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rubrica Ingegneria3

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Prestazioni delle traverse ferroviarie: confronto tra dispositivi tradizionali e innovativi MARCO GUERRIERI – Dipartimento d’Ingegneria delle infrastrutture viarie della facoltà d’Ingegneria dell’Università degli studi di Palermo

1. Premessa

degli interventi manutentivi necessari a mantenere la sovrastruttura in efficienza.

La traversa ferroviaria è l’elemento strutturale

Di seguito sono confrontate le prestazioni

che collega trasversalmente le due rotaie a

offerte da tre diverse tipologie di manufatti:

essa connesse mediante gli attacchi assicu-

rispettivamente le traverse monoblocco,

randone lo scartamento e costituendo con le

biblocco ed EGA (quest’ultima è stata bre-

stesse il telaio del binario. Oltre a garantire lo

vettata con domanda n. PA 2004 U 000005,

scartamento, la traversa ha la funzione preci-

depositata il 20/09/2004), in differenti condi-

pua di fornire un efficace ancoraggio del binario

zioni d’efficienza della massicciata, valutando

al ballast e di ripartire sulla massicciata i

la resistenza del singolo elemento trave pen-

carichi trasmessi dai rotabili.

sato indipendente dagli altri elementi costi-

Già in sede di progettazione di nuove linee o

tuenti il binario.

ammodernamento di linee esistenti risulta opportuno scegliere con oculatezza la tipologia

2. La traversa monoblocco

di traverse da utilizzare (legno, ca o cap), le dimensioni (larghezza, lunghezza, altezza

La traversa in ca monoblocco è costituita da

ecc.) e l’interasse; tali parametri possono

un unico elemento in calcestruzzo, precom-

infatti incidere significativamente sui costi di

presso longitudinalmente.

costruzione e di manutenzione.

A secondo della tecnica di precompressione

Uno degli elementi di maggior interesse nella

utilizzata si può distinguere in traversa postesa,

caratterizzazione delle performance offerte

traversa pretesa e traversa pretesa a trefoli

dalle traverse ferroviarie è costituito dalla resi-

aderenti.

stenza laterale allo scorrimento (S): al crescere

Per la rete tradizionale con velocità inferiori

del suo valore aumenta la stabilità del binario

a 200 Km/h, RFI adotta generalmente una

e, conseguentemente, si riduce la frequenza

traversa in cemento armato precompresso,

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della lunghezza di 2,30 m, a sezione trapezia

alla base 30 cm e altezza 19 cm) e minori al

con dimensioni variabili sia in altezza sia in

centro (20 cm e 15 cm); il peso può variare

larghezza: massime all’estremità (larghezza

dai 250 ai 280 Kg.

Prestazioni delle traverse ferroviarie: confronto tra dispositivi tradizionali e innovativi

fig. 1 – Traversa monoblocco

3. La traversa biblocco

mento del binario e mantenere il giusto distanziamento tra gli inglobati presenti nel

La traversa biblocco è costituita da due ele-

getto.

menti in calcestruzzo debolmente armati,

Rispetto alle traverse monoblocco, le biblocco

collegati da un tirante in acciaio, la cui fun-

presentano maggiore resistenza alle azioni

zione è quella di garantire il corretto scarta-

laterali e minor peso.

fig. 2 – Traversa biblocco

4. La traversa EGA

stoppers laterali ad azione ammorsante. La traversa, le cui dimensioni sono riportate

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La traversa ferroviaria EGA (traversa a ele-

in figura 3, fornisce elevati valori di resisten-

vato grado d’ammorsamento) è una traversa

za alle azioni laterali sia in condizione di mas-

monoblocco in ca del tutto simile a quella

sicciata ben compattata sia in condizioni di

attualmente adottata da RFI a meno di due

massicciata degradata.

fig. 3 – Geometria della traversa EGA (prospetto, pianta, sezione A-B e vista laterale)

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5. Confronto prestazionale

trasversale. Tale resistenza aumenta al cre-

La determinazione della resistenza laterale

Resistenza offerta dalla traversa EGA

scere della resistenza specifica allo scorri-

può essere condotta con due differenti

Per determinare il comportamento della

Le traverse ferroviarie, proprio per la loro

mento τ.

criteri: il primo prevede delle prove in situ

traversa in studio s’adotta una trattazione

principale funzione di stabilizzatrici del telaio

Ciò può essere evidenziato adottando l’ap-

a binario scarico (il cui esito è un dia-

analitica semplificata, senza che ciò

del binario, devono essere efficacemente

proccio energetico per la determinazione del

gramma resistenza-spostamento del tutto

peraltro comprometta la bontà dei risul-

ammorsate nel corpo della massicciata in

carico assiale critico Pcrit, cioè del valore teo-

simile a quello di figura 4); il secondo si

tati, ipotizzando nel ballast una distribu-

modo da fornire elevati valori di resistenza

rico minimo di carico assiale che produce lo

basa sulla valutazione teorica della resi-

zione tensionale di tipo litostatico.

allo scorrimento in direzione longitudinale e

svergolamento della rotaia.

stenza del singolo elemento trave pensa-

Indicando con P e Y rispettivamente l’a-

to indipendente dagli altri elementi costi-

zione verticale e quella laterale tra-

tuenti il telaio del binario.

smessa dal rotabile sulla traversa in

Per adottare quest’ultimo approccio è

esame, P1, Y1 e P2, Y2 le azioni verticali

necessario:

e laterali cui sono sottoposte le singole

• assegnare l’angolo di resistenza a

rotaie, in condizioni di moto incipiente

taglio del ballast che nella condizione

devono essere verificate le condizioni

d’aggregati ottenuti da roccia lapi-

d’equilibrio illustrate in figura 6, in cui θ

dea frantumata con elementi compatti

è l’inclinazione rispetto all’orizzontale

a bassa porosità e con spigoli vivi

della zona d’incipiente rottura, W il

può assumersi pari a φ = 45°;

peso della massicciata compresa all’in-

fig. 4 – Legge di variazione della resistenza laterale

fig. 5 – Legge di variazione dello spostamento laterale

• assegnare il peso specifico della

terno del cuneo di rottura, N e T le azio-

Sotto l’ipotesi di rotaia inizialmente defor-

vati valori di τ0 è in grado di resistere ade-

massicciata, che in condizioni ordi-

ni che agiscono sulla superficie di rot-

mata secondo una sinusoide di ampiezza

guatamente sia alle azioni termiche sia

narie può essere stimato in 15

tura 2.

f o e lunghezza d’onda L (figura 5), un

alle azioni laterali e longitudinali generate

KN/m ,

Indicando inoltre con τ m e τ p le tensioni

“telaio” di binario caratterizzato da una

dai rotabili ferroviari.

La valutazione comparativa delle pre-

tangenziali che si destano rispettiva-

rigidezza flessionale, valutata sul piano

La resistenza laterale allo scorrimento

stazioni offerte dalle traverse in pre-

mente in corrispondenza dell’interfaccia

orizzontale, pari a EI 1, è in grado di resi-

offerta da una singola traversa facente

cedenza descritte viene qui condotta

manufatto -ballast e ballast-ballast , con

stere a un carico assiale P crit dato dall’e-

parte d’una generica sovrastruttura valu-

riferendosi a due condizioni limite:

σ v la tensione verticale e con L la lar-

quazione

tata in condizioni di binario scarico (cari-

• condizione A: massicciata in buono stato

co verticale nullo) presenta la legge di

(φ = 45°). In tal caso l’angolo di attrito φw

figura 4. La curva sperimentale può esse-

tra ballast e traversa assume valori sti-

re approssimata da una funzione bilineare

mabili con la relazione φw = 2/3 φ;

(a)

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Prestazioni delle traverse ferroviarie: confronto tra dispositivi tradizionali e innovativi

3

che in corrispondenza del tratto di curva

• condizione B: massicciata degradata

La relazione funzionale [a], evidenzia la

a tangente orizzontale assume valori

(φ = 35°). In questo caso, cautelati-

proporzionalità tra il carico critico P crit e la

rispettivamente pari a τ0 = 11 KN per le

vamente

resistenza laterale allo scorrimento τ 0,

traverse monoblocco e τ 0 = 14 KN per

all’angolo d’attrito φ w il valore φ w =

quindi un binario contraddistinto da ele-

quelle biblocco.

1/3 φ.

è

possibile

ghezza della traversa, dev’essere: τ p = σ v. tg φ τ m = σ v. tg φ w

assegnare

σ v=

P (B+2 . b) . L

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Prestazioni delle traverse ferroviarie: confronto tra dispositivi tradizionali e innovativi

correggere: [KN] Per ottenere la resistenza laterale S della sin-

Resistenza offerta dalla traversa mono-

gola traversa sottoposta al carico verticale P

blocco

è necessario moltiplicare il valore di Y per la

A differenza di quanto avviene per la traversa

larghezza L della traversa:

EGA e per la traversa biblocco, sull’intera superficie d’incipiente scorrimento si destano esclusivamente azioni tangenziali del tipo τm (cioè derivanti dal contatto manufatto-massicciata). [RN] (1)

P = P1 + P2 Y = Y1+ Y2 θ = 45° + φ’ / 2 T= N. tg φ’

Nella relazione [1] sono presenti tre addendi:

Tv = T.senθ Th = T.cosθ

massicciata; il secondo al carico verticale,

In questo caso valgono le seguenti relazioni:

il primo è legato alla geometria della traversa e alle caratteristiche fisico-meccaniche della

τp = 0;

Nv = N.cosθ Nh = N.senıθ

alla geometria e all’angolo d’attrito manufat-

τm = σv.tg.ϕw

to-massicciata; l’ultimo al carico verticale,

Y = Y1+ Y2 = Y’ + Y’’

Nv = N.cosıθ Y' = Th - Nv

alla geometria e all’angolo d’attrito interno della massicciata.

GIUSTEZZA

Da cui:

correggere: Resistenza offerta dalla traversa biblocco fig. 6 – Azioni agenti sulle traverse (EGA, monoblocco e biblocco) in condizioni di moto incipiente. La linea rossa identifica le superfici di scorrimento

[KN]

Per la traversa biblocco valgono le stesse considerazioni descritte per la traversa EGA;

La resistenza complessiva allo scorrimento

occorre soltanto precisare che con “b” ci si

(per unità di profondità) in condizioni di moto

riferisce alla lunghezza dei due elementi in

incipiente può essere ottenuta come somma

calcestruzzo (figura 5):

[KN] (3)

delle resistenze elementari offerte dalle sin-

In tabella 1 sono riportate le dimensioni

gole componenti della traversa. In particolare, si è indicato con:

[RN] (2)

• Y’ la reazione che il cuneo in rottura esercita sul paramento verticale; Y = Y1+ Y2 = Y’ + 2 Y’’ + Y’’’ sostituendo otteniamo:

MODELLO

lungo la superficie di lunghezza B. Risolvendo, si ottiene:

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Caratteristiche geometriche e performances H [mm]

B [mm]

b [mm]

L [mm]

Legge di resistenza

EGA

325

2000

150

300

[1]

biblocco

229

750

750

309

[2]

monoblocco

190

2.300

-

300

[3]

sicciata; • Y’’’ la forza che si manifesta tra gli inerti

corrispondenti leggi di resistenza.

Tabella 1 – Dimensioni caratteristiche delle traverse monoblocco, biblocco ed EGA

• Y’’ la risultante delle azioni d’attrito che si destano nell’interfaccia stopper mas-

caratteristiche delle traverse esaminate e le

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Prestazioni delle traverse ferroviarie: confronto tra dispositivi tradizionali e innovativi

stenza laterale al diminuire dell’angolo

I valori peculiari di resistenza laterale

Si verifica analiticamente che, nel

offerta da ciascuna tipologia di tra-

caso di massicciata in buono stato, la

ra più marcate le performances della

d’attrito interno del ballast .

versa, ottenuti al variare del carico

traversa biblocco offre rispetto a

traversa EGA: la sua resistenza è mag-

Per la traversa monoblocco una ridu-

verticale P, sono riportati nel grafico

quelle monoblocco un incremento

giore mediamente del 71% rispetto alla

zione dell’angolo d’attrito interno di

1, in cui vengono distinti a seconda

medio di resistenza del 23%.

traversa biblocco e del 230% (quasi

10° (da 45° a 35°) porta a una ridu-

che l’analisi sia stata condotta nella

La traversa EGA offre invece un

due volte e mezzo) rispetto alla mono-

zione media della resistenza laterale

condizione di massicciata in buono

incremento medio di resistenza del

blocco; ciò è dovuto a un brusco deca-

∆S = 68%; eguali variazioni di Y'

stato (A) o di massicciata degradata

32% rispetto a quella biblocco, e del

dimento delle prestazioni della traversa

comportano ∆S = 48% per la traver-

(B).

64% rispetto alla monoblocco.

monoblocco, e in minore misura della

sa biblocco e ∆S = 34% per la tra-

biblocco, mentre la traversa EGA è

versa EGA.

caratterizzata da un comportamento

Quest’ultima

più stabile, essendo meno sensibile

avere un comportamento piuttosto sta-

alla diminuzione dell’angolo d’attrito

bile, e resistenze laterali superiori a

massicciata-manufatto.

quella delle altre traverse, con scarti

angoli d’attrito Y' e Y' w, risultano anco-

sembrerebbe

INSERIRE UNA FOTOGRAFIA E FAR SCORRERE IL TESTO SU PAG. 152

dunque

sempre più marcati a mano a mano che

6. Conclusioni

il ballast tende a invecchiarsi. Con riferimento alle possibilità d’utiliz-

Grafico 1 – Leggi teoriche di variazione della resistenza laterale allo scorrimento in condizioni di massicciata in buono stato (A) e massicciata degradata (B)

150

Sono stati valutati i contributi offerti

zo, si precisa che la maggiore rigidez-

dalla traversa ferroviaria alla resistenza

za conferita all’armamento rende la tra-

laterale del binario ponendo a confron-

versa EGA adatta a essere usata in

to tre tipologie differenti di manufatti:

situazioni

traversa monoblocco, traversa bibloc-

come le curve planimetriche di mode-

co e traversa EGA.

sto raggio (ove frequentemente si veri-

La resistenza allo scorrimento laterale

ficano alterazioni alla geometria del

è stata ottenuta estrapolando il singolo

binario) in linee ordinarie, o laddove si

elemento trave, reso indipendente

vuole assicurare elevata durabilità d’un

dagli altri elementi costituenti il telaio

prefissato livello di qualità del binario.

del binario, e facendo variare il carico

A causa della maggiore accortezza

verticale P.

necessaria per le fasi di posa in opera,

Le analisi sviluppate mostrano come la

di costipamento e rincalzatura della

resistenza laterale (S) sia strettamente

massicciata, è da escluderne l’uso su

collegata alle caratteristiche meccani-

linee secondarie, per le quali, come

che della massicciata.

ampiamente documentato in letteratu-

particolarmente

critiche

Nel caso di massicciata degradata,

diminuisca per tutte le traverse in

Per tutte le traverse esaminate è stato

ra, la traversa monoblocco è la soluzio-

sebbene la resistenza allo scorrimento

esame a causa del decremento degli

riscontrato un decremento della resi-

ne più adeguata.

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BIBLIOGRAFIA [1] M. Guerrieri, La sovrastruttura ferroviaria:

dalla gestione all’innovazione, dicembre 2005 (Tesi di dottorato). [2] C. Esveld, Modern Railway Track – second edition, MRT Production, 2001. [3] G. Bono, C. Focacci, S. Lanni, La sovra-

struttura ferroviaria, CIFI, 1997.

[4] T. W. Lambe, R. V. Whitman, Meccanica dei

terreni, Dario Flaccovio Editore. [5] G. Maffei, S. Gizzi, “Diagnostica mobile e manutenzione armamento”, La tecnica pro-

fessionale, 3/2004. [6] Procedure operative subdirezionali, Rilievi

della geometria del binario e relative disposizioni manutentive, RFI.

NOTE 1

La rigidezza flessionale EI, dipendente dalla rigidezza delle rotaie, delle traverse e dalla rigidezza alla rotazione degli attacchi.

2

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I pedici “h” e “v” identificano rispettivamente le componenti orizzontali e ver ticali delle forze.