Design of transportation infrastructures and systems

Appunti di design of transportation infrastructures

Avvertenze: All’interno del documento il lettore potrebbe riscontrare errori di battitura o definizioni non ben precise poiché questa dispensa di appunti è scritta sulla base di studi sperimentali e vuole essere di supporto all’utente che ne fa uso.

Sistema di trasporto

Un sistema di trasporto è quell’elemento che permette il trasferimento di persone, cose o merci da un punto di origine ad uno di spostamento. Il sistema di trasporto ha due componenti fondamentali: la domanda di trasporto, costituita da tutto ciò che richiede lo spostamento, e l’offerta di trasporto, costituita dalle infrastrutture e dai servizi.

Classificazione dei trasporti

• Tipologia di trasporto
  • Trasporto passeggeri
  • Trasporto merci
• Tipologia di infrastruttura utilizzata
  • Trasporto terrestre
  • Trasporto aereo
  • Trasporto marittimo ed idroviario
• Tipologia di spostamento
  • Trasporto diretto
  • Trasporto multi-passo
  • Trasporto con trasbordo
• Modalità di trasporto
  • Trasporto unimodale o monomodale
  • Trasporto multimodale o plurimodale
  • Trasporto intermodale

Classificazione delle infrastrutture di trasporto

Le infrastrutture di trasporto rappresentano il complesso di strutture, attrezzature ed impianti adibiti al trasporto e possono essere classificate in:

• Lineari, che si sviluppano lungo una linea (funicolari, filovie, servizi a navetta, ecc…)
• Puntuali, che sono concentrate in un punto o nodo (stazioni, aeroporti, porti, ecc…)
• A rete, che sono costituite da più rami interconnessi (rete stradale, rete ferroviaria, ecc…)

Intermodalità

Si definisce trasporto intermodale un servizio di trasporto merci reso attraverso l’integrazione tra diverse modalità di trasporto, che induce a considerare lo stesso servizio come unica prestazione e non come somma di più attività. La tecnica applicata è quella di far viaggiare le merci in un’unica unità di carico che rimane la stessa dall’origine alla destinazione, anche cambiando modalità di trasporto. Si distinguono due tipi di intermodalità:

• Intermodalità tecnica: quando il viaggio non può essere tecnicamente concluso con l’utilizzo di un solo mezzo di trasporto per ragioni relative alle distanze geografiche o alle infrastrutture di trasporto
• Intermodalità economica: quando tecnicamente il viaggio potrebbe essere concluso con una sola modalità di trasporto ma per ragioni economiche si sceglie di utilizzare un insieme di modalità che va a costituire un cosiddetto ciclo complesso

Cicli di trasporto

Nel trasporto merci il concetto dell’intermodalità è strettamente correlato al concetto dei cicli di trasporto che si possono classificare in:

• Semplici, se fanno ricorso ad un solo mezzo di trasporto
• Complessi, se fanno ricorso a due o più mezzi di trasporto e che a loro volta si possono ulteriormente suddividere in:
  • Unimodale, se sfruttano due o più mezzi dello stesso tipo
  • Plurimodale, se sfruttano due o più mezzi di diverso tipo

Ciclo complesso

Dagli anni ’60 il trasporto merci è stato riorganizzato sulla base di cicli complessi, non solo per vincoli tecnici ma soprattutto per la convenienza economica. Il ciclo complesso comporta di per sé un aumento di alcuni costi (di terminale, di trasbordo) che però sono compensati dalla ricerca del modo ottimale di trasporto che, in base alle dimensioni del carico ed alle sue caratteristiche, consente un abbattimento del costo di trasporto. Il ciclo complesso sta alla base dell’intermodalità economica che può essere di tipo:

• Debole, se il trasporto con il costo/km più basso non è disponibile sull’intero percorso ed è necessario organizzare un ciclo complesso per avere un vantaggio in termini economici
• Forte, se sono disponibili diversi modi sull’intero percorso, tra i quali uno più economico degli altri, per cui la convenienza del ciclo complesso dipende dalla domanda sulle diverse tratte

Convenienza del ciclo complesso

Nel caso dell'intermodalità economica, la competitività relativa ai diversi modi varia a seconda della distanza anche a causa dell’incidenza dei costi di terminale. Il trasporto stradale è in genere quello più conveniente per le brevi distanze, quello ferroviario per le distanze medie mentre per le distanze maggiori si preferisce il trasporto marittimo.

Unità di trasporto intermodale

Le unità utilizzate per il trasporto intermodale si possono catalogare in differenti tipologie.

• Unità di trasporto intermodale (UTI): i container, le casse mobili ed i semirimorchi adatti al trasporto intermodale
• Unità di caricamento: contenitori senza assi per il rotolamento utilizzati per il carico della merce (container o casse mobili)
• Cassa mobile: unità di trasporto intermodale concepita per il trasporto combinato strada-rotaia
• Container aereo: container adatto a soddisfare i requisiti imposti dalle norme sul trasporto aereo
• Container marittimo: unità di trasporto intermodale per il trasporto combinato strada-mare
• Container terrestre: unità di trasporto intermodale per il trasporto combinato strada-rotaia
• Semirimorchio: veicolo adatto ad essere accoppiato con un veicolo da trazione a motore che consente anche una ripartizione dei carichi
• Unità di carico: carico disposto su pallet o unità preimballata la cui superficie al suolo sia conforme alle dimensioni dei pallet e sia adatta ad essere caricata all’interno delle UTI
• Pallet: piattaforma, generalmente in legno, adatta al trasporto dei colli della merce. L’europallet è lo standard ISO con dimensioni di 800x1000 mm, 800x1200 mm o 1000x1200 mm
• TEU (EVP): unità equivalente ad un container avente lato maggiore di 20 piedi di lunghezza (unità utilizzata anche in ambito delle capacità dei terminal, delle navi e delle aree di deposito)

Infrastrutture intermodali

Le infrastrutture intermodali sono luoghi adibiti allo stoccaggio delle merci in magazzini, centrali o periferici, con lo scopo di massimizzare la velocità di transito delle merci nel canale logistico. Esistono due tipologie di piattaforme logistiche che costituiscono infrastrutture intermodali:

• Piattaforme logistiche semplici, che sono specializzate nell’esigenza particolare di una catena logistica e razionalizzate alla catena produttore-consumatore. Questa tipologia di piattaforme può operare sia come centro di stoccaggio che come centro di cross-docking, ovvero un centro in cui la merce sosta a terra per un tempo veramente ridotto perché viene subito ricaricata verso la destinazione finale. Esempi di questo tipo di piattaforme logistiche sono i district park e i CDU (centri di distribuzione urbani).
• Piattaforme logistiche integrate, ovvero strutture polifunzionali che offrono servizi di logistica integrata, altamente specializzati, ed attività di transito e di distribuzione merce. Sono dotate di un raccordo ferroviario, funzionale al trasporto intermodale e sono in grado di gestire un ingente volume di merce. Esempi di questo tipo di piattaforme logistiche sono gli interporti.

Interporti

Un interporto è un complesso di strutture e servizi integrati e finalizzati allo scambio di merce tra le diverse modalità di trasporto che comprende al suo interno uno scalo ferroviario idoneo a ricevere treni completi ed in collegamento con porti, aeroporti e viabilità di grande comunicazione. Tra le strutture all’interno dell’interporti trovano posto anche vari edifici adibiti ad uffici e numerosi magazzini ad uso delle diverse aziende che operano nello stesso (spedizionieri, corrieri, addetti alla gestione delle merci, ecc…). Esistono, inoltre, molti servizi all’interno dell’interporti: alcuni generali come l’illuminazione, la sorveglianza, i parcheggi e i punti di ristoro, altri gestionali come il servizio doganale, quello bancario, ed altri ancora di tipo logistico come il centro di smistamento, quello di stoccaggio, quello di imballaggio e di pallettizzazione delle merci.

Trasporto intermodale ferroviario

Il trasporto intermodale ferroviario è una tipologia di trasporto molto competitivo grazie all’organizzazione della rete di collegamenti tramite una logica Hub&Spoke, la quale prevede che tutta la merce sia concentrata in un polo logistico che fa da hub e che poi attraverso dei rami (spoke) le merci possano partire verso tutte le destinazioni costituite da poli logistici secondari. Tutta la merce nel TIF risulta essere tracciata attraverso dispositivi di Tracking&Tracing che è in grado di rilevare tutti i dati riguardanti la merce stessa grazie ad un sistema satellitare, a partire dalla posizione geografica in tempo reale. Tutta la merce è, inoltre, etichettata per mezzo di tag RFID, ovvero un sistema di sicurezza passiva che hanno la possibilità di essere scansioni in modo tale da riuscire a fornire tutte le informazioni sulla categoria merceologica (data di produzione, spedizione, ecc…).

Trasporto combinato strada-rotaia

Il trasporto stradale è la tipologia di trasporto preferibile alle basse distanze perché è associato a bassi costi fissi di trasporto, molto più contenuti rispetto alle altre alternative di trasporto. Quando la distanza inizia ad aumentare però la sua convenienza diminuisce a favore del trasporto ferroviario che diventa la tipologia preferibile. Proprio in virtù di questo nel campo dell’intermodalità per le brevi-medio distanze la tipologia di trasporto più in uso è quella combinata strada-rotaia.

Terminal intermodali

Un terminal intermodale è una struttura logistica specializzata nel trasbordo di unità di carico (container, casse mobili, ecc…) da un mezzo di trasporto ad un altro. Esso consiste in un’area abbastanza ampia attrezzata con diversi impianti e macchinari che vengono utilizzati per realizzare il trasbordo. I terminal intermodali si possono classificare in due tipologie:

• Terminal container, destinati al traffico marittimo e dotati di ampi spazi per il deposito delle UTI che subiscono un ciclo di transhipment
• Terminal per trasporto combinato strada-rotaia, i quali devono essere progettati con l’intento di eseguire più funzioni separate al suo interno (movimentazione e deposito), ma non per il ciclo di ferroutage che possiede cadenza giornaliera.

Attrezzature di un terminal intermodale

Le attrezzature di un terminal intermodale sono per lo più macchinari utilizzati per le funzioni di logistica e possono essere classificate in:

• Gru a portale su un solo livello, tipicamente utilizzate per la movimentazione di casse mobili e semirimorchi (non sovrapponibili)
• Gru a portale su più livelli (transtainer), tipicamente utilizzate per la movimentazione di UTI sovrapponibili
• Gru o carrelli a cavaliere (straddle carrier), tipicamente utilizzate per i terminal per contenitori e possono essere a sollevamento o a traslazione o a sollevamento laterale
• Gru semoventi frontali (front loader), tipicamente utilizzate per i terminal di piccole dimensioni ed utilizzate con funzione di supporto anche nei terminal dotati di gru a portale
• Carrelli a forche (fork lift truck), tipicamente utilizzati quando le UTI vengono disposte su file parallele, con ampi corridoi di manovra ai lati

Terminal container

Il terminal container è destinato alla movimentazione dei carichi merci che sfruttano il trasporto marittimo come modalità principale. Le funzioni logistiche all’interno di questi terminal riguardano principalmente il carico/scarico dei container dalle navi, il trasferimento dei container dalle/alle zone di deposito e stoccaggio e il trasferimento dei container dalla/alla strada e/o ferrovia. Le componenti di un terminal container sono molto più numerose rispetto ad un terminal per trasporto combinato strada-rotaia e prevedono:

• Banchina, dove vengono svolte le operazioni di carico/scarico dei container dalle navi
• Area di deposito, dove vengono stoccati i container in attesa di essere ricaricati
• Subterminal ferroviario, dove vengono spedite le merci che devono raggiungere l’hinterland
• Gate, dove viene stabilito l’ingresso ed il collegamento dalla rete stradale al terminal

I terminal container possono essere realizzati con due diverse tipologie di banchine ed è perciò possibile distinguere tra:

• Banchinamento lineare, in cui esiste un unico fronte di accosto di lunghezza adatta all’ormeggio contemporaneo di un determinato numero di navi
• Banchinamento a pettine, in cui la banchina è distribuita in su una successione di passerelle sporgenti e parallele

Terminal per trasporto combinato strada-rotaia

Le componenti principali di un terminal per il trasporto combinato strada-rotaia sono:

• Binari passanti, che consentono di inserire il treno sui binari operativi con il locomotore di manovra trainante
• Binari tronchi, che consentono di inserire il treno sui binari operativi con il locomotore di manovra spingente
• Aree destinate al movimento dei veicoli stradali e delle attrezzature di sollevamento
• Aree di deposito e stoccaggio
• Magazzini tecnici (officine, aree lavaggio, deposito veicoli, ecc…)
• Aree per gate e relative operazioni, uffici, servizi igienici

Essendo un terminal caratterizzato dall’intermodalità tra il trasporto stradale e quello ferroviario si possono individuare, inoltre:

• Binari di sosta e manovra (bsm), che svolgono funzioni di rotazione dei carri e di ricovero. In caso di gestione statica è necessario solo un binario di sosta e manovra, in caso di gestione dinamica b (d - 1), dne serve una quantità data dal prodotto tra e la differenza in cui è il coefficiente di dinamicità. Di solito questi binari si trovano vicini al fascio ferroviario, al di fuori del terminal
• Binari di presa e consegna, costituiti da un insieme di almeno 3 binari elettrificati che possano accogliere treni di 750 m: uno in arrivo, uno in partenza ed uno per la manovra del locomotore
• Corsia di carico/scarico, di larghezza pari a 3,5 m, in cui vengono effettuati gli scambi dell'UTI tra veicoli stradali e ferroviari e/o tra veicoli stradali e piazzale di stoccaggio temporaneo
• Corsia di scorrimento, di larghezza pari a 3,5 m, utilizzata per il sorpasso dei veicoli in attesa
• Piazzale di manovra dei veicoli stradali, costituito da una piazzola rotonda con diametro maggiore di 30 m per l’inversione di marcia situata all’estremità dei binari operativi, se tronchi

Caratteristiche principali di un terminal intermodale

Il dimensionamento di un terminal intermodale è influenzato dalla sua operatività, dalla dotazione ferroviaria e dal sistema di immissione dei treni in linea. Il numero di binari, la loro lunghezza e la potenzialità richiesta alle apparecchiature di sollevamento dipendono naturalmente dalla domanda di traffico, che deve essere preventivamente quantificata con gli opportuni strumenti analitici della pianificazione dei trasporti. La potenzialità di un terminal dipende dalla lunghezza totale dei binari operativi ed accessibili alle gru, perché è da essa che deriva la capacità di ricevimento espressa in moduli ferroviari. La dotazione minima di un terminal intermodale deve essere di almeno 2 binari operativi di lunghezza pari a 750 m con un coefficiente di dotazione infrastrutturale di 30 m/m² e una produttività di 200 UC/gg (1 coppia di treni al giorno per binario operativo = 320 TEU/gg). I treni sono generalmente composti da 35 vagoni con un carico medio di 1,4 UC/vagone. La gestione dei treni può avvenire in regime statico o dinamico.

• Si parla di regime statico quando sul binario virtuale equivalente arriva un treno al mattino, viene scaricato, sosta vuoto sul binario operativo, viene caricato e riparte in serata. In tal caso si assume un coefficiente di dinamicità uguale a d =1
• Si parla di regime dinamico, invece, quando su uno stesso binario virtuale equivalente si susseguono più coppie di treni al giorno. In questo caso si assume un coefficiente di dinamicità pari a d = n/v > 1,5

Impianti ferroviari

Le linee ferroviarie nascono per soddisfare l’esigenza di una ridistribuzione modale dei trasporti al fine di decongestionare il traffico della rete stradale. Il trasporto ferroviario è caratterizzato dalla particolare combinazione del tracciato, costituito da rotaie metalliche parallele, e delle ruote, realizzate in metallo e dotate sul margine interno del cerchione di un bordino che gli consente di seguire fedelmente le traiettorie imposte dallo stesso tracciato. La distanza tra due rotaie viene denominata scartamento e può essere di due tipi:

• Ordinario, se è pari a 1435 mm
• Ridotto, se è di lunghezza ridotta fino ad un minimo di 60 cm ed è utilizzato nei tratti montuosi

La coppia cinematica ruota-rotaia fornisce nella trazione ferroviaria una bassa resistenza al moto, di circa 2 kg per tonnellata di peso del veicolo, ma allo stesso tempo anche una bassa aderenza che in fase di frenatura è un enorme svantaggio. Per tale motivo i tracciati ferroviari sono caratterizzati da basse pendenze che non superano l’1,2% e molto spesso per il loro sviluppo sono necessarie opere d'arte onerose. Per la trazione ferroviaria sono attualmente in uso svariati sistemi ma quello...