Una ferrovia è una sorgente di vibrazioni che non si ferma mai, e l'energia che rilascia va in due direzioni. Verso l'interno, nelle opere che sostengono il binario, e verso l'esterno, nel terreno e negli edifici che si trovano accanto alla linea. Un vibrometro quantifica entrambe le direzioni di questa energia osservando la velocità con cui un punto di una struttura si muove.

I due problemi delle vibrazioni ferroviarie

Le ferrovie hanno due problemi causati dalle vibrazioni. Il primo è la fatica, quando l'energia è diretta verso l'interno. Strutture come i ponti ferroviari o i muri di sostegno ricevono il carico degli assi che vi transitano sopra. L'eccitazione è incessante e a banda stretta, dominata dal contatto ruota/rotaia e acuita da difetti singolari come i piani di ruota (wheel flats), i giunti delle rotaie, le saldature e gli scambi.

Il secondo problema, quando l'energia è diretta verso l'esterno, riguarda l'ambiente circostante alla ferrovia. Quando le vibrazioni trasmesse dal terreno si propagano dal binario verso gli edifici vicini, disturbano le persone e, ad ampiezze maggiori in prossimità della linea, minacciano le strutture degli edifici più datati. Anche se i livelli tipici sono modesti, i servizi ad alta velocità possono far salire il PPV oltre 0,8 mm/s in prossimità della rotaia.

Cosa misura un vibrometro su una ferrovia

Cos'è quindi il PPV? È la velocità istantanea di picco di un punto durante un evento, riportata per asse in mm/s. È la grandezza a cui fanno riferimento gli standard di valutazione del danno, ed è il motivo per cui un vibrometro è migliore di un accelerometro per la conformità (piuttosto che per la dinamica). Per esempio, il DECKVBR-STD di Move Solutions risolve 0,003 mm/s con un range fino a ±100 mm/s su una banda da 1 a 100 Hz, che comprende la parte dello spettro delle vibrazioni ferroviarie rilevante per il danno strutturale e la risposta umana.

Il range ±100 mm/s è importante, perché copre l'energia strutturalmente rilevante senza rendere il sensore troppo sensibile o troppo generico. Le vibrazioni trasmesse dal terreno dai treni, per esempio, portano la maggior parte della loro energia strutturalmente rilevante al di sotto degli 80 Hz circa, mentre il contenuto più alto e udibile che si trasforma in rumore solido si attenua oltre questa soglia. Le frequenze più alte di questa non sono rilevanti per gli standard di danno, quindi non sono coperte da questo range.

Gli standard per le ferrovie

La ISO 14837-1 è il riferimento specifico per le ferrovie, e fornisce indicazioni generali sul rumore e sulle vibrazioni trasmessi dal terreno dai sistemi ferroviari, i fattori, i parametri e i metodi di previsione da considerare, con parti complementari che coprono la procedura di misura in campo.

Per la valutazione del danno sugli edifici accanto alla linea, i limiti provengono dalla DIN 4150-3 e, in Italia, dalla UNI 9916. La DIN 4150-3 è quella su cui la maggior parte dei progetti si basa di default, perché stabilisce limiti di velocità diversi per le strutture industriali, residenziali e sensibili o storiche, pesandoli in funzione della frequenza. In pratica questo significa che una singola soglia di allarme sul PPV è raramente la configurazione corretta su una linea. Gli allarmi vanno impostati per classe di struttura e rispetto alla frequenza dominante che il traffico dei treni produce in quel punto.

Implementare il monitoraggio ferroviario

L'accesso alla ferrovia è uno dei punti più critici di un'installazione, perché non si può scavare per posare cavi lungo una linea in esercizio. Le finestre di interruzione in cui è consentito avvicinarsi ai binari sono brevi, costose e di solito notturne. Per questo i sensori wireless, che richiedono pochissimo lavoro, sono preferibili sui binari. Un vibrometro wireless può essere installato in un'unica finestra di interruzione, fissato alla struttura, e poi funzionare per anni con la propria batteria mentre trasmette a una piattaforma dati.

Dove va il sensore dipende dal problema, interno o esterno, che bisogna misurare. Per il caso della fatica interna, il vibrometro va sull'opera sotto carico, ovvero, per esempio, l'intradosso in mezzeria di un ponte ferroviario. Per il caso dell'impatto esterno, va sulla fondazione o sul piano terra dell'edificio interessato più vicino, spesso una proprietà che la ferrovia non possiede, il che aggiunge una negoziazione per l'accesso.

Domande frequenti

Per un ponte ferroviario, mi serve un vibrometro o un accelerometro?

Entrambi, per domande diverse. Il vibrometro riporta il PPV che il traffico impone, ovvero ciò che serve per un caso di conformità o di limite di danno. L'accelerometro che esegue l'analisi modale ti dice se l'impalcato sta perdendo rigidità nel corso degli anni, ovvero il caso della salute strutturale. Su un ponte ferroviario molto trafficato che comporta conseguenze reali in caso di cedimento, installeremmo un DECKVBR-STD per il quadro del carico imposto e un DECKAXE-SHM per l'andamento modale, non uno al posto dell'altro.

Dove va messo concretamente il vibrometro, sulla struttura o sul muro del vicino?

Dipende dal problema che stai risolvendo. Per proteggere l'opera ferroviaria, il nodo si monta sull'opera sotto carico, quindi l'intradosso del ponte, il tombino, il paramento del muro o la fondazione del palo. Per difendersi da un reclamo o da una richiesta di risarcimento da parte di un edificio di linea, si monta sulla fondazione di quell'edificio, il che di solito significa negoziare l'accesso alla proprietà.

Una sola soglia di PPV funziona per una linea che serve sia treni merci sia passeggeri?

I servizi merci e quelli passeggeri ad alta velocità producono ampiezze diverse e frequenze dominanti diverse, e la DIN 4150-3 si aspetta già che si legga il PPV in funzione della frequenza e della classe della struttura ricevente. Una soglia piatta o genera allarmi di disturbo sui convogli merci più pesanti, o ha un range troppo alto per cogliere gli eventi. Gli allarmi vanno impostati per struttura e per tipo di traffico.

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