Esame ferrovia

Le ferrovie: la storia e le caratteristiche generali

In Italia il primo tronco ferroviario è stato realizzato da Napoli a Portici (10 km). La difficoltà di costruire in Italia è dovuta principalmente a:

• Conformazione aerografia accidentale
• Disposizione allungata della penisola
• Spazi liberi solo lungo la costa
• Necessità di costruire gallerie
• Difficoltà di realizzare opere trasversali

Vantaggi e svantaggi delle ferrovie

I vantaggi sono:

• Superficie necessaria pari a un terzo di quella stradale
• Capacità di trasporto maggiore
• Sicurezza maggiore
• Inquinamento ambientale nullo
• Comfort di marcia molto maggiore
• Assenza di congestione
• Indipendenza dalle condizioni climatiche
• Efficienza energetica inferiore soltanto alle navi porta container

Gli svantaggi sono:

• Rigorosità degli orari e percorsi del servizio
• Elevato costo di costruzione e gestione
• Sovradimensionamento delle infrastrutture per far fronte alle punte
• Tempi di viaggio svantaggiosi per brevi distanze
• Difficoltà di portare bagagli ingombranti
• Impossibilità di effettuare un servizio porta a porta

L'armamento ferroviario

La sede ferroviaria è costituita da una struttura ferroviaria sostenuta da un corpo stradale e da una sovrastruttura ferroviaria. La sovrastruttura ferroviaria è composta da:

• Binario o armamento: costituito dalla rotaia fissata alla traversa
• Massicciata o ballast: strato di pietrisco elastico permeabile nel quale sono annegate le traverse e sostiene l'armamento

Il corpo stradale è a sua volta formato da:

• La sede stradale: realizzata su rilevati la cui parte superiore è denominata piattaforma stradale, comprende anche le banchine e le vie di accesso ai binari
• Le opere d'arte: rilevati, ponti, gallerie
• Le opere d'arte minori o di protezione: ponticelli, fosse di guardia

La massicciata

La massicciata è un cuscinetto di pietrisco elastico, permeabile, nel quale sono incastrate le traverse. È interposta tra corpo stradale e armamento per assolvere tre fondamentali compiti:

• Distribuire i carichi verticali sul piano del corpo stradale
• Consentire di realizzare le condizioni geometriche di posa del binario sia in fase di costruzione che di esercizio
• Consentire la correzione dei difetti di geometria indotti dai carichi dinamici ed eventuali piccole alterazioni del corpo stradale

Essa deve inoltre contribuire insieme all'armamento all'assorbimento dei seguenti sforzi:

• Sforzi verticali: peso proprio, peso degli assi, sforzi da martellamento nelle giunzioni
• Sforzi longitudinali: dovuti ad accelerazioni e frenature, dovuti alla dilatazione termica delle rotaie
• Sforzi trasversali: dovuti ai moti di serpeggio, dovuti alla forza centrifuga non compensata

Lo spessore del cuscinetto di pietrisco può essere di:

• Tipo A spessore 50 cm per linee più importanti
• Tipo B spessore 35 cm per linee meno importanti

La massicciata ha una sufficiente elasticità e ciò consente che l'armamento reagisca elasticamente agli sforzi. La presenza della massicciata fa sì che le traverse si trovino in un ambiente il più asciutto possibile, così da prolungarne la durata.

Il pietrisco

La massicciata deve essere costituita da elementi tenaci come i basalti, i graniti e i calcari. Particolare attenzione anche agli elementi del pietrisco: essi devono essere a spigoli vivi per garantire il massimo attrito e di pezzatura uniforme (minimo 15/20 - massimo 60/65 mm). Sono da scartare le ghiaie a fiumi in quanto riducono la coesione della massicciata. (La curva granulometrica del pietrisco dovrebbe cadere nell'area tratteggiata con le tolleranze indicate).

Sezioni tipo

La forma che assume, in rettifilo, la sezione della massicciata è quella di un trapezio isoscele con i lati inclinati di 3/4. Nella sezione si distinguono:

• Cassonetto: parte dove sono negate le traverse
• Unghiatura: parte a sezione triangolare laterale della massicciata
• Ciglio della massicciata: l’una e l’altra degli spigoli superiori
• Piede dell'unghiatura: l'uno e l'altro degli spigoli tra la unghiatura e la banchina pedonale

Se la linea è in curva, la sezione subisce una rotazione della base superiore di un angolo pari alla sopraelevazione intorno al punto in cui l'asse della rotaia interna alla curva poggia sulla traversa (per mantenere lo spessore minimo di 50 cm).

Sezioni per linee nuove o da rendere atte all'alta velocità

Per le linee per le quali si è progettata l'adozione di velocità fino a 200 km/h si è adottato un interbinario maggiorato a 2,567 di 4 m per evitare iterazioni troppo violente fra treni incrociati (si forma un’onda di pressione) e per rendere più agevoli gli interventi di manutenzione sui binari. Inoltre si interpone un sub-ballast di una ventina di centimetri realizzato in CLS magro o con miscele bituminose. L’aumento dell'interbinario comporta una maggiorazione della sezione trasversale che rappresenta un grosso aumento dei costi soprattutto in gallerie e nei viadotti.

RFI e Italfer hanno definito degli standard:

• Linea a semplice binario per velocità fino a 200 km/h
• Linea a doppio binario per velocità fino a 200 km/h
• Linea a doppio binario per velocità compresa tra i 200 e i 300 km/h

Il binario senza massicciata di tipo innovativo presenta un CLS per ridurre i tempi di manutenzione e di attesa.

Scopi:

• Contrastare le enormi azioni derivanti dall'aumento della velocità nei convogli
• Ridurre gli interventi di manutenzione
• Ridurre la sospensione di servizio per manutenzione
• Eliminare gli interventi di ricostruzione della sovrastruttura

Vantaggi:

• Costo non superiore al doppio
• Buona riserva di resistenza sotto carico
• Elasticità identica
• Spessore inferiore
• Minimizzazione del disturbo vibro-acustico
• Carrabilità del binario anche in galleria
• Velocità di posa

Il sottofondo

Il sottofondo è lo strato intermedio tra la massicciata e il corpo stradale. Ha lo scopo di:

• Ripartire i carichi dinamici nel piano di piattaforma
• Diminuire la risalita di umidità del corpo stradale grazie allo strato di ghiaia grossa
• Impedire la risalita di argille dal corpo stradale
• Insensibilità alle escursioni termiche

Può presentare uno spessore:

• Misto cementato (magrone) di circa 20 cm o massimo 40 cm con una granulometria mista
• Conglomerato bituminoso con uno spessore di 12 cm o 20 cm

Le rotaie

Le rotaie (derivate dalla trave a doppio T) sono inclinate di 1/20 verso l'interno. La rotaia è un profilato in acciaio di sezione opportunamente sagomata che ha la funzione di sostegno e di guida della ruota dei rotabili ferroviari. La rotaia viene calcolata in modo che possa resistere agli sforzi verticali statici e dinamici come una traversa continua appoggiata.

In cui si notano:

• Una parte superiore detta fungo: sulla quale insistono direttamente le ruote dei rotabili
• Una parte inferiore detta suola: per mezzo della quale la rotaia appoggia sulle traverse
• Una parte centrale detta gambo: che è la sede della foratura per il collegamento tramite giunto di due rotaie consecutive
• La parte superiore del fungo prende il nome di superficie di rotolamento
• I raccordi tra fungo e gambo prendono il nome di piani di steccatura: contengono tratti inclinati e piani che servono da riscontro superiore e inferiore alle ganasce di giunzione delle rotaie consecutive

La classificazione delle rotaie viene fatta in base alla loro massa per metro lineare.

La relazione che lega la massa di una rotaia in Kg/m alla sua sezione F in mm è:

2 → 0.00786 ∗

In ferrovia si usano rotaie di tipo e peso notevolmente differenti. Si chiamano armamenti leggeri gli armamenti con rotaie di peso inferiore a 46 kg/metro lineare e armamenti pesanti gli armamenti con rotaie di peso che superano i 46 kg/metro lineare.

Gli armamenti oggi adottati dalle RFI sono:

• Tipo 50 UNI con rotaia da 49.86 kg/metro lineare
• Tipo 60 UNI con rotaia da 60.36 kg/metro lineare

In particolare la vita di una rotaia dipende dal traffico che su di essa si svolge e dall'andamento planimetrico del tracciato. In linea di massima, le rotaie vengono mantenute in opera per 20 anni. Particolare consumo del fungo si riscontra nei tratti di binari in curva. Nei casi di curve con raggio molto ridotto possono adottarsi apparecchiature per la lubrificazione dell'accoppiamento bordino rotaia.

Le traverse

Le traverse hanno lo scopo di:

• Collegare trasversalmente le due file di rotaie
• Assicurare lo scartamento
• Distribuire sul pietrisco lo sforzo trasmesso dalle rotaie

A mezzo di esse l'armamento risulta incastrato e vincolato alla massicciata. Le traverse inizialmente più usate furono le traverse in legno che presentavano il vantaggio di:

• Elevata elasticità
• Resistenza agli sforzi dinamici istantanei
• Peso non elevato (solitamente compreso tra 60 kg e 100 kg)

Le facce vengono chiamate:

• Faccia superiore: sulla quale si distinguono i due piani di frenatura per l'ancoraggio delle rotaie
• Faccia inferiore o piano di posa
• Facce laterali
• Facce terminali

Il legno più utilizzato era il rovere e il faggio. Tuttavia per aumentare la durata nel tempo delle traverse occorreva aumentare la resistenza attraverso un impregnante con olio di catrame contro parassiti e agenti atmosferici. Poiché la durata media era fissata a 20 anni, FS aveva bisogno per i ricambi di moltissime traverse di legno all'anno. Aumentarono col tempo le difficoltà di approvvigionamenti dei legnami e si è passato dunque all'uso della traversa in cemento armato precompresso c.a.p. a sezione trapezia variabile in altezza e larghezza. Le traverse in c.a.p. risultano molto più pesanti di quelle in legno raggiungendo masse dell'ordine di 200 kg contro i 60/100 kg del legno. Sia per il loro peso che per la loro fragilità, le traverse in c.a.p. devono essere manipolate con apposite attrezzature ed è vietato per il rassodamento della massicciata l'uso di mezzi a percussione che va effettuato con mezzi meccanici a vibrazione.

Gli attacchi

Per fissare la rotaia alla traversa si usano degli attacchi che possono essere di tipo diretto o indiretto. Si definisce attacco diretto, quello che anche se fornito di una piastra tra rotaia e traversa, vede sempre la rotaia fissata con chiodi detti arpioni o con caviglie, direttamente alla traversa. La presenza o meno della piastra porta a distinguere tra posa diretta e posa indiretta. Se invece di arpioni e caviglie si usano arpioni elastici, si parla di attacco diretto elastico.

Si definisce attacco indiretto un attacco che oltre ad avere sempre una piastra tra rotaie e traversa, vede la piastra fissata alla traversa con la caviglia e la rotaia fissata alla piastra con dei bulloni detti chiavarde di ancoraggio o apposite piastrine.

NB: La molla Nabla viene deformata elasticamente dal dado di estremità avvitato sulla chiavarda verticale. La molla Vossloh viene deformata elasticamente da una caviglia avvitata in un tassello inglobato nella traversa. La molla Pandrol non richiede controlli periodici se non di lungo periodo.

Giunzioni

I primi armamenti vennero costruiti con rotaie da 9 o 12 m. Tale lunghezza venne fissata anche in funzione della massima ammissibile. L'escursione massima di temperatura di 70 ° su una rotaia di 12 m provoca una variazione di 10 mm, allora per una rotaia di 12 metri la luce da lasciare si avvicina a quella massima di 14 mm fissata da FS. La presenza dell'interruzione e della luce di dilatazione rende necessaria, tra rotaie contigue la presenza di giunti capaci di garantire la necessaria robustezza al binario pur consentendo le dilatazioni termiche. Lo scopo viene raggiunto attraverso l'uso di giunzioni costituite da due ganasce, da un piastrone e dai bulloni di collegamento. Le due ganasce vengono poste una a destra e una a sinistra del gambo della rotaia ed a cavallo dell'interruzione. A mezzo di bulloni detti chiavarde, le due ganasce vengono strette in modo da serrare tra loro i gambi delle due testate delle rotaie contigue. Le due ganasce hanno una sezione opportunamente sagomata in modo che esse si incastrino saldamente tra i piani di steccatura delle testate delle rotaie. Tutto il giunto poi poggia su un piastrone al quale le rotaie sono ancorate. Si viene così a costruire un insieme capace di sostituire la continuità delle rotaie nel punto di interruzione. Il piastrone che si trova al di sotto della giunzione può appoggiare sulla traversa e si ha allora il giunto appoggiato oppure può trovarsi tra le due traverse e si ha allora il giunto sospeso. Si preferisce il giunto appoggiato che vede il piastrone appoggiare su due traverse affacciate e tra di loro collegate. Nel giunto appoggiato, il piastrone è anche collegato alla traversa tramite normali caviglie. Con il giunto appoggiato, cedimenti e rumorosità sono molto ridotti. Inoltre, le giunzioni possono essere affacciate o sfalsate. Le giunzioni sfalsate comportano maggior rumore e possibilità di oscillazione trasversale della carrozza. Il salto risulta più contenuto. Inoltre, è necessario mantenere isolata elettricamente la testata della rotaia contigua in corrispondenza di una giunzione. Si usano pertanto delle particolari giunzioni isolate con l'utilizzo di fibra di legno o con sottosuole in nylon.

Qualità e lunghezza dell'acciaio

I tipi di acciaio più utilizzati sono di classe 700 e 900 in relazione al valore medio del carico di rottura (N/mm²). In Italia l'unico impianto di produzione delle rotaie è a Piombino e produce rotaie di 36 m che vengono successivamente saldate per arrivare a 144 m (non di più per problemi di trasporto).

La ruota

Il moto e la guida dei veicoli ferroviari avvengono in modo opposto rispetto a quelli dei veicoli stradali, poiché in ferrovia la guida è affidata esclusivamente al binario. I veicoli ferroviari hanno le ruote di uno stesso asse rigidamente collegate fra loro. L'insieme di ruota e dell'asse corrispondente (assali) prende il nome di Sala montata. Le ruote possono essere motrici, se collegate al motore, e portanti. Le ruote motrici trasmettono al binario delle forze orizzontali per mezzo delle quali si realizza il moto. La ruota si compone di due elementi:

• Il corpo o centro
• Il cerchione

Il cerchione è dotato di forma particolare, con bordino e con superficie di appoggio inclinata verso l'interno di un angolo la cui tangente è 1/20. Sulla conicità della ruota si fonda l'azione di guida esercitata dalle rotaie sulla sala montata. Se una sala in movimento su un binario in rettilineo non è centrata, i raggi di rotolamento delle ruote non saranno uguali e l'asse sarà inclinato rispetto al piano della rotaia. Si realizza così il moto di serpeggiamento che manda i bordini delle ruote ad urtare alternativamente contro la rotaia. Le oscillazioni trasversali, grazie alla forma biconica, tenderanno a smorzarsi rapidamente e la sala ad autocentrarsi sul binario. Il fatto di avere le ruote coniche collegate rigidamente consente inoltre a ciascuna sala montata di comportarsi come autosterzante durante il moto in curva. La forza centrifuga spinge la sala verso l'esterno della curva e per effetto della conicità della ruota, si ha che la ruota interna va a lavorare su un diametro minore e quella esterna su uno maggiore. È più piccolo il diametro ma anche il percorso della ruota interna.

Il binario

Il binario si distingue per le sue caratteristiche geometriche che unitamente alle caratteristiche termiche influenzano i principali fattori cinematici e dinamici del rotabile.

Numero e distribuzione degli appoggi

Con l'aumento della velocità e del peso dei convogli non è solo aumentato il peso unitario delle rotaie e lo spessore della massicciata, ma è anche cresciuto il numero degli appoggi a parità di lunghezza. Con l'adozione delle giunzioni appoggiate si è pervenuti a una distribuzione uniforme delle traverse e si è definito un modulo di distanziamento. I moduli adottati ad oggi da FS sono i seguenti:

• Modulo di 6/10 di metro (60 cm), cioè 10 traverse ogni 6 metri adottato sui binari con rotaie pesanti ma velocità elevate
• Modulo di 6/9 di metro (66,66 cm), cioè 9 traverse ogni 6 metri adottato su linee con caratteristiche uguali al punto precedente ma con velocità minori
• Modulo di 6/8 di metro (75 cm), cioè 8 traverse ogni 6 metri adottato su linee armate con rotaie appartenenti alle categorie precedenti o eccezionalmente con armamento leggero con limiti alle velocità di percorrenza e ai pesi

Distribuzione delle giunzioni

Nei primi armamenti le giunzioni delle due rotaie del binario vennero sempre fatte capitare una di fronte all'altra e si parlava di giunzioni affacciate o concordanti. Per ottenere l'allineamento anche in curve si usavano sulla fila interna delle curve, rotaie dette corte o anche cortissime di lunghezze leggermente inferiori alla norma: 8,94 m in confronto ai 9 m, 47,707 m in confronto ai 48 m. Particolare cura si poneva per contenere i fuori squadro e cioè l'errore di allineamento delle giunzioni affacciate. Verso il 1940 FS compose le prime pose di armamento a giunzione sfalsata: la Lunghezza Totale Sfalsamento.