Analisi sperimentale di un armamento innovativo per linee metropolitane

Introduzione
Introduzione
Negli ultimi decenni si registra nell’opinione pubblica un desiderio
crescente di  rispettare l’ambiente in cui viviamo, con lo scopo di
assicurarsi una migliore qualità di vita. L’attenzione nei confronti della
riduzione di qualsiasi forma d’inquinamento è in aumento a livello
esponenziale. Se l’argomento è usato anche come forma pubblicitaria da
parte delle ditte, oggi produrre ecologicamente è un dovere, il progettare
in funzione dell’impatto ambientale è un obbligo inderogabile. Anche lo
Stato ha dimostrato un forte impegno nel voler sviluppare questa
sensibilità nel cittadino, sino all’introduzione di specifiche norme con
opportuni valori soglia che limitano la produzione d’inquinamento. D’altro
canto l’introduzione di queste leggi ha dato la possibilità  al cittadino per
proteggersi da ogni sopruso in tal senso.
In quest’ottica non è difficile capire come l’azienda ATM  si sia, già
da diversi anni, impegnata nella ricerca di soluzioni al problema
dell’impatto vibrazionale e acustico delle linee metropolitane e tranviarie.
In quest’ottica è stata avviata la progettazione, la realizzazione e la
sperimentazione in linea di un nuovo armamento metropolitano. Tale
innovativo armamento vuole raggiungere l’obbiettivo d i r i d u r r e
l’inquinamento vibro-acustico prodotto dal passaggio del tren o nei
confronti dell’ambiente e in particolare degli inquilini delle case
sovrastanti, oltre a ridurre l’onere manutentivo rispetto gli altri
armamenti.
Ai primi di settembre del 2000 sono venuto a conoscenza di una
campagna di misure curata dal dipartimento di meccanica, avente lo scopo
di monitorare un nuovo armamento metropolitano, installato lungo un
tratto della Linea 2 della metropolitana di Milano (MM) e denominato
‘Milano massivo’. Nel mentre che svolgevo la tesi si è avuta la possibilità
di curare un’altra campagna di misure delle stesse dimensioni volta a
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Introduzione
valutare l’efficacia di una modifica di un elemento dell’armamento Milano
massivo, volta a limitare lo sviluppo dell’usura ondulatoria.
Diversi sono stati i motivi che mi hanno spinto nell’impegnarmi al
fine di realizzare questa tesi, tra i quali bisogna sicuramente annoverare
l’attualità del tema. Le diversità di questo lavoro d a q u e l l i
precedentemente svolti consistono: nella durata del p e r i o d o d e i
rilevamenti sperimentali che è addirittura di 7 mesi  (si può ritenere una
delle più lunghe campagne in questo settore), nella presenza di ben altri
due tipi d’armamenti nei pressi del nuovo, rispetto ai quali effettuare dei
confronti. Queste caratteristiche hanno permesso di a r r i v a r e a d
interessanti considerazioni sul comportamento dell’armamento nel tempo
e nelle varie condizioni d’esercizio (vari livelli di marezzatura), come pure
di poter compiere un confronto tra gli stessi, nelle medesime condizioni di
carico.
Il lavoro ha avuto principalmente due scopi: il primo, attraverso
l’analisi dei dati, valutare il comportamento globale dell’armamento,
mentre il secondo è stato quello di indagare più a fondo sulla prestazione
offerta da ogni stadio di sospensione costituito dagli elementi che
compongono l’armamento stesso.
Nella prima fase abbiamo di conseguenza posto l’attenzione sui
parametri che individuano le prestazioni dell’armamento quali: 
• il livello di vibrazione trasmesso agli edifici sovrastanti,
• il comfort di marcia dei passeggeri,
• il costo di manutenzione. 
Per quanto riguarda il primo aspetto, gli indici da valutare sono il livello
delle vibrazioni misurate sulla parete della galleria in assoluto ed il loro
rapporto con le vibrazioni misurate sulla rotaia (attenuazione). Questo è
stato reso possibile dal compito, in diverse date, degli spettri
dell’accelerazione dei vari elementi dell’armamento e della galleria. La
particolare durata del monitoraggio ha consentito di porre l’attenzione
sull’evolversi del fenomeno dell’usura ondulatoria (marezzatura), dando
tra l’altro la possibilità di confrontare il suo andamento dopo alcune
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Introduzione
operazioni di molatura. La marezzatura risulta di fondamentale
importanza, sia per quanto riguarda il comfort acustico dei passeggeri , sia
per le vibrazioni trasmesse agli edifici e di conseguenza, anche per i costi
di manutenzione. L’unico metodo per controllare lo sviluppo della
marezzatura è infatti la molatura del binario, che viene effettuata da un
apposito convoglio attrezzato con mole e sensori per il rilievo del binario.
Il costo di ogni operazione di molatura si aggira sui 100 ML, per un tratto
di circa 500 m sui due binari.
Nella seconda campagna grazie alle misure dirette del profilo della
rotaia si è potuto valutare la correttezza di questo metodo indiretto di
misura. Quest’ultimo punto contribuisce agli studi per la progettazione di
un sistema automatico di monitoraggio, che consentirebbe di gestire al
meglio le operazioni di manutenzione.
Nella seconda fase si è cercato di meglio comprendere la
trasmissione delle vibrazioni tra i vari elementi attraverso il calcolo delle
funzioni di trasferimento. La loro determinazione in situazioni reali
d’esercizio è da ritenersi più attendibile che non quelle ottenute da metodi
tradizionali come l’eccitazione impulsiva. Di conseguenza tali funzioni si
prestano meglio ad essere utilizzate per tarare i parametri di modelli
matematici dell’armamento. I risultati approssimativi della attenuazione
tra i vari stadi, riscontrati nella prima fase, sono stati paragonati a quelli
definitivi della seconda fase. Il confronto ha evidenziato che anomalie
verificatesi nella prima fase, nella successiva non sono più emerse. 
Si tiene a precisare che dove è stato possibile si sono eseguite le
stesse analisi sugli armamenti adiacenti per ottenere parametri di
confronto.
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Capitolo 1 – Armamento massivo
1.Armamento massivo 
In questo capitolo si parlerà delle problematiche 
che nascono nei sistemi di trasporto su rotaie 
nei centri urbani e dei possibili rimedi tra cui più 
specificatamente l’uso dell’armamento massivo. 
1.1. Il problema delle vibrazioni
Le vibrazioni trasmesse agli edifici sovrastanti la linea possono
essere ritenute il maggior problema ambientale legato al transito di
convogli di linee metropolitane.
Le vibrazioni causate dalle forze scambiate tra ruota e rotaia, e quindi a
livello del piano del ferro,  vengono trasmesse attraverso l’armamento
sino alla galleria. Diverse sono le cause di queste forze tra cui:
-t r a n s i t o d e l c a r i c o m e d i o a s s o c i a t o a c i a s c u n a s a l a;
-i r r e g o l a r i t à d i b i n a r i o a o n d a l u n g a ( i r r e g o l a r i t à di posa);
-a p p o g g i o d e l b i n a r i o i n m a n i e r a d i s c r e t a ;
-i r r e g o l a r i t à d i b i n a r i o a d o n d a c o r t a ( i n p a r t i c o l are l’usura ondulatoria);
- irregolarità del profilo circonferenziale della ruota;
- dinamica del carrello nelle curve, condizione di contatto multiple tra
ruota rotaia
La distribuzione dei carichi degli assi in un treno produce un sistema di
forze eccitanti che considerate come forze passanti su un punto fisso,
sono caratterizzata da una frequenza funzione della distanza degli assili e
dalla velocità del convoglio. Le seconde possiedono una frequenza
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Capitolo 1 – Armamento massivo
funzione della velocità e dalla lunghezza d’onda delle irregolarità. Le terze
eccitano una frequenza dipendente dalla velocità e dalla distanza che
intercorre tra un appoggio e il successivo. Di conseguenza, queste due
prime forze hanno la caratteristica di avere una distribuzione molto
raccolta intorno ai valori medi di frequenze. Per quanto riguarda le ultime
due, funzioni sia della velocità che della lunghezze d’onda delle irregolarità
interessano un ampio spettro di frequenze. La combinazione
veicolo/armamento è un sistema molto complesso e che possiede svariate
frequenze naturali. Quando una delle frequenze delle forze eccitanti
corrisponde ad una frequenza naturale del sistema si ha un forte
innalzamento delle vibrazioni prodotte. Come abbiamo potuto notare tutte
le forze menzionate hanno la medesima caratteristica di eccitare
determinate frequenze in funzione della velocità del convoglio, alla luce di
quanto detto è facile comprendere come il livello di vibrazioni non è
linearmente legato alla velocità, anzi si potrebbe avere addirittura il caso
che aduna velocità inferiore corrisponda un livello di vibrazioni maggiore.
Mentre le prime tre (transito del carico medio associato a ciascuna sala,
irregolarità di binario a onda lunga, appoggio del binario in maniera
discreta) sono causa di un innalzamento del rumore di fondo, le ultime
(irregolarità di binario ad onda corta, irregolarità del profilo circonferenziale
della ruota, dinamica del carrello nelle curve) sono responsabili dei
maggiori disturbi. L’energia prodotta alle alte frequenze è quindi irradiata
come rumore principalmente dalle ruote e dal binario, ed interessa un
campo di frequenze tra i 30 – 2000 Hz, mentre le vibrazioni ed il rumore
strutturale interessa il campo fino a 100-250 Hz, in via approssimativa, a
seconda anche della natura del terreno.
Dalla galleria le vibrazioni sono trasmesse tramite il suolo agli edifici circostanti
alla linea ferroviaria. Negli edifici il disturbo è percepito essenzialmente in due modi, innanzi
tutto come vibrazioni sentite come moti meccanici percettibili, capaci anche di mettere in
risonanza infissi e suppellettili, e come “ground borne noise”, ossia il cosi detto rumore
strutturale, avvertito come rombo o rumore aereo a bassa frequenza (vedi figura 1.1).
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Capitolo 1 – Armamento massivo
Figura 1.1 : Schema di trasmissibilità delle vibrazioni dalle rotaie agli edifici
Le vibrazioni si propagano attraverso il suolo tramite tre tipi
diversi di onde: di compressione, di taglio e superficiali (o di Rayleigh).
Per ognuna di queste tre onde l’energia si riduce con l’aumentare della
distanza dalla sorgente a causa della dispersione geometrica,
considerando l’aumento d’area, e dell’assorbimento da parte del terreno a
causa del suo smorzamento. In linae generale si osserva che le basse
frequenze sono le meno smorzate, e quindi sono quelle che generalmente
vengono trasmesse.
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