Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009 Mario Testa...

Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009

Mario Testa – Vento laterale 1


Vento laterale

Mario TestaRFI – Direzione TecnicaDirezione Norme, Standard, Sviluppo e OmologazioneArmamento




Obiettivi de progetto AOA

accertare la praticabilità di metodi robusti e di facile applicazione per l’analisi di rischio riguardo ai venti laterali

metodi applicati a nuove linee e a linee esistenti

riguardo ai treni Alta Velocità e ai treni convenzionali

Studi pilota

analisi di rischio fatte indipendentemente da due o più partners AOA usando i differenti approcci in esame

stabilire l’affidabilità e la robustezza dei metodi confrontando i risultati degli studi

individuare i punti irrisolti e le ulteriori ricerche necessarie




Le specifiche dei vari metodi riguardavano

come descrivere l’infrastruttura

come derivare le Characteristic Wind Curves (CWC) specifiche ai vari scenari d’infrastruttura dalle CWC di riferimento delle STI RST

come fare gli studi meteo per definire, sezione di linea per sezione di linea, le distribuzioni probabilistiche di intensità e direzione del vento

come stimare le probabilità di eccedenza delle CWC, sezione di linea per sezione di linea, e gli indici globali di rischio riferiti all’intera linea

4 metodi in valutazione

AGM: AOA German Method AFM: AOA French Method ITM: Italian Method GBM: Great Britain Method




AGM: AOA German Method; studio meteo basato sulle carte dell’Eurocodice, CWC deterministiche (un solo tipo di raffica, risposta del veicolo determinata con la Multi Body Simulation)

AFM: AOA French Method; studio meteo complesso basato sulle statistiche delle stazioni meteo di riferimento e sulla trasposizione alla linea tramite simulazioni numeriche della fisica dell’atmosfera, CWC deterministiche (un solo tipo di raffica, risposta del veicolo determinata con la Multi Body Simulation)

ITM: Italian Method; studio meteo complesso basato sulle statistiche delle stazioni meteo di riferimento e sulla trasposizione alla linea tramite simulazioni numeriche della fisica dell’atmosfera, CWC stocastiche (messa in conto delle caratteristiche locali di turbolenza, risposta del veicolo determinata con la Multi Body Simulation)

GBM: Great Britain Method; studio meteo basato sulle carte dell’Eurocodice (ma anche talvolta su CFD), CWC derivate da considerazioni quasi-statiche sulla stabilità del veicolo

0

200

400

0

50

100

1500

50

[m][s]

[m/s

]

0 20 40 60 80 100 1200

10

20

30

UT [

m/s

]

[s]

t

V




Linee oggetto degli studi pilota

RFI- AV Roma Napoli; due sezioni

RFI- AV Roma Napoli, tutta la linea

SNCF- AV Valence - Marseille; una sezione

SNCF- AV Paris - Strasbourg; una sezione

DB- AV Hannover - Würzburg; una sezione

Network Rail - CR West Coast Main Line; una sezione

BV- CR Scandinavian West Coast Line; una sezione




line owner line name

AGM AFM ITM GBM

DBRFI infra data RFI / POLIMIRFI infra data

RFI Rome-Naples samples, 10 km

DBSNCF infra data

RSSBSNCF infra data

SNCF SNCF infra data

SNCFSNCF infra data RFI / POLIMISNCF infra data RFI / POLIMIRFI infra data by using the AOA transposition of CWCs

RSSBSNCF infra data

RFI Rome-Naples Complete

DBRFI infra data

SNCF LN5 sample, 17 km

SNCFSNCF infra data DBSNCF infra data

SNCFSNCF infra data

SNCF LN6 sample, 10 km

SNCFSNCF infra data DBSNCF infra data

SNCFSNCF infra data

DB Hannover - Würzburg section

DBDB infra data

RSSBDB infra data

Network Rail GB West Coast Main Line

DBRSSBI infra data

RSSBRSSB infra data

BV Scandinavian West Coast Line

Bombardier DBBT_KTH infra data




I risultati degli studi hanno avuto esiti non sempre convergenti a causa

a) Differenze di esecuzione pratica all’interno dello stesso metodo

- come venivano letti e interpretati le planimetrie, i tabellini delle curve, i profili della linea

- come veniva considerata l’accelerazione non compensata nelle curve di transizione

- quanto finemente veniva descritta l’infrastruttura

- quanto finemente venivano associati i punti meteo e i punti descrittivi dei cambi di

scenario infrastrutturale




b) Differenze concettuali inerenti la fisica dei fenomeni considerati

- come venivano trattati i viadotti: considerando o meno effetti di accelerazione del vento

a causa del bloccaggio della vena fluida causato dall’impalcato del viadotto

- come venivano considerati i rilevati: tramite la modifica dei coefficienti aerodinamici del

treno oppure tramite l’effetto di accelerazione del vento causato dal rilevato stesso

- come veniva considerata la situazione di linea a piano campagna: messa in conto o

meno della forma della massicciata (“mini rilevato”)

- come venivano risolti gli studi meteo complessi: risoluzione del set completo di

equazioni di Navier-Stokes oppure risoluzione di un set ridotto di equazioni; tipo di

output della distribuzione statistica del vento per alimentare il calcolo delle probabilità

di eccedenza delle CWC




Il metodo AGM

è il metodo meno sofisticato e quindi ha avuto meno problemi di convergenza

Rome-Naples Sample 1Probability of CWC Exceedance

72,8 73,3 73,8 74,3 74,8 75,3 75,8 76,3 76,8 77,3

Track Position [km]

Probability of CWC Exceedance

AGM Method applied by SNCF

AGM Method applied by DB

AGM Method applied by RSSB

LN5 or Valence-MarseilleProbability of CWC Exceedance

6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 20,5 21,5 22,5 23,5

Track Position [km]

Probability of CWC Exceedance

AGM Method applied by SNCF

AGM Method applied by DB




Confronto fra il metodo AGM e il metodo AFM

differenze dovute all’approccio meteo: il metodo AGM è basato sulle carte del vento dell’Eurocodice mentre il metodo AFM è basato su simulazioni numeriche del campo di vento atmosferico

differenze su come le situazioni di infrastruttura sono considerate: presenza o meno dell’effetto di accelerazione del vento sui viadotti e sui rilevati

Viaducts


72,8 73,3 73,8 74,3 74,8 75,3 75,8 76,3 76,8 77,3

Track Position [km]

Pro

bab

ility

of

CW

C E

xcee

dan

ce

AFM MethodAGM Method

Viaducts


scaled by each Mean

72,8 73,3 73,8 74,3 74,8 75,3 75,8 76,3 76,8 77,3

Track Position [km]

Pro

b. o

f C

WC

Exc

eed

. / M

ean

AFM MethodAGM Method




Confronto fra il metodo AFM e il metodo ITM

gli approcci meteo sono simili ma hanno differenti livelli di complessità nella risoluzione delle equazioni di NS

inoltre il sistema di calcolare la probabilità di eccedenza delle CWC è differente – nell’AFM il calcolo della probabilità di eccedenza della CWC avviene generando valori di vento istantanei e confrontandoli con la CWC deterministica (approccio Monte Carlo)– le CWC stocastiche nell’ITM permettono di considerare la combinazione delle distribuzioni statistiche del vento e della distribuzione probabilistica dell’alleggerimento ruota interno curva

72.00 73.00 74.00 75.00 76.00 77.00 78.00

Track position [km]

Pro

bab

ility

of

CW

C e

xcee

dan

ce

ITM applied by POLIMI/RFI

AFM applied by SNCF

E1-7.5 m

V-9 m

E1-7.5 m

V-14/10 m

E1-12.5 m

E1-7.5m

V-6/9m

C-2 m

E1-7.5 m

E1-2.5 m

E1-7.5m





mettendo a confronto i risultati meteo, si è rilevata una incongruenza quantitativa ma non qualitativa

Sample1: kpeak wind speed

envelopes of minima and maxima over all direction sectors at reference meteo stations

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

72 73 74 75 76 77 78

track position [km]tr

ansf

er c

oef

fici

ent

k

max_AFM

max_ITM

min_AFM

min_ITM

Sample1: kmean wind speed envelopes of minima and maxima

over all direction sectors at reference meteo stations

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

72 73 74 75 76 77 78track position [km ]

tran

fer

coef

ficie

nt k

max_AFM

max_ITM

min_AFM

min_ITM





utilizzando una sola base dati meteo è emersa anche l’incongruenza relativa la calcolo della probabilità di eccedenza delle CWC

1.00E-11

1.00E-10

1.00E-09

1.00E-08

1.00E-07

1.00E-06

1.00E-05

1.00E-04

72.82 73.82 74.82 75.82 76.82

Track position [km]

Pro

babi

lity

of C

WC

exc

eeda

nce

E1 7.5

E1 12.5

E1 7.5V 9 V 9-14.5

E1 12.5

V 6-12

E1 7.5 C-4

E1 2.5 E1 7.5




Punti aperti che richiedono ulteriori approfondimenti

effetti di accelerazione della velocità del vento dovuti alla struttura del viadotto - in una serie di approcci (AFM, ITM, GBM) l’accelerazione della velocità del vento esiste ma non comporta aumenti di azione aerodinamica sul veicolo (asserzione basata su test in galleria del vento che modellano sia il treno che il viadotto) - in un altro approccio (AGM) l’effetto di accelerazione esiste e comporta anche effetti di aumento delle azioni aerodinamiche sul treno (asserzione basata su test in galleria del vento che modellano solo il viadotto). Questo approccio è più severo

effetto di accelerazione del vento in corrispondenza dei rilevati – i metodi AGM, ITM e GBM-basico considerano i rilevati tramite la maggior velocità del vento causata dal rilevato stesso– nel metodo AFM e GBM-modificato l’effetto di accelerazione della velocità del vento causato dal rilevato è messo in conto direttamente nella CWC




Punti aperti che richiedono ulteriori approfondimenti

situazione di linea a piano campagna - i metodi AGM e ITM usano le CWC relative a un piano senza rilievi - i metodi GBM e AFM considerano la situazione del piano campagna con il rilievo costituito dalla massicciata (“mini rilevato”). Soprattutto nell’approccio AFM questa assunzione è piuttosto penalizzante

come vengono effettuati gli studi meteo complessi- la maniera in cui vengono trattati gli studi meteo complessi e la maniera con cui vengono trattate le probabilità di eccedenza delle CWC sonno intimamente connessi. Infatti nei metodi con studio meteo complesso gli outputs hanno forme che sono in qualche maniera “obbligate” dal post processing probabilistico dei dati- andrebbero approfondite le cause di divergenza nel calcolo delle probabilità di eccedenza delle CWC




Provvedimenti adottati in RFI

la linea AV Roma Napoli è stata la prima linea studiata rispetto alle caratteristiche di ventosità

è stato utilizzando un metodo che contemporaneamente è stato anche proposto nell’ambito del progetto AOA come Italian Method (ITM)

sulla linea AV Roma Napoli insistono delle zone soggette a rilevante ventosità trasversale, per lo più localizzate nel tratto campano

è stato installato un sistema di monitoraggio delle condizioni di vento che copre tutta l’estesa della linea

il sistema di monitoraggio è basato su postazioni anemometriche installate al margine del corpo stradale




Provvedimenti adottati in RFI

la linea Torino Novara non è stata riconosciuta come particolarmente esposta ai venti trasversali (misure anemometriche durante la sua costruzione)

è in corso la valutazione della linea AV Milano Bologna, utilizzando una versione più speditiva del metodo ITM

gli anticipi dello studio sulla linea AV Milano Bologna non hanno evidenziato particolari rischi circa il vento trasversale; infatti le probabilità di eccedenza delle CWC sono sempre inferiori a quelle dei tratti non ventosi della linea AV Roma Napoli

è in corso la valutazione, utilizzando il metodo ITM in versione completa

• della linea AV Bologna Firenze• della antenna della AV Roma Napoli da Caserta a Napoli• della linea a monte del Vesuvio




Monitoraggio della linea AV Roma Napoli

la linea è stata divisa in 8 sezioni, omogenee per caratteristiche di ventosità





ciascuna sezione di linea è sorvegliata da anemometri

gli anemometri sono ridondati

gli anemometri sono posizionati a circa 2 metri sopra il p.f.





gli anemometri rilevano la velocità istantanea del vento ogni 2 secondi

i valori di velocità istantanea vengono elaborati

per intervalli consecutivi di 10 minuti ciascuno vengono memorizzati:

• il valore massimo (di picco) della velocità • il valore medio e deviazione standard della velocità • la direzione risultante, cioè l’angolo rispetto al nord geografico, del vettore che risulta dalla somma vettoriale dei singoli vettori velocità campionati ogni 2 secondi

A





le 8 postazioni anemometriche vengono interrogate ciclicamente dal Posto Centrale di Servizio (PCS) a intervalli di 10 minuti

vengono letti i dati di sintesi relativi agli intervalli di 10 minuti e afferenti i valori di velocità e di direzione risultante

la sequenza di interrogazione delle 8 postazioni ha una durata di circa 4 minuti

la comunicazione dei dati al PCS avviene su rete GSMR





nel PCS risiede un SW di interfaccia operatore che confronta, stazione anemometrica per stazione anemometrica, i valori di velocità di picco del vento con prefissati valori di soglia

se il valore di soglia viene superato, scatta l’allarme e viene installata una riduzione cautelativa di velocità a 250 km/h

la riduzione di velocità viene mantenuta per almeno 30 minuti dopo che i valori di velocità di picco del vento sono rientrati sotto soglia





esempio di scheda con i valori di soglia della velocità di picco relativi a una stazione anemometrica

viene anche valutata la direzione; per direzioni più favorevoli (circa parallele alla linea) il valore di soglia aumenta

al momento, le velocità di soglia sono quelle derivate dalle STI RST trasponendo le CWC nelle varie situazioni di infrastruttura con procedura del tipo AGM/AFM, applicando un margine

sono però ora disponibili le CWC stocastiche specifiche all’ETR500, con le quali il sistema potrà essere aggiornato definendo nuovi valori di soglia

valori di soglia della velocità del vento per il preallarme del sistema e per l’installazione di una TSR

anemometro TORA E PICCILLI 1 (progressiva: km 152,550; Azimut linea: 150° )

TSR Da km 151,600

A km 161,800

(velocità

massima, Vtr, consentita per il

treno AV in relazione alla

velocità di picco raggiunta dal

vento, Vw, e alla sua direzione, )

quando la velocità di picco del vento Vw, in m/s, raggiunge o supera i valori sotto indicati installare la corrispondente

TSR indicata nella prima colonna a sinistra

per qualsiasi direzione del vento ,

eccetto che per compresa

nei settori indicati nella colonna di destra

solo se la direzione del vento

è compresa nei settori:

160° 180°340° 360°

Vtr = 250 km/h 23,1 26,8

preallarme(Vtr = 300 km/h)

20,8 24,1





l’allarme a soglie e la messa in conto della direzione del vento è possibile grazie alle caratteristiche intrinseche dei fenomeni ventosi

come risulta dai grafici di probabilità condizionata relativa ai valori di velocità di picco e di direzione del vento, quanto più intenso è il vento tanto più:• la direzione è stabile• la velocità di picco attesa nei minuti successivi alla misura appena effettuata non si discosta in maniera rilevante da quest’ultima

esempio per i 30 ‘ successivi alla misura

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