La sicurezza dei rotabili al vento trasversale e la metodologia di verifica della STI Materiale Rotabile AV ediz. 2008

1. La sicurezza dei rotabili al ventotrasversale ela metodologia di verifica della STI Materiale Rotabile AV ediz. 2008 e della norma prEN 14067-6 Giampaolo Mancini – Luca Bocciolini

2. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale • INDICE • Normativa europea STI ed EN e sicurezza al vento trasversale • La metodologia STI per la verifica di sicurezza al vento trasversale • La caratterizzazione aerodinamica del rotabile • Il modello spazio-temporale della raffica di vento • La determinazione delle forze aerodinamiche sul rotabile • La simulazione dinamica del veicolo soggetto alla raffica • Le curve caratteristiche del vento del veicolo (CWC) • Le curve limite caratteristiche del vento (CRWC) • CWC della locomotiva ETR 500 e curve limite CRWC • Conclusioni

3. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 1. STI Materiale Rotabile AV ediz. 2002 e vento trasversale Le STI Alta Velocità ediz. 2002 inseriscono gli effetti del vento trasversale tra le caratteristiche dei rotabili da verificare per soddisfare i requisiti essenziali relativi alla sicurezza. STI AV materiale rotabile 2002 STI AV infrastruttura 2002

4. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 1. STI Materiale Rotabile AV ediz. 2008 e vento trasversale • Il processo di revisione delle STI AV, che ha prodotto l’edizione 2008 della STI MR AV, ha consentito di ampliare in maniera significativa gli studi sugli effetti dinamici del vento sui rotabili. • Le attività di studio per il vento trasversale sono state sviluppate da tre gruppi di ricerca: • progetto Deufrako (cooperazione DB – SNCF); • ricerca Trenitalia – ItalCertifer – Politecnico di Milano; • gruppo di lavoro AEIF per l’elaborazione della sezione STI “Vento trasversale”. • I risultati di tali attività di ricerca hanno reso possibile la definizione nella “STI materiale rotabile AV” nella versione 2006di: • una metodologia di verifica della sicurezza dei rotabili rispetto al vento • un criterio di accettabilità (cioè valori limite per le velocità del vento) • condivisi a livello europeo fra Imprese Ferroviarie e i principali costruttori di rotabili.

5. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 1. Norma prEN 14067-6:2009 e vento trasversale • Dopo la conclusione delle attività STI / AEIF sul vento trasversale, nel 2006 il CEN attiva un WG per la definizione della EuroNorma relativa al vento trasversale. Nel WG CEN sono trasferite la conoscenze ed esperienze già acquisite per l’elaborazione della STI MR AV 2008. • Con il CRM di febbraio 2009 è disponibile la versione definitiva della norma prEN14067-6. I principali aspetti fissati nella norma prEN 14067-6:2009 sono i seguenti: • nel campo di applicazione sono inclusi sia i rotabili AV sia i rotabili convenzionali • sono identificati differenti tipi di approcci per la verifica della sicurezza al vento trasversale; • per i rotabili AV è adottata integralmente la metodologia STI MR AV; rispetto alla STI pertanto la norma prEN14067-6 si configura come “procedura per l’applicazione”; • per i rotabili convenzionale è definito un approccio semplificato in cui la caratterizzazione aerodinamica del rotabile in galleria del vento è effettuata esclusivamente su uno scenario di riferimento (single track ballast and rail) anziché sui due scenari STI (flat ground e standard embankment).

6. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 1. STI Materiale Rotabile Convenzionale e vento trasversale L’emissione STI Materiale Rotabile Convenzionale è pianificata dall’ERA per il 2010. Nella “draft version 2.2” del febbraio 2009 i requisiti relativi al vento trasversale sono classificati “open point”. Tale “open point” è una conseguenza della limitata quantità di dati disponibili relativamente ai rotabili convenzionali circa la sicurezza al vento trasversale e quindi alla non disponibili di valori limite applicabili in campo europeo. A differenza dei rotabili AV per i quali la certificazione STI rispetto al vento trasversale è obbligatoria in conformità alla metodologia specificata nella STI MR AV, per i rotabili convenzionali non è definita alcun tipo di metodologia né valori limite. L’applicazione della norma prEN 14067-6:2009 per i rotabili convenzionali resta al momento su base volontaria (ed inoltre non sono definiti nella norma criteri di accettabilità rispetto ai requisiti di interoperabilità).

7. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 2. La metodologia STI 2008 per la verifica di sicurezza al vento • La STI Materiale Rotabile AV 2008 ha adottato una metodologia per la verifica della sicurezza la vento trasversale che si articola nei passi seguenti: • caratterizzazione aerodinamica del rotabile negli scenari ferroviari di riferimento mediante prove in galleria del vento; • definizione della funzione temporale della raffica in relazione al modello spazio-temporale della raffica di vento di riferimento; • determinazione delle forze aerodinamiche sul rotabile generate dalla raffica di riferimento; • analisi del comportamento dinamico del rotabile soggetto alle forze aerodinamiche della raffica con codici di calcolo di tipo multi-body; • valutazione del coefficiente di sicurezza del veicolo rispetto al ribaltamento; • costruzione delle curve caratteristiche del vento del rotabile (CWC) • confronto fra CWC e curve limite del vento (CRWC).

8. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile • 3.1 Requisiti per la caratterizzazione aerodinamica • Il primo passo del metodo consiste nella determinazione dei coefficienti aerodinamici del veicolo più critico del rotabile. • A tal fine, la STI impone l’effettuazione di prove in galleria del vento non ritenendo ancora sufficientemente attendibili i risultati della simulazione numerica CFD. • Per le prove in galleria del vento la STI definisce requisiti in relazione a: • gli scenari ferroviari di riferimento (terreno livellato e rilevato); • le caratteristiche dei modelli in scala (accuratezza geometrica, etc.); • le caratteristiche della galleria (dimensioni sezione di prova, strato limite della galleria, livello di turbolenza, numeri di Reynolds e di Mach, etc.) • la validazione della galleria rispetto ai rotabili di riferimento (benchmark vehicles) per i quali la norma prEN 14067-1 fornisce la caratterizzazione aerodinamica.

9. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile • 3.2.a Scenari ferroviari di riferimento STI Materiale Rotabile AV ediz. 2008 : • terreno livellato ( flat ground) • binario su rilevato di altezza 6 m ( standard embankment)

10. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile • 3.2.b Scenario ferroviario standard prEN 14067-6 (non incluso nella STI MR AV): • singolo binario su terreno livellato (single track ballast and rail)

11. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile 3.3 La validazione di galleria e set-up di prova mediante il rotabile di riferimento Affinché la galleria del vento ed il set-up di prova siano considerati idonei per la caratterizzazione aerodinamica di un nuovo veicolo, un rotabile di riferimento (benchmark vehicle) deve essere soggetto a caratterizzazione aerodinamica nella galleria da validare (benchmark test). Il confronto fra i risultati misurati nella galleria e i risultati di riferimento della STI MR AV 2008 deve soddisfare il criterio di validazione (es. DCmx < 20% per il rilevato). I rotabili di riferimento per i quali la STI MR AV 2008 (mediante la norma prEN 14067-6) fornisce - geometria della superficie - caratterizzazione aerodinamica sono: TGV Duplex , ICE3 , ETR 500.

12. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile 3.4 I coefficienti aerodinamici del rotabile di riferimento ETR 500 Veicolo: Locomotiva ETR 500 Scenario: Flat ground Scala modello: 1 : 10 Galleria: Politecnico Milano

13. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile 3.4 I coefficienti aerodinamici del rotabile di riferimento ETR 500 - Cfi Veicolo: Locomotiva ETR 500 Scenario: Embankment Scala modello: 1 : 10 Galleria: Politecnico Milano

14. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 3. La caratterizzazione aerodinamica del rotabile 3.4 I coefficienti aerodinamici del rotabile di riferimento ETR 500 - Cmi Veicolo: Locomotiva ETR 500 Scenario: Embankment Scala modello: 1 : 10 Galleria: Politecnico Milano

15. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 4. Il modello spazio-temporale della raffica di vento • il modello spazio-temporale della raffica corrisponde alla migliore approssimazione di un processo stocastico in prossimità di un massimo locale; • il vento medio è ipotizzato orizzontale e solo la componente longitudinale U è utilizzata; U è la componente più significativa delle fluttuazioni del vento ed è la proiezione del vettore del vento istantaneo nella direzione del vento medio; • le variazioni della direzione del vento sono trascurate; • le variazioni temporali sono trascurate rispetto alle variazioni spaziali. Caratteristiche del modello di raffica STI MR AV ediz. 2008: Esempio di funzione temporale della raffica Vwind

16. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 5. La determinazione delle forze aerodinamiche sul rotabile Mediante i coefficienti aerodinamici del veicolo e la funzione temporale della raffica di vento è possibile determinare le forze ed i momenti aerodinamici agenti sul rotabile negli scenari di riferimento. Le forze aerodinamiche sono i dati di ingresso della simulazione dinamica mediante la quale si verifica la sicurezza al vento trasversale. U(t) = velocità del vento CSV = 1,2416 per rilevato e binario sopravento CSV = 1,1705 per rilevato e binario sottovento C(t) = 1.0 per terreno livellato G(t) = fattore di raffica istantaneo per il rilevato di riferimento di 6m

17. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 6. La simulazione dinamica del veicolo soggetto alla raffica • La simulazione dinamica deve essere eseguita nello scenario ferroviario di riferimento con il veicolo soggetto alle forze aerodinamiche generate dalla raffica. • Requisiti del metodo STI MR AV 2008 per la simulazione dinamica: • codice numerico di tipo multi-body (es.: Vampire, Simpack, etc.); • modello tridimensionale validato mediante i dati sperimentali relativi al coefficiente di souplesse misurati nelle prove di dinamica di marcia EN 14363; • marcia in rettilineo e marcia in curva; • rotaia inclinata 1:20 e 1:40; i difetti del binario sono trascurati. • Nella metodologia STI il criterio di sicurezza rispetto al quale sono valutati i risultati dell’analisi dinamica è la verifica di sicurezza al ribaltamento: • “coefficiente ribaltamento” DQ / Q0 < 0.9 • DQ riduzione media di carico verticale sulle ruote dello stesso lato del carrello • Q0 carico statico per asse

18. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 7. Le curve caratteristiche del vento del veicolo (CWC) Il metodo per la verifica della sicurezza al vento trasversale è basato sulle curve caratteristiche del vento del veicolo (CWC). Tali curve sono date dai valori di velocità del vento in corrispondenza dei quali la riduzione del carico sulle ruote e quindi il coefficiente di ribaltamento ad essa associato raggiunge il limite stabilito. Ciascun punto delle CWC è determinato mediante iterazioni della simulazione dinamica. In ciascuna iterazione la velocità della raffica è incrementata fino a che i valori delle forze verticali sulle ruote raggiungono il limite di ribaltamento. Le varie CWC sono definite in funzione di velocità del veicolo e angolo di incidenza del vento ed in relazione allo scenario di riferimento e al livello di accelerazione non compensata in tale scenario.

19. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 7. Le curve caratteristiche del vento del veicolo (CWC) • La ST MR AV 2008 specifica le seguenti 6 curve CWC da determinare per la verifica di sicurezza rispetto al vento trasversale: • CWC = f ( Vtreno , b = 90° ) terreno livellato + rettilineo • CWC = f ( Vtreno , b =90° ) rilevato 6 m + rettilineo • CWC = f ( Vtreno , b = 90° ) terreno livellato + curva con aq = 0.5 m/s2 • CWC = f ( Vtreno , b = 90° ) terreno livellato + curva con aq = 1.0 m/s2 • CWC = f ( Vtreno = Vmax ,b ) terreno livellato + rettilineo • CWC = f ( Vtreno = Vmax ,b ) rilevato 6 m + rettilineo

20. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 8. Le curve caratteristiche limite del vento (CWRC) La metodologia STI definisce curve caratteristiche limite del vento (CRWC) al di sopra delle quali devono essere situati i punti delle CWC affinché il veicolo sia riconosciuto interoperabile. I valori limite delle CRWC sono il risultato della fotografia dello stato dell’arte dei principali rotabili alta velocità europei rispetto alla sicurezza al vento trasversale. Le CRWC sono infatti derivate dall’inviluppo dei valori minimi delle CWC dei tre rotabili di riferimento della STI MR AV 2008 ( ICE3, TGV Duplex e ETR 500 ). CRWC/CWC ̶ Rilevato 6 m; rettilineo; Vtreno 300 km/h

21. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 9. CWC della locomotiva ETR500 e curve limite CRWC Rettilineo – Flat ground Rettilineo – Enmbankment 6 m 300 km/h  CWCETR500 122 km/h CRWClimite 111 km/h 300 km/h  CWCETR500 113 km/h CRWClimite 81 km/h

22. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 9. CWC della locomotiva ETR500 e curve limite CRWC Curva –aq = 0.5 m/s2 – Flat ground Curva –aq = 1 m/s2 – Flat ground 300 km/h  CWCETR500 100 km/h CRWClimite 99 km/h 300 km/h  CWCETR500 100 km/h CRWClimite 86 km/h

23. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 9. CWC della locomotiva ETR500 e curve limite CRWC Rettilineo – Flat ground – VETR500 300 km/h Rettilineo – Embankment – VETR500 300 km/h Valore minimo CWC  119 km/h per bw 70° Valore minimo CWC  111 km/h per bw 80°

24. Sicurezza dei rotabili al vento trasversale 10. Conclusioni • La metodologia STI per la verifica della sicurezza al vento trasversale dei rotabili alta velocità è il risultato delle attività di ricerca sia dal punto di vista teorico sia sperimentale sviluppate in Europa negli ultimi anni. • Tali attività hanno condotto a due risultati fondamentali per i futuri treni AV interoperabili: • la definizione di una metodologia condivisa a livello europeo sufficientemente semplice, ma al tempo stesso fondata su un modello di vento realistico e su una caratterizzazione aerodinamica del veicolo di tipo sperimentale; • la definizione di valori limite per la sicurezza al vento trasversale che garantiscono un livello minimo di sicurezza non inferiore a quello dei rotabili AV esistenti che risultano aerodinamicamente più avanzati. • L’applicazione estesa della metodologia e l’identificazione di curve limite per la sicurezza al vento trasversale nel caso dei rotabili convenzionali è lo studio fondamentale da sviluppare nella prossima fase di ricerca.