Modellazione numerica per il monitoraggio delle tensioni nella Lunga Rotaia Saldata: dalla risposta locale delle celle di carico all'analisi non lineare dell'instabilità termica del binario

The progressive increase in axle loads and operating speeds, combined with increasingly marked thermal variability, represents a crucial challenge for the safety of railway infrastructures. In this scenario, the study of buckling phenomena in Continuous Welded Rail (CWR) configurations plays a central role, requiring refined analysis and monitoring tools. In this context, this thesis defines an integrated methodology, based on finite element modelling, for the monitoring and prediction of the structural behaviour of the track under thermal stress. In the first phase, a detailed linear analysis was performed through 3D solid modelling within the integrated Autodesk Inventor Nastran environment to optimize and validate S-type load cells, specifically designed for 60 E1 and 50 E5 rail profiles. The local-scale study allowed for the verification of the device's elastic response and the accurate mapping of the entire stress-strain state of the component. This proved fundamental for the implementation of Wheatstone bridge circuits, designed for real-time stress monitoring of the rail exposed to thermal loading. Subsequently, the investigation was extended from the local scale of the cell-rail interaction to the global scale of the railway system. Through a non-linear finite element analysis, the buckling phenomenon induced by thermal compression loads was investigated. This approach allowed for the determination of critical loads and collapse temperatures, analysing the entire evolutionary behaviour of the track in the pre- and post-buckling phases under varying boundary conditions. The integration between local monitoring and the predictive capacity of the global model ultimately defines a decision support model essential for the prevention of critical phenomena, as well as for the safety and regularity of railway operations.

Il progressivo incremento dei carichi e delle velocità d'esercizio, unitamente ad una variabilità termica sempre più marcata, impongono oggi una sfida cruciale per la sicurezza delle infrastrutture ferroviarie. In tale scenario, assume un ruolo centrale lo studio dei fenomeni di instabilità flessionale nella configurazione a lunga rotaia saldata (LRS), la cui gestione richiede strumenti di analisi e monitoraggio sempre più raffinati. In questo contesto, il presente lavoro di tesi definisce una metodologia integrata, basata sul calcolo numerico agli elementi finiti, per il monitoraggio e la previsione del comportamento strutturale del binario sotto sollecitazione termica. In una prima fase, è stata condotta un’analisi lineare di dettaglio mediante modellazione a solidi 3D sviluppata in ambiente Autodesk Inventor Nastran per l’ottimizzazione e la validazione di celle di carico con geometria ad “S”, specifiche per profili 60 E1 e 50 E5. Lo studio condotto a livello locale ha permesso di accertare la risposta elastica del dispositivo e di mappare accuratamente l’intero stato tenso-deformativo del componente. Ciò è risultato fondamentale per l'integrazione dei circuiti a ponte di Wheatstone, preposti al monitoraggio tensionale in tempo reale della rotaia soggetta a sollecitazione termica. Successivamente, l'indagine è stata estesa dalla scala locale dell'interazione cella-rotaia alla scala globale della sovrastruttura ferroviaria. Attraverso un’analisi non lineare agli elementi finiti, è stato indagato il fenomeno dell'instabilità flessionale indotto dai carichi termici di compressione (buckling). Tale approccio ha permesso di determinare i carichi critici e le temperature di collasso, analizzando l'intero comportamento evolutivo del binario nelle fasi di pre e post-buckling al variare delle condizioni al contorno. L'integrazione tra il monitoraggio locale e la capacità predittiva del modello globale definisce, in ultima analisi, un modello di supporto alle decisioni fondamentale per la prevenzione di fenomeni critici, nonché per la sicurezza e la regolarità dell'esercizio ferroviario.