L’analisi del rischio sulla linea AV
Roma-Napoli
G. Tomasini
RICERCA EUROPEA SUL VENTO TRASVERSALE
Normative e progetti
Normative internazionali su treni:
•
TSI: Technical Specification for interoperability – Cross wind
•
EN 14067-6 Railway applications — Aerodynamics
Metodologia per la caratterizzazione dei veicoli
ferroviari al vento trasversale
Progetti internazionali:
•
AOA: Aerodynamics in Open Air – WP2
Metodologia per la caratterizzazione delle linee
ferroviarie al vento trasversale
G. Tomasini
2
Progetto AOA – Work Package 2
Obiettivo atteso
Messa a punto di una metodologia robusta e di semplice applicazione
per l’analisi del rischio al vento trasversale
Obiettivi ‘raggiunti’
• Confronto tra differenti metodi di analisi del rischio sviluppati dai
partner con applicazione a sample comuni (pilot studies)
• Valutazione della robustezza e delle criticità associate a ciascun
metodo
• Identificazione di ‘punti ancora aperti’ che richiedono approfondimenti
in future ricerche
G. Tomasini
Progetto AOA – Work Package 2
4 metodologie sono state sviluppate e confrontate fra loro:
• AGM: AOA German Method •ITM: Italian Method
•GBM: Great Britain Method
• AFM: AOA French Method
Macro-schema comune
1.
2.
Database infrastruttura
Definizione delle caratteristiche della linea
Analisi meteo
Definizione della distribuzione del
vento trasversale lungo la linea
4.
G. Tomasini
3.
Calcolo delle CWC
Definizione del comportamento al vento
trasversale del veicolo ferroviario
Analisi del rischio
Definizione del rischio di ribaltamento del veicolo
ferroviario al vento trasversale
INDICE
Presentazione delle attività sviluppate
•
•
•
•
Introduzione al problema
Italian methodology per l’analisi del rischio
Risultati dell’applicazione alla linea RM-NP
Conclusioni
G. Tomasini
Introduzione al problema
Linea interoperabile
Una linea è dichiarata interoperabile se equipaggiata
con un sistema di protezione atto a garantire la
sicurezza di circolazione dei treni interoperabili.
Il mantenimento delle condizioni di sicurezza può avvenire:
con riduzione locale e temporanea di velocità in presenza di venti
superiori alle CWCs
installando protezioni nelle tratte di binario soggette a forti venti
G. Tomasini
Introduzione al problema
Obiettivo
Messa a punto di una metodologia di analisi delle linee
ferroviarie per la definizione del rischio di
‘superamento della CWC’ (incipiente ribaltamento)
ANALISI DEL RISCHIO DI RIBALTAMENTO AL VENTO
TRASVERSALE è legata a:
•Caratteristiche del veicolo ferroviario
•Caratteristiche infrastrutturali della linea
•Distribuzione del vento sulla linea
•Interazione treno-vento
G. Tomasini
Variabili deterministiche
Variabili stocastiche
Italian methodology
1. Database infrastruttura
Definizione delle caratteristiche della linea
2. Analisi meteo
Definizione della
distribuzione del vento
trasversale lungo la
linea
3. Calcolo delle CWC
Definizione del
comportamento al vento
trasversale del veicolo
ferroviario
4. Analisi del rischio
Definizione del rischio di
ribaltamento del veicolo
ferroviario al vento trasversale
G. Tomasini
Italian methodology
3. Calcolo delle CWC
L’interazione vento-treno è un processo random
Le CWC sono definite con una metodologia stocastica: la storia
temporale dei carichi aerodinamici è ricostruita riproducendo
correttamente le caratteristiche fisiche del fenomeno
5
2.5
x 10
1.5
1
M
overturning
[Nm]
2
0.5
Metodo stocastico
Metodo TSI
0
10
G. Tomasini
12
14
16
18
20
time [s]
22
24
TSI
PoliMi
26
28
30
Italian methodology
3. Calcolo delle CWC
Metodologia stocastica numerico-sperimentale
CWC media e banda di
incertezza (Umedia 3 sCWC)
2. Definizione del
vento turbolento
1. Test galleria
del vento
5. CWC
[m/s]
50
0
150
400
100
200
50
[s]
CFy
180
0
0
[m]
160
T
U [m/s]
30
20
140
10
0
0
20
40
60
[s]
80
100
120
100
g
3. Funzione di
ammettenza
U [m/s]
120
80
60
40
Forze aerodinamiche F(t,x,y,z)
20
0
20
40
60
[deg]
4. Modello multi body
della dinamica del
veicolo
G. Tomasini
80
100
Italian methodology
3. Calcolo delle CWC: effetto infrastruttura
Le CWC dipendono, per effetto dei coefficienti aerodinamici, da:
Tipologia di infrastruttura (viadotto, rilevato, ecc.)
Caratteristiche geometriche del treno
Misura dei coefficienti
aerodinamici con tutti gli
scenari presenti sulla linea
ESTREMAMENTE COSTOSO
G. Tomasini
Italian methodology
3. Calcolo delle CWC: effetto infrastruttura
calcolo delle CWC con i coefficienti aerodinamici misurati su flat
ground
FLAT GROUND
Mroll
Uupstream
misura/calcolo della velocità del vento in corrispondenza della
posizione del treno (2m sopra il binario)
RILEVATO/TRINCEA
VIADOTTO
UH treno
Mroll
G. Tomasini
Usopravento
2m
2m
Usopravento
UH treno
Mroll
Coefficiente
di overspeed
Italian methodology
3. Calcolo delle CWC: effetto infrastruttura
IPOTESI DI BASE (verificata sperimentalmente):
I coefficienti aerodinamici valutati con gli scenari viadotto/rilevato/trincea
sono EQUIVALENTI a quelli misurati su flat ground sotto le ipotesi che:
1.
come velocità di riferimento, per il calcolo dei coefficienti, sia utilizzata la
velocità misurata all’altezza del treno (sopra lo scenario)
2.
Siano considerati piccoli angoli di incidenza del vento (range di
interesse per i veicoli ad alta velocità)
L’effetto dello scenario NON è considerato nei coefficienti
aerodinamici (e quindi nelle CWC) ma nel calcolo della velocità del
vento
G. Tomasini
Italian methodology
3. Calcolo delle CWC: treno
Le CWC dipendono, per effetto dei coefficienti aerodinamici, da:
Tipologia di infrastruttura (viadotto, rilevato, ecc.)
Caratteristiche geometriche del treno
G. Tomasini
ETR500
Italian methodology
3. Calcolo delle CWC: definizione delle classi
Definiti i coefficienti aerodinamici, le CWC dipendono solo da:
Caratteristiche del vento (lunghezza di rugosità z0)
Layout del tracciato (raggio di curva, accelerazione non compensata,
sopraelevazione, …)
In funzione delle proprietà del vento e del layout del tracciato, tutti i punti
della linea vengono raggruppati all’interno di classi omogenee
z0
Classe 1
IU
xL
U
Raggio – velocità del treno
a.n.c.
G. Tomasini
Classe 2
…
Classe 8
Italian methodology
1. Database infrastruttura
Definizione delle caratteristiche della linea
2. Analisi meteo
Definizione della
distribuzione del vento
trasversale lungo la
linea
3. Calcolo delle CWC
Definizione del
comportamento al vento
trasversale del veicolo
ferroviario
4. Analisi del rischio
Definizione del rischio di
ribaltamento del veicolo
ferroviario al vento trasversale
G. Tomasini
Italian methodology
2. Analisi meteo: output
Funzioni di probabilità cumulata della velocità del vento in ogni punto
della linea
Azimut
Velocità del vento:
0
330
pw =10-8
30
pw =10-7
Altezza: 2m sopra pdf
Rilevato/trincea: applicazione di
una correzione locale per tener
conto dell’accelerazione/ riduzione
di velocità dovuta allo scenario
Viadotto: correzione con profilo di
velocità per tener conto della quota
del viadotto
pw =10-6
300
60
pw =10-5
10
20
30
40
270
50
90
240
120
210
150
180
G. Tomasini
Italian methodology
3. Calcolo delle CWC: output
Rappresentazione polare
Rappresentazione lineare
0
330
I =0.2 xL =73 m
u
u
90
80
cant=0.4 m/s
2
cant=0.6 m/s
2
300
60
70
150
100
50
270
60
90
g
U [m/s]
30
50
40
240
120
30
20
20
40
60
[°]
w
G. Tomasini
80
100
210
150
180
Italian methodology
4. Analisi del rischio
Obiettivo : valutazione della probabilità di superamento della
CWC
Funzione di probabilità
cumulata della velocità del
vento
0
330
pw =10-8
30
pw =10-7
pw =10-6
300
60
pw =10-5
10
40
30
20
270
50
90
La probabilità di superamento della
CWC è definita come la probabilità
combinata che:
1. Il vento provenga dal settore angolare s
2. La velocità del vento sia maggiore di un
valore di soglia U
0
330
240
30
120
300
210
60
150
180
Distribuzione delle CWC
150
100
50
270
90
0
330
30
300
60
120
150
100
50
240
270
90
210
150
180
240
120
210
150
180
G. Tomasini
3.
La soglia U sia un valore limite della CWC
Italian methodology
4. Analisi del rischio
Per settore angolare
Distribuzione di CWC
0
330
30
pCWC
=75°
0.25
0.2
300
0.15
60
0.1
150
100
50
270
0.05
90
pwind
240
120
210
20
[m/s]
30
40
Ug
+
ps =
180
12
Pi = ps
s =1
G. Tomasini
10
Distribuzione
del vento
150
Per ogni punto della
linea
0
0
- p
wind
* pCWC dUg
Linea RM-NP
Risultati
Probabilità di superamento della CWC – Vtreno=300 km/h
Viadotto
Rilevato
Trincea
Probabilità di superamento CWC
1.00E-03
1.00E-04
1.00E-05
1.00E-06
1.00E-07
1.00E-08
1.00E-09
1.00E-10
0
G. Tomasini
50
100
[km]
150
200
Linea RM-NP
Risultati
Velocità di picco
Viadotto
Rilevato
Trincea
50
45
40
V picco [m/s]
35
30
25
20
15
10
5
0
0
G. Tomasini
50
100
[km]
150
200
Linea RM-NP
Risultati
Viadotto
Viadotto
Rilevato
Trincea
Rilevato
Trincea
50
45
1.00E-03
V picco [m/s]
35
1.00E-05
1.00E-06
1.00E-07
30
25
20
15
10
1.00E-08
5
1.00E-09
0
0
50
100
[km]
150
150
100
[km]
50
0
1.00E-10
200
120
120
CWC
CWC
pw =10-8
-8
pw =10
100
100
pw =10-7
pw =10-6
80
pw =10-5
Line orient.
40
G. Tomasini
pw =10-4
60
Line orient.
40
20
0
0
pw =10-6
pw =10-5
pw =10-4
60
pw =10-7
80
[m/s]
[m/s]
Probabilità di superamento CWC
40
1.00E-04
20
100
200
w [°]
300
0
0
100
200
w [°]
300
200
Linea RM-NP
Risultati
Posizione degli anemometri
ANAGNI
SGURGOLA
CECCANO
S. GIOVANNI
MIGNANO
Probabilità di superamento CWC
1.00E-02
TORA
RIO
PICCILLI PONTICELLO
CAPUA
1.00E-03
1.00E-04
1.00E-05
1.00E-06
1.00E-07
1.00E-08
1.00E-09
1.00E-10
0
G. Tomasini
20
40
60
80
100
[km]
120
140
160
180
200
LINEA RM-NP: ANALISI
LINEA RM-NP: calcolo della CWC riferita all’anemometro
VA
βi =
Vi
CWCA= CWCi * i
120
CWCSi
CWC
Si
110
CWCA
100
[m/s]
90
80
70
60
50
40
30
G. Tomasini
0
50
100
150
200
[deg]
250
300
350
400
Conclusioni
1. E’ stata messa a punto una metodologia per l’analisi del rischio
associato al vento trasversale sulle linee ferroviarie
2. L’Italian method considera l’interazione vento-treno come un
processo stocastico:
le CWC sono valutate con approccio stocastico
L’analisi meteo è realizzata con modelli basati sull’analisi
statistica
La probabilità di superamento della CWC è calcolata come
probabilità combinata delle due variabili stocastiche
rappresentate dalla distribuzione di CWC e dalle funzioni di
probabilità cumulata della velocità del vento
3. Nell’Italian method l’effetto dello scenario infrastruttura è considerato
nel calcolo della velocità del vento e non nella definizione delle CWC
G. Tomasini
Conclusioni
Punti aperti del progetto AOA
• Effetto over-speed su viadotti
Tenerne (AGM) o non tenerne conto (AFM, ITM, GBM)
• Effetto over-speed su rilevati
da considerarsi nella velocità del vento (AGM, ITM) o nella
derivazione delle CWC (AFM)
• CWC su flat ground
Con coefficienti flat ground (AGM, ITM, GBM) o da estrapolarsi
dalle CWC su rilevato (AFM)
• Analisi del meteo
Diversi livello di complessità e di affidabilità: da mappe
dell’Eurocodice (AGM, GBM) o da modelli (IM, AFM)
Necessità di una verifica sulla convergenza dei risultati
G. Tomasini
