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Ballast ferroviario: monitoraggio del degrado con georadar

Una campagna sperimentale che analizza scenari relativi a differenti spessori di ballast e, con riferimento a ciascuno di essi, differenti livelli di inquinamento

Ballast ferroviario: monitoraggio del degrado con georadar

L’indagine sperimentale

Al fine di verificare rigorosamente le potenzialità e l’affidabilità del georadar nelle valutazioni della qualità del ballast ferroviario, si è progettato un esperimento di laboratorio nell’ambito del quale sono state condotte prove in ambiente controllato e in condizioni standard utilizzando diversi sistemi Radar. Si è considerato un ampio spettro di livelli di inquinamento del ballast, attraverso la miscelazione di un materiale argilloso che simula l’esito di processi di degradazione per risalita di materiali fini o frammentazione del pietrisco.

L’apparato sperimentale è costituito da una vasca in metacrilato di altezza pari a 0,55 m e con una base quadrata di lato 1,55 m. La dimensione della vasca è stata calcolata in modo da eliminare gli effetti di bordo (riflessioni e scattering) durante le misure elettromagnetiche. Per verificare l’idoneità del ballast d’impiego si è fatto riferimento alla Norma UNI EN 13450. Le modalità di riempimento della vasca sono anch’esse state standardizzate in modo da garantire la riproducibilità delle prove. A tal proposito, effettivamente gli esiti di prove ripetute in cicli di riempimento e svuotamento della vasca hanno dato risultati assolutamente confrontabili. Nelle prove sperimentali sono stati utilizzati i seguenti sistemi georadar:

  • antenna horn – frequenza centrale di banda 1.000 MHz;
  • antenna horn – frequenza centrale di banda 2.000 MHz;
  • antenna horn – frequenza centrale di banda 2.000 MHz (depotenziata, mercato USA);
  • antenna dipolare – frequenza centrale di banda 600 MHz;
  • antenna dipolare – frequenza centrale di banda 1.600 MHz.

La campagna sperimentale si è svolta analizzando scenari relativi a differenti spessori di ballast e, con riferimento a ciascuno di essi, differenti livelli di inquinamento. L’apparato sperimentale e la realizzazione degli scenari di prova, considerata la dimensione della vasca, i volumi e i pesi dei materiali movimentati (circa 1.500 kg di ballast e 400 kg di inquinante), determinano un onere assolutamente rilevante nella conduzione della prova; ciò, come anticipato, ha suggerito di associare all’indagine sperimentale una attività di simulazione numerica, anche con lo scopo di investigare ulteriori condizioni del ballast con tecniche molto più economiche. Nel presente lavoro si darà cenno ai primi risultati ottenuti, molto promettenti, rinviando a un lavoro conclusivo che terrà in considerazione gli esiti della completa attività di ricerca.

La simulazione numerica

Per simulare numericamente le prove sperimentali, così da implementare a costi ridotti uno strumento utile ad ampliare gli scenari considerati ed investigare situazioni che possono essere sperimentalmente proibitive, si è accoppiato un algoritmo di generazione dell’ambiente fisico ad un codice di integrazione delle equazioni di Maxwell che descrivono la propagazione del segnale del georadar nel mezzo dielettrico. Tale sistema numerico è stato implementato su un dominio bidimensionale. Per quanto attiene la generazione del dominio fisico del ballast, si è utilizzato un algoritmo di posizionamento casuale di inclusioni all’interno di una geometria prefissata, denominato RSA (Random Sequential Adsorption).

Più specificamente, l’elemento di ballast è approssimato ad un’inclusione di forma ellittica in uno spazio bidimensionale. Dalle verifiche numeriche è emerso che il ballast ferroviario utilizzato nell’esperimento ha una forma più vicina a quella sferica con coefficienti di forma e appiattimento prossimi all’unità; ciò ha giustificato in questa prima fase l’adozione di inclusioni sferiche. Tali inclusioni, estratte casualmente in modo da garantire la coerenza della granulometria con quella reale, sono quindi posizionate nel dominio di riferimento che, nel caso in esame, è stato approssimato a un mezzo semi-infinito per annullare fenomeni di bordo anche nel dominio numerico come in quello reale. L’inquinamento del ballast è stato simulato assegnando un valore dei parametri dielettrici pari a quelli del materiale argilloso, al mezzo in cui l’inclusione di ballast è inserita.

La simulazione numerica della misura con georadar è stata condotta attraverso un codice di integrazione alle differenze finite in domini complessi delle equazioni di Maxwell: GPRmax. A tal proposito, si è dovuto innanzitutto riprodurre la geometria e le caratteristica delle antenne utilizzate, delle quali non sono noti i particolari poiché protetti da segreto industriale. Pertanto, tale attività ha richiesto un processo non semplice di successive approssimazioni sino a definire un sistema di antenne compatibili con quelle reali. Successivamente, si è acquisito nel codice il dominio di propagazione definito attraverso l’applicazione del modello RSA e si sono condotte le simulazioni al variare dei caratteri del dominio.

I primi esiti delle prove sperimentali di laboratorio e la discussione dei risultati

L’apparato sperimentale si è dimostrato particolarmente robusto e consistente alla luce dei primi risultati che consentono di affermare, considerate al momento le sole indagini sul segnale nel dominio del tempo, come lo studio del ballast con georadar sia:

  1. ripetibile al variare dell’assetto del ballastall’interno del dominio indagato;
  2. affidabile, in termini relativi per tutti i sistemi georadar, per quanto riguarda la valutazione delle caratteristiche dielettriche dei mezzi e quindi le condizioni di inquinamento;
  3. affidabile in termini assoluti per i sistemi georadar con antenne horn.

Inoltre, si evidenzia la necessità di una fase di analisi del segnale attraverso opportuni filtri numerici.

Conclusioni

La ricerca presentata, attualmente in fase di svolgimento, risulta fondamentalmente suddivisa in due percorsi paralleli ma, allo stesso tempo, complementari. Il primo è rappresentato dall’intensa fase sperimentale che ha consentito di riprodurre in ambiente di laboratorio alcuni scenari, relativi a una sovrastruttura ferroviaria, estremamente rappresentativo del caso reale al fine di realizzare delle indagini elettromagnetiche affidabili. Le prove eseguite su questo setup sperimentale hanno consentito di caratterizzare i materiali impiegati da un punto di vista dielettrico e di effettuare una prima valutazione della variazione del segnale radar causata dalla presenza di materiale fino tra i grani di ballast (inquinamento). Non di meno, i risultati ottenuti dalle prove di laboratorio appaiono particolarmente utili ai fini dello sviluppo del secondo percorso su cui si muove la ricerca, ossia la simulazione numerica. Infatti, il segnale georadar misurato in laboratorio ha consentito la calibrazione di un modello di simulazione numerica in grado di restituire delle informazioni relative al comportamento elettromagnetico del ballast ferroviario. Questa seconda attività è stata condotta tramite una preliminare ricostruzione numerica dell’assetto della matrice solida del ballast all’interno del dominio di indagine, per mezzo di un algoritmo di posizionamento casuale dei grani, e una successiva simulazione del segnale georadar con l’utilizzo di un apposito codice.

In una prima fase di elaborazione, si evidenzia come i risultati ottenuti siano estremamente incoraggianti al fine di implementare modelli affidabili per la previsione dell’inquinamento della massicciata ferroviaria direttamente tramite analisi georadar, in maniera dunque altamente efficiente e non impattante sul traffico dei convogli. La buona corrispondenza tra i dati simulati e quelli misurati in laboratorio, inoltre, consente di poter programmare ulteriori analisi numeriche su differenti configurazioni, in termini di tipologia di sovrastruttura e livello di inquinamento, indipendentemente dalle prove sperimentali di laboratorio, che risultano maggiormente onerose sia da un punto di vista economico che dei tempi di esecuzione.