Appunti di Costruzioni Ferroviarie e Aeroportuali

Ferrovie

Capitoli principali

• Cap. 1 – Veicoli e armamento ferroviario
• Cap. 2 – Resistenze al moto dei veicoli ferroviari
• Cap. 3 – Progettazione di una linea ferroviaria
• Cap. 4 – Apparecchi di binario e organi di scambio
• Cap. 5 – Termica del binario: la lunga rotaia saldata
• Cap. 6 – Manutenzione e diagnostica ferroviaria
• Cap. 7 – Alta velocità ferroviaria
• Cap. 8 – Progetto del corpo stradale

Aeroporti

Capitoli principali

• Cap. 1 – Introduzione: Landside e Airside
• Cap. 2 – Progetto della pista di volo
• Cap. 3 – Superfici di delimitazione degli ostacoli
• Cap. 4 – Pavimentazioni aeroportuali
• Cap. 5 – Dimensionamento delle pavimentazioni aeroportuali flessibili
• Cap. 6 – Dimensionamento delle pavimentazioni aeroportuali rigide
• Cap. 7 – Valutazione della capacità portante di una pista di volo

Costruzioni ferroviarie

Veicoli e armamento ferroviario (cap. 1)

Le sollecitazioni trasmesse dal veicolo treno alla sovrastruttura ferroviaria sono molto diverse rispetto al caso stradale perché il trasporto ferroviario è su sede vincolata: il treno è vincolato a seguire una determinata traiettoria, imposta dal binario, nella quale non sono ammessi movimenti trasversali (se non in corrispondenza degli scambi).

Mentre la sezione trasversale di una sovrastruttura stradale è omogenea, e infatti è modellata (per es. con Bisar) come una serie di strati indefiniti omogenei, la sovrastruttura ferroviaria è costituita da una zona molto caricata (quella sottostante le rotaie) e due zone laterali più scariche. Al di sotto delle rotaie si distribuisce la maggior parte del carico mentre ai lati poco carico e, comunque, solo una componente orizzontale: non si usa più la schematizzazione di sezione trasversale omogenea. La componente verticale si scarica quasi tutta sotto le rotaie, quella orizzontale si trasferisce in parte anche ai bordi della sovrastruttura ferroviaria.

Gli scambi sono le uniche zone in cui sono concessi spostamenti trasversali in quanto il treno può cambiare posizione. Qui la distribuzione dei carichi varia: si hanno più binari che confluiscono nello scambio (si hanno più traiettorie) e la sezione trasversale è caricata omogeneamente.

La differente distribuzione dei carichi rispetto al caso stradale è dovuta anche al fatto che i treni non hanno pneumatici ma ruote metalliche, dotate di elasticità pressoché nulla. Inoltre i veicoli ferroviari hanno ruote rigide tra loro: sono montate a coppia in modo rigido mediante l’assile. Il sistema ruote – sala montata assile è detto. La sala montata è un blocco totalmente rigido: non sono ammessi spostamenti relativi tra ruote metalliche ed assile, altrimenti il treno svia.

Sala montata

Sala montata = Assile orizzontale + Ruote metalliche verticali rigidamente collegate.

Il fatto che la sala montata resti rigida durante il moto ha un’altra grande implicazione, relativa alla sterzatura del veicolo: nel veicolo ferroviario la sterzatura è molto più lenta di quella di un veicolo stradale perché la rigidità della sala montata fa sì che gli angoli di sterzatura siano molto piccoli, pertanto sono da evitare il più possibile le curve a raggio piccolo. Possono essere realizzate solo quando non ci sono alternative e comunque si devono adottare limitazioni di velocità (tratto di linea a restrizione di marcia).

Il fatto che la sala montata sia rigida durante il moto influisce anche in termini di frenatura perché si può contare solo sulla componente simmetrica dello sforzo, quindi il grado di frenatura di un veicolo ferroviario è molto minore di quello di un veicolo stradale. Questo implica che le distanze di frenatura sono maggiori per il veicolo ferroviario, sia in termini di distanza di arresto che di distanza di visibilità (quindi sia in condizioni di emergenza che ordinarie).

Rispetto al veicolo stradale nel caso ferroviario c’è un’altra grande differenza: a seconda della sala montata considerata (un veicolo ha più sale montate) ogni sala montata è diversa dall’altra in termini di interazione con la sovrastruttura, perché si prende una determinata componente dello sforzo totale trasmesso alla sovrastruttura (al pietrisco) anche se le sale montate sono geometricamente uguali tra loro. Questo perché ci sono delle sale montate collegate al motore (ruote motrici, che muovono il veicolo) ed altre scollegate dal motore (ruote portanti, portano il peso del veicolo ma non gli danno la trazione, cioè la spinta in avanti).

Peso aderente e forza di trazione

Questa distinzione ci serve perché quando si parla di peso (sollecitazione verticale) questo si scarica in modo uniforme su tutte le ruote, sia che siano motrici sia che siano portanti. Invece quando si parla di forze orizzontali si prendono in considerazione solo le ruote motrici. Quindi, mentre la risultante delle forze verticali si distribuisce in modo uniforme su tutte le sale montate del veicolo, per le forze orizzontali questa distribuzione non vale più perché solo le ruote motrici trasmettono la forza alla sovrastruttura.

Questa è una complicazione, perché si ha una distribuzione con un diverso grado di simmetria a seconda che si consideri la componente verticale o quella orizzontale del carico da traffico e quindi si devono fare due verifiche diverse a seconda del tipo di forza considerata. Inoltre significa che un tipo di sovrastruttura ferroviaria (spessore degli strati, materiali) che resiste ad una determinata distribuzione di sollecitazioni verticali potrebbe non resistere alle sollecitazioni orizzontali: a parità di pacchetto ferroviario gli spessori per resistere alle sollecitazioni verticali sono diversi da quelli che servono per resistere alle sollecitazioni orizzontali.

Quindi, per avere una sovrastruttura che risponda ad entrambe le verifiche, si dovrebbero aumentare molto gli spessori con costi non sostenibili. Per questo nella pratica si semplifica il problema considerando non il peso totale del veicolo ma il peso aderente: peso che grava sulle ruote motrici. Usando il peso aderente si ha che le sollecitazioni V ed H sono applicate alle stesse ruote, quelle motrici. Altro vantaggio di questa schematizzazione semplificata è che normalmente le ruote motrici sono al centro del veicolo ferroviario: considerare la sollecitazione verticale delle ruote motrici significa stare vicino al baricentro del veicolo e questo è positivo in termini di calcolo.

Per noi le sollecitazioni da traffico sono tutte applicate alle ruote motrici e possono essere di 2 tipi: quelle verticali coincidono col peso aderente; quelle orizzontali coincidono con la forza di trazione. Peso aderente e forza di trazione per il progettista ferroviario sono noti: F dipende dal motore, P è dato dalla scheda tecnica del veicolo e varia in funzione del peso proprio della carrozza e del suo contenuto (passeggeri o merci). Questa schematizzazione è valida sia per linee tradizionali che per quelle AV.

Area di impronta

L'area di impronta è la superficie di contatto tra ruota e sovrastruttura attraverso la quale il carico dal veicolo arriva alla sovrastruttura ferroviaria. Nel caso stradale si ha un pneumatico che con una certa grandezza appoggia sulla pavimentazione originando un’area di impronta (circolare o ellittica a seconda del movimento del moto), stimabile in cm² di impronta. Nel caso ferroviario non è più così: la ruota metallica che compone la sala montata è dotata, lungo il suo perimetro, di un bordino col quale avviene il contatto ruota – rotaia. L’area di impronta si riduce molto rispetto a quella a forma di cerchio o di ellisse; inoltre il contatto ruota – rotaia non avviene su tutto lo sviluppo della ruota ma solo sul bordino: solo qui la ruota interagisce con la rotaia, la superficie di contatto è molto piccola e quando si divide la risultante del carico per l’area viene fuori un carico distribuito molto elevato.

Per sopportarlo si deve usare qualcosa di molto resistente, ma anche utilizzando l’acciaio più resistente possibile le dimensioni piccole del bordino non sarebbero sufficienti a sopportare i carichi. Allora, per risolvere il problema, il moto del veicolo ferroviario avviene in modo tale che il bordino e la rotaia siano in contatto tra loro per intervalli di tempo piccoli (contatto non continuo nel tempo, ma per istanti successivi). In questo modo si azzerano gli sforzi trasversali che agirebbero sul bordino, rompendolo.

Dato che il bordino deve essere piccolo sennò si rompe, il contatto deve essere istantaneo: in queste condizioni il primo problema è che può facilmente succedere che il contatto ruota – rotaia non funzioni, la ruota esce dalla rotaia ed il veicolo svia. Il problema è risolto con la testa delle rotaie che non è posizionata in orizzontale, ma inclinata verso l’interno del binario di 1/20 (in Italia). Le due ruote che compongono la sala montata sono entrambe inclinate rispetto all’orizzontale di 1/20 in direzione opposta (verso il centro del binario) per esplicare, durante il moto, un’azione centrante che mantiene le sale montate del veicolo dentro al binario senza scavalcarlo.

Questa azione è importante su tutta la linea ma soprattutto in curva dove c’è la forza centrifuga e la stabilità sul piano orizzontale è più complicata, specie con curve di raggio piccolo. Infatti per determinate situazioni di raggio piccolo l’inclinazione aumenta.

Moto di serpeggiamento

In rettilineo le ruote della sala montata fanno lo stesso numero di giri, in curva invece si ha che la ruota interna alla curva fa un numero di giri diverso rispetto a quella esterna che deve coprire lo spazio più lungo rispetto a quella interna: le due ruote tendono a seguire due circonferenze diverse. In generale la ruota interna segue una circonferenza minore e quella esterna ne segue una maggiore: per questo, in curva, l’effetto centrante è ancora più importante. Il veicolo tende a spostarsi verso il centro della curva perché la ruota interna compie una circonferenza minore e se non ci fosse l’inclinazione di 1/20 la ruota interna alla curva tenderebbe a scavalcare la rotaia; con questa inclinazione, invece, la ruota interna sbatte contro la rotaia e viene riportata verso il centro perché le due ruote della sala montata sbattono da una parte all’altra delle due rotaie “ballando” a lati opposti: la ruota interna urta la rotaia, che essendo inclinata di 1/20 la spinge verso l’esterno della curva; a questo punto la ruota esterna urta contro la rotaia esterna, che essendo inclinata di 1/20 la rispinge verso il centro del binario. Questo urto ruota int – rotaia int e ruota ext – rotaia ext è il contatto istantaneo ruota – rotaia alla base del moto di serpeggiamento.

In rettilineo, con piano campagna orizzontale, le varie sale montate sono centrate rispetto al binario e l’area di appoggio delle ruote che compongono la sala montata sono le stesse. Il moto del convoglio avviene in posizione centrale rispetto al binario (circa baricentrica). In rettilineo, il moto di serpeggiamento nasce solo quando si hanno delle sollecitazioni orizzontali esterne, tipo il vento, azioni istantanee dinamiche che spostano il treno dal baricentro. Altrimenti il moto di serpeggiamento c’è ma non è significativo perché il convoglio è centrato sul binario e le ruote delle sale montate coprono circonferenze uguali: il sistema è in equilibrio e simmetrico.

In curva, anche se non ci sono forze esterne (tipo il vento) nasce la forza centrifuga che è una forza orizzontale che agisce sul convoglio ed è direttamente proporzionale alla sua velocità. Questa forza spinge il veicolo verso il centro della curva spostando man mano le ruote della sala montata verso il centro della curva: le aree di contatto non sono più uguali tra loro ma la ruota interna alla curva si appoggia alla rotaia e quella esterna alla curva si allontana dalla rotaia.

L’entità del moto di serpeggiamento è uno dei dati per scegliere la sovrastruttura ferroviaria: a seconda della forza con cui avviene l’urto tra la rotaia e la ruota si scelgono idonee rotaie, traverse, spessori. Inoltre condiziona anche la progettazione geometrica del binario, perché l’esistenza del moto di serpeggiamento implica avere curve con raggio grandi, le transizioni rettifilo – curva non devono essere istantanee ma con raccordi di transizione; inoltre si deve sempre assicurare l’inclinazione di 1/20, cioè assicurare sempre la stessa posizione plano altimetrica del binario. Quest’ultima condizione fa sì che la manutenzione del binario sia molto più importante della manutenzione stradale: in ferrovia la manutenzione è obbligatoria! Se viene meno la posizione plano altimetrica del binario viene meno il buon funzionamento del moto di serpeggiamento.

Germania: 1/40, hanno veicoli a carico massimo più elevato e quindi serve un angolo maggiore per tenerlo centrato. RFI: 1/20 su tutte le linee (tradizionali, AV); eccetto negli scambi: qui il piano di posa delle rotaie è orizzontale (inclinazione 0°). A questa mancanza di inclinazione di 1/20 corrisponde che negli scambi il treno deve andare più piano che sulla linea. Cambio di armamento = cambio di velocità media (es. treni italiani in Germania devono andar più piano per via della diversa inclinazione).

Linea o infrastruttura ferroviaria

Una linea o infrastruttura ferroviaria è l’insieme: corpo stradale + sovrastruttura ferroviaria.

Corpo stradale (sede)

Il corpo stradale può essere di diverse tipologie (come nel caso stradale):

• Corpo stradale in materiale granulare: rilevati e trincee (linea all’aperto)
• Corpo stradale in c.a. (o comunque materiale legato a cemento): ponti e viadotti
• Soluzioni in galleria: naturali e artificiali (linea al chiuso)

Vedremo sia come si realizza il corpo stradale, sia come si adegua l’armamento in funzione del corpo stradale: a seconda del tipo di corpo stradale l’armamento (e in parte la massicciata) deve avere caratteristiche particolari.

Sovrastruttura ferroviaria

È la parte dell’infrastruttura ferroviaria compresa al di sopra del corpo stradale (tutto ciò che sta sotto al treno). La sovrastruttura è data dall’insieme armamento + massicciata. Funzione principale: costituire la sede di movimento dei veicoli. La sovrastruttura ferroviaria di una linea all’aperto cambia molto rispetto a quella di una linea in galleria. In particolare cambia il pietrisco, nel senso che all’aperto è presente mentre in galleria non si usa perché, specie se il convoglio è ad AV, il pietrisco essendo un materiale non legato viene risucchiato dal treno e inizia a volare sbattendo contro la galleria o il treno stesso, danneggiandoli. Non esiste roccia pesante al punto da non essere risucchiata in galleria: la sovrastruttura è quindi fatta in c.a. La mancanza della capacità di distribuzione dei carichi del pietrisco nelle gallerie è meno sentita perché i veicoli ferroviari vanno più piano che sulle linee in aperto.

Nota. Esiste una ricerca europea su colle con cui miscelare il pietrisco per evitare il problema, ma ancora non si hanno buoni risultati perché il pietrisco è utile nella sovrastruttura proprio perché è un materiale slegato e cede le sollecitazioni trasmesse dai veicoli.

Per studiarla, la si divide in una porzione inferiore – la massicciata – ossia i vari strati di materiale granulare che compongono il pacchetto ferroviario; ed una porzione superiore che in gergo è chiamata porzione in acciaio. In realtà “porzione in acciaio” non è del tutto giusto perché si considera non solo le rotaie e tutti gli organi collegati ma anche le traverse (che non sono in acciaio). Per questo è più corretto dire che la sovrastruttura ferroviaria è l’insieme della massicciata e dell’armamento. L’armamento comprende tutti gli elementi con i quali si deve armare la massicciata affinché il treno possa circolare.

Armamento e massicciata, in termini di progettazione della sovrastruttura, hanno la stessa importanza perché:

• L’armamento: ha la funzione di distribuire le sollecitazioni da traffico alla massicciata
• La massicciata: ha la funzione di prendere queste sollecitazioni e in parte distribuirle al corpo stradale e in parte assorbirle quindi ridurle fino ad annullarle.

Sia la massicciata che l’armamento sono molto diversi a seconda del tipo di linea che si considera (linea tradizionale – LT – o alta velocità – AV).

Per studiare la sovrastruttura si parte dall’armamento e poi si studia la massicciata, in modo da seguire il percorso tensionale dei carichi da traffico che i veicoli cedono alla sovrastruttura ferroviaria.

Armamento

L'armamento è composto da:

• Rotaie
• Traverse
• Organi di attacco
• Organi di giunzione

Organi di attacco: servono per collegare la rotaia alla traversa. Organi di giunzione: servono per collegare tra di loro le rotaie che, essendo profilati metallici, non possono avere lunghezza infinita. Si hanno spezzoni di rotaia collegati tramite gli organi di giunzione in corrispondenza delle testate (cioè la parte terminale dello spezzone di rotaia). Questo è uno dei punti più deboli della sovrastruttura, per questo è sorta la necessità di ridurne il numero il più possibile tramite il sistema della “lunga rotaia saldata”: rotaia molto più lunga ottenuta saldando tra loro tante rotaie tradizionali.

A parte le traverse, l’armamento è realizzato tutto con lo stesso materiale: l’acciaio. La scelta del tipo di materiale è condizionata dal tipo di acciaio delle rotaie: in funzione del tipo di acciaio che costituisce la rotaia si scelgono i rispettivi organi di giunzione e attacco.