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Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
Mario Testa – Vento laterale 1
Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
Vento laterale
Mario TestaRFI – Direzione TecnicaDirezione Norme, Standard, Sviluppo e OmologazioneArmamento
Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
Mario Testa – Vento laterale 2
Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
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
Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
Mario Testa – Vento laterale 3
Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
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
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Mario Testa – Vento laterale 4
Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
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
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Mario Testa – Vento laterale 5
Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
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
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Mario Testa – Vento laterale 6
Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
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Mario Testa – Vento laterale 7
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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
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Mario Testa – Vento laterale 8
Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
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
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Mario Testa – Vento laterale 9
Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
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
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Mario Testa – Vento laterale 10
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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
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Mario Testa – Vento laterale 11
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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
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]
Pro
bab
ility
of
CW
C E
xcee
dan
ce
AFM MethodAGM Method
Viaducts
Rome-Naples Sample 1Probability of CWC Exceedance
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
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Mario Testa – Vento laterale 12
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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
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Mario Testa – Vento laterale 13
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Confronto fra il metodo AFM e il metodo ITM
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
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Mario Testa – Vento laterale 14
Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
Confronto fra il metodo AFM e il metodo 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
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Mario Testa – Vento laterale 15
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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
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Mario Testa – Vento laterale 16
Risultati del progetto Aerodynamics in Open Air – CIFI Firenze – 20 Febbraio 2009
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
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Mario Testa – Vento laterale 17
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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
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Mario Testa – Vento laterale 18
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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
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Mario Testa – Vento laterale 19
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Monitoraggio della linea AV Roma Napoli
la linea è stata divisa in 8 sezioni, omogenee per caratteristiche di ventosità
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Mario Testa – Vento laterale 20
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Monitoraggio della linea AV Roma Napoli
ciascuna sezione di linea è sorvegliata da anemometri
gli anemometri sono ridondati
gli anemometri sono posizionati a circa 2 metri sopra il p.f.
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Mario Testa – Vento laterale 21
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Monitoraggio della linea AV Roma Napoli
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
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Mario Testa – Vento laterale 22
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Monitoraggio della linea AV Roma Napoli
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
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Mario Testa – Vento laterale 23
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Monitoraggio della linea AV Roma Napoli
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
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Mario Testa – Vento laterale 24
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Monitoraggio della linea AV Roma Napoli
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
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Mario Testa – Vento laterale 25
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Monitoraggio della linea AV Roma Napoli
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