Il binario ferroviario: costituzione, costruzione, manutenzione. Qualità geometrica del binario. Interazione veicolo-binario. Termica del binario.
Sistemi di distanziamento in linea ed interlocking in stazione.
La linea aerea di contatto: costituzione, costruzione, manutenzione. Interazione pantografo-catenaria.
Bono Focacci Lanni - La Sovrastruttura Ferroviaria
Esveld - Modern Railway Track
Lichtberger Track Compendium
Lopez Pita - Infraestructuras Ferroviarias
Marx - Arbeitsverfahren für die Instandhaltung des Oberbaus
Wang - High-Speed Turnouts
Zaayman - Mechanised Track Maintenance
Obiettivi Formativi
CA1: La capacità di applicare la propria conoscenza e la propria comprensione per identificare problemi e formulare soluzioni, nell’ambito dell’ingegneria meccanica, per impostare, progettare, realizzare e verificare, sistemi ed apparati anche di elevata complessità funzionale, tenendo conto di implicazioni relative agli aspetti ambientali, economici ed etici, il tutto attraverso l’uso di metodi consolidati.
CA2: La capacità di applicare la propria conoscenza e la propria comprensione per analizzare e ottimizzare apparati e sistemi meccanici, nonché di innovare i medesimi anche attraverso lo sviluppo ed il miglioramento dei metodi di progettazione, confrontandosi con continuità con la rapida evoluzione propria dell’ambito dell’ingegneria meccanica.
CA3: La capacità di scegliere e applicare appropriati metodi analitici e di modellazione, basati sull’analisi matematica e numerica, per poter simulare al meglio il comportamento di componenti e impianti al fine di predirne e migliorarne le prestazioni.
CA4: La capacità di realizzare progetti ingegneristici adeguati al loro livello di conoscenza e di comprensione, lavorando in collaborazione con ingegneri e non ingegneri. I progetti possono riguardare componenti, apparati e sistemi meccanici di vario genere e per le più ampie applicazioni.
CA9: La capacità di valutare criticamente dati e risultati e trarre conclusioni appropriate, consapevoli del grado di incertezza da cui potrebbero essere affette.
CA12: La capacità adeguata di comprensione delle fonti in lingua inglese.
CA15: La capacità di raggiungere una preparazione adeguata per poter accedere al terzo livello degli studi universitari (frequenza a master di secondo livello ed a scuole di dottorato), in modo da approfondire ulteriormente conoscenze e capacità nell’ambito della ricerca.
CC1: La conoscenza approfondita degli aspetti teorico-scientifici dell'ingegneria, sia in generale sia in modo approfondito relativamente a quelli dell'ingegneria meccanica, nella quale sono capaci di identificare, formulare e risolvere, anche in modo innovativo, problemi complessi o che richiedono un approccio interdisciplinare. La capacità di comprendere un contesto multidisciplinare in ambito ingegneristico e di operare in ottica problem solving.
CC5: La conoscenza dei materiali e dei loro comportamenti nelle varie condizioni di carico riscontrabili nella pratica progettuale. I metodi per la caratterizzazione del comportamento dei materiali.
CC7: La conoscenza dei principi di progettazione degli impianti produttivi e dei processi, delle infrastrutture logistiche di impianto per la movimentazione e lo stoccaggio dei materiali. La comprensione dei vantaggi e dei limiti delle scelte di processo e impiantistiche nei diversi contesti di applicazione.
CC8: La conoscenza del settore dei veicoli terrestri approfondendo gli aspetti strutturali delle varie tipologie di veicoli. La conoscenza delle macchine elettriche e dei relativi sistemi di alimentazione per trazione. La conoscenza degli aspetti strutturali e termo-fluidodinamici dei motori a combustione interna.
CC10: La conoscenza del settore dell’automazione e della controllistica. La conoscenza di sistemi meccatronici.
CC12: La conoscenza dei metodi per ideare, pianificare, progettare e gestire sistemi, processi e servizi complessi e/o innovativi.
Prerequisiti
Preferibilmente aver seguito il corso di "Costruzione di Veicoli Ferroviari" nel primo semestre
Metodi Didattici
Lezioni frontali
Modalità di verifica apprendimento
Esame orale
Programma del corso
Introduzione e finalità del corso. Riferimenti bibliografici. Sviluppo del sistema ferroviario nel tempo. Sistemi di catenaria. Sagome limite. Gallerie naturali (profonde) ed artificiali (in cut&cover). Costituzione generale del binario. Funzione di supporto del binario. Coordinate che descrivono la geometria del binario. Interfaccia ruota-rotaia. Scartamento del binario. Richiami sul moto di Klingel. Stabilità dinamica di marcia.
Usura al contatto ruota-rotaia. Incremento della conicità equivalente con la variazione di scartamento. Tensioni al contatto ruota-rotaia. Gauge spreading forces e scorrimenti al contatto ruota-rotaia (richiami). Meccanismi concorrenti di RCF ed usura. Curve ferroviarie. Effetti della curva sui veicoli. Accelerazione non compensata. Raccordi a clotoide. Integrale delle equazioni di Fresnel. (La lezione prosegue seguendo un seminario di ICRI-RCF sulla gestione dei profili rotaie).
Transizioni di curva. Contraccolpo o jerk. Differenti tipi di raccordi secondo EN 13803-1:2010. Curve e controcurve. Pendenze. Orario grafico. Circolazioni omotachica ed eterotachica. Carichi agenti sul binario. Carichi assiali. Carico per asse e carico per metro. Classificazione delle linee. Coefficienti di svio di Nadal e forze laterali sul binario di Prud’Homme (richiami). Cicli termici delle rotaie. Fenomeni di buckling derivanti dalle alte temperature. Cenni alla Fiche UIC 720 sulla lunga rotaia saldata. Allungamento alle estremità della LRS. Cenni all’incidente di Gricignano (luglio 2020). Giunti di dilatazione.
Influenza sulla qualità geometrica del binario dei carichi verticali e della velocità. Variazione delle sollecitazioni in funzione della curvatura della linea. Sfaccettature sulle ruote derivanti dal bloccaggio. Carichi. Definizione delle forze P1 e P2 secondo Jenkins. Rilevatori di ruote sfaccettate. Rugosità delle rotaie e crescita della rugosità nelle linee metropolitane. Progettazione statica del binario. Modello di Winkler della trave su suolo elastico. Coefficiente della fondazione. Soluzione dell’equazione differenziale. Lunghezza caratteristica del binario. Andamenti delle deflessioni delle rotaie e del momento flettente nelle rotaie. Effetto di sollevamento delle rotaie. Cenni ai casi con più carichi (carrelli). Effetto dei giunti delle rotaie. Modelli a doppia trave. Tensioni sulle rotaie. Amplificazione dinamica delle forze secondo Eisenmann. Slab track. Tensioni hertziane. Sezioni delle rotaie più comuni (60E1, 60E2, 50E5). Tensioni nelle traverse. Traverse monoblocco e biblocco. Ballast e relativo approvvigionamento. Modelli numerici del binario.
Progettazione dinamica del binario. Modellazione agli elementi finiti. Analisi dinamica della risposta alle sollecitazioni. Risposte in frequenza per forzante ed eccitazione di base. Influenza dello smorzamento e campi di velocità. Difettosità nel dominio spaziale e nel dominio delle frequenze. Origine delle eccitazioni del binario. Effetto della irregolarità ciclica del binario. Modellazione del binario con elementi discreti (forzanti, supporti) e continui (rotaie). Il modello di Kisilowski e la soluzione PDE. Soluzione dinamica su suolo elastico. Sovrapposizione delle funzioni di risposta del binario (inertanze). Velocità critica del treno in base alle irregolarità del tracciato. Velocità critica del binario per terreni soffici (“vibration boom”). Rigidezza di contatto (molla Herztiana). Filtri di contatto Hertziano. Modello numerico DPRS (cenni). Risposta della sala montata. Funzione di trasferimento fra la geometria del binario e l’accelerazione in boccola. Problemi della ricostruzione della geometria del binario a partire dalle accelerazioni in boccola (“ill-conditioning”). Esempio di antirisonanze (analisi modale sala ETR500). Modelli autoregressivi per la modellazione dinamica del binario alle alte frequenze (cenni).
Pesatura delle accelerazioni rilevate a fini di comfort e della valutazione della “ride quality”. Influenza delle vibrazioni sul corpo umano. Schema dinamico del corpo umano. Funzioni di pesatura per la stima degli effetti delle vibrazioni sul corpo umano secondo ISO 2631-1. Accelerazione pesata quale parametro di disturbo. Equazioni dei filtri ISO. Comfort del passeggero secondo Fiche UIC 513. Indice di Sperling Wz. Calcolo della risposta dinamica di un veicolo a cassa flessibile. La norma EN 12299:2009 sul comfort dei viaggiatori. Modellazione con codici multibody. Risposta dinamica del veicolo sulle transizioni verticali (es. ingresso su un ponte).
Stabilità del binario e forze longitudinali. Effetto della rigidezza trasversale del binario sulla nascita dell’ingobbamento (“buckling”). Descrizione degli articoli di Ciobanu (2017) pubblicati su Journal of Permanent Way Institution.
Descrizione degli articoli di Ciobanu (2017) pubblicati su Journal of Permanent Way Institution.
Descrizione degli articoli di Ciobanu (2017) pubblicati su Journal of Permanent Way Institution. Descrizione della presentazione CIFI ing. Treffiletti. Identificazione della temperatura neutra delle rotaie con il sistema VERSE della Pandrol.
Binario su ballast. Introduzione. Costituzione della sovrastruttura. Impiego dei geotessili. Criteri di approvvigionamento del ballast. Pezzatura del ballast. Criteri di pulizia del ballast. Rotaie: sezioni normalizzate. Giunti convenzionali (con dilatazione) ed incollati (senza dilatazione). “Coppioni” di supporto dei giunti convenzionali. Costituzione dei giunti isolanti incollati (IRJ) ed uso nei circuiti di binario (cenni). Traverse ferroviarie. Traverse in legno ed in calcestruzzo monoblocco e biblocco. Gestione dell’allargamento di scartamento. Descrizione di diversi tipi di traverse. Traverse in acciaio. Traverse Y. Altri tipi di traverse speciali (cenni). Illustrazione del catalogo di Margaritelli Ferroviaria.
Introduzione ai sistemi da attacco delle rotaie. Attacchi diretti ed attacchi indiretti. Attacco K e chiavardini CK1. Railpad. Baseplate. Chiavarde. Attacchi elastici Pandrol, Vossloh e Nabla. Filmati Pandrol di montaggio degli attacchi e-clip e Fastclip. Attacco DFF Vossloh. Incavigliatrice. Forze di bloccaggio. Railpads con bassa rigidezza. Ballast mats. Ripartizione dei carichi in funzione della rigidezza dei supporti. Rockdelta in lana di roccia. USP = under sleeper pads Pandrol. Norma EN 16730:2016 sugli USP. Attacchi superelastici (Cologne Egg, Pandrol Vanguard). Sistemi STRAIL di attraversamento dei passaggi a livello.
Binario senza ballast (slab track). Requisiti dello slab track. Supporto continuo delle rotaie e railpad relativi. Armamento Rheda. Armamento slab discontinuo (giapponese). Piastre con doppia resilienza. Attacchi diretti su ponti in acciaio. Attacco Pandrol Vanguard. Booted sleepers (sistema Sonneville). Slab track completamente isolato. Floating slab track (supporti discreti e stopper). Armamento Milano Massivo. Combinazioni possibili tipologia di binario / tipologia di attacchi. Comparazione dei costi binario su ballast/slab. Controllo delle vibrazioni. Groundborne noise e airborne noise. Influenza della rigidezza degli attacchi sulle vibrazioni. Controllo delle dilatazioni termiche. Prove di laboratorio sull’attacco Vanguard. Metodi di costruzione del binario top-down o bottom-up.
Transizioni binario su ballast / binario ballastless. Riassunto sulle principali tipologie di binario. Esempio di applicazione di tutti i tipi di binario: la Linea 1 della metropolitana di Napoli. Prove di vibrazione nelle gallerie. Attacco Milano Modificato. Booted sleepers su floating slab track. Fenomeni di corrugazione delle rotaie. Crescita della marezzatura nel tempo. Misura del rumore e delle vibrazioni e disturbi associati. Esempio di binario con booted sleepers su solettone: metro Copenhagen. Calcolo della insertion loss delle booted sleepers. Attacchi Vanguard: disegni, montaggio sulla Linea A della metropolitana di Roma.
Le rotaie ferroviarie. Processo di produzione delle rotaie, dall’altoforno ai controlli finali. Trasporto delle rotaie su carri ferroviari speciali. Carri siluro. Convertitori, degasaggio, siviere, paniera (tundish), stirrer, colata continua. Laminatoio. Placca di raffreddamento. Raddrizzatrice. Controlli ultrasonori ed a correnti indotte. Tolleranze geometriche di profilo e longitudinali. Caratteristiche meccaniche: carico di rottura, durezza, allungamento. Fracture toughness e relazione con la durezza.
Controllo di rettilineità delle rotaie. Spettro di lunghezze d’onda. Rilievo dell’ondulazione residua dopo raddrizzatura con tecniche avanzate. Proprietà metallurgiche e relazione della spaziatura interlamellare con le proprietà meccaniche. Rapporto durezza/carico di rottura. Trattamento termico delle rotaie (off-line head hardening). Durezza nella testa della rotaia. Metodo VoestAlpine. Marche acciaio non legate, indurite per alligazione, indurite per trattamento termico. Equazioni di acciaieria. Analisi della norma EN 13674-1:2017. Usura delle rotaie in servizio. Influenza della lubrificazione sull’usura a 45°. Modello di Archard ed influenza della durezza. La saldatura elettrica a scintillio delle rotaie. Zona termicamente alterata.
Trattamenti termici nella saldatura a scintillio. Saldatura alluminotermica. Bilancio energetico e di massa. Crogioli riutilizzabili e monouso. Preriscaldamento delle rotaie da saldare. Preparazione delle forme e del crogiolo. Pulizia finale del giunto con sbavatrice e rettifica. Profilo di durezza. Velocità di raffreddamento del giunto e strutture metallografiche risultanti. Controlli geometrici sulla rettilineità del giunto saldato.
Difetti delle rotaie. Fiche UIC 712. Descrizione e discussione dei principali tipi di difetti.
Scambi e incroci. Tipologia, descrizione generale. Nomenclatura. Manovra dei deviatoi con casse di manovra elettromeccaniche. Cassa FS P80. Casse intallonabili. Cassa di manovra in traversa. Unità di manovra, fermascambiatura e controllo. Cenni ai sistemi di manovra oleodinamici.
Tracciamento geometrico dei deviatoi. Tangente e raggio di curvatura. Differenze coppie ago-contrago fra armamento con rotaie 50E5 e 60 E1. Ago secante ed ago tangente. Lavorazioni meccaniche di aghi e contraghi. Deviatoi con cuore a punta mobile.
Dinamica dei veicoli su scambi e incroci. Serraglie. Deviatoi con rami curvi con raccordi a clotoide. Tipologie di deviatoi (semplici, doppi, intersezioni, etc.). Scambi inglese inside slip e outside slip (Baeseler).
Requisiti geometrici per scambi e incroci. Jerk convenzionale. Quote di protezione e quote di libero passaggio. Seminario ing. Megna su interazione veicolo-binario nei deviatoi.
Conclusione del corso.