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IL BINARIO FERROVIARIO E LE MODERNE TECNICHE

MANUTENTIVE

Il più importante elemento del trasporto ferroviario, il binario, nella sua apparente semplicità ha dimostrato di possedere grandi potenzialità verso il miglioramento delle prestazioni sia in termini di velocità di marcia dei treni che di capacità di trasporto. Il mantenimento degli elevati standard richiesti al moderno binario impone politiche manutentive supportate dall’impiego di strumenti e macchinari in grado di garantire allo stesso tempo prestazioni, sicurezza ed economicità. L’obiettivo del seminario è quello di richiamare le caratteristiche dell’armamento ferroviario, esaminare i metodi diagnostici tradizionali e innovativi, illustrare le principali tipologie delle macchine operatrici utilizzate.

Catania, Martedì 10 giugno 2014

Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura (DICAR)

Aula Magna Oliveri (Ingegneria)

Cittadella Universitaria, Viale Andrea Doria 6, Catania

PROGRAMMA DEL WORKSHOP Ore 9:30 – Presentazione e saluti ai

partecipanti Prof. Ing. Paolo La Greca Direttore del DICAR Prof. Ing. Salvatore Leonardi Presidente del Corso di Studi in Ingegneria Civile delle Acque e dei Trasporti Prof. Ing. Matteo Ignaccolo Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Ing. Giuseppe Trapani Ing. Giovanni Palazzolo Collegio Ingegneri Ferroviari Italiani Ore 10:00 – Primo intervento programmato

L’origine del binario e la diffusione degli

scartamenti

Dott. Ing. Giuseppe Trapani

Preside Sezione CIFI Palermo

Ore 10:20 – Secondo intervento programmato

L’armamento ferroviario

Dott. Ing. Fedele Di Matteo

Già Dirigente RFI S.p.A.

Ore 11:15 – Terzo intervento programmato

La termica del binario. Costituzione e

controllo della lunga rotaia saldata

Dott. Ing. Andrea Treffiletti

CLF Catania S.R.L.

Ore 12:00 – Quarto intervento programmato

Le specifiche tecniche e i metodi per la

rilevazione e la diagnostica

Dott. Ing. Fedele Di Matteo

Già Dirigente RFI S.p.A.

Ore 13:00 – Dibattito

Ore 13:30 – Conclusione

Come raggiungerci: In treno Dalla Stazione Centrale di Catania: AUTOBUS URBANI AMT linea 432 (Stazione Centrale -> Città Universitaria); linea 449 (circolare Stazione Centrale); TAXI nel piazzale antistante la stazione. Radiotaxi: +39 095 330966 In auto DA NORD: uscendo dall'autostrada A18 Messina-Catania, imboccare lo svincolo per San Gregorio; dopo circa 5 km prendere l'uscita per viale Odorico da Pordenone e proseguire per circa 1 km fino alla Città Universitaria; entrare dall’ingresso carrabile di via Santa Sofia 64. DA SUD E DA OVEST: imboccare la Tangenziale di Catania in direzione Messina e proseguire fino ad imboccare l'uscita Catania centro; dopo circa 5 km prendere l'uscita per viale Odorico da Pordenone e proseguire per circa 1 km fino alla Città Universitaria; entrare dall’ingresso carrabile di via Santa Sofia 64.

DICAR

Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura

In collaborazione con:

WORKSHOP

Il binario ferroviario e le moderne tecniche

manutentive

Catania, Martedì 10 Giugno 2014 Aula Magna Oliveri (Ingegneria)

Cittadella Universitaria - Viale Andrea Doria 6

AULA MAGNA OLIVERI

INGRESSO VIA S. SOFIA

DICAR Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura

0

C. L. F. Catania Srl - www.clf-catania.it [email protected] -catania.it - Corso Sicilia n°97 (95131) – Catania (CT)

095 0931152 095 241945 [email protected]

Qualificazioni

RFI Categorie B1, C2

Italferr Categoria C

LA TERMICA DEL BINARIO

Costituzione e controllo

della LUNGA ROTAIA SALDATA

ANDREA TREFFILETTI

Sezione di Palermo

1C. L. F. Catania Srl - www.clf-catania.it · [email protected] -catania.it - Corso Sicilia n°97 (95131) – Catania (CT) - 095 0931152 · 095 241945 - [email protected]

DILATAZIONE TERMICA

Sottoponendo una barretta metallica, libera di dilatarsi, ad una variazione di temperatura, questa subirà una variazione di lunghezza che può essere calcolata con la formula:

TLl con:

α = coefficiente di dilatazione termica lineare = 0,0000115 [°C-1] per l’acciaio

L = lunghezza iniziale della barretta [m]

ΔT = variazione di temperatura espressa in °C

La stessa variazione di lunghezza Δl può essere ottenuta anche applicando una forza F alla barretta:

AE

LFl

con:

A = area della sezione trasversale della barretta

E = modulo di elasticità longitudinale dell’acciaio = 20.601.000 N/cm2

Eguagliando le due espressioni otteniamo la forza assiale F di trazione o compressione che nasce in una barretta, sottoposta a variazione di temperatura ΔT, la cui dilatazione risulti impedita:

TAEF


SOVRASTRUTTURA FERROVIARIA:

1. ROTAIE

2. ORGANI DI ATTACCO

3. TRAVERSA

BINARIO

BALLAST

ARMAMENTO

FERROVIARIO

SOVRASTRUTTURA FERROVIARIA


EFFETTI DELL’AZIONE TERMICA


VINCOLI DEL BINARIO GIUNTATO

Ad impedire la libera dilatazione della rotaia intervengono:

Resistenza d’attrito opposta dagli organi di giunzione Rg.

Resistenza della massicciata Rm.

Luce max 14 mm

Organi di giunzione Massicciata ed organi di attacco

La resistenza che nasce per effetto degli organi di attacco èsuperiore a quella che si sviluppa tra traverse emassicciata.

LE TENSIONI CHE NASCONO NELLA ROTAIA FANNO MUOVERE TUTTO IL BINARIO (traverse + rotaie).

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9d/HGK-Trasse-K%C3%B6lner-Stadtwald-002.JPG


DAL BINARIO GIUNTATO ALLA LRS

In un binario giuntato con rotaie di 36 m la dilatazione termica interessa l’intera lunghezza della rotaia La

ad eccezione del punto di mezzo che per ragioni di simmetria si ritiene fisso.

IN UN BINARIO GIUNTATO LA LUNGHEZZA DELLA ROTAIE E’ TALE PER CUI LA SOMMA DELLA RESISTENZADELLE GIUNZIONI (Rg) E DELLA MASSICCIATA (Rm) E’ INFERIORE ALLE TENSIONI CHE SI SVILUPPANO PERVIA DELLE ESCURSIONI TERMICHE.

IL BINARIO SUBISCE SPOSTAMENTI PEREFFETTO DELLE ESCURSIONI TERMICHEQUANDO NMAX > Rg+Rm



È possibile a questo punto calcolare la lunghezza Lb delle rotaie per cui si ha uguaglianza, alletemperature estreme, tra resistenze ed azioni termiche.

LA LUNGHEZZA Lb VIENE ANCHE DEFINITA LUNGHEZZA LIMITE E RAPPRESENTA LA CONDIZIONE PER CUINMAX = Rg+Rm

LA LUNGHEZZA LIMITE Lb DIPENDE DA:

Resistenza delle giunzioni Rg [59 kN]

Resistenza della massicciata Rm [N/m x Lb/2]

Area della sezione della rotaia A [m2]

Escursione termica [tmax-tmed]*

25602370000

max

ARR

ttAEFRR

mg

medmg

Il valore di Rm [N/m] dipende dal tipo di traverseadottate (CAP o LEGNO) e va moltiplicato per lalunghezza della semisezione.

Anche l’area A della sezione della rotaia è legata al tipo diprofilo scelto.



Eseguendo i calcoli per rotaie tipo 60E1 con traverse in CAP si ottiene il valore di 131m che vienearrotondato a 144m per ragioni di fabbricazione delle rotaie.

La costituzione della LRS è ammessa solo per rotaie con profilo tipo 50E5 o 60E1

La tabella riporta le lunghezze limite Lb di tratti di binario per cui è possibile costituire LRS.

Oltre tali lunghezze avremo la presenza di un tratto centrale IMMOBILE.



Per tutti i valori di lunghezza Lc > Lb avremo la presenza di una ZONA CENTRALE A-B IMMOBILE mentre asubire dilatazioni o contrazioni saranno sempre le antenne laterali di lunghezza pari ad Lb/2.

E’ POSSIBILE IN QUESTO MODO ABBANDONARE IL BINARIO GIUNTATO A FAVORE DELLA LUNGA ROTAIA SALDATA.

VANTAGGI:

Miglioramento del confort di marcia con lascomparsa delle caratteristiche vibrazioni ritmicheindotte sui convogli.

Riduzione della manutenzione sia a carico dellerotaie che che materiale rotabile.

Lb/2 Lb/2



Lb/2 Lb/2

IL BINARIO SUBISCE SPOSTAMENTI PER EFFETTO DELLE ESCURSIONI TERMICHE QUANDO

NMAX > Rg+Rm

NMAX = Rg+Rm

DETERMINIAMO Lb

25602370000

max

ARR

ttAEFRR

mg

medmg

BINARIO GIUNTATOCONDIZIONE DI

EQUILIBRIO LRS

NMAX < Rg+Rm

TRATTO ABIMMOBILE


DETERMINAZIONE DELLA TEMPERATURA DI REGOLAZIONE

Preliminarmente alla realizzazione della LRS occorre determinare laTEMPERATURA DI REGOLAZIONE TR in modo da indurre nella rotaia unostato tensionale che risulti medio rispetto ai valori estremi di trazione ocompressione che nascono per effetto delle escursioni termiche.

In prima istanza si determina il valoredella temperatura media TM sullabase di rilevamenti di durata almenotriennale delle temperature delbinario.

Si ottiene quindi TR come:

TR=TM+5°c per linee fino a 200km/h

TR=TM+10°c per linee oltre 200km/h


DETERMINAZIONE DELLA TEMPERATURA DI REGOLAZIONE

L’incremento di TR rispetto alla temperatura ideale media TM deriva dallanecessità di cautelarsi contro le dilatazioni eccessive spesso causa dislineamenti.

IN SICILIA LA TEMPERATURA DI REGOLAZIONE TR E’ FISSATA A 33°C

In mancanza di rilevamenti termici locali si fa riferimento a TM=25°c.In ogni caso a binario in esercizio occorrerà verificare TM valutando di volta in volta l’opportunità diuna nuova regolazione nel caso in cui si registrano scostamenti superiori a 3°c.


REQUISITI PER LA COSTITUZIONE DELLA LRS

Binario dotato di rotaie nuove od usate servibili in buono stato, dei profili 50E5 ed 60E1.Traverse, in buone condizioni, poste agli interassi prescritti e massicciata, costituita da pietrisco di

pezzatura regolare, avente le sagome previste.Deviatoi muniti di cuori monoblocco in acciaio fuso al Mn.


GIUNZIONE ESTREMA

Quando a causa di uno dei motivi di impedimento alla costituzione della LRSè necessario interrompere il binario saldato, occorre interporre una luce didilatazione detta GIUNZIONE ESTREMA che collega la LRS alla CAMPATA POLMONE.

La CAMPATA POLMONE è una campata di binario della lunghezza di 36 mrealizzata con giunzioni affacciate che serve a proteggere binario giuntato epunti singolari a valle da anomale dilatazioni del binario in LRS.


La normativa ferroviaria indica quali punti particolari ai fini della costituzione della LRS:

SCAMBI CON CUORE MONOBLOCCO

TRAVATE METALLICHE SENZA MASSICCIATA

PASSAGGI A LIVELLO

Questi punti singolari devonoricadere nella tratta centraledi LRS che non subiscespostamenti per cui devonodistare almeno 100m, nel casodi traverse in CAP, o 150m, nelcaso di traverse in legno,dall’estremità della LRS.

PUNTI SINGOLARI


Nei casi in cui tale distanza fra estremità e punto singolare non può essererispettata, la l.r.s dovrà arrestarsi prima dei punti singolari che dovrannoessere protetti da una “campata polmone” di 36 metri.

PUNTI SINGOLARI


PUNTI SINGOLARI – TM E DEVIATOI

Per le travate metalliche senza massicciata la normativa impone l’utilizzo didue campate polmone da 36m.

Nel caso dei deviatoi non inseribili in LRS si procederà isolandoli sia latopunta che lato tallone con delle serraglie direttamente saldate di lunghezzavariabile da 12 a 18m seguite da una campata polmone di 36m.


GALLERIE

In presenza di tratti in curvaricadenti in galleria dilunghezza superiore a 150m èammessa la costituzionedella LRS per qualsiasi valoredel raggio.

Se l’estesa della galleria è inferiore a 150m il binario deve invece essereconsiderato come binario allo scoperto.


GALLERIE

Nelle gallerie con lunghezza superiore a 150m la regolazione della LRSviene eseguita soltanto per le antenne di 75m a contatto con il binario alloscoperto. Il tratto interno pur essendo saldato non necessita di regolazioni.


COSTITUZIONE DELLA LRS

La costituzione della LRS rappresenta quel complesso di operazioni – dapianificare con specifica progettazione – volte a garantire che il binariopresenti uno stato tensionale nullo nel momento in cui si trova atemperatura TR.

La regolazione delle tensioni si può ottenere mediante:

Riscaldamento naturale serrando il binario sulle traverse a temperatura TR ±3°c.

Mediante l’utilizzo del MORSETTO TENDIROTAIE.

In entrambe i casi occorre determinare l’allungamento da imprimere albinario per annullare le tensioni a temperatura TR :

TLl con:

α = coefficiente di dilatazione termica lineare = 0,0000115 [°C-1] per l’acciaio

L = lunghezza del tratto di binario da regolare. [m]

ΔT = differenza tra la temperatura di regolazione TR e la temperatura Teff a cui si trova la rotaia all’atto della regolazione



La regolazione delle tensioni interne, per la costituzione delle LRS, puòessere effettuata solo quando la temperatura effettiva Teff di rotaia (liberadagli organi di attacco e poggiata sui rulli di scorrimento) non superaquella di regolazione prescritta TR.

La regolazione si effettua con il binario già saldato in continuo e nel suo assetto plano-altimetrico definitivo.



La regolazione del binario continuo avviene per successive sezioni la cuiestesa dipende:

In primo luogo dalla geometria del tracciato

In seconda istanza dalla presenza di punti caratteristici (TM, PL, deviatoi, gallerie)



Le sezioni vanno da punto fisso a punto fisso e la loro estesa vieneprogettata sulla base dei dati geometrici del tracciato.

Alcuni punti caratteristici quali PL, deviatoi, gallerie impongono punti fissiobbligati.

Materializzati sul posto i punti fissi si procede all’individuazione delGIUNTO DI REGOLAZIONE che generalmente è disposto nella mezzeriadella campata di binario da regolare.



In corrispondenza del giunto di regolazione viene eseguito il taglio delbinario con l’ausilio di segarotaie o di troncatrice a disco.

Il taglio deve presentare una luce pari all’allungamento ΔL=α·L·ΔT calcolatoper ogni sezione più 24÷26 mm necessari per la successiva saldatura,meno 2÷3mm di compensazione per il ritiro della saldatura in fase diraffreddamento.



Eseguito il taglio della rotaia, si allentano gli organid’attacco della traversa in corrispondenza dei puntifissi e si traccia un riscontro sulla suola di ciascunarotaia all’altezza della spalletta della relativa piastra difissaggio. L’operazione ha lo scopo di isolare quellatraversa da qualsiasi azione possa essere indotta albinario dalle successive operazioni di regolazione.

Si allentano poi tutti gliorgani di attacco partendodal GR verso i PF adesclusione delle ultime 30traverse che rimangonoserrate.



Per essere certi che il binario sia libero di scorrere si procede al sollevamentotramite leve ed all’inserimento ogni 15 traverse di un rullo di scorrimentoperpendicolarmente all’asse della rotaia rimuovendo la piastra di isolamento.

La verifica dell’effettivaliberazione delle rotaie daattriti legati al serraggio oalla presenza di traversefuori squadro è condizionefondamentale per labuona riuscita dellaregolazione.



Si applica a questo punto il morsetto tendirotaie a cavallo del giuntoregolazione e si dà avvio al tiro delle rotaie di entrambe le semisezioni.



Precedentemente, al fine di valutare il regolare ed uniforme allungamento della rotaia, siera suddivisa ogni semisezione in quarti.Per ogni quarto si traccia un riscontro relativo alla posizione originaria della rotaia ed unsegnale in corrispondenza dell’allungamento da realizzare per ciascun quarto.



Raggiunto l’allungamento calcolato per ogni tratto, mantenendo sempre ilmorsetto tendirotaie in presa, si vanno ad allentare le 30 traverse lasciateprecedentemente serrate più 20 traverse del tratto contiguo di LRS già regolato.



Si può così controllare che il punto fisso, segnato con apposito riscontro all’inizio della regolazione, nonabbia subito spostamenti superiori a ± 2mm.In caso contrario occorre procedere manovrando il morsetto tendirotaie fino alla coincidenza delriscontro. Solo in questo modo possiamo essere certi di aver eseguito una buona regolazione senzaalterare le tensioni dei tratti già regolati.



A questo punto si procede serrando le traverse a partire dal giunto di regolazioneverso il punto fisso (si lasciano 20 traverse libere in corrispondenza del GR)andando a serrare anche i 20 appoggi allentati oltre il PF.Rimangono quindi libere solo 40 traverse a cavallo del GR.



Si allineano le testate delle traverse predisponendole alla saldatura continuando amantenere il morsetto in presa.Si dispone la forma per eseguire la colata andando a sigillare accuratamente ibordi per prevenire la fuoriuscita della miscela fusa.Si attende il raffreddamento della saldatura e si sgancia il morsetto tendirotaie.

LA SEZIONE E’ REGOLATA



A questo punto non resta che serrare i 40 appoggi rimasti liberi a cavallo del GR.Si effettua la smerigliatura e la pulizia della saldatura con macchinario apposito epuò riprendere di fatto la circolazione.


CONTROLLO DELLA LRS

In presenza di binario in LRS risulta indispensabile verificare periodicamente che:

Non si verifichino indebolimenti delle resistenze opposte dalla massicciata acausa di rimaneggiamenti o deconsolidamenti del pietrisco, riduzioni del suoprofilo o inquinamento.

Che non sussistano allentamenti o rotture degli organi di attacco nonchéfenomeni di scarsa tenuta tra traverse ed attacchi.

Che i difetti di geometria del binario siano contenuti nei limiti delle tolleranzeammesse.


CONTROLLO DELLA LRS

Per controllare i possibili spostamenti longitudinali e trasversali della LRS ènecessario istituire due coppie di picchetti di riferimento con relativa bulinaturasul fungo del binario.

Il confronto tra la posizione originaria del binario, materializzata attraverso un filoin acciaio armonico che collega i due traguardi, e la bulinatura dà la possibilità divalutare lo stato di salute del binario.


CONTROLLO DELLA LRS

La normativa ferroviaria sulla costituzione ed il controllo delle LRS RFI TC AR IT AR01 008B del 16/05/2013 fornisce indicazioni sulla dislocazione lungo il tracciatodei picchetti di controllo.

La normativa distingue anche le tipologie di traguardo da inserire in prossimitàdella giunzione estrema della LRS o in corrispondenza del corpo del binariosaldato.

TRAGUARDI

CORPO LRS ESTRMITA’ LRS

N°2 coppie di picchettidistanti tra loro 120m, ogni500-600m circa.

Una coppia di picchetti postiad un metro dalla testataaffacciata all’estremità dellaLRS.


CONTROLLO DELLA LRS


CONTROLLO DELLA LRS

SPOSTAMENTI LONGITUDINALI:Bisogna tenere conto del fatto che ogni mm di differenza di lunghezza tra le coppiedi picchetti posti a distanza di circa 120 m l’uno dall’altro equivale ad una staraturadel binario di:

CL

T 7,083

con:

ΔT = staratura del binario rispetto alla TR [°C]

L = distanza tra i picchetti di controllo [circa 120m]

Per la determinazione della variazione della distanza si procede rilevando lospostamento della bulinatura rispetto alla prima coppia di picchetti, andando asottrarre algebricamente lo spostamento della bulinatura rispetto alla secondacoppia di picchetti (nell’esempio avremo 18mm di staratura corrispondenti a circa+12.5°C rispetto alla temperatura TR).


CONTROLLO DELLA LRS

RT

883

SPOSTAMENTI TRASVERSALI:Ogni centimetro di deformazione permanente generalizzata riscontrata su curve diraggio stretto verso l’interno comporta un abbassamento della temperatura diregolazione pari a:

con:

ΔT = staratura del binario rispetto alla TR [°C]

R = raggio della curva espresso in metri

In relazione all’entità delle starature rispetto alla TR saranno disposti di volta in voltai relativi provvedimenti da adottare che possono andare da una sempliceintensificazione dei controlli nei periodi di forte caldo o freddo, al rallentamento, aduna nuova regolazione delle tensioni a seguito del ripristino della geometria delbinario.

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