla ruota: tanto più basso è il livello di corrugamento delle ruote tanto maggiore sarà l’efficacia della molatura del binario; l’intervento di molatura è cioè sempre maggiormente efficace se affiancato a soluzioni di mitigazione alla ruota. Allo stesso modo la riduzione del rumore impiegando ruote con freni a disco o con suole di tipo K (o LL) è efficace se il livello di rugosità della rotaia è mantenuto basso. È questo, come si vedrà in seguito, lo scopo finale di questo lavoro di tesi, ovvero analizzare lo stato di corrugamento della rotaia per poter implementare i dati in un panorama più ampio di studio acustico del rumore ferroviario.
Fig. 29 - Treno molatore Speno RR48M6
Fig. 30 - Treno molatore High Speed HSG Grinding RC01
L’operazione di molatura è di norma implementata dai gestori per motivi di sicurezza e integrità strutturale dell’infrastruttura e tipicamente è effettuata ad intervalli che vanno da un minimo di sei mesi ad un massimo di quindici anni in funzione del volume di traffico sulla linea e lo stato del binario. L’efficacia media dell’intervento è tale da abbattere dai 7 ai 10 dB(A), mentre il costo medio è di 4 euro a metro lineare di rotaia.
Fig. 31 - L’apparecchio portatile CAT per l’analisi del corrugamento
2.3.5.2 – Smorzatori alla rotaia.
L’obiettivo primario degli smorzatori è quello di abbattere le vibrazioni della rotaia generate al passaggio del convoglio. In tal senso diverse aziende hanno proposto negli ultimi anni una serie di soluzioni (dai costi e dall’efficacia variabili) con cui accessoriare la rotaia per assorbirne le vibrazioni. Alcune di questi dispositivi sono costituiti da sistemi in gomma e acciaio che si montano su entrambi i lati dalla sagoma delle due rotaie a intervalli regolari oppure tra una traversina e l’altra; altri si limitano ad avvolgerne la parte più vicina alla suola.
La soluzione più spesso adottata consiste nel posizionare ai lati del gambo della rotaia, lungo il tratto interessato all’abbattimento del rumore, delle strisce di materiale resiliente, in genere composto da un polimero, adeguatamente sostenuto da un telaio in materiale metallico; questi elementi vengono montati o attraverso l’uso di colle, oppure attraverso sistemi di applicazione meccanici che consentono la riutilizzabilità del sistema. La decisione circa il tratto da trattare e la tecnologia da impiegare è fondamentale per le successive operazioni di manutenzione: un sistema incollato è un tutt’uno con la rotaia e non deve essere risistemato durante le operazioni di riposizionamento dei binari; al contrario, le soluzioni che impiegano sistemi meccanici (normalmente si tratta di clip ad U che passano sotto le suole) devono essere ricollocate al termine delle operazioni.
Fig. 32 - Esempio di smorzatore alla rotaia (CORUS)
Altro tipo di soluzione di relativo semplice impiego può consistere nell’uso di appositi ammortizzatori (dampers) che vengono applicati in specifici punti delle tratte ritenute sensibili. Questi dispositivi consistono in una serie di elementi metallici fra loro collegati come in un sandwich, fra i quali viene posto del materiale smorzante. Essi sono montati su piccole piattaforme che vengono fatte scivolare sotto la suola della rotaia in modo che il dispositivo principale (il sandwich che abbiamo descritto) vada ad appoggiarsi sul gambo del binario. Una volta che il binario viene messo in vibrazione dal passaggio dei convogli, il dispositivo vibra anch’esso e a sua volta dissipa parte della vibrazione responsabile del rumore.
Fig. 33 - Esempio di applicazione e fissaggio dei dampers (VOSSLOH RAIL SYSTEM)
La riduzione ottenibile con il solo intervento di installazione degli smorzatori alla rotaia è di qualche decibel (da 5 a 7 dB(A) in caso di smorzatori accordati applicati alla rotaia e ruote silenziate). Il costo è intorno ai 500 euro per metro lineare di rotaia, ma dipende molto dal tipo di dampers.
Fig. 34 - Studio dell’effetto silenziante dei dampers (CORUS)
2.3.5.3 – Rotaie annegate
Altro intervento, molto più invasivo, consiste nella totale “immersione” della rotaia nel materiale resiliente; in questo caso è proprio questo elemento che assorbe le vibrazioni. Questo provvedimento diviene comunque di difficile attuazione su elementi già realizzati, mentre diventa una soluzione abbordabile se la linea deve ancora essere realizzata. Per ovviare a questo inconveniente si sono pensate delle procedure alternative consistenti nella modifica della sezione della rotaia spezzandola in più punti e riunendola con materiale smorzante interposto. L’ efficacia è da 1 a 7 dB(A) a seconda della soluzione scelta, mentre il costo varia da 100 a 800 euro per metro di rotaia.
Fig. 35 - Rotaia UIC 60 immersa in materiale smorzante contenuto in un profilo in acciaio
Fig. 36 - Materiale smorzante inserito all’interno del profilo UIC60
2.3.5.4 – Lubrificazione localizzata
Analogalmente a quanto già detto per la ruota ferroviaria, la lubrificazione della rotaia migliora le condizioni di attrito e incrementa la vita utile della stessa. Gli interventi di questo tipo mirano a risolvere criticità puntuali come curve (squeal noise) o punti particolarmente sensibili.
I sistemi esistenti sono costituiti da wiper ovvero congegni che servono a rilasciare il sistema pompante del grasso con alimentazione elettrica autonoma.
Fig. 37 - Sistema di lubrificazione P.A.L. / Lincoln
Figg. 38 - Sistema di lubrificazione della rotaia ZEFIRO
I wiper sono solitamente montati sul bordo interno della rotaia che disegna la parabola più esterna, all’ingresso in curva di entrambe i binari. Le ruote del treno al loro passaggio trasportano e spalmano il lubrificante lungo la rotaia attenuando così l’attrito e il rumore.
In curva la forza centrifuga spinge i vagoni verso la rotaia esterna, inoltre la differenza di percorso tra la rotaia interna ed esterna e la rigidità degli assali dei convogli provocano un considerevole aumento dell’attrito tra ruota e binari, il quale causa un’usura particolare delle rotaie ed influisce sensibilmente sulla rumorosità.
2.3.5.5 – Nuovi tipi di rotaia
Una soluzione “radicale” del problema è stata proposta recentemente. Sapendo che nella relativa snellezza della rotaia risiede parte dei meccanismi di emissione del rumore, si è pensato di passare a profili diversi e più tozzi da proporre per le nuove realizzazioni. Un esempio da questo punto di vista è il profilo VA71b.
Fig. 39 - Confronto tra i profili UIC60 e VA71b
2.3.6 – Cenni ai progetti europei sul rumore ferroviario
La gestione del rumore ambientale è divenuta, con l’avvento della direttiva europea 2002/49/CE, un’importante elemento di cui tener conto nella pianificazione urbana e i modelli numerici di calcolo sono diventati elementi essenziali per la rappresentazione dell’esposizione dei cittadini al rumore e per lo studio di interventi di mitigazione. I modelli a disposizione all’epoca dell’emanazione della direttiva erano basati su studi non aggiornati e spesso riflettevano la realtà del paese che li aveva sviluppati e mal si adattano alla descrizione dei mezzi circolanti negli altri Stati Membri. Per questo sono stati cofinanziati dalla Commissione Europea una serie di progetti atti a studiare nuovi e più aggiornati modelli di calcolo, che tenessero conto in maggior dettaglio delle singole sorgenti, della loro variabilità e dove la propagazione a distanza tenesse conto con maggior precisione degli effetti meteo. Inoltre, sono stati finanziati anche progetti che studiassero sia la sensazione di disturbo associata al rumore, che nuove soluzioni alla sorgente per l’abbattimento dei livelli di rumore. Oltre al già citato progetto TWINS, ricordiamo altri importanti progetti:
HARMONOISE (Harmonised Accurate and Reliable Methods for the EU Directive on the Assessment and Management Of Environmental Noise), iniziato nel 2002 e finalizzato a determinare criteri uniformi per caratterizzare le sorgenti di rumore, stabilendo come si possano associare dei valori attendibili alle diverse tipologie e flussi di traffico;
il progetto IMAGINE (Improved Methods for the Assessment of the Generic Impact of Noise in the Environment), utile per determinare metodi e gli strumenti per una corretta mappatura acustica, indicando i migliori modi per associare tra loro i dati relativi a livelli previsti e popolazione esposta;
infine il progetto STAIRRS (Strategies and Tools to Assess and Implement noise Reducing measures for Railway Systems), nato per la valutazione dell’efficacia di differenti programmi di mitigazione del rumore ferroviario, tenendo conto della combinazione di diverse soluzioni applicabili alla ruota, alla rotaia, sul percorso di propagazione del rumore o al ricettore.
Fig. 40 - Risultati di STAIRRS: costi e benefici delle differenti strategie per l’abbattimento del rumore
Tab. 11 - Riepilogo schematico dei progetti europei sull’abbattimento del rumore ferroviario
