{"id":52782,"date":"2016-05-17T00:02:00","date_gmt":"2016-05-16T22:02:00","guid":{"rendered":"http:\/\/online.stradeeautostrade.it\/?p=52782"},"modified":"2016-05-06T16:27:38","modified_gmt":"2016-05-06T14:27:38","slug":"ballast-ferroviario-monitoraggio-del-degrado-con-georadar","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/materiali-e-inerti\/ballast-ferroviario-monitoraggio-del-degrado-con-georadar\/","title":{"rendered":"Ballast ferroviario: monitoraggio del degrado con georadar"},"content":{"rendered":"<p>Il ballast \u00e8 un aggregato grossolano di granulometria uniforme che funge da piano di posa per le traverse ferroviarie. La sua utilit\u00e0 \u00e8 da individuarsi nella dissipazione degli sforzi imposti dal passaggio dei mezzi ferroviari tramite attrito tra i grani, nel drenaggio e allontanamento delle acque meteoriche attraverso l\u2019elevato indice dei vuoti garantito dall\u2019uniformit\u00e0 granulometrica degli aggregati e nell\u2019attenuazione del rumore e delle vibrazioni generate dal carico dei convogli.<\/p>\n<p>Il sub-ballast \u00e8 invece un materiale di carattere ghiaioso o sabbioso posto al di sotto del ballast e inserito al fine di ottenere caratteristiche drenanti migliori e una maggiore distribuzione dei carichi al sottofondo. Ballast e sub-ballast formano dunque uno strato granulare di spessore variabile ma comunemente compreso tra 0,45 e 0,75 m. Nelle ferrovie di pi\u00f9 recente costruzione, tra il sub-ballast (laddove presente) ed il sottofondo, \u00e8 interposto uno strato filtro, generalmente costituito da una lastra di calcestruzzo, o da un telo geotessile. Nelle ferrovie tradizionali, invece, il ballast o il sub-ballast sono posti a diretto contatto con il sottofondo. Nel corso del tempo, il ballast viene progressivamente contaminato da materiale fino e polvere metallica che riempie gli spazi vuoti tra i grani di ballast. Questa contaminazione, nota con il nome di fouling (o \u201cinquinamento\u201d) pu\u00f2 essere ricondotta ai seguenti fenomeni:<\/p>\n<ul>\n<li>abrasione dei grani di ballast per contatto;<\/li>\n<li>perdita di polvere metallica nel contatto ruota-bordino;<\/li>\n<li>risalita capillare di materiale fino in presenza di falde sotterranee.<\/li>\n<\/ul>\n<div class=\"g1-gslider g1-gslider-no-js\">\n    <div class=\"g1-gslider-header\">\n        <p class=\"g1-delta g1-gslider-title\"><\/p>\n\n                    <span class=\"g1-gslider-nav\">\n                <a class=\"g1-gslider-nav-prev\" href=\"#\"><\/a>\n                <a class=\"g1-gslider-nav-next\" href=\"#\"><\/a>\n            <\/span>\n            <\/div>\n    <div class=\"g1-gslider-config\" data-g1-value='{\"slider\":{\"type\":\"standard\",\"dirNav\":true,\"coinNav\":true,\"coinNavType\":\"coins\"},\"lightbox\":true}'><\/div>\n    <div class=\"g1-gslider-body\">\n        <ul class=\"g1-gslider-items\">\n                        <li class=\"g1-gslider-item\">\n                <figure>\n                    <a href='https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/1_-17.png'><img width=\"730\" height=\"410\" src=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/1_-17.png\" class=\"attachment-g1_1of1_landscape size-g1_1of1_landscape\" alt=\"Il ballast \u00e8 un aggregato grossolano\" decoding=\"async\" loading=\"lazy\" srcset=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/1_-17.png 730w, https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/1_-17-300x168.png 300w\" sizes=\"(max-width: 730px) 100vw, 730px\" \/><\/a>\n                    <figcaption>\n                                                    <div class=\"g1-gslider-item-title\">Il ballast \u00e8 un aggregato grossolano di granulometria uniforme che funge da piano di posa per le traverse ferroviarie<\/div>\n                                                                            <div class=\"g1-gslider-item-caption\">Il ballast \u00e8 un aggregato grossolano di granulometria uniforme che funge da piano di posa per le traverse ferroviarie<\/div>\n                                                                    <\/figcaption>\n                <\/figure>\n            <\/li>\n                        <li class=\"g1-gslider-item\">\n                <figure>\n                    <a href='https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/2_-17.png'><img width=\"730\" height=\"410\" src=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/2_-17.png\" class=\"attachment-g1_1of1_landscape size-g1_1of1_landscape\" alt=\"La tipica configurazione di una sovrastruttura ferroviaria inquinata\" decoding=\"async\" loading=\"lazy\" srcset=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/2_-17.png 730w, https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/2_-17-300x168.png 300w\" sizes=\"(max-width: 730px) 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href='https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/5_-12.png'><img width=\"730\" height=\"319\" src=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/5_-12.png\" class=\"attachment-g1_1of1_landscape size-g1_1of1_landscape\" alt=\"Le caratteristiche essenziali del ballast\" decoding=\"async\" loading=\"lazy\" srcset=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/5_-12.png 730w, https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/5_-12-300x131.png 300w\" sizes=\"(max-width: 730px) 100vw, 730px\" \/><\/a>\n                    <figcaption>\n                                                    <div class=\"g1-gslider-item-title\">Le caratteristiche essenziali del ballast<\/div>\n                                                                            <div class=\"g1-gslider-item-caption\">Le caratteristiche essenziali del ballast<\/div>\n                                                                    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l\u2019inquinante)<\/div>\n                                                                            <div class=\"g1-gslider-item-caption\">Le caratteristiche del materiale inquinante ( * nelle sperimentazioni si \u00e8 preventivamente essiccato l\u2019inquinante)<\/div>\n                                                                    <\/figcaption>\n                <\/figure>\n            <\/li>\n                        <li class=\"g1-gslider-item\">\n                <figure>\n                    <a href='https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/7_-10.png'><img width=\"1110\" height=\"560\" src=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/7_-10-1110x560.png\" class=\"attachment-g1_1of1_landscape size-g1_1of1_landscape\" alt=\"Gli scenari sperimentali esaminati\" decoding=\"async\" loading=\"lazy\" \/><\/a>\n                    <figcaption>\n                                                    <div class=\"g1-gslider-item-title\">Gli scenari sperimentali esaminati<\/div>\n                                                                            <div class=\"g1-gslider-item-caption\">Gli scenari sperimentali esaminati<\/div>\n                                                                    <\/figcaption>\n                <\/figure>\n            <\/li>\n                        <li class=\"g1-gslider-item\">\n                <figure>\n                    <a href='https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/8_-8.png'><img width=\"730\" height=\"410\" src=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/8_-8.png\" class=\"attachment-g1_1of1_landscape size-g1_1of1_landscape\" alt=\"Il dominio numerico di simulazione del ballast\" decoding=\"async\" loading=\"lazy\" srcset=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/8_-8.png 730w, https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/8_-8-300x168.png 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src=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/10_-5.png\" class=\"attachment-g1_1of1_landscape size-g1_1of1_landscape\" alt=\"La ripetibilit\u00e0 della prova al variare dell\u2019assetto fisico del ballast nella vasca\" decoding=\"async\" loading=\"lazy\" srcset=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/10_-5.png 730w, https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/10_-5-300x168.png 300w\" sizes=\"(max-width: 730px) 100vw, 730px\" \/><\/a>\n                    <figcaption>\n                                                    <div class=\"g1-gslider-item-title\">La ripetibilit\u00e0 della prova al variare dell\u2019assetto fisico del ballast nella vasca<\/div>\n                                                                            <div class=\"g1-gslider-item-caption\">La ripetibilit\u00e0 della prova al variare dell\u2019assetto fisico del ballast nella vasca<\/div>\n                                                                    <\/figcaption>\n                <\/figure>\n            <\/li>\n                        <li class=\"g1-gslider-item\">\n                <figure>\n                    <a href='https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/11_-4.png'><img width=\"730\" height=\"410\" src=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/11_-4.png\" class=\"attachment-g1_1of1_landscape size-g1_1of1_landscape\" alt=\"I valori rilevati della costante dielettrica\" decoding=\"async\" loading=\"lazy\" srcset=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/11_-4.png 730w, https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/11_-4-300x168.png 300w\" sizes=\"(max-width: 730px) 100vw, 730px\" \/><\/a>\n                    <figcaption>\n                                                    <div class=\"g1-gslider-item-title\">I valori rilevati della costante dielettrica al crescere dell\u2019inquinamento del ballast e al variare della frequenza d\u2019indagine<\/div>\n                                                                            <div class=\"g1-gslider-item-caption\">I valori rilevati della costante dielettrica al crescere dell\u2019inquinamento del ballast e al variare della\nfrequenza d\u2019indagine<\/div>\n                                                                    <\/figcaption>\n                <\/figure>\n            <\/li>\n                        <li class=\"g1-gslider-item\">\n                <figure>\n                    <a href='https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/12_-2.png'><img width=\"730\" height=\"410\" src=\"https:\/\/www.stradeeautostrade.it\/wp-content\/uploads\/2016\/05\/12_-2.png\" class=\"attachment-g1_1of1_landscape size-g1_1of1_landscape\" alt=\"La costante dielettrica rilevata con i sistemi georadar horn\" decoding=\"async\" loading=\"lazy\" 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essere compromesse. Ci\u00f2 pu\u00f2 condurre a un\u2019instabilit\u00e0 della sovrastruttura che, come ultima conseguenza, pu\u00f2 determinare l\u2019eventuale deragliamento dei convogli. In quest\u2019ottica, dunque, una preventiva individuazione del fouling nel ballast ricopre un\u2019importanza fondamentale nel tentativo di garantire un esercizio ferroviario sicuro e una manutenzione efficiente. Scendendo nel dettaglio del fenomeno esaminato, la componente del fouling dovuta alla risalita capillare di materiale fino risulta senza dubbio la pi\u00f9 importante sotto il punto di vista della stabilit\u00e0 della sovrastruttura, in quanto il materiale di risalita pu\u00f2 contenere percentuali a volte molto alte di argilla che possono indurre fenomeni di plasticit\u00e0.<\/p>\n<p>Se si considera che, su un totale di 16.726 km di lunghezza complessiva della rete ferroviaria attualmente in esercizio in Italia, solo 1.350 km (circa l\u20198%) \u00e8 adibita al passaggio di treni AV e che queste ultime rappresentano la quasi totalit\u00e0 delle recenti realizzazioni, risulta evidente che circa nove ferrovie su dieci sono sottoposte ad inquinamento dovuto a risalita di materiale potenzialmente plastico dal sottofondo. Questi dati mostrano la gravit\u00e0 del problema e la necessit\u00e0 di un sistema efficiente ed efficace di individuazione preventiva del fenomeno al fine di ottenere una programmazione consapevole degli interventi manutentivi. Negli ultimi 25 anni, al fine di valutare efficacemente e speditamente lo stato del sistema ballast\/sub-ballast si \u00e8 diffuso l\u2019utilizzo del Ground Penetrating Radar, uno strumento non distruttivo basato sull\u2019utilizzo di tecnologie elettromagnetiche.<\/p>\n<p>Tuttavia, mentre inizialmente sono stati utilizzati per lo pi\u00f9 sistemi radar a contatto, a frequenza centrale tipicamente di 500 MHz, pi\u00f9 recentemente si \u00e8 notato che sistemi dotati di antenna a tromba (anche dette \u201chorn\u201d), nella maggioranza dei casi con frequenza centrale di 1 GHz, riescono a fornire immagini pi\u00f9 risolute con una produttivit\u00e0 decisamente superiore grazie alla possibilit\u00e0 di installare il sistema GPR direttamente su di un mezzo ferrato. \u00c8 risultato evidente che un sistema di questo tipo \u00e8 in grado di cogliere non solo le riflessioni dovute alle interfacce principali (aria-ballast, ballast\/sub-ballast, \u2026) ma anche di essere sensibile alla percentuale di vuoti, in quanto la lunghezza dell\u2019onda elettromagnetica emessa risulta paragonabile alle dimensioni dei grani di ballast stessi. Tale risultato \u00e8 di fondamentale importanza, perch\u00e9 \u00e8 proprio negli spazi vuoti che si creano tra il materiale grossolano che si inserisce il fenomeno del fouling e, pertanto, solo un sistema dotato di una tale sensibilit\u00e0 ne consente la sua identificazione. Negli ultimi tempi, si sta valutando la possibilit\u00e0 di utilizzare sistemi ancora pi\u00f9 risoluti con frequenza centrale di 2 GHz, sebbene vada valutata la profondit\u00e0 di trasmissione dell\u2019onda.<\/p>\n<p><!--nextpage--><\/p>\n<p><strong>L\u2019indagine sperimentale<\/strong><\/p>\n<p>Al fine di verificare rigorosamente le potenzialit\u00e0 e l\u2019affidabilit\u00e0 del georadar nelle valutazioni della qualit\u00e0 del ballast ferroviario, si \u00e8 progettato un esperimento di laboratorio nell\u2019ambito del quale sono state condotte prove in ambiente controllato e in condizioni standard utilizzando diversi sistemi Radar. Si \u00e8 considerato un ampio spettro di livelli di inquinamento del ballast, attraverso la miscelazione di un materiale argilloso che simula l\u2019esito di processi di degradazione per risalita di materiali fini o frammentazione del pietrisco.<\/p>\n<p>L\u2019apparato sperimentale \u00e8 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 \u00e8 stata calcolata in modo da eliminare gli effetti di bordo (riflessioni e scattering) durante le misure elettromagnetiche. Per verificare l\u2019idoneit\u00e0 del ballast d\u2019impiego si \u00e8 fatto riferimento alla Norma UNI EN 13450. Le modalit\u00e0 di riempimento della vasca sono anch\u2019esse state standardizzate in modo da garantire la riproducibilit\u00e0 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:<\/p>\n<ul>\n<li>antenna horn &#8211; frequenza centrale di banda 1.000 MHz;<\/li>\n<li>antenna horn &#8211; frequenza centrale di banda 2.000 MHz;<\/li>\n<li>antenna horn &#8211; frequenza centrale di banda 2.000 MHz (depotenziata, mercato USA);<\/li>\n<li>antenna dipolare &#8211; frequenza centrale di banda 600 MHz;<\/li>\n<li>antenna dipolare &#8211; frequenza centrale di banda 1.600 MHz.<\/li>\n<\/ul>\n<p>La campagna sperimentale si \u00e8 svolta analizzando scenari relativi a differenti spessori di ballast e, con riferimento a ciascuno di essi, differenti livelli di inquinamento. L\u2019apparato 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; ci\u00f2, come anticipato, ha suggerito di associare all\u2019indagine sperimentale una attivit\u00e0 di simulazione numerica, anche con lo scopo di investigare ulteriori condizioni del ballast con tecniche molto pi\u00f9 economiche. Nel presente lavoro si dar\u00e0 cenno ai primi risultati ottenuti, molto promettenti, rinviando a un lavoro conclusivo che terr\u00e0 in considerazione gli esiti della completa attivit\u00e0 di ricerca.<\/p>\n<h4>La simulazione numerica<\/h4>\n<p>Per simulare numericamente le prove sperimentali, cos\u00ec da implementare a costi ridotti uno strumento utile ad ampliare gli scenari considerati ed investigare situazioni che possono essere sperimentalmente proibitive, si \u00e8 accoppiato un algoritmo di generazione dell\u2019ambiente fisico ad un codice di integrazione delle equazioni di Maxwell che descrivono la propagazione del segnale del georadar nel mezzo dielettrico. Tale sistema numerico \u00e8 stato implementato su un dominio bidimensionale. Per quanto attiene la generazione del dominio fisico del ballast, si \u00e8 utilizzato un algoritmo di posizionamento casuale di inclusioni all\u2019interno di una geometria prefissata, denominato RSA (Random Sequential Adsorption).<\/p>\n<p>Pi\u00f9 specificamente, l\u2019elemento di ballast \u00e8 approssimato ad un\u2019inclusione di forma ellittica in uno spazio bidimensionale. Dalle verifiche numeriche \u00e8 emerso che il ballast ferroviario utilizzato nell\u2019esperimento ha una forma pi\u00f9 vicina a quella sferica con coefficienti di forma e appiattimento prossimi all\u2019unit\u00e0; ci\u00f2 ha giustificato in questa prima fase l\u2019adozione 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, \u00e8 stato approssimato a un mezzo semi-infinito per annullare fenomeni di bordo anche nel dominio numerico come in quello reale. L\u2019inquinamento del ballast \u00e8 stato simulato assegnando un valore dei parametri dielettrici pari a quelli del materiale argilloso, al mezzo in cui l\u2019inclusione di ballast \u00e8 inserita.<\/p>\n<p>La simulazione numerica della misura con georadar \u00e8 stata condotta attraverso un codice di integrazione alle differenze finite in domini complessi delle equazioni di Maxwell: GPRmax. A tal proposito, si \u00e8 dovuto innanzitutto riprodurre la geometria e le caratteristica delle antenne utilizzate, delle quali non sono noti i particolari poich\u00e9 protetti da segreto industriale. Pertanto, tale attivit\u00e0 ha richiesto un processo non semplice di successive approssimazioni sino a definire un sistema di antenne compatibili con quelle reali. Successivamente, si \u00e8 acquisito nel codice il dominio di propagazione definito attraverso l\u2019applicazione del modello RSA e si sono condotte le simulazioni al variare dei caratteri del dominio.<\/p>\n<h4>I primi esiti delle prove sperimentali di laboratorio e la discussione dei risultati<\/h4>\n<p>L\u2019apparato sperimentale si \u00e8 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:<\/p>\n<ol>\n<li>ripetibile al variare dell\u2019assetto del ballastall\u2019interno del dominio indagato;<\/li>\n<li>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;<\/li>\n<li>affidabile in termini assoluti per i sistemi georadar con antenne horn.<\/li>\n<\/ol>\n<p>Inoltre, si evidenzia la necessit\u00e0 di una fase di analisi del segnale attraverso opportuni filtri numerici.<\/p>\n<h4>Conclusioni<\/h4>\n<p>La ricerca presentata, attualmente in fase di svolgimento, risulta fondamentalmente suddivisa in due percorsi paralleli ma, allo stesso tempo, complementari. Il primo \u00e8 rappresentato dall\u2019intensa 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 attivit\u00e0 \u00e8 stata condotta tramite una preliminare ricostruzione numerica dell\u2019assetto della matrice solida del ballast all\u2019interno del dominio di indagine, per mezzo di un algoritmo di posizionamento casuale dei grani, e una successiva simulazione del segnale georadar con l\u2019utilizzo di un apposito codice.<\/p>\n<p>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\u2019inquinamento 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.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Il ballast \u00e8 un aggregato grossolano di granulometria uniforme che funge da piano di posa per le traverse ferroviarie. 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