Crosswind stability analysis of the high-speed train in presence of gap in the stretch of windbreaks

In case of strong crosswind, the overturning risk of railways vehicles increases, in particular for high speed trains. A solution to this problem is the installation of windbreak barriers; however the specific morphology of the terrain and the presence of obstacle along the line can require discontinuities in the stretch of barriers, and therefore compromise the sheltering effect. The present work of thesis has applied the stochastic methodology developed by Politecnico di Milano to evaluate the increase of the overturning risk of high speed trains travelling along a stretch of barriers in presence of gap and crosswind. The problem has been approached both through Wind Tunnel tests carried out on still scale models, in presence of different barriers configurations, and by CFD simulations that permit to reproduce the train-infrastructure relative motion. The results of the numerical model, validated both with Wind Tunnel and full scale tests, have permitted to calculate the real aerodynamic loads, by means of the evaluation of their amplification due to the gap in the barriers. Therefore, through simulation of the dynamics of a vehicle subjected to the wind action it has been possible to evaluate the Characteristic Wind Curves, that represent the limit wind speeds which lead the vehicle to the overcoming of safety limits. By means of this procedure, the reduction of the train overturning safety with respect to the case of the continuous stretch of barriers is evaluated. Considering a 3 m gap in full scale in an existent high speed line track, a 1.66% CWC maximum lowering has been evaluated, showing that this extension does not result critical for the train safety.

In caso di forte vento laterale, il rischio di ribaltamento di veicoli ferroviari aumenta, in particolare per i treni ad alta velocità. Una soluzione a tale problema è l’installazione di barriere frangivento; tuttavia la particolare morfologia del terreno o la presenza di ostacoli lungo il tracciato possono richiedere discontinuità nella stesa di barriere, e quindi comprometterne l’effetto schermante. Il presente elaborato di tesi ha applicato la metodologia stocastica sviluppata dal Politecnico di Milano per valutare l’aumento del rischio al ribaltamento di treni ad alta velocità in transito in una stesa di barriere in presenza di una interruzione e di vento laterale. Il problema è stato affrontato sia mediante prove in Galleria del Vento condotte su modelli in scala fermi, in presenza di differenti configurazioni di barriere, sia mediante simulazioni CFD che permettono di riprodurre il moto relativo treno-infrastruttura. I risultati del modello numerico, validato sia con prove in Galleria del Vento che al vero, hanno permesso di calcolare i reali carichi aerodinamici, attraverso la valutazione della loro amplificazione dovuta all’interruzione nelle barriere. Quindi, attraverso la simulazione della dinamica di un veicolo soggetto all’azione del vento è stato possibile valutare le Curve del Vento Caratteristiche che rappresentano le velocità limite del vento che portano il veicolo al superamento del limite di sicurezza. Per mezzo di questa procedura, è valutata la riduzione della sicurezza al ribaltamento del treno rispetto al caso con barriere continue. Considerando un’interruzione di 3 m al vero in un tratto di linea ad alta velocità esistente, è stato valutato un abbassamento massimo della CWC dell’1.66%, mostrando che tale estensione non risulta critica per la sicurezza del treno.