Ancoraggio chimico applicato alla trazione elettrica ferroviaria

Ancoraggio Chimico della Trazione Elettrica

Per comprendere quando è usato l’ancoraggio chimico nella trazione elettrica ferroviaria, spieghiamo brevemente quali sono i componenti della trazione elettrica ferroviaria.

In base alla Direttiva 2016/797, il sistema ferroviario può essere suddiviso in sottosistemi di natura strutturale e funzionale.

Tra i sottosistemi strutturali abbiamo:

  • infrastruttura,
  • energia,
  • controllo-comando e segnalamento a terra,
  • controllo-comando e segnalamento di bordo,
  • materiale rotabile;

Tra i sottosistemi di natura funzionale abbiamo:

  • esercizio e gestione del traffico,
  • manutenzione,
  • applicazioni telematiche per i servizi passeggeri e merci.

Il sottosistema Energia è definito dalla Specifica Tecnica d’Interoperabilità “Energia” emessa con REGOLAMENTO (UE) N. 1301/2014 DELLA COMMISSIONE del 18 novembre 2014. Comprende:

  1. sottostazioni: hanno la funzione di trasformare l’alta tensione in una tensione e/o di convertirla in un sistema di alimentazione adatto ai treni. Le sottostazioni sono collegate al sistema della catenaria;
  2. punti di sezionamento: apparecchiature elettriche collocate in posizioni intermedie tra le sottostazioni per alimentare e connettere in parallelo le linee di contatto, e fornire protezione, isolamento e alimentazioni ausiliarie;
  3. tratti di separazione: apparecchiature necessarie per effettuare la transizione tra sistemi elettricamente diversi o tra fasi diverse dello stesso sistema elettrico;
  4. sistema della catenaria: sistema che distribuisce l’energia elettrica ai treni che circolano sulla linea e la trasmette ai treni per mezzo di dispositivi di captazione di corrente. Il sistema della catenaria è dotato anche di sezionatori controllati manualmente o a distanza che servono a isolarne tratti o gruppi in base alle necessità operative.
  5. circuito di ritorno: tutti i conduttori che formano il percorso stabilito della corrente di trazione di ritorno. Pertanto, per quanto riguarda tale aspetto, il circuito di ritorno di corrente è parte del sottosistema «Energia» ed ha un’interfaccia con il sottosistema «Infrastruttura».

Focalizziamoci ora su sul sistema della catenaria, anzi sui suoi componenti di sostegno quali le travi a sbalzo, i sostegni di linea e le fondazioni, i conduttori di ritorno, gli alimentatori di autotrasformazione, i sezionatori e altri isolatori.

Da cosa ha origine l’uso dell’ancoraggio chimico per la Trazione Elettrica

La linea di contatto è normalmente sostenuta attraverso pali di acciaio fissati a blocchi di fondazione costituiti da conglomerato cementizio armato.

In corrispondenza di opere murarie, prevalentemente in galleria, sui viadotti, ma anche in corrispondenza di muri di sostegno, contestualmente all’impossibilità di realizzare blocchi di fondazione, il sostegno potrà essere aggrappato all’opera muraria mediante l’impiego di adeguate carpenterie e sistemi di ancoraggio chimico.

In queste situazione in cui vi è l’impossibilità di realizzare il sostegno tradizionale vi è la necessità di fissare gli elementi di supporto della linea di contatto alle strutture portanti mediante sistemi di ancoraggio chimico post-installato.

Ad esempio, in ambienti come gallerie e viadotti, non possono essere realizzate le fondazioni con tirafondi gettati in opera per sostenere pali o tralicci della trazione elettrica.

Cosa garantisce l’ancoraggio chimico post-installato

  • elevata resistenza meccanica;
  • capacità di isolamento alle correnti vaganti;
  • possibilità di installazione sopra testa;
  • possibilità di installazione in materiale umido;
  • possibilità di installazione su diversi materiali di base: (calcestruzzo fessurato o non fessurato, muratura, pietra);
  • possibilità di installazione in foro realizzato con carotatrice (quindi liscio e non scabro).

Ancoraggio chimico: prove in situ

Sotto il profilo ingegneristico e documentale non è banale il fatto che l’ancorante venga installato su strutture esistenti: non sempre si hanno a disposizione dati sulla tenuta dell’ancoraggio e pertanto si rendono necessarie delle prove di trazione in situ, a valle dell’installazione, per saggiare la resistenza del fissaggio installato nello specifico materiale di base

Le prove in situ possono permettere di verificare, valutare e documentare il carico delle soluzioni basate sui sistemi di ancoraggio chimico. Se vuoi vedere un esempio pratico, guarda il video

Ancoraggi meccanici e ancoraggi chimici

Nei sistemi di ancoraggio strutturali, in forma semplicistica possiamo individuare 3 componenti

  • il materiale base;
  • l’ancorante;
  • l’elemento da fissare.

Il materiale di base è il manufatto strutturale a cui si vuole ancorare l’elemento da fissare. I materiali di base generalmente da considerare nell’ancoraggio della trazione elettrica, sono il calcestruzzo fessurato e non fessurato, nonché la muratura.

L’ancorante è l’elemento che consente l’ancoraggio tra il materiale base e l’elemento da fissare, con il compito di trasferire le sollecitazioni al materiale di supporto in cui sono installati.

L’elemento da fissare è l’elemento che deve essere fissato al materiale base, ad esempio nel caso della trazione elettrica ci riferiamo ai sostegni che portano i carichi dei conduttori, delle sospensioni e dei sostegni stessi.

In generale, a prescindere dalle applicazioni ferroviarie, la scelta del sistema di ancoraggio è determinata da:

  1. tipo di materiale di base;
  2. geometria di posa (spessore del materiale di posa, diametro del foro, lunghezza dell’ancoraggio, interessa minimo tra gli ancoranti);
  3. entità e tipologia di carico;
  4. condizioni ambientali, quali temperatura, umidità, rischi di incendio, ecc.

Possiamo individuare due grandi macro categorie: ancoranti meccanici e ancoranti chimici

Riguardo il principio di funzionamento, gli ancoraggi meccanici lavorano per forma (e quindi la resistenza è generata dal bloccaggio tra foro e ancorante), per attrito (dovuta quindi all’espansione del cilindro dell’ancorante, che aumenta all’aumentare del serraggio), per adesione tra la resina ed il materiale di base.

Ancoraggio Chimico: tipi di resine

I sistemi di ancoraggio chimico sono classificati secondo le norme EAD 332402 (European Assessement Documents). Le tipologie più note sono:

  • Ancorante chimico vinilestere, bi-componente;
  • Ancorante chimico epossidico bi-componente.

Facendo l’esempio dell’ancorante chimico epossidico, i suoi componenti sono:

  • componente A : resina epossidica, materiale riempitivo;
  • componente B: indurente a base di ammina e materiale riempitivo;
  • definizione del rapporto di miscelazione tra componente A – componente B (resina – indurente).

Rispetto agli ancoranti meccanici, quelli chimici permettono notevole flessibilità di installazione in vari tipi di materiale di base e differenti condizioni d’uso, ma soprattutto elevate prestazioni e affidabilità.

HIT-RE 500 V4 è un esempio di ancorante chimico epossidico a iniezione ad alte prestazioni con certificazioni per collegamenti di ferri di ripresa e ancoraggi per carichi pesanti, utilizzabile per varie condizione del materiale di base: ad acqua, A secco, Saturo d’acqua, Sommerso.
Certificazioni/Risultati dei test: ETA, Sismico

Sistemi di ancoraggio chimico in galleria ed altre opere

Ancoraggio chimico nel settore delle ferrovie.

A livello europeo, alcuni Gestori dell’Infrastruttura Ferroviaria, tra i cui RFI, hanno adottato delle Specifica Tecnica di Fornitura delle resine bicomponente per ancoraggio chimico, da usare per i Sistemi di Ancoraggio sono elemento post-installati su calcestruzzo o muratura, con impiego anche in funzione strutturale.

La specifica di fornitura definisce:

  • requisiti di qualità del prodotto e dei fornitori;
  • prescrizioni e requisiti del prodotto;
  • Procedure per la richiesta d’idoneità tecnica del prodotto;
  • le prove da eseguirsi presso laboratori o istituti universitari operanti secondo la norma UNI CEI EN ISO 17025;
  • Le condizioni di accettazione del prodotto.

Esiste poi una specifica caratteristica degli ancoranti chimici utilizzi per il sostegno delle Trazione elettrica: i fissaggi devono essere appositamente isolati elettricamente per evitare la corrosione dovuta alle correnti vaganti che potrebbero trasmettersi dall’impianto alla struttura tramite i punti di ancoraggio.

Il materiale di base tipicamente è in calcestruzzo o pietra naturale e causa della curvatura del tunnel spesso è necessaria una installazione con piastra distanziata ovvero con stand-off.

Idoneità tecnica dell’ancorante chimico

Le forniture per Rete Ferroviaria Italiana costituiscono un punto di riferimento per la comunità degli operatori ferroviari, in quanto basate sulla conformità a Specifiche Tecniche di Fornitura, e prese a riferimento da numerosi altri gestori ferroviari.

Ma cosa è l’idoneità Tecnica?

Il processo di idoneità tecnica ha lo scopo di dimostrare la rispondenza del prodotto alla Specifica tecnica di Fornitura “Resina bicomponente per ancoraggio chimico”.

In estrema sintesi, l’idoneità tecnica è basata su:

  • Assicurazione di qualità documentata da un Organismo di Certificazione Accreditato;
  • Piani di qualità
  • conformità alle prescrizioni e requisiti del prodotto.

I requisiti più noti di tali ancoraggi, sono la resistenza meccanica e la velocità di indurimento della resina (le resine bi-componente sono caratterizzate dalla rapida reazione di indurimento, omogenea in tutta la massa). Inoltre garantiscono isolamenti elettrici superiori ad 106 Ω offrendo una maggiore versatilità rispetto ad altri sistemi, per la possibilità di variare la profondità di ancoraggio e la possibilità di ancoraggio in vicinanza dei bordi delle strutture. Inoltre gli ancoranti chimici hanno mostrato lunga durata nel tempo, elevata resistenza al calore ed alle sostanze chimiche.

Gli interessati ad approfondire ulteriormente i contenuti della Specifica Tecnica, possono approfondire seguendo la rubrica “La Trazione Elettrica” pubblicata mensilmente sulla rivista “La Tecnica Professionale“.

La resina HIT-RE 500 V4

L’ancoraggio chimico realizzato da Hilti ha recentemente conseguito l’idoneità tecnica per la specifica tecnica di fornitura RFI per ancoraggi chimici bicomponenti per trazione elettrica e isolamento elettrico, con la nuova resina HIT-RE 500 V4.

Per ottenere tale qualifica, oltre a tutti i test e documenti che normalmente accompagnano l’uscita sul mercato di un nuovo prodotto, sono state effettuate delle prove ad hoc in coerenza alla STF di RFI.

Tra le varie tipologie di prove assumono particolare rilievo quelle di isolamento elettrico, con resistenza elettrica misurata: > 1 MΩ con 1 kV di corrente continua (DC), prove di resistenza meccanica su blocchi in calcestruzzo e su muratura, prove di resistenza al fuoco.

Il sistema di ancoraggio chimico completo per l’impiego legato alla trazione elettrica è composto da:

  1. resina chimica HIT-RE 500 V4 su calcestruzzo/muratura, HIT-HY 270 su muratura;
  2. barra filettata in acciaio A4 70 (AISI 316) / EN 1.4401 o grappa in rame secondo norma
    tecnica IE.TE.18;
  3. dado, controdado e rondella in acciaio inox A4;
  4. nr. 2 anelli di centraggio (in caso di fissaggi su calcestruzzo) HIT-CR;

Cosa sono gli anelli di centraggio e perché riguardano l’isolamento elettrico del Sistema di ancoraggio chimico

Nel caso di ancoraggio chimico su calcestruzzo armato è richiesta un’adeguata resistenza elettrica del sistema per garantire una barriera al passaggio di correnti parassite.

Tale valore di resistenza elettrica deve essere maggiore di 1 MΩ con 1 kV di corrente continua (DC).

La resina HIT-RE 500 V4 permette di di raggiungere questo valore quando lo spessore dell’anello di
resina attorno alla barra è superiore ai 2,5 mm. La garanzia di uno spessore uniforme di resina attorno alla barra filettata è garantita dall’impiego di anelli di centraggio con alette distanziatrici.
Gli anelli devono essere disposti uno al fondo ed uno a circa un terzo del foro.

L’ancoraggio chimico di cui trattiamo è utilizzabile non soltanto per la trazione elettrica, ma anche in altri ambiti come: fissaggio parapetti su viadotti, fissaggio di barriere antirumore, fissaggio di canaline elettriche o impianti TLC, corrimano in galleria.

Posa in opera del sistema di ancoraggio chimico

Per quanto riguarda gli aspetti realizzativi, una installazione a regola d’arte di un ancorante chimico sopra testa in galleria prevede le seguenti fasi operative:

  • Realizzazione del foro: L’esecuzione del foro per la posa in opera di un ancorante può essere fatta con differenti punte così come la pulizia può essere fatta in maniera manuale o meccanizzata. E’ importante che la resina sia adatta ad utilizzo sia con foro realizzato con trapano a roto-percussione (foro scabro), sia con carotatrice (foro liscio). Infatti, la scabrezza delle pareti del foro ha rilevanza sulla resistenza dell’ancoraggio chimico e spesso i fori sopra testa di grande diametro e profondità, o in elementi fortemente armati, vengono realizzati con carotatrice;
  • Pulizia del foro: con idoneo sistema di aspirazione;
  • Iniezione della resina, partendo dal fondo del foro e avendo cura di evitare la formazione di sacche d‘aria; È opportuno iniziare l’iniezione della resina partendo dal fondo del foro, ritirando lentamente il miscelatore; Occorre riempire approssimativamente i 2/3 di volume del foro, o come richiesto e garantire che lo spazio anulare tra la barra ed il calcestruzzo sia completamente riempito con resina lungo tutta la lunghezza dell’inghisaggio. Per le installazioni sopra testa l‘iniezione della resina è possibile sfruttare l‘aiuto di una prolunga e di un pistoncino d‘arresto;
  • Posizionamento barra d’ancoraggio (grappa).

Riepiloghiamo con un video di esempio

Progettazione del sistema di ancoraggio.

Progettare l’ancoraggio è forse la parte che interessa di più all’ingegnere ferroviario, e vorremmo trovare risposta a molte domande, ad esempio:

  • con quale metodo si calcola l’applicazione dell’ancoraggio chimico;
  • quali sono le norme di riferimento per individuare i criteri di calcolo;
  • cosa considerare nell’analisi dei carichi, quali sono i componenti che costituiscono il peso proprio e quali sono i sovraccarichi da considerare;
  • quali sono le caratteristiche geometriche dell’ancoraggio chimico;
  • come viene calcolata la lunghezza dell’ancoraggio chimico;
  • come calcolare il diametro del foro e come scegliere il diametro della barra;
  • cosa si intende per interasse critico ed interasse minimo;
  • quali sono le sollecitazioni attive, come eseguire la verifica di resistenza;
  • quali sono i principali software utilizzati per la progettazione dei collegamenti in acciaio.

A tutte queste domande cercheremo di dare risposta nella web conference organizzata del CIFI, Collegio Ingegneri Ferroviari Italiano per il 19 luglio 2022, in materia di sistemi di ancoraggio chimico applicato alla trazione elettrica ferroviaria.

L’Iniziativa è gratuita: per partecipare basta iscrivendosi tramite la pagina web https://www.ferrovie.academy/convegni/sistemi-di-ancoraggio-chimico-t-e/

Di seguito la locandina della web conference.

L’articolo è stato scritto in collaborazione con Valerio Andreozzi – National Specifier Engineer Rail Infrastructure – Hilti

Valerio-Andreozzi-Hilti

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