Alle velocità di esercizio delle linee ad alta velocità, fino a 330 km/h, il passaggio di un treno all’interno di una barriera antirumore completamente chiusa produce un campo di pressione transitorio, distribuito in modo non uniforme lungo la struttura, con una compressione all’ingresso del convoglio, una zona in depressione nella porzione centrale e fluttuazioni legate alla scia. La risposta strutturale che ne consegue è stata ricostruita componente per componente da Yan Bai, Wenfan Wang, Mingrui Zhang e Lu Guo in uno studio pubblicato sulla rivista Infrastructures (Vol. 11, pag. 307, doi: 10.3390/infrastructures11090307).
Le barriere acustiche completamente chiuse, le fully enclosed noise barriers (FENB), sono diffusamente impiegate nelle ferrovie ad alta velocità per contenere l’impatto ambientale del rumore. Il transito del veicolo genera però carichi aerodinamici che inducono risposte strutturali complesse, e il legame tra l’evoluzione spaziale e temporale di tali carichi e il comportamento dinamico dell’intero sistema strutturale risultava finora caratterizzato in modo insufficiente. È su questo nodo che si concentra la ricerca.
Un accoppiamento sequenziale tra CFD a mesh mobile e modello a elementi finiti
La metodologia è costruita in cascata. Un modello CFD a mesh mobile simula il campo aerodinamico non stazionario generato dal passaggio del treno; i carichi di pressione, variabili nel tempo, vengono successivamente applicati a un modello strutturale agli elementi finiti. Questo schema consente di ricondurre direttamente l’evoluzione della pressione, lungo tutte le fasi del transito, alle deformazioni e alle tensioni dei componenti principali della barriera. Le velocità analizzate coprono l’intervallo tra 250 e 330 km/h.
Compressione, depressione, scia: il transito si legge in tre fasi
Il campo di pressione interno alla FENB è fortemente transitorio e non uniforme nello spazio. All’ingresso prevale la compressione indotta dal muso del convoglio; nella parte centrale si instaura una regione a pressione negativa; quando il treno abbandona la barriera, la scia imprime fluttuazioni di pressione. Questa scansione non è un dettaglio di modellazione: stabilisce la corrispondenza tra l’andamento aerodinamico e i momenti in cui i carichi diventano più severi per la struttura.
La fase di uscita genera la risposta più pronunciata
Sia la deformazione sia la tensione equivalente crescono con la velocità del treno. Il momento più oneroso coincide con l’uscita del convoglio, quando l’effetto della pressione negativa si manifesta con la massima intensità. I componenti, inoltre, non rispondono in maniera omogenea: ciascuno presenta caratteristiche di reazione proprie rispetto ai carichi transitori.
Dove si concentrano le tensioni: pannelli in vetro e colonne a sezione H
Le concentrazioni di tensione localizzate compaiono in due elementi: i pannelli in vetro e le colonne in acciaio a sezione H. La corrispondenza ricostruita tra evoluzione transitoria della pressione aerodinamica, fasi del passaggio del treno e risposta strutturale a livello di componente fornisce una base più completa per la progettazione di queste opere e per la loro valutazione ingegneristica in presenza di velocità di esercizio crescenti.
Per il progettista il messaggio è operativo: la verifica di una barriera completamente chiusa non può prescindere dalla scansione temporale del transito, con l’uscita del convoglio come condizione dominante e con pannelli in vetro e colonne a sezione H come punti dove la domanda di tensione si localizza.
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