Costruzioni ferroviarie

COSTRUZIONI FERROVIARIE

CAPITOLO 1 - I VEICOLI E L’ARMAMENTO

FERROVIARIO

Ci occuperemo del sistema sul quale il treno si appoggia e quello che ne consente il moto.

Il moto e la guida di un veicolo ferroviario avvengono in modo molto diverso rispetto al caso

di un veicolo stradale.

Diversi per funzionamento: il veicolo ferroviario è su sede vincolata o su sede fissa (I differenza).

La condizione di non essere sulle due rotaie è la prima causa di innesco degli incidenti ferroviari.

Sede vincolata significa anche ruota a contatto con il binario; il moto del treno avviene per

sfregamento della ruota del convoglio contro la rotaia.

In ferrovia la funzione di guida e di mantenimento della traiettoria non è svolta dal conducente, ma è

affidata esclusivamente al binario; il macchinista non sceglie dove cambiare direzione, ma ha un

itinerario da seguire e gli scambi/apparecchi di binario consentono di cambiare direzione.

Questa è la seconda differenza, ovvero il conducente del veicolo può scegliere dove andare, mentre

in ambito ferroviario non accade dove il moto avviene all’interno del binario secondo una rotta ben

definita.

Quindi ricapitolando, il veicolo stradale può muoversi con flessibilità (cambiare corsia, curvare),

mentre quello ferroviario è costretto a muoversi nella sede limitata dalle due rotaie. I movimenti

trasversali del veicolo ferroviario non possono avvenire in modo autonomo, ma solo in

corrispondenza di determinati punti della linea (scambi).

Dobbiamo quindi, cambiare l’ottica di progetto: il primo obiettivo sono le prestazioni dei materiali e

useremo materiali con altissime prestazioni nonostante il costo.

Fare manutenzione nella maggioranza dei casi significa interrompere il servizio, e questo non piace

perché porta costi e sconfort per i passeggeri. Quindi vogliamo un sistema che non deve avere mai

bisogno di manutenzione. 1

Un’altra differenza con il sistema stradale è l’interazione veicolo-infrastruttura.

I veicoli ferroviari sono muniti di ruote metalliche, in quanto non è possibile usare i pneumatici a

causa della loro incompatibilità con il metallo delle rotaie perché le miscele di gomma che si usano

nei pneumatici non resisterebbero a contatto con le rotaie.

Le caratteristiche delle ruote sono quelle di assolutamente rigide quindi la sicurezza del sistema si

gioca tra l’interazione ruota-rotaia.

I veicoli ferroviari hanno le ruote di uno stesso asse rigidamente calettate fra loro e l’insieme

di due ruote e dell’asse corrispondente (assile) prende il nome di sala montata.

Le ruote metalliche sono montate a coppie con l’elemento orizzontale chiamato assile.

Questa configurazione a sala montata caratterizzano tutte le tipologie di treni.

L’assile è orizzontale e rigido; significa che le due ruote che compongono la sala montata hanno la

stessa velocità di rotazione.

Il treno è un veicolo con una capacità sterzante estremamente bassa; con l’assile rigido rendono il

veicolo lento.

Per noi progettisti significa che ci dobbiamo dimenticare le curve a piccolo raggio. Più il raggio è

piccolo, più è alto il rischio di svio.

I raggi che utilizzeremo saranno kilometri e le curve per le velocità dovranno essere molto ampie;

quasi si confondono con i rettifili talmente il raggio è ampio.

Affinché le ruote del treno rimangano tra le rotaie, è indispensabile che le due ruote siano sagomate

a bordino; la ruota nella superficie esterna non ha un profilo orizzontale e regolare. È necessario che

la ruota abbia il bordino perché è il bordo che rimane tra le rotaie (tra lo spazio interno).

Le ruote dei treni non sono a sezione piena (forma tronco-conica) e una parte esterna (cerchione) che

è la parte dove è situato il bordino. Il gioco si sviluppa nella parte interna del bordino; per questo ci

dobbiamo dimenticare dell’aderenza perché in ferrovia è 0,2-0,3.

La ruota ha una forma tronco-conica ed entrambi i cerchioni sono inclinati verso l’interno del

binario di un angolo, la cui tangente è pari a 1/20. Quindi l’inclinazione e il bordino ci garantiscono

la sicurezza della circolazione. 2

Quindi cambiare spesso ruote dei treni e binari perché si usurano facilmente.

Il moto di un veicolo ferroviario si fonda sulla conicità dei cerchioni delle ruote.

I cerchioni, essendo conici, hanno un effetto centrante della sala montata rispetto al binario,

cioè continuamente centrano la sala montata rispetto al binario.

Come detto prima, le due ruote si muovono alla stessa velocità. In un tracciato come rettifilo questo

non dà problemi perché la sala centrata rimane fissata sul binario. Invece, quando sono in curva, le

due ruote percorrono due circonferenze diverse. La ruota esterna deve percorrere più spazio rispetto

a quella interna, ma è difficile siccome l’assile è rigido. Ovvero il diametro vicino al bordino è più

lungo di quello lontano al bordino. Se per qualche motivo la sala montata si disallinea dal binario, la

conicità dei cerchioni induce l’assile a “sterzare” verso il lato opposto a quello dello scostamento,

riportandosi così verso il centro del binario. 3

Significa che la ruota esterna alla curva rimane un po’ indietro per far si che la velocità rimanga

uguale e questo fa aumentare lo strisciamento della ruota contro la rotaia.

Più aumenta la velocità del convoglio, più lo sfregamento aumenta. Il problema anche con gli

accorgimenti non si risolverà del tutto. Il treno urterà contro la rotaia e torna indietro; si innescano

una successione di urti che provocano il moto di serpeggiamento (urti successivi tra ruota e rotaia).

Quindi il treno balla tra le rotaie.

Questo moto si chiama serpeggiamento. Quindi dobbiamo darlo per scontato nella progettazione e

dobbiamo prestare attenzione a ruota e rotaie perché questo moto provoca molto movimento tra i

materiali.

Questo avviene in curva come in rettifilo, ma nel primo caso si sente di più. Il serpeggiamento può

causare lo svio ferroviario.

Il bordino e l’inclinazione equilibrano il moto di serpeggiamento e lo rendono meno evidente.

La sala montata in rettilineo, le due crf di rotazione sono perfettamente uguali; in curva la ruota

esterna rimane indietro, ma succede che la sala montata non è più centrata ma la crf di rotazione delle

due è diverse e si compensano per recuperare il divario con la parte esterna.

Gli ammortizzatori del veicolo compensano l’effetto del serpeggiamento. 4

L’infrastruttura ferroviaria

Partiamo dal piano campagna di una linea ex novo e dobbiamo arrivare alle rotaie.

Si definisce linea o infrastruttura ferroviaria l’insieme del corpo stradale e della sovrastruttura

ferroviaria. La possiamo dividere in due parti; una profonda e una superficiale.

La parte inferiore si chiama corpo stradale mentre quella superficiale si chiama sovrastruttura.

La sovrastruttura ferroviaria

La sovrastruttura ferroviaria è formata dall’armamento e dalla massicciata (ballast = pietrisco).

Il corpo stradale è quello stradale perché è identico al caso delle strade e può essere: un rilevato, una

trincea, un ponte, una galleria…

Quello che caratterizza l’ambito ferroviario è la sovrastruttura che sta sotto le ruote del treno ed è la

parte che per prima prende i carichi dei convogli. La cosa da fare bene è il piano regolare/piano di

rotolamento e deve essere idoneo così il treno riesce a rimanere tra le rotaie. Dal punto di vista

geometrico l’armamento affonda nella massicciata. La sovrastruttura è a forma di trapezio isoscele.

L’armento è un sistema formato da elementi diversi; se cede un elemento, cede tutto il sistema perché

sono collegati tra di loro.

Si definisce armamento ferroviario l’insieme formato dalle rotaie, dalle traverse, dagli organi di

giunzione e dagli organi di attacco (sono tutti uguali tra di loro). 5

La successione di pezzi di rotaia vengono collegati tra di loro tramite gli organi di giunzione che sono

elementi metallici che consentono la continuità del binario. I due spezzoni di rotaia non si toccano!!

Lo spazio è chiamata luce di dilatazione ed è al massimo 14 mm.

Quindi gli organi di giunzione mantengono le rotaie distanti pari alla luce di dilatazione.

Succede che la rotaia essendo un profilato metallico alle alte temperature si allunga e alle basse

temperature di accorcia. Quindi il problema della dilatazione termica è molto importante,

Quindi non può esistere un binario giuntato senza la luce di dilatazione.

Dobbiamo far riferimento nella progettazione e nella scelta a:

- Le normative di riferimento cogenti (sono obbligato ad applicarle) sono quelle di RFI;

- Produttore con caratteristiche idonee per Rfi (fornitori certificati).

Qui, in ambito ferroviario, ci interessa veramente poco l’aspetto economico.

La sovrastruttura ferroviaria può essere di tipo classico (con massicciata – ballasted track) o di tipo

innovativo (senza massicciata – slab track). In ambedue le forme sono presenti le rotaie, gli organi di

giunzione e gli organi di attacco:

- in quella di tipo classico a formare, assieme alle traverse, un telaio annegato nella massicciata,

che appoggia sopra il corpo stradale; 6

- in quella di tipo innovativo, componenti di una struttura poggiante su di una fondazione di

calcestruzzo (spesso non ci sono le traverse). Nei tratti in viadotto o in galleria quest’ultima

coincide, rispettivamente, con l’impalcato del viadotto e il riempimento dell’arco rovescio.

La differenza è la presenza di pietrisco ed entrambe le caratteristiche hanno pregi e difetti.

Quella tradizionale è molto più flessibile e questo è un pregio perché consente alla sovrastruttura di

adattarsi meglio al piano campagna, di rimanere più continua sotto il carico da traffico e da rispondere

meglio ai piccoli movimenti dell’armamento. Quindi il loro compito è di equilibrare il sistema. Quelle

innovative sono più rigide, ma sono molto più resistenti. A parità di carico hanno una vita maggiore

rispetto a quelle tradizionali. Ovviamente i costi sono diversi. In quelle innovative sono maggiori, ma

in parte le recuperiamo con le manutenzioni che hanno meno bisogno di quelle tradizionali.

La scelta delle due è praticamente imposta dall’ambiente attraversato. Le sovrastrutture tradizionali

sono tipiche per i tratti all’aperto mentre le innovative le utilizziamo in ambienti chiusi come galleria

e metropolitana.

In quelle innovative, non usiamo i sassi perché nei treni ad alta velocità si muovono altre correnti

d’aria e il pietrisco si solleva (volo del pietrisco) e segue traiettorie che non riusciamo a prevedere.

Il secondo motivo invece, è un motivo più geometrico.

Il piano che passa per la testa della rotaia è chiamato piano del ferro. Ci devono essere determinati

franchi di sicurezza che consentono al treno di passare nella galleria senza contatti. Nelle nuove

gallerie non è un problema; invece, quando adeguiamo una galleria esistente, ci troviamo nella

condizione di far fatica di rispettare la sagoma limite di sicurezza perché sono gallerie vecchie.

Siccome non possiamo cambiare i treni, tendiamo a tenere il più basso possibile il piano del ferro e

quindi dobbiamo agire sulla fondazione del getto in calcestruzzo. 7

Per cui per diminuire questa altezza con la fondazione in calcestruzzo spingiamo sull’armatura e

riusciamo a ridurre lo spesso ed avere una luce di sagoma limite più amplia. Per noi è tradizionale

tutto quello che va sotto i 200 km/h.

La sovrastruttura ferroviaria con massicciata

Il trapezio isoscele abbiamo detto che è formato dal ballast/massicciata (ghiaia grossa) e lo strato

inferiore è il sub-ballast (realizzato in misto cemento o in conglomerato bituminoso).

Tutto ciò che ha dentro del cemento in ferrovia non ci piace perché abbiamo poco tempo e non

vogliamo chiudere la linea. Quindi calcestruzzo/cemento le usiamo per le sovrastrutture oppure per

gli interventi straordinari. La cosa importante è capire quando tempo ci vogliono per realizzare l’opera

perché possiamo chiudere la linea solo di notte. Non voglio lavorare di giorno perché diminuisco il

confort dei passeggeri.

La sovrastruttura con massicciata-le rotaie

Le rotaie sono un elemento dell’armamento previsto in tutte le tipologie di linea ferroviaria. Le rotaie

sono una coppia che costituiscono il binario; formato da due rotaie perfettamente identiche.

Dal punto di vista strutturale sono dei profilati metallici simili alle travi IPE e HE.

Sia per quanto riguarda il materiale e sia il loro utilizzo in sito devono rispettare la specifica di RFI.

La specifica mappa ogni istante di vita utile della rotaia; le specifiche sono cogenti.

Le rotaie sono distinte in diverse tipologie sulla base del loro peso per unità di lunghezza

[kg/m]. Ci sono diversi tipi di rotaie che possiamo utilizzare: la 46, la 50 e 60 E1 (sono il peso in Kg

al metro della rotaia). 8

Noi ci ricorderemo solo la 60 E1 (si usa praticamente solo questa per RFI) che pesa 60 kg/m.

Tutte le linee di RFI montano rotaie 6oE1. La specifica ci dà tutti i dimensionamenti geometrici.

Ci dobbiamo ricordare che la rotaia deve avere un determinato profilo.

Usiamo rotaie più pesanti perché offrono un’inerzia maggiore al fenomeno del serpeggiamento.

Il contatto avviene nella parte alta del profilo della rotaia.

La sezione è chiamata FUNGO-GAMBA-SUOLA.

I principali elementi che compongono la rotaia sono:

- fungo: parte superiore della rotaia;

- gambo: parte verticale della rotaia;

- suola: parte inferiore della rotaia;

- superficie di rotolamento: superficie del fungo a diretto contatto con la parte attiva del

cerchione;

- bordi o lembi del fungo, a loro volta distinti in interno (anche detto di guida) quello che si

trova, in esercizio, a contatto con il bordino del cerchione, ed esterno, l’altro; 9

- punto di contatto fra i profili di progetto della rotaia e del bordino;

- piani di steccatura, costituiti dalle facce inclinate che raccordano rispettivamente il fungo e la

suola al gambo.

Per cui il fungo è la zona dove avviene il contatto ruota-rotaia mentre la suola è la parte che si

appoggia sulla traversa inclinata di 1/20.

I piani inclinati sono chiamati piani di steccatura; perché gli organi di giunzione steccano

(appoggiano) contro i piani inclinati.

Noi ipotizzeremo sempre un sistema simmetrico quindi non ci interessa il sopra o sotto.

Se ci focalizziamo sul fungo, il contatto ruota-rotaia avviene sul suo bordo interno (bordo rivolto

verso l’interno del binario). Avviene nel bordino che a sua volta avvolge il bordo interno del fungo.

Se esce dal bordo interno del fungo è un problema quindi rischio di svio.

Se guardo la sezione della rotaia essa è molto asimmetrica perché il fungo è più stretto della suola e

il gambo è molto pi largo degli altri due componenti. Siccome il gambo è più snello è l’elemento più

critico, quindi, è il primo che tende a fessurarsi.

Entrambe le rotaie sono inclinate verso l’interno del binario di un angolo, la cui tangente è

pari a 1/20.

L’inclinazione di 1/20 serve anche per far si che i carichi che derivano dalle ruote dei treni, siano

centrati rispetto al fungo. Se non inclinassimo la rotaia di 1/20, lo sforzo che arriva dalla ruota sarebbe

completamente disassato rispetto all’asse del gambo. E questo faciliterebbe la rottura. Quindi

incliniamo la rotaia, non solo per mantenere il bordino, ma per centrare gli sforzi rispetto al gambo

così da allungare la vita utile della rotaia.

Gli acciai per rotaie sono distinti in diverse classi in funzione della durezza e della composizione

chimica del materiale (EN 13674-1). 10

La specifica di RFI ci dice con che acciaio far e le rotaie; si differiscono 3 tipi di acciaio. Noi

utilizzeremo la R260 che ci offre la miglior resistenza all’usura.

I fornitori certificati vengono mappati da RFI in tutte le fasi di produzione della linea; è importante

perché nel momento scelgo la rotaia oltre alle rotaie deve essere presente il certificato che rappresenta

ok del fornitore. Sennò il foglio le rotaie non si scaricano.

Le rotaie si trasportano o su gomma (per piccole lunghezze) o su ferro (spezzoni di rotaia più lunghi).

La sovrastruttura con massicciata-le traverse

Le traverse si utilizzano qualunque sia il tipo di treno e di linea. Le traverse sono tutte uguali tra di

loro. Il binario per noi sono le due rotaie non l’intera linea ferroviaria.

Le traverse si posizionano tra il binario e la sovrastruttura e sono gli elementi su cui si appoggiano le

rotaie.

Le due funzioni sono:

- Ripartire i carichi che arrivano dai treni sulla sovrastruttura (le ruote della sala montata

scaricano le sollecitazioni sulle rotaie, passano alle traverse le ridistribuiscono alla

sovrastruttura). Quindi trasformo un carico pontuale in un carico distribuito

- Mantenere in posizione le due rotaie ad una corretta distanza ovvero lo scartamento =1435

mm.

Le rotaie sono mantenute alla corretta distanza da elementi prismatici trasversali detti

traverse, mediante i quali si consegue anche l’ammorsamento del binario nella massicciata. 11

Tali elementi sono tutti uguali e possono essere equiparati a travi rovesce su due appoggi nel caso di

binario corrente.

Anche per le traverse ci sono le specifiche di riferimento che coprono tutta la vita utile dell’elemento.

Il modulo o passo o spartito delle traverse rappresenta il loro interasse. Il valore è quello di 60 cm.

È di quel valore perché è il valore che consente al nostro sistema di distribuire i carichi del traffico in

modo omogeneo sul sottofondo. Tutte le linee ferroviarie hanno lo stesso modulo.

I materiali che RFI dice che si possono utilizzare sono il legno e il cemento armato/