Costruzioni di strade, ferrovie ed aeroporti - Teoria

6 marzo 2017, 2° lezione

Valutazioni ingegneristiche che precedono la progettazione e realizzazione di un’infrastruttura di trasporto

Un’infrastruttura di trasporto è un’opera di ingegneria civile di elevata complessità in quanto coinvolge numerose competenze:

• I veri e propri progettisti dell’infrastruttura sono Ingegneri dei trasporti o ingegneri infrastrutturali: ingegneri civili, in particolare ingegneri che hanno approfondito aspetti di costruzioni di strade, ferrovie ed aeroporti (ing. stradali/ferroviari/aeroportuali).
• Ingegneri strutturisti: specialisti nel calcolo delle strutture. Le strutture che vanno calcolate in questi casi sono principalmente le cosiddette ‘opere di attraversamento’ comunemente note sotto il nome di ‘ponti’; nel gergo tecnico si parla più frequentemente di opere d’arte.
• Ingegneri idraulici: per le opere idrauliche altrettanto importanti anch’esse che l’infrastruttura deve prevedere in particolare il dimensionamento delle opere di raccolta delle acque meteoriche.
• Ingegneri sanitari: accanto al dimensionamento delle opere idrauliche c’è un altro aspetto di uguale importanza cioè che quando delle acque di pioggia investono una superficie di rotolamento stradale, puliscono la sede stradale, nel senso che raccolgono tutta una serie di inquinanti che sono stati prodotti un po’ dal rotolamento degli pneumatici che, nel rotolare, si consumano e lasciano residui lungo la superficie stradale, ma soprattutto dilavano una serie di depositi prodotti dallo scarico dei veicoli. La maggior parte di questi depositi sono altamente inquinanti e quindi un’acqua che li raccoglie non può essere portata direttamente a recapito finale: nei punti di raccolta devono essere previsti degli opportuni impianti di trattamento. Per tale motivazione si coinvolgono le competenze dell’ingegnere sanitario.
• Ingegneri geotecnici: un’opera a sviluppo lineare ma anche un’opera puntuale prevedere una serie di opere in terra. Si deve, quindi, immaginare che ci sarà un apporto specialistico fornito da un ingegnere geotecnico per tutti gli aspetti geotecnici legati alla progettazione di un solido stradale (volume di spazio occupato dall’infrastruttura). Tale solido stradale può essere un solido scavato che può essere di tre tipologie: di scavo, di riporto o di galleria. Tutte le problematiche legate alla realizzazione di tali sezioni sono di pertinenza di un ingegnere geotecnico che ha acquisito conoscenza nella caratterizzazione meccanica dei terreni.
• Ingegneri impiantisti: i progettisti d’impianti. In un’infrastruttura di trasporto di impianti ce ne sono tantissimi. Partendo dalle infrastrutture semplici, con un’incidenza modesta di impianti, il primo impianto semplice è un impianto di illuminazione e quindi bisogna servirsi di un ingegnere impiantista illuminotecnico; se si avesse un tratto in galleria con lunghezza che eccede i 500 m occorrerà prevedere un impianto di ventilazione dell’aria oltre ad uno di illuminazione. Oltre a questi non si devono escludere le dotazioni di sicurezza che devono contraddistinguere una galleria di lunghezza elevata: si entra nel merito degli impianti di sicurezza e degli impianti antincendio.

Impianti nelle infrastrutture stradali, ferroviarie e aeroportuali

Le infrastrutture stradali sono quelle a minor impatto impiantistico ma, spostando il punto di vista sulle ferrovie, invece, si inizia a ragionare su infrastrutture di trasporto con forte impatto impiantistico in quanto il servizio ferroviario non può funzionare senza un impianto di segnalamento ovvero un impianto elettrotecnico necessario a consentire materialmente la marcia dei treni.

Le tratte ferroviarie vengono suddivise in una serie di sotto tratte dette sezioni di blocco.

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Questa esigenza di dividere una tratta ferroviaria che collega due stazioni in una serie di sotto tratte è necessaria poiché attraverso l’impianto di segnalamento si fa sì che l’attraversamento di una sezione di blocco da parte di un rotabile (un convoglio ferroviario) attivi la segnaletica luminosa che si trova all’inizio della sezione di blocco, e in tutte le sezioni di blocco precedenti, per dare opportuno avviso al convoglio ferroviario che segue quello che sta transitando la sezione di blocco sull’effettiva occupazione della tratta. Giallo, verde e rosso sono attivati dal transito del convoglio ferroviario su quella specifica sezione di blocco e sono inviati come segnali ai ‘semafori’ (che in realtà sono segnali verticali ferroviari) che comunicano con il conducente del convoglio ferroviario che sta seguendo quello che si trova sulla sezione in modo da fornire un avviso che fondamentalmente è di tre tipi: verde è via libera, rosso il convoglio si deve arrestare in quella sezione di blocco e giallo il convoglio può percorrere quella sezione di blocco ma ad una velocità inferiore. Questo perché un aspetto centrale della sicurezza di esercizio ferroviaria è quella di evitare collisioni tra convogli ferroviari che occupano la stessa tratta. Il problema è abbastanza critico perché gli spazi di frenatura di un convoglio ferroviario sono di solito di un ordine di grandezza superiore di quelli che caratterizzano le autovetture. Per valutare lo spazio di frenatura di un’autovettura si ragiona su distanze non inferiori ai 100 m; un convoglio ferroviario per potersi arrestare ha bisogno di almeno un chilometro. Visto che l’operazione di arresto è così impegnativa ed ha bisogno di spazio per esplicarsi in condizioni di sicurezza, è necessario questo impianto di segnalamento che possa comunicare al capotreno del convoglio che precede quello che sta occupando la tratta un’informazione su dove si possa trovare il convoglio in testa, la distanza e le concessioni per continuare a proseguire sulla tratta o eventualmente doversi arrestare.

Gli impianti di segnalamento si sono evoluti nel tempo: le infrastrutture ferroviarie si sono diffuse prima rispetto quelle stradali (locomotori ferroviari prima metà dell’‘800, trasporto su gomma si è diffuso ad ampio raggio fine ‘800 circa). Questo sistema di segnalamento è partito con modalità legate alla tipologia dei mezzi dell’epoca: i primi sistemi di segnalamento prevedevano un’unica sezione di blocco tra due stazioni e i capostazione dialogavano con telefono o telegrafo (segnalamento attraverso dispacci telefonici). In seguito gli impianti si sono evoluti: gli attuali impianti sfruttano il fatto che quando il treno passa su un binario, poiché la ruota del treno (il cosiddetto assale) è realizzata in maniera totalmente solidarizzata (c’è il mozzo, l’asta di acciaio e i cerchioni ferroviari calettati nel mozzo) (i sistemi ferroviari non hanno il differenziale come le autovetture ovvero la capacità di variare il numero di giri della ruota interna rispetto la ruota esterna per poter percorrere le curve mentre, invece, realizzano un differenziale sfruttando la tronco conicità dei cerchioni ferroviari), il passaggio di un assale ferroviario chiude un circuito con un impianto che viaggia sulle due rotaie. La chiusura del circuito manda il segnale al semaforo della sezione di blocco e ai semafori precedenti. Questo è uno dei sistemi di segnalamento più diffusi.

Sulle linee ad alta velocità il sistema di segnalamento prevede un protocollo GSM quindi un protocollo con segnali radio e con una ripetizione del segnale in: nella cabina di guida di un treno ad alta velocità il conducente può leggere direttamente il segnale evitando distrazioni che potrebbero portare a non vedere i semafori.

Indubbiamente l’infrastruttura di trasporto con maggior incidenza di impianti è l’aeroporto. Esso è un’infrastruttura dove gli impianti incidono non meno del 70-80% del costo di realizzazione mentre le opere civili e quant’altro incidono dell’ordine di un 20-30%.

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A seconda dell’infrastruttura di trasporto, la richiesta di queste competenze è preponderante e soprattutto diversificata.

• Ingegneri ambientali: l’apporto di tali ingegneri è importante poiché l’impatto ambientale prodotto da infrastrutture soprattutto a sviluppo lineare è molto forte e per questo occorre effettuare una serie di studi specialistici previsti nei vari livelli di approfondimento progettuale per valutare l’impatto dell’infrastruttura. Tale impatto si classifica secondo diversi ambiti che sono: litosfera (impatto sui terreni, sul costruito e sul territorio), atmosfera (tutto ciò che attiene all’emissione di inquinanti e alle emissioni che si hanno in fase di costruzione di un’infrastruttura – si basti pensare al problema delle polveri prodotte durante un cantiere che realizza scavi e lavorazioni; problema di smaltimento di materiali prodotti da scavi) e idrosfera.

Se si deve realizzare una sede stradale in trincea, ovvero una sede stradale in cui il piano di rotolamento si trova al di sotto del piano campagna, quindi significa effettuare uno scavo, poi si pone il problema di capire se si può riutilizzare il materiale scavato, e se non si può riutilizzare ci si deve chiedere come smaltire tale materiale. Questo è un classico problema di tipo ambientale.

Di ambito ambientale sono i problemi legati agli inquinanti; legati al rumore e alle vibrazioni provocati dall’esercizio dell’infrastruttura di trasporto. Tale problema è facilmente avvertibile in ambito urbano dove c’è un’elevata numerosità di quelli che vengono chiamati recettori sensibili ovvero tutti coloro che possono essere colpiti dalla presenza di una vicina infrastruttura.

• Architetti: ci sono aspetti di inserimento ambientale dell’infrastruttura ovvero trovare soluzioni per armonizzare l’infrastruttura all’interno del paesaggio (soprattutto a sviluppo lineare). In particolare, spesso tali architetti sono architetti paesaggistici ovvero con competenze nella progettazione del paesaggio. Ormai anche l’estetica sta ricoprendo un ruolo fondamentale.
• Archeologi: in quanto l’infrastruttura di trasporto è un’infrastruttura dove si interagisce con il territorio. In fase di progettazione preliminare occorrono degli studi che definiscano il tracciato in relazione ad eventuali insediamenti antropici del passato che ci possono essere stabiliti solo dagli archeologi. Tali insediamenti devono essere lambiti, mai attraversati dall’infrastruttura.
• Geologi: importanti perché forniscono rappresentazioni del territorio su ampia scala e permettono di focalizzare le prime riflessioni progettuali sui corridoi che si devono utilizzare per realizzare il collegamento, in base alle informazioni fornite alle carte geologiche. In seguito si procede con una migliore caratterizzazione dell’orografia e delle caratteristiche meccaniche dei terreni incontrati nel percorso.

Quando le opere sono complesse si entra a far parte di un gruppo di progettazione dove si mettono a fattor comune le proprie competenze.

Questa è quindi un’opera complessa che richiede di molte competenze, il che significa che tale opera si contraddistingue per un forte esborso monetario.

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Motivi che impediscono il raggiungimento della destinazione

Quando si parla di realizzare un collegamento viario tra due punti, A e B, un veicolo che parte da A e vuole andare in B potrebbe non riuscire a raggiungere la sua destinazione per tre motivi:

1. Sicurezza stradale;
2. Stabilità del corpo stradale (legata alle competenze del ramo geotecnico);
3. Coda di veicoli che è rigurgitata fino al punto A: congestione.

Strutturazione delle varie fasi di progettazione di un’opera di ingegneria civile

1. Progettazione preliminare: in base alle normative vigenti, la fase di progettazione preliminare prevede, accanto agli elaborati progettuali, un SIA (Studio d’Impatto Ambientale) dove vengono coinvolte una serie di competenze di ingegneri ambientali, sanitari e quant’altro.
2. Progettazione definitiva. Al di là delle successive emanazioni del Codice dei Lavori Pubblici, pur negli aggiornamenti del corpo giuridico che comanda la professione dell’ingegnere, non si può avere un Codice totalmente diverso dal precedente in quanto, in questo caso, non si avrebbero i modi per gestire i transitori soprattutto in quanto le infrastrutture di trasporto richiedono anni di costruzione.
3. Progettazione esecutiva.

Definendo queste fasi su un’infrastruttura di trasporto, soprattutto su un’opera lineare più che puntuale, la fase preliminare vede lo studio di una serie di possibili tracciati che vengono solo abbozzati senza procedere ad un vero dimensionamento plano-altimetrico del tracciato stesso. È importante tenersi sul piano generale perché su queste n alternative vengono effettuate tutta una serie di analisi ingegneristiche per valutare l’alternativa caratterizzata dal miglior rapporto benefici-costi.

Al termine di questa fase si individua un tracciato tra i tanti che si ritiene possa essere quello maggiormente efficace e conveniente e si avviano tutte le attività specialistiche per progettare tale tracciato con tutte le relazioni specialistiche di accompagnamento: questo nel livello di progettazione definitiva.

Nel livello di progettazione esecutiva si operano modeste variazioni di tracciato rispetto a quello già cristallizzato in fase definitiva in quanto ogni livello di progettazione porta con sé un certo quantitativo di informazioni sul territorio attraversato: a livello preliminare si prevede una campagna sperimentale di raccolta informazioni, man mano che si procede dal preliminare al definitivo e dal definitivo all’esecutivo aumenta il numero di informazioni fornite da attività di raccolta dati che contribuiscono a rendere più chiaro al progettista l’ambito in cui si muove. Può verificarsi che si possa rilevare la necessità di fare modeste variazioni sul tracciato perché possono essere emerse criticità che prima non si aveva avuto modo di esaminare. Un progetto, naturalmente, non può essere stravolto nel passaggio da livello definitivo ad esecutivo perché uno stravolgimento comporta una forte variazione dei costi. Un buon progettista dovrebbe essere in grado di realizzare un’infrastruttura che non subisca apprezzabili variazioni: ogni giorno, però, ciò capita il che è principalmente causato dalla cattiva qualità della progettazione.

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Spesso, anche se non previsto dai Codici, si è individuato un ulteriore livello di approfondimento progettuale detto “cantierabile” che, però, non è stato ufficializzato in quanto ogni buon progetto esecutivo dovrebbe essere di per sé un progetto cantierabile.

Questa rappresentazione dei livelli di progettazione si diversifica a seconda delle opere di ingegneria civile: se si deve fare un edificio, dal punto di vista operativo una parte di quei livelli di progettazione viene fuso o semplificato in quanto un edificio è un’opera puntuale abbastanza perimetrata; per un’infrastruttura di trasporto, invece, occorre sviluppare in maniera compiuta tutti i livelli di progettazione e soprattutto occorre preliminarmente fare una serie di analisi aggiuntive, analisi, quindi, che precedono le fasi di progettazione individuate dal Codice dei Lavori Pubblici. Queste analisi hanno come finalità la valutazione della fattibilità tecnico-economica. Essa deve essere fatta perché queste sono opere molto costose e viviamo in un regime di risorse limitate il che vuol dire che bisogna spendere il denaro nel modo più corretto possibile. Il senso di questo studio è assicurarsi che quell’opera sia innanzitutto fattibile tecnicamente e poi sia conveniente dal punto di vista economico. Per quanto riguarda la fattibilità tecnica di solito, al giorno d’oggi, non viene mai messa in discussione in quanto le conoscenze ingegneristiche sono così evolute che è difficile pensare un’opera non realizzabile; l’aspetto più critico riguarda la convenienza economica.

Valutazioni di convenienza economica

È bene quindi fare delle valutazioni di convenienza economica, dette anche di redditività di un’infrastruttura di trasporto. Realizzare una strada è come fare un investimento ovvero fare un’operazione economico-finanziaria: quando si affronta questo problema ci si deve dotare di nozioni di economia. L’operazione di realizzazione di una strada non è diversa da un’operazione che richiede un certo esborso economico che può essere intrapresa da un imprenditore ovvero colui che investe del denaro per finanziare un’operazione, per esempio produrre un certo bene che poi confida di poter vendere, per ottenere dei ricavi da questa operazione. Parte da un capitale iniziale e alla fine ottiene un ritorno.

Per molti versi la realizzazione di un’infrastruttura di trasporto è simile a tale operazione e perciò soggiace alle consuetudini dell’economia con una piccola differenza: quando si deve effettuare una valutazione di redditività da parte di un imprenditore privato si parla più propriamente di analisi finanziaria in quanto il promotore di tale operazione è privato; se si deve effettuare un’operazione in cui il promotore è pubblico, si deve più correttamente parlare di analisi economica.

Il fatto che il promotore o il soggetto attuatore sia un imprenditore piuttosto che una collettività presenta alcune diversità nella valutazione delle varie voci di costo che devono essere stimate quando si fa questo tipo di analisi:

• Su un’analisi finanziaria si hanno i costi e ricavi: i costi sono il costo del capitale che l’imprenditore decide di investire ed i costi di ammortamento del capitale stesso mentre i ricavi sono il ricavato della vendita di quel particolare bene. Se i ricavi pareggiano i costi entro un congruo periodo di ritorno l’operazione può essere avviata in quanto nei costi, oltre all’ammortamento e agli interessi per rientrare nel capitale iniziale, l