Gestione e Diagnostica delle Infrastrutture Ferroviarie

Definizioni e Quadro Normativo della Manutenzione

• Definizione di Manutenzione: Secondo le norme [UNI EN 50126, UNI EN 13306, UNI 9910 e UNI 10147], la manutenzione è definita come «la combinazione di tutte le azioni tecniche e amministrative, che includono azioni di supervisione, rivolte a mantenere un prodotto in uno stato, o a ripristinarlo verso tale stato, nel quale può svolgere la funzione richiesta».
• Settori di intervento: i lavori di manutenzione e i relativi strumenti sono raggruppati in cinque settori principali:
  • Opere civili: comprese stazioni, ponti e gallerie.
  • Armamento: binario e sovrastruttura.
  • Trazione elettrica: fornitura di energia e linee di contatto.
  • Segnalamento: comprendente deviatoi, passaggi a livello e sistemi di controllo dei treni.
  • Telecomunicazioni: trasmissione dati, comunicazione treno-treno e treno-terra.
• Frequenza dei lavori: gli interventi si distinguono in base alla finalità e al contenuto in straordinari e ordinari.
• Indicatori di successo: per il raggiungimento degli obiettivi sono necessari:
  • Specifici indicatori di prestazione (KPI) per l'affidabilità dei componenti.
  • Un sistema di gestione dell'informazione (monitoraggio costante).
  • Un sistema di diagnostica per verificare i gradi di ammaloramento.

Manutenzione Straordinaria

• Caratteristiche: lavori non ricorrenti, non ripetibili e con costi elevati rispetto al valore di rimpiazzo.
• Finalità:
  • Prolungare la vita utile del bene.
  • Migliorare efficienza, affidabilità, produttività, manutenibilità e ispezionabilità.
• Aspetto economico: gli interventi sono capitalizzati poiché incrementano il valore patrimoniale del bene per ragioni tecniche, finanziarie o di legge.
• Tipologie principali:
  • Progetti di manutenzione straordinaria e opere a difesa: includono il rinnovo degli impianti quando raggiungono la fine della vita tecnica o non garantiscono più sicurezza.
  • Progetti su obblighi di legge: interventi per eliminare o rinnovare impianti regolati da normative statali.
• Esempi di interventi:
  • Risanamento della massicciata: ricostituzione con materiale nuovo.
  • Rinnovamento: ripristino dell'efficienza della sovrastruttura.
  • Aggiornamento impianti.

Manutenzione Ordinaria e Strategie Manutentive

• Definizione: lavori sistematici che interessano con continuità la tratta durante il ciclo di vita del bene.
• Obiettivi:
  • Mantenere l'integrità originaria e l'efficienza.
  • Contenere il degrado dovuto all'uso.
  • Garantire la vita utile e gestire eventi accidentali.
• Interventi tipici:
  • Revisione generale: ripristina l'efficienza del binario.
  • Livellamento: ripristina la configurazione planimetrica e altimetrica.
  • Rincalzatura: ripristina specificamente il livello del binario.
• Classificazione delle strategie (UNI 9910, UNI 10147, EN 13306):
  • Manutenzione Programmata (Proattiva - prima dell'avaria):
    • Migliorativa: aumenta efficienza o affidabilità senza aumentare il valore patrimoniale.
    • Preventiva: suddivisa in Ciclica (eseguita a intervalli di tempo o unità d'uso come train-km o $MGT$) e Predittiva (basata sull'analisi di parametri di degrado).
    • Secondo condizione: legata a ispezioni e metodi statistici.
  • Manutenzione Non Programmata (Dopo l'avaria):
    • Correttiva Urgente (Immediata): per difetti che colpiscono la sicurezza.
    • Correttiva Differita: per piccoli difetti raggruppabili e trattabili insieme.

Qualità della Sovrastruttura: Versante Strutturale

• Qualità Strutturale: stato di salute degli elementi (rotaie, traverse, ballast, attacchi).
• Tipologie di difetti comuni: tasche ovali, disgregazione della superficie di rotolamento, ondulazioni, sgranamento, deformazione, fessurazioni, usura del fungo (laterale, verticale, plastica), ammaccature.
• Cause principali:
  • Difetti di produzione.
  • Trasporto, installazione o uso improprio.
  • Fatica dovuta ai carichi del traffico.
• Monitoraggio: visivo, ultrasuoni e accelerometri.
• Classificazione UIC (Codifica Difetti Rotaia): sistema numerico identificativo (es. 1966, UIC 712R, Handbook RC 2400):
  • Primo Numero: ubicazione longitudinale (1 = testata, 2 = campata, 3 = superficiale da danni esterni).
  • Secondo Numero: posizione in sezione trasversale (0 = profilo completo, 1 = interno fungo, 2 = superficie fungo, 3 = gambo, 5 = suola).
  • Terzo Numero: orientazione (1 = trasversale, 2 = orizzontale) o causa (per danni esterni: 1 = vari, 2 = lavorazioni inammissibili).
  • Quarto Numero: informazioni complementari.
  • Esempio 411: saldatura a scintillio con difetto trasversale.
  • Esempio 113: fenditura verticale longitudinale nel fungo in testata.

Analisi delle Sollecitazioni sulla Rotaia

• Bending and Shear Stresses: il passaggio della ruota genera sforzi laterali, verticali e di taglio. Gli sforzi verticali sono predominanti (compressione sul fungo, trazione sul piede). Il taglio causa rotture spesso in corrispondenza dei fori delle piastre d'attacco.
• Wheel-Rail Contact Stresses: generate dal carico ruota e dalle forze di trazione, frenatura e guida in curva.
• Thermal Stresses: critiche nelle Lunghe Rotaie Saldate ($LRS$). Alte temperature causano compressione assiale (instabilità), basse temperature causano trazione (fratture fragili).
• Residual Stresses: imposti durante la produzione, possono contribuire alla crescita di difetti nel centro del fungo.
• Dynamic Effects: amplificazione dei carichi statici dovuta a irregolarità di ruota/rotaia, proporzionale alla velocità.

Qualità della Sovrastruttura: Versante Geometrico

• Parametri principali:
  • Scartamento ($S$): distanza minima tra i fianchi attivi misurata a $14\,mm$ sotto il piano di rotolamento.
  • Allineamento ($A$): deviazione delle posizioni del binario rispetto alla posizione media (direzione Y).
  • Livello Longitudinale ($L$): deviazione verticale della tavola di rotolamento (direzione Z).
  • Livello Trasversale ($XL$): differenza in altezza tra le due tavole di rotolamento.
  • Sghembo ($\gamma$): rapporto tra la differenza di livello trasversale in due sezioni e la loro distanza (base di misura $3\,m$ o $9\,m$).
  • Usura laterale e usura a $45^{\circ}$.
• Normative di riferimento: ANSFISA (Italia), TSI INF (Interoperabilità), Direttiva UE 798/2016, serie UNI 13848.
• Livelli di Qualità Correnti:
  • 1° Livello: geometria in ottime condizioni.
  • 2° Livello: da attenzionare (valutare cause ed evoluzione nel tempo).
  • 3° Livello (Fascia di intervento): manutenzione richiesta entro tempi prestabiliti o restrizioni all'esercizio (rallentamenti/interruzioni).
• Soglie Limite (UNI EN 13848-5):
  • AL (Alert Limit): Limite di attenzione.
  • IL (Intervention Limit): Limite di intervento.
  • IAL (Immediate Action Limit): Limite di azione immediata.

Valori Limite Geometrici

• Scartamento Isolato (Differenza dal nominale in $mm$):
  • Per velocità $V \le 80\,km/h$: $-11\,mm$ (Minimo IAL), $+35\,mm$ (Massimo IAL).
  • Per velocità $230 < V \le 300\,km/h$: $-5\,mm$ (Minimo IAL), $+28\,mm$ (Massimo IAL).
• Media Mobile Scartamento (su $100\,m$):
  • Per $V \le 40\,km/h$: massimo IAL $+32\,mm$.
  • Per $230 < V \le 300\,km/h$: minimo IAL $-3\,mm$, massimo IAL $+20\,mm$.
• Usura a $45^{\circ}$: se superiore a $15\,mm$, è prevista l'interruzione della linea.
• Livello Trasversale: EN 13848-5 non dà limiti fissi ma suggerisce di non superare i $20\,mm$.
• Allineamento e Livello Longitudinale: le soglie variano in base alla lunghezza d'onda (D1: $3 < \lambda \le 25\,m$; D2: $25 < \lambda \le 70\,m$; D3: $70 < \lambda \le 200\,m$).

Indici di Qualità del Binario (IQB)

• Definizioni degli Indici di Difettosità:
  • Indice di difettosità longitudinale: deviazione standard su $200\,m$.
  • Indice di difettosità allineamento: deviazione standard su $200\,m$.
  • Indice di difettosità trasversale: deviazione standard su $200\,m$.
  • Indice di rincalzatura: il peggiore (massimo) degli indici sopra menzionati su $200\,m$ per binario di corsa.
• IQBT (In Tratta): valore medio degli indici di rincalzatura della tratta (esclusi scambi e stazioni).
• IQBS (In Stazione): valore medio degli indici di difettosità longitudinale nella località considerato.
• Programmazione interventi:
  • Parametri non connessi a IQB (Sghembo, Scartamento, Usura): intervento entro $48\,h$ per sghembo (se 3° livello), $6\,mesi$ per scartamento, $3\,mesi$ per usura.
  • Parametri connessi a IQB: se IQB supera le soglie, gli interventi devono essere programmati in base alla velocità di evoluzione.

Strumentazione e Macchine per la Diagnostica

• Vettura Talete ($V < 160\,km/h$): rileva geometria (LVDT e laser), usura rotaia, accelerazioni (boccola e cassa) e videoispezione. Dispone di 6 monitor per l'analisi dei dati in tempo reale.
• Treno Archimede (Costo: $\approx 20$ milioni di Euro): treno diagnostico avanzato ($V_{max} = 200\,km/h$).
  • Composizione: 6 carrozze (Semipilota, Impianti Elettrici, Armamento, Autodiagnostica, Officina, Motrice E 402 B).
  • Tecnologia: 119 parametri rilevati, 57 calcolatori, 24 laser, 43 sensori ottici, 47 accelerometri, GPS e radar di velocità.
  • Rilevamenti: interazione ruota-rotaia, usura filo linea di contatto (errore $< 0.1\,mm$), arco elettrico, videoispezione ETCS/GSM-R.
• Treno Diamante (DIAgnostica e MAnutenzione TEcnologica): rilievi fino a $330\,km/h$ su linee AV/AC (25 kV) e storiche (3 kV).
• Altre Vetture: Cartesio ($120\,km/h$), Euclide ($90\,km/h$), Galileo (controllo ultrasuoni rotaie a $45\,km/h$).
• Linee Secondarie: utilizzo del veicolo strada-rotaia HRT260 (misura ogni $25\,cm$) per scartamento, allineamento, livello e usura.

Operazioni di Manutenzione e Mezzi Operatori

• Risanamento della Massicciata:
  • Scopo: ripristinare drenaggio ed elasticità (contro inquinamento da argilla o polverizzazione).
  • Fasi: rimozione, vagliatura (recupero materiale buono), posa nuovo ballast, profilatura.
  • Profondità di scavo: standard $25\,cm$ sotto le traverse.
  • Risanamento con scudatura: interposizione di geotessili o strati inerti ($30-50\,cm$) per separare piattaforma e massicciata.
• Profilatura: effettuata dalla Profilatrice con vomeri laterali per le scarpate, coppi per l'interno e spazzolone rotante per la pulizia delle rotaie.
• Rinnovamento dell'Armamento: sostituzione totale di rotaie e traverse tramite Treno Rinnovatore.
• Saldatura a scintillio: unione delle testate tramite contatto elettrico e calore, senza materiale d'apporto, garantendo una barra omogenea.
• Rincalzatura (Tamping):
  • Effettuata dalla Rincalzatrice.
  • Parametri: vibrazione a $35\,Hz$ e pressione martelli.
  • Funzione: allineamento, innalzamento e compattazione del ballast.
• Revisione Generale: operazioni manuali o meccanizzate per correggere scartamento, luci di dilatazione e serraggio attacchi.

Manutenzione degli Impianti

• Impianti Elettrici: LP (Alta tensione), SSE (Sottostazioni), TE (Trazione elettrica), LFM (Luce e forza motrice).
• Impianti IS (Sicurezza e Segnalamento): segnali, RBC (Radio Block Center), scambi, circuiti di linea, contatori d'assi, dispositivi di protezione.
• Manutenzione TLC: reti di comunicazione, sistemi radio, trasmissione dati.
• Gestione del dato: i dati diagnostici sono integrati in ambienti GIS e BIM per la pianificazione degli interventi.