Costruzioni ferroviarie e aeroportuali

2025 Q

UADERNO APPUNTI

S V

OFIA IGNALI Costruzioni Ferroviarie M

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C : C F M

ORSO OSTRUZIONI ERROVIARIE

By Valentina Vignali 16/09/2025

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

rispetto al caso di un veicolo stradale, poiché il trasporto ferroviario è un

trasporto su sede fissa o vincolata, perché il moto rimane incluso all’interno

della coppia di rotaie che compongono il binario. Il movimento avviene proprio

anche tramite il contatto ruota-rotaia. In ferrovia la funzione di guida e di

mantenimento della traiettoria non è svolta dal conducente, ma è affidata

esclusivamente al binario. 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/apparecchi di binario).

L’obiettivo nel caso di costruzioni ferroviarie è sempre quello di utilizzare i

migliori materiali, senza considerare il costo poiché la manutenzione è molto

complicata, poiché consiste nella chiusura della linea. Quindi l’obiettivo è

progettare un sistema che non abbia mai bisogno di manutenzione.

Veicolo ferroviario

I veicoli ferroviari sono muniti di ruote metalliche, in quanto non è possibile

usare gli pneumatici a causa della loro incompatibilità con il metallo delle

rotaie. La sicurezza di tutto il sistema ferroviario consiste nel contatto ruota-

rotaia per questo, sia ruote che rotaie, devono essere costruite con particolari

geometrie.

I veicoli ferroviari hanno le ruote di uno stesso asse rigidamente calettate fra

loro (montate a coppie) e l’insieme di due ruote e dell’asse corrispondente

(assile) prende il nome di sala montata, questo riguarda tutti i tipi di treni

che circolano sulle linee. L’assile è rigido e questo significa che le due ruote

che compongono la sala montata si muovono con la stessa velocità di rotazione,

per lo stesso motivo la capacità sterzante è notevolmente ridotta. I raggi piccoli

non vengono mai presi in considerazione per il progetto di infrastrutture

ferroviarie, anzi più il raggio è ridotto più è alto il pericolo di svio

(fuoriuscita della sala montata dalla rotaia, incidente).

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La ruota è fornita di un cerchio esterno detto cerchione, con un bordino interno

(bordino perché è una specie di scalino che rimane all’interno della rotaia,

responsabile azione ruota-rotaia, circa 2 cm) e con una superficie di appoggio

inclinata di un angolo la cui tangente è pari a 1/20 (non è un valore universale,

in Germania è 1/40). La ruota ha una forma troncoconica.

La superficie di contatto tra ruota e rotaia quindi è proprio l’altezza del

bordino, piccolissima, per questo l’aderenza del contatto è di circa 0,2-0,3 che

su asfalto corrispondeva all’aderenza sul ghiaccio.

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.

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.

Diventa fondamentale cambiare spesso sa ruote che rotaie poiché a causa del

contatto acciaio-acciaio, nonostante le altissime prestazioni dei materiali,

l’usura è alta. Essendo la ruota tronco-conica, il diametro vicino al bordino è

più lungo di quello lontano al bordino. 3

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.

 Sala montata allineata al binario, centrata rispetto al binario (rettifilo)

le circonferenze di rotolamento delle ruote della sala montata sono uguali

 Sala montata non allineata al binario (curva) le circonferenze di

rotolamento delle ruote della sala montata sono diverse ruota interna <

ruota esterna

La ruota esterna alla curva quindi rimane sempre “indietro” e questo provoca

l’aumento dello strisciamento tra ruota e rotaia, per risolvere il problema

bisogna ricorrere a vari stratagemmi. La sala montata in curva si sposta, non è

più centrata rispetto al binario, in modo tale che, essendo le ruote

troncoconiche, le circonferenze di strisciamento siano diverse e quindi con la

differenza di circonferenze si riesce a equilibrare il moto e rimanere sul

binario. All’aumentare della velocità del convoglio più il problema si aggrava,

perché lo sfregamento aumenta ancora di più. Il treno quindi urta da una parte

e spinge il treno contro l’altra rotaia che risponde con lo stesso urto; quindi,

il moto si basa su un moto creato da urti consecutivi (tutti urti elastici).

Nasce, quindi, il cosiddetto moto di serpeggiamento. Un moto di questo tipo,

soprattutto in curva, porta ad un elevato stress dei materiali, è necessaria

un’attenta progettazione e scelta dei pezzi.

Questo moto previene il deragliamento del treno, ma produce continui urti tra i

bordini delle ruote e le rotaie, allo stesso tempo aumenta il rischio di scavalco

della rotaia. Qualsiasi progetto parte dalla verifica della condizione ruota-

rotaia, sia della geometria che dell’inclinazione e in più qualunque sia il

convoglio o la linea il treno serpeggia, avanza per piccoli urti successivi, e

questo effetto è tanto maggiore quanto maggiore è la velocità del convoglio.

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I

NFRASTRUTTURA FERROVIARIA

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

della sovrastruttura ferroviaria.

Il corpo stradale rappresenta la parte sottostante e può essere costituito da

un’opera civile o dal terreno in sito, è lo stesso che si utilizza nelle

costruzioni stradali tradizionali. È molto importante che:

 Sia costituito da materiali con adeguate caratteristiche meccaniche;

 Abbia la giusta geometria (drenaggio delle acque);

 Sia adeguatamente compattato al fine di esplicare un’idonea capacità

portante.

La parte sovrastante della linea ferroviaria è rappresentata dalla sovrastruttura

ferroviaria, formata da armamento e massicciata, ed è proprio quella che

caratterizza la sede ferroviaria (anche nelle strade si chiamavano sovrastruttura

perché lo scopo è lo stesso).

Il corpo stradale comprende l’insieme delle opere civili che sostengono la

sovrastruttura ferroviaria.

Si definisce sovrastruttura ferroviaria l’insieme degli elementi appoggiati sul

corpo stradale che, contemporaneamente, realizza il piano di rotolamento del

veicolo ferroviario (piano del ferro) e gli permette di mantenere la corretta

traiettoria assolvendo la funzione di guida dello stesso.

È composta dall’armamento e dagli strati su cui esso appoggia (massicciata o

ballast, eventuale sub-ballast), costituita da pietrisco, questa insieme

all’armamento siccome è il primo contatto con il convoglio è anche la prima cosa

in cui si sviluppano i carichi dei convogli.

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Si definisce armamento ferroviario l’insieme formato da:

 Rotaie

 Traverse

 Organi di giunzione: uniscono le rotaie tra di loro attraverso giunti

metallici in modo da realizzare un binario il più possibile continuo. I due

spezzoni di rotaia non si toccano, lo spazio che si divide è la luce di

dilatazione ed è al massimo 14 mm; siccome sono in acciaio le strutture si

dilatano e si restringono a causa delle condizioni atmosferiche esterne la

luce di dilatazione serve proprio per gestire fenomeni di dilatazione e

contrazione. Non può esistere un binario in cui le rotaie si toccano.

 Organi di attacco: in entrambe le rotaie, uniscono rotaie e traverse e sono

tutti uguali tra loro

L’armamento “affonda” nella massicciata.

Nella progettazione per ogni elemento di cui ci si occupa, in Italia, si deve

andare a cercare la specifica corrispondente di RFI, sono normative cogenti

poiché se il progetto non rispetta le specifiche, RFI non apre la linea, non

esiste nessun tipo di deroga. Anche i produttori/fornitori devono essere

certificati, cioè devono avere superato dei controlli di gestione e produzione

degli elementi e hanno quindi ottenuto la certificazione.

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;

 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.

Le sovrastrutture con massicciata:

 Si adegua con maggiore flessibilità alle condizioni del sito (cedimenti

differenziali), consente alla sovrastruttura di adattarsi meglio ai

movimenti del piano campagna e rimanere più continua sotto il carico da

traffico e rispondere meglio a piccoli movimenti dell’armamento;

 I costi di costruzione sono minori;

 Consente di rettificare i difetti della sovrastruttura più facilmente.

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Le sovrastrutture senza massicciata:

 È ideale per le applicazioni in galleria, perché consente sezioni

trasversali minori, perché le distanze tra il piano del ferro (linea sopra

la rotaia) e la calotta della galleria sono normate in modo che non

provochino strisciamenti, questo solitamente non è un problema per la

costruzione di nuove gallerie, ma lo diventa nel caso di gallerie esistente

(convogli e impianti di tempo fa erano meno ingombranti);

 I costi di manutenzione sono minori e hanno meno necessità di manutenzione,

ma quelli di costruzioni sono molto più elevati;

 Ha una vita utile molto lunga a parità di carico grazie al loro materiale

e sono anche molto più rigide per questo non hanno problemi di carico.

La scelta tra le due tipologie di massicciata è imposta, in realtà, solo dal tipo

di ambiente da servire. Le sovrastrutture tradizionali si utilizzano per i tratti

all’aperto, mentre le altre generalmente si utilizzano in ambienti chiusi come

gallerie o metropolitane. In ambienti chiusi, soprattutto per quanto riguarda

l’alta velocità, i treni provocano grandi spostamenti di aria e di conseguenza

si ha un sollevamento del pietrisco che urta le pareti delle gallerie, rimbalzando

e andando a sbattere nel convoglio ammaccandolo, ma può anche creare problemi di

sicurezza. 7

Sovrastruttura con massicciata

Armamento:

 Rotaie

 Traverse

 Organi di attacco

 Organi di giunzione

Sovrastruttura:

 Massicciata o ballast

 Sub-ballast, misto cementato o conglomerato bituminoso (bisogna tenere in

considerazione che il cemento comporta importanti tempi di posa, che

diventano complicati da gestire nel caso di manutenzioni ferroviari)

 Sottofondo

Va analizzato in maniera diversa per treni AV o linee tradizionali

> 200

.

< 200 22/09/2025

Rotaie

Non esistono infrastrutture ferroviarie senza rotaia, sono presenti in qualunque

tipologia di infrastruttura. Le rotaie sono distinte in diverse tipologie sulla

base del loro peso per unità di lunghezza e quelle che possono essere

utilizzate sono nella tabella sottostante.

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Le tratte armate con rotaie di tipologia diversa dovranno essere sostituite,

durante l’esecuzione dei lavori di rinnovo, con il tipo 60E1, tipologia utilizzata

per la maggior parte da RFI. Si utilizzano le 60E1 poiché essendo più pesanti

offrono un’inerzia maggiore al moto di serpeggiamento e quindi resiste

maggiormente agli urti successivi fisiologici del moto.

Le specifiche RFI sono cogenti per il progettista, vanno esaminate e prese come

guida sempre.

I principali elementi che compongono la rotaia (sezione fungo-gamba-suola) sono:

 Fungo: parte superiore della rotaia, zona di contatto;

 Gambo: parte verticale della rotaia;

 Suola: parte inferiore della rotaia, zona di appoggio;

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I collegamenti tra le piante avvengono tramite piani inclinati, chiamati piani

di steccatura. Il nome deriva dal fatto che gli organi di giunzione della rotaia

si appoggiano su questi piani, si “steccano” su questi piani.

 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;

 Punto di contatto fra i profili di progetto della rotaia e del bordino, nel

bordo interno del fungo;

 Piani di steccatura, costituiti dalle facce inclinate che raccordano

rispettivamente il fungo e la suola al gambo.

La sezione è particolarmente asimmetrica perché il fungo ha una superficie di

molto inferiore rispetto alla suola e anche il gambo risulta molto più esile del

resto della rotaia ed è proprio questo che lo rende una delle parti più critiche

della rotaia poiché per questo propende a fratturarsi.

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

cui tangente è pari a 1/20. L’inclinazione di impedisce il deragliamento, ma

serve anche per far si che i carichi che arrivano dalle ruote dei treni siano

centrati rispetto al gambo. Lo sforzo che arriva dalla ruota se non ci fosse

questa inclinazione sarebbe completamente disassato rispetto al gambo e questo

provocherebbe una sollecitazione disomogenea e la conseguente rottura del gambo.

In questo modo si aumenta la vita utile della rotaia.

L’inclinazione è molto importante per la sicurezza di circolazione, perché evita

il deragliamento e lo svio del treno dal binario.

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

e della composizione chimica del materiale (EN 13674-1).

La fornitura degli acciai per rotaie deve essere espletata da fornitori

certificati da RFI. Ogni fornitore deve dimostrare che il prodotto è realizzato

nell’ambito di un sistema globale di controllo della produzione approvato da RFI.

Questi fornitori vengono mappati da RFI in tutte le fasi di produzione della

linea, questo diventa importante per la D.L. o per il progettista perché al

momento della scelta o dell’arrivo del materiale in cantiere deve essere sempre

presente anche il certificato del fornitore come quello sopra. Senza quel foglio

le rotaie non possono essere montate. I fornitori sono pochi perché il superamento

dei controlli di RFI da regole molto rigide e quindi gli impianti devono essere

all’avanguardia e particolarmente costosi.

Le rotaie vengono tagliate perché il profilato lunghissimo prodotto in impianto

deve essere potato in cantiere su gomma o su ferro (di solito si trasporta la

lunga rotaia saldata), il trasporto su gomma si utilizza solo per lunghezze

piccole.

Traverse

Le rotaie sono mantenute alla corretta distanza (scartamento ) da

→ 1435

elementi prismatici trasversali detti traverse, mediante i quali si consegue

anche l’ammorzamento del binario nella massicciata. Tali elementi sono tutti

uguali e possono essere equiparati a travi rovesce su due appoggi nel caso di

binario corrente, sono sempre presenti per tutte le tipologie di traffico.

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Le traverse hanno la funzione di ripartire il carico sulla sovrastruttura,

trasformano il carico puntuale sulle rotaie, in carico distribuito sulla

sovrastruttura.

Il modulo o passo o spartito delle traverse rappresenta l’interasse tra gli assi

delle traverse. Un valore molto diffuso è quello di 60 cm, valore che consente

al sistema di distribuire i carichi del traffico in modo omogeneo sul sottofondo.

Il binario spesso viene utilizzato come complesso dell’infrastruttura mentre in realtà il binario è solo la coppia di rotaie.

Anche nel caso delle trasverse si hanno le specifiche che descrivono tutto il

processo “vitale” della traversa, dalla creazione alla discarica.

Per quanto riguarda i materiali costituenti le traverse, quelli più noti sono il

legno ed il cap. Le traverse in legno sono ormai in disuso. Le essenze legnose

più impiegati sono il rovere e il faggio. Ai fini della conservazione del legno

dagli attacchi degli agenti atmosferici, dei parassiti e dei funghi, le traverse

in legno sono sottoposte ad un trattamento di impregnazione. Per questo, quelle

dismesse sono da considerare come un rifiuto speciale.

La lunghezza massima è pari a 2.60 m, mentre la sezione trasversale può

appartenere, in funzione delle dimensioni, a sette gruppi e, a seconda della

forma della sezione trasversale, a tre categorie.

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Quelle che si utilizzano sono quelle con forma 1,2 e 3 quindi con sezione

trapezoidale. Sono sagomate con due culle per le rotaie realizzate a “C”

rovesciata con base di appoggio orizzontale, questo significa che vanno aggiunte

piastra per dare l’inclinazione di . Le traverse in legno si utilizzano solo

per linee ferroviarie in contesti speciali: ambiti naturalistici, linee di

rilevanza storica, ecc. non si utilizzano più per linee passeggeri normali perché

hanno una sola lunghezza (si dovrebbero unire spezzoni diversi) e in più la

sezione non è sagomata ma vanno aggiunte ulteriori piastre che vanno sistemate

e per questo c’è un aumento sia dei costi che dei tempi, in più le traverse in

legno sono rifiuto speciale (smaltito con regole precise e costose) perché essendo

all’aperto vanno trattate con miscele particolari che le rendano impermeabili e

resistenti sia ai carichi che agli agenti esterni che le rendono rifiuti speciali.

Più recentemente si è diffuso l’uso di traverse in cemento armato. Tale scelta,

oltre dalla necessità di ridurre l’impiego di un materiale pregiato quale il

legno, discende da ragioni tecniche (no RFI) legate alla costante evoluzione

delle prestazioni richieste al binario per effetto dell’aumento delle velocità

di esercizio e dei carichi per asse. Nelle linee ad alta velocità, infatti, si

utilizzano quelle in cemento armato precompresso, perché sono più resistenti e

in più quando si rompono tendono a non diversi in due.

L’impiego delle traverse in cemento armato presenta i seguenti vantaggi rispetto

a quelle in legno:

 Grande stabilità dell’armamento ferroviario, dovuta al peso del

calcestruzzo sensibilmente più elevato di quello del legno che aiuta nel

moto di serpeggiamento per ridurre gli urti;

 Elevata inerzia nei confronti delle sollecitazioni verticali prodotte dal

passaggio dei carichi mobili;

 Ridotta manutenzione, rimangono come nuove fino a poco prima del momento

della rottura (aiuta nell’evitare la chiusura della linea al traffico);

 Possibilità di armare gli ancoraggi delle rotaie in officina, garantendo

in tal modo un accurato rispetto dello scartamento;

 Riduzione del tempo di produzione, prodotte in impianto (certificato) e

arrivano in cantiere già montate con organi di attacco e tutti i restanti

elementi tranne la rotaia. 13

Quindi in generale i vantaggi principali sono la riduzione del tempo di

costruzione in cantiere e soprattutto tutto ciò che viene fatto in impianto è

controllato, a differenza del cantiere, ed è tutto perfettamente uguale ed è

garanzia di sicurezza dovuta al montaggio automatico a macchina con adeguati

coefficienti di sicurezza.

Le traverse in cemento armato si distinguono in due categorie fondamentali:

monoblocco e bi-blocco.

 La traversa monoblocco è costituita da un manufatto unico in conglomerato

cementizio.

 La traversa bi-blocco è costituita da due elementi in conglomerato

cementizio con armatura lenta, collegati da un tirante in acciaio avente

la funzione di garantire il giusto distanziamento degli attacchi inglobati

nei getti e, quindi, di realizzare il corretto scartamento del binario.

La scelta del tipo di traversa viene fatta dal progettista, ma nella maggior

parte dei casi si utilizzano le monoblocco, i vantaggi principali sono legati al

fatto che in genera la vita utile è più lunga perché in assenza del tirante sono

più resistenti e in più possono essere fatte in cemento armato precompresso in

senso longitudinale.

Le traverse in C.A.P. vengono prodotte in stampi (puliti e passati con un prodotto

che evita che il profilo si incolli allo stampo) poi vengono inseriti i cavi (no

tondini, ma veri e propri cavi o trefoli, tagliati tra blocchi di calcestruzzo

di lunghezza adeguata e tirati in modo da tenere tutto in posizione), poi il

materiale viene calato all’interno delle tramogge scorrevoli sopra gli stampi e

quindi colato all’interno degli stampi, il materiale continua ad essere mescolato

per evitare l’inizio dell’essicamento e in più la piattaforma viene fatta vibrare

per aumentare la densità. Gli stampi vengono coperti, si aspetta la fine del

ritiro (28 g teorici, ma iene aggiunto accelerante) si scoprono e si tolgono le

casserature per liberare le traverse dagli stampi. A questo punto le traverse

vengono sollevate a blocchi e stoccate per completare il ritiro, infine vengono

rifinite e viene scritta la data di produzione.

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Le traverse devono essere principalmente di tre tipi: RFI 230, 240 e 260. Si

utilizzano traverse differenti soltanto per gli organi di scambio che hanno

traverse particolari. La sigla sta ad indicare la lunghezza della rotaia in cm,

a lunghezza più lunga corrisponde peso più alto, ma vengono usati tutte e tre le

tipologie. Al centro della traversa è presente un timbro (obbligatorio, sennò

rimandata indietro) con tipologia, sigla di attacco e produttore oltr